(一)河道的基本特性
1.宜昌至枝城段
长江中下游自宜昌至河口全长约1893km。其中宜昌至枝城河段属山区性河道向冲积平原河道过渡的顺直微弯型河道(图5-1),长约60.8km,右岸有清江入汇。宜昌至云池段河道顺直,西陵峡出口南津关附近为中心角90°的急弯,其下游有西坝、葛洲坝组成的汊道,以及胭脂坝汊道;云池至枝城段河道由宜都、白洋、枝城弯道段组成。河道演变特点是,由于两岸边界条件的制约,河道平面形态和洲滩格局长期以来保持基本不变,河势相对稳定,河床冲淤年内呈周期性变化,年际间冲淤维持相对平衡。
2.枝城至城陵矶段
枝城(原称枝江)至城陵矶段通称荆江,全长约347.2km。左岸有沮漳河入汇,右岸有松滋口、太平口、藕池口和调弦口(已于1959年堵口建闸)分流入洞庭湖,城陵矶附近洞庭湖出流汇入长江。枝城至藕池口段又称上荆江,属弯曲型河道(图5-1),长约171.7km,由洋溪、江口、涴市、沙市、公安、郝穴弯道组成,各弯道多有江心洲。全河段平面形态较为平顺,曲折率为1.72。据1965年资料统计,弯道段平滩河宽为1700m,平滩水深为11.3m;顺直段平滩河宽为1320m,平滩水深为12.9m[1]。河道演变的特点是,弯道凹岸崩坍,凸岸边滩淤长,并可能被水流切割而成江心洲或江心滩;有江心洲的弯道内主支汊冲淤变化幅度较大,但主支汊地位长期相对稳定,如关洲、董市洲、江口洲、火箭洲、马羊洲和突起洲等汊道,仅三八滩、金城洲分汊段的主支汊发生兴衰交替现象。从近100余年来的测图比较,上荆江河道历年平面移动幅度较小(图5-2)。
图5-1 长江中下游水系图
藕池口至城陵矶段又称下荆江,属典型的蜿蜒型河道(图5-1),长约175.5km。20世纪60年代人工裁弯前河道长约240km,由12个弯道组成,河道蜿蜒曲折,曲折率达2.83,除监利和中洲子弯道有江心洲外,其余均为单一弯道。据1965年资料统计,弯道段平滩河宽为1300m,平滩水深为11.8m;顺直段平滩河宽为1390m,平滩水深为9.86m。河道演变的特点是弯道凹岸崩坍,凸岸边滩淤长,当弯道发展到一定形态,遇较大洪水年时,易发生撇弯切滩或自然裁弯。近100余年来,有文图记载的自然裁弯有古长堤(1887年)、尺八口(1909年)、河口(1910年)、碾子湾(1949年)和沙滩子(1972年)共5处(图5-3)[11]。监利弯道逐步发展为鹅头形汉道,并出现主支汊易位现象(图5-4)。河弯发生裁弯取直后,河道又重新发展为新的弯道,并引起其下游河势发生较大变化,如尺八口弯道1909年自然裁弯后,下游产生八姓洲和观音洲弯道。因此,下荆江河道平面摆动幅度较大,根据航空测量照片判读,下荆江西端河曲的横向摆幅达20km,东端横向位移达30km[12]。
3.城陵矶至徐六泾段
图5-2 上荆江河道变迁图
图5-3 下荆江河道变迁图
城陵矶至徐六泾段长约1303.2km,属分汊型河道(图5-1),两岸有汉江、鄱阳湖水系、巢湖水系、太湖水系及其他支流入汇。河道两岸地质条件具有明显的不均匀性,左岸多为广阔的冲积平原,右岸多为山丘阶地。两岸分布有对河势起控制作用的天然山矶节点88处,形成藕节状宽窄相间的分汊型河段。河段内共有汊道44段,其中城陵矶至湖口20段,湖口至江阴21段,江阴至徐六泾3段。按汊道平面形态不同,可分为顺直形、微弯形和鹅头形三种汊道。分汊型河段河道演变的主要特点是:第一,主、支汊兴衰交替表现为主支汉原位交替和摆动交替两种形式,前者主支汊地位互换,但其平面位置基本不变,一般发生于顺直形分汊和微弯形分汊,如武汉天兴洲汊道(图5-5);后者为支汊通过平面位移和断面冲刷扩大而取代主汊,一般仅发生于鹅头形汊道,如陆溪口、团风汊道(图5-6、图5-7)。第二,汉道段的主支汊兴衰交替周期较长,大多数汊道段的主支汊地位较长时期保持不变,其原因主要是汊道段上端有节点控制,进口上游河势又比较稳定;支汊进口汛期迎流,分流比大于非汛期分流比,并且汛期分流比大于分沙比。一旦进口上游河势发生大变化,将导致主支汊易位或某一支汊的萎缩。例如陆溪口汊道(城陵矶下游约75km)、团风汊道(武汉下游约60km)、官洲汊道(湖口下游约100km)以及铜陵河段太阳洲汊道的左汊均于20世纪30年代以后萎缩,与上游长顺直段河势变化有关(图5-6、图5-7、图5-8、图5-9)。第三,汊道的演变对其下游的单一段及汊道演变的影响程度取决于单一段的长度和两岸有无节点控制,镇扬河段世业洲汊道与和畅洲汊道间的单一段较短,世业洲汊道右汊凹岸崩退等因素导致其下游单一段由右向弯道演变为左向弯道,并引起和畅洲汊道冲淤变化(图5-10)。
图5-4 监利河段演变图
图5-5 武汉河段演变图
图5-6 陆溪口汉道演变图
图5-7 团风汊道演变图
长江中下游各河段虽分属弯曲型、蜿蜒型和分汊型河道,但有其共性之处,主要有以下3方面。
(1)长江中下游共有55个汊道段,大部分汊道段的平面形态特征值都处于同一变幅范围内(表5-1),河道不同程度受山矶节点的控制,其演变规律也基本一致。例如下荆江的监利乌龟洲,城陵矶以下的陆溪口、团风、铜陵及八卦洲等鹅头形汊道,其鹅头形弯顶都是朝向左岸,主支汊的兴衰交替规律基本一致,且其左汊均已逐渐萎缩或淤废(图5-4、图5-6、图5-7、图5-9、图5-11)。
(2)各种河型河道的演变,都是以弯道作为基本单元,只是演变的程度有所差别。对于分汊河段的单个支汊而言,具有弯道演变的特点,但就整个分汊河段而言,支汊间的演变相互制约。例如鹅头形汊道段主、支汊的摆动式兴衰交替过程,实质上相当于弯道的发展和凸岸切滩过程(图5-6、图5-7)。又如芜裕段陈家洲左汊于1973年发生切滩,镇扬河段和畅洲左汊于1977年发生切滩,使左汊流程缩减了20%,导致左汊迅速发展(图5-12)。
图5-8 官洲汊道演变图
图5-9 铜陵河段演变图
图5-10 镇扬河段演变图
表5-1 长江中下游宜昌至江阴段分汊河段的平面形态特征
续表
(3)上下游相邻两个弯道段或两个汊道段,其河道演变均有相互制约的关系,且与两弯道之间或两汊道之间顺直过渡段的长短有关。过渡段较短(一般其长度小于3倍平滩河宽),上弯道或上汊道的演变可直接引起下弯道或下汊道的变化;过渡段过长(一般其长度大于3倍平滩河宽),则过渡段的演变对其下游的弯道或汊道演变往往起着较大作用。例如武汉天兴洲汉道,其演变受其上游顺直段变化的影响较大(图5-5)。
4.长江口段
长江口段上起徐六泾,下迄50号灯标,全长181.8km,徐六泾处河宽为5.7km,口门苏北嘴至南汇嘴宽约90km,平面呈喇叭形。崇明岛将长江口分为南、北两支,南支由长兴岛和横沙岛分为南港和北港,南港在横沙岛尾端由九段沙分为南、北两槽,形成长江口三级分汊,径流由北支、北港、北槽和南槽四汊入海的格局(图5-13)。
图5-11 南京河段演变图
图5-12 和畅洲左汊切滩前后河道的变化
图5-13 长江口河道演变图
长期以来,长江口河道演变的主要规律是沙洲淤并,河宽缩窄,河口外伸。据1948年的测图,江阴至徐六泾为长达70km的大弯道,河宽10余km。近50年来,人为因素对长江口的演变起了加速作用。南通河段狼山以上岸线的崩退,狼山一带形成弯顶,龙爪岩的挑流作用,有利于狼山以下的通海沙淤长。1958年东方红农场在通海沙围滩造田,徐六泾附近江面宽由13km缩至6km左右。江阴至徐六泾段形成3个分汉河段,长江口的起点由江阴下移至徐六泾。徐六泾附近形成节点后,长江口北支的进流条件恶化,加速了北支的淤积(图5-13)。
(二)来水来沙的特点
长江中下游干流河道径流和泥沙来自宜昌以上长江上游干支流,沿程有清江、汉江、洞庭湖水系、鄱阳湖水系、青弋江、水阳江、太湖水系和巢湖水系等众多支流水沙入汇。根据1890年以来流量观测资料和1950年以来的泥沙观测资料,长江中下游干流来水来沙具有如下特点。
(1)长江中下游干流河道径流来自宜昌以上长江上游干支流以及区间支流水系入汇,径流量沿程增加,其间荆江河段有四口分流入洞庭湖,经湖区调蓄后于城陵矶入汇长江。宜昌站平均年径流量为4381亿m3占大通站年径流量的48.4%;汉口站平均年径流量为7112亿m3,占大通站的78.6%;洞庭湖水系和鄱阳湖水系入汇年径流量分别占大通站的32.8%和16.7%(表5-2)。长江中下游干流河道的泥沙主要来自宜昌以上长江上游干支流,且主要为悬移质泥沙。宜昌站悬移质平均年输沙量为5.01亿t,相当于大通站悬移质年输沙量的115.7%;经区间分流、支流和洞庭湖水系调节,汉口站悬移质年输沙量为4.04亿t,占大通站的93.3%,表明悬移质输沙量沿程增加幅度小于径流量。宜昌、汉口和大通站的年平均含沙量分别为1.14kg/m3、0.57kg/m3和0.49kg/m3,沿程递减。
(2)径流量和输沙量年内分配均主要集中于汛期5~10月,且输沙量较径流量更为集中。宜昌、汉口、大通站汛期5~10月径流量占全年总量的百分数分别为79.2%、73.3%和71.1%,输沙量则分别为96.2%、87.6%和87.7%。宜昌站承长江上游来水,年内分配与长江上游河段相近,宜昌以下各站年内分配的集中程度则逐渐降低。
(3)长江中下游干流各站年径流量的多年变化幅度较小,宜昌、汉口、大通站的径流变差系数CV分别为0.11、0.13和0.15[14],近50年来最大年径流量与最小年径流量的比值分别为1.65、1.73和2.01,各站历年最大年径流量和最大流量均出现在1954年。各站年输沙量的多年变化幅度较径流量大,宜昌、汉口和大通站历年最大年输沙量与最小年输沙量的比值分别为3.59、2.48和2.84。
近50年来,长江出现1954年和1998年两次全流域型大洪水。1954年和1998年最大流量值,宜昌站分别为66800m3/s和63300m3/s,汉口站分别为76100m3/s和71100 m3/s,大通站分别为92600m3/s和82300m3/s。宜昌、汉口和大通站历年最小流量分别为2770m3/s(1937年)、2930m3/s(1865年)和4620m3/s(1979年)。两次洪水最大流量为历年最小流量的20~26倍。
(4)近50年来,人为因素对长江中下游干流径流量和输沙量的影响日趋明显。葛洲坝水利枢纽属低水头水利枢纽,对汛期径流的调节作用很小,枯期径流则有一定改变;汛期含沙量改变不大,枯期含沙量较建坝前减少;沙质推移质年输移量由建坝前878万t减少至150万t,卵石推移质减少幅度更大。长江中下游两岸人汇的支流34条,其中最大的为汉江和清江,还有洞庭湖和鄱阳湖水系汇入。近50年来,不少支流由于受修建水库和开采砂石建筑材料等人为因素的影响,进入干流的沙量明显减少。汉江在丹江口水库建成前汇入干流的年径流量和年输沙量分别为445.8亿m3和0.78亿t(仙桃站,1955~1967年),分别占干流汉口站的6.4%和18.1%。丹江口水库建成后,1998年汉江下游仙桃站年输沙量为0.159亿t,仅占同年汉口站的4.4%。清江在隔河岩水库建成前汇入干流的年径流量和输沙量分别为132亿m3(1951~1981年)和890万t(1956~1981年),相应占干流枝城站的2.8%和1.6%,隔河岩水库1993年建成后,大部分泥沙被拦截在水库内,1998年坝下游长阳站年输沙量为30万t,仅为建库前的3.4%。长江中下游陆水、浠水和富水等支流水系亦已修建水库,拦截了其上游来沙。
表5-2 长江中下游干支流主要站的年水沙特征值
注 1.汉口站和湖口站年径流量自1952年起统计,输沙量及含沙量自1954年起统计。
2.括号内数字为年份。
长江中下游干流主要水文站20世纪50年代以来各年代年输沙量和年平均含沙量的平均值(表5-2)和累积年径流量与年输沙量相关图表明(图5-14),长江干流和支流陆续修建水库、裁弯工程、开采砂石建筑材料及其他人为因素的影响,监利站80年代以来,输沙量有所增加;洞庭湖出口城陵矶(七里山)站输沙量则有减少趋势;螺山站在70年代以后一段时间输沙量有所增加,但80年代中期以后又逐渐恢复原来径流量与输沙量关系线;汉口站和大通站自70年代以后,输沙量也呈现减少的趋势。
图5-14 长江中下游各站累积年径流量与累积年输沙量的关系(图中数字代表年份)
(5)长江中下游干流悬移质粒径以宜昌站最粗,以下汉口至大通沿程粒径变化不大,大通以下未设水文站,据南京河段观测资料统计[2],悬移质中值粒径为0.015mm(表5-3、图5-15)。葛洲坝水利枢纽1981年建成后,宜昌站悬移质粒径稍微变细,以1960~1980年与1981~2001年悬移质粒径作比较,平均粒径分别为0.053mm和0.047mm,中值粒径分别为0.031mm和0.0228mm,悬移质中粒径小于0.1mm的沙重占总沙重百分数分别为88.05%和89.21%。
图5-15 宜昌和汉口及大通站悬移质中值粒径的历年变化
表5-3 长江中下游主要站的悬移质特征值
注 表中均为相应粒径计法的粒径值。
(三)近50年河道的开发利用和整治
新中国成立50年来,随着社会和经济的迅速发展,开发利用河流资源的活动日益增多。对河道稳定性的要求愈来愈高,相应实施了大量河道整治工程。
20世纪50年代至60年代主要是堵口复堤,加固与新建堤防,以及重点堤防和重要城市防洪急需的护岸工程;60年代后期至70年代,实施了下荆江裁弯工程、分汊河段堵汊工程,以及重点河段河势控制工程;80年代以后进行重点河段治理,1998年大洪水后开展了长江中下游大规模的护岸工程。(www.xing528.com)
(1)堤防修建加固。近50年来,进行了堤防体系的整理、改造和加固,1998年以前共完成土石方40余亿m3,干支堤总长达3万多km,其中干堤3600余km。1998年大水后对干堤和重要支流、湖区的堤防进行了全面加固。
(2)护岸工程。近50年来,长江中下游护岸总长度已达1200km,占崩岸长度的78%,1998年以前总抛石量已达6700万m3,沉排410万m3,建丁坝685座,顺坝19km。1998年大洪水后对重点堤防护岸险工段进行了加固和扩建。
(3)裁弯工程。下荆江中洲子和上车湾裁弯工程分别于1967年和1969年实施,1972年沙滩子弯道发生自然裁弯后,实施了沙滩子新河和下游护岸工程。3处裁弯总计河道缩短78km,约占下荆江河长的1/3。
(4)分汊河段的堵汉工程。1974年和1976年在太子矶河段实施扁担洲和玉板洲两处堵汊工程,1979年实施了官洲河段西江堵汊工程,1985年实施了南京河段兴隆洲左汊的堵汉工程,1992年实施了铜陵河段太阳洲与太白洲之间的支汊堵汊工程。
(5)疏浚工程。90年代以前,长江中下游航道浅滩维护主要采取疏浚、局部爆破和调整航标等措施,每年挖泥数量达2500万m3左右。
(6)重点河段整治。80年代开始对重点河段进行较全面的治理,1983年开始实施的南京河段和镇扬河段第一期整治工程,已于1993年竣工,工程效益显著;界牌河段防洪与航运综合治理工程于1994年开工,其中航道整治工程已基本建成,两岸护岸工程也大部分完成,开始发挥工程效益;下荆江河势控制工程于1983年开始实施,目前尚未全部竣工。
(7)岸线利用。长江中下游干流宜昌至徐六泾岸线总长度约3490km,其中深水岸线长度约1300km;已利用岸线长度约280km,其中深水岸线约260km。已利用的岸线主要用于修建港口码头、桥梁、取排水口、绿化带等。自1957~2002年止,长江中下游干流已建和在建的跨江桥梁有宜昌夷陵大桥、宜昌公路大桥、枝城大桥、荆州大桥、武汉军山大桥、武汉白沙洲大桥、武汉长江大桥、武汉二桥、鄂州大桥、黄石大桥、九江大桥、铜陵大桥、芜湖大桥、南京长江大桥、南京二桥、润扬大桥、江阴公路大桥共17座。长江中下游干流共有港口177个,其中主要港口36个,年吞吐量最大的为南京、武汉、镇江、南通港。长江中下游干流沿岸取水口近1900座,其中大型19座,中型72座。
(四)近50年来长江中下游河道演变的特点
上述近50年来长江中下游来水来沙特点和河道治理与开发利用表明,长江中下游河道演变受自然因素和人为因素的双重影响,而且人为因素的影响日益增强。河道演变和水文泥沙观测资料分析表明,长江中下游近50年来河道演变具有如下特点。
1.总体河势基本稳定而局部河势变化较大
近50年来长江中下游两岸逐步实施以控制河势和保护堤防与城镇安全为主要目标的护岸工程,全河段总体河势保持相对稳定,未发生长河段的河势大幅度变动,但局部河段的河势仍不断调整,有的河段河势变化还相当剧烈。
上荆江枝城至江口段两岸多为丘陵和阶地,河床由卵石夹沙组成,河床平面形态长期基本稳定。江口至藕池口段的沙市弯道和郝穴弯道,荆江大堤濒临左岸;两弯道之间的公安河弯,右岸为荆江分洪区。经过近50年来对荆江大堤和荆江分洪区护岸工程的建设和加固,该河段河势已得到基本控制,仅三八滩汊道段和金城洲汊道段仍存在主、支汊冲淤交替现象。1998年大洪水后,上荆江全河段河势仍基本稳定,荆江大堤护岸工程也经受了大洪水的考验。但是,三八滩汊道段、金城洲汊道和突起洲汊道洪水后局部河势发生较大变化。三八滩汊道段的三八滩被水流不断冲刷,于2001年9月全部冲失,原滩体中部形成新的主泓,原三八滩左汊和右汊泥沙淤积,右汊枯期已不过流(图5-16)。金城洲汊道主支汊易位,左汊恢复为主汊。突起洲汊道的左汊历年分流比很小,1998年大洪水期间左汊冲刷扩大,至2001年7月,分流比达53.7%,突起洲头部及左侧岸线崩退,左汉2001年冬至2002年春枯水期近50年来首次被辟为主航道,随后左汊未继续发展(图5-17),2003年春枯水期右汊又恢复为主航道。
图5-16 三八滩汉道近年的变化
图5-17 突起洲汊道近年的变化
下荆江是长江中下游河道演变最剧烈的河段。近50年来,经历两次自然裁弯(1949年碾子湾和1972年沙滩子自然裁弯)、两次人工裁弯(1967年中洲子和1969年上车湾人工裁弯)、两次弯道分汊段的主、支汊易位(监利乌龟洲汊道1972年和1995年两次发生主、支汊易位)和两次较大撇弯切滩(60年代碾子湾下游黄家拐撇弯和1994年石首河弯撇弯)所引起的河势调整(图5-3、图5-4、图5-18、图5-19)。1983年开始实施下荆江河势控制工程,下荆江总体河势逐步得到基本控制,经过1998年长江全流域性大洪水和1999年大洪水,下荆江总体河势仍基本稳定,未发生重大河势变化,仅石首河弯凹岸下半段及其下游北碾子湾顺直段崩岸仍较剧烈,正在实施河势控制工程和航道整治工程。
图5-18 黄家拐弯道的变化
长江中下游城陵矶以下的汊道段具有主支汉兴衰交替周期较长的特点,加上近50年来大力实施控制河势和抑制崩岸的护岸工程,汊道段总体河势得到基本控制,44段汊道中,近50多年来发生主、支汊原位交替的仅有南京河段的八卦洲汊道(1946年)和武汉河段的天兴洲汊道(1966年)两段,此外,支汉分流比由小于50%而发展为大于50%的有南京河段的新生洲汊道和镇扬河段的和畅洲汊道;发生主支汊摆动交替的汊道段有陆溪口、团风和官洲汊道等处(图5-6、图5-7、图5-8)。主支汉易位的主要原因之一是汊道上游顺直段较长,主流发生摆动所致,如天兴洲、八卦洲等汊道(图5-5、图5-11)。除上述主支汊易位的汊道外,其余汊道段的主汊和支汊分流比和局部河势虽有变化,但汊道段总体河势和主支汊地位没有改变。
图5-19 石首弯道历年的变化
图5-20 各站历年枯水期(1~3月)的水位~流量关系
2.河道总体冲淤相对平衡但部分河段冲淤幅度较大
长江中下游河道在自然条件下长期不断地调整,河道总体冲淤达到相对平衡,反映在基本河槽年际冲淤交替,没有出现抬升或下切的趋势。根据长江中下游干流河道历年实测水道地形图分析[3],宜昌至大通河段全长1161.4km,1966~1998年平滩河槽累计淤积6.71亿m3,枯水河槽累计冲刷2.72亿m3(表5-4),说明基本河槽30余年来总体上处于冲淤相对平衡状态。
表5-4 长江中下游宜昌—大通段的历年冲淤量
注 1.冲淤量单位为万m3,“+”为淤,“-”为冲。
2.括号内数字为河段长度。
3.武汉—九江段为1970年起算。
20世纪60年代后期以来下荆江人工裁弯工程的实施和自然裁弯,70年代葛洲坝水利枢纽的兴建,长江中游宜昌至城陵矶河段发生较长时期和较长距离的河床冲刷和同流量的水位相应降低,城陵矶至武汉河段则在一段时期内发生淤积。
导致宜昌至城陵矶河段河床冲刷的因素有三:一是下荆江人工和自然裁弯引起裁弯段上游水面比降加大,发生自下而上发展的溯源冲刷;二是随着三口(松滋口、太平口和藕池口)分流能力的逐步减小,荆江过流量相应增加,河床过水断面冲刷扩大;三是葛洲坝水利枢纽运用后,通过枢纽下泄的卵石和沙质推移质明显减少,宜昌站卵石年输移量在葛洲坝枢纽运用前为75.8万t,1986~1991年和1992~1996年分别减少为9.09万t和1.78万t;沙质推移质年输移量在葛洲坝枢纽运用前为878万t,1986~1991年和1992~1996年分别减少为149和150万t,导致枢纽下游河道发生自上而下发展的长距离冲刷。在上述因素的综合作用下,宜昌至城陵矶河段河床明显冲刷自60年代开始,延续至90年代初(表5-4)。与河床冲刷相应,宜昌至城陵矶河段同流量的水位也不同程度降低,其中以枯水位的历年变化最为明显(表5-5)。1980年各站相应4000m3/s流量的水位均较裁弯前1966年降低,且其降低值自下而上减小,为裁弯引起溯源冲刷的结果。1980年至1985年,石首水位未继续降低,说明裁弯的影响已趋减弱。1989年和1993年各站相应4000m3/s流量的水位均较1980年降低,宜昌至枝城水位下降值自上而下减小,陈家湾至新厂各站水位降低幅度均大于石首站,与葛洲坝枢纽运用后自上而下冲刷有关。
表5-5 宜昌至城陵矶河段各站枯水位的历年变化 单位:m
注 表中均为与4000m3/s流量相应的水位下降值。
荆江和洞庭湖关系的调整引起城陵矶至武汉河段发生较大幅度的冲淤变化。下荆江裁弯后,三口分流分沙量减小幅度加大,进入荆江的水沙量相对增大,城陵矶以下螺山站的水量不变,而沙量则相对增加,70年代以来含沙量有所加大(表5-2),城陵矶至武汉河段90年代前河道发生淤积(表5-4)。从较好反映基本河槽冲淤的历年枯季1~3月螺山、龙口和汉口站水位流量关系曲线分析,城陵矶至武汉河段基本河槽有所淤积抬高,且淤积沿程递减,但80年代中期以后,淤积趋势已基本消失(图5-20)。宜昌、监利、螺山、城陵矶(七里山)等站历年累积径流量与输沙量关系和历年的年平均含沙量变化过程说明(图5-14、图5-21),螺山站1973~1985年水沙比例发生变化,含沙量加大,1985年以后又恢复原有状况。洞庭湖出口城陵矶(七里山)站近20年来水沙关系持续调整,主要是由于荆江三口和湘、资、沅、澧四水入洞庭湖沙量均逐年减少,城陵矶(七里山)处洞庭湖出流的含沙量呈减小趋势(表5-2)。综上所述,江湖关系的调整导致下荆江下泄水沙量相对加大,而洞庭湖入汇的水沙量虽相对减小,含沙量却持续减小,因此城陵矶至武汉河段曾一度发生淤积,但1985年以后螺山站含沙量无增大趋势,该河段亦无继续淤积抬高趋势(表5-4)。
图5-21 长江中游各站历年含沙量与宜昌站含沙量的比值
武汉—九江河段和九江—大通河段平滩水位以下的基本河槽1966~1998年累计淤积量分别为5.93亿m3和3.16亿m3,但淤积部位主要为分汊河段的支汊内。如武汉至九江河段中的天兴洲、团风和龙坪3个分汊河段,1970~1998年平滩水位以下的基本河槽淤积4.05亿m3,占武汉至九江河段同期淤积量的68.3%,而其河道长度仅为全河段总长度的1/3,且泥沙主要淤积在支汊内。九江至大通河段中的张家洲、东流、安庆和贵池4个分汊河段,1966~1996年平滩水位以下的基本河槽淤积2.6亿m3,占九江至大通河段同期淤积量的62.8%,而其河道长度仅为全河段总长度的1/2,泥沙也主要淤积在支汊内[4]。历年汉口站和大通站的水位流量资料分析表明,汉口站水位流量关系线无趋势性变化,大通站的水位流量关系线也比较稳定[15]。
综上所述,1966~1998年长江中下游宜昌至大通河段地形和水文资料分析表明,平滩水位以下的基本河槽冲淤互见,基本河槽总体上处于冲淤相对平衡状态。
3.荆江和洞庭湖关系的调整幅度加大
洞庭湖与长江干流的关系是长江中游河道演变的重要影响因素之一。100多年来洞庭湖通过荆江的松滋、太平、藕池和调弦口和城陵矶汇流口与长江连通,1959年调弦口筑坝建排灌闸后,近40年来洞庭湖区主要通过接纳荆江三口和湘、资、沅、澧四水来流,于城陵矶出流汇入长江,保持相互制约的江湖关系。湖区淤积和三口分流道的淤积,导致三口入湖水、沙量的逐年递减,是江湖关系变化的总趋势。近50年来受三口分流口门附近干流河道冲淤变化、三口分流道淤积、洞庭湖区淤积等自然因素影响,20世纪50年代以来洞庭湖人工围垦、60年代末下荆江裁弯、70年代葛洲坝水利枢纽修建等人为因素影响,长江与洞庭湖关系变化总趋势虽未改变,但变化幅度明显加大。主要表现为荆江三口分流分沙递减率较下荆江裁弯前明显加大,到80年代末,递减率已有所减小(表5-6)。与此相应,进入荆江河段的水沙量加大,尤其是下荆江增加较多,监利站1989~1995年的年径流量较1956~1966年增加20.2%,输沙量增加6.7%(表5-2),促使河床冲刷;洞庭湖则因入湖水沙量减少而延缓了淤积速率(表5-6),从1967~1995年共29年中,洞庭湖实际少淤约13亿m3。另一方面,由于荆江出流加大,洞庭湖出流相对减少,使得荆江与洞庭湖出流相互顶托状况改变,荆江对洞庭湖出流顶托作用相对增强,导致洞庭湖出口城陵矶(七里山)站同流量的水位较裁弯前有所抬高,但因三口分流减少,洞庭湖出流相应减少,两者综合作用,使得同一螺山流量下,城陵矶(七里山)汛期高水位无抬高趋势(图5-22)。
4.河道整治工程控导河道向有利于综合利用的方向调整
近50年来,在长江中下游干流河道实施了大量护岸工程,不仅使沿岸堤防、城镇和工农业设施汛期安全得到保障,而且稳定了河道的有利河势,防止河势向不利的方向发展,为岸线综合利用、航道整治创造了必要的条件。弯道段护岸工程实施后,弯道汛期冲刷、枯期淤积的基本规律并未改变,横向冲刷受到抑制,纵向冲刷则较护岸前加剧。中洲子裁弯新河护岸工程于1968年实施后,近岸河床最大冲深达22.4m(表5-7、图5-23)。界牌河段新淤洲鱼嘴守护工程实施后,1998年汛期9月,近岸河床较汛前5月冲深达20m(图5-24)[5]。因此,护岸工程实施后,还须加强河道监测,及时维修加固,才能保持护岸工程和岸线的长期稳定。
表5-6 洞庭湖进出水沙的变化
① 径流量以亿m3计,输沙量以Mt计,下同。
图5-22 城陵矶(七里山)年最高水位与相应螺山流量的关系
蜿蜒型河段河道演变基本规律是弯道凹岸崩退、凸岸淤长,在一定的水流和边界条件下可能发生切滩撇弯和自然裁弯,裁弯后形成的弯道又重新向弯曲方向发展。实施人工裁弯工程后,通过进一步实施控制新河及其上下游河势的护岸工程,河道不再重新弯曲,裁弯河段由蜿蜒型河段改造为曲率适度的弯曲河段,有利于防洪、航运和取水等综合利用。下荆江中洲子、上车湾裁弯工程20世纪60年代实施后,裁弯新河和老河演变过程中,显示出如下特点[16]。
图5-23 中洲子新河护岸前后深泓的变化
表5-7 中洲子新河护岸后的深泓高程及冲深值 单位:m
图5-24 界牌河段新淤洲鱼嘴工程典型断面的变化
(1)在新河发展、老河淤积及裁弯段下游河道调整过程中,新河下游河段未发生长期的单向淤积。表现在如下3个方面:其一,新河发展阶段,其下游河段泥沙来量未见明显增大,河床无单向淤积抬高趋势,从新河、老河分流口门前和合流干流断面的流量与输沙量关系和新河下游河段断面历年变化可以得到证明,其原因是裁弯新河是由水流冲刷逐步扩大的,而新河过水面积开始时只相当于老河的,各时段新河冲刷量均小于老河淤积量(表5-8)。其二,裁弯后30多年来,从上车湾裁弯新河出口至城陵矶的下荆江下段,不仅未发生累积性淤积,而且过水断面还有所扩大,其原因是裁弯后三口入洞庭湖的分流量减少,下荆江过流量增大,整个下荆江河床下切的同时还有所展宽。其三,下荆江与洞庭湖出流汇合处城陵矶下游河段,基本河槽曾一度发生淤积,并引起中枯水期同流量的水位有所抬高,其后由于洞庭湖出流含沙量的持续减小,河槽未再继续淤积抬高。
表5-8 中洲子和上车湾新河冲刷与老河淤积的比较
(2)就裁弯工程对其上、下游河道的影响程度而言,上游河段水面比降加大,河床纵向刷深,河床演变速度有所加大;下游河段则主要是河势发生变化,其改变程度取决于新河出口与下游河道衔接平顺与否,这也是人工裁弯与自然裁弯的区别之一。
(3)裁弯工程实施后视新河发展程度,适时采取护岸工程措施,将新河及其上下游河段的有利河势加以控制,裁弯河段由蜿蜒型河段改造为曲率适度的弯曲河段。
长江中下游分汊河段实施堵汊工程后,虽然所堵塞的支汊分流比均较小,但对促进分汊河段主支汊的稳定仍有一定作用。1979年长江下游官洲汊道段封堵西江支汊并在官洲右缘实施护岸工程后,汊道段的主支汊长期保持相对稳定,有利于防洪、航运和取水等综合利用。
5.坐崩(窝崩)是长江中下游岸线崩退和护岸工程崩毁的主要形式
长江中下游岸线崩退有两种基本类型:一种是岸坡及河底被水流或波浪直接冲刷而导致岸线后退,其后退速度不大;另一种是圆弧坐崩(又称窝崩),其崩岸过程是,首先由于水流冲刷近岸河床,岸坡变陡,稳定性减弱,加上在河道退水期还有地下水渗流出逸作用,使河岸发生圆弧形滑动,其滑动面在平面上和横断面上都呈圆弧形,整个岸线则呈锯齿状。土质均匀的河岸平面上滑弧的长度(顺水流方向)一般为宽度(垂直水流方向)的2倍以上,但在土质不均匀的河岸或矶头、丁坝等间断式护岸工程段,由于崩窝口门上下游的岸线相对较难冲刷,崩窝内回流强度大,其冲刷作用较大,崩窝的长度和宽度比较接近。表5-9、图5-25、图5-26为长江中下游几个典型崩岸段崩窝平面形态及其特征值。坐崩滑弧的宽度及长度主要取决于河岸土质组成、近岸河床冲刷深度、水位高低及其下降速度,以及渗流出逸状况等因素。由于坐崩滑弧的尺度较大,滑动速度较快,是岸线崩退的主要形式,对护岸工程的稳定造成严重威胁。
表5-9 长江中下游崩窝的特征值
20世纪50年代长江中下游护岸工程不少为矶头和丁坝等间断式护岸工程,由于矶头、丁坝的上下游岸线未加守护,往往发生崩岸而形成崩窝,需及时守护,才能保持矶头、丁坝的稳定。随着护岸工程经验的积累和国家、地方对护岸工程的财力投入增加,目前长江中下游护岸工程已推广采用平顺护岸工程。由于平顺护岸工程仍可能存在工程薄弱地段,或者由于局部水流集中冲刷,加以对护岸工程的近岸河床变化缺乏定期监视观测,对存在隐患的护岸工程没有及时加固,导致护岸工程段发生坐崩并危及护岸工程和堤防安全,这种险情实例屡见不鲜。
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