水利工程論文-三峽水庫(kù)建成后下荊江河型變化趨勢(shì)的研究.doc

水利工程論文-三峽水庫(kù)建成后下荊江河型變化趨勢(shì)的研究摘要：三峽水庫(kù)建成后，長(zhǎng)江中下游河道將遭受長(zhǎng)河段、長(zhǎng)時(shí)期沖刷，河床河性會(huì)發(fā)生很大變化。那時(shí)各河段的河型是否仍能保持，特別是最為關(guān)心的下荊江蜿蜒性河型能否維持，這對(duì)防洪和航運(yùn)是非常重要的。本文在研究丹江口水庫(kù)下游漢江彎曲（蜿蜒）河段在長(zhǎng)期沖刷后的河床變形和河型是否變化以及荊江裁彎后下荊江中的蜿蜒性變化能夠維持的基礎(chǔ)上，結(jié)合三峽水庫(kù)修建后在長(zhǎng)期沖刷過(guò)程中，下荊江水沙及河床變化特點(diǎn)，較深入地研究了影響河型變化的各方面的因素，最后認(rèn)為將來(lái)需要的坡降富余，主要靠沖刷不平衡導(dǎo)致的落差減少來(lái)平衡，蜿蜒性河型能維持，但曲折率會(huì)有所減少；河道會(huì)展寬，但河相系數(shù)不會(huì)加大，沒(méi)有向微彎順直河型發(fā)展的趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：河彎河型蜿蜒性河型變化河床演變1關(guān)于下荊江蜿蜒河型是否變化的已有研究在“七五”和“八五”期間對(duì)三峽建成下游河道長(zhǎng)期沖刷后，下荊江河型是否變化，以及如何變化，共有三種看法。第一種認(rèn)為1下荊江將來(lái)在沖刷后會(huì)繼續(xù)蜿蜒，曲折率會(huì)加大。理由是，沖刷時(shí)深切和展寬雖同時(shí)發(fā)展，但是由于深切會(huì)減少三口分流比，加大下荊江流量，從而加大挾沙能力。在三峽水庫(kù)下泄低含沙量水流條件下，深切較之側(cè)蝕有助于減小三口流量，加大下荊江流量，從而較難制約沖刷的發(fā)展。因此，如果認(rèn)為河流自動(dòng)調(diào)整是以較快速度取得平衡，則在自動(dòng)調(diào)整過(guò)程中側(cè)蝕將有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，曲折系數(shù)不應(yīng)該減小，而應(yīng)該是加大，或者至少具有加大的趨勢(shì)。按照這種概念和河型判別的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，文獻(xiàn)1中的論文還認(rèn)為當(dāng)曲折率大于1.5時(shí)即為蜿蜒型，小于1.25為游蕩型，而在1.251.5之間為過(guò)渡型。而按此經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，求得下荊江目前的曲折率為2.16，將來(lái)長(zhǎng)期沖刷后(約50年)為2.41。需要說(shuō)明的是，此處曲折率不是由實(shí)際資料得到的，而是由河型判別指標(biāo)按經(jīng)驗(yàn)關(guān)系間接推出的。第二種看法2認(rèn)為沖刷后，下荊江可能向微彎分汊河型發(fā)展。這種看法的理由為，在沖刷過(guò)程中，深蝕與側(cè)蝕雖然同時(shí)進(jìn)行，但是由于在凹岸沖刷的同時(shí)，水庫(kù)下泄泥沙減少，凸岸淤積得不到相應(yīng)發(fā)展，河道將展寬，水流逐漸分散，到一定程度，主流易擺動(dòng)，難以形成單一彎道。甚至向微彎分汊河型發(fā)展，其次，從坡降調(diào)整看，將來(lái)是通過(guò)床沙粗化，河床拓寬，發(fā)展分汊以加大阻力來(lái)進(jìn)行，不一定要增加河長(zhǎng)。第三種看法3，4認(rèn)為河型基本維持現(xiàn)狀。具體說(shuō)既不進(jìn)一步蜿蜒(曲折率加大)；也不可能轉(zhuǎn)為分汊河型。其理由是，一方面下荊江徑流擴(kuò)大，水流動(dòng)力軸線曲率半徑不會(huì)減小，曲折率難以加大；另一方面，三峽水庫(kù)主要攔截d0.025mm的泥沙，且削峰機(jī)會(huì)很少，故高漫灘淤積的泥沙并不減少，凸岸還灘并不會(huì)很難，發(fā)展微彎分汊河型并不可能。至于將來(lái)沖刷過(guò)程中坡降的富余不是靠河長(zhǎng)增加，主要是靠藕池口與城陵磯之間的落差減小，當(dāng)然床沙變粗等加大阻力也有一定作用。由于河型在相當(dāng)程度上決定了河勢(shì)、河床演變,對(duì)防洪、航運(yùn)等有相當(dāng)影響，值得重視，應(yīng)予專門(mén)研究。有一種看法認(rèn)為下荊江將來(lái)有可能通過(guò)護(hù)岸，強(qiáng)行控制河勢(shì)及河型，故河型變化的趨勢(shì)研究與否似乎無(wú)關(guān)緊要。這種看法其實(shí)是不對(duì)的。只有順應(yīng)河型變化的大格局，整治工程量才會(huì)小，維持才容易。事實(shí)上，如果將來(lái)河型是繼續(xù)蜿蜒，在河勢(shì)規(guī)劃中必須留有河長(zhǎng)增加的余地，否則只有如密西西比河格林維爾段那樣5，依靠強(qiáng)固的護(hù)岸工程,才能維持連續(xù)裁去三個(gè)彎道后的外形，但河底深槽淺灘數(shù)目仍然未變，以消耗多余的能量（河長(zhǎng)縮短59%）。反之，如果將來(lái)河型是拓寬而成順直分汊，則不急于護(hù)岸，甚至要留有一定堤距讓其拓寬，再進(jìn)行治理。本文將根據(jù)丹江口水庫(kù)下游彎曲(蜿蜒)河型變化趨勢(shì)，和下荊江人工裁彎后河型是否變化等資料，通過(guò)理論分析，進(jìn)行討論。2丹江口水庫(kù)下游漢江沖刷過(guò)程中，彎曲和蜿蜒河段河型變化研究2.1漢江中下游彎曲河段變形6漢江下游皇莊至澤口河段，一般認(rèn)為是過(guò)渡段。即在上段分汊河型和下段蜿蜒河型之間的過(guò)渡段。該段既有分汊、順直微彎，又有彎曲段。其中彎曲段由于控制少(或僅一岸有控制)或河寬較大，大都屬于自由河彎。在修建水庫(kù)后，這些河彎的變形主要是撇彎，個(gè)別也產(chǎn)生復(fù)凹(即恢復(fù)原來(lái)的主流貼凹岸流路)。據(jù)1978年測(cè)圖，該段主要的河彎有14個(gè)，而在1980年調(diào)查時(shí)，其中8個(gè)發(fā)生了不同程度的撇彎和切灘。撇彎常常是以凸岸心灘（邊灘）轉(zhuǎn)化成凹岸心灘，以及彎頂下移而實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，此時(shí)凸岸邊灘(甚至凸岸)則發(fā)生沖刷崩塌，并且多是凸岸的支汊變?yōu)橹縻?。?dāng)有兩個(gè)江心洲時(shí)，有時(shí)可能是中汊擴(kuò)大。從動(dòng)力軸線彎曲半徑改變看，撇彎可分為整體撇彎與局部撇彎(圖1)。局部撇彎只是頂沖點(diǎn)下移，動(dòng)力軸線的彎曲半徑有所減??；整體撇彎是水流取直，原彎道基本上被撇掉，動(dòng)力軸線的彎曲半徑增加。目前在皇莊以下的自由河彎中，局部撇彎是主要的，與撇彎相反，有時(shí)凹岸邊灘被沖走，水流動(dòng)力軸線重新貼凹岸而復(fù)凹。2.1.1撇彎切灘的實(shí)例6圖1Thetypeofmainflowlinemoving(1)聶家場(chǎng)彎道變化情況從圖2中看出，蓄水前1958年和剛蓄水的1966年均為較為規(guī)則的河彎，河槽寬較窄，其中無(wú)彎道心灘和邊灘。1977年凸岸崩退，出現(xiàn)靠凹岸心灘，并且在彎道進(jìn)口主槽中有一系列小心灘，此時(shí)，曲率半徑有所減小。1980年調(diào)查時(shí)，進(jìn)口段小心灘和原凹岸心灘擴(kuò)大為邊灘，凸岸繼續(xù)崩退，主流仍然靠凸岸，維持了撇彎。1996年調(diào)查時(shí)，基本維持了1980年的格局。圖2聶家場(chǎng)彎道河勢(shì)變化略圖ChangesofmaincurrentsinNiejiachangbend(2)流港彎道變化情況從圖3可看出，建庫(kù)前1959年彎道河槽特別開(kāi)闊，凹岸心灘很大，主槽雖很窄，但仍貼凹岸。1969年河寬與凹岸心灘均縮小，而且發(fā)生了撇彎。1977年凹岸心灘擴(kuò)大，繼續(xù)維持撇彎。約1977年至1979年三年枯水，1980年調(diào)查時(shí)，凹岸心灘繼續(xù)擴(kuò)大，縮窄凸岸水道，發(fā)生復(fù)凹，曲率半徑減小。(3)獅子灘彎道圖4為獅子灘彎道演變情況。1968年為一大的心灘，橫亙整個(gè)彎道,主流走凹岸,凸岸僅一小套。1978年原彎道心灘上段沖蝕，凹岸主槽進(jìn)口淤積很多小心灘，堵塞流路，致使發(fā)生撇彎。1980年調(diào)查時(shí)，心灘擴(kuò)大，但主流仍貼凸岸而撇彎。1996年調(diào)查時(shí)，該河彎仍維持撇彎，只是凸岸主槽已適當(dāng)展寬和規(guī)順。圖3流港彎道河勢(shì)變化略圖ChangesofmaincurrentsinLiugangbend圖4獅子灘彎道河勢(shì)變化略圖ChangesofmaincurrentsinShizitanbend(4)姚家集彎道從圖5看出，1959年彎道進(jìn)口窄，主流貼凹岸。1969年彎道上段凸岸大幅度展寬，但凹岸進(jìn)口邊灘向江中相應(yīng)伸出，從而使進(jìn)口河寬增加不多，此時(shí)仍緊貼凹岸。1977年凹岸進(jìn)口被一些小的心灘堵塞，凸岸大幅度崩塌，從而發(fā)生撇彎，主流貼凸岸，曲率半徑減小。1980年調(diào)查時(shí)，凹岸心灘擴(kuò)大，凸岸也有兩心灘，主流入彎點(diǎn)仍靠凸岸，但走中汊而過(guò)渡到凹岸，仍維持撇彎現(xiàn)狀。此彎道的特點(diǎn)是彎道下段河槽窄，無(wú)展寬現(xiàn)象。(5)興隆鎮(zhèn)彎道圖6顯示，該彎道在1969年有一大的心灘,主流緊貼凹岸。1978年心灘上段淤高轉(zhuǎn)為凹岸邊灘；下段沖蝕，發(fā)生撇彎，但主流居中，曲率半徑減小。1980年調(diào)查時(shí)，彎道頂點(diǎn)附近有一貼凹岸心灘，中間又有一小灘，繼續(xù)撇彎，主流靠凸岸，凸岸有明顯崩塌，曲率半徑加大。2.1.2丹江口水庫(kù)修建后下游漢江撇彎的原因及機(jī)理圖5姚家集彎道河勢(shì)變化略圖ChangesofmaincurrentsinYaojiajibend從上述例子看出,修建水庫(kù)后，撇彎多的原因，主要有三點(diǎn)。第一，造床流量減小，彎道河槽平衡過(guò)水面積有一定富余，從而使彎道內(nèi)出現(xiàn)心灘淤積。據(jù)研究，丹江口蓄水后，該段（利河口）造床流量減少25.5%注1,它將導(dǎo)致河寬減少13.7%，為泥沙淤積在彎道成灘提供了空間。這正是在1978年測(cè)圖的14個(gè)彎道中，幾乎沒(méi)有不存在邊灘和心灘的原因。第二，由于水庫(kù)基本攔蓄了漢江上游全部的細(xì)沙，加之沖刷使床沙變粗，致使懸移質(zhì)比例減少，推移質(zhì)比例加大。例如，1975年皇莊至仙桃，d0.1mm的泥沙淤下890萬(wàn)t；盡管此時(shí)河床平衡，但床面厚約0.11m的d0。1mm的粗顆粒，床沙通過(guò)這種交換發(fā)生明顯粗化，從而使中小洪水推移質(zhì)數(shù)量增加。推移質(zhì)運(yùn)行較慢，在運(yùn)行過(guò)程中，不斷與床沙交換，中、枯水水流歸槽后常以局部三角洲形式向前推進(jìn)，而堵塞凹岸流路，將水流逼向凸岸。例如，上述五個(gè)例子中，撇彎時(shí)均出現(xiàn)了凹岸進(jìn)口心灘淤積。第三，由于蓄水后，常年多為中水流量(8001500m3/s),河槽動(dòng)力軸線主要受這一級(jí)流量控制，而且沖淤部位頗為穩(wěn)定。如建庫(kù)前,河彎主要受洪水控制，則建庫(kù)后，動(dòng)力軸線的曲率半徑有減小趨勢(shì)，可能發(fā)生局部撇彎。圖5姚家集彎道，原河寬窄，曲率半徑大，顯然受洪水控制，蓄水后發(fā)生了數(shù)次局部撇彎。再如,興隆鎮(zhèn)彎道(圖6)、聶家場(chǎng)彎道(圖2)也如此。反之，如建庫(kù)前為枯水貼彎，洪水走直，則建庫(kù)后，動(dòng)力軸線曲率半徑有加大趨勢(shì)，可能發(fā)生整體撇彎。如流港(圖3)，建庫(kù)前彎道明顯受枯水控制，建庫(kù)后由于動(dòng)力軸線曲率半徑加大，1969年、1977年測(cè)圖上均發(fā)生整體撇彎，但是經(jīng)19771979枯水年，曲率半徑減小，又產(chǎn)生了復(fù)凹。再如，獅子灘(圖4)也有類似情況。上述三個(gè)原因中，造床流量減小使河彎淤出心洲(邊灘)是基本的。較粗顆粒泥沙堆積部位的影響，和動(dòng)力軸線曲率半徑的變化，則是稍次的因素。特別是后者，不是十分靈敏。但是這三種因素結(jié)合起來(lái)，就使丹江口建庫(kù)后漢江河彎發(fā)生了較普遍的撇彎現(xiàn)象。附帶說(shuō)明，在天然條件下，由于洪枯水流量變幅大，有的彎道是受枯水控制，洪水期或大洪水年發(fā)生整體撇彎；枯水期或枯水年發(fā)生了復(fù)凹也是有的，但這種現(xiàn)象多為年內(nèi)周期變化，枯水期仍貼凹岸。就枯水期而言，變化不大。只有經(jīng)過(guò)大的洪水年才有較明顯的變化，所以在建庫(kù)前，撇彎的現(xiàn)象并不是很多。圖6興隆鎮(zhèn)彎道河勢(shì)變化略圖ChangesofmaincurrentsinXinlongzhenbend從上述丹江口水庫(kù)修建后，漢江自由河彎變化，以切灘撇彎為主的事實(shí)，是否對(duì)其彎曲河型會(huì)有什么影響？繼續(xù)發(fā)展是否會(huì)導(dǎo)致河型有所改變？從上面的分析來(lái)看，目前還不能得出這樣的結(jié)論。原因有三。第一，由于造床流量減小，平衡過(guò)水面積減小，彎道內(nèi)可能出現(xiàn)心灘、邊灘。但是由于河道展寬，撇彎切灘受到河岸等限制，所以不易變成順直(微彎)分汊河型。第二，水庫(kù)修建后，中水流量歷時(shí)增長(zhǎng)，曲率半徑較之枯水期控制的河彎有所加大，故多產(chǎn)生整體撇彎、切灘；但是較之建庫(kù)前洪水期，曲率半徑是偏小的，所以不易改變洪水期控制的河彎和一般彎道的大格局；而且中水長(zhǎng)期較穩(wěn)定的流動(dòng)易于河彎的維持。第三，中水流量延長(zhǎng)，會(huì)使變差系數(shù)減小，輸沙能力和河床變形能力降低，看來(lái)，不利于發(fā)展成較寬淺分汊河型；但是與此同時(shí)，由于細(xì)沙數(shù)量和大流量減少，凸岸還灘頗難，不可能像天然條件下那樣取得凹岸沖刷和凸岸淤積達(dá)到平衡，而能成為較典型的彎道斷面形態(tài)。顯然，這兩者對(duì)河型的影響有一定的抵銷(xiāo)作用。綜合上述三點(diǎn)，彎道河型可能基本維持現(xiàn)狀。當(dāng)然，在維持一些河彎的格局下，也會(huì)有一些變化；具體是，部分河彎曲率半徑稍大，深槽和淺灘水深有所拉平，彎道環(huán)流作用可能略有減弱。其中，深槽和淺灘水深變化可見(jiàn)文獻(xiàn)6。該文獻(xiàn)根據(jù)沙洋至澤口河段1968年與1978年深泓點(diǎn)高程看出兩點(diǎn)趨勢(shì)：一是經(jīng)沖刷后的1978年縱剖面圖最深點(diǎn)高程(深槽高程)增加；二是淺灘高程與深槽高差減小鄧淺灘高程增加更多?？傊?，沿程河底起伏減小，說(shuō)明了斷面沿程均勻性加大，似表明彎道形成的深槽與淺灘高差大的現(xiàn)象有所減弱，也就是彎道作用有所減弱。2.2澤口以下蜿蜒型河道變化2.2.1蜿蜒河道變化情況漢江下游澤口至武漢為蜿蜒河道。其實(shí)稱為蜿蜒河道主要是彎道較多，曲折率為1.897，但是河道蜿蜒蠕動(dòng)卻因兩岸堤防緊鎖，受到較嚴(yán)格限制。丹江口水庫(kù)修建后，該段河道變形為：河槽普遍發(fā)生沖刷，有一定沖深，也有展寬趨勢(shì)。據(jù)文獻(xiàn)8，澤口至漢川全長(zhǎng)162km，自1960年至1984年共沖刷3265萬(wàn)m3，按300m寬度，則平均沖深0.67m。而據(jù)文獻(xiàn)9統(tǒng)計(jì)1960年至1983年部分?jǐn)嗝?，澤口至仙桃河底平均高程沖深1.81m，仙桃至河口平均沖深1.30m。相應(yīng)的深泓高程沖深分別為2.66m和2.43m10。同樣據(jù)文獻(xiàn)10對(duì)部分?jǐn)嗝娼y(tǒng)計(jì)，澤口至仙桃斷面展寬占75.5%，仙桃至河口展寬占95%。但是從一些數(shù)據(jù)看，沖刷前后河相系數(shù)并未加大。由于沖刷和展寬，使該河段洲灘有所沖蝕，河岸崩岸有所加劇。但目前未看出該段蜿蜒河型有明顯變化趨勢(shì)。2.2.2蜿蜒河道變形情況分析建庫(kù)前形成這一段蜿蜒性河型的原因，除節(jié)點(diǎn)少及兩岸沉積物有二元結(jié)構(gòu)外，看來(lái)最主要是受河口長(zhǎng)江水位的影響。為了適應(yīng)長(zhǎng)江水位變化，新溝最大水位變幅15.07m，仙桃最大水位變幅為13.43m7，此值幾乎為分汊段黃家港最大水位變幅6.20m和碾盤(pán)山最大水位變幅6.81m的二倍10。由于水位變幅大，加之不斷受到頂托與自由流動(dòng)交錯(cuò)影響，加大了沖淤，最后必定形成窄深斷面，同時(shí)按照橫向流速與單寬流量成正比的關(guān)系，則窄深河段必定單寬流量大，從而加大了環(huán)流作用而成蜿蜒河型。并且由于沖淤交替，大水頂托明顯，兩岸灘上淤積泥