丹江口水库回水区泥沙冲淤和河床演变特性分析

（一）变动回水区泥沙冲淤的特性

图3-14　汉江干流库区建库前后床沙中值粒径的沿程变化

丹江口水库汉江库区一般以汉库35—1断面（距坝址117.11km）到汉库58断面（距坝址177.4km）河段为变动回水区（图3-1），总长度约60km，占汉江干流库区回水总长度的1/3。在变动回水区内，河床为狭谷河段，河宽自上而下沿程逐渐展宽，平均河宽在200～500m之间。

建库后在变动回水区不同库段虽然有冲有淤，但总的趋势是淤积。据丹江口水利枢纽水文实验站实测资料统计，自1968～1994年27年中，泥沙总淤积量为4931.4万m3，冲刷量为532.3万m3，净淤积量为4399.1万m3，净淤积量约占同期汉江干流库区淤积量9.23亿m3的4.84%。

变动回水区最显著的特点是具有水库和河道两重性。在受到回水影响的情况下，表现为水库的性质，而在回水影响消失的情况下，又恢复为天然河道的性质。但是由于在水库调节过程中，库区各段受到回水壅高的程度、壅水时间的长短不相等，所以虽同是变动回水区，但不同库段泥沙冲淤情况也迥然不同。丹江口水库汉江干流变动回水区可划分为上、中、下三段，各段具有不同的泥沙冲淤特性。

1.变动回水区上段

从汉库52号断面至汉库58号断面（距坝159.5～177.4km）长约18km，对应坝址库水位152.5～157m。本段距离坝址最远，一年中受回水影响的时间最短，而且壅水的程度也最弱。建库后表现为有冲有淤，淤滩冲槽，而以冲刷为主。从1968～1994年底，冲淤量累计为冲刷521.0万m3。本段建库后不产生淤积反而出现累积性冲刷原因，有以下3方面。

（1）由于本河段位于水库的回水末端，受回水壅高影响不大，历时短，且为狭谷河段，水流能保持较多的天然河道输沙特性。从建库前河床组成物看，河床主要是卵石河床，床沙中基本上没有悬移质成分，故在天然状态下，本段水流输沙特性主要是推移质输沙（悬移质取决于上游来量）。建库后由于受到回水影响较弱、历时短，悬移质尚来不及落淤，河床的冲刷或淤积，主要是卵石或沙质推移质的冲刷或堆积，淤积物粒径组成如表3-13示。淤积物90%左右为粒径大于1mm的砾石或卵石，特别是粒径大于10mm的卵石占总量55%左右。

表3-13　变动回水区上段的淤积物粒径组成

（2）是从冲淤部位分析，变动回水区上段主要表现为淤滩冲槽。当河段处在壅水情况时，由于水流漫滩，弯道环流的横向输沙可以将河床推移质挟移至边滩，而滩面上流速较小，于是大量推移质迅速在滩面堆积，加大了滩槽高差，使平滩流量也随之增大，因而加剧了主槽部位的推移质运动，导致主槽的大量冲刷。

（3）是1973年上游干流石泉水库的建成运用拦阻了部分干流来沙，引起了石泉大坝以下河道的冲刷，对汉江库区的库尾段略有影响。

2.变动回水区中段

从汉库47号断面（距坝144km）到汉库52号断面（距坝159.5km）长约15.5km。中段上端的汉库52号断面为坝址防洪限制水位152.5m的回水末端点，也是1988年前汉江变动回水区的纵向淤积起点。中段与上段的差别是，本段受回水影响较强，壅水高度也略高和壅水时间也较长；过水断面宽度比上段增大，由上段的平均宽度200m增至400m，扩大了将近1倍，因而在建库初期水流流速显著减小，成为各种推移质（包括砂、卵石、砾石推移质）的堆积段。随着淤积的发展，过水断面的面积逐年减小，而水流流速逐年增大。到20世纪80年代后期，中段的淤积物已由各种推移质淤积转变为以卵石、砾石淤积为主，并局部出现了少量的冲刷，说明目前推移质淤积已接近平衡。总的说来，中段是建库后泥沙淤积的起始段，主要是推移质的堆积，淤积量占全库淤积总量的比例很小，不到1%，其淤积量的绝对值从1968年4月～1988年11月，21年中总共淤积475万m3，为变动回水区同期淤积量5936万m3的8%左右。本段于1989～1994年，由于上游干流安康水库1990年建成运用，还略显冲刷，冲刷量为171.1万m3。

3.变动回水区下段

本段为距坝117～144km区间，长约27km。从地形上看，下段仍属狭谷河段，但过水断面宽度又比中段有所扩宽，平均宽度约500m左右。变动回水区下段受回水影响频繁，壅水高度也比中、上段为高，因而是变动回水区内的重点淤积河段。从1968年水库建成到1988年末统计，21年来下段总淤积量为5662.5万m3，占变动回水区淤积量的95.4%，可见变动回水区淤积主要集中在下段，库长平均已淤沙量为2100m3/m。由于泥沙大量淤积，目前该段已经出现逐渐平衡的趋势，从淤积量变化看，从建库初期1968年4月～1986年1月，总淤沙量为5609.8万m3，平均每年淤积量为312万m3，而从1986年1月～1988年11月3年内只淤了52.7万m3，平均每年淤积量仅为17.6万m3，相当于1985年以前年平均淤积量的5.6%，年淤量的明显减少，说明该段的水流输沙能力正在逐渐趋向平衡。又据1989～1994年实测资料，此期间该段冲刷747.7万m3（见表3-11），其原因与1990年上游干流安康水库运用有关。因此，该段自1968～1994年的总淤积量为4931.4万m3。

总的说来，丹江口水库汉江库区变动回水区长度约为该库区回水总长度的1/3左右，但淤积沙量1968～1994年仅占该库区淤积量的5.34%，相对淤积量并不大，但绝对淤积量还是相当大，变动回水区的淤积已趋向于平衡。从淤积物组成看，变动回水区的淤积物有推移质的堆积也有悬移质的淤积，据丹江口水利枢纽水文实验站调查估计，每年入库d＞1.0mm的推移质数量平均为133万t（包括卵石、砾石和粗沙推移质），27年入库推移质总量约为3591万t，按实测平均干容重1.6t/m3计算，则d＞1.0mm的推移质淤积体积约为2240万m3，占变动回水区淤积量的45.0%。0.2＜d＜1.0mm的入库沙质推移质，每年平均入库泥沙430万t，平均干容重为1.4t/m3，则27年（1968～1994年）共淤积8293万m3。而表3-11中示，1968～1994年，变动回水区共淤4931万m3，由此可见，目前的变动回水区主要是推移质淤积。

（二）变动回水区的河道演变

丹江口水库变动回水区建库前为弯曲、分汊兼有的狭谷河道。建库后本段因受回水顶托影响，河床的边界条件和输沙特性发生了显著的变化，边界条件的控制作用减弱，因而相应的引起主流线和河床的调整，产生具有如下主要特点的重新造床过程。

（1）变动回水区具有水库与河道的两重性，因此它具有两大造床期，即汛期充水期的淤积造床期和枯季消落期的冲刷造床期。在正常水位运用条件下，两大造床期受坝址两个造床水位所控制；一是汛期淤积造床期受坝址防洪限制水位152.5m所控制；二是枯季消落冲刷造床期由坝址设计低水位139m所控制。水库与天然河道造床不同特点在于：天然河道中，流量越大，水位越高，河道水面比降越大，则造床作用越大，河床冲淤也越大。而枯水期流量小，河床冲淤变化较小。而正常蓄水水库中造床特点不同，在汛期充水期，入库流量越大，库水位充高越快，沿程回水影响越大，比降越小，当库水位受防洪限制水位控制后，造床作用沿程减小，在高峰水位条件下河床冲淤变化不明显。而在枯季消落期，由于消落冲刷是归槽冲淤现象，随着回水末端的下移，变动回水区在恢复天然河道的过程中河床冲淤变化十分明显。2000年枯水期，坝前水位下降至135.23m，使当时的变动回水区长达120km，回水末端在距坝56km处，相应末端淤积也到了距坝56km处，产生了碍航问题，可见变动回水区枯季造床作用之大。实测资料表明，当汉江库区变动回水区进入到悬移质输沙相对平衡后，由于变动回水区具有水库与河道的两重性，上述两大造床期仍然存在，表现为各年的年累积淤积量变化已甚小，年内汛期的淤积量与枯季的冲刷量大致相等，而沿程冲淤变化仍较大。

（2）分汊型河段向单一河槽河型转化。丹江口水库变动回水区从上游至下游共有6个分汊河段，它们是大明滩、灵牌石、獭鱼滩、贵子滩、大孤山、肖龙湾，这些分汊河段不论其位置处在变动回水区的上段、中段或是下段，建库后其河道演变均有一个共同的特点，即由分汊型演变为单槽河型（图3-15、图3-16、图3-17）。变动回水区分汊河段堵汊现象，一方面是水库消落期发生泥沙冲淤的结果，在库水位开始消落时，分汊河段上游河床首先发生消落冲刷，冲下来的泥沙大量淤积在分汊段上口，继之库水位继续下降，分汊河段由淤积转变为冲刷，但由于两汊道的水深和流速不相等，其中水深较浅的汊道，流速也较小，冲刷能力弱，速度慢，而河底高程又较高，故当水位进一步消落时便断流，此时全部流量均集中在另一汉道，因而加剧了另一汊道的冲刷，分汊河型转化为单一河型。另一方面，由于水库蓄水期间原有河岸山矶节点和礁石控制河床的作用因水位抬高而减弱，汊道口门主流线位置相应调整。

图3-15　鳖滩—三朵花汊道的河势变化

图3-16　小石沟—灵牌石河段的河势变化

（3）弯曲型河段的弯道平面形态趋向规顺，边滩淤高展宽和上下延伸。丹江口水库变动回水区位于狭谷河段，在天然状态下河势受地形、地质条件的控制，河弯不能似冲积平原河道那样能够自由发展。建库后，河谷断面（水面以下）虽然有所发展，但地形、地质条件依然存在，主要表现在河弯的位置变动不大，在横向上则表现为主槽冲淤变化较小，说明这是受天然地形、地质的限制。从整个河弯来说，建库后与建库前比较变化仍然是巨大的，主要表现在边滩不断地扩大和上延下伸，滩槽高差也不断的增大。这是因为建库后一方面受回水的顶托，水流漫滩的几率增加，另一方面则是变动回水区相对于常年回水区来说，回水壅高的程度较弱，因而弯道环流的作用还相当强，这两个条件造成了推移质和悬移质在弯道凸岸上大量的淤积。例如位于辽瓦店弯道的汉库36号断面，建库后深泓线右移，并形成新的凸岸边滩（图3-18）。

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图3-17　油房沟—祠堂洲（小孤山）河段的河势变化

图3-18　汉库36号弯道的断面变化

（4）顺直过渡段年内为汛淤枯冲，年际为累积性淤积。浅滩一般处在比较顺直、河宽较大的河段，建库后因受回水顶托，水面坡降减小，过水面积扩大，在坝前水位较高时，浅滩过渡段一般发生全断面普遍淤积，深槽和滩地都有淤高和河床坡度减小的趋势。但是当坝前水位下降，水面坡度增大逐渐恢复为天然状态时，浅滩段河床就产生消落冲刷，在丹江口水库变动回水区的6个浅滩河段中均出现过这种消落冲刷的现象。

变动回水区浅滩过渡段年际变化一般表现为累积性的淤积，蛤蟆口、辽瓦、背影沟、白沙盘4个浅滩段从1966年12月～1988年11月，断面的深泓点高程和滩面高程的变化（表3-14），贵子滩典型断面深泓高程历年变化，均可说明这种趋势。

表3-14　建库前后重点浅滩段的滩槽高程变化比较

建库后变动回水区浅滩段，无论滩地或主槽，河床高程都普遍淤高，滩地淤高的程度比主槽为大，滩槽高差加大，详见表3-15，此外浅滩过渡段的变化还受到上、下游弯道边滩淤积的影响。由于上、下游弯道凸岸边滩不断淤积并向上、下游扩展，从而缩短了过渡段的长度。

表3-15　丹江口水库汉江库区固定断面的滩槽高差变化

续表

（5）变动回水区年内深泓纵断面的起伏度为汛期大于枯期。图3-19所示为距坝136～140km的三郎滩、二郎滩（贵子滩）河段1987年12月和1988年5月汛、枯季纵断面的变化。该河段此时已处在悬移质输沙相对平衡阶段。从图3-19中知，三郎滩、二郎滩的浅滩顶部高程，年内具有汛淤枯冲的特点。而上、下首的狭谷或弯道深潭，则年内具有汛冲枯淤的冲淤特点。由此可见，变动回水区沿程汛、枯期存在着两个变化较大的纵断面。形成顺直浅滩段与下游弯道段汛、枯期冲淤特点相反的主要原因，是由于两者在同水位条件下，过水面积变化不同引起的。汛期高水位充水条件下，顺直段的过水面积远大于狭谷弯道段，顺直宽阔段淤积，下首狭谷弯道段冲刷；枯季低水位条件下，弯道断面又大于上首顺直浅滩断面面积，因此，顺直浅滩段冲刷，下首狭谷弯道段产生淤积。所以，两者汛枯季冲淤变化相反。从图3-19中可知，年内沿程汛期与枯季河床纵坡降变化很大，如三郎滩段滩顶与下游弯道深槽坡降汛期末为7.4‰，而枯季降为2.4‰；二郎滩（贵子滩）段滩顶与下深槽坡降汛末为9.3‰，而枯季只1.7‰。图3-20中背影沟滩段汛、枯期纵断面也同样表达出两个变化较大的纵断面。

图3-19　汉江库区变动回水区二郎滩及三郎滩汛期与枯期的纵断面变化

（6）变动回水区横断面的变化表现为淤滩留槽或淤滩冲槽，滩槽高差增大。变动回水区滩槽高差呈增大趋势，但沿程横断面的滩顶淤积高程，还受坝址防洪限制水位152.5m所控制，其边滩淤积高程只在152.5m附近不再淤高（图3-18）。因汛末充水至157m时，来沙量甚小。又如距坝142km的花梨湾弯道，汉库46号断面右岸为弯道凸岸大边滩，1983年特大洪水时，坝址水位达160.07m，其凸岸滩面比防洪限制水位152.5m还淤高2～3m，但当1984年水库恢复正常调度运用后，其凸岸滩面又刷低2～3m，恢复原滩面高。

（三）安康水库的运用对汉江库区变动回水区的冲淤影响

汉江库区上游干流安康水库，于1989年12月建成运用后，由于拦阻了部分悬移质泥沙和全部卵石推移质泥沙，因此，引起了安康水库下游河道的冲刷。从1988～1994年变动回水区的实测沿程淤积量统计（表3-11），汉江库区变动回水区上段同期共冲97.7万m3，中段同期共冲171.7万m3，下段共冲747.7万m3，也即安康水库运用5年来，汉江库区变动回水区上、中、下三段共冲刷1017.1万m3。安康水库的坝址位于汉江库区变动回水区末端以上约172km左右。由此可见，上、下游梯级水库距离较近时，上游水库的坝下游冲刷对下游水库的影响甚为明显。

图3-20　汉江库区变动回水区背影沟滩段汛期与枯期的纵断面变化

（四）汉江库区淤积末端的变化

水库淤积发展过程中，淤积向上游发展的最远点即水库淤积末端也将相应变化。根据水库蓄水运用27年来的实测资料分析认为，汉江库区淤积末端变化不大，无上延现象。

汉江库区的变动回水区处在狭谷段内，特别是变动回水区上段汛期充水期水流输沙能力较强，悬移质不易淤积。汉江库区的悬移质纵向和横向的淤积分布受坝址防洪限制水位152.5m所控制。当汛期出现大水、大沙的充水造床期时，由于防洪限制水位152.5m所控制，使得对应于152.5～157m库水位的变动回水区上段仍为天然河道，而当汛末库水位由152.5m抬高至正常蓄水位157m后，此时的含沙量已甚小。因此，汉江库区的变动回水区上段主汛期都处于天然河道状态，即使如1983年汉江库区出现“83·8”和“83·10”两次特大洪水，坝前水位抬高至160.07m，超高运用3.07m，该年变动回水区上段略有淤积，但经1984年恢复正常运用后，由于经常受到充水冲刷和消落冲刷的作用，又恢复到原来高程。从表3-11可看到，自1968～1994年蓄水运用27年来，变动回水区上段不仅没有淤积，还冲刷521万m3，而且同期变动回水区中段也累积冲刷11.3万m3，即汉江库区变动回水区中、上段长33.4km的库尾段内，至今不仅不淤还冲刷532.3亿m3。变动回水区上段发生冲刷，前期是由于1973年汉江上游干流石泉水库运用引起，近期则是上游由安康水库运用所致。变动回水区中段1968～1988年累积淤积474.9万m3，近期则出现微冲，其原因是1990年上游安康水库运用后，拦阻了部分干流的来沙量，致使安康水库下游河道发生冲刷，影响到汉江库区变动回水区。

位于汉江库区变动回水区上段内，距坝168.2km的天河口水位站1966～1995年，枯水期同流量141m3/s的水位比较说明（表3-16），水库蓄水以后同流量的枯水位变化甚微。

表3-16　天河口水位站历年同流量的水位变化

由上述两方面论证，说明汉江库区变动回水区未出现淤积末端上延和回水位抬高的趋势。