长江中游泥沙输移规律及对防洪影响研究(李义天,李荣,邓金运)

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长江中游泥沙输移规律及对防洪影响研究水利论文 \B.?#RHm#|/[.EQT

李义天李荣邓金运水利论文'h2}iX)f(}R;x

(武汉水利电力大学 泥沙实验室)水利论文 l Mrj#aD$OW

摘要:本文对长江中游近期泥沙输移规律进行了综合分析,建立了螺山至汉口河段和洞庭湖区泥沙淤积比λV与三口分沙比λS之间定量关系。通过分析得到洞庭湖区和螺山至汉口段各时期多年平均泥沙淤积总量基本保持在180×106t,分沙比减少调整了螺山至汉口河段与洞庭湖区之间淤积关系,使得洞庭湖区少淤积泥沙转移到螺山汉口河段淤积,抬高了长江中游地区水位。因此,长江中游防洪核心是如何处理宜昌每年多来180×106t泥沙淤积问题。

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关键词:泥沙输移; 分沙比; 淤积比水利论文$t+Qb9kv$c

基金项目本文得到国家基金委和水利部重大研究项目资助(59890200)

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作者简介:李义天(1958-),男,武汉水利电力大学教授。

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1 引言

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  长江中游横贯湖南、湖北两省,南连洞庭湖,北靠江汉平原。自古以来,长江中游就是我国重要的粮棉生产地之一,有“两湖熟,天下足”之美誉。随着经济的快速发展,各类轻重工业相继出现,该地区的繁荣与稳定对我国的经济发展起着举足轻重的作用。然而,长江中游特别是荆江和洞庭湖地区又是我国洪水灾害最严重的地区之一[1],由于泥沙的不断淤积,昔日6000多km2洞庭也已变为今天由纵横交错的洪道分割而成的东、西、南洞庭三个小水域,湖区面积仅剩2625km2。泥沙淤积降低了湖区对洪水的调洪能力,加剧了该地区的洪水压力,90年代以来,洪峰流量都较90年代以前的历史记录小,但超过或接近历史最高水位的洪水几乎每年发生,同流量下的水位抬高问题越来越严重。

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  近些年来,人类活动和自然因素的双重作用改变了荆江和洞庭湖长期保持的水沙运动及河床演变规律。这种改变加剧了三口的萎缩,三口分流分沙比急剧减少(如图1),致使洞庭湖淤积量减少和螺山汉口段泥沙淤积加剧,抬高了长江中游螺山以上长江干流和整个洞庭湖区的洪水位,对长江中游防洪产生了很大的影响。可以预见,如果不对荆江和洞庭湖采取有效的治理措施,流量不大、水位升高的现象可能会越来越严重,直到荆江洞庭湖水沙运动关系发生质的变化,这水利论文!h$L.fW4M:Rc$b

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图1 荆江三口分流分沙比变化
Variation of flow and sediment diversion from the Jingjiang River

必然会增加防洪压力并造成人民生命财产的巨大损失。因此,研究长江中游泥沙输移变化规律对该地区洪水位抬高现象的认识,长江中游河道治理规划,减轻该地区的防洪压力,保证国民经济的持续、稳定、快速发展具有重要的指导意义。水利论文~+e2OKrb

  由于长江中游防洪形势严峻性,目前已从资料分析、地质地貌、水动力学等多方面对长江洞庭湖的演变规律进行了大量的分析研究[2~11],但这些研究基本停留在局部区域或局部区域之间的定性分析上。荆江、洞庭湖及螺山至汉口河段之间的水沙运动变化关系复杂,相互作用、息息相关,将三者作为整体定量研究,有助于提高对江湖水沙运动及河床演变规律和水位抬高现象的认识。

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2 历史上长江中游泥沙输移变化

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  长江中游泥沙沉降河床抬高现象自古就有,到目前为止河床长期处于不断淤积和抬升的过程之中,远未达到相对冲淤平衡状态,只是淤积部位不断发生变化,有时河床抬升速度较慢,有时抬升速度非常迅速,荆江及洞庭湖区演变与长江中游泥沙输移变化息息相关,互为因果。历史上水沙运动发生过漫流、两侧分流分沙、一侧分流分沙三个明显变化阶段[12],伴随着云梦泽淤积、荆江河道淤积、洞庭湖淤积的三个主要演变过程。对历史上洞庭湖演变和泥沙输移规律认识的提高,有助于加深对近期该地区泥沙输移变化和河床演变的理解。

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  漫流阶段与云梦泽淤积 秦汉以前,长江水沙出三峡和下游丘陵地带后,汇入云梦泽调蓄,大量水沙以扇形向东及偏北、偏南方向漫流。云梦泽在对洪水进行调蓄的同时,大量泥沙也发生落淤,整个三角洲普遍淤积抬高并向前推进,大量泥沙的不断累积淤积,使得20×103km2云梦泽在1500年内减少至原来的三分之一。那时的云梦泽仍起着蓄水池和沉沙池的双重作用,对减轻长江中游洪水灾害、减少下游泥沙淤积起着重要的作用。水利论文 e1em?S%VU `0J'i

  两侧分流分沙与荆江河道淤积抬高 1000年前后,统一的云梦泽已经被星罗棋布的小湖群所代替,云梦泽的调洪作用明显减少。随着江汉平原的迅速淤积,荆江河段水位不断抬高,江水倒灌入洞庭湖,出现两侧分流分沙的局面。在两侧分流初期,北岸分流分沙大于南岸,荆江北岸淤积大于南岸淤积,江汉平原得以迅速发展。两侧分流分沙后期,由于江汉平原的淤高和人类活动干扰,1524年荆江大堤联成一体,云梦泽逐渐失去调蓄功能,上游来水来沙不再向江汉平原分泄,结束了两侧分流分沙的历史,荆江河段成为输水输沙的主河道,大量泥沙在荆江河段淤积,水位再度抬高。

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  洞庭湖一侧分流分沙与洞庭湖淤积 由于荆江大堤的建成,荆江水位在近2000年内抬升13.4m,其中近800年来抬升11.1m,使历史上汇集四水入长江的两个溪口受顶托不能入江,演变为分长江洪水入洞庭湖的穴口。随后,藕池、松滋相继溃口形成四口分流,达到洞庭湖一侧分流分沙的顶峰。1860、1870年藕池、松滋相继溃口形成四口分流后,分泄了长江一大半洪水,下荆江河段流量剧减,河道淤塞萎缩,形成九曲回肠的河道形态。大量洪水涌入的同时,大量泥沙也带入洞庭湖,据下荆江裁弯前的资料统计(1954~1967年),平均每年在洞庭湖沉积185×106t泥沙,湖洲每年以40km2的速度增长扩大,四口河道的河口以每年1km的速度向下游延伸。四口的形成使洞庭湖走上了云梦泽消亡的老路,随着大量泥沙的淤积,分洪河道逐年延伸,分流分沙比不断减小,下荆江河段流量也逐年增大,洞庭湖区水面不断变小。在1524年到1860年洞庭湖全盛时期,洪水期洞庭湖区面积为6270km2,到1949年减小到4350km2左右。现在的洞庭湖已被分割成东、南、西洞庭尚可连通的三大片,和大小不等的228个堤垸相隔的纵横交错的河网,洪水期湖泊面积仅剩2625km2,其中枯期水面积仅剩645km2。目前,四口河道除调弦堵口常年断流外,其余三口,松滋、太平、藕池河道冬春季断流,每年断流时间长达150天以上,特别是藕池口,断流时间高达250~300天。

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①湖南水旱灾害(下册)。湖南水旱灾害编辑部。水利论文!Ph7sL%U S

  长江中游河床演变与该地区泥沙淤积、泥沙输移规律的改变密切相关,泥沙淤积是云梦泽消亡和洞庭湖演变的主要动力因素,而云梦泽的消亡和洞庭湖演变导致了该区域的泥沙输移发生变化,两者互为因果,相互作用。历史演变规律表明,云梦泽的消亡、洞庭湖兴衰归根结底是上游大量来沙淤积的必然,而泥沙运动变化和河床演变只是水沙、河床之间相互调整适应的过程。随着三口分流分沙的减少,洞庭湖的淤积量逐年减少,近年来河道中大量的泥沙淤积是洞庭湖衰亡过程中的必然现象。

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3 近期长江中游汇水汇沙、出口水沙变化及其影响

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  汉口以上河段及洞庭湖区的水沙主要来自长江宜昌(包括清江)以上干流和湘、资、沅、澧四水与汉江及宜昌~汉口的区间产流产沙。根据1951~1995年资料统计(表1),宜昌多年平均年径流量为449.3×109m3,多年平均年输沙量为517.8×106t,分别占总来水来沙量的68.1%和87.1%。由此可见,长江中游来水来沙以长江上游来水来沙为主,沙量所占权重大于径流量,长江上游来沙量的变化对该区域的河床演变和输沙规律的变化起着重要作用。宜昌站在荆江裁弯以及葛洲坝运用前后多年平均来水量基本稳定,荆江裁弯和葛洲坝运用前后的四个时期(表1中的四个统计时段)相对变幅(相对变幅φ=|时段平均-多年平均|/多年平均)分别为2.6%、4.2%、1.2%和0.4%;输沙量和含沙量都略有减少但变化也不大,输沙量各时段相对变幅分别为3.8%、0.3%、1.0%和2.3%。

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  湘、资、沅、澧四水多年平均年径流量为166.5×109m3,多年平均年来沙量为32.41×106t,分别占该长江中游来水来沙量的25.2%和5.4%。荆江裁弯和葛洲坝运用前后的四个时期平均径流量变化不大,其相对变幅在1%~3.8%之间。由于四水上游水库相继投入运用,来沙量有所减少,其相对减少幅度φ约为10%~24.7%,这些水沙的减少对减轻洪水压力,减少泥沙淤积是有利的。

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  由于丹江口水利枢纽的兴建和运用,汉江多年来沙量有所减少,来水量变化不大。汉江多年平均输沙量占汉口以上总输沙量的7.5%,汉江输沙量的减少对控制汉口河段河床及水位抬升是十分有利的。水利论文vL[7[b e

  汉口站多年平均输出水量、沙量分别为707.7×109m3和420.7×106t,荆江裁弯和葛洲坝(包括丹江口水库运用的影响)运用前后的四个时期(表1中的四个统计时段)年平均径流量之间最大变化为28.5×109m3,占多年平均的4%;输沙量各时段之间的最大变化为5.5×106t,占多年平均的1.3%。汉口站的水位流量关系在上述四个时期基本未变(如图2),说明多年以来汉口水文站水位流量关系比较稳定,不会影响上游荆江河段及洞庭湖区的水沙运动规律。水利论文7ub8IU w#_ x5~F}x

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图2 汉口水位流量关系
Relation between water level and discharge in different period
表1 长江中游及洞庭湖各时段来水来沙特征表*
Statistical average amount of flow and sediment in middle Yangtze River and Dongting Lake

项目时段(年)宜昌+清江四水汉口汉江

+h1Rut6j0年径流量(109m3)水利论文5e,mmL`

1951~1966461.0164.0719.244.51
1967~1972430.2172.9690.743.6
1973~1980444.0169.9696.638.4
1981~1995447.4164.8708.647.8
历年平均449.3166.5707.743.8

年输沙量(106t)1951~1966537.635.40420.8164.64
1967~1972503.340.82421.8342.10
1973~1980512.636.66417.5020.67
1981~1995505.423.60423.0029.97
历年平均517.832.41420.7444.52

年平均含沙量(kg/m3)1951~19661.1660.2190.5851.452
1967~19721.1700.2360.6130.966
1973~19801.1540.2160.6050.538
1981~19951.1300.1430.5980.627
历年平均1.1520.19460.6021.016

备注汉口和汉江资料统计时间为1954~1998年

*三峡水库运用不同时段拦沙泄水对荆江三口分水分沙及荆江与洞庭湖防洪影响研究,长江水利委员会水文局科研报告,1997

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  根据上下游来水来沙条件、洞庭湖区和宜昌至螺山河段冲淤变化情况,分四个时段统计螺山汉口段泥沙冲淤量(表2)。由表2可见:下荆江裁弯后,洞庭湖区的各时段平均淤积量较裁弯前均减少,而螺山至汉口河段的各时段平均淤积量均增大,洞庭湖淤积量的减少率达2.366×106t/a,螺山至汉口河段的淤积量增加率也高达2.375×106t/a。可见,洞庭湖的多年平均淤积量的减少率与螺山至汉口河段淤积的增加率完全相同,也就是说,三口分沙比的减少将洞庭湖区泥沙淤积量转移到螺山至汉口河段淤积。

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表2 洞庭湖区及螺山至汉口河段淤积变化

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单位:106t

Statistical average value of sediment deposition in different regions水利论文I z } m5C


时段(a)1956~19661967~19721973~19801981~1988多年平均

洞庭湖区淤积理168.90130.42109.03107.38132.41
螺山汉口段淤积量25.0148.117.9586.7555.10
湖区和螺汉河段总淤积量193.91178.53179.98194.13187.51

  在长江干流宜昌及四水来水来沙变化不大、下游汉口站输出水沙量和水位基本保持不变的条件下,汉口以上长江干流及洞庭湖区的总淤积量也不应该有较大的变化,从表2可清楚地看出这一点。在洞庭湖区的淤积量逐年减少的同时,必然导致螺山至汉口河段淤积量相应增加,即泥沙淤积发生“搬家”现象。螺山至汉口段淤积量的增加,抬高了湖区和荆江河段下游的侵蚀基准面,导致该地区的防洪形势恶化,这也是近年来频繁出现小流量高水位的直接原因。

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4 近期荆江洞庭湖区及下游螺山至汉口河段泥沙输移变化分析

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4.1 洞庭湖区与螺山至汉口河段淤积变化关系

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  荆江和洞庭湖区水沙运动及河床演变以三口为纽带,息息相关,相互影响。自然状态下的三口分沙比由于洞庭湖的不断淤积呈减少趋势,而下荆江1967、1969和1972年三次裁弯取直加大了下荆江的水流挟沙能力和泄洪能力,加速了三口的萎缩进程,分流分沙比在裁弯后发生明显的减少,对荆江及洞庭湖之间的水沙运动变化规律产生了较大的影响。统计表明:洞庭湖区随着三口输沙量的减少,其淤积量也逐步减少,下荆江在裁弯初期发生一定的冲刷,上游挟带的泥沙和下荆江冲刷下来的泥沙在螺山至汉口河段发生严重淤积。从上下荆江和城陵矶至螺山河段整体来看,多年平均冲刷量仅为6.3×106t,河床基本保持冲淤平衡。因此,三口分流分沙比的变化实质上调整了湖区和螺山至汉口段之间的淤积规律,即调整了泥沙在该区域的淤积部位,本应在湖区淤积的泥沙由于三口分沙比的减少而被水流挟带至螺山至汉口段发生淤积。水利论文g+L*F ]X-i*b

  由沙量守恒方程出发,对该区域泥沙运动规律进行分析,可建立螺山至汉口河段淤积量与洞庭湖区淤积量比与三口分沙比之间的关系。水利论文4E#W`x^ T'hj

  泥沙连续方程水利论文 Hb WD5~z

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(1)水利论文 CcaCdPtp

式中A为过水断面面积;Q为流量;S为断面含沙量;Y0为断面河床平均高程;x,t分别为距离和时间坐标。

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  忽略水体中含沙量随时间变化项的影响,将式(1)在x、t方向对上式差分得水利论文K8F5M0aR

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(2)

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式中(QSΔt)0,(QSΔt)1表示河段输入、输出泥沙量;等式右边ρ'BΔ0Δx表示河段在Δt时间内的淤积量。

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  在已知长江干流宜昌和清江年来沙量V、四水年来沙量V、三口分沙比λS、湖区淤积率η,长江干流宜昌至螺山河段年冲淤量ΔV以及汉江年输沙量V汉江的条件下,洞庭湖年淤积量ΔV可以表示为水利论文/L"] t ic5u:_*i]rB0J

ΔV=η(λSV+V)水利论文DD2|dufHW

(3)水利论文D#P x j n&n7k

螺山站年输沙量V可表示为

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V=(1-ηλS)V+(1-η)V-ΔV

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(4)水利论文wU/D@ _5`)ZN*K

由式(2)可得螺山至汉口河段的年淤积量为

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ΔV螺汉=V+V汉江-V汉口=V+V+V汉江-V汉口-ΔV-ΔV水利论文F#C&]5[ z u(Gb'q

(5)

5NugnN |X|vD%w0q0

用λV表示螺山汉口段年淤积量与洞庭湖区年淤积量的比,则λV可表示为水利论文,o~Y8hT}*d0v jVR

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(6)

(YtK)M sW`M?0

式中a,b为系数。

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图3 公式(6)系数率定图
Determination of coefficient in formula(6)
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图4 螺汉河段与洞庭湖区年淤积比随三口分沙比的比较
Relationship between sedimentation and diversion ratio

  用长江中游各站1954~1988年之间的年平均水沙资料点绘R=1/(λV+1)与λS的关系(图3)。水利论文p ~Q*sX

  从图3可以看出,除个别年份(如1954年、1955年汉江来沙量比较大,1987和1988年来沙量比较小)外,其他各年两者之间的关系基本成线性变化,两者之间的相关系数为0.97。回归除特殊点外的各点,得到公式系数a=2.14,b=0.123。则λV与λS之间的关系为

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λV=1/(2.14λS+0.123)-1水利论文.f%FMcv.?M

(7)水利论文 |[;SpU%b

  式(7)表明螺山至汉口河段与洞庭湖区淤积量的比与三口分沙比成反比。直接点绘λVS之间的关系并与实测值比较(如图4),可见公式(7)能够较好地反映螺山至汉口段与洞庭湖区年淤积量比随三口分沙比减少而呈增加的规律,这与三口近年来分沙比减小、螺山至汉口河段淤积量增加以及洞庭湖区淤积量减少相一致。由于式(7)中a,b取为常数,忽略了汉江来沙量的变化、长江干流宜昌至螺山河段冲淤量的年际变化等影响,实测点与计算值之间存在一定的误差。从前述边界条件的变化可知:长江干流、四水的多年平均来沙量基本没有大的变化,长江干流宜昌至螺山河段多年平均冲淤变化很小,汉江来沙有减少趋势,其多年平均来沙量占总来沙量的7.5%,对式中的系数有一定的影响,如汉江来沙量很大或很小的年份实测数据与式(7)差异较大的原因就在于此。因此,式(7)可以用于分析淤积比和三口分沙比之间的关系以及长江中游多年平均输沙规律。在已知上游来沙量、湖区淤积速率以及分沙比的情况下,可以利用式(7)求出淤积比,进而可得螺山汉口段的年平均淤积量。水利论文8ihm\A9pRT7F

  若宜昌及四水来水来沙量按多年平均径流量及输沙量计算,洞庭湖淤积量以多年平均淤积率74%计算,在给定三口分沙比的条件下,运用式(7)可求得螺山至汉口河段与洞庭湖区年淤积量比,进而可分别求得洞庭湖区及螺山至汉口河段的年淤积量。不同三口分沙比条件下洞庭湖区和螺山至汉口河段淤积变化见表3。

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表3 不同分沙比下各部分的淤积变化泥沙淤积量水利论文)L%_5a7pj(\q8s ]V-Q

单位:106t水利论文 ri~5?J!]'j

Value of sediment deposition with different sediment diversion from Jingjiang River水利论文4Vitr"q6_!qR


分沙比

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0.1

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0.15

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0.2

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0.25

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0.3水利论文2Ikw(N;M,kq

0.35

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0.4

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0.45

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淤积量比水利论文8M5Zm6t D"S:c%j

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1.25

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洞庭湖区

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  由表3可知,随着三口分沙比的减少,螺山至汉口河段与洞庭湖区淤积比增大,随着洞庭湖区淤积量的减少,螺山至汉口河段淤积量相应逐步增大,螺山至汉口河段增加的淤积量与湖区减少的淤积量几乎相同(如图5)。水利论文O'S~+P_:H Y

  对比图1、表2与表3的统计结果可见,尽管不同时期随着分沙比的变化,洞庭湖区及螺山~汉口河段的淤积量变化较大,但两个区域的淤积总量变化不大,多年平均淤积量在180×106t左右。当分沙比大于0.4时,由于长江来沙经过洞庭湖沉积后再从城陵矶汇入长江螺山以下河段的沙量大大减少,在流量基本不变的条件下,进入螺山至汉口河段的含沙量小于该河段的水流挟沙力,进而发生冲刷,如1960、1962年三口分沙水利论文L |r p%ueV4y O

比分别为0.376及0.414螺山至汉口河段均发生了冲刷。统计表明:1951~1966年期间三口多年平均分沙比为0.379,1967~1972、1973~1980和1981~1988年期间分沙比分别为0.271、0.213和0.20。这种分沙比的减少导致洞庭湖区在裁弯后的泥沙淤积量在1967~1972、1973~1980、1981~1988三个阶段分别较1951~1966年间多年平均减少41×106t、64×106t、69×106t,而螺山汉口段平均每年淤积分别增加了42×106t、64×106t和70×106t。

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图5 湖区和螺汉河段淤积随三口分沙变化
Variation of sediment deposition and sediment diversion

  由表3及图4还可以看出,若通过疏浚三口分洪道,将分沙比增大到0.4,螺山至汉口河段将不发生淤积,甚至产生一定的冲刷,进而有效地控制螺山以上荆江河段及洞庭湖区同流量下水位逐年持续上涨的局面。将三口分沙比增大到0.4以上或将宜昌来沙量的40%沉积在沿江周边的低洼地区,可作为近期荆江及洞庭湖区治理的一个指标。若从根本上解决荆江及洞庭湖区的防洪问题,由表2及表3可以看出,应设法控制上游泥沙的来量。由于四水来沙量不大,因此,应设法将宜昌的来沙量减少180×106t以上,亦即将宜昌来沙量减少40%,即可做到汉口以上长江干流及洞庭湖区都不发生淤积,这一指标应作为远期的治理目标,可通过水土保持或修建拦沙坝,减少长江上游的泥沙来量来实现。三峡水库的修建,在近百年之内可大幅度减少长江的泥沙来量,为实现荆江及洞庭湖区的远近期治理目标创造了良好的条件。水利论文:p]+{Yo8usX

4.2悬移质泥沙级配变化

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  据统计(表4),长江干流宜昌、监利、螺山和汉口站悬移质多年平均泥沙粒径分别为0.052、0.046、0.049和0.039mm,由于螺山以下河段比降较小,水流挟沙能力也较小,粗颗粒泥沙在螺山至汉口河段普遍产生淤积,因此汉口站的多年泥沙平均粒径小于螺山站的粒径。进入洞庭湖的湘、资、沅、澧四水悬移质多年平均泥沙粒径分别为0.032、0.05、0.033和0.033mm,洞庭湖出口七里山的悬移质多年平均泥沙粒径仅有0.029mm,小于宜昌和四水来沙的平均粒径,进入洞庭湖的粗沙在湖区淤积下来,细沙通过城陵矶输入下游螺山至汉口河段,体现了洞庭湖的沉沙功能。

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  三口分沙比的变化改变了洞庭湖区、荆江及螺山至汉口河段之间的泥沙淤积组成关系,各区间的泥沙级配也相应发生了变化。裁弯后,宜昌、汉口和七里山多年平均泥沙粒径基本未发生大的变化,七里山级配变化不大(图7),宜昌泥沙级配在裁弯后还均有所减小(图9),螺山、监利多年平均粒径和级配(图6,8)反而均有所增大。三口分沙比的减少,增大了荆江河段的输沙量,相应地洞庭湖区淤积减少,减少了上游来沙中的粗颗粒泥沙在洞庭湖区的淤积量,相对增加了监利和螺山断面的粗沙含量,并且导致大量粗沙在螺山至汉口段发生严重淤积。因此,泥沙级配的调整也是三口分沙减少,该区域内部泥沙淤积部位改变的结果,从另一个侧面说明了螺山至汉口河段的淤积逐年加剧的原因。

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  由表4及图6~9可见,尽管四水中湘水来沙平均粒径有所变粗,但沅水和澧水都因为上游建库来沙平均粒径变细,并且四水来沙只占湖区来沙量的14%,因此对荆江、螺山至汉口河段的级配变化影响不大。水利论文^K%m] s&Zp4T

表4 长江中游控制站悬移质泥沙多年平均粒径变化水利论文3O!_ B+z;["^A/]1{6Q

单位:mm

Variation of average sediment size in the middle Yangtze River

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站名宜昌监利螺山汉口四水七里山

汀水资水沅水澧水

多年平均0.0520.0460.0490.0390.0320.0500.0330.0330.029
裁弯前0.0520.0440.0430.0390.0280.0500.0370.0370.029
裁弯后0.0510.0470.0490.0390.0350.0500.0300.0310.029
裁弯后~裁弯前-0.0010.0030.00600.0070-0.007-0.0060

18-6.tif (80268 bytes)
图6 螺山泥沙级配变化
Size gradation curves of suspended sediment in Luoshan station
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图7 七里山泥沙级配变化
Size gradation curves of suspended sediment in Qilishan station
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图8 监利站泥沙级配变化
Size gradation curves of suspended sediment in Jianli
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图9 宜昌站泥沙级配变化
Size gradation curves of suspended sediment in Yichang

4.3 泥沙淤积和级配变化趋势分析水利论文u WLpp5G6B S

  在1954~1988的35年中,三口分沙比小于0.2出现的次数多达6次,而且随着三口的淤积萎缩三口分沙比将会进一步减少。如果分沙比按0.2计算,洞庭湖区多年平均淤积量为

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135×106×74%=100×106(t)水利论文Qg.y:SIU,dG

相应的淤积比为0.82,螺山至汉口河段多年平均淤积量为

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100×106×0.82=82×106(t)

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  如果三口建闸或三口萎缩到完全不分沙,洞庭湖只作为四水汇入长江前的沉沙池,假定四水来沙通过湖区沉积后经城陵矶进入长江的沙量不变,也就是假定泥沙在湖区的沉积率保持不变,四水多年平均来沙量以32.4×106t计算,宜昌年来沙量以多年平均517×106t计算,则湖区多年平均淤积量为水利论文)BOKj k%[2dV8[2T

32.4×106×76%=24×106(t)水利论文%v&_#^K!~$DFF

  由于三口建闸或三口萎缩,长江干流泥沙不经过洞庭湖淤积直接从荆江下泄,原来从三口分沙进入湖区并在湖区淤积下来的泥沙直接从螺山下泄,分沙比为0时由式(7)计算相应的淤积比为7.13,螺山至汉口河段多年平均淤积量高达

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24×106×7.13=171×106(t)

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也就是说,历史上在湖区沉积的泥沙将几乎全部淤积在螺山至汉口河段。如果按河宽2.0km,泥沙淤积干密度1.4t/m3计算,长约240km的城陵矶~汉口河段,每年平均淤高为36.87cm,这是相当惊人的。当三口完全断流,长江中游江湖关系将发生根本性的变化,螺山至汉口河段与洞庭湖区淤积比与三口分沙比之间的关系将发生相应的改变。分沙比为0时,按照公式(7)计算的螺山至汉口段淤积量是一种最不利的情况,对三口是否建闸有重要的参考作用。

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  随着三口分沙比的减少,监利和螺山断面的泥沙级配还会增大。当然,螺山汉口河段的淤积以及监利、螺山断面的泥沙级配的增大不是无限的,当河床淤积到一定程度,荆江河段水位抬高,三口分流分沙比可能会增加,反过来又实现了洞庭湖的蓄水和沉沙功能,将会减缓荆江和下游的淤积速率。另一方面,当螺山至汉口河段的淤积发生到一定程度时,河床比降也会发生调整,挟沙力也会相应增大,直至达到输沙平衡,届时汉口以下河段可能发生较严重的淤积,防洪负担加重。

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5 结论和建议水利论文:Z6~'y8lM;G;S4w

  由于自然和人类活动双重因素的作用,三口分流分沙比近年来发生较大的减少,三口分沙比的减少调整了长江与洞庭湖区的淤积关系,本来淤积在洞庭湖区的泥沙由于三口分沙比的减少,大量泥沙经荆江河段挟带至螺山至汉口段并发生严重的淤积。研究表明:螺山至汉口河段与洞庭湖区淤积比随三口分沙比的减少而增加,其增加率与洞庭湖区淤积的减少率几乎相同。螺山附近及下游河段的淤积抬高了螺山站的水位,同样抬高了洞庭湖出口的侵蚀基准面,使得荆江和洞庭湖区水位普遍升高,增加了洪水对该地区的威胁。因此,长江中游防洪的关键是如何解决湖区和螺汉河段多年平均淤积180×106t泥沙的问题,解决这一问题的途径一种是通过上游水土保持等方法减少宜昌上游来沙量的40%,另一种途径是将180×106t泥沙通过放淤等措施淤积在城陵矶以上的低洼地区。具体可以从以下几方面考虑:水利论文 y3s9W!X`.m9s4P

  1.截断沙源   历史上云梦泽的淤积消失到洞庭湖逐渐衰亡以及长江中游水位的不断抬高,无不反映泥沙对该河段以及上下游河段河床演变和水沙运动所起的重要作用。云梦泽的淤积消失和洞庭湖逐渐衰亡,可以说是上游来沙淤积的直接后果,下游水位抬高、水灾严重是上游来沙在长江中游淤积部位重新调整的结果。因此,要从根本上解决长江中游的水灾问题,防止洪灾的进一步恶化,必须控制或截断上游沙源。减少来沙量的途径主要有:一是上游植树造林,禁止滥垦乱伐,减少水土流失,杜绝沙源。二是修建水库,减少下泄沙量。通过上游治理,力争做到宜昌站的来沙量减少40%,这是一种远期的治理目标。水利论文[z\? W$F}f%^

  2.改变泥沙淤积部位   长江中游水灾恶化的原因是泥沙淤积部位发生改变,湖区淤积减少延缓了洞庭湖衰亡的进程,但加剧了汉口至螺山段的淤积,加重洪水灾害。由于长江中游地面高程普遍低于洪水位,有的地方甚至在洪水位以下10m以上,从多方面权衡利弊,可以考虑将低洼地区作为沉沙池。这样做的好处在于:一方面可以分走长江一部分泥沙,减少螺山至汉口段泥沙淤积量;另一方面通过放淤改土,发展农业生产,抬高背江地面,增加大堤抗洪能力。另一种办法是利用洞庭湖的天然沉沙功能,加大三口的分流分沙比,使泥沙在湖区大量淤积,这样的结果将会加速湖容的损失,但对减少下游淤积发挥重要的作用。尽管湖区由于淤积增加湖容损失加快,将导致湖区对洪水调蓄作用的降低,但从整体来讲,减少下游淤积对控制该地区洪水位所起的作用更明显。总之在城陵矶以上地区应设法分泄宜昌来沙量的40%,以有效地控制洪水位的进一步升高,这是一种近期的治理目标。

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  3.河道疏浚   长江中游水位抬高的根本原因是螺山至汉口河段的淤积增加,河道疏浚可减缓螺山至汉口段淤积,但每年疏浚180×106t泥沙,其工程量将非常大,是不切实际的。因此,河道疏浚只能理解为一种辅助措施,不能作为一种解决河道淤积的主要手段。

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  综上所述,减少长江中游洪水灾害的核心问题是如何处理宜昌每年多来的180×106t泥沙淤积问题。近期的治理措施是设法在周边低洼地区或湖区沉积宜昌来沙量的40%,远期的治理措施是通过水土保持或修建拦沙坝设法使宜昌站的来沙量减少40%,河道疏浚可作为减缓泥沙淤积的辅助措施使用,不能作为解决泥沙淤积问题的主要手段。水利论文8D2WZZE$cg

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