三峡工程运用后长江中下游干流冲淤变化对防洪工程的影.pdf

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1、三峡工程运用后长江中下游干流冲淤变化对防洪工程的影响研究1 4 7峡工程运用后长江中下游干流冲对防洪工程的影响研究+卢金友黄悦(长江科学院武汉4 3 0 0 1 0)淤变化摘要：三峡工程建成运用后，改变了水库下游河道的来水来沙条件，坝下游河道水流输沙能力处于不饱和状态，河道将发生沿程冲刷，并可能引起河势的调整，进而可能对防洪产生一定影响。为此采用数学模型计算与实测资料分析手段研究三峡工程建成后长江中下游江湖水沙变化及河道冲淤演变，可供三峡工程建成后长江中下游防洪规划制订和工程措施对策研究参考。三峡工程蓄水运用后5 0 年，长江中下游发生大量冲刷，荆江河段河床平均冲深2 0 5 3m，同流量水位

2、降低，增加槽蓄量1 3 亿m 3；城陵矶至武汉河段河床平均冲深约2 5m，同流量水位降低，增加槽蓄量8 5 亿m 3。由于干流河床冲刷，荆江三1：1 分流量、分沙量减少，使湖区淤积减缓，增加调蓄量2 3 8 亿m 3，但由于水沙过程改变、河床冲刷及局部河势调整对河道稳定及堤防护岸工程安全带来影响。关键词：三峡水利枢纽；长江中下游；冲刷量；槽蓄量三峡工程运用后长江中下游来水来沙变化长江中下游宜昌至大通河段两岸有众多支流、湖泊入汇，其中较大支流为清江、汉江；湖泊以洞庭湖、鄱阳湖最大。长江干流各站水文特征值见表1。表12 0 0 3 2 0 0 6 年长江中下游主要站径流量和输沙量变化项目宜昌枝城沙

3、市监利螺山汉口大通多年平均43 6 844 5 039 4 235 7 664 6 071 l l90 5 2径流量2 0 世纪6 0 年代平均45 5 240 1 933 8 766 5 973 1 789 8 9(亿m 3)2 0 世纪9 0 年代平均43 3 640 2 838 9 266 2 972 8 896 1 12 0 0 3 2 0 0 6 年平均39 2 039 8 137 0 835 3 858 5 767 3 482 5 8多年平均4 9 25 o o4 3 43 5 84 0 93 9 84 2 7输沙量2 0 世纪6 0 年代平均5 5 5 64 8 6 73 6 2

4、 64 3 3 24 6 7 45 1 3 2(亿t)2 0 世纪9 0 年代平均4 1 7 13 7 0 93 2 8 73 3 1 13 2 4 43 3 7 12 0 0 3 2 0 0 6 年平均O 7 0 2O 8 5 l0 9 7 91 0 41 1 81 3 41 6 3注：多年平均值统计至2 0 0 2 年，沙市站2 0 世纪6 0 年代统计值为新厂站资料。1 1三峡水库初期蓄水前长江中下游来水来平均径流量为43 6 8 亿m 3，输沙量为4 9 2 亿t；沙变化宜昌至城陵矶河段的水沙主要来自宜昌以上的长江干支流，三峡工程蓄水前宜昌站多年国家科技支撑计划项目资助(课题编号：2

5、0 0 6 B A B 0 5 8 0 3)。支流清江来水来沙量仅占宜昌站水、沙量的3、2 左右。由于荆江三口分流分沙，荆江河段水沙量沿程递减，枝城、新厂和监利站多年平三纪念9 8 抗洪十周年学术研讨会优秀文集均径流量分别为44 5 0 亿m 3、39 4 2 亿m 3 和35 7 6 亿m 3；输沙量分别为5 0 亿t、4 3 4 亿t 和3 5 8 亿t。受各种自然因素和人为因素影响，特别是人工裁弯和自然裁弯影响，2 0 世纪6 0年代以来，荆江三口分流分沙递减，尤以藕池口减少最多，与多年平均值相比，年平均径流量减少5 8 8，输沙量减少6 1 6(见图1)。下荆江干流的年平均水量比多年平

6、均值大，监利站9 0 年代年径流量比多年平均值增加了8 8，输沙量则相对减少9 2。由于荆江三口分流分沙的变化，使得洞庭湖出湖水、沙量减少，城陵矶(七里山)站水、沙量8 0 年代以来的年平均值分别比多年平均值减少8 4 和2 9 4。螺山以下，9 0 年代以来水、沙量变化较小，与多年平均值相比，水量增加2 5 一6 2，沙量减少2 0 左右。一；趸垂：聋3 O2 5，、门2。o 蔷I 5 稻解1 0 廿O，501 9 5 51 9 6 0 1 9 6 51 9 7 01 9 7 51 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 52 0 0 02 0 0 5时间(年)图1 荆江三口分流分

7、沙变化1 2 三峡工程初期5 年长江中下游来水来沙变化三峡工程蓄水后，水库下泄水量变化不大，而沙量大幅度减少。三峡水库蓄水后，2 0 0 3 2 0 0 6 年坝下游宜昌、枝城、沙市、监利、螺山、汉口和大通站年均径流量分别为39 2 0 亿m 3、39 8 1 亿m 3、37 0 8 亿m 3、35 3 8 亿m 3、58 5 7 亿m 3、67 3 4 亿m 3 和82 5 8 亿m 3，较三峡蓄水前分别偏少1 0、1 l、6、l、9、6 和9；年均输沙量分别为0 7 0 2 亿t、0 8 5 1 亿t、0 9 7 9 亿t、1 0 4 亿t、1 1 8 亿t、1 3 4 亿t 和1 6 3

8、 亿t，与三峡蓄水前相比，分别减小8 6、8 3、7 7、7 l、7 l、6 4 和6 2。荆江三口分流分沙比尚无明显变化。1 3 三峡水库蓄水后长江中下游来水来沙趋势三峡水库运用后改变了长江中下游河道来水来沙特性。不考虑上游建库条件下，三峡水库下泄水沙特点：汛期6 9 月流量与建库前基本不变，仅洪峰流量有所削减；1 0 月份水库蓄水，出库流量陡减，较建库前同期多年平均值减小约4 2 7；从多年月平均流量看，汛后流量1 00 0 0m 3 s 左右持续时间增加，流量变化幅度较小。三峡水库尽管采用了“蓄清排浑”的运用方式，但水库的淤积量仍然较大，蓄水初期水库排沙比约3 0；水库运行5 0 年内进

9、入长江中下游的沙量减少7 2 6 5(见表2)，将引起坝下游较长河段的冲刷。表2 三峡水库出库悬移质沙量l 1 l 2 l 3 l 4 1 运行时段1 0 年2 0 年3 0 年4 0 焦5 0 年年输沙量1 3 5 31 3 2 71 3 7 61 6 4 91 7 4 3(亿t)2 三峡工程建成后长江中下游冲淤变化趋势2 1长江中下游干流河道冲淤变化趋势三峡水库运用初期，库区发生大量淤积，水库排沙比为3 0 左右，下泄水流挟沙不饱和，河床将发生冲刷。对于卵石或卵石夹沙河床，冲刷使河床发生粗化，并形成抗冲保护层，促使强烈冲刷向下游转移；对于沙质河床，随着河床过水断面扩大，流速减小，水位下降，

10、河床组成粗化，冲刷逐渐减弱直至终止，冲刷向下游发展。采用1 9 9 1 2 0 0 0 年水沙条件，不考虑上游建库的条件下，利用一维泥沙数学模型计算，结果表明(见表3)，三峡水库运用5 0 年，宜昌至大通河段悬移质累计冲刷量约为4 8 9 4 亿t，其中，宜昌至城陵矶段冲刷量为2 4 5 7 亿t，城陵矶至武汉段约为1 4 9 8 亿t，武汉至大通段累计最大冲刷量为9 3 9 亿t。由于宜昌至大通跨越不同地貌单元，河床组成各异，河型也不同，各河段的冲淤变化也有三峡工程运用后长江中下游干流冲淤变化对防洪工程的影响研究1 4 9所不同。宜昌至松滋口段，河床由卵石夹沙组成，表悬移质强烈冲刷基本完成。

11、最大冲刷量约为0 9 亿t，如按河宽lo o om 计，河床平均冲深约层粒径较粗。三峡水库运用初期1 0 年内本段0 9m，局部河段可能冲深2 0m 左右。表3 宜昌至大通各河段悬移质累计冲淤量(9 0 年代系列)宜昌宜昌一宜昌一宜昌一松滋口一太平口一藕池口一 城陵矶一武汉一项目年份大通武汉城陵矶松滋口太平口藕池口城陵矶武汉大通(1 1 2 3 2)(6 2 3 2)(3 9 3 2)(7 5 7)(6 0 9)(1 7 0 2)(2 3 0 0)(5 0 0 0)2 0 1 2 正一1 2 8 61 2 3 79 2 2一O 6 7一O 8 52 9 54 7 63 1 40 4 9悬移质2

12、 0 2 2 正1 9 2 21 9 31 4 3 2一O 6 70 8 53 2 29 5 74 9 80 0 8冲淤体积2 0 3 2 薤2 5 7 42 4 5 81 7 4 50 6 7一O 8 73 2 7一1 2 6 37 1 3一1 1 7(亿m 3)2 0 4 2 矩3 2 6 42 9 1 51 8 1 50 6 70 8 83 3 l一1 3 2 71 l3 4 92 0 5 2 在3 6 2 52 9 3一1 8 20 6 70 8 9一3 3 3一1 3 2 91 1 16 9 62 0 1 2 盔一1 7 3 61 6 71 2 4 50 9 0一1 1 43 9 8

13、6 4 34 2 40 6 7悬移质2 0 2 2 矩2 5 9 52 6 0 6一1 9 3 3一0 9 l1 1 54 3 5一1 2 9 26 7 30 1 1冲淤重量2 0 3 2 往3 4 7 53 3 1 82 3 5 6一0 9 l一1 1 84 4 2一1 7 0 59 6 2一1 5 8(亿t)2 0 4 2 矩4 4 0 63 9 3 52 4 5一0 9 21 1 94 4 7一1 7 9 21 4 8 54 7 22 0 5 2 在4 8 9 43 9 5 52 4 5 70 9 21 24 51 7 9 51 4 9 89 3 9松滋口至藕池口为弯曲型河道，弯道凹岸已

14、实施护岸工程，险工段冲刷坑最低高程已低于卵石层顶板高程，河床为中细沙组成，卵石埋藏较浅。本段冲刷发展中，有三种因素抑制河段冲刷：一是本河段河床组成的粗化，二是卜段为粗砂卵石推移质覆盖，三是河床冲深与拓展，过水面积增大，流速减小，降低了水流挟沙能力。因此，本河段的上段松滋口至太平口同时受三种因素的作用，水库运用2 0 年后冲刷基本完成，5 0 年末冲刷量约1 2 亿t，若河宽按12 0 0l r l 计，平均冲深约1 2m。下段太平口至藕池口因沙质覆盖层较厚，水库运用后3 0 年末冲刷基本完成，5 0 年末冲刷量约4 5 亿t，按河宽l3 0 0m 计，河床平均冲深约3 0m。藕池口至城陵矶(下

15、荆江)为蜿蜒型河道，河床沙层厚达数十米。水库运用3 0 年内，河床发生剧烈冲刷。水库运用至4 0 年末，本段冲刷基本停止，5 0 年末冲刷量约为1 8 亿t，是冲刷量及冲刷强度最大的河段，河宽按14 0 0m 计，河床平均冲深5 6m。由于下荆江的强烈冲刷，进入城陵矶至武汉段水流的含沙量较近坝段大，本河段的河床组成也较粗，河床上有粒径大于1m m 的粗砂及砾石，冲刷受到限制。待荆江河段的冲刷完成后，已至4 0 5 0 年以后，上游水库的排沙量增大，所以本河段的冲刷量相对较小。5 0 年末冲刷量约为1 5 亿t，按河宽19 0 0m 计，河床平均冲深约2 5m。武汉至大通段为分汊型河道，水库运用

16、初期，因上游河段强烈冲刷，水流含沙量沿程得到补充，冲刷能力沿程减弱。特别是大于1 0r a m的泥沙，进入武汉以下，这部分泥沙是汉口站建库前多年平均输沙量的3 倍多(1 9 8 1 1 9 9 4年)，经过武汉至大通河段沿程交换冲刷后淤积下来，使武汉以下旱微冲微淤状态。随后当上游河段冲刷基本完成时，本河段开始冲刷，至5 0 年末冲刷量为9 4 亿t，按河宽20 0 0m 计，河床平均冲刷约0 7m。水库运用初期，多数汉道出现淤积。随着坝下游河道的冲刷发展，各分汊河段也相应发生冲淤变化，但冲淤量不大，仍保持分汊河道形态。上述成果是从2 0 0 6 年1 1 月起算的，初始纪念9 8 抗洪十周年学

17、术研讨会优秀文集地形为2 0 0 6 年实测地形。三峡工程2 0 0 3 年初期蓄水运用以来，由于入库沙量比多年平均值减少3 8 7 5(2 0 0 3 2 0 0 6 年)，加上水库淤积，进入长江中下游沙量更少，宜昌站年输沙量减少7 8 一8 7，坝下游河道已发生明显冲刷。2 0 0 2 年1 0 月至2 0 0 6 年1 0 月实测资料统计：宜昌至城陵矶河段冲刷4 09 6 8 万m 3，其中宜昌至枝城段冲刷81 3 8 万m 3，荆江河段冲刷3 28 3 0 万亿m。2 2 三口分流分沙变化趋势三峡水库蓄水运用后，长江干流河道冲刷，荆江三口口门水位降低，三口分流分沙随之减少。数模计算结果

18、显示与1 9 8 1 1 9 9 8 年相比，三峡建库后第1 1 0 年三口平均年径流量由6 9 8 6 亿m 3 减少到6 2 5 亿m 3，至建库后4 1 5 0 年三口平均年径流量比1 9 8 1 1 9 9 8 年减少约3 1 3 亿m 3(见表4)。其中松滋口减少4 1，太平口减少5 4，藕池口4 5。三口分沙量变化除受干流河床冲刷、水位降低影响外，还与分流量和口门处含沙量相关。建库后1 1 0 年，河床冲刷，水位降低较快，三口分沙量随着分流的减少而减少，比1 9 8 1 1 9 9 8 年少0 4 8 2 亿t；建库2 0 年后随着三峡水库排沙比的增加而逐渐增大，至建库后4 1 5

19、 0 年三口平均年输沙量为0 6 2 6 亿t，其中松滋口平均年分沙量为0 2 5 8 亿t，太平口平均年分沙量为0 0 9 8 亿t，藕池口平均年分沙量为0 2 7 1 亿t，比1 9 8 1 1 9 9 8 年三口分沙分别减少4 2、4 0 和1 6。表4 三峡工程蓄水运用后荆江三口分流分沙量变化松滋口太平口藕池口三口合计项目时段枝城数值占枝城数值占枝城数值占枝城数值占枝城1 9 8 1 1 9 9 8 钷44 3 83 7 6 68 51 3 3 43 O1 8 8 64 26 9 8 61 5 7建库后1 一l O 年44 3 73 3 27 51 2 02 71 7 33 96 2

20、51 4 1年平均建库后1 1 2 0 年43 6 02 3 65 47 41 71 4 93 44 5 91 0 5径流量建库后2 1-3 0 年43 6 02 2 75 26 71 51 1 92 74 1 39 5(亿m 3)建库后3 l 一4 0 年43 6 02 2 25 16 31 41 0 62 43 9 19 O建库后4 l 一5 0 年43 6 02 2 15 16 21 41 0 32 43 8 68 91 9 8 1 1 9 9 8 经4 9 10 4 4 29 O0 1 6 43 3O 3 2 46 60 9 31 8 9建库后1 一1 0 年1 70 1 5 89 3

21、O 0 1 6 94 10 2 2 11 3 00 4 4 92 6 4年平均建库后l l 一2 0 年1 6 90 1 5 89 3O 0 6 63 9O 2 2 01 3 0O 4 4 42 6 2输沙量(亿t)建库后2 l 一3 0 年1 8 80 1 8 81 0 OO 0 7 64 00 2 3 71 2 6O 5 0 02 6 6建库后3 l 一4 0 年2 1 80 2 2 31 0 20 0 8 74 00 2 5 41 1 6O 5 6 42 5 8建库后4 l 5 0 年2 6 70 2 5 89 7O 0 9 83 70 2 7 11 0 10 6 2 62 3 53三峡

22、工程建成后长江中下游江湖冲淤变化对防洪工程的影响初步分析3 1宜昌至武汉段水位变化趋势三峡水库运用后，由于河床冲刷，同流量的水位下降，流量越小，降低值越大。与河床冲刷相应，沿程同流量下水位下降，以石首水位下降最多，石首以上或以下水位下降逐渐减弱。当流量为55 0 0m 3 s 时，宜昌站枯水期水位比2 0 0 2 年实测值降低约1 0m；当流量为5 00 0 0m 3 s 时，水位下降约0 5m。宜昌以下各站的水位与2 0 0 2 年实测值比较，枯水期沙市水位下降2 5m，石首水位下降3 5m。当流量为75 0 0m 3 s 时，螺山水位下降约2 0m，武汉水位下降约0 9m。当流量为4 00

23、 0 0 5 00 0 0m 3 s 时荆江各站水位降低1 0 1。5 5m。由于沿程水位下降使荆江河段比降发生变化，上荆三峡工程运用后长江中下游干流冲淤变化对防洪工程的影响研究1 5 1江比降较三峡水库运用前增大，下荆江比降较三峡水库运用前减小。3 2 宜昌至武汉河段槽蓄量变化趋势三峡水库运用后，宜昌至武汉段由于河床冲刷下切，水位下降，河道槽蓄量相对建库前均有所增加。宜昌至沙市河段：三峡水库运用初期，该河段发生强烈冲刷，1 0 年末冲刷已基本完成，冲刷量达2 6 2 亿m 3，河床平均冲深1 0 3 0m，城陵矶(莲)水位为3 5m(吴淞)、沙市总出流量为6 00 0 0m 3 s 时，河段

24、内槽蓄量较建库前增加约1 6 亿m 3，占该段总冲刷量的5 9 4。沙市至城陵矶河段：水库运用1 0 年末，该河段冲刷5 7 亿m 3，河段内槽蓄量相对建库前增加5 1 亿m 3 左右；水库运用3 0 年末，冲刷量达1 5 4 3 亿m 3，河床平均冲深3 7 5 3m，螺山流量7 00 0 01 1 1 3 s，莲花塘水位3 3 0m(吴淞)时，该段的槽蓄量增加约1 1 6 亿m 3，占河段冲刷量的7 5 1。城陵矶至武汉河段：本河段距宜昌较远，水库运用初期受影响较小，冲刷量约1 3 7 亿m 3，河段内槽蓄量变化较小，仅增加0 5 2 亿一0 7 7亿m 3。水库运用中期，强烈冲刷下移至此

25、，5 0年末河段冲刷量达1 0 9 7 亿m 3，河床平均冲深约2 5n l，当武汉关水位为2 9m(吴淞)时，该段槽蓄量增加约8 4 6 亿m 3，占河段冲刷量的7 7 1。3 3 河道演变趋势冲积平原河道是在挟沙水流与河床相互作用的漫长过程中逐渐形成，并具有一定的几何形态和演变规律的某种河型。各种河型的形成由来水来沙条件和河床边界条件所制约，其中水沙条件是首要因素，河床边界条件在河型的最终形成和得以长期保持中起着关键性作用。三峡水库建成运用后，来水来沙条件的改变将导致长江中下游河道经历较长时期的冲刷，在冲刷过程中，河床粗化，同流量水位降低。1 9 9 8年长江全流域性大洪水后，长江中下游河

26、道的河势控制和崩岸治理等堤防工程建设得以加强，原河道变迁较为剧烈的下荆江蜿蜒型河段，也将被改造为限制性的蜿蜒型河段。预计三峡工程建成后，宜昌至城陵矶河段的河床形态和河床演变规律总体上不会有重大改变，即仍保持原有河型不变，但各河段的河势将有不同程度的调整，有的河段变化还可能很剧烈。据数学模型计算，下荆江水位降低值较上荆江大，因此上荆江水面比降也可能有所增大，下荆江水面比降将调平。由于三峡水库调节，汛期大洪峰削减，枯水期流量增加，但流量过程无重大改变，预计宜昌至城陵矶段宽深比将发生不同程度的调整，其中宜昌至枝城和枝城以下的上荆江河段，河岸组成抗冲性较强且其护岸工程较为稳定，河床冲刷的同时，宽深比可

27、能略有减小；下荆江河段则因坝下游含沙量较小的水流冲刷和荆江过流量增大导致的河床冲刷，河床冲深的同时会伴随着横向展宽。河床冲刷的同时，局部河段河势将发生调整，如一些稳定性较差的分汉河段、过长或过短的顺直过渡段的河势容易发生调整，有的甚至变化很剧烈。由于水库下泄水沙过程的改变、河床冲刷及局部河势调整，将引起一些河段水流顶冲位置的改变，以及近岸河床冲深和河势调整将对河岸及已建护岸工程的稳定构成威胁，必须采取相应措施。尤其是荆江河段受三峡工程运用的影响，河床冲刷幅度大，发生的时间早，应尽早防范。如前所述，2 0 0 3 年6 月三峡工程蓄水运用后，加之上游来沙减少等影响，坝下游各河段已发生不同程度的冲

28、刷，有的河段近岸河床冲刷幅度较大，岸坡变陡，有的险工段已发生崩岸，须加强跟踪观测与防治。4 结语由数学模型计算结果表明，三峡工程蓄水运用后5 0 年，长江中下游河道发生大量冲刷，荆江河段河床平均冲深2 0 5 3m，可增加槽蓄量1 3 亿m 3，城陵矶至武汉河段河床平均冲深约2 5i n，可增加槽蓄量8 5 亿n 1 3，当遇1 9 9 8 年洪水时可以减轻长江中下游防洪工程的压力。但河床冲刷过程中，局部河段河势可能发生调整，水流顶冲部位将发生变化。河床1 5 2纪念9 8 抗洪十周年学术研讨会优秀文集冲刷和局部河势调整对两岸岸线和护岸工程的稳定将带来影响，尤其是荆江河段所受的影响最大，必须采取相应的对策措施，抓紧实施河势控制工程和护岸工程。由于三峡工程下游江湖水沙关系、边界条件复杂，准确预测三峡工程运用后江湖关系变化趋势与影响难度很大，因此下一阶段需加强江湖水沙和冲淤变化的原型观测与分析研究工作；利用三峡工程蓄水运用后的原型观测资料，对已建立的数学模型及长江防洪模型进行率定与验证完善，修正以往预测成果，进一步研究三峡工程运用后长江中下游河道冲淤演变与影响以及对策措施，及时修订防洪规划和江湖治理规划，加强江湖治理。