水沙條件對大湖口河沖淤特性的影響

常留紅，覃瓶山，鄭景琦，劉曉群，孫文碩，湯 薇

(1.長沙理工大學水利與環境工程學院，湖南 長沙 410114；2.洞庭湖水環境治理與生態修復湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114；3.湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007)

水沙過程是江湖關系演變的重要驅動力，也是引起河道沖淤變化的根本原因[1-2]。長江上游水庫群的修建與運行攔截了大量泥沙[3]，破壞了原有的水沙過程，改變了長江中下游河流原有的沖淤平衡，引起中下游河流再造床過程[4]。

三峽等水庫運行初期下泄沙量大幅度減少，致使壩下游河道發生長時期、長距離的河床沖刷，引起一系列河形變異和河勢調整等問題[5-6]。以宜昌站為例，2002年之前宜昌站平均輸沙量為4.92億t，而2002—2012年間宜昌站輸沙量為0.482億t，減幅達到90%。同時，三峽水庫出庫懸移質泥沙粒徑明顯偏細，加之水流沖刷強度增加，導致長江中游局部河段崩岸險情頻發[7-8]，影響河勢穩定，危及防洪安全。洞庭湖作為長江中游重要的通江湖泊，其上游水沙的劇烈變化勢必會影響洞庭湖流域河流沖淤態勢[9-10]，而荊江三口是長江與洞庭湖水沙交換的重要紐帶，其河段沖淤以松滋口為主，最大沖深達到18.2 m[11]。研究表明，2003—2018年松滋河道沖刷主要是由干流輸沙量顯著減少引起[12]，1987—2018年松滋口門區的各沙洲面積減小0.4 km2，減幅為4.2%[13]。可見，上游水庫的修建與運行引起長江中下游水沙條件變化，進而影響長江中下游河段沖淤特性變化，尤其是洞庭湖流域的荊江三口較為明顯。

大湖口河又稱松滋東支，是荊江三口之一松滋口的分支，作為長江入洞庭湖的重要通道，源源不斷地向洞庭湖輸送水沙。由于長江上游水庫群的修建，松滋口的水沙條件產生劇變，大湖口河的水沙條件也隨之發生變化。大湖口河水沙條件變化主要為來水、來沙量在年際和年內的變化，三峽建成時間點前后，大湖口河年際徑流量無顯著變化，但來沙量減少了83.6%。同時，大湖口河年內徑流量分配變化不大，來水量無顯著變化，但來沙量大幅減少使得大湖口河下游河段沖刷嚴重，容易產生崩岸與滑坡，不利于堤防穩定，對其防洪形勢有所影響[14-15]。因此，研究水沙條件變化對大湖口河沖淤特性的影響，了解水沙條件變化條件下洞庭湖流域典型河流的沖淤變化，對洞庭湖區河道治理及防洪安全具有重要意義。

1 研究區域概況

大湖口河位于湖南省常德市安鄉縣境內，處于東經112.06°～112.13°、北緯29.47°～29.77°之間，全長42 km。作為荊江三口中松滋口的東支，大湖口河是長江水沙進入洞庭湖的重要通道。根據大湖口水文站監測數據，1991—2002年大湖口年均徑流量為127.2億m3，年均輸沙量為85.6萬t，三峽工程修建后的2003—2017年，年均徑流量為114.8億m3，年均輸沙量為14.0萬t。可見三峽工程建成前后，大湖口河徑流無顯著變化，但輸沙量減少了83.6%，使得水流挾沙能力加強，加劇了對河床的沖刷。1995年大湖口河整體河床平均高程約為35 m，2018年整體河床平均高程約為29 m，平均下切深度達6 m。

2 大湖口河水沙數學模型建立與驗證

2.1 模型建立

基于大湖口河流域實測地形數據，建立大湖口二維水沙數學模型，研究不同來水來沙情況下，典型年份大湖口河段沖淤變化。模型計算河段從余家港至小望角(圖1)，全長約40 km。平面二維模型計算網格采用非結構網格，共22 554個網格，在洲灘處進行加密(圖2)，計算起始地形采用大湖口河2011年實測地形。以上游流量、含沙量、懸移質泥沙級配為模型進口條件，以下游水位過程作為模型出口條件。

圖1 大湖口河示意圖

圖2 洲灘加密網格

模型主槽糙率為0.023，即曼寧值取43.5，洲灘糙率為0.025，即曼寧系數取40。根據《洞庭湖水文氣象統計分析》，大湖口河(松滋東支)懸移質泥沙中值粒徑d50=0.008 mm，因此模型泥沙粒徑取d50=0.008 mm。

2.2 模型驗證

根據2011年實測地形建立大湖口河道(上迄余家港，下至小望角)長約40 km的二維水沙模型，利用2017年7月洪季水文資料對模型進行驗證。大湖口水道中布置的水位測驗點及典型斷面位置見圖1，測驗點水位、典型斷面流速和斷面地形驗證成果見表1及圖3和圖4所示。

表1 大湖口河水位測驗點水位

圖3 大湖口斷面流速驗證

圖4 大湖口斷面地形驗證

如表1所示，6個水位測驗點水位計算值與實測值吻合程度較好。2號點實測水位高于1號點實測水位，為測量誤差導致。部分河段由于地形測量時兩側邊灘裸露于水面，未進行測量，導致附近測站水位計算值與實測值有所偏差，但偏差在允許誤差范圍內，符合SL 58—1993《水文普通量測規范》要求。

局部邊灘位置處的流速模擬值與實測值偏差較大，但深槽位置模擬值與實測值偏差較小(圖3)。這是因為模型邊灘部分設置的糙率相對于實際糙率較小，而深槽部分設置的糙率相對較大。除個別點偏差較大外，其余計算值與實測值的偏差基本都在0.1 m/s以內，模型能反映大湖口水道流速分布規律。

泥沙進口邊界條件設為平衡狀態，泥沙出口邊界設為零梯度條件，水兩側邊壁條件均為陸地邊界。選取大湖口河段3個水文監測斷面(圖1)的河床高程進行河床變形驗證，典型斷面驗證情況如圖4所示。斷面地形與實測資料在河床中心處誤差較大，是因為模型數據與驗證資料相隔時間較久，河道已經發生了一定程度的沖淤變形，使得河床斷面地形驗證不夠理想。但誤差尚在允許范圍以內，因此該模型較好地模擬了大湖口河內的水沙過程，符合JTS/T 231-4—2018《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規程》要求。

3 水沙條件變化對大湖口河沖淤特性的影響

模型采用洪、中、枯3種情況進行重復20 a的沖淤模擬，洪中枯年份按GB/T 22482—2008《水文情報預報規范》從大湖口1991—2017年實測逐日水沙數據進行典型年選取，以流量劃分為1998年、2007年、2006年，分別對應豐水、平水、枯水年，以沙量劃分為1991年、1994年、2015年，分別對應豐沙、平沙、枯沙年。取典型年對應的年均流量及輸沙量，作為數值模擬的工況(表2)。

表2 大湖口河數值模擬工況

3.1 水流流態變化

通過大湖口河水沙數學模型，得到了河道的流場分布，考慮到大湖口河道狹長，截取其中一段典型的河道流場分布(圖5)。由圖5可知，典型河道凹岸處流速相對較大，基本都在2 m/s以上，并且隨著河道徑流增加凹岸處流速也在增大，這會造成凹岸的沖刷越來越嚴重，特別是在洪水年。水流在凹岸的沖刷會影響河道岸堤穩定性，誘發崩岸與滑坡，從而對整個河道防洪形勢產生不利影響。

圖5 典型河道流場

3.2 河道沖淤分布變化

不同水沙條件下的沖淤情況如圖6所示。大湖口河根據1號洲灘、2號洲灘以及下游河勢由曲折轉向相對筆直的3號節點分為4段。初始時刻的原始地形，表現為第一、二、四段淤積，第三段沖刷(圖6(a))。工況1和2，大湖口河段淤積主要分布在第一段，沖刷主要集中在第二、三、四段；工況3淤積主要分布在第一、二段，沖刷分布在第三、四段。所有工況沖淤都呈現上淤下沖的態勢，第一段相較于原始地形都有淤積，但淤積程度有所不同。原始地形中最低處高程為20 m左右，枯水-枯沙淤積最低處高程為22 m左右，淤積厚度為2 m，平水-平沙及豐水-豐沙淤積最低處高程都為25 m，其淤積厚度為5 m。

圖6 典型年份大湖口河道淤積分布

由于地勢影響，進入大湖口河的水流流速降低，泥沙沉降，致使一、二段淤積。隨著上游淤積厚度增加，上下游水頭差變大，就會重新啟動流速。上游泥沙沉積之后，水流挾沙能力有所增加，對第三段河床產生沖刷。第四段河流由曲折轉為相對筆直，水面變寬，水流流速下降，挾帶的泥沙得以淤積。但長江上游水庫群的運行使得大湖口河來水量無顯著變化，來沙量顯著下降，水流挾沙能力加強，改變了河道原有的沖淤情況，河床整體呈現出上淤下沖的態勢。

3.3 大湖口河河勢變化

大湖口河河床整體呈現上淤下沖的態勢，為進一步研究大湖口河斷面沖淤規律，以6 km為間隔，另選取6個斷面(圖1中水位測驗點位置)對大湖口河斷面沖淤進行分析，如圖7所示。

圖7 大湖口河床斷面沖淤變化

1號、2號斷面選自河道上游，3號、4號斷面選自中游，5號、6號斷面選自下游。由圖7可知，來水來沙量變化加劇了上游的淤積與中下游的沖刷，其中豐水-豐沙年的淤積和沖刷最多。河床整體呈現上淤下沖的態勢，河床斷面表現為左淤右沖。上游河道的淤積隨著來水來沙量的變化表現出增加趨勢，河道中下游處于沖刷的態勢。河道斷面呈現左岸淤右岸沖的規律，來水來沙量的變化使得沖淤進一步加強，但總體沖刷量大于淤積量。

3.4 大湖口河段沖淤特性變化對防洪的影響

大湖口河道凹岸處流速相對較大，并隨徑流量增加逐漸增大，使得凹岸沖刷狀況越來越嚴重。同時，大湖口河河床整體表現為上淤下沖的態勢，河段斷面呈現為左淤右沖。長期上淤下沖使得上下游水頭差愈加明顯，對右岸長期沖刷，使得右岸逐漸被掏空。河岸容易產生崩岸與滑坡，不利于堤防穩定，對防洪形勢有所影響；河勢彎曲程度會加深，形成單一、彎曲的新河流。因此需要采取護坡護岸工程保護河岸，增加堤防穩定性，穩定防洪形勢。

4 結 論

a.基于大湖口河泥沙沖淤數值模擬，發現典型河道凹岸處的流速相對較大，且隨著河道流量的增加逐漸增大，造成凹岸的沖刷越來越嚴重，從而影響河道岸堤穩定性。

b.原始沖淤表現為第一、二、四段淤積，第三段沖刷。枯水-枯沙及平水-平沙大湖口河段淤積主要分布在第一段，沖刷主要集中在第二、三、四段；豐水-豐沙淤積主要分布在第一、二段，沖刷分布在第三、四段。所有工況沖淤都整體呈現上淤下沖的態勢。

c.通過河道斷面分析，發現大湖口河河道斷面沖淤規律表現為左岸淤積，右岸沖刷。且隨著來水來沙量的變化，沖淤程度進一步加強，但總體來看河床沖刷程度大于淤積程度，易引發崩岸與滑坡，從而影響河流防洪形勢；同時河勢的彎曲程度進一步加深，向單一、彎曲的新河流演化，因此需要采取護坡護岸工程穩定防洪形勢。