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Volume 31 Issue 4
Aug.  2020
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XIONG Haibin, SUN Zhaohua, LI Ming, CHEN Li. Causes of local gravel deposition in gravel-sand transition of the Middle Yangtze River under clear water scour[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(4): 524-534. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.006
Citation: XIONG Haibin, SUN Zhaohua, LI Ming, CHEN Li. Causes of local gravel deposition in gravel-sand transition of the Middle Yangtze River under clear water scour[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(4): 524-534. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.006

Causes of local gravel deposition in gravel-sand transition of the Middle Yangtze River under clear water scour

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.006
Funds:

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China 51579185

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China 51879198

  • Received Date: 2019-10-12
    Available Online: 2020-04-03
  • Publish Date: 2020-07-01
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Causes of local gravel deposition in gravel-sand transition of the Middle Yangtze River under clear water scour

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.006
Funds:

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China 51579185

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China 51879198

Abstract: After impoundment of the Three Gorges Reservoir (TGR), channel scour is ongoing in the reaches downstream the dam and gravel erosion, transport, and deposition have occurred in some areas of the gravel-sand transition (GST) of the Yangtze River. To investigate the causes of these phenomena, field data of flow, sediment and channel topography was collected and computational analysis was performed using a 2-D hydrodynamic numerical model. Especially, the spatial distribution characteristics of the incipient diameter under various discharges in the GST were simulated and examined. Impacts of the variations in river flow and the changes in water level downstream the reach on channel adjustment were also analyzed. The following results are obtained:① The large grain size gravel (D>30 mm) can be continuously transported along the entire GST when the incoming discharge is higher than 45 000 m3/s. On the contrary, the large grain size gravel is only locally transported in some shoal sections when the discharge lower than 15 000 m3/s. The flow dynamics are relatively weak for the transport of the same size gravel when the discharge ranges from 15 000 m3/s to 45 000 m3/s. ② The number of days with floods reduced and that with low discharge increased under the effects of the TGR operation. This trend is adverse to the long-distance transport of gravel. The water level lowering downstream the GST caused erosion in areas that previously remained stable. ③ The phenomenon of the local siltation was caused by the gravel transport in the GST driven by the increasing flow dynamics in the dry season. The main cause of this phenomenon is relevant to the special morphologic structures and sedimentary environment of the GST. This type of local bed adjustment may exist in the several locations within the GST for a long time and should receive considerable attention.

XIONG Haibin, SUN Zhaohua, LI Ming, CHEN Li. Causes of local gravel deposition in gravel-sand transition of the Middle Yangtze River under clear water scour[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(4): 524-534. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.006
Citation: XIONG Haibin, SUN Zhaohua, LI Ming, CHEN Li. Causes of local gravel deposition in gravel-sand transition of the Middle Yangtze River under clear water scour[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(4): 524-534. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.006
  • 河流的沙卵过渡段形成于山区-平原过渡地带, 上游建库后常出现比降、级配、床面结构等多方面调整, 在防洪、航运、生态等领域备受关注[1-3]。对于变化条件下沙卵石河床调整, 以往研究多基于天然中小河流或室内水槽, 一方面认为洪水是河床调整的主要驱动因素, 当来流大于某临界值时卵石明显输移, 甚至床面抗冲层被破坏[1];另一方面认为横向不均匀性可近似忽略, 常关注于水面比降、断面平均流速及床面切应力等一维要素引起的卵石—细沙纵向分化[4-5]。但研究表明, 河宽大、平面形态不规则的大型河流中, 滩槽结构导致水力条件和卵石输移具有强烈的时空不均匀性[1, 6-7], 远比小型河流复杂。如金沙江上的观测显示, 卵石运动集中于主流带附近, 强推移带随流量涨落而左右摆动[6]。川江上的观测显示, 宽窄相间的河道形态导致水力因素分布因时而变, 整个水文年内深槽和浅滩河段交替发生“接力式”和“传递式”输移, 即使汛后中水期也会发生明显的卵石搬运, 致使浅滩河段骤发性淤积[7]。除水动力因素空间分布差异之外, 河道平面内床沙分布也具有明显不均匀性。Venditti和Church[1]、Singer[2]、Frings[8]的研究发现, 河宽达到数百米的沙卵过渡段内普遍具有卵石与细沙交错分布的典型特征。莱茵河、萨克拉门托河等建坝河流的观测显示, 来沙减少后卵石粗化层并非全断面形成, 而是呈现不连续的斑块状, 其平面分布与弯曲或分汊的河道形态有关[2, 8]。由于河床调整的平面差异, Singer[9]认为大型河流沙卵过渡段对水文与来沙变化的响应非常难以预测。因此, 仅仅关注断面平均因素, 或者仅仅关注大洪水流量级, 均难以准确反映大型河流对外界因素变化的响应特征。

    长江是中国第一大河, 其中游沙卵过渡段处于宜昌至江口110余千米的山前冲积扇区间, 据以往研究, 三峡建库后该河段粗化将在较短时间内完成, 淤积碍航现象不复存在, 取而代之的将是比降调整引起的“坡陡、流急”流态碍航[10]。三峡水库运行后的观测验证了以往预测, 但也出现了一些始料未及的现象:一是经历了荆江裁弯溯源冲刷和1998年大洪水依然稳定的芦家河、枝江等卵石浅滩, 在2008年后却呈现了持续的卵石滩萎缩和汊道冲刷[11];二是在上游已无推移质补给, 且已实施了部分固滩防冲工程之后, 2014年以来连续出现汛后局部卵石骤淤, 导致严重碍航。经过10余年的冲刷, 三峡坝下沙卵石河段床面组成已由沙夹卵石粗化为卵石或卵石夹沙, 卵石运动成为河床调整的主因, 根据以往从小型河流上得到的经验, 这种调整应主要由洪水流量触发。然而, 在三峡建库后连续出现中枯水年, 且洪峰流量被大幅削减的情况下, 局部卵石冲淤现象却在近期重新出现, 这说明已发生的局部卵石冲淤不是由大洪水流量所主导, 需要结合大型河流沙卵过渡段内水力和床沙等因素分布不均匀的特点深入分析其成因。尤其是三峡坝下游河道仍未达到冲刷平衡, 荆江沙质河段中枯水位下降致使沙卵过渡段末端比降不断增大, 局部卵石骤淤现象是否会在多个位置出现, 是值得关注的问题。

    本文利用近期观测资料结合平面二维数学模型, 探究局部卵石冲淤现象的主导因素和形成机理, 为趋势判断和航道整治提供参考。

  • 长江中游沙卵石河段内卵石浅滩主要分布在枝城以下[11], 故选取枝城至大布街河段为研究对象。该河段位于宜昌下游59~114 km处, 陈二口以下约1.5 km有松滋口分流入洞庭湖。河段为宽窄相间的微弯河道, 放宽段存在关洲、芦家河、枝江、江口等多个碍航水道(图 1(a))。近期出现卵石淤积碍航最为严重的芦家河水道距葛洲坝坝址约80 km。该水道上起陈二口, 下至昌门溪, 全长约12 km, 为顺直放宽型河道(图 1(b));河心分布有近代堆积型碛坝卵石心滩, 枯水期将河槽分为左右两泓, 右泓习称石泓, 左泓习称沙泓, 为枯水期航道。

    Figure 1.  Sketch map of the study reach

    三峡水库运行10余年来, 枝城至大布街河段持续冲刷, 卵石与细沙在洲滩与主槽之间呈斑块状分布的特点虽然得到保持, 但二者面积比重明显变化。在早期阶段(2003—2005年), 河床变形主要是水陆洲、柳条洲等细沙洲滩的侵蚀萎缩;其后的2006—2010年, 芦家河碛坝和石泓等卵石部位也开始萎缩或下切;至2011年之后, 河床表层已由卵石夹沙或沙夹卵石逐渐粗化为砾卵石, 仅在一些支汊缓流区尚有细沙。2012年后的观测显示, 一些稳定区域也开始冲刷。如芦家河沙泓内河床高程自有观测记录以来一直稳定, 但2014—2017年该汊道明显下切(图 1(c)), 同时汊道出口的三宁化工码头前沿连续出现卵石淤积物, 导致局部航道尺度不足, 虽经连续疏浚, 但仍无缓解。在分析全河段演变特性基础上, 重点探究该典型位置的卵石淤积成因。

  • 卵石来源及输移、冲淤的动力条件是本文关注重点。需结合上下游边界和河段内部河床组成等多种因素综合分析, 为便于不同流量下的量化比较, 采用平面二维数学模型作为辅助。

    河段进口来水来沙分析采用1992年以来枝城站日均流量、含沙量资料, 以1992—2002年、2003—2016年分别代表三峡建库前、后, 后者又分为2003—2007年的初期运行期和2008—2016年的175 m试验性运行期(据金沙江下游梯级运行进一步细分为2008—2012年、2013—2016年两时段)。河段内枯期水位资料源自航道部门2003年以来历年11月至来年4月观测的沿程固定水尺水位, 汛期水位源自临近的水文(水位)站。流速资料来自2003年、2004年、2016年和2017年河段内若干固定断面(见图 1)的洪、中、枯各级流量下流速观测。河床组成资料依据航道部门2014年不同断面的床沙采样和2017年的局部淤积物采样。

    平面二维数学模型采用贴体正交曲线网格适应不规则河道边界, 计算范围为枝城至大布街。下边界的处理方式是:枯水期(15 000 m3/s及以下)采用航道部门实测的大布街水位, 在缺乏航道观测水位的中洪水期则采用马家店(枝江)及其下游陈家湾站观测水位插值确定。模型中松滋口分流量采用枝城水位—松滋口流量的相关关系确定。模型分别以2003年和2018年地形及相应的水位、流速等观测数据率定了两套糙率参数, 以便反映不同时期的河道过流状态。两个年份洪、中、枯各级流量下的参数验证情况表明, 计算与实测水位值之间的决定系数R2在0.98以上, 水位最大误差在0.1 m以内, 计算与实测的各个断面流速分布吻合较好, 主流位置一致, 流速最大偏差在0.2 m/s以内。

    模型计算选用多个流量级。2016年后枝城站最枯流量已达6 000 m3/s以上, 而根据三峡水库调度规程, 枝城站100年一遇控制流量为56 700 m3/s, 分别以此设定上下限, 再考虑低滩淹没流量、多年平均流量、平滩流量、2008年以来三峡水库汛期实际下泄最大流量以及合理的流量保证率间隔, 共设置了6 000 m3/s、8 000 m3/s、10 000 m3/s、12 500 m3/s、15 000 m3/s、25 000 m3/s、35 000 m3/s、45 000 m3/s、56 700 m3/s 9个流量级。

    在清水冲刷的条件下, 卵石的冲淤主要决定于当地的水动力条件, 可用起动粒径来衡量。由于起动随机性和起动标准判别等问题, 企图用十分复杂的公式来提高计算精度在实践上意义不大。现有的起动流速公式中, 沙莫夫公式较为适用于较粗散粒体颗粒, 对应的起动粒径计算式为

    $$ D = a\frac{{{U^3}}}{{{h^{1/2}}}}\left( {\frac{{{\rho _{\text{s}}} - \rho }}{\rho }g} \right){^{ - \frac{3}{2}}} $$ (1)

    式中: U为网格流速, m/s;h为网格水深, m;ρρs分别为水和卵石的密度, t/m3D为该网格内可起动的卵石粒径,m。结合沙莫夫的推荐值以及何娟等[12]依据长江资料的率定值, a取0.67。经图 1中典型断面洪水主流线上采样粒径与计算起动粒径对比, 两者在同一量级, 误差在5 mm以内。

  • 研究河段径流、泥沙主要来自枝城以上, 松滋口汛期最大分流比约10%, 枯期(枝城流量8 000 m3/s以下)近似断流(东支断流、西支维持较小过流)。因此用枝城站水沙特征值代表全河段。

    三峡水库(Three Gorges Reservoir, TGR)蓄水前, 枝城站多年平均径流量为4 325亿m3;三峡水库蓄水后降为4 122亿m3, 较蓄水前减小4.7%。与此同时, 枝城站多年平均输沙量由蓄水前的3.77亿t下降为0.461亿t, 减幅达87.8%(见表 1)。据河道冲淤统计[13], 枝城站以上河床在2012年后已基本稳定, 可补给沙量有限, 枝城站基本已无卵石推移质。

    时期 输沙量/亿t
    蓄水前 3.77
    2003—2007年 0.817
    2008—2012年 0.352
    2013—2016年 0.152
    蓄水后 0.461

    Table 1.  Annual mean sediment load at Zhicheng station before and after impoundment of the TGR

    分级统计各时期内枝城站特征流量出现天数(图 2)可见, 建库后, 流量大于45 000 m3/s、小于6 000 m3/s的天数均减少, 2008年后尤其明显。由于流量过程调平, 大部分天数的流量介于6 000~25 000 m3/s之间, 占总天数的90%左右。需指出的是, 尽管最枯流量增大, 但枯水历时并未减少, 如10 000 m3/s以下流量级, 蓄水前、2003—2007年、2008—2012年、2013—2016年的年均天数分别为187 d、199 d、189 d、172 d;15 000 m3/s以下流量级, 4个时段的年均天数分别为238 d、255 d、247 d、244 d。可见, 蓄水后流量小于15 000 m3/s的天数甚至略有延长, 达到了一年天数的68%左右。

    Figure 2.  Annual duration of different discharges at Zhicheng station before and after the TGR impoundment

  • 河段内水位下降由本地冲刷和下游水位下降溯源传递联合引起。据三峡水库蓄水以来观测统计, 长江中游河道冲刷量80%以上集中在枯水河槽, 水位降落也以中枯水位为主[14-15]。以枝城站和沙市站为例, 枝城站水位在流量小于30 000 m3/s时才明显下降, 流量在10 000 m3/s附近时水位降幅最大;沙市站流量大于20 000 m3/s时水位变化不明显[15], 枯水位与枯水河槽平均高程几乎保持等幅下降[16]。鉴于此, 对研究河段水位和比降变化的分析以中枯水流量为主。

    统计了2003年以来6 000 m3/s、8 000 m3/s、10 000 m3/s、12 500 m3/s、15 000 m3/s等多个中枯流量级下的枝城、大布街水位降幅如图 3(a)。枝城、大布街枯水位降幅均随冲刷历时而增大, 但两者变化特征存在差异:枝城站表现为流量越大, 水位降幅越大, 至2016年15 000 m3/s流量下水位降幅达1.8 m左右;大布街附近则表现为流量越小, 水位降幅越大, 至2016年6 000 m3/s流量下水位下降值达2.5 m以上。可见, 河床抗冲性差异导致了河段首末两端的水位变化差异, 该特点与以往研究的认识相一致[16], 水位降幅差异导致了进出口落差逐渐增大。流量越小, 落差增幅越大, 2013年之后增幅呈现了加速趋势, 至2016年6 000 m3/流量下落差已增至6.04 m(图 3(b))。从6 000 m3/s流量下历年沿程水位变化来看, 河段内落差分配很不均匀, 毛家厂—姚港、昌门溪—李家渡、宝筏寺—下曹家河等区间形成了明显陡比降, 2016年比降值已分别达2.82/10 000、2.75/10 000、1.78/10 000(图 3(c))。

    Figure 3.  Changes of stages and surface slopes between Zhicheng and Dabujie under different discharges

  • 三峡水库运行10余年后, 枝城以上河床已接近冲淤平衡, 紧邻枝城下游的关洲河段持续粗化。关洲头部左半部原为纯沙质河床, 至2010年已变为卵石夹沙河床, 洲头中值粒径D50达到80 mm以上;关洲汊道中部左右汊原来均为纯沙质河床, 至2010年左汊为卵石夹沙, 右汊已全部为卵石。据2014年河床表层取样(图 4(a), N代表北汊(左汊),S代表南汊(右汊),随数字增大依次代表断面上自左向右不同测点,下同), 左汊主泓已粗化为卵石, 关洲滩面仅剩尾部高滩有少量细沙存在。

    Figure 4.  Changes of grain size of bed material at typical sections in the study reach

    对芦家河水道河床地质组成勘探显示, 河床地层多为砾卵石, 含量为60%~80%, 粒径为20~100 mm。在河道中部, 砾卵石堆积形成散乱小丘分布的碛坝, 枯水期出露于水面。据2014年12月测量的河床表层级配(图 4(b)图 4(c)), 仅沙泓表层测到1 mm以下细沙, 碛坝表层及石泓均为卵石, 粒径在20 mm以上。芦家河水道内三宁化工码头前沿航槽内持续产生卵石落淤, 该位置河床组成几乎全部为卵砾石, 中值粒径达到30 mm左右(图 4(c))。2017年12月, 新测得7个淤积物沙样均为卵石, 其级配如图 4(d)所示, 中值粒径达35 mm左右。

    枝江水道及其下游靠近沙卵石河段出口, 在三峡建库前为沙夹卵石河床, 细沙比例沿程增加, 卵石主要分布在水陆洲、柳条洲头部以及两汊道右汊主泓。建库后, 河床急剧冲刷粗化, 两汊主泓以及水陆洲、柳条洲中上部逐渐粗化为卵石, 但两个左汊以及河段出口深槽仍为卵石夹细沙。据2014年观测(图 4(e),12#断面由于级配变化较大, 故对该断面增加了平均级配), 江口水道出口断面床沙由20 mm以上卵石和0.5 mm以下细沙组成。

    由以上床面级配变化情况来看, 研究河段内卵石、细沙以及卵石夹细沙在河道平面内仍呈斑块状交错分布, 但其中细沙比例已急剧减少, 而从研究河段下游约40 km的沙市站床沙级配变化来看,整个断面均为0.5 mm以下沙质, 相比于建库前仅0.25 mm以下细沙比例略有减小(图 4(f))。

  • 无卵石来量情况下, 卵石的起动和输移, 与当地水动力有关[12]。因此, 本文以起动粒径作为水动力指标, 计算了2003年、2018年两种地形和出口水位条件下水动力因素对卵石冲淤的影响。

  • 以2018年地形为例, 计算了枯、中、洪(6 000 m3/s、15 000 m3/s、45 000 m3/s和56 700 m3/s)多级流量下河段内的起动粒径平面分布(图 5)。可以看出, 总体上整个河段汛期起动粒径大于枯期, 尤其是56 700 m3/s的大洪水流量级下起动粒径普遍大于30 mm, 但在其他各级流量下, 束窄的深槽段与放宽的浅滩段显示了不同的变化特征:在中、枯水期(图 5(a)图 5(b)), 浅滩段主槽起动粒径明显大于其上下游的深槽段, 而在洪水期(图 5(c)图 5(d))陈二口、昌门溪、枝江等位置的深槽则显示了较强动力条件。可见, 与山区河流的卵石输移相类似, 河段在100年一遇大洪水流量(56 700 m3/s)时存在较强的卵石输移动力条件, 并且图 5(d)中的高强度区域基本上下连续, 具备形成“传递式”输移的条件。但对比45 000 m3/s及其以下的中、枯水流量级下起动粒径分布, 可见不同时期的高水力强度区相互交错, 这说明一般情况下深槽与浅滩段的起动粒径在汛、枯期之间交替增大, 存在卵石时停时走“接力式”输移的动力条件, 这种水动力变化特点与文献[17]的计算结果相一致。

    Figure 5.  Sediment incipient diameter in the study reach under different discharges

    图 5显示的另一特点是汛、枯期之间卵石主输移带左右摆动。在45 000 m3/s洪水流量下, 芦家河右汊至枝江右汊存在连续的卵石输移带, 而在15 000 m3/s~6 000 m3/s的中、枯流量下, 卵石输移带转移至芦家河左汊。显然, 该特点与放宽型山区河道内卵石强推移带随水位涨落而左右摆动的特征有一定类似性。

    图 6中以芦家河水道为例, 给出了各流量级下沿程各断面主流线上的起动粒径。由图 6(a)中的起动粒径沿程分布可见, 当流量达到56 700 m3/s时, 主流线上大于30 mm的卵石均可起动, 具备卵石沿主流线自上而下连续输移的条件, 但当流量低于45 000 m3/s时, 进口深槽段起动粒径小于中部浅滩段, 卵石只能发生局部搬运, 流量级越小该特点越明显。随着流量进一步减少, 中部浅滩部位的起动粒径增大, 其最大起动粒径可达50 mm以上, 远大于上下游深槽段。图 6(b)图 6(c)分别选取陈二口深槽和芦家河浅滩中部断面, 给出了主流线所在区起动粒径随流量变化情况, 可见深槽与浅滩段呈现了截然不同的变化态势。陈二口深槽河道狭窄, 汛期水动力强劲, 而芦家河浅滩汛枯期主流移位过程中起动粒径反复变化, 总体而言枯期水流归槽之后水动力最强, 反映了“高水阻于峡、低水阻于滩”的特点[7]

    Figure 6.  Sediment incipient diameter at different location in Lujiahe reach under different discharges

  • 为考察水位下降的影响, 以最枯流量6 000 m3/s为例, 比较了2003年和2018年两种地形和相应出口水位下的芦家河水道水动力条件。由水流条件计算结果来看, 这两种边界下毛家花屋下游附近急流区局部流速分别为2.34 m/s、2.67 m/s, 比降为6.5/10 000、9.2/10 000, 其值与近些年的观测值非常吻合[4-5]。而由起动粒径分布(图 7)可见, 2018年该水道的起动粒径整体偏大, 沙泓内出现两个起动粒径较大区间, 其中毛家花屋至姚港区间最大起动粒径达80 mm以上, 明显大于2003年的55 mm。显然, 由于进出口水位不均匀下降, “坡陡流急”程度进一步增大, 导致了急流区的起动粒径增大。

    Figure 7.  Sediment incipient diameter on different terrains in the Lujiahe reach

  • 图 2显示,35000 m3/s以上流量出现频率明显减少,而6000~10000m3/s流量出现频率增多。根据图 5图 6中的水动力计算结果可以推断来流变化对卵石运动的影响:从洪水流量变化来看, 2008年前三峡水库实施滞洪运用, 枝城站尚有45 000 m3/s以上流量出现, 汛期深槽段水动力较强, 关洲以上卵石可起动并通过陈二口深槽进入芦家河浅滩, 但2008年之后洪水流量明显削减, 30 mm以上卵石难以通过深槽下移, 芦家河碛坝失去上游卵石补充, 必然加速冲刷, 这与芦家河碛坝近期加速萎缩的事实相吻合。然而, 洪水流路上卵石的冲刷下移在2008年前后一直存在, 并且图 1中的局部卵石淤积区并不位于洪水流路, 因而洪水流量变化不应是导致局部淤积的原因。从枯水流量变化来看, 2008年后枝城站流量低于10 000 m3/s的天数大幅增加, 6 000~8 000 m3/s流量区间的天数已达一年的1/3(图 2)。然而, 流量历时变化并不直接影响卵石起动, 因此也不应是导致河段内局部卵石起动、搬运的直接因素。

    其他河流上的研究表明, 沙卵过渡段的调整由洪水流量所主导[1, 8], 但长江的沙卵过渡段内中枯水比降远大于洪水, 存在流量越小比降越大的特点[16]。由图 3可见, 2016年6 000 m3/s流量下的河段平均比降已达1.2/10 000, 局部区间比降超过3/10 000, 相比于莱茵河沙卵过渡段内1.1/10 000~2/10 000洪水比降[8], Fraser河沙卵过渡段内1.03/10 000~1.8/10 000的洪水比降[1], 研究河段的枯期比降已达到甚至超过类似河流的洪水比降量级, 由此必然导致枯期水动力增强(图 7)。事实上, 图 3中比降增大最为明显的时段主要在2008年后, 尤其是2013年以后, 这与沙泓主槽发生冲刷的时机较为吻合(图 1)。近些年来三宁化工码头前沿砾卵石淤积物中值粒径35~50 mm(图 4(d)), 并且淤积区恰位于枯期高水力强度区下沿的缓流区(图 6), 在2008年后枝城站已无45 000 m3/s以上大流量的情况下, 该种大粒径卵石不可能自陈二口深槽以上输移而下, 只能是由中枯水期芦家河汊道内部大流速区的卵石冲刷搬运所致。因此, 河段出口水位下降导致枯期急流区水动力增强, 应是沙泓内卵石局部冲刷、搬运、淤积的主要原因。但需指出的是, 枯水历时加长虽不是触发这一现象的原因, 却可能影响冲淤历时和幅度。

    当前, 下游沙质河段冲刷尚未有衰减迹象, 随着时间推移, 可以预料研究河段内比降增大的效应将更趋显著。由图 3(c)可见, 除芦家河水道外, 昌门溪以下的枝江、江口水道存在多处坡陡流急部位(如昌门溪—李家渡、宝筏寺—下曹家河等)。由图 5可见, 在2018年地形下这些部位的卵石起动粒径已达30 mm以上, 随着下游沙质河段枯水位降幅进一步增大并溯源传递, 这些部位也可能出现卵石局部侵蚀和淤积的局面。

  • 除进出口的外因影响之外, 河道自身形态和河床组成抗冲性是决定河床调整响应的内因, 后者甚至决定调整的长远趋势。据以往研究[4], 枝城至大布街深泓纵剖面比降较大, 存在多个高程陡降的跌坎, 枯水期形成局部水面陡比降。从平面形态来看, 研究河段平均宽度超过1 km, 且沿程宽窄相间, 存在较多缓流回流区, 这种大型河流沙卵过渡段的典型特征必然导致河床对外界干扰的响应具有横向不均匀性[1, 8], 冲淤易呈斑块状。河段内目前出现的局部卵石冲淤正是以上特征的体现。

    不同河流的沙卵过渡段, 其地貌和沉积特征具有一定类似性, 类比其他建坝河流的调整现象可为研究河段的机理分析和趋势判断提供借鉴, 但需注意, 研究河段内局部卵石冲淤现象还存在两方面的特殊性。首先, 卵石搬运仅限于内部局部范围, 并未形成向河段下游的大规模输移。尽管河段出口虽已粗化为卵石夹沙(图 4(e)), 但下游陈家湾—沙市一带(距宜昌130~150 km)依然为细沙(图 4(f)), 这与萨克拉门托河来沙变化后沙卵过渡段长度大幅下延的现象非常不同[2, 9], 反而与卵石来量减少后沙卵过渡段长度保持稳定的莱茵河有一定相似性[8]。其次, 研究河段内流量越小比降越大, 枯期也会发生卵石冲刷搬运, 与其他河流沙卵过渡段调整由洪水流量所主导的特点不同[1, 8]。一般而言, 冲积河床演变的差异性由其自身特殊的地貌沉积环境所导致。就研究河段来看, 其下游的江汉洞庭湖平原处于地质凹陷区, 陈家湾附近是荆江深泓剖面比降逐渐坦化的转折点[18], 从情况类似的莱茵河上的观测研究来看, 地质凹陷区深泓转折点的调整非常缓慢[8], 其时间尺度可达数千年至上万年, 这正是研究河段卵石短期内难以越过陈家湾大规模下移的原因。而由枝城以下河段演化进程来看, 枝城下游附近为古长江卵石三角洲前沿, 河床抗冲性较强, 陈家湾以下由于地质时期的海侵事件以及历史上荆江大堤束缚作用, 沉积了深厚细沙层[18-19]。这种河床组成差异, 导致荆江裁弯以及三峡建库后陈家湾以下河床强烈下切, 虽然洪水位降幅较小, 但枯水位大幅下降[15], 枝城下游枯水比降不断加大。其他大型河流由于不具备这种特殊河床沉积结构, 并且由于水库规模小, 仅拦截卵石而几乎不拦截细沙, 河床冲刷较慢, 均未发生过这种“枯水比降持续增大、洪水比降变幅不大”的调整过程, 因而也未有枯水期卵石明显冲淤的现象。

    综上, 当前阶段所呈现的枯期比降急剧增大是长江沙卵过渡段清水冲刷过程中的特有现象, 也是缺乏大洪水条件下卵石仍然发生冲刷搬运的主因, 但研究河段附近的地貌沉积环境使得卵石只能在沙卵过渡段内部搬运、淤积, 却无法发生长距离下移, 芦家河水道的局部卵石冲淤正是这一进程的特例。实际上, 这种内部搬运的长期结果必然是卵石斑块增多或面积增大, 这与研究河段近些年来的河床组成观测相吻合, 也和莱茵河沙卵石过渡段内卵石斑块急剧粗化且范围增大的现象较类似。根据莱茵河等其他河流沙卵过渡段调整的缓慢进程可以类推[8], 这种局部卵石冲淤现象将长期存在。

  • (1) 三峡水库下游枯水流量历时增加, 流量低于15 000 m3/s时期研究河段进出口落差不断增大, 导致枯水期陡比降幅度增大、历时加长的变化趋势。

    (2) 在45 000 m3/s以上大流量下, 30 mm以上卵石可沿洪水主流线连续搬运;流量低于15 000 m3/s的枯水期, 卵石只能沿枯期主流在浅滩河段内部局部搬运;流量介于两者之间时, 水流对大粒径卵石输移的动力相对较弱, 浅滩和深槽于汛枯期之间发生“接力式”搬运。

    (3) 在45 000 m3/s以上大流量被削减且水库下泄清水的情况下, 来流水文条件变化、河段进出口水位落差增大作为外因, 河道形态约束下的水动力特性作为内因, 导致沙卵石河段内卵石冲淤调整。近些年来局部卵石淤积物可能来自于枯水期河段内大流速区的卵石冲刷。

    (4) 下游枯水位大幅下降引起枯期比降增大, 是研究河段附近的特殊地貌和沉积环境下清水冲刷导致的特有现象, 枯水落差增大引起的河段内部卵石局部侵蚀、搬运调整可能会在多个位置、较长时期持续存在, 值得航道部门重点关注。

Reference (19)

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