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三峡工程运用后长江中下游冲淤变化

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第37卷第9期 2 0 0 6年9月 人 民 长 江 Yangtze River Vo1.37.No.9 Sep.,2006 文章编号:1001—4179(2006)09—0055—03 三峡工程运用后长江中下游冲淤变化 卢金友 黄 悦 宫 平 (长江水利委员会长江科学院,湖北武汉430010) 摘要:三峡X-程建成运用后,改变了水库下游河道的水沙条件,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 料分析的手段进行了三峡X-程建成后长江中下游江湖水沙变化及河道冲淤演变及其对防洪影响的初步研究。 结果表明,三峡工程蓄水运用后,长江中下游河道发生大量冲刷,同流量水位降低。各河段冲刷量达到最大时, 荆江河段河床平均冲深约2.0~5.3 ITI,槽蓄量约增加13亿m],城陵矾至武汉河段河床平均冲深约2.5 ITI,槽蓄 量约增加8.5亿 ;由于干流河床冲刷,荆江三口分流分沙减少,洞庭湖湖区淤积减缓,增加调蓄量约23.8亿 m];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X-程的安全会带来一定影响,需采取相应 的对策措施。 关键词:河床冲淤;水位;河势调整;防洪;三峡工程;长江中下游 文献标识码:A 中图分类号:TV147 1 三峡水库下泄水沙特点 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为:汛期6~9月 流量与建库前相比基本不变,仅洪峰流量有所削减;10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 42.7%;从多年月平均流量看,汛后流量10 000 /s左右持续时 河床组成粗化’冲刷逐渐减弱直至终止,冲刷向下游发展。 间增加(图1),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30%;运行80 a后,水库淤积达到基本平衡(见表1)。因 此在较长的 段进 警 表1三峡水库出库悬移质输沙量(l大年平均值)幅 少。  时段,a 1-1O l1~2O 21~3O 31~40 41—5O 图l三峡水库出库多年月平均流量过程(175.145。l55 ) 采用1961~1970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进行了坝下游江湖冲淤变化计算,结果 表明(表2),三峡水库运用后,宜昌至大通河段悬移质累计最大 冲刷量约为43亿t,出现在第印年。其中,宜昌至城陵矶段累 计最大冲刷量约25亿t,出现在第40年;城陵矶至武汉段约为 14.7亿t,出现在第5O年;武汉至大通段累计最大冲刷量约为 6.3亿t,出现在第70年。最大冲刷量出现后逐渐发生回淤,冲 平均年输沙量/亿f 1.53 1.6o 1.8O 2.10 2.59 时段,a 51~6O 61—70 71-8O 81—90 91—10o 平均年输沙量/亿f 3.28 3.77 4.17 4.32 4.41 2三峡工程建成后长江中下游江湖冲淤变化 (1)长江中下游干流河道冲淤变化。三峡水库运用初期, 刷从上段向下段逐步发展,发展过程中,下段初期还可能发生淤 积 库区发生大量淤积,水库排沙比为30%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,随着河床冲刷,过水断面扩大,流速减小,水位下降, 收稿日期:2006—05—10 由于宜昌一大通河段跨越不同地貌单元,河床组成、河型各 异,来水来沙条件不同,各河段的冲淤变化也有所不同。 宜昌至松滋口段,河床由卵石夹沙组成,表层粒径较粗。三 峡水库运用初期10 a内本段悬移质强烈冲刷基本完成,最大冲 作者简介:卢金友,男,长江水利委员会长江科学院河流所所长,教授级高级工程师。 维普资讯 http://www.cqvip.com

56 人 民 长 江 2006生 刷量约为l亿t,如按河宽l 000m计,河床平均冲深约1.0m,局 部河段可能冲深2.0 m左右。 但冲淤量不大,仍保持分汊河道形态。 上述成果是按1961~1970年水沙条件计算的结果,但近十 松滋VI至藕池VI为弯曲型河道,弯道凹岸已实施护岸工程, 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3种因素抑制河段冲 刷:①本河段河床组成的粗化;②上段为粗沙卵石推移质覆 盖;③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VI至太平VI段同时受3种因 素的作用,水库运用20 a后冲刷基本完成,冲刷量约2.0亿t,若 河宽按1 2O0m计,平均冲深约2.0 m;下段太平VI至藕池VI段 因沙质覆盖层较厚,水库运用后30 a末冲刷基本完成,最大冲 刷量约5.2亿t,按河宽l 300 m计,河床平均冲深约3.4 m。 藕池VI至城陵矶(下荆江)为蜿蜒型河道,河床沙层厚达数 十米,是冲刷量及冲刷强度最大的河段。水库运用l0 a时,本 河段冲刷相对较小,占该河段最大冲刷量的22%;此后,河床冲 刷加剧,水库运用至40 a末,本段冲刷基本停止,冲刷量约为l7 亿t,河宽按l 400 m计,河床平均冲深5.3 m。 由于下荆江的强烈冲刷,进入城陵矶至武汉河段水流的含 几年来长江上游受自然因素及人类活动影响,三峡水库入库沙 量较多年平均值减少较多,出库泥沙更少,对坝下游河道冲刷影 响更大。按1991—2000年水沙条件预估,水库运用至2012年 末,宜昌一城陵矶河段冲刷量比20世纪60年代水沙条件的冲 刷量增加约l8.7%;水库运用至2022年末,该河段冲刷量比60 年代水沙条件的冲刷量增加约8.8%。 三峡工程2003年围堰挡水运用以来,由于入库沙量比多年 平均值减少35%一59%(2003~2005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78%~87%,坝下游河 道已发生明显冲刷。2002年l0月至2005年l0月实测资料统 计:宜昌至枝城段冲刷0.81亿m],荆江河段冲刷3.02亿 。 (2)荆江三V1分流分沙变化。三峡水库蓄水运用后,长江 干流河道冲刷,荆江三VI VI门水位降低,三V1分流分沙随之减 少。数模计算结果显示,与1981~1995年相比,三峡建库后第l ~l0年三VI平均年分流量由698.5亿m 减少到628.9亿m3;至 建库后4l~50 a,分流量较1981~1995年减少238.1亿rnj(表3、 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 l fIlrn的粗砂及砾石,冲刷受到一定。待荆江河段的冲刷完 成后,已至40~50 a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,最大冲刷量约为l4.7亿t,出现在第50年 末,按河宽l 900 m计,河床平均冲深约2.5 In。 武汉至大通段为分汉型河道,水库运用初期,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 进入武汉以下粒径大于0.1 mm的泥沙是汉口站建库前多年平 均输沙量的3倍多(1981~1994年),经过武汉至大通河段沿程 交换冲刷后淤积下来,使武汉以下呈淤积状态,20 a末最大淤积 达3.47亿t。此后当上游河段冲刷基本完成,本河段开始冲刷, 至70 a末达6.3亿t,按河宽2 000m计,河床平均冲刷约0.5 m。 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, 项目 l0 a 20 a —表4)。其中藕池VI减少最多,较1981~1995年减少149.7亿 m],太平VI减少49.1亿m],松滋VI减少最少,为39.3亿 。三 V1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VI门处含沙量相关。水库运用初期,河床冲刷、水位降低较 快,三V1分沙量随着分流的迅速减少而减少,建库后ll~20 a平 均年分沙量较1981~1995年少0.682亿t;此后随着三峡水库排 沙比的增加而逐渐增大,至建库后4l~50 a三VI平均年分沙量 为0.377亿t,其中松滋VI为0.265亿t,太平VI为0.073亿t,藕 池VI为0.039亿t。藕池VI是三V1分流分沙变化最大的VI门。 (3)三峡水库运用后荆江三V1分流道及洞庭湖区冲淤变化 趋势。三峡建库后,随着长江干流河床冲刷、三VI VI门水位降低 及三V1分流分沙减少,三V1分流道的河床也相应发生冲淤变化。 计算结果显示,松滋V1分流道先发生冲刷,至水库运用后30 a 悬移质冲淤重量/亿t 表2宜昌至大通分段悬移质累积淤量 悬移质冲淤体积/亿 30 a 加a 50 a 60 a 70 a 80 a 90 a lO0 a 10 a 20 a 30 a 40 a 50 a 60 a 70 a 80 a 90 a lO0 a 宜昌一大通一8.39 宜昌一武汉一9 71 14.98~2l 68—28.14—31.55—3l 81—29.84—26 95—24.63—22 45一l1.34一∞.23—29. 一37.99—42.59—42.95—40.28—36 39—33.25—3o.3l 一17.55—23.62—28.72—29.06一 77—25.17—22.67一∞.79—19.30—13 12—23.69—31.89—38.78—39.23—37.49—33.98—3o.印一28.06—26. 4.68—18 17一懈.55一懈懈一17.23—15.00一l3 16一l1.98—11 11—11.25一l9馏l一24.53—25.04—24.53—23.26一∞.25一l7.77 l6.17一l4.99 宜昌一城陵矶一8.33 1一宜昌一松滋口一O 72 松滋口一太平口一l 42 太平口一藕池口一3.42 藕池口一城陵矶一2.76 城陵矶一武汉一1 38 武汉一九江 1.02 一O.73 一O.73 一O.73 一O.73 一O.72 一O.7l —O.68 一O 67一O 67一O.97 一O 98 —0.98 一O.98 一O 98 一O.97 一O.95 —0.91 一O.90—0.89 1.43 —1.43 一1.43 —1.43 一1.43 一l 43 一1.4l 一1 39—1.36一1.92 —1 93 —1.93 一1.93 一1.93 一1.93 一1.93 —1.91 一1.s7一1.84 3.82 —3 84 —3.84 —3.82 —3 63 —3.34 —3 00 —2.74—2 52—4 61 —5.16 —5.懈 一5懈 一5.16 —4.90 —4 51 —4 06 —3.7O一3 40 8 70—12.18一l2. 2.s7O 98 一12.∞一11.45—9.53—8.06—7.J8—6 56—3.73—11.74—16 44—16.94一J6.47—15.45—12.86—1O.89—9 69—8.86 一7.35一l3.74一l4.69一l4.24一l3.73—12.83一l1.89一l1.06 —0 一O.65—2.19—4 09—4.15—3.∞一2 90—2.5o —————5 45一lO 18一lO.踞一1O 54—1O.17—9.50—8 8l一8.19—1.s7—3.踞一O.04一O镐一l 62—3.03—3 07—2 37—2 l5一l 85 1 38 1.33 九江一大通O.30 1.58 1 98 1.06 一O.87一l O1一1.59—1.92一1.69一l 30 O 41 2 14 2.67 1 43 —1 17—1.36—2.15—2.59—2.29—1.75 维普资讯 http://www.cqvip.com

第9期 卢金友等:三峡工程运用后长江中下游冲淤变化 57 末,冲刷量达到最大,约0.62亿t,尔后转为淤积,至水库运用后 50 a末,累计冲刷约0.3亿t;太平口和藕池口分流道呈单向淤 积趋势,至水库运用后50 a末,分别累计淤积约0.33亿t和0.56 亿t。 三峡水库运用后,三口分流分沙大幅度减少,洞庭湖区淤积 减缓。水库运用头10 a,湖区平均年淤积量约为0.42亿t,接近 1981~1995年平均年淤积量的一半;至水库运用后20 a,随着三 口分流分沙的减少,湖区平均年淤积量减少至约0.35亿t;此 后,三口分沙量增加,湖区淤积量开始缓慢增加,至三峡建库后 50 a,湖区平均年淤积量约为0.45亿t,约为1981~1995年平均 年淤积量的一半。 3三峡工程建成后长江中下游冲淤变化分析 (1)宜昌至武汉河段水位变化。三峡水库运用后,随着河 床冲刷,同流量的水位下降,其中枯水水位降低值大。与河床冲 刷相应,沿程同流量水位降低值以石首站最大,石首以上或以下 水位下降值逐渐减小。当流量为5 500 m]/s时,宜昌站枯水期 水位比1993年实测值降低约1.0 m;当流量为50 003 m]/s时,水 位约下降约0.5 m。宜昌以下各站水位与1993年实测值比较, 枯水期沙市水位下降约2.2 m,石首约下降3.4 m。当流量为 7 500 m3/s时,螺山水位约下降2.0 m,武汉水位下降约0.9 m。 当流量为40 003—50 003 m]/s时,荆江各站水位降低1.0—1.6 m。由于沿程水位下降使荆江河段比降发生变化,上荆江比降 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。 (2)宜昌至武汉河段槽蓄量变化。三峡水库运用后,宜昌 至武汉河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。三峡水库运用初期,宜昌至沙市河段发生强烈 冲刷,10 a末冲刷已基本完成,冲刷量达2.62亿m],河床平均冲 深约1.0—3.0 m。城陵矶(莲)水位为35 m(吴淞)、沙市总出流 为60 003 m3/s时,河段内槽蓄量较建库前增加约1.6亿m],占 该段总冲刷量的59.4%。 水库运用10 a末,沙市至城陵矶河段冲刷约5.7亿m],河 段内槽蓄量相对建库前增加5.1亿m]左右;水库运用30 a末, 冲刷量达l5.43亿m],河床平均冲深3.7—5.3 m,螺山流量 70 003 m]/s,莲花塘水位33.0 m(吴淞)时,槽蓄量约增加11.6亿 m],占河段冲刷量的75.1%。 城陵矶至武汉河段距宜昌较远,水库运用初期受影响较小, 冲刷量约1.37亿m],河段内槽蓄量变化较小,仅增加0.52— 0.77亿m]。水库运用中期,强烈冲刷下移至此,50 a末河段冲刷 量达l0.97亿m3,河床平均冲深约2.5 m。当武汉关水位为29 m (吴淞)时,槽蓄量增加约8.46亿m],占河段冲刷量的77.1%。 (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。各种河型的形成受来水来沙条件和河床边界 条件制约,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。1998年长 江全流域性大洪水后,长江中下游河道的河势控制和崩岸治理 等堤防工程建设得以加强,河道的稳定性逐步增强。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 影响大、发生的时间早,如前所述,2003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。因此,应加强观测,及时采取措施,控制河势。 (4)洞庭湖调蓄能力变化。三峡水库蓄水运用后,由于长 江干流河床冲刷,沿程水位均有不同程度下降,荆江三口分流分 沙减少,洞庭湖区泥沙淤积减缓,延缓洞庭湖容积衰减趋势,相 对提高了洞庭湖区的调蓄能力。据数学模型计算,三峡水库运 用50 a内,荆江三口进入洞庭湖区的沙量约l6亿t,与1981 1995年平均值比较,入湖沙量减少31.27亿t,湖区平均年淤积 量减少0.62亿t。三峡水库运用10 a末,湖区的调蓄能力约增 加4.8亿m],水库运用30、50 a末,湖区的调蓄能力将增加14.3、 23.8亿m]。如果考虑城陵矶的水位下降,湖区的调蓄能力将比 匕述结果更大。 4结语 数学模型计算结果表明,三峡工程蓄水运用后50 a,长江中 (下转第87页) 维普资讯 http://www.cqvip.com

第9期 王伟等:荆江三维可视化人机交互式河道信息管理系统 87 (2)二三维联动技术。在系统功能中已详述。 (3)按比降设计水位面与水面实时升降技术。为了真实反 映长江上下游的水位落差,系统根据堤线(或水边线)构造水面 基线,并根据某日上下游水位构造具有比降的水位面,在实时飞 行浏览过程中,可进行水面实时升降。该技术使河道水面形态 更趋于真实,并能使系统实时检查河床的形态与洪水淹没状况。 如图l2为带有比降的水位面模型所示。 飞行速度问题等。在荆江三维可视化人机交互式河道信息管理 系统的基础上,不断完善、不断创新,建立长江三维可视化河道 信息管理系统正是我们的下一步努力的目标。 图12带有比降的水位面模型 (4)按照一定倾角开挖土石方。在河道采砂过程中需要计 算某地某处泥沙的体积。开挖分析可以计算出在给定边界内按 一定倾角开挖的泥沙体积。该功能使系统在进行土石方计算时 更接近于实际工程应用,如图l3所示。 4前景展望 荆江三维可视化人机交互式河道信息管理系统是在数字地 球、数字长江的大潮中应运而生的。它的建立,克服了以往单纯 的数据库管理或二维平面管理模式,是对水文河道信息化管理 方式的一种新的有益尝试。三维可视化技术一般应用于有限区 域(较小范围)的工程项目管理和专题特效演示,本系统以荆江 为试验区域,开展用于大场景并对海量的空间数据实施有效管 理的系统研制,正是对三维可视化技术在全长江的广泛应用提 供了探索性的技术保障。 荆江三维可视化人机交互式河道信息管理系统还存在着许 多不足,数据库设计方法不够完善,信息管理方式比较单一,信 图13开挖分析示意 5结语 本文系统地介绍了荆江三维可视化人机交互式河道信息管 理系统建设的背景、系统的功能、特点及关键技术。本系统以开 发三维可视化人机交互式河道信息管理为基础,完成了荆江河 道重点目标包括堤防、险工护岸、跨河工程、涵闸、水文水位站在 内的几十个三维模型的建立,实现了在三维逼真场景下对重点 河道目标的信息管理、浏览和属性查询以及必要的三维分析、多 媒体材料制作等。具有便捷高效、查询方便、功能强大、技术先 进等特点。 (编辑:刘毅) 息量完整性不够,检索方法也有待于进行一步研究和提高。可 视化技术上还存在许多难题需要系统开发人员去完善或解决, 如大场景飞行浏览过程中的DEM调度问题、视觉连续性问题、 (上接第57页) 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,下阶 下游河道发生大量冲刷,荆江河段河床平均约冲深2.0 5.3 m, 可增加槽蓄量约13亿rIl3,城陵矶至武汉河段河床平均约冲深 2.5 m,可增加槽蓄量约8.5亿rIl3;由于干流河床冲深,荆江三口 分流分沙量减少,入湖沙量减少50%左右,致使湖区淤积减少, 调蓄能力增加约23.8亿 ,有利于长江中下游及洞庭湖区的 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江湖冲淤演变与影响以及对策措施,及 防洪。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 时修订防洪规划和江湖治理规划,加强江、湖治理。 (编辑:赵凤超) 

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