長江上游蓮石灘航道生態整治方案

曾 濤，范鵬朋，陳 希

(長江重慶航運工程勘察設計院，重慶 401147)

20世紀以來，長江上游采砂活動頻繁，據統計，宜賓—涪陵河段因挖采造成河道地形變化量約3.95億m3[1]；且采砂活動造成局部過水斷面增大、流速減緩從而引起采砂河段泥沙淤積[2]，威脅通航安全；加之金沙江上游樞紐運行后來沙大量減少[3]，前期破壞的灘面基本無法恢復至原有形態[4]，甚至殘存的洲灘沖刷加劇致使航道條件進一步惡化。為保證通航安全，開展治理十分必要。本文以長江上游羊石盤—上白沙河段中的蓮石灘為例，結合近年水沙條件及河道地形變化，針對魚鰍石段彎窄淺、關刀磧段急淺的礙航特性[5-6]，立足于“綠色發展、生態優先”，提出生態航道整治方案，并采用模型驗證其整治效果，以期為類似灘險的治理提供參考。

1 灘險概況

蓮石灘(長江上游航道里程838～834 km)是著名的復雜灘險，兼具彎、窄、急、淺等礙航特性，目前航道尺度為2.9 m×50 m×560 m(水深×航寬×轉彎半徑)，為枯水期通航控制河段[7]。上段魚鰍石暗礁橫臥江中，與關刀磧頭部水下暗磧部分連成一片；下段關刀磧心灘縱臥，將河道分為左右兩汊，左汊為枯水通航主槽，坡陡流急。江中卵石磧壩關刀磧長約3 km、最寬處約500 m，挖沙采石等人為活動使其80%以上灘體遭受破壞，見圖1a)；近年心灘進一步沖刷，導致關刀磧中水期束水能力進一步減弱，航槽內出現淤積，且枯水期坡陡流急的現象愈加突出，威脅通航安全，急需進行治理，見圖1b)。

圖1 蓮石灘河勢

2 朱沱水文站近年水沙特性

朱沱水文站位于蓮石灘下游約30 km處，其間無支流匯入，該站資料豐富，以此為控制站分析蓮石灘近年水沙特性。如圖2所示，從近十余年朱沱水文站年徑流量、年輸沙量累計變化過程來看，金沙江等上游樞紐運行前后年徑流量累計過程呈直線分布，表示年徑流量未受蓄水影響，多年來沒有明顯增加或減小，在多年平均值附近波動；而年輸沙量累計過程線在2012年10月向家壩下閘蓄水后明顯變緩，年均輸沙量較蓄水前多年平均值減小86%左右。

圖2 朱沱水文站累計年徑流量、輸沙量變化過程

3 蓮石灘河床演變

由圖3蓮石灘近年0 m等深線變化可看出：2007年關刀磧心灘高大完整；隨后遭受大肆開挖，2015年心灘0 m等深線僅剩左緣部位且下段有6 m長的小豁口；心灘破壞后其穩定性大幅降低，近幾年心灘沖刷加劇，2020年下段缺口沖刷至180 m。

圖3 蓮石灘近年0 m等深線變化

從圖4中的3.5 m等深線可看出：魚鰍石暗礁左側3.5 m等深線貫通，但寬度僅20 m左右，暗礁與關刀磧水下暗磧連成一片，該部位3.5 m等深線常年不貫通。關刀磧心灘開挖后，中洪水期束水能力減弱，且心灘左緣下段近年沖刷明顯，灘體內深坑與下深槽3.5 m等深線相連；航槽內出現明顯淤積，2020年大土地一線3.5 m等深線斷開長度約385 m，航槽內最小水深約3.3 m，較2015年減小0.4 m。

圖4 蓮石灘近年3.5 m等深線變化

從圖5中的2015—2020年河床沖淤變化可看出，位于推移質輸沙帶卵石停留區的關刀磧心灘上段局部淤積較明顯。關刀磧心灘下段左緣缺口近年沖刷加劇，形成了一長300 m、寬60 m、最大沖深7 m的沖刷坑，枯水期主槽分流減小、沖刷不足，而中水期心灘的束水沖沙能力也大幅減弱，導致大土地一線淤積厚度多在0.5 m左右。

圖5 2015—2020年蓮石灘河床沖淤變化

4 礙航特性及灘險成因

蓮石灘上段由于魚鰍石暗礁潛于江中與關刀磧水下暗磧部分連成一片，3.5 m等深線年際間不能貫通，航道既彎又淺。中水控制較弱、流速分布均勻無法集中沖刷是魚鰍石段出淺的主要原因。

下段受關刀磧心灘擠壓，主航槽無狹窄且明顯的深槽，枯水期過水斷面面積較小，比降、流速均較大，船舶上水較困難，河槽窄淺是關刀磧段成為枯水急灘的關鍵原因。此外，關刀磧心灘受挖沙采石影響灘體破壞嚴重，形成串溝分流，近年串溝沖刷發育，致使大土地一線主槽內3.5 m等深線斷開，航道出淺礙航。因此，心灘破壞且中水期沖沙能力減弱、主槽枯水期沖刷不足是出口段出淺的主要原因。

5 航道生態整治方案

5.1 建設標準

蓮石灘位于長江上游宜賓—重慶河段中段，根據水運發展趨勢、航道規劃、代表船型及環境保護的需要，確定航道整治的標準為：航道尺度3.5 m×50.0 m×800.0 m，通航保證率98%，設計代表船型：2 000噸級貨船和150 TEU集裝箱船。

5.2 治理思路

魚鰍石淺區的治理思路為“疏槽維穩”，即開挖魚鰍石暗礁及淺區、滿足建設標準的要求；同時筑壩束水攻沙、維持航槽穩定。

關刀磧急淺段的治理思路為“擴枯穩中”，即擴大過水斷面、滿足航道水深和減小枯水流速；并采取措施修復心灘、穩定中水流速，延長泥沙沖刷歷時。

關刀磧右汊歷史產卵場近年魚類產卵繁殖和棲息洄游活動并不集中，因此，蓮石灘的治理方案需兼顧生態修復和生境營造的需要。此外，大量開挖的疏浚土和清礁石料可再利用，以避免渣石轉運、上岸對環境的不利影響。

5.3 整治方案

1)為滿足航道尺度及改變局部底流結構，疏清魚鰍石淺區至設計水位下4 m，基線長約737 m；

2)為擴大泄水枯水期過水斷面、減緩流速、調整比降、改善通航水流條件，疏浚關刀磧磧翅至設計水位下3.5 m，基線長約2 262 m；

3)為束水攻沙、維持挖槽穩定，在右岸掌灘石盤上游拋筑丁壩2道，整治水位均為2.5 m，上丁壩長230 m(勾頭段40 m)，下丁壩長135 m(勾頭段20 m)；

4)治理區域灘面低矮、灘貌凌亂、磧壩散亂、坑包遍布，為將其恢復成原本完整、高大的形態以保證心灘中水流量對主流的導控作用，同時促進原生生境的修復，擬在心灘建設魚骨壩群，并采用疏浚土回填固灘。魚骨壩群包括江心順壩1道和刺壩3道，其中江心順壩長1 353 m，1#刺壩長235 m，2#刺壩長154 m，3#刺壩長196 m(勾頭長87 m)。利用疏浚土回填關刀磧心灘中下段左側深坑，固灘區面積約5.3萬m2。

5)采用清礁石料在關刀磧右汊中下段、石梁下游拋筑1道淺埂，并在淺埂和已建蓮石灘順壩壩后采用生態魚巢磚構建生態涵養區，增加水流多樣性，構造淺灘深槽型良好生境。

圖6 蓮石灘生態航道治理方案

5.4 整治效果研究

5.4.1數學模型

5.4.1.1模型原理及驗證

鑒于河道邊界較復雜，采用平均水深有限元法平面二維水流泥沙數學模型進行整治效果和生態水力學試驗研究。模型范圍為菜壩—梁石子，含赤水河口1.5 km?；诓豢蓧豪字Z應力平均、Boussinesq假設和靜水壓力分布，建立了水流模型。工程河段泥沙主要包括卵石推移質，采用Van-Rijn泥沙模型。主要針對2020年9月、2015年3月實測資料進行模型驗證，內容包括水位、流速分布、浮標流向、沖淤量及部位、典型橫斷面變化等。

5.4.1.2水流階段

1)整治后枯水期航中線水位總體降落，隨流量增大水位降幅減小，局部略有增加。魚鰍石淺區最大降幅和平均降幅分別為0.27、0.20 m、關刀磧段分別為0.17、0.07 m。

2)枯水期淺區流速增大、急流段流速減小，淺區流速平均增幅約0.2 m/s，急流區流速平均減幅約0.18 m/s。

3)整治后急流段消灘判數均小于成灘臨界值，急灘消灘。

4)數模浮標跡線走向與航槽邊界總體一致，水流流向與航槽邊界夾角較小，航槽內水流流態較好。

5.4.1.3沖淤分析

1)典型年(2012年)。整治前主槽內沖淤相間且沖淤變化幅度不大，關刀磧下段出現不連通的淤積帶，平均寬度約20.0 m，平均厚度約0.5 m。

整治后魚鰍石淺區呈現沖刷趨勢，最大沖深0.5 m；關刀磧疏浚區基本不出現回淤，疏浚及挖槽區總體較為穩定，航道尺度滿足建設目標的要求。關刀磧心灘在魚骨壩群的作用下，普遍淤積在0.5 m左右。

2)系列年(2011—2020年)。整治前淺區部位洪淤枯沖，年內變化較?。桓髂昴瓿踔裂雌谟俜e形態較接近，均表現為魚鰍石和關刀磧下段淺區約有0.5 m的淤積體；汛期至年末微沖。

整治后第1年年末，蓮石灘心灘魚骨壩群壩田區有所回淤；魚鰍石淺區呈現沖刷趨勢，局部最大沖深1 m；關刀磧疏浚區基本不出現淤積，疏浚及挖槽區總體較為穩定。第3年和第10年末沖淤規律與第1年末基本一致。

5.4.1.4生態水力學試驗

基于前述模型及研究成果，以4大家魚水動力指標為基礎開展了生態水力學試驗研究，指標主要包括流速適宜度V、水深適宜度H、棲息地適宜度HIS、微生物適宜性面積WUA。

1)V分布及其變化。整治前V值較大區域位于灘段進口和右側關刀磧附近，一般大于0.8，較適合魚類產卵繁殖；整治后關刀磧附近V值略有減小，但關刀磧右汊生態工程區V值有所增加，整體來看，整治后V值較大區域有所增加。

2)H分布及其變化。整治前后H分布較為接近，全河段內H>0.8的范圍較大，魚類產卵繁殖具有良好的水深條件。

3)HIS分布及其變化。整治后HIS值有所增加，主要出現在右汊和整治建筑物壩后區域。

4)WUA變化。整治后，中、枯水期WUA與工程前較為接近，隨流量增大WUA略有減小。

5.4.2物理模型

5.4.2.1模型建立及驗證

采用1:100正態模型以及卵石推移質局部動床模型開展了試驗研究。模型主要對2020年9月中水進行檢驗，同時對2015年3月實測的枯水進行了補充檢驗；經過定床水位、大斷面流速及浮標流向的檢驗，模型與原型的水流條件達到相似；經動床水位、流速的相似性檢驗，原型與模型的流速分布以及中水水位吻合較好，枯水水位的偏差也不大，滿足阻力相似的枯水弗勞德數僅偏差8.42%。

5.4.2.2定床研究成果

1)整治后航道尺度滿足建設標準的要求；

2)魚鰍石和關刀磧下段淺區航道內流速增值在0.2～0.6 m/s，對淺區航深穩定有利；

3)急流段灘勢明顯減緩、基本消灘，中、枯水期消灘指標較整治前減小0.4～0.6，各級流量下船模均能自航上灘；

4)特大洪水下，水位升高在0.1 m以內，流速變化在±0.10 m/s以內，不會明顯影響河段的防洪安全。

5.4.2.3動床研究成果

整治前，河段總體表現為洪淤枯沖，全年沖淤變化不大；魚鰍石及關刀磧下段淺區均呈現淤積，普遍淤積厚度分別為0～0.2 m、0.2～0.5 m；關刀磧心灘上段局部淤積明顯，而其左側下段灘緣則有一定沖刷，缺口存在展寬的可能，對關刀磧下段淺區不利。

整治后，典型年末航道尺度滿足建設目標的要求；魚鰍石淺區普遍沖刷0.5～1.0 m，關刀磧疏浚區未見淤積；關刀磧魚骨壩群促淤作用明顯，特別是3#刺壩，壩田普遍淤厚1～2 m、局部淤厚3～5 m，且連片性較好，有利于心灘高大形態的恢復。

5.4.3小結

工程實施后整治效果較好。魚鰍石淺區水流增速恰當，關刀磧急灘上灘指標基本滿足船舶自航上灘要求，各級流量船模均能自航上灘。無論典型年還是系列年年末，航道尺度均能滿足3.5 m×50.0 m×800.0 m的建設目標要求。關刀磧心灘回填固灘區沖淤變化較小，魚骨壩壩田區有所回淤，對恢復原有灘貌、穩定河勢、避免串溝等具有明顯作用。最適宜4大家魚產卵繁殖的區域位置以及水流動力軸線變化不大，棲息地適宜度較整治前有所提高，除高水位期略有減小外、微生物適宜性面積與整治前接近。

6 結論

1)蓮石灘上段魚鰍石段常年彎窄淺，而關刀磧心灘受前期挖采影響，灘面低矮、灘貌凌亂，基本喪失了原有功能，導致主槽下段淤積出淺。

2)遵循生態優先、綠色發展的原則，提出了魚鰍石段“疏槽維穩”、關刀磧段“擴枯穩中”的治理方案，并將疏浚土回填至深坑、以原生土體恢復洲灘高大的外形，采用清礁石料構建淺灘深槽型生態涵養區。

3)模型試驗表明，工程實施后航道尺度滿足建設標準的要求，且基本恢復了關刀磧原有外形和功能，工程建設對4大家魚產卵繁殖無明顯不利影響。

4)本灘治理方案是對長江大保護的一次重要探索，可為長江航道綠色發展、生態建設提供一定的參考。