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三峡大坝下游近坝段沙质河床形态调整及洲滩联动演变关系

赵维阳 杨云平 张华庆 张明进 袁晶 杨保岑

赵维阳, 杨云平, 张华庆, 张明进, 袁晶, 杨保岑. 三峡大坝下游近坝段沙质河床形态调整及洲滩联动演变关系[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 862-874. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.006
引用本文: 赵维阳, 杨云平, 张华庆, 张明进, 袁晶, 杨保岑. 三峡大坝下游近坝段沙质河床形态调整及洲滩联动演变关系[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 862-874. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.006
ZHAO Weiyang, YANG Yunping, ZHANG Huaqing, ZHANG Mingjin, YUAN Jing, YANG Baocen. Adjustment patterns and causes of the morphology of sandy riverbed downstream of the Three Gorges Dam[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 862-874. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.006
Citation: ZHAO Weiyang, YANG Yunping, ZHANG Huaqing, ZHANG Mingjin, YUAN Jing, YANG Baocen. Adjustment patterns and causes of the morphology of sandy riverbed downstream of the Three Gorges Dam[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 862-874. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.006

三峡大坝下游近坝段沙质河床形态调整及洲滩联动演变关系

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.006
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2018YFB1600400);河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放研究基金资助项目(2017491211)
详细信息
    作者简介:

    赵维阳(1980-), 男, 湖北黄冈人, 高级工程师, 主要从事内河河床演变理论及桥梁建设技术方面研究。E-mail:zhaowy2004@163.com

    通讯作者:

    杨云平, E-mail:yangsan520_521@163.com

  • 中图分类号: TV148

Adjustment patterns and causes of the morphology of sandy riverbed downstream of the Three Gorges Dam

Funds: The study is financially supported by the National Key R & D Program of China (No.2018YFB1600400)
  • 摘要: 大型水库运行改变了坝下游水沙条件,引起河床冲淤、洲滩形态等适应性调整,尤其是近坝段沙质河床的响应最为敏感。以三峡大坝下游近坝段沙质河段为研究对象,采用1955-2018年水沙数据与1975-2018年地形资料,研究了河床冲淤量及河床形态、洲滩形态演变及联动关系等。研究表明:伴随流域来沙量减少,1975-2018年河床为累积冲刷态势,枯水河槽冲刷量占总冲刷量的93.1%,同步发生洲滩面积减少、深泓下切;以2009年分界,滩槽冲淤逐渐由"低滩冲刷,高滩淤积"逐渐向"低滩、高滩均冲"转变;受来沙量锐减、河道采砂活动等影响,2013年以来河床冲刷强度显著增大,疏浚抛泥对滩槽冲淤的影响较小;航道工程实施前滩群演变关联性强,太平口心滩发育与头部下移引起腊林洲边滩上段面积减小并后退,对应腊林洲边滩尾部面积增大且淤宽,使得三八滩面积减小且右缘蚀退,金城洲逐渐由边滩演变为心滩;航道工程实施后太平口心滩与腊林洲边滩上段关联性减弱,受航道工程及疏浚抛泥等影响腊林洲边滩下段淤宽,引起三八滩维持面积持续减小、右缘后退及左移态势,促使金城洲萎缩且分散。
  • 图  1  研究河段位置及已实施航道工程布置

    Figure  1.  Location of the study river reach and layout of the implemented waterway engineering

    图  2  沙市站和虎渡河的径流量和输沙量变化

    Figure  2.  Changes in runoff and sediment transport at Shashi station and in Hudu River

    图  3  河床冲淤量及强度变化

    Figure  3.  Changes of silting volume and intensity of riverbed

    图  4  2003—2018年河床冲淤分布

    Figure  4.  Distribution of riverbed erosion and deposition in 2003—2018

    图  5  研究河段洲滩区域代表断面形态变化

    Figure  5.  Morphological changes in representative sections in the shoal and beach areas of the target river segment

    图  6  深泓线及河相系数变化

    Figure  6.  Morphological changes in representative sections in the shoal and beach areas

    图  7  滩群演变过程

    Figure  7.  Diagram of shoal and beach evolution of the target river segment

    图  8  河床冲淤量及和输沙量关系

    Figure  8.  Diagram of the relationship between silting volume and sediment transport volume of the riverbed

    图  9  研究河段维护性疏浚量

    Figure  9.  Correlation between area and morphological evolution of shoals and beaches

    图  10  冲刷坑位置横断面变化

    Figure  10.  Changes in cross section at the sand excavation pit location

    图  11  沙市河段河床组成

    Figure  11.  Bed composition of the Shashi reach

    图  12  洲滩面积变化与沙市站输沙量关系

    Figure  12.  Relationship between changes in shoal and beach area and sediment transport volume at Shashi station

    图  13  洲滩面积及形态演变的关联性

    Figure  13.  Correlation between area and morphological evolution of shoals and beaches

  • [1] RINALDI M, SIMON A. Bed-level adjustments in the Arno River, central Italy[J]. Geomorphology, 1998, 22(1):57-71.
    [2] ZHENG S R. Reflections on the Three Gorges Project since its operation[J]. Engineering, 2016, 2(4):389-397.
    [3] DAI S B, LU X X. Sediment load change in the Yangtze River(Changjiang):a review[J]. Geomorphology, 2014, 215:60-73.
    [4] YANG S L, XU K H, MILLIMAN J D, et al. Decline of Yangtze River water and sediment discharge:impact from natural and anthropogenic changes[J]. Scientific Reports, 2015, 5(1):12581.
    [5] MEI X F, DAI Z J, van GELDER P H A J M, et al. Linking Three Gorges Dam and downstream hydrological regimes along the Yangtze River, China[J]. Earth and Space Science, 2015, 2(4):94-106.
    [6] YU Y W, MEI X F, DAI Z J, et al. Hydromorphological processes of Dongting Lake in China between 1951 and 2014[J]. Journal of Hydrology, 2018, 562:254-266.
    [7] MORETTO J, RIGON E, MAO L, et al. Channel adjustments and island dynamics in the Brenta River (Italy) over the last 30 years[J]. River Research and Applications, 2014, 30(6):719-732.
    [8] YANG Y P, ZHANG M J, ZHU L L, et al. Influence of large reservoir operation on water-levels and flows in reaches below dam:case study of the Three Gorges Reservoir[J]. Scientific Reports, 2017, 7(1):15640.
    [9] LEGLEITER C J. Downstream effects of recent reservoir development on the morphodynamics of a meandering channel:savery creek, Wyoming, USA[J]. River Research and Applications, 2015, 31(10):1328-1343.
    [10] 杨云平, 张明进, 李义天, 等.长江三峡水坝下游河道悬沙恢复和床沙补给机制[J].地理学报, 2016, 71(7):1241-1254.

    YANG Y P, ZHANG M J, LI Y T, et al. Suspended sediment recovery and bedsand compensation mechanism affected by the Three Gorges Project[J]. Acta Geographica Sinica, 2016, 71(7):1241-1254. (in Chinese)
    [11] ZHANG W, YANG Y P, ZHANG M J, et al. Mechanisms of suspended sediment restoration and bed level compensation in downstream reaches of the Three Gorges Projects (TGP)[J]. Journal of Geographical Sciences, 2017, 27(4):463-480.
    [12] 杨云平, 张明进, 孙昭华, 等.基于河段单元尺度长江中游河床形态调整过程及差异性研究[J].应用基础与工程科学学报, 2018, 26(1):70-84.

    YANG Y P, ZHANG M J, SUN Z H, et al. Characteristics and reason of riverbed evolution difference in the middle Yangtze River based on river unit model[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2018, 26(1):70-84.(in Chinese)
    [13] YANG Y P, ZHANG M J, ZHU L L, et al. Impact of the operation of a large-scale reservoir on downstream river channel geomorphic adjustments:a case study of the Three Gorges[J]. River Research and Applications, 2018, 34(10):1315-1327.
    [14] 韩剑桥, 孙昭华, 黄颖, 等.三峡水库蓄水后荆江沙质河段冲淤分布特征及成因[J].水利学报, 2014, 45(3):277-285, 295.

    HAN J Q, SUN Z H, HUANG Y, et al. Features and causes of sediment deposition and erosion in Jingjiang reach after impoundment of the Three Gorges Project[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(3):277-285, 295.(in Chinese)
    [15] XIA J Q, DENG S S, LU J Y, et al. Dynamic channel adjustments in the Jingjiang reach of the Middle Yangtze River[J]. Scientific Reports, 2016, 6(1):22802.
    [16] XIA J Q, ZHOU M R, LIN F F, et al. Variation in reach-scale bankfull discharge of the Jingjiang reach undergoing upstream and downstream boundary controls[J]. Journal of Hydrology, 2017, 547:534-543.
    [17] 夏军强, 邓珊珊, 周美蓉, 等.三峡工程运用对近期荆江段平滩河槽形态调整的影响[J].水科学进展, 2016, 27(3):385-391.

    XIA J Q, DENG S S, ZHOU M R, et al. Effects of the Three Gorges Project operation on the recent variation in bankfull channel geometry of the Jingjiang reach[J]. Advances in Water Science, 2016, 27(3):385-391. (in Chinese)
    [18] 假冬冬, 夏海峰, 陈长英, 等.岸滩侧蚀对航道条件影响的三维数值模拟:以长江中游太平口水道为例[J].水科学进展, 2017, 28(2):223-230.

    JIA D D, XIA H F, CHEN C Y, et al. 3-D numerical simulation of the influences of bank erosion processes on navigation conditions:case study of the Taipingkou waterway on the Middle Yangtze River[J]. Advances in Water Science, 2017, 28(2):223-230. (in Chinese)
    [19] 夏军强, 林芬芬, 周美蓉, 等.三峡工程运用后荆江段崩岸过程及特点[J].水科学进展, 2017, 28(4):543-552.

    XIA J Q, LIN F F, ZHOU M R, et al. Bank retreat processes and characteristics in the Jingjiang reach after the Three Gorges Project operation[J]. Advances in Water Science, 2017, 28(4):543-552.(in Chinese)
    [20] LI S X, LI Y T, YUAN J, et al. The impacts of the Three Gorges Dam upon dynamic adjustment mode alterations in the Jingjiang reach of the Yangtze River, China[J]. Geomorphology, 2018, 318:230-239.
    [21] WANG J, DAI Z J, MEI X F, et al. Immediately downstream effects of Three Gorges Dam on channel sandbars morphodynamics between Yichang-Chenglingji reach of the Changjiang River, China[J]. Journal of Geographical Sciences, 2018, 28(5):629-646.
    [22] 薛兴华, 常胜, 宋鄂平.三峡水库蓄水后荆江洲滩变化特征[J].地理学报, 2018, 73(9):1714-1727.

    XUE X H, CHANG S, SONG E P. Evolution of floodplains and bars at the Jingjiang reach of Yangtze River, China in response to Three Gorges Reservoir impoundment[J]. Acta Geographica Sinica, 2018, 73(9):1714-1727. (in Chinese)
    [23] 江凌, 李义天, 孙昭华, 等.三峡工程蓄水后荆江沙质河段河床演变及对航道的影响[J].应用基础与工程科学学报, 2010, 18(1):1-10.

    JIANG L, LI Y T, SUN Z H, et al. Channel evolution of Jingjiang reach and its influences on waterway after impoundment of the Three Gorges Project[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2010, 18(1):1-10. (in Chinese)
    [24] 朱玲玲, 葛华, 李义天, 等.三峡水库蓄水后长江中游分汊河道演变机理及趋势[J].应用基础与工程科学学报, 2015, 23(2):246-258.

    ZHU L L, GE H, LI Y T, et al. Branching channels in the Middle Yangtze River, China[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2015, 23(2):246-258. (in Chinese)
    [25] ZHANG W, YUAN J, HAN J Q, et al. Impact of the Three Gorges Dam on sediment deposition and erosion in the Middle Yangtze River:a case study of the Shashi reach[J]. Hydrology Research, 2016, 47(S1):175-186.
    [26] 邓晓丽, 李文全, 雷家利, 等.基于对长江中游沙市河段近期河势分析的航道总体治理方案的优化建议[J].泥沙研究, 2013(6):75-80.

    DENG X L, LI W Q, LEI J L, et al. Current fluvial processes of Shashi reach in middle Yangtze River and relevant suggestions for improvement of its waterway regulating works plan[J]. Journal of Sediment Research, 2013(6):75-80. (in Chinese)
    [27] 李溢汶, 夏军强, 周美蓉, 等.三峡工程运用后沙市段洲滩形态调整特点分析[J].水力发电学报, 2018, 37(10):76-85.

    LI Y W, XIA J Q, ZHOU M R, et al. Analysis on evolution of mid-channel sandbars in Shashi reach after the Three Gorges Project operation[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2018, 37(10):76-85. (in Chinese)
    [28] 朱勇辉, 黄莉, 郭小虎, 等.三峡工程运用后长江中游沙市河段演变与治理思路[J].泥沙研究, 2016(3):31-37.

    ZHU Y H, HUANG L, GUO X H, et al. Analysis of processes and regulation of Shashi River reach in the middle reach of Yangtze River after the TGP operation[J]. Journal of Sediment Research, 2016(3):31-37. (in Chinese)
    [29] 周美蓉, 夏军强, 林芬芬, 等.三峡工程运用后上荆江枯水河槽调整及其对航道的影响[J].工程科学与技术, 2017, 49(增刊2):74-82.

    ZHOU M R, XIA J Q, LIN F F, et al. Adjustments in low-water channel geometry and its effect on the navigation condition of the Upper Jingjiang Reach after the Three Gorges Project operation[J]. Advanced Engineering Sciences, 2017, 49(Suppl 2):74-82. (in Chinese)
    [30] 汪飞, 李义天, 刘亚, 等.三峡水库蓄水前后沙市河段滩群演变特性分析[J].泥沙研究, 2015(4):1-6.

    WANG F, LI Y T, LIU Y, et al. Evolution of multi-bar in Shashi reach before and after Three Gorges Reservoir impoundment[J]. Journal of Sediment Research, 2015(4):1-6. (in Chinese)
    [31] BRUNIER G, ANTHONY E J, GOICHOT M, et al. Recent morphological changes in the Mekong and Bassac River channels, Mekong delta:the marked impact of river-bed mining and implications for delta destabilisation[J]. Geomorphology, 2014, 224(1):177-191.
    [32] BENDIXEN M, BEST J, HACKNEY C, et al. Time is running out for sand[J]. Nature, 2019, 5717763:29-31.
    [33] 杨传华, 黄蓓蓓, 李明, 等.长江中游太平口水道维护性疏浚技术[J].水运工程, 2019(11):100-107.

    YANG C H, HUANG B B, LI M, et al. Maintenance dredging technology of Taipingkou waterway in Middle Yangtze River[J]. Port & Waterway Engineering, 2019(11):100-107. (in Chinese)
    [34] 朱玲玲, 许全喜, 陈子寒.新水沙条件下荆江河段强冲刷响应研究[J].应用基础与工程科学学报, 2018, 26(1):85-97.

    ZHU L L, XU Q X, CHEN Z H. Extraordinary scour of Jingjiang reach downstream from Three Gorges Project[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2018, 26(1):85-97. (in Chinese)
    [35] XIA J Q, ZONG Q L, ZHANG Y, et al. Prediction of recent bank retreat processes at typical sections in the Jingjiang reach[J]. Science China Technological Sciences, 2014, 57(8):1490-1499.
  • [1] 陈小齐, 余明辉, 刘长杰, 田浩永, 刘画眉.  珠江三角洲近年地形不均匀变化对洪季水动力特征的影响 . 水科学进展, 2020, 31(1): 81-90. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.009
    [2] 熊立华, 刘烁楠, 熊斌, 许文涛.  考虑植被和人类活动影响的水文模型参数时变特征分析 . 水科学进展, 2018, 29(5): 625-635. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.05.003
    [3] 夏军强, 林芬芬, 周美蓉, 邓珊珊, 彭玉明.  三峡工程运用后荆江段崩岸过程及特点 . 水科学进展, 2017, 28(4): 543-552. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.008
    [4] 余国安, 李志威, 黄河清, 刘晓芳.  人类活动影响下的干旱区河流地貌演变——以塔里木河为例 . 水科学进展, 2017, 28(2): 183-192. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.003
    [5] 李志威, 余国安, 徐梦珍, 胡旭跃, 杨洪明, 胡世雄.  青藏高原河流演变研究进展 . 水科学进展, 2016, 27(4): 617-628. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.017
    [6] 邓云, 肖尧, 脱友才, 何天福.  三峡工程对宜昌-监利河段水温情势的影响分析 . 水科学进展, 2016, 27(4): 551-560. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.009
    [7] 夏军强, 邓珊珊, 周美蓉, 卢金友.  三峡工程运用对近期荆江段平滩河槽形态调整的影响 . 水科学进展, 2016, 27(3): 385-391. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.006
    [8] 陈孝兵, 赵坚, 李英玉, 陈力.  床面形态驱动下潜流交换试验 . 水科学进展, 2014, 25(6): 835-841.
    [9] 孙东坡, 刘明潇, 张晓雷, 孙羽.  冲积性河流河床冲淤调整对洪水泥沙过程的响应——以黄河游荡型河段为例 . 水科学进展, 2014, 25(5): 668-676.
    [10] 董磊华, 熊立华, 于坤霞, 李 帅.  气候变化与人类活动对水文影响的研究进展 . 水科学进展, 2012, 23(2): 278-285. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2005.020
    [11] 陈桂亚, 袁晶, 许全喜.  三峡工程蓄水运用以来水库排沙效果 . 水科学进展, 2012, 23(3): 355-362. doi: CNKI: 32.1309.P.20120501.1618.015
    [12] 假冬冬, 邵学军, 张幸农, 周建银.  三峡水库蓄水初期近坝区淤积形态成因初步分析 . 水科学进展, 2011, 22(4): 539-545.
    [13] 周银军, 陈立, 欧阳娟, 刘金.  三峡蓄水后典型河段分形维数的变化分析 . 水科学进展, 2010, 21(3): 299-306.
    [14] 假冬冬, 邵学军, 王虹, 肖毅, 周刚.  三峡工程运用初期石首河弯河势演变三维数值模拟 . 水科学进展, 2010, 21(1): 43-49.
    [15] 陆永军, 左利钦, 季荣耀, 毛继新.  水沙调节后三峡工程变动回水区泥沙冲淤变化 . 水科学进展, 2009, 20(3): 318-324.
    [16] 朱恒峰, 赵文武, 康慕谊, 郭雯雯.  水土保持地区人类活动对汛期径流影响的估算 . 水科学进展, 2008, 19(3): 400-406.
    [17] 戴会超, 王玲玲.  三峡深水高土石围堰工程的渗流研究 . 水科学进展, 2005, 16(6): 849-852.
    [18] 许炯心, 孙季.  近50年来降水变化和人类活动对黄河入海径流通量的影响 . 水科学进展, 2003, 14(6): 690-695.
    [19] 韩曾萃, 潘存鸿, 史英标, 徐有成.  人类活动对河口咸水入侵的影响 . 水科学进展, 2002, 13(3): 333-339.
    [20] 芮孝芳.  长江下游感潮河段大洪水和特大洪水的形成及趋势 . 水科学进展, 1996, 7(3): 221-225.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-16
  • 网络出版日期:  2020-09-02
  • 刊出日期:  2020-11-30

三峡大坝下游近坝段沙质河床形态调整及洲滩联动演变关系

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.006
    基金项目:  国家重点研发计划资助项目(2018YFB1600400);河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放研究基金资助项目(2017491211)
    作者简介:

    赵维阳(1980-), 男, 湖北黄冈人, 高级工程师, 主要从事内河河床演变理论及桥梁建设技术方面研究。E-mail:zhaowy2004@163.com

    通讯作者: 杨云平, E-mail:yangsan520_521@163.com
  • 中图分类号: TV148

摘要: 大型水库运行改变了坝下游水沙条件,引起河床冲淤、洲滩形态等适应性调整,尤其是近坝段沙质河床的响应最为敏感。以三峡大坝下游近坝段沙质河段为研究对象,采用1955-2018年水沙数据与1975-2018年地形资料,研究了河床冲淤量及河床形态、洲滩形态演变及联动关系等。研究表明:伴随流域来沙量减少,1975-2018年河床为累积冲刷态势,枯水河槽冲刷量占总冲刷量的93.1%,同步发生洲滩面积减少、深泓下切;以2009年分界,滩槽冲淤逐渐由"低滩冲刷,高滩淤积"逐渐向"低滩、高滩均冲"转变;受来沙量锐减、河道采砂活动等影响,2013年以来河床冲刷强度显著增大,疏浚抛泥对滩槽冲淤的影响较小;航道工程实施前滩群演变关联性强,太平口心滩发育与头部下移引起腊林洲边滩上段面积减小并后退,对应腊林洲边滩尾部面积增大且淤宽,使得三八滩面积减小且右缘蚀退,金城洲逐渐由边滩演变为心滩;航道工程实施后太平口心滩与腊林洲边滩上段关联性减弱,受航道工程及疏浚抛泥等影响腊林洲边滩下段淤宽,引起三八滩维持面积持续减小、右缘后退及左移态势,促使金城洲萎缩且分散。

English Abstract

赵维阳, 杨云平, 张华庆, 张明进, 袁晶, 杨保岑. 三峡大坝下游近坝段沙质河床形态调整及洲滩联动演变关系[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 862-874. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.006
引用本文: 赵维阳, 杨云平, 张华庆, 张明进, 袁晶, 杨保岑. 三峡大坝下游近坝段沙质河床形态调整及洲滩联动演变关系[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 862-874. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.006
ZHAO Weiyang, YANG Yunping, ZHANG Huaqing, ZHANG Mingjin, YUAN Jing, YANG Baocen. Adjustment patterns and causes of the morphology of sandy riverbed downstream of the Three Gorges Dam[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 862-874. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.006
Citation: ZHAO Weiyang, YANG Yunping, ZHANG Huaqing, ZHANG Mingjin, YUAN Jing, YANG Baocen. Adjustment patterns and causes of the morphology of sandy riverbed downstream of the Three Gorges Dam[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 862-874. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.006
  • 近几十年来, 极端自然条件与人类活动严重影响了流域尺度的河床变形。人类活动导致的扰动往往会迅速加速或改变自然过程和趋势, 使得河道调整的时间尺度缩短[1]。大型水库具有防洪、发电、航运、生态等综合效益[2], 同时也改变了大坝下游河道水沙条件[3-6]、河床演变过程及趋势[7-9]。同时, 随着航道整治工程、采砂活动等阶段性人类活动的增加, 影响河段单元尺度的河床演变进程及滩群联动关系。

    沙质河床因可动性强, 对大型水库运行的响应最为迅速, 尤其是近坝段的沙质河床河段。长江三峡大坝下游约116.4 km为砂卵石或砂卵石-沙质过渡段, 床面粗化后砂卵石河床对悬沙补偿能力减弱[10-11], 2009年以来河床冲刷强度减弱[12-13], 沙质河床河段则表现为强冲刷态势[13-17], 其岸滩蚀退较为显著[15-19]。已有研究以长河段为单元尺度, 研究了荆江河段河床冲淤强度[15-20]、洲滩面积与形态[21-22]、航道条件[23]等变化, 研究中对滩群演变联动性涉及较少。长江首个沙质河床的沙市河段是荆江河段碍航特性最复杂的区域, 同时岸滩稳定性差, 是河道与航道治理的难点河段。针对沙市河段已开展了航道演变机理及趋势[24-25]、洲滩演变与碍航程度关系[26-27]、河道与航道工程措施[28-29]等研究, 指导了河道与航道工程实践。在滩群之间演变关联性上, 初步认为腊林洲边滩主导了沙市河段的洲滩演变过程[27, 30];已有研究中把腊林洲边滩作为整体, 忽视了边滩上段演变与太平口心滩响应关系、下段演变与三八滩心滩响应关系的差异性。同时, 沙市河段实施了多期航道工程, 航道条件改善的同时, 也影响了洲滩边界及形态, 已有研究中未将航道工程阶段性影响与滩群演变联动关系进行关联。河道采砂[31-32]、疏浚工程抛泥[33]等人类活动也一定程度地改变了局部河床冲淤强度, 进而影响滩群演变的联动关系, 已有河床演变成因分析中未能完整考虑阶段性人类活动的影响差异。

    本文以三峡大坝下游近坝段沙市河段为研究对象, 采用1955—2018年水沙数据及1975—2018年地形资料, 研究河床冲淤量及强度、滩群形态联动演变关系、河床深泓及断面形态参数等变化, 分析三峡工程、航道工程、采砂活动、疏浚等人类活动对河床形态调整、滩群演变联动关系的影响。

    • 沙市河段长度约52 km(图 1(b)), 河段内有火箭洲、马羊洲、太平口心滩、三八滩、腊林洲边滩及金城洲, 部分年份在三八滩北汊进口出现杨林矶边滩。河段左岸有沮漳河入汇, 入汇口下游约3 200 m处为引江济汉引水口门, 右岸有虎渡河分流进入洞庭湖(图 1(a))。河段内已实施了多期航道工程(图 1(c)), 时间集中在2009年以后, 工程守护了腊林洲边滩、三八滩心滩、金城洲边滩及岸线。2002年建成了荆州长江大桥横跨三八滩心滩, 共有13个桥墩, 桥墩之间的中心距如图 1(d)所示。

      图  1  研究河段位置及已实施航道工程布置

      Figure 1.  Location of the study river reach and layout of the implemented waterway engineering

    • 收集了1955—2018年沙市站、虎渡河年径流量和输沙量数据, 分析来水来沙条件变化;收集了1975—2018年12套实测河床地形, 比例尺为1: 10 000, 计算河床冲淤量, 分析河床冲淤分布、河道形态、洲滩形态、采砂活动等变化;收集了15个钻孔及5个断面的河床底质组成资料。以上数据资料, 来源于长江水利委员会水文局和长江航道测量中心。

    • 依据2003年实测的宜昌站5 000 m3/s、30 000 m3/s和50 000 m3/s流量和水面线为参照, 将河槽划分了枯水河槽、平滩河槽和洪水河槽[34], 各年份地形资料采用截面-体积方法计算河槽冲淤量[13], 其中枯水水位至平滩水位之间为低滩, 平滩水位至洪水水位之间为高滩。

    • 1955—2018年沙市站年径流量相对稳定, 年输沙量为减少趋势(图 2(a))。2003—2018年与1955—2002年、1981—2002年比较, 沙市站年径流量分别减少2.6%和5.5%, 年输沙量分别减少87.6%和86.7%。1955—2018年虎渡河年径流量和输沙量均为减少态势(图 2(b)), 2003—2018年与1955—2002年、1981—2002年比较, 虎渡河年径流量分别减少51.9%和40.5%, 年输沙量分别减少93.2%和91.7%。

      图  2  沙市站和虎渡河的径流量和输沙量变化

      Figure 2.  Changes in runoff and sediment transport at Shashi station and in Hudu River

    • 1975—2016年研究河段为累积性冲刷态势, 其中枯水河槽、平滩河槽及洪水河槽总冲刷量分别为2.96亿m3、3.27亿m3和3.18亿m3(图 3(a)), 枯水河槽冲刷量占洪水河槽冲刷量的93.1%。河床冲淤强度上, 1975—1986年和2002—2009年为低滩冲刷、高滩淤积, 1986—2002年为低滩冲刷、高滩变化不大, 2009—2016年低滩和高滩均为冲刷态势。2003—2016年河床冲刷强度高于1975—2002年, 2009年以来显著增大(图 3(b))。

      图  3  河床冲淤量及强度变化

      Figure 3.  Changes of silting volume and intensity of riverbed

      2003年10月—2018年8月火箭洲、马羊洲右汊冲刷为主, 左汊略有淤积(图 4);陈家湾—杨家尖以冲刷为主, 且右岸侧冲刷深度大于左岸侧;太平口心滩显著冲刷, 最大冲深达5 m以上, 心滩头部大幅冲刷后退;腊林洲尾部淤积, 三八滩南汊冲刷发展, 北汊进口淤积;金城洲中部淤积, 头部及尾部冲刷较为明显。

      图  4  2003—2018年河床冲淤分布

      Figure 4.  Distribution of riverbed erosion and deposition in 2003—2018

    • 洲滩区域是河道冲刷的敏感区域, 选取洲体区域横断面进一步分析1975—2018年洲滩区域的断面形态变化(图 4), 结果表明:1975—2018年马羊洲左汊以冲深为主, 滩顶高程变化不大, 洲体右缘低滩部分冲刷较为明显(图 5(a));太平口心滩自形成以来逐渐淤高, 2008年以来滩面刷低, 至2018年该断面位置的太平口心滩基本冲失, 河床断面形态由“W”型转变为“U”型(图 5(b));1975—2018年三八滩断面变幅较大, 1975—1993年老三八滩位于河道中部, 随着三八滩右缘及滩面的大幅冲刷, 三八滩位置逐渐左移形成新三八滩, 原南汊为淤积态势, 新南汊及北汊均为冲深态势(图 5(c));1975—1993年金城洲位于河道中部偏左位置, 1993—2008年位置明显右移, 2008年以来洲体左缘冲刷较大, 最大滩宽及滩顶高程均为减小态势(图 5(d))。本文断面高程均为黄海高程。

      图  5  研究河段洲滩区域代表断面形态变化

      Figure 5.  Morphological changes in representative sections in the shoal and beach areas of the target river segment

      1975—2018年深泓整体为下切态势(图 6(a)), 2018年与1975年、2002年及2008年比较, 深泓平均下切深度分别为5.2 m、1.2 m及3.3 m。在河床断面形态上, 伴随河床深泓下切及15 m和20 m深槽面积的增加, 1975—2018年各代表断面的河相系数均为减小态势, 河床形态向窄深化发展(图 6(b), 图 6(c))。

      图  6  深泓线及河相系数变化

      Figure 6.  Morphological changes in representative sections in the shoal and beach areas

    • 1975—2018年各洲滩演变过程见图 7, 其中火箭洲与马羊洲采用40 m等高线, 太平口心滩、三八滩、腊林洲、杨林矶边滩及金城洲边滩均采用35 m等高线。

      图  7  滩群演变过程

      Figure 7.  Diagram of shoal and beach evolution of the target river segment

      (1) 火箭洲与马羊洲:1975—2018年火箭洲、马羊洲形态基本稳定, 面积先增大后减小, 至2018年头部分别后退583 m和118 m。

      (2) 太平口心滩:1975年沙市河段的右岸存在大型边滩, 此时太平口心滩尚未发育, 至1986年右岸边滩中上段冲刷, 一部分移向河道中部形成太平口心滩雏形, 同时河道展宽为太平口心滩形成与发育提供了有利条件, 边滩下段下延形成腊林州边滩;至1993年太平口心滩逐渐发育且面积增大, 至1998年面积有所减小;1998—2008年太平口心滩面积为增大态势, 同时腊林洲边滩为头部冲刷后退、尾部淤宽态势。2008—2018年面积快速减小, 腊林洲边滩相对稳定, 说明腊林洲边滩守护工程发挥了预期的工程效果。1986—2018年太平口心滩头部累积后退约5 040 m, 至2018年头部位置已下移至虎渡河分流口下游约990 m。

      (3) 腊林洲边滩:1975年腊林洲边滩规模较大, 头部位置在虎渡河分流口上游约3 300 m, 至1986年头部位置较1975年后退约2 830 m;1993年腊林洲边滩头部后退至虎渡河分流口下游;1986—2008年腊林洲边滩头部横向为后退态势, 航道工程实施后腊林洲头部横向后退态势得到抑制, 2011—2018年位置变化不大;1975—2018年腊林洲边滩下段及尾部横向为缓慢淤宽态势。

      (4) 三八滩:1975年三八滩面积为633 hm2, 最大长度与宽度分别为5 620 m和2 050 m;至2018年三八滩面积为52.4 hm2, 最大长度与宽度分别为2 287 m和343 m, 与1975年比较面积、最大长度、最大宽度分别减少91.7%、59.3%和83.3%。三八滩形态变化上, 主要为头部后退, 南汊右岸腊林洲边滩尾部淤宽下延, 三八滩右缘大幅冲刷且左移形成新南汊。2013年以来三八滩北汊进口形成杨林矶边滩, 2013年、2018年面积分别为79.36 hm2和7.22 hm2, 减幅为90.9%。

      (5) 金城洲:1975—1986年金城洲由边滩演变为心滩, 1986年以来主要以心滩形式存在, 1986—2002年面积为增大态势, 2002年以来为减小态势。

    • 沙市河段阶段性演变主要与下荆江裁弯、葛洲坝运行、三峡大坝运行、航道工程及采砂活动等驱动因素有关。

    • 受下荆江裁弯溯源冲刷的影响, 1975—1993年期间沙市河段的河床冲淤量较大, 其后随着流域来沙量减少, 沙市河段河床冲刷量整体为增大态势(图 8(a))。三峡及上游梯级水库群的联合运行, 对径流量影响不大, 因水库拦蓄了上游来沙, 使得进入大坝下游河道的沙量大幅减少, 是引起大坝下游河床冲刷的首要因素。随着河床累积性冲刷, 河相系数为同步减小态势, 即河床形态呈向窄深化发展态势(图 8(b))。

      图  8  河床冲淤量及和输沙量关系

      Figure 8.  Diagram of the relationship between silting volume and sediment transport volume of the riverbed

    • 为实现沙市河段航道目标维护水深畅通, 在多数年份汛末需采取疏浚措施。1997—2012年、2013—2015年累积疏浚量分别为533.40万m3和1 063.4万m3(图 9), 占时段内平滩河槽冲刷量的比例为3.3%和12.8%。疏浚措施采用耙吸式或绞吸式挖泥船, 抛泥区域为腊林洲边滩下段[33]。疏浚抛泥在本河段内, 抛泥对河槽整体冲淤量影响较小, 但影响滩槽局部形态, 使得2013—2016年腊林洲边滩下段淤宽, 引起三八滩面积、位置及形态等变化, 传递影响金城洲演变态势。

      图  9  研究河段维护性疏浚量

      Figure 9.  Correlation between area and morphological evolution of shoals and beaches

    • 2013—2016年河床冲刷强度高于1975—2013年的各时段, 在河床上出现了9处孤立深坑(图 1(a)), 如果这些深坑形成后经历一个水文年后出现恢复淤积, 可认为深坑形成与采砂活动有关。选取4个断面分析深坑变化(图 10)。2014—2018年A#位置存在2次刷深过程, 第1次为2014年12月—2015年12月存在2处深坑, 最大刷深15.2 m, 经历一个水文年后至2016年10月深坑基本淤平;A#位置第2次冲深过程为2016年1月—2016年10月, 最大刷深12.7 m, 至2017年2月深坑有所淤积, 其后处于冲淤交替变化。2014—2018年B#位置存在2次刷深过程, 第1次为2014年12月—2015年12月, 最大刷深为6.2 m, 其后逐渐与2016年1月—2016年10月第2次刷深的深坑相连, 最大刷深为14.1 m, 至2018年3月深坑淤积并恢复。2014—2018年C#和D#位置均存在1次刷深过程, 时间为2014年12月—2015年12月, 最大刷深分别为18.4 m和10.5 m, 经历2016年水文年后深坑淤积并恢复。

      图  10  冲刷坑位置横断面变化

      Figure 10.  Changes in cross section at the sand excavation pit location

      研究河段内可能的采砂活动集中在2014年12月—2016年10月, 形成的深坑得到一定程度恢复淤积, 以长时间尺度计算可能采砂区域的河床冲淤量不大。从沙市站输沙量来看, 悬沙输移量较小, 已引起了河床大幅冲刷, 自然演变形成的深坑恢复淤积的可能性较小, 即深坑恢复淤积泥沙来源不是悬沙落淤, 而是局部底沙输移所致。特定时段内采砂活动对河床冲淤量的影响, 可采用深坑形成时期的河床容积变化量进行计算, 2014—2016年各测图孤立深坑总容积约1 320万m3, 约占平滩河槽冲刷量的15.9%, 即采砂活动进一步加剧了河床冲刷强度。同时, 采砂活动主要集中在太平口心滩左侧及深槽内, 增加了太平口心滩及北槽的冲刷强度。

    • 收集了沙市河段15个钻孔资料(2010年), 钻孔区域的地形均为冲刷态势, 在边心滩低滩部分的冲刷幅度大于深槽(图 11(a)), 部分测点由于冲刷河床底高程接近砂卵石或卵石夹沙层, 如太平口心滩、三八滩及金城洲, 腊林州边滩钻孔在高滩区域。在表层河床组成上(图 11(b)), 太平口心滩北槽河床中值粒径高于南槽, 三八滩心滩汊道进口北汊中值粒径小于南汊, 出口则为北汊高于南汊。从抗冲性上, 边心滩区域的沙质覆盖层厚, 抗冲性弱使得边心滩的低滩区域冲刷幅度大。太平口心滩北槽抗冲性强于南槽, 由于采砂活动的影响, 太平口心滩北槽的冲刷程度较大, 已引起2018年以来北槽分流比的增大。

      图  11  沙市河段河床组成

      Figure 11.  Bed composition of the Shashi reach

    • 1975—2018年火箭洲、马羊洲面积均先增大后减小, 太平口心滩、腊林洲边滩、三八滩、金城洲距离较近且具有联动演变特征, 受航道工程实施时间的阶段性影响, 滩体面积变化存在差异(图 12(a))。依据河床形态调整与水沙条件的关联性具有滞后性, 荆江河段河道形态与前期5年水沙关系最优[35]。伴随沙市站输沙量的减少、河床累积冲刷量的增加, 洲体总面积为减少态势(图 12(b), 图 12(c))。1975—2018年火箭洲+马羊洲、太平口心滩+腊林洲边滩+三八滩+金城洲、全部洲体的面积与沙市站输沙量都存在较好的相关关系(R2≥0.85, 不包含1975年数据), 即输沙量减少是洲滩面积减小的主控因素(图 12(d))。1975年沙市河段的洲滩面积最大, 这一时期河流输沙量也较大, 是滩体发育的物质来源, 如火箭洲、马羊洲、太平口心滩、腊林州边滩的面积在1975—1986年期间为增加态势。1975—1986年期间金城洲面积减幅最大, 与边滩演变为心滩密切相关。

      图  12  洲滩面积变化与沙市站输沙量关系

      Figure 12.  Relationship between changes in shoal and beach area and sediment transport volume at Shashi station

      考虑航道工程实施时间, 将滩群演变过程划分为2个时段, 航道工程实施前为第1时段, 河道处于准自然状态, 航道工程实施后为第2时段。因各洲滩工程实施时间差异, 两时段划分的临界年份也不同。滩群演变联动关系如下:

      (1) 太平口心滩与三八滩、腊林洲边滩演变关系(图 13(a))。航道工程实施前, 随着太平口心滩面积增大, 腊林洲边滩面积为减小态势(R2=0.70);航道工程守护了腊林洲边滩边界, 在工程与河床地形相互适应过程中, 腊林洲边滩面积存在一定萎缩, 其面积仍高于工程实施初期(2011年)。航道工程实施前后, 三八滩面积与太平口心滩面积变化的关联性均较弱(R2≤0.17), 腊林洲边滩与三八滩作为滩群整体的面积与太平口心滩面积变化存在一定关联性(R2≤0.47), 但弱于与腊林洲边滩面积的联动性。同时, 太平口心滩头部距荆州长江大桥距离与腊林洲上段后退距离为正相关关系(R2=0.59), 综合面积变化, 进一步表明太平口心滩与腊林洲边滩的演变存在较强的联动性。在航道工程实施后, 腊林洲边滩上段蚀退态势得到控制, 不论太平口心滩头部是否蚀退, 腊林洲边滩上段与右岸距离均基本稳定(图 13(c))。整体上, 太平口心滩发育阶段对腊林州边滩上段影响较大, 进而影响三八滩的稳定性。

      图  13  洲滩面积及形态演变的关联性

      Figure 13.  Correlation between area and morphological evolution of shoals and beaches

      (2) 腊林洲边滩与三八滩演变关系(图 13(b))。将腊林洲边滩划分为上段、下段两部分, 腊林洲边滩上段、下段面积的关联性较强(R2=0.62), 表现为“头部冲刷, 尾部淤积”变化特点。整体面积上看, 腊林洲边滩与三八滩演变的关联性较弱(R2=0.01), 腊林洲边滩下段守护工程实施后这一关系仍较弱(R2=0.32);三八滩与腊林洲边滩下段演变的关联性强(R2=0.97), 在腊林洲下段航道工程实施后的联动性仍较强(R2=0.64), 即腊林洲边滩下段淤宽、三八滩面积以萎缩态势为主;在横断面上, 腊林洲边滩下段淤宽, 老三八滩右缘蚀退且滩体位置逐渐左移, 形成了新三八滩。

      (3) 金城洲与三八滩、腊林洲边滩演变关系(图 13(c), 图 13(d))。金城洲面积与三八滩面积(R2=0.51)、三八滩+腊林洲边滩总面积(R2=0.36)存在弱的关联性, 与三八滩的关联性较强。金城洲面积减小与腊林洲下段淤宽(R2=0.83)、三八滩右缘后退(R2=0.87)均具有较好的相关关系, 表明金城洲面积变化与上游滩体形态调整的关系更为密切。这一特征形成的原因为:腊林洲边滩下段淤宽时挤压水流摆向三八滩右缘一侧, 引起三八滩右缘冲刷, 此时期金城洲主流水动力轴线位于河道中部, 顶冲金城洲头部使其冲刷;当腊林洲边滩下段冲刷时, 该段主流动力轴线贴近右岸下行, 进入金城洲主流摆向河道左岸侧, 此时期金城洲以右岸边滩的形式存在, 并且滩体规模相对较大且完整, 如1975年。

    • 本文以三峡大坝下游近坝段沙质河床的沙市河段为研究对象, 采用1955—2018年实测水沙及1975—2018年实测地形资料, 研究河床冲淤量及河床形态、洲滩形态调整特点及驱动成因, 主要结论:

      (1) 1955—2018年流域来沙量为减少态势, 1975—2018年沙市河段河床为累积冲刷态势, 其中枯水河槽冲刷量占全河槽冲刷量的93.1%, 洲滩面积伴随输沙量及河道冲刷为同步减少趋势;2009年以来河床冲刷强度增强, 其中河道采砂占平滩河床冲刷量的15.9%, 疏浚抛泥对河槽冲淤量影响较小。

      (2) 以2009年为分界年份, 沙市河段河道滩槽冲淤逐渐由“低滩冲刷, 高滩淤积或变化不大”演变为“低滩、高滩均冲”;1975—2018年期间伴随河槽冲刷、深槽面积增加等, 深泓为下切态势、河相系数减小, 河床断面形态向窄深化发展。

      (3) 在航道工程实施前滩群演变联动性强, 太平口心滩发育与头部下移使得腊林洲边滩上段面积减小并后退, 对应腊林洲边滩尾部面积增加与淤宽, 引起三八滩面积减小及右缘蚀退, 三八滩及腊林洲下段的形态及面积变化综合作用使得金城洲由边滩逐渐演变为心滩;航道工程实施后滩群演变关联性渐弱, 主要是太平口心滩与腊林洲边滩上段关联性减弱, 受航道工程及疏浚抛泥等影响腊林洲边滩下段淤宽, 三八滩继续维持面积减小及右缘蚀退态势, 金城洲面积萎缩且分散。

参考文献 (35)

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