湖北荊江河道演變監(jiān)測及分析項(xiàng)目綜述

(1.荊州市長江勘察設(shè)計(jì)院，湖北 荊州 434000； 2. 湖北省水利廳，湖北 武漢 430000)

由于荊江河段距離三峽大壩較近，2003年6月三峽水庫蓄水運(yùn)用后，在較長時期內(nèi)難以恢復(fù)其下泄的嚴(yán)重次飽和水流含沙量。因此，荊江河道的沖刷不僅發(fā)生時間早，沖刷幅度也較大，引起局部河段的河勢調(diào)整。2007～2016年開展了荊江河道演變監(jiān)測及分析項(xiàng)目，經(jīng)過10 a來不斷摸索總結(jié)監(jiān)測分析方法，在傳統(tǒng)的典型斷面比較法、沖刷坑面積法、最深點(diǎn)分析法等基礎(chǔ)上，首次提出了監(jiān)測導(dǎo)線分析方法，并綜合影響岸坡穩(wěn)定各因素之間關(guān)系，整理了一套“岸坡穩(wěn)定性綜合評估體系”。荊江河道演變監(jiān)測分析成果可為荊江防洪及河道工程建設(shè)管理提供決策支持。

目前，國內(nèi)外學(xué)者模擬預(yù)測河床(含河岸)橫向變形的研究方法主要包括：經(jīng)驗(yàn)方法、極值假說方法和水動力學(xué)-土力學(xué)方法[1]。對崩岸預(yù)測理論方面的研究方法還不成熟，預(yù)測結(jié)果往往與實(shí)際情況相差較大，距離實(shí)際應(yīng)用仍存在差距。

荊江河道演變監(jiān)測及分析項(xiàng)目采用傳統(tǒng)及創(chuàng)新的分析方法，能夠較全面地反映近岸河床變化情況，實(shí)現(xiàn)了原來定性判斷到定量分析的轉(zhuǎn)變，便于實(shí)際操作。

1 項(xiàng)目背景

三峽水庫已于2003年6月蓄水運(yùn)用，同年11月蓄水至139 m，2006年10月壩前水位抬高至156 m，2008年汛后開始試驗(yàn)性蓄水，同年11月抬高至172.8 m，此后自2010年起連續(xù)5 a成功蓄水至175 m。三峽水庫的蓄水運(yùn)用改變了壩下游河段的來水來沙過程，尤其是來沙過程，必將引起壩下游河段發(fā)生新的演變，會對河道防洪、河勢以及堤岸穩(wěn)定等方面帶來一定影響。

荊江河道的沖刷可能對現(xiàn)有水流頂沖范圍內(nèi)與貼岸段的未護(hù)段岸線以及已護(hù)工程的穩(wěn)定造成不利影響，同時由于長期沖刷可能引起局部河段的河勢調(diào)整。尤其是上荊江河段，發(fā)生沖刷時間更早，且沙市河彎、郝穴河彎等河段的迎流頂沖段，堤外基本無灘，一旦因沖刷而引起岸線的崩塌，將對荊江防洪安全構(gòu)成極大威脅。因此，開展三峽水庫蓄水運(yùn)用后荊江河道監(jiān)測與分析研究工作是十分必要的。

為及時了解荊江河段河道演變規(guī)律，進(jìn)行河勢演變監(jiān)測和分析，為河道治理和領(lǐng)導(dǎo)決策提供科學(xué)依據(jù)，以加強(qiáng)河道崩岸的可預(yù)見性，避免崩岸的突發(fā)性，爭取崩岸整治的主動性。2006年7月起開展荊江河道演變監(jiān)測及分析工作，至2016年12月，已連續(xù)監(jiān)測10 a。

2 監(jiān)測范圍及方法

2.1 監(jiān)測范圍

水下監(jiān)測僅對重點(diǎn)河段進(jìn)行監(jiān)測。重點(diǎn)河段確定的主要原則是：①近年崩岸劇烈及河床變化較大的岸段；②堤外灘地較窄或者無灘，迎流頂沖，深泓貼岸，防洪地位重要及對河勢變化較大的岸段。

根據(jù)“全面監(jiān)測，重點(diǎn)加強(qiáng)”的原則，該項(xiàng)目又將重點(diǎn)監(jiān)測河段劃分為3類:

(1)近年來崩岸嚴(yán)重的河段，如文村夾、北門口、茅林口等河段。

(2)深泓貼岸迎流頂沖,無灘及窄灘的河段，如沙市觀音磯到谷碼頭、沖和觀到郝穴、公安河灣等河段。

(3)應(yīng)急性的測量，即突然發(fā)生崩岸的河段。

主要監(jiān)測方法是定時半江水道地形測量和岸上定期觀測。第一類河段75 km，每年測量兩次，汛前一次，汛后一次；第二類河段95 km，每年測量一次，在汛后實(shí)施；第三類是應(yīng)急測量2 km。保持監(jiān)測范圍相對固定。根據(jù)河勢變化情況，在年度任務(wù)中局部調(diào)整監(jiān)測河段類型及范圍。

以谷碼頭至觀音磯為例，局部監(jiān)測范圍導(dǎo)線圖見圖1。

圖1 谷碼頭至觀音磯段監(jiān)測導(dǎo)線(部分)平面布置

2.2 測量方法

2.2.1 控制測量

據(jù)查勘，測區(qū)內(nèi)有國家二、三等平面和高程控制點(diǎn)。平面系統(tǒng)為北京54坐標(biāo)系，高斯正形投影，3°分帶。高程系統(tǒng)為1956年黃海高程系。

在荊江河段,以國家二、三等平面控制點(diǎn)為引據(jù)點(diǎn)布設(shè)D級GPS控制網(wǎng)。沿監(jiān)測河段按劃分每5 km布設(shè)一對可通視D級GPS點(diǎn)，GPS點(diǎn)布置在大堤堤肩上。最少聯(lián)測12個國家級二、三等平面控制點(diǎn)。

以國家二等高程控制點(diǎn)為引據(jù)點(diǎn)布設(shè)四等水準(zhǔn)路線。用NA2型水準(zhǔn)儀按四等水準(zhǔn)測量規(guī)范施測。最少聯(lián)測20個以上二等水準(zhǔn)點(diǎn)。每公里高差中數(shù)中誤差應(yīng)小于3 mm。

一級導(dǎo)線測量用TOPCON全站儀按5″級導(dǎo)線測量規(guī)范施測，以靜態(tài)GPS點(diǎn)為引據(jù)點(diǎn)，沿監(jiān)測河段平均每500 m布設(shè)一個埋石導(dǎo)線點(diǎn)。導(dǎo)線測角中誤差應(yīng)小于5″，最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差應(yīng)小于5 cm。

2.2.2 水下地形測量

測圖比例尺為1 ∶2 000，在D級GPS控制點(diǎn)或5″導(dǎo)線點(diǎn)上設(shè)置基站，用RTK+回聲儀測量。GPS水下地形測量采用垂直于河道的斷面法測量，斷面間距約為30 m，測量至深泓線以外。一般寬度約300 m，個別重點(diǎn)險段為400 m。

2.3 荊江河勢查勘

原型觀測采用定量的重點(diǎn)河段半江水下地形測量與定性的實(shí)地查勘相結(jié)合。定性的實(shí)地查勘主要是定期、不定期的陸上查勘；每年下半年汛后安排一次河勢查勘，一般在10月中旬至11月上旬。河勢查勘采用乘船方式，從枝城到城陵磯行經(jīng)近340 km，重點(diǎn)查勘湖北、湖南荊江河段兩岸的河勢變化及新老險工、險段。通過聽介紹、看河勢、查現(xiàn)場、座談會等形式，理論聯(lián)系實(shí)際，增強(qiáng)感觀認(rèn)識。通過河道實(shí)際發(fā)生的河勢變化驗(yàn)證河道演變分析結(jié)果的有效性，合理調(diào)整河道演變分析結(jié)論。

2007～2013年采用普通照相機(jī)拍照的方式記錄現(xiàn)場情況。2014～2016年改進(jìn)了查勘方法：采用查勘記錄儀記錄拍照地點(diǎn)地理坐標(biāo)信息，定位行船航跡線；無人機(jī)航拍俯瞰總體河勢及岸坡情況；重點(diǎn)河段岸坡土料取樣，實(shí)驗(yàn)采集土料物理力學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.4 監(jiān)測分析方法

在2007～2009年的河道演變分析中，采用的是典型斷面分析法、沖刷坑面積變化法。典型斷面分析法通過典型斷面的沖淤變化來分析該河段的整體近岸河床變化情況，由于所選取的典型斷面是間隔、不連續(xù)的，具有“代表”的局限性，不能全面地反映整個河段的變化情況。沖刷坑面積變化法通過跟蹤近岸河床變化劇烈岸段沖刷坑的面積變化來分析重點(diǎn)河段的近岸沖淤變化情況，由于沖刷坑的選取通常都是彎道迎流頂沖段、磯頭等重點(diǎn)河段，不能代表全河段的情況，只能真實(shí)反映局部重點(diǎn)河段的近岸沖淤變化情況。

典型斷面分析方法是從橫向來分析該典型斷面的橫向沖淤變化分布關(guān)系，形象、直觀，而在縱向上具有不連續(xù)性，無法對其進(jìn)行量化分析。

考慮到傳統(tǒng)典型斷面分析法、沖刷坑面積變化法的種種局限性，在該項(xiàng)目2008年度報(bào)告中，首次提出并使用“監(jiān)測導(dǎo)線分析法”對近岸河床沖淤變化進(jìn)行分析。該分析法通過近岸河床變化的若干因素確定一定數(shù)量的監(jiān)測導(dǎo)線平面控制點(diǎn)，并將這些平面控制點(diǎn)連接成一條平順的曲線，該曲線為監(jiān)測導(dǎo)線，通過監(jiān)測導(dǎo)線在不同時段的沿程高程變化來研究近岸河床的分析方法。

按以下內(nèi)容要素確定監(jiān)測導(dǎo)線的平面位置：① 荊江水下護(hù)岸工程的守護(hù)寬度一般在50～70 m；② 近岸深槽的內(nèi)邊緣線距多年平均枯水位線60～150 m；③ 荊江水下護(hù)岸工程的水毀一般是從水下坡腳前沿開始，逐漸向河岸方向發(fā)展，最終引起岸線崩塌；④ 枯水位水邊線的不平順性；⑤ 枯水期近岸主流線的順暢。

監(jiān)測導(dǎo)線法分析近岸河床變化，可全面直接反映監(jiān)測岸段沿線近岸河床的變化情況，克服典型斷面法分析近岸河床變化的代表局限性，達(dá)到可直接發(fā)現(xiàn)監(jiān)測岸段近岸河床沖淤變化的沿程(順?biāo)鞣较颍v向)分布關(guān)系，具有總體量化分析的特點(diǎn)。通過監(jiān)測導(dǎo)線縱向上的連續(xù)性，可以明顯發(fā)現(xiàn)近岸河床沖淤變化的情況。

以谷碼頭至觀音磯河段為例進(jìn)行具體分析。三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，該河段演變過程為：沙市觀音磯～谷碼頭段近岸河床經(jīng)歷了較大幅度→沖淤窄幅調(diào)整→進(jìn)一步小幅沖刷；在年內(nèi)同一水文時段內(nèi)，沿程各分區(qū)段間呈沖淤交替變化(上段沖刷下段淤積或下段沖刷上段淤積)；在年內(nèi)不同水文時段內(nèi)，沿程各分區(qū)段近岸河床沖淤變化主要表現(xiàn)為汛期沖刷、汛后中枯水期回淤的沖淤交替變化特點(diǎn)。

2006年6月到2016年11月期間該段近岸河床歷年總的沖刷情況是：水下坡腳前沿平均沖刷幅度5.11 m；沖刷幅度較大的區(qū)段主要集中在樁號758+200～755+200段，沖刷量主要發(fā)生在2006年6月到2008年11月期間；沖刷幅度較大的部位主要在水下坡腳附近。

為更好地分析海量沖淤數(shù)據(jù)，2013年引入包絡(luò)線，在沖淤監(jiān)測導(dǎo)線高程沿程變化圖上按間距20 m選取最大值、平均值、最小值，進(jìn)而連接成沿線高程高位包絡(luò)線、沿線高程中位線、沿線高程低位包絡(luò)線，完善了基于近岸地形監(jiān)測成果資料的數(shù)據(jù)處理方法。

為了發(fā)現(xiàn)監(jiān)測岸段地形變化趨勢和簡化后續(xù)分析工作，2014年引入相關(guān)的時程變化圖，以監(jiān)測岸段近岸河床水下坡腳前沿的監(jiān)測導(dǎo)線高程平均值、監(jiān)測斷面水下坡比值、沖刷坑面積和最深點(diǎn)高程值為基本資料，建立相關(guān)的時程變化圖。一般來說，從時程變化圖可以判斷監(jiān)測岸段的各個區(qū)段目前的狀況和近幾年可能的變化趨勢。

2.5 岸坡穩(wěn)定性評估體系

影響荊江河道岸坡穩(wěn)定的因素有：近岸河床的沖淤變化，護(hù)岸工程的質(zhì)量、守護(hù)范圍和運(yùn)行年限，近岸河床的水下坡度變化，岸坡的地質(zhì)條件、來水來沙條件等。河道岸坡出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象不是偶然的，都有隱患產(chǎn)生、積累和爆發(fā)的過程，為了便于荊江河道的防洪安全管理，應(yīng)對有防洪安全隱患的岸段進(jìn)行及時治理，需要弄清荊江河道岸坡穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)影響荊江河道岸坡穩(wěn)定的多方面因素，進(jìn)行綜合評估分類。

綜合考慮影響荊江河道岸坡穩(wěn)定的各個因素，參考河道行洪安全管理慣例和氣象預(yù)報(bào)提示慣例，將岸坡穩(wěn)定風(fēng)險評估分為一般、二級設(shè)防、一級設(shè)防、警戒4個等級，對應(yīng)的顏色提示分別為藍(lán)色岸段、黃色岸段、橙色預(yù)警岸段、紅色預(yù)警岸段。

3 主要成果

40多年來，荊江河道經(jīng)歷了下荊江裁彎、葛洲壩工程和三峽水庫蓄水運(yùn)用、系統(tǒng)的護(hù)岸工程和航道整治工程、荊南四河和洞庭湖的淤積萎縮等，現(xiàn)在的荊江河道演變基本是人類活動控導(dǎo)影響下的演變，具有趨向穩(wěn)定性特點(diǎn)。

3.1 枯水、漫灘洪水河勢總體格局

在葛洲壩工程、三峽工程等干流上游大型水庫聯(lián)合調(diào)度作用下，荊江枯水期水情呈相對平穩(wěn)狀態(tài)，加之航道工程和護(hù)岸工程逐段對枯水河床起到明顯的控制作用，工程實(shí)施后使整治河段的灘槽平面位置相對確定、枯水河勢格局長期穩(wěn)定，河勢變化主要表現(xiàn)為工程保護(hù)區(qū)域前沿砂質(zhì)河床的沖淤交替變化、以及其變化所引起的主流線小范圍擺動。

葛洲壩、三峽等干流上游大型水庫聯(lián)合調(diào)度，使大洪峰流量被消減調(diào)平，荊江洪水漫灘的水情概率變小；沿江護(hù)岸工程使岸線基本穩(wěn)定，護(hù)灘工程使洲體沖刷調(diào)整處于可控狀態(tài)，對河勢變化可能有影響的河床邊界現(xiàn)基本被護(hù)岸、護(hù)灘工程所控制，主流的擺動范圍基本穩(wěn)定在某個區(qū)域；在水情被控制、河床邊界基本穩(wěn)定的情況下，荊江的洪水河勢格局逐漸被工程所控制，主流基本被限定在一定區(qū)域內(nèi)擺動；限定區(qū)域內(nèi)的河床呈沖淤調(diào)整變化和少量的崩岸點(diǎn)，不影響荊江總體洪水河勢格局。

表1 上、下荊江河段分時段沖淤深度統(tǒng)計(jì) m

注：“-”表示沖刷，“+” 表示淤積，2003年具體是指2002年10月～2003年10月。

3.2 河床沖淤調(diào)整變化

三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，2002年10月至2015年10月，荊江河段枯水河槽累計(jì)沖刷泥沙 7.051 6億m3，年均沖刷量為 0.54億m3，遠(yuǎn)大于蓄水前1972～2002年的年均沖刷量 0.137億m3。

以2013年荊江固定測量斷面在沙市水文站流量5 640 m3/s(對應(yīng)枯水河槽)、10 000 m3/s(對應(yīng)基本河槽)和30 000 m3/s(對應(yīng)平灘河槽)時的水面寬度為基本資料，計(jì)算確定上荊江平均河寬：枯水河槽1 047 m、基本河槽1 223 m、平灘河槽1 503 m；計(jì)算確定下荊江平均河寬：枯水河槽914 m、基本河槽1 005 m、平灘河槽1 685 m；上荊江河長171.7 km(荊3～荊82)、下荊江河長175.5 km(荊83～荊186)。計(jì)算上下荊江的平均沖刷深度：2002年10月～2015年10月上、下荊江枯水河槽平均沖深分別為2.46 m、1.83 m；2002年10月～2015年10月上、下荊江基本河槽平均沖深分別為2.17 m、1.80 m； 2002年10月～2015年10月上、下荊江平灘河槽平均沖深分別為1.85 m、1.20 m。上、下荊江河段分時段沖淤深度見表1。

荊江不同的區(qū)間河道沿時程和流程呈沖淤交替變化，大多數(shù)地段河床總的情況是沿程沖刷，沖刷的部位主要是枯水河床，尤其是彎道凹岸中下段的近岸河床沖刷幅度相對較大。

3.3 分汊、彎道、過渡段河勢演變

分汊性河段的的洲頭沖刷后退、靠近主流的洲體側(cè)緣崩塌；洲體一經(jīng)人工控制，在比較長的時期內(nèi)，出現(xiàn)洲體滅失和主支汊易位的概率較小。以關(guān)洲為例，見圖2。

圖2 關(guān)洲近期平面(35.0 m高程線)變化

急彎段普遍出現(xiàn)主流撇彎切灘現(xiàn)象，彎道凸岸上邊灘沖刷、下邊灘有所回淤；彎道凸岸上邊灘沖刷發(fā)展較快，彎道凸岸下邊灘淤積相對較慢，但持續(xù)的時間相對較長，伴隨著彎道頂沖點(diǎn)和凹岸近岸深槽向下游延伸，整個局部河段河勢具有向下游緩慢蠕動的特點(diǎn)。

彎道凹岸近岸河床沖刷區(qū)的調(diào)整變化，使得部分護(hù)岸工程段出現(xiàn)滑挫崩岸現(xiàn)象、護(hù)岸工程段緊鄰下游的未護(hù)岸段出現(xiàn)崩岸現(xiàn)象；已護(hù)岸工程段出現(xiàn)滑挫崩岸現(xiàn)象對河勢影響有限，但對防洪影響明顯；未護(hù)岸段出現(xiàn)崩岸現(xiàn)象對河勢影響明顯。

枯水河床沖刷使過渡段散灘游動性增強(qiáng)，在航道工程的控導(dǎo)作用下，散灘基本被穩(wěn)定在規(guī)劃設(shè)計(jì)的平面范圍內(nèi)淤長聯(lián)片，枯水河勢趨向穩(wěn)定變化。

3.4 歷史險工段、河道崩岸特性

從歷史深槽的監(jiān)測分析成果來看：其沖刷下切已基本到達(dá)了一個極值，歷史深槽所在局部河段枯水河床的沖刷拓寬比沖刷下切要更容易；新深槽往往在彎道凹岸下段近岸河床逐步形成；主流線平面位置不因河道深槽的沖淤變化而調(diào)整，主流線平面位置變化影響河道深槽沖淤分布。

隨著荊江河段人類工程的密度加大，對河勢的控制力度將逐步增強(qiáng)，在較長時期內(nèi)，主流將被控制在一定平面范圍內(nèi)變動，河道崩岸是河道演變的表現(xiàn)形式之一[2]。部分護(hù)岸近岸河床長期沖刷下切，在不進(jìn)行水下工程維護(hù)加固的前提下，水下工程將逐步水毀失效，相關(guān)護(hù)岸段岸坡穩(wěn)定風(fēng)險經(jīng)歷了相當(dāng)長時間的積累，發(fā)生崩岸將是必然的，護(hù)岸段崩岸具有時間周期性；少量局部護(hù)岸段小范圍區(qū)域可能提前出現(xiàn)崩岸，呈現(xiàn)偶發(fā)性。主流貼岸下行的未護(hù)岸段，近岸河床長期沖刷下切具有持續(xù)性，在不進(jìn)行守護(hù)的前提下，河岸崩塌將持續(xù)較長的時期。2006～2016年荊江河道崩岸統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 2006～2016年荊江河道崩岸統(tǒng)計(jì)

4 成果應(yīng)用

荊江河道演變監(jiān)測及分析項(xiàng)目從2007年開始，實(shí)施10 a來，每年進(jìn)行河勢查勘、水下地形測量、河道演變分析，編制年度河勢查勘報(bào)告、河道演變分析成果報(bào)告等工作，并接受湖北省水利廳組織的專家驗(yàn)收，獲得驗(yàn)收專家一致認(rèn)可。

根據(jù)河道監(jiān)測分析成果，有助于確定荊江(湖北段)河勢控制工程及三峽后續(xù)工作項(xiàng)目的規(guī)劃范圍和工程實(shí)施的先后次序，作為部分河道工程項(xiàng)目申報(bào)、規(guī)劃設(shè)計(jì)的技術(shù)支撐。目前，已在河勢控制應(yīng)急工程、崩岸應(yīng)急整治工程、碼頭防洪評價等方面得到了具體應(yīng)用，效果良好。

年度監(jiān)測分析成果報(bào)告提供了荊江河道實(shí)時變化動態(tài)，為準(zhǔn)確把握防汛重點(diǎn)、及時有效應(yīng)對突發(fā)險情和應(yīng)急整險提供了技術(shù)支持。

5 結(jié) 語

該項(xiàng)目探討了荊江河勢監(jiān)測的分析研究方法，2007年使用傳統(tǒng)的典型斷面比較法、沖刷坑面積法、最深點(diǎn)分析法；2008年對研究方法進(jìn)行了創(chuàng)新，首次提出了監(jiān)測導(dǎo)線分析方法；2009～2010年在監(jiān)測導(dǎo)線分析方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)分析方法，綜合影響岸坡穩(wěn)定各因素之間關(guān)系，整理了一套“岸坡穩(wěn)定性綜合評估體系”[3]；2013年引入包絡(luò)線，完善了基于近岸地形監(jiān)測成果資料的數(shù)據(jù)處理方法；2014年引入相關(guān)的時程變化圖，用于發(fā)現(xiàn)監(jiān)測岸段地形變化趨勢和簡化后續(xù)分析工作。

通過以上分析評估體系，可以較全面、完整地反映荊江河道監(jiān)測岸段岸坡穩(wěn)定性狀況，并對其進(jìn)行風(fēng)險預(yù)警。目前岸坡穩(wěn)定性綜合評估體系還不夠完善，希望通過不斷的研究探討，逐步修訂完善綜合評估體系，摸索出荊江河道的演變規(guī)律，為荊江河道的治理提供科學(xué)決策。