荆江裁弯造成藕池河急剧淤积与分流分沙减少分析(方春明,曹文洪,鲁文,钟正…

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荆江裁弯造成藕池河急剧淤积与分流分沙减少分析水利论文du1u7`/w,eO ik,D

方春明1曹文洪1,鲁 文1钟正1,赵俊林2
j*\7s[&a+i01.中国水利水电科学研究院; 2.长江委三峡水文水资源勘测局)

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摘要:本文通过对下荆江裁弯前后实测水文资料的分析,说明裁弯后荆江水位下降造成了藕池河急剧淤积及分流分沙迅速减小,并且对淤积厚度和分流分沙减小值进行了框算,框算结果与实际值基本一致。

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关键词:荆江裁弯;藕池河;分流分沙

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作者简介:方春明(1965-),男,中国水利水电科学研究院,高级工程师。

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1 江湖关系变化现状

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1为荆江三口分流河道与洞庭湖区示意图。洞庭湖对长江下游洪水起着重要的调蓄作用,长江与洞庭湖具有复杂的相互影响的关系,处于不断变化之中。目前对江湖关系变化现状的研究比较多。下荆江裁弯对江湖关系变化的影响是多方面的,至1985年影响才基本结束,对此也进行了长期研究。这些研究基本弄清了江湖关系的变化现状和三口河道淤积的基本因素,这些因素归纳起来有:水利论文&r C og%o @0l[u_T

1)由于三口分流河道出口不断向洞庭湖推进,河道不断延伸,比降调平,长期以来分流河道处于自然衰减状态。

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2)下荆江裁弯引起荆江河道冲刷,抬高了分流河道口门的相对高程,加剧了三口分流分沙的减少和分流河道的淤积。其中藕池口距裁弯处近,受影响大,松滋口距裁弯处远,受影响较小。

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3)三口口门处长江干流主流线变化会改变三口口门进流进沙条件,对三口口门冲淤和分流分沙产生影响。水利论文'S'^(@*s+q8ye

1 荆江三口分流河道与洞庭湖区示意图水利论文,@T6@I0V k r T7I
Fig.1 The three outlet rivers of Jingjiang and Dongting Lake

4)洞庭湖水位的变化对三口河道淤积也有影响,洞庭湖水位近几十年来有抬高的趋势下荆江裁弯前后荆江河段冲淤情况及裁弯后引起同流量下水位下降如表1[8]和表2[9]水利论文5?.n'X0C,|Y

三口分流分沙近几十年来一直是减少的,自50年代以来统计数据如表3[1]。荆江裁弯加快了三口分流分沙的减少速度,裁弯后1973~1980年与1967~1972年相比,三口年分流量减小了18%,年均递减约2.86%。其中松滋口减小了4%,年均递减约0.6%,藕池口减小了37%,年均递减约6.4%。

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1 宜昌至武汉河床年冲淤量变化  单位:万t,“-”为冲,“+”为淤

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Table 1 Annual sediment accumulation in river channel between Yichang and Wuhan

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裁弯后
河段裁弯前裁弯期
1955~19661967~19721973~19761977~19801981~1984

宜昌~新厂+2300-3000-2000-2050+2250
新厂~监利+200+4200+3600+1600-750
监利~螺山-2600-1900-3200-3000-1400
螺山~武汉+2900+5800+6500+8300+12400

2 沙市与监利1966~1991年同流量下水位降低(不同城陵矶水位z)

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Table 2 1966~1991 water stage drawdown of Shashi & Jianli
PDLJ6^/Ii#^0(different water stage of Chenglingji)

l7a3Ot^5T(o0

沙市水位降低z(m)监利水位降低z(m)
流量(m3/s)
24m26m28m30m18m21m24m27m30m

50002.42.141.720.540.420.21
100001.761.451.180.770.510.22
200001.040.870.730.480.25
300000.70.43

3 荆江三口分流、分沙变化(分流量为亿m3;分沙量为万t)

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Table 3 Change in water and sediment outflow of the three outlet rivers of Jingjiang水利论文M[w"f'H9Xb y&w


1955~19661967~19721973~19801981~1998
分流口
分流分沙分流分沙分流分沙分流分沙

松滋口4915430446485042847103774440
太平口2102420186211016019401331640
藕池口65212200391725024744301893240
三口合计135320050102314210835110806999320

2 下荆江裁弯对藕池河分流分沙影响的定量分析

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2.1 下荆江水位下降减少了藕池河分流量水利论文V2J\dN\&Y;L

下荆江裁弯后河床冲刷,水位下降。以长江新厂站水位流量关系进行分析,裁弯前后不同流量对应的水位如图2所示。由图可知,1967年裁弯前同流量下水位变化不大,1967~1972年裁弯期间水位迅速下降,裁弯后同流量下水位有一个缓慢下降过程,至1984年后同流量下水位又基本趋于稳定。本文中分析裁弯前后同流量下水位变化及对三口分流分沙的影响时,取裁弯前1964年和裁弯后1984年进行比较,这两个年份具有代表性,选这两个年份的另一个理由是这两年的水位流量关系受水位涨落等影响较小,关系线精度高。图3为1964年和1984年水位流量关系,两者比较,同流量下水位普遍下降约1.1m~1.6m左右,下降幅度很大,其中低水时下降幅度比高水时大。

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2 新厂站裁弯前后同流量下水位变化
/Bh ?%Z2OK0Fig.2 Change in water stage of Xinchang before and after the truncation
3 新厂站水位流量关系水利论文@n9x#Bi }%d|[
Fig.3 Relationship bewteen the discharge and water stage at Xinchang station

  图4为管家铺站水位与新厂站水位的相关图,两者的相关性非常好,基本是一条直线,而且相关关系随时间变化很小,1964年和1984年的相关线基本是重合的,其相关关系为水利论文;vRto0mc.v

Z管家铺=0.949·Z新厂+1.19水利论文$XMMK.XQ$p

(1)水利论文4x{iH)K

1964年和1984年比较,由于新厂站同流量下水位普遍下降约1.1m~1.6m,因此管家铺站水位也普遍下降约1.0m~1.5m。新厂站同流量下管家铺站水位下降值可由实测资料进行统计,得到的相关关系为

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Z管家铺,1984=1.0548·Z管家铺,1964-3.272水利论文6N:ca8mbXr'R|(x!OZ

(2)

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由于管家铺站水位普遍下降直接引起管家铺站分流量减小,其减小幅度是可以计算的。管家铺站1964年水位~流量关系为水利论文 L1bvQI{VN,M

Q管家铺=180.396·Z管家铺2-11326.7·Z管家铺+177800 (Z<33m)
Q管家铺=42.6566·Z管家铺2-2507.73·Z管家铺+36857.2 (Z<33m)(3)

按上式以1964年实测水位过程计算年径流量约770×108m3,1964年实测水位按(2)式普遍下降后计算的年径流量约为433×108m3。计算结果说明以1964年为例,下荆江水位下降直接减少管家铺站径流量337×108m3。以同样方法对藕池河康家港站的计算说明,下荆江水位下降可直接使藕池河康家港站1964年径流量由70×108m3减为20×108m3。两站合计减少藕池河分流量387×108m3,减小46%。

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管家铺站和康家港站实测1984年径流量分别为231×108m3和12.7×108m3,由于1984年新厂站来流比1964年偏小,若按新厂站1964年来流换算,1984年管家铺站和康家港站径流量应分别为287×108m3和16.9×108m3, 与1964比较两站合计藕池河分流量减小536×108m3,减小64%。而下荆江水位下降只直接减少藕池河分流量387×108m3,占整个减小量的72%,可见藕池河分流量的减少除荆江水位下降的直接作用外,还有荆江水位下降的间接作用,即由荆江水位下降造成藕池河严重淤积减少分流量的作用,第4部分将对此进行定量分析。水利论文 c@ m``$A Eg

2.2 下荆江水位下降减少了藕池河分沙量水利论文a^/~s Y;HwS?%N)u

下荆江裁弯直接减少了藕池河分流量,因而也直接减少了藕池河分沙量。另一方面荆江水位下降直接引起了水沙关系的变化,对分沙量也产生影响。因荆江水位下降造成藕池河严重淤积减少藕池河分沙量的作用将在第3部分进行定量分析。

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4 为管家铺站水位与新厂站水位相关图水利论文'zsjI U;Zy
Fig.4 Water stage relationship between Guanjiapu
水利论文 [&E-p\-Z u7Y"F3G
and Xinchang
5 新厂站和管家铺站含沙量关系
4syR(l(F7{"\|0Fig.5 Sediment concentration relationship between Guanjiapu and Xinchang

由于藕池河的水流是从长江干流分流而来,因此藕池河的含沙量和长江干流含沙量是相关的,图5点绘了1964年和1984年新厂站和管家铺站含沙量的关系。与这两站间的水位相关性类似,两站间的含沙量相关性也相当好,且变化不大。1984年和1964年相比,新厂站含沙量相同时,管家铺站含沙量略有减少。1964年两者的相关关系为

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S管家铺=1.086·S新厂+0.016

6s)}{'g2]0K0

(4)水利论文T]W)}L BT

  由于新厂站的来流来沙基本不受下荆江裁弯的影响,新厂站的流量含沙量关系受下荆江裁弯的影响也就不大。但由于裁弯后同流量下的水位下降了,因此裁弯后新厂站表现为同水位下的含沙量增加了,因而管家铺站也表现为同水位下的含沙量增加了,如图6所示。

管家铺站1964年的水位含沙量相关关系为水利论文`2r V$li2i0p

6 管家铺站同水位下的含沙量变化水利论文LM2d.R2q.Y3tb
Fig.6 Change in sediment concentration-stage curve
水利论文cF~]Ja4A?A
of Guanjiapu

S=0.0108·(Z-30)2.604Z>33m水利论文4AG8^j0X

(5)

*_1J@x{SDW0

水位下降按(2)式,管家铺站水位下降后的水位含沙量关系应为

4R S ?*BB&gw"Q;e0

S=0.0108·[(Z+3.272)/1.0548-30]2.604

o p'C Sr9Tu0

(6)水利论文AY Z8d K@'o

由于新厂站1964年和1984比水沙关系有所不同,加之藕池河淤积、藕池口进水进沙状态发生有所变化,上式并不能与管家铺站1984年实际的水位含沙量关系比较。表4为由(5)式和(6)式计算的裁弯前后管家铺站各水位级下的含沙量及由(3)式计算的对应流量。由表4可见裁弯后由于水位下降同水位下含沙量显著增加,水位34m时增加了112%,水位39m时增加了34%。水利论文_9CYj4yE(q

管家铺站水位~流量关系按(3)式、水位~含沙量关系按(5)式,根据管家铺站1964年实测水位过程,计算得1964年管家铺站输沙量为1.27×108t,平均含沙量为1.65kg/m3。裁弯后水位下降按(2)式考虑,计算得水位下降后管家铺站输沙量为0.788×108t,平均含沙量为1.82kg/m3。由此可见,水位下降直接使管家铺站分沙量减少38%,平均含沙量增大了10%。按同样的方法计算康家岗站1964年输沙量为0.118×108t,平均含沙量为1.68kg/m3,水位下降后康家岗站输沙量为0.0347×108t,减少了71%,平均含沙量为1.73kg/m3, 增大了3.0%。两站合计,水位下降能直接使藕池河输沙量由1.39×108t减小到0.823×108t,减小41%,平均含沙量增大10%。

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4 裁弯使管家铺站同水位下的含沙量变化值水利论文v%|7eC,e-[ s`

Table 4 Change in concentration-stage of Guanjiapu caused by truncation

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水位级343536373839

水位下降前含沙量(kg/m3)0.400.711.151.712.433.3
水位下降后含沙量(kg/m3)0.851.291.872.573.424.43
增加比例(%)1128163504134
水位下降前流量(m3/s)1230235038325674787710441

1984年管家铺站和康家岗站实测输沙量之和为0.55×108t, 若按新厂站1964年来流换算,1984年管家铺站和康家港站输沙量之和为0.588×108t。可见用实测资料统计比较,藕池河1964年输沙量1.39×108t到1984年时应减少到0.588×108t,减小了0.802×108t,减小了59%。而水位下降只直接减少藕池河分沙量0.567×108m3,占整个减小量的71%。可见藕池河分沙量的减少也并不全部是由水位下降的直接作用的结果,还有藕池河淤积的作用,第3部分将对此进行定量分析。水利论文k z QUF3U fm

2.3 藕池河平均含沙量变化

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下荆江裁弯后会引起藕池河平均含沙量的变化,它主要包括两个方面:一是裁弯后水位下降,新厂站同水位下的含沙量增大,引起藕池河平均含沙量变化,在2.2节中已进行了分析;另一方面是裁弯造成藕池河严重淤积,藕池口进口口门抬高,使藕池口分流水流更接近荆江干流表面水流,同时荆江干流水流流向也发生了变化,使藕池口分沙发生了变化,这里不对此作具体分析。水利论文2Ky:x+C M C

下荆江水位下降应使藕池河平均含沙量增加10%,但由表1可知,1981~1998年平均含沙量为1.71 kg/m3,裁弯前1955~1966年平均含沙量为1.87kg/m3,减小了8.6%。裁弯后藕池河平均含沙量的减小应是藕池河淤积、藕池口进水进沙状态发生变化的结果,藕池河平均含沙量有所减小,但同水位和同流量下的含沙量比裁弯前仍大得多。藕池河在含沙量减小的同时,悬沙平均级配也明显变细。

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3 下荆江裁弯是藕池河急剧淤积萎缩的主要原因

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3.1 裁弯使藕池河急剧淤积水利论文#z_ w9dK ei

由于裁弯后荆江水位下降,造成藕池口水位相应下降,新厂站同流量下藕池口分流量较裁弯前显著减小,流速也显著减小,而相对来说含沙量变化不大。裁弯后藕池口同水位下含沙量急剧增加,也即同含沙量时的流量和流速急剧减小,应是裁弯后藕池河急剧淤积萎缩的主要原因。随着藕池口的淤积,水深显著减小,藕池河平均含沙量有所降低,粒径明显变细,提高了挟沙能力,从而达到新的输沙平衡。以管家铺站为例,裁弯后其平均淤积厚度可以按下面的方法进行估算。取如下形式的挟沙能力公式为

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S*=k·V3/H·ω

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(7)水利论文B EMg*j0|1x

1964年为例,平均含沙量1.65kg/m3,由水位含沙量关系图5查得对应裁弯前水位约37m,对应平均水深约13m,最大水深约18m。水位下降后水位应为35.8m,平均含沙量应为1.51kg/m3

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由实测资料分析,裁弯后管家铺站水位流速关系变化不大(图7),水位37m时,平均流速约1.50m/s,水位35.8m时,对应平均流速约1.05m/s。

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由实测资料分析,裁弯后管家铺站悬沙平均粒径变细,平均沉速由约0.15cm/s减小到约0.10cm/s。

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把上面的几个数据代入公式(7)则估算水位下降后管家铺站平均水深减小值应为水利论文NZ!N6~:plLn

ΔH=[1-1.05m/s/1.50m/s]3·0.15cm/s/0.10cm/s·1.65kg/m3/1.51kg/m3]·13m=5.7水利论文Q)}_&^y:`/q s

(8)

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  上面(8)式中若以最大水深18m代替平均水深13m进行估算,则管家铺站平均水深减小值应为7.9m。水深减小值中扣除水位下降1.2m后应为断面的平均淤积厚度,管家铺站平均淤积厚度估算值应为4.5m~6.7m。

*hC4@ S2m d/o3d{0  1966~1984年管家铺站实际淤厚约5.7m,介于按平均水深估算值和按最大水深估算值之间。上面的分析说明,裁弯后荆江水位下降应是藕池河急剧淤积萎缩的主要原因。当然管家铺站和康家岗站都在藕池河的进口段,藕池河下段,特别是出口段的淤积还与洞庭湖水位抬升及河道延伸等影响因素有关。

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7 管家铺站水位流速关系水利论文/c WV1k@k
Fig.7 Water stage velocity curve of Guanjiapu

3.2 裁弯使藕池河分流分沙迅速减小水利论文@m&u{%V5E

2节中对裁弯直接减小分流分沙作用进行了分析,这里对藕池河的淤积造成的分流分沙的减小也进行分析,从而估算出裁弯对藕池河分流分沙减小的总的作用。

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2.1节中分析表明,水位下降直接使藕池河(管家铺站与康家岗站相加)1964年径流量从840×108m3减少到453×108m3,减小46%。考虑到藕池河的淤积使平均过水面积减小约30%,则淤积将使藕池河分流量进一步减小到317×108m3,因此裁弯总的作用能使藕池河1964年分流量减小62%。水利论文R z pM1lU

新厂站1984年来流按1964年来流换算后,1984年藕池河径流量应为304×108m3,与这里估算的317×108m3基本相同,这说明裁弯是藕池河分流量迅速减小的主要原因。

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2.2节中分析表明,水位下降直接使藕池河1964年分沙量从1.39×108t减少到0.823×108t,减小41%,平均含沙量增加约10%。考虑到藕池河的淤积使平均过水面积减小约30%和平均含沙量实际减小约8.6%,则淤积将使藕池河分沙量进一步减小到0.469×108t,因此裁弯总的作用能使藕池河1964年分沙量减小66%,与分流量的减小比例接近。新厂站1984年来流按1964年来流换算后,1984年藕池河分沙量应为0.588×108m3,应减小58%,与这里估算的减小66%也比较接近。这说明裁弯也是藕池河分沙量迅速减小的主要原因。藕池河同水位下含沙量增大造成严重淤积的情况在其它河流上也可能存在,如黄河沿岸引水增加,造成小水大沙的情况就有些类似。

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4 结论

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(1)藕池河进口管家铺站和康家岗站水位与荆江新厂站水位相关,下荆江裁弯后河床冲刷,新厂站水位下降,造成藕池河进口站水位下降,分流量减小。

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(2)管家铺站和康家岗站含沙量与新厂站含沙量相关,新厂站水位下降后同水位下含沙量显著增大,因此藕池河同水位和同流量下含沙量显著增大,也即同含沙量时水位下降,流量显著减小,造成藕池河严重淤积。

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(3)对裁弯造成的藕池河淤积和分流分沙量减小值进行了框算,框算结果都与实际减小值基本一致,说明下荆江裁弯后水位下降是藕池河急剧淤积萎缩、分流分沙迅速减小的主要原因。水利论文flk1? ~l!M`-m(g

(4)长江中下游和洞庭湖区防洪任务艰巨,对造成高洪水位的原因应深入研究。

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参 考 文 献

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[1] 三峡“九五”泥沙问题研究95-1-4总报告,三峡水库运用不同时期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,2000年。水利论文X+RP$Ys1H

[2] 谢鉴衡。下荆江系统裁弯后河床演变探讨。谢鉴衡论文集, 武汉水利电力大学,1995.

/} KA6J%W"C0

[3] 段文忠。下荆江裁弯与城陵矾水位抬高的关系。泥沙研究,1993, (1).

l?;] o6SaJ)a k0

[4] 陈时若,龙慧。下荆江裁弯前后江湖关系的变化。泥沙研究,1991,(3).

&w Tdcq aq0

[5] 韩其为, 周松鹤。三口分流河道的特性及演变规律。中国水利水电科学研究院。

?#@cif0

[6] 王运辉。洞庭湖与下荆江裁弯。水利学报,1990,(7).

k&UAu,W|8p%~0

[7] 潘庆燊,等。下荆江裁弯工程经验总结。人民长江,1978,(1).水利论文 Ds S"ue5TaEB7~`

[8] 长江航道局。三峡工程对葛洲坝枢纽以下航道影响的初步分析。三峡工程泥沙问题研究成果汇编,水利电力部科技技术司,1988年。水利论文.v"L \d){FP.w

[9] 韩其为,何明民。从裁弯后荆江断面调整看三峡水库修建后横断面变化。三峡水利枢纽工程应用基础研究(第二卷),地质出版社,1997年。

i ~ e}^)@$w0

[10] 武汉水利电力学院河流泥沙研究室。论裁弯与三峡建库对荆江及其下游河床演变影响的异同。三峡水利枢纽工程应用基础研究(第二卷),地质出版社,1997年。水利论文 WF L+@;j/mOq

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