二、河湖演变与整治技术

三峡水库运行后水沙变化对世业洲汊道河床演变的影响

许慧1,2,尚倩倩1,2,李国斌1,2,高亚军1,2

(1.南京水利科学研究院，江苏　南京　210029；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏　南京　210024)

【摘　要】　长江南京以下河段以分汊河型为主，受径流和潮汐的共同作用，水沙运动及河床冲淤复杂。以南京以下12.5m深水航道重点碍航浅滩之一的仪征水道为例，在已有研究成果的基础上，根据近期实测水文泥沙和地形资料，分析三峡水库蓄水前后仪征水道演变特性，探讨三峡枢纽运行后水沙变化对河床冲淤的影响。结果表明：三峡水库蓄水后，仪征水道河床冲淤与蓄水前有所不同。蓄水前，世业洲左汊冲刷、右汊微淤；蓄水后左右汊均表现为冲刷下切；蓄水前，大洪水对水道滩槽格局影响较大，蓄水后，受水库调蓄影响，洪峰流量减小，水沙对滩槽格局的影响有所减弱。

【关键词】　三峡水库；水沙条件；河床演变；分汊河段

基金项目：国家重点研发计划“长江泥沙调控及干流河道演变与治理技术研究”项目(2016YFC0402306)。

作者简介:许慧(1982—　)，男，江苏南通人，高级工程师，博士，主要从事水力学及河流动力学方面研究。

E-mail：huixu@nhri.cn

1　引言

自2003年6月三峡水库开始蓄水以来，长江中下游干流河道径流量变化不大，输沙量大幅减少，出库泥沙的大幅度减小，引起枢纽下游河道普遍冲刷，特别是长江中游宜昌至湖口长约955km的河道，冲刷发展较快，冲刷自上逐渐向下游发展[1，2]，南京以下的河道冲刷也已开始显现。

目前南京以下(南京新生圩—太仓荡茜闸)正在实施12.5m深水航道整治二期工程，世业洲汊道作为碍航卡口河段，一直是水利、航运部门关注的重点河段之一，河床冲刷必然对滩槽的演变产生影响，关系到河势变化及深水航道整治效果，鉴于三峡工程对南京以下河段水沙影响的长期性，有必要分析水沙变化对世业洲汊道的影响。

早期的研究主要是针对三峡蓄水前世业洲汊道的演变规律，并提出了河势控制工程方案[3]；三峡蓄水后，由于水沙条件的变化，河床发生相应的调整，韩卓雄等[4]以原观资料为基础，分析了世业洲汊道近期河床演变，探讨了演变的影响因素，通过物理模型对演变趋势进行了预估。朱庆元等[5]从上游来水来沙、汊道分流比、深泓线及断面要素等方面，分析了世业洲汊道河床演变特性，提出了汊道整治思路。王爱春[6]分析了世业洲汊道航道存在问题，结合12.5m深水航道整治目标，进行了工程方案优化。本文分析了三峡蓄水前后长江下游大通水文控制站水沙条件的变化，主要对比世业洲汊道在三峡蓄水前后10年之间的分流比、洲滩及断面变化、河床冲淤量，阐明水沙变化对世业洲汊道河床演变的影响，预测了12.5m航道整治工程实施后河床演变趋势，为认识强人类活动影响下的江河治理提供一定的参考。

2　河道概况

世业洲汊道上迄三江口，下至瓜洲，长约35km(图1)。其中，三江口至泗源沟，为单一型河道，河道上窄下宽，平均河宽约1430m；泗源沟至瓜州渡口被世业洲分为左右两汊，右汊为主汊，为曲率比较小的弯曲河道，平均河宽约1450m；左汊为支汊，呈顺直型，平均河宽约880m。长江主流出进口弯道段后，由左向右过渡至世业洲右汊，主流沿世业洲右汊的右岸下行至龙门口附近与左汊支流汇合后，又向左过渡至出口六圩弯道段。

世业洲汊道位于镇扬河段上首，水利部门对镇扬河段经历了4个阶段的河势控制工程[7,8]：第一阶段(1959—1983年)以局部护岸为主的整治工程；第二阶段(1983—1993年)镇扬河段一期整治工程；第三阶段(1994—1997年)长江应急治理工程；第四阶段(1998—2003年)镇扬河段二期整治工程。其中涉及世业洲汊道的工程措施主要有：十二圩—新冒洲、世业洲头、龙门口一带岸线守护。

目前，航道部门正在本河段内实施12.5m深水航道整治二期工程，建设内容包括[9]：①世业洲洲头守护工程，洲头潜堤及南北侧丁坝；②左汊护底工程；③世业洲右缘丁坝。

3　三峡蓄水后下游水沙条件变化

3.1　控制站水沙条件

河道上游控制站有大通水文站，其间无大的分汇流，因此可采用大通站的水沙资料反映本河段的来水来沙情况。三峡蓄水前(1950—2002年)多年平均径流量为9052亿m3，多年平均输沙量为4.27亿t；三峡蓄水后(2003—2015年)多年平均径流量为8439亿m3，多年平均输沙量(2003—2015年)为1.39亿t，径流量略有减少，而来沙量则锐减了67%。三峡工程采用汛后蓄水、汛前消落的调度方式，汛末退水加快，蓄水期长江下游流量减小，枯水期和消落期流量增大，从径流年内分布来看(表1)，蓄水前后水量均集中在汛期5—10月，但年内分布有所变化，其中水库消落期径流增大，蓄水期径流减少约3%[9,10]。从输沙量年内分布来看，虽然蓄水后输沙总量大幅减少，但年内分配仍大体与径流过程相对应，且沙量较水量更为集中，蓄水前主汛期7—9月输沙量占全年的60.2%，蓄水后主汛期输沙量占全年的50.6%，有所减小。

3.2　潮汐和潮流特性

世业洲汊道属感潮河段，由于距河口较远，潮波变形已十分显著，潮汐作用相对较弱。许慧等[10]采用平面二维潮流数学模型，模拟了不同径流和潮流过程组合作用下世业洲汊道水流条件，计算表明：洪季，世业洲汊道无上溯潮流；枯季，瓜洲断面位置处有上溯潮流(最大流速为0.29m/s)，由于河段内潮流上溯流速历时较短，流速值也低于起动流速，故潮汐对水道河床演变的影响较小。

4　水沙变化对河床演变的影响

从20世纪90年代至今，世业洲汊道内人类活动频繁，主要有：水利部门对岸线的控制守护，沿岸码头的修建，这些人类活动守护了两岸的岸线，稳定了河势，但对河道内滩槽的演变影响不大，可以认为近20年来世业洲汊道的河床演变是岸线受控条件下的汊道调整及河床冲淤变化。谢鉴衡[11]认为：河床演变是具有动边界的水沙两相流必然会发生的现象，影响河床演变的主要因素可以概括为进口条件、出口条件及河床周界条件。上述三个条件有主有从，不能同等对待，其中来水来沙是最主要的。因此，通过对比三峡蓄水前后10年间分流比、滩槽、冲淤量、典型断面变化，可以反映三峡运行后水沙变化对世业洲汊道演变的影响。

4.1　分流比变化

20世纪70年代中期以来，世业洲左汊进入持续发展阶段，三峡蓄水前，1975—1990年左汊分流比缓慢增加，年均增幅0.1%，进入90年代后，左汊分流比继续增加，特别是1998年、1999年两场大洪水后，这两年内左汊年均增幅为2.8%(图2)。三峡蓄水后，由于水库调蓄作用，相比于90年代，上游来流量基本以中小水年为主，左汊分流比呈缓慢发展的态势，年均增幅0.4%，2015年9月达到最高值40.4%。

4.2　滩槽变化

0m线变化：三峡蓄水前，受泗源沟以下水流动力轴线左摆影响，泗源沟—十二圩一带岸线持续后退，伴随着左汊分流比增的大，左汊进口左侧低滩冲刷显著，近年来，随着护岸加固工程的实施，岸线基本趋于稳定；三峡蓄水后局部岸线仍不稳定，同时世业洲洲头右缘边滩冲刷，形成倒套，右汊进口深槽略有淤积，右汊进口冲滩淤槽，趋于宽浅。

12.5m线变化：三峡蓄水前，来水来沙量相对较大，河道往往表现为大冲大淤，世业洲右汊进口段12.5m深槽部分不通或宽度不足500m，特别是大水大沙年后，12.5m深槽在右汊新河口—马家口断开严重，航道维护困难；三峡蓄水后，水沙条件变化后，右汊进口段12.5m深槽基本贯通，航道条件好转，航道问题表现为宽度不足(图3)。

4.3　冲淤量变化

根据三峡水库蓄水前后世业洲汊道各分区的冲淤量统计情况(表2)，洲头分流区、世业洲左汊、世业洲右汊、汇流区4个区域冲淤呈现出不同的规律：

(1)三峡蓄水前，世业洲左汊冲刷以为主，右汊以淤积为主。左汊冲刷主要集中在-10.00m高程以上岸滩区域，1993年后，左汊整体呈冲刷下切的现象；右汊-5.00m以上岸滩及-10.00m以下深槽均有所淤积。

(2)三峡蓄水后，由于上游来沙量锐减，河段呈整体冲刷态势，从冲刷量来看，左汊冲刷量最大，约为右汊总冲刷量的2.2倍；洲头分流区和汇流区冲刷量相对较小，主要集中在-15.00m高程以下深槽区域。

4.4　断面变化特征

三峡水库蓄水后，河段整体虽以冲刷为主，但由于本河段为分汊河型，故冲淤发生部位和断面变化在河道的不同区域呈现不同的特征(图4)。

世业洲洲头分流区断面逐渐冲刷扩大，河宽逐年增大，至2010年河宽达到最大值，后又有所减小，平均水深逐渐增加，宽深比由3.3左右减小至2.6左右，世业洲洲头冲刷后退，使分流区面积、河宽和水深有所增加，河相系数的逐渐减小，反映出分流区河床稳定性趋好态势。

左汊在蓄水前后断面均呈持续冲刷扩大的态势。蓄水前，左汊进口1999年后左侧0m高程以下的河床冲刷明显，这与左汊分流增大的变化趋势一致。1974—2003年29年间左汊0m高程以下的过水断面面积增加55%～79%，河宽增大55～120m，平均水深增加3.2m左右，宽深比减小至3左右。三峡蓄水后，左汊进口0m高程以下的过水断面面积继续增大，增幅达41%～53%，河宽略有增大，而平均水深增幅明显，增加了3.6～5.1m，宽深比由3减小至2左右。左汊中段河床变化情况与进口基本相近。可见，左汊持续冲刷发展，河相系数逐渐减小，近年来约为2，左汊河床稳定性较好。

右汊在蓄水前后断面变化相对较缓和，宽深比变幅不大。右汊进口在1974—2015年的41年间右汊0m高程以下的过水断面面积仅增加11%～17%，河宽增大120m，平均水深增幅在1.0m以内，宽深比基本不变，各年均保持在3～4之间；世业洲右汊中段河床变化幅度很小，1974—2015年河床断面面积、河宽、平均水深变幅很小，宽深比保持在3.2～3.9之间。

5　河床演变趋势

5.1　水沙变化趋势

有研究[12]通过构建宜昌—大通一维水沙数学模型，基于1991—2000年与上游建库水沙系列，考虑上游梯级水库和三峡工程水沙调节，计算分析了20年后宜昌—大通站水沙过程，对比90系列实测和2003年以后实测资料，对大通站水沙过程的合理性及变化趋势进行了分析。研究认为枢纽运行对大通站径流总量影响不大，但年内分配有所变化，洪峰流量有所消减，枯水流量增加，汛后蓄水期平均流量变化显著。洪峰平均含沙量减少49%，汛后蓄水期平均含沙量减少69%，与2003年以后实测资料相比同流量输沙率逐年下降。

5.2　演变趋势预测

随着三峡水库蓄水对长江下游乃至河口段的影响逐渐显著，仪征水道洲头和边滩冲刷将更为明显，由于本河段正在实施南京以下深水航道工程，预计随着工程的建设，世业洲头守护工程稳定了洲头低滩，重塑了洲头滩槽格局；世业洲右缘丁坝守护区域以淤积为主，右侧航槽内河床冲刷下切，航道条件改善；世业洲左汊进口冲刷下切的趋势被有效遏制，中下段冲刷得到有效控制(图5)。

6　结语

(1)三峡工程采用汛后蓄水、汛前消落的调度方式，汛末退水加快，蓄水期长江下游流量减小，枯水期和消落期流量增大，蓄水后输沙总量大幅减少，但年内分配仍大体与径流过程相对应，蓄水前主汛期7—9月输沙量占全年的60.2%，蓄水后主汛期输沙量占全年的50.6%，有所减小。

(2)三峡水库蓄水后，仪征水道河床冲淤与蓄水前有所不同。蓄水前，世业洲左汊冲刷、右汊微淤；蓄水后左右汊均表现为冲刷下切；蓄水前，大洪水对水道滩槽格局影响较大，蓄水后，受水库调蓄影响，洪峰流量减小，水沙对滩槽格局的影响有所减弱。

(3)目前世业洲汊道深水航道工程主体工程已基本完工，关键部位如世业洲头、世业洲右缘、世业洲左汊进口等得以守护，进一步稳定了滩槽格局，同时工程在一定程度上促进了右侧航槽冲刷下切，有利于航道条件的改善。

参考文献：

[1]　许全喜.三峡工程蓄水运用前后长江中下游干流河道冲淤规律研究[J].水力发电学报,2013,2:146-154.

[2]　卢金友,黄悦,王军.三峡工程蓄水运用后水库泥沙淤积[J].中国工程科学,2011,13(7):129-136.

[3]　季成康,左迎新.长江下游仪征水道稳定性分析[J].人民长江,2002,33(3):36-38.

[4]　韩卓雄,林木松.长江镇扬河段世业洲汊道演变机理及航道治理措施研究[D].武汉：长江科学院硕士学位论文，2012.

[5]　朱庆元,刘同宦,丁虎.长江下游镇扬段世业洲汊道演变和整治措施研究[J].人民长江,2015(13):1-4.

[6]　王爱春.长江下游仪征水道12.5m深水航道整治工程方案优化[J].水运工程，2016(6):1-6.

[7]　余文畴,卢金友.长江河道演变与治理[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[8]　潘庆燊,胡向阳.长江中下游河道整治研究[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[9]　中交上海航道勘察设计研究院有限公司,长江航道规划设计研究院.长江南京以下12.5m深水航道二期工程初步设计[R].2015.

[10]　许慧,李国斌,尚倩倩.仪征水道河段工程总平面布置水流泥沙数模研究报告[R].南京：南京水利科学研究院，2013.

[11]　谢鉴衡.河床演变及整治[M].武汉：武汉大学出版社，2013.

[12]　南京水利科学研究院.三峡枢纽运行后水沙条件变化对深水航道治理工程的影响研究[R].南京：南京水利科学研究院，2015.

Influence of Water and Sediment Change on the Evolution in the Shiyezhou Channel

XU Hui1，2，SHANG Qianqian1，2，LI Guobin1,2,GAO Yajun1，2

(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing Jiangsu Province　210029;2.State Key Laboratory of Hydrology Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing Jiangsu Province　210024)

Abstract:Many reaches are braided channels with bars and shoals in the river bed downstream Nanjing of the Changjiang River.The movement of water and sediment are complex by the combined action of runoff and tide.Take the Yizheng waterway as an example,the evolution characteristics of this waterway before and after impoundment of the Three Gorges reservoir are analyzed.The result shows that after the impoundment of the Three Gorges reservoir,the riverbed erosion and deposition are different from those before impoundment.Before the impoundment,the Shiyezhou left branch scours,and the right less deposition;after storage,both of them as scouring.Before the impoundment,the flood has a great influence on the pattern of channel beach.After the water storage,the flood water is affected by the reservoir,and the flood decreases,the influence of the water and sand on the evolution of the beach is weakened.

Key words:Three Gorges Reservoir;Water and Sand Condition;Riverbed Evolution;Branching River