长江三峡水库坝下游荆江段断面形态冲刷调整成因分析

陈 立，余博闻*，许全喜，何小花，张康贺，房复康

(1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；
2.长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010；
3.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430064)

大型水库建成后，坝上游及下游水沙条件、水流输沙能力发生显著变化，库区及坝下游河段发生趋势性冲於调整：坝上游河段侵蚀基准面抬升，输沙能力降低[1]，库区发生累积性淤积[2–3]；
水库拦截泥沙，坝下游水流处于不饱和挟沙状态[4–6]，河床持续冲刷[7]。

研究表明，坝下游河段冲刷过程中，河道断面形态发生调整[8–10]，或先展宽、后刷深，或先刷深，后展宽，抑或展宽与刷深同时发生。三峡水库蓄水运用后，研究者依据实测资料分析了坝下游河段河道断面的冲刷调整特点。Xia[11]、周美蓉[12]等采用河段平均方法，研究了荆江河段河道断面的变化情况，发现河道横向展宽幅度不显著，断面形态的调整以冲刷下切为主，河道向窄深化发展。朱玲玲等[13]发现三峡水库蓄水后，平滩水位及枯水位下，上、下荆江河段整体断面宽深比均呈现减小趋势。姚记卓[14]、孙启航[15]等依据河段平均方法，分析了三峡水库蓄水后长江城陵矶、武汉河段河槽断面形态调整特点，同样得到断面形态向窄深化发展的认识。

与上述不同的是，部分研究者同时发现存在断面向宽浅化发展的现象。渠庚等[16]的研究表明，三峡蓄水后荆江河段中枯水位下部分断面宽浅化；
朱玲玲[17]、Li[18]等发现荆江弯曲河段也存在向宽浅化发展的断面。

研究者还从不同方面探讨了断面形态变化的影响因素。周美蓉[19]、林芬芬[20–21]、夏军强[22]等曾建立河段平均断面形态特征参数与上游水流冲刷强度之间的关系，发现水沙条件的变化是引起河段内平滩水位下断面形态特征参数的变化的原因；
Lin等[23]发现监利河段平滩水位下断面形态特征参数与上游来水来沙条件、下游洞庭湖顶托水位存在相关性。刘慰等[24]还发现黄河小浪底水库蓄水后，坝下游不同河型河道断面形态和河床变化速率不同。

综上所述，现有研究发现，不论河段平均还是典型断面，三峡水库坝下游均表现出断面形态窄深化的特征，也认识到上游水沙条件、河型及侵蚀基准面对窄深化的影响；
但是也有分析发现，荆江河段依然存在断面形态宽浅化的现象。不同的河床形态对泥沙补给变化的响应机制存在本质差异[25]，不同河型、不同水位下断面形态的变化究竟有何不同，为何在不饱和水流作用下，不同河型的断面形态表现出不同的变化，即除上游来水来沙条件和侵蚀基准面等，作为河道边界条件之一的河型条件，如何影响断面形态调整，现有的研究尚未系统触及。

基于荆江河段2003—2018年实测河道断面数据，分析荆江河段顺直、弯曲和分汊河型典型断面在平滩水位和枯水位下的形态变化特点，探寻不同河型之间断面形态调整的异同及其成因，以期更加全面地认识水库下游河道断面形态变化规律和机制。

研究区域为三峡水库下游荆江河段沙市至城陵矶段，该河段内存在顺直、弯曲、分汊3种河型单元。选取河段内不同河型的典型断面，其中，顺直河型典型断面10个，弯曲河型典型断面16个，分汊河型典型断面14个。典型断面位置如图1所示。

图1 荆江河段及典型断面位置示意图Fig. 1 Jingjiang reach and location of typical cross sections

2.1 平滩水位下不同河型断面形态变化

平滩水位下，2003—2018年间不同河型典型断面形态特征参数变化率如图2所示，ΔB为2018年与2003年断面宽之差，ΔH为2018年与2003年断面平均水深之差，Δξ为2018年与2003年断面宽深比之差。

图2 平滩水位下不同河型典型断面形态特征参数变化率Fig. 2 Variation rate of characteristic parameters of different river patterns under bankfull water level

由图2可知，不同河型断面总体趋向窄深化，顺直河型所有断面宽深比均减小，分汊河型和弯曲河型宽深比减小的断面分别占93%和81%。不同河型宽深比减小的主要原因在于：平滩河宽有增有减，变化幅度较小；
而平滩水深普遍呈增加趋势，且增长率明显大于河宽变化率。

由图3可知，初期宽深比较大的断面，宽深比变化幅度也大，即总体上初期宽深比大的断面，窄深化程度也大。且其中，顺直、弯曲河型宽深比与变幅的关系好于分汊河型。

图3 平滩水位下不同河型断面无量纲化的初始（2003年）宽深比与2003—2018年间宽深比变化幅度的关系Fig. 3 Relationship between initial (2003) dimensionless widthto-depth ratio and width-to-depth ratio variation rate between 2003 and 2018 under bankfull water level

2.2 枯水位下不同河型断面形态变化

枯水位下2003—2018年间不同河型典型断面形态特征参数变化率如图4所示。枯水位下不同河型断面无量纲化的初始宽深比与2003—2018年间宽深比变化幅度的关系如图5所示。

图4 枯水位下不同河型典型断面形态特征参数变化率Fig. 4 Variation rate of characteristic parameters of different river patterns under low water level

图5 枯水位下不同河型断面无量纲化的初始（2003年）宽深比与2003—2018年间宽深比变化幅度的关系Fig. 5 Relationship between initial (2003) dimensionless width-to-depth ratio and width-to-depth ratio variation rate between 2003 and 2018 under low water level

由图4可知：不同河型断面形态同样发生变化，但弯曲河型断面宽深比变化与顺直河型和分汊河型截然不同。顺直河型、分汊河型典型断面的变化与平滩水位时一致，表现为枯水河宽有增有减，断面水深增加，且水深增长率大于断面宽度变化率，断面趋窄深化。顺直河型、分汊型段典型断面中，枯水宽深比减小的断面分别占比100%、93%。弯曲河型枯水河槽以展宽为主，断面水深变化率小于宽度变化率，弯曲河型有63%的断面呈宽浅化趋向。

由图5可知，枯水位下初期宽深比较大的断面，宽深比变化幅度也大。其中，顺直河型、分汊河型宽深比与其变幅的关系好于弯曲河型。

综合来看：

1）平滩水位和枯水位下不同河型断面宽深比均发生调整，平滩水位下各河型断面宽深比总体减小，断面具有向窄深化发展的一致趋势；
枯水位下，顺直和分汊河型宽深比减小，而弯曲河型宽深比以增加为主。

2）平滩水位和枯水位下，无论断面宽深比增加抑或减小，宽深比系数越大的断面，其宽深比变化幅度也越大。

3.1 平滩水位下断面宽深比总体减小的成因

三峡水库蓄水后，首先，下游河道来沙剧减，不饱和水流作用下，河床发生冲刷；
其次，水流动力轴线、水流冲刷动力主要集中在平滩水位以下的主河槽内[28]，因此平滩水位以下河槽冲刷为主，特别是由于冲刷发生在枯水河槽内，导致平滩河槽断面刷深。最后，随着出库径流过程的调平，坝下游河段大洪水出现的概率降低，河道漫滩几率减小，不同流量级下水流动力轴线的摆动范围更加集中在平滩河槽以内，一定程度上加剧了平滩河槽内的冲刷。当然，河床刷深后局部崩岸的发生，也使局部断面出现展宽的情形。总体而言，三峡水库蓄水以后，荆江河段内的冲刷集中在平滩河槽以下[29–30]，平滩水位下的断面总体表现出窄深化特征。

不同河型典型断面变化如图6所示。由图6可看出，2003—2018年间，各断面的冲刷主要集中在平滩河槽以内，平滩水位以上变化很小。平滩河槽水深增加，河宽变化不大，断面形态主要向窄深化发展。

3.2 枯水位下不同河型断面宽深比变化差异性成因

1）不同河型断面冲刷的差异性导致枯水河槽宽深比调整特点不同。

顺直河型断面形态呈对称U型（图6（a）、（b）），蓄水后冲刷集中在枯水河槽以内，枯水位和平滩水位之间的河槽几乎未发生冲刷，河床平行下切，枯水河宽基本未变，因此顺直断面枯水河槽以窄深化为主。与顺直河型类似，分汊河型断面的冲刷也基本集中在枯水河槽以内，且以冲刷下切为主，河宽变化不大（图6（c）、（d）），因此分汊河型枯水河槽的宽深比减小。

图6 不同河型典型断面变化Fig. 6 Variation of typical cross sections of different river patterns

弯曲河型断面呈不对称偏V型（图6（e）、（f）），平滩河槽以下存在凸岸边滩，且凸岸边滩一般构成枯水河槽的边界。三峡水库蓄水后，弯曲河型发生普遍的撇弯切滩现象，凸岸边滩冲刷明显，枯水河槽的边界冲刷后退，河宽显著增加，与此同时，弯曲河型凹岸反而有所淤积，水深增加相对较小，因此弯曲河型枯水河槽断面总体呈宽浅化特征。

2）水流动力轴线为断面最大流速沿纵向的连线，水流动力轴线所在之处，即为水流主要冲刷部位，不同河型冲刷的差异性主要受水流动力轴线摆动幅度控制。

枯水流量下水流坐弯，中高水流量下水流趋直的特性，决定了弯曲河型汛期水动力轴线移至凸岸边滩处，造成不饱和挟沙水流对凸岸边滩的迅速冲刷。同时，随着蓄水后中高水流量历时的延长，汛期水流动力轴线在凸岸边滩上摆动范围减小，凸岸边滩的冲刷更加集中，而枯水流量的增加使得枯水期水流动力轴线离开凹岸深槽，凹岸出现淤积，抵消了冲刷带来的水深增加。

相比之下，顺直河型及顺直分汊河型水流动力轴线的摆动幅度明显小于弯曲河型，冲刷部位相对集中于枯水河槽内，因而顺直河型、顺直分汊河型断面以冲刷下切为主；
弯曲分汊河型虽然水流动力轴线摆动幅度超过顺直分汊河型，但由于汊道内的流量显著小于单一弯曲河型，水流动力轴线摆动幅度也就显著小于单一弯曲河型，因此凸岸边滩冲刷及凹岸深槽的淤积幅度一般也显著小于单一弯曲河型，断面变化更多地呈现窄深化特征。

3）弯曲河型初期凸岸边滩宽度越大，撇弯切滩导致的枯水河槽宽度增加越明显，宽深比增加越多。

弯曲河型断面凹岸岸坡较陡，无滩，而凸岸侧因边滩存在，枯水河槽宽度明显小于平滩河槽宽度，初期（2003年）平滩河宽与枯水河宽之差基本能够反映初始凸岸边滩宽度（图6（e））。

点绘弯曲河型2003年初始凸岸边滩宽度与枯水河槽宽深比变化率关系，如图7所示。

由图7可见：2003—2018年弯曲河型断面宽深比变化率与2003年边滩宽度关系密切，表现为边滩宽度越大，宽深比变化率越大。当然，个别断面初始凸岸边滩宽度较小，但宽深比变化率很大，例如图6（f）的荆173断面。实际上，荆173断面也发生明显的撇弯切滩，但由于该断面平滩水位和枯水位之间的凸岸边滩不发育，撇弯切滩冲刷的是凸岸侧高滩，因此平滩和枯水河槽同步展宽，凹岸大幅度淤积。对于这种情形，平滩河宽与枯水河宽之差不能反映初期边滩宽度大小。

图7 弯曲河型枯水宽深比变化率与边滩宽度关系Fig. 7 Relationship between low water level width-todepth ratio variation rate and low bar width in meandering reach

因此，凸岸边滩的冲刷是弯曲河型枯水河槽展宽，宽深比增加，断面向宽浅化发展的主要原因。

3.3 断面形态调整幅度差异性分析

宽深比越大的断面，蓄水后宽深比变化幅度也越大，这一现象与蓄水前后水流动力横向分布特性的变化有关。蓄水后水流动力横向摆动范围缩小，水流冲刷动力更加集中，且这种集中对于宽浅河段水流冲刷下切的影响更加显著。

蓄水前，窄深河段水流相对集中，单宽流量大，水流动力轴线横向摆动范围小，床沙组成相对较粗；
而宽浅河段水流相对分散，单宽流量小，水流动力轴线横向摆动范围大，河床组成相对较细。

蓄水后，水库的调度作用使得水流动力轴线的摆动范围减小，水流的冲刷动力更加集中，导致断面先发生局部冲刷下切，从而引起水流进一步集中，加剧冲刷。这种水流集中、局部冲刷下切、水流进一步集中对宽浅河段的作用显然超过水流本就集中的窄深河段，不论是顺直河型和分汊河型的冲槽，抑或是弯曲河型的冲（凸岸边滩）滩淤（凹岸深槽）槽，均是如此。因此宽浅河段断面形态变化更大。

同时，宽深比大小不同，河床组成不同，河道抗冲性不同，也影响断面形态的调整。表1给出蓄水后荆江各河段平均床沙中值粒径的变化及各河段平均枯水宽深比。

由表1可知：

表1 河床中值粒径及宽深比对比Tab. 1 Comparison of median particle size and width-todepth ratio

1）宽浅河段的床沙粒径相对较细，窄深河段的床沙粒径相对较粗。例如：监利河段2003年宽深比最大，其床沙中值粒径也最小；
公安河段2003宽深比最小，其中值粒径也最大。

2）宽浅河段的平均床沙中值粒径较细，河段抗冲性较弱，粒径粗化程度较大，这也与宽浅河段宽深比系数变化相对较大是一致的。

1）三峡水库蓄水后荆江河段不同河型断面形态调整既有共性，也存在差异。平滩水位下顺直、分汊和弯曲河型分别有100%、93%和81%断面的宽深比系数减小，总体向窄深化发展；
枯水位下顺直、分汊河型宽深比仍总体减小，而弯曲河型有63%的断面宽深比系数增加，即总体呈宽浅化态势。初期宽深比越大的断面，其宽深比变化也越大。

2）水流动力轴线摆动范围的不同控制了平滩河槽和枯水河槽断面宽深比调整的差异性。顺直和分汊河型水流动力轴线的摆动位于平滩河槽和枯水河槽以内，因此冲刷也集中在平滩和枯水河槽，断面宽深比减小；
而弯曲河型水流动力轴线的摆动超出枯水河槽，尤其是汛期水流趋直，冲刷凸岸边滩，枯水河槽展宽，同时凹岸深槽淤积，断面宽浅化。在弯曲河型凸岸冲刷的过程中，初期凸岸边滩宽度越大，则断面宽深比变化率越大。

3）在冲刷调整的过程中，相对宽浅（宽深比系数较大）的断面往往宽深比变化幅度较大，原因是蓄水后水流动力轴线的摆动范围减小，冲刷动力集中对宽浅河段冲刷下切的影响更加显著，同时也与宽浅河段的河床组成相对较细、抗冲性较弱有关。

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