虎渡河南閘河段沖淤變化分析

(長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局， 湖北 荊州 434010)

1 研究背景

荊江四口水系是長江分流入洞庭湖的通道，地跨湖北、湖南兩省。多年以來，荊江三口分流對于調節荊江洪水，確保荊江防洪安全起到了重要作用。三峽水庫蓄水運行后，荊江河段防洪能力有了較大提高，荊江四口及洞庭湖區防洪形勢得到了一定程度的改善[1-2]。

荊江四口自太平口分流后的河流稱虎渡河。現江水入口后南流，經彌陀寺至黑狗垱與松滋河東支的中河口貫通，再經黃山頭至小河口匯入松滋河，水道長136 km。

黃山頭虎渡河節制閘俗稱南閘，為荊江分洪工程主體工程一部分，位于分蓄洪區南端，其任務是控制虎渡河下泄流量，與南線大堤共同組成一道防洪屏障。南閘調度運用原則為：荊江分洪區不運用時或荊江分洪區分洪運用但虎東干堤不潰口時，南閘不控制，按天然來量下泄；荊江分洪區分洪運用，虎東干堤潰決或判定將會發生潰決的情況下，必須及時控制南閘過閘流量，使之不超過3 800 m3/s。

南閘結構形式為開敞式鋼筋混凝土Ⅰ級建筑物，順水流方向閘長148.5 m，閘寬336.8 m，32孔，鋼質弧形閘門，閘頂高程 45.65 m(吳淞凍結，下同)，閘底高程 36.20 m，主要建筑物由閘室段、兩岸建筑物及上、下游連接段等組成，采用半自動的方式啟閉閘門。

南閘建成后經歷多次改建，抬高了工程區域虎渡河河底高程，虎渡河南閘段河勢發生較大變化，但由于資料缺乏等原因，目前缺少系統的分析研究。

2 虎渡河近期沖淤變化

由于下荊江的裁彎、葛洲壩工程的興建、荊江與洞庭湖關系的調整等一系列重大事件，導致荊江干流河床發生沖刷，進而增大了干流的泄洪能力，同時使得干流同流量下水位下降，導致虎渡河年分流分沙量持續大幅減小[3]。與此同時，虎渡河作為荊江分流支汊，其年內分流比是變化的，中枯水分流量很小，甚至斷流，從而使小含沙量的中枯水期本應發生的沖刷，卻出現滯流或斷流情況而轉為淤積。虎渡河南閘河段沖淤變化與虎渡河變化趨勢相近，但受南閘建設影響較明顯。

2.1 南閘工程局部河段改道

1952年南閘建設完成后，工程河段局部河勢發生了重大改變，如圖1所示。閘上右岸堤防右移400余米；閘下出流區圍堤雖保持在原位，但基本不臨水。臨水堤防沿攔河壩推進至南閘閘管所以西，右移約500 m；閘下游右岸原堤防廢棄，新堤防向黃山頭山腳推進600余米，上述工程完工后，南閘上、下游局部河道完全改道，并進一步促使改道段的上、下游臨近河段河勢也逐漸發生調整。

圖1 南閘修建前、后河勢對照

2.2 虎渡河沖淤變化

依據1952年1∶25 000水道地形資料,1995，2003年和2011年虎渡河1 ∶5 000水道地形及切割斷面資料，采用斷面法分別計算1952，1995，2003和2011年虎渡河進口至松虎合流交匯處槽蓄量。

斷面法計算河段槽蓄量的公式為[4]

(1)

式中，V為槽蓄量，萬m3；Ai為第i個橫斷面面積，m2；ΔLi為第i到i+1橫斷面之間間距，m。

槽蓄量計算采用3條水面線：第一條(洪水)為1998年最高洪水位降低1 m(本節高程系統采用1985國家高程基準，以下同)；第二條(平灘)低于第一條3～4 m；第三條(枯水)低于第二條3 m。水面比降按不同河段取值，介于 0.15萬～0.3萬之間。根據斷面法計算原理，分別計算3條水面線下河段槽蓄量，進而計算本河段的沖淤變化。

2.2.1 虎渡河整體沖淤變化

根據上述計算結果，虎渡河洪水水面線、平灘水面線、枯水水面線下河床沖淤變化以及時段沖淤特征統計分別見表1～4。

表1 虎渡河沖淤變化(洪水)

注：表中沖淤數據中帶“-”數據表示沖刷，正數表示淤積，下表同。

表2 虎渡河沖淤變化(平灘)

表3 虎渡河沖淤變化(枯水)

表4 虎渡河沖淤量分時統計

總體上看，三峽水庫蓄水運行前，虎渡河持續淤積。1952～2003年總淤積量約為9 570萬m3，其中1952～1995年年均淤積量較大，年均淤積192萬m3，約占彌陀寺站同期總輸沙量的12.3%。三峽水庫蓄水運行后，虎渡河2003～2011年表現為沖刷，沖刷量為1 493萬m3。1952～1995年，虎渡河3條水面線下河床總體均表現為淤積，淤積主要集中在中、高水河床；沿程看，中河口～南閘段淤積量較大。1995～2003年，虎渡河枯水河床沖淤基本平衡，中、高水河床有較大淤積，淤積量為1 317萬m3。沿程看，虎渡河總體淤積，其中口門段(太平口～彌陀寺)淤積量較大。

三峽水庫蓄水運行后(2003～2011年)，虎渡河有所沖刷，沖刷量為1 493萬m3。沿程看，沖刷主要集中在口門至南閘段和董家垱至安鄉段，南閘至董家垱段沖刷幅度較小。

2.2.2 南閘上、下游局部河段沖淤變化

根據前文計算成果，建閘后變化較明顯的河段上起天保垸、下至梅景窖，本次局部河段沖淤分析采用天寶垸至梅景窖河段。

天保垸至南閘河段位于南閘上游，河長 12.9 km；南閘至梅景窖河段位于南閘下游，河長 9.4 km。1952年南閘建設時，南閘上游約 2.8 km、下游約 3.5 km 長河道人工改道，左岸堤防向右岸大幅推進，最寬推進約500 m。由于缺少施工設計資料，改道段河床變化不適合參與沖淤變化分析，故選取改道段的上游 10.1 km、下游 5.9 km 長河段進行沖淤變化分析，閘上及閘下河段沖淤變化計算成果見表5。

表5 天保垸至梅景窖河段(不含改道段)沖淤變化 萬m3

沿時空變化看，1952～1995年，天保垸至梅景窖河段(不含改道段)在3條水面線下均表現為淤積，天保垸至永固垸平灘、枯水河床發生淤積，平灘以上河床略有沖刷；畢家洲至梅景窖段3條水面下均有淤積發生。1995～2003年，天寶垸至永固垸段枯水河床有所沖刷，枯水以上有所淤積；畢家洲至梅景窖段洪水河床有所沖刷，洪水以下河床沖淤基本平衡。三峽水庫蓄水運行后(2003～2011年)，天寶垸至永固垸段有所沖刷，畢家洲至梅景窖段則有輕微沖刷。

2.3 典型斷面變化

虎渡河水系斷面形態多呈現偏“U”或偏“V”型，選取虎1、虎15、虎24、虎39、虎44等5個固定斷面進行分析。同時，在南閘臨近上游河段布設3個斷面，下游布設2個斷面，共計5個斷面進行工程臨近局部區域斷面分析。

河段典型斷面變形主要表現為：①上游口門段斷面淤積深槽縮窄；②中段各斷面總體表現為河槽淤積、深泓增高、部分斷面束窄；③下游匯口段各斷面總體表現為河槽深泓沖刷降低，斷面由“V”向“U”型轉化；④上述斷面變形主要發生在1952～1995年期間，2003年三峽水庫蓄水運行后各斷面雖有一定沖刷，但沖刷幅度較小。

1952～1995年，工程臨近局部區域各斷面變形主要表現為河床大幅淤積，河槽縮窄，灘地發育。

2.4 縱剖面變化

2.4.1 河段縱剖面

虎渡河1952，1995，2003年和2011年深泓縱剖面變化見圖2。

圖2 虎渡河縱剖面變化

1952～1995年，河段縱剖面總體表現為淤積，深泓平均淤高約0.8 m，其中南閘上游平均淤高約1.1 m，南閘下游平均淤高約 0.3 m。天保垸河段淤積幅度較大，1952年最深點高程 24.5 m，至1995年淤高約5.5～30 m；彌陀寺至中河口段深泓亦有較大淤積，最大淤厚約 5.0 m。匯流口上游局部河段(肖公咀附近)深泓微沖。

1995～2011年，縱剖面整體沖淤變化不大，相對平衡。其中1995～2003年南閘上游河段有所淤積，深泓淤高約 0.14 m，南閘下游河段有所沖刷，刷深約0.1 m。三峽水庫蓄水運行后(2003～2011年)，深泓縱剖面略有刷深，南閘上、下游深泓分別平均刷深約0.25 m和 0.30 m。

2.4.2 南閘上、下游局部河段

為了分析南閘建閘影響，取南閘上游約13.0 km及其下游約9.5 km區域為對象，該段縱剖面變化見圖3。

圖3 南閘局部河段縱剖面變化

南閘上、下游局部河段1952～2011年總體淤積，平均淤厚約0.9 m，其中，南閘上游段淤高約1.3 m，南閘下游段淤厚約 0.25 m。

1952～1995年南閘上、下游局部河段表現為大幅淤積(考慮南閘建設，臨近區域河段改道，南閘上游約 4.0 km、下游約 3.0 km范圍內縱剖面變化不做對比)；改道段上游的天保垸～永固垸河段深泓淤積，最大淤厚約3 m；改道段下游的三興垸至梅景窖以淤高為主，最大淤厚約 1.6 m。1995～2003年南閘上、下游局部河段縱剖面發生沖刷，平均刷深約1.0 m，其中閘上沖深約0.5 m，閘下深泓降低約1.7 m。南閘下游約2.5 km河段內深泓顯著刷深，最深點由1995年的 30.0 m變化至2003年的 19.2 m，刷深約 10.8 m。

2003～2011年(三峽水庫蓄水運行后)，上、下游局部河段縱剖面沖淤變化較小。

3 南閘段虎渡河河勢演變的影響因素

3.1 南閘建閘對虎渡河河勢演變的影響

綜合依據虎渡河1952，1995，2003，2011年的地形資料和南閘1952年建設、2000年二次改造的時間分布，主要選取1952～1995年和1995～2003年的閘上、下游臨近河段沖淤變化分析。

根據河道演變規律可知，一般萎縮型河道的淤積特征為上游淤積量大、下游淤積量小[5-6]。而南閘建成后工程局部段淤積較虎渡河上游明顯，南閘下游發生一定沖刷，主要表現在以下幾個方面。

(1)1952～2003年，南閘上游中河口至南閘段單位長度淤積量遠大于口門至中河口段，其淤積量遠大于上游口門段。

(2)1952～1995年，南閘上下游斷面均發生一定淤積，南閘上游各斷面隨著與南閘距離減小而淤積增加，南閘臨河河段斷面淤積增加較上游口門～中河口段增加較多，南閘下游斷面淤積則明顯較南閘上游小。

(3)1952～1995年，南閘附近河段深泓明顯淤高，淤積幅度大于虎渡河深泓平均淤高；1995～2003年，由于1998年發生全流域性大洪水和2000年南閘改造，南閘下游約 2.0 km河段深泓發生劇烈沖刷。

上述現象發生的主要原因在于，南閘工程建設造成南閘上游局部河段水面線抬高，水流變緩，流速變小，同時南閘下游水流流速有一定增加，將工程改道段河流泥沙沖至下游一定距離后再次發生淤積。

綜上所述，1952年南閘建設造成南閘工程臨近河段發生強烈淤積，而2000年南閘改造工程對南閘下游河段有一定影響，對上游河段影響不明顯。

3.2 虎渡河上、下游河勢變化對南閘段的影響

由虎渡河南閘段上、下游淤積變化可知，虎渡河河勢變化表現為2003年以前淤積，2002年以后沖刷，南閘河段河勢變化與虎渡河整體變化趨勢一致。

根據1952、1995年虎渡河測圖分析，除了1952年工程建設進行的河段改道之外，1952～1995年其余河段平面形態總體穩定，堤防局部有整治，河道淤積，主槽縮窄，灘地發育。根據1995、2003、2011年測圖，虎渡河口門至安鄉段，河勢基本穩定，表現為堤防穩定，岸線基本穩定。

考慮1952～1995年時間跨度大，河道演變與人類活動交互影響，沒有實測資料進行比較，無法準確評估南閘工程建設對虎渡河河勢調整的影響范圍和時間期限。只能從堤防、岸線、深槽、洲灘、河床形態等分析1952～1995年南閘臨近河段河勢變化及可能的影響因素。

(1)堤防。通過分蓄洪區的治理、堤防加固等工程項目的實施，堤防普遍加高培寬，全河段堤頂高程加高2 m以上。其中1952～1995年南閘下游畢家洲、安枯垸一線，虎渡河4支并流，重新挽堤約2.5 km，封堵了西邊兩支，在減輕相關地區防洪壓力的同時，也促使河勢發生了較大調整。1995年后，南閘上、下游河段堤防無明顯變化。

(2)岸線。受河道沖淤影響，局部岸線有變化，但總體穩定。1952～1995年，受南閘建設、河段改道等影響，南閘附近河段岸線變化較明顯，如永固垸、畢家洲河段均發生一定淤進。1995年后，南閘附近河段岸線基本穩定，沖淤變化較小。

(3)深槽。虎渡河口門至中河口段深槽保持穩定，中河口下游深槽有一定的沖淤演變。1952～1995年，天寶垸至梅景窖段河槽整體表現為束窄、淤高。由于堤防改建等原因，畢家洲右側河槽淤高至河灘。1995年后，南閘附近河段深槽基本穩定，部分河槽微沖微淤。

(4)洲灘。天寶垸至梅景窖段有六合垸、永康垸、樂福垸等河心洲，1952～1995年，各處洲灘均有一定的淤積發展，六合垸向尾部下游延伸，永康垸、樂福垸向洲頭洲尾淤積發展，永固垸等河段邊灘淤高。1995年后，天寶垸至梅景窖段洲灘基本保持穩定。

(5)河床形態。虎渡河河床基本保持穩定，沖淤變化幅度較小。1952～1995年，由于南閘工程段河道發生改道，南閘附近河段河床形態發生較大變化，由順直型河道發展為微彎型河道，其中工程處河道變化最為劇烈，河床向右岸偏移約500 m，且河段洲灘有明顯的淤長，減少了過水斷面面積。1995年后，由于堤防、護岸等邊界條件的固化，南閘附近河段河床形態無明顯變化。

綜上所述，虎渡河演變的總體格局受長江來水來沙變化以及長江與洞庭湖水沙分配關系調整限制以及三峽及上游水庫群的運用等因素影響，而南閘建閘、改造的影響相對較小。但就工程區局部而言，因受關聯因素復雜、資料缺乏等因素制約，南閘建閘、改造與虎渡河河道演變的相互影響還需進一步做觀測分析。

4 減淤措施

淮陰閘等水閘運行時，常實行適時引水、集中引水、縮短泄水時間、加大泄水流量及分批輪流開啟閘孔的方法，以調高輸水挾沙能力、減少河段年淤積量。洪水期采用高水位、大流量的運行方式，盡量加大泄洪流量。

在南閘工程正常運用時，應充分考慮荊江干流及虎渡河來水情況以確定南閘過水量，綜合依據荊江分洪區調度規程，通過恰當的南閘調度方式加大閘前水流強度，盡可能提高閘前水流挾沙能力。同時，在上游高水位時采用攪動疏浚方式，較低水位時結合挖泥船挖淤等機械疏浚方式減少南閘附近泥沙淤積情況。

在工程運用的基礎上，在上游堤防加強林帶建設、減少迎水坡面墾種、做好植被工作及防止水土流失同樣是減少河道泥沙淤積的重要方法[7]。

5 結 語

南閘建成以后，對南閘河段河床演變造成明顯影響，其中局部河段改道、上下游大量淤積等減少了虎渡河分流能力；此外，河床受虎渡河整體演變乃至荊江主河槽河勢演變影響。南閘作為荊江分洪工程的主體工程之一，在荊江的防洪斗爭中發揮過巨大的作用。然而也存在一些問題，如加劇了虎渡河的淤積萎縮，可能造成江湖關系的調整，使虎渡河和松滋河水系之間水力關系更加復雜，需要繼續深入的研究和探討。