汉口边滩2011年超常淤积的机理探析

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论文摘要

  引言

  2011 年 9 月,汉江发生持续近半个月的秋汛,武汉河段汉口水道左岸形成了长约 1.8km,宽约 700m的宽大沙体,汉口边滩淤积速率、范围、幅度均远超记录。据 2011 年 9 月 21 日相关报道,“18 日抛设浮标时水深 7.5 米,20 日上午 10 时再测水深就只有 2.7 米了,泥沙淤积速度惊人。”突然出现的边滩淤积迫使长江干线武汉段主航道南移,并且致使航宽由原来的 200m 压缩到不足 130 米,使得武汉河段在长达数月的时间内只能分时段单向通航,船舶大量积压。此次汉口边滩的超常规淤积现象及其所造成的碍航现象,均为历史首次,引起了广泛关注,对其成因的猜测一时莫衷一是。

  在干支两方面水沙来源影响下,交汇区的水沙输移、河床冲淤与来水来沙之间的响应关系敏感而复杂,一直是研究的热点。已有研究采用矩形河道等概化方式,针对不同汇流比、不同入汇角等情况下的干支流交汇口附近水沙输移特性开展过较多试验和理论分析工作,亦有研究围绕着长江上游嘉陵江、乌江等支流入汇区及中游洞庭湖、鄱阳湖汇流口附近水沙输移特性开展不少分析工作。然而,作为长江中下游唯一直接入汇长江的大型支流,汉江入汇口附近河道形态与水沙输移存在不少特殊之处,在三峡水库蓄水后特殊的水沙条件下,汉江口门处武汉河段的冲淤与支流、干流分别存在何种联系,2011 年的特殊现象又是发生于何种特定条件,这是以往关注较少的问题,需要结合河段具体情况开展深入分析工作。

  本文以两江交汇口附近测站 1970 年代以来水沙资料,以及近期干支流河道地形资料,从干支流来水来沙特性、交汇口附近水动力及冲淤特性等方面,对汉口边滩 2011 年超常淤积的机理进行初步探析。

  1 背景情况简介

  1.1 汉江下游近河口段概况

  汉江河口段水沙输移的动力条件深受长江干流水位影响,根据以往研究,该种影响的范围最远可上溯至河口以上 150km 附近的仙桃附近,因而本文对汉江的分析工作局限在仙桃以下的近河口段(图 1)。本河段河道单一,仙桃站为入江水沙量控制站,仙桃以下还分布有汉川、新沟、舵落口 3 个水位站,虽然仙桃站附近还设有杜家台分洪闸在特大洪水时相机启用,但因其分流量较小且历时短,对河床演变影响不大。

  汉江仙桃以下主要为蜿蜒河型,受护岸影响形成了上宽下窄的漏斗型,汉川以上河宽多在 400m 以上,而汉川以下愈来愈窄,至河口附近最窄处仅 100m。本段河床为厚度约 60m 的第四纪河湖相物质覆盖,属明显二元结构,河床河岸底部由细砂组成,抗冲性较弱。丹江口水库 1970 年建成以后,虽然坝下游沿程冲刷,但汉江近河口段距坝较远且受长江水位顶托影响,并未表现出趋势性冲刷,河道深泓 1978-2010年以来有冲有淤,总体略显淤积。

  1.2 汇流口附近长江干流概况

  汉江入汇口附近长江干流习称汉口河段(图 2),位于长江中游武汉市主城区,汇流口下游 1.15km 处设有武汉关水文站。汉江汇流口下游即为长达 10km 左右的狭长形汉口边滩,其水上部分较稳定,水下部分变化幅度较大,年际之间变化规律为周期性上提下移。河道右侧存在鲇鱼套至余家头的武昌深槽。本河段受两岸龟、蛇山节点以及人工护岸限制,河岸非常稳定,此段的主流流向表现为枯期主流在鲇鱼套附近即摆向右侧并沿武昌深槽下行,而汛期主流沿左岸下行直至余家头以下才摆向右侧主槽。三峡水库蓄水之后,坝下游主要冲刷带仍停留在荆江河段,汉口河段床沙质来沙量相比蓄水前降幅不大,因而河床冲刷不明显,滩槽格局未发生明显调整。
  
  1.3 2011 年汉江秋汛过程及汉口边滩冲淤情况
  
  2011 年秋汛源于 9 月中下旬汉江上游的 3 次强降水过程,历时约 20 天,仙桃站洪峰出现于 9 月 22 日,流量达 10500m3/s。据监测,汉江近河口段新沟站至汉口站落差、流速创历史新高,洪峰期最大落差达 8.83m,流速最大达 6.36m/s(2011 年 9 月 19 日 7 时)。与此对应,汉江入汇口下游长江左岸迅速淤积出长约 1.8km,宽约 700m 的水下边滩(图 2),淤积体体积近 800 万 m3。秋汛期的淤积体在汛后相当长时段内仍保持了较大规模,汉口水道疏浚工作至 2012 年 2 月仍在进行,之后随着汛期来临才逐渐冲刷下移,碍航局面得到缓解。

  2 2011 年秋汛期两江来水来沙的特殊性

  2.1 汉江秋汛特点及 2011 年秋汛期水沙特性

  汉江水系的气候降雨特征导致该流域具有显着的夏秋季洪水分期特点,9 月和 10 月较为频繁发生的洪水习称秋汛,洪水历时 10d 到 30d 不等。将仙桃站年最大洪峰出现于 8 月下旬之后的年份视为秋汛年,则1970 年至 2011 年的 38 年间,汉江下游共发生 17 次秋汛,各年具体洪峰日期分布情况见图 3。由图可见,秋汛发生于 9 月到 10 月上旬的几率最大,尤以 9 月中上旬居多。据此判断,2011 年汉江秋汛发生时机不具有特殊性。

  从仙桃站历年洪峰和洪量统计数据来看,2011 年秋汛的洪峰流量和最大 7d 洪量低于 1970 年以来的1975 年和 1983 年,最大 15d 洪量次于 1983 年,重现期约为 15~20 年一遇。由此可见,虽然 2011 年汉江来水量大而集中,但并非罕遇型特大洪水。

  汉江下游沙量主要源于中游干流来沙, 一般具有大水年输沙量大的特点。由于缺乏近期仙桃站含沙量实测数据,该量可用位于仙桃站上游 229km 皇庄站观测数据来反映(见图 4)。皇庄与仙桃两站之间无支流入汇,长期以来两站输沙量具有较好的同步性。从皇庄站 2000 年以来历年 9 月的径流量和来沙量统计可见,2011 年秋汛期汉江上游来沙并非历年最大,该年 9 月份的输沙量及含沙量均远小于 2003 年同期值。
  
  2.2 2011 年秋汛期汉口站来水来沙

  汉口站多年来水位流量关系较稳定,水位与流量变化具有同步性。从汉口站多年流量资料来看,其洪峰主要发生于 7、8 月份,汉江易发秋汛的 9~10 月正处长江汛后的水位回落期。统计 1972-2011 年历年 8月下旬至 11 月中旬的汉口日均流量过程,分别点绘出历年同期最大、最小以及平均流量,由图 5 可见 2011年秋汛期汉口站流量过程远远低于历年平均过程线,接近历年同期下限。即使在 9 月 15 日到 9 月 24 日的汉江秋汛期,流量由 16700 m3/s 逐渐增加到 28400 m3/s,但仍小于 1972 年以来同期平均水平。

  近五十年来,该段含沙量自 1980 年起持续下降,三峡蓄水后更甚。比较三峡水库蓄水前后不同时期汉口站含沙量可以看出(图 6):2011 年汉口站含沙量与蓄水后 2003-2010 年同等流量下的含沙量相比,总体处于偏低的水平,但在 20000m3/s 流量附近存在沙量较大的点据,而这些数据正对应汉江秋汛时期。以上特点也可从图 7 中 2011 年汉江秋汛期螺山和汉口两站含沙量比较得到反映,由图可见,9 月份汉口站上游螺山站含沙量一直维持在小于 0.1kg/m3的水平,但汉口站却于 9 月中下旬出现明显沙峰,该沙峰显然是由区间内汉江入汇引起。

  2.3 干支水沙组合特点

  汉江入汇流量一般情况下占汉口流量比例较小,据 1972 至 2002 年的年径流量统计,仙桃站年径流量约占汉口站 6.32%,三峡水库蓄水后 2003 至 2008 年该统计值约为 6.08%,一直较为稳定。虽然多年平均情况下汉江汇流比较小,但年内某些时期却可能出现汇流比较大的情形,一是干、支流均处于枯水期,而支流占干流比例较大;二是秋汛期,干流流量已减小但支流突发洪水。从图 8 中仙桃流量与汇流比的关系可见,第一种情况下的汇流比一般难以超过 20%,第二种情况下汇流比能够达到 30%以上,甚至超过 40%。

  2011 年 9 月汉江汇流比最高达到 44.1%,汇流比超过 20%的时间长达 13 天,在有实测资料的各秋汛年中,是从未有过的。通常情况下,汉口水位与含沙量主要决定于干流来水来沙,秋汛期汇流比的增大意味着汉口的流量和含沙量将表现出一些特殊性,一是同样仙桃流量下,汉口水位将处于较低的水平;二是同样汉口流量下,汉口含沙量将显着受到汉江入汇沙量影响。尤其是,三峡水库蓄水后,长江干流的来流含沙量大大降低,含沙量较大的汉江汇流将使汉口输沙量明显增大。三峡水库蓄水前,仙桃流量与汉口含沙量不存在明显关系,但由图 9 可看出,三峡水库蓄水后的汛期仙桃来流量与汉口含沙量大致呈现正相关关系,2011 年秋汛期汉口含沙量与仙桃来流量几乎成正比。这种相关关系的变化,正显示了三峡水库蓄水后较大汇流比情况下汉江来沙对干流的显着影响。

  3 2011 年秋汛期河段内水沙输移特点

  3.1 汉江下游水动力及冲淤情况
  
  汉江下游近河口段的冲淤特性与其水动力条件息息相关,而后者又受到河道形态和河口水位两方面因素影响。从河道形态来看,仙桃以下河宽逐渐由宽变窄,汉川以上河宽多在 400m 以上,而汉川以下仅 100~200m,这种特殊的漏斗形河道在汛期大流量时期泄流能力较差,常常造成汉川以上水位壅高,从而形成汉川下游段出现陡比降和大流速。从汉口水位顶托作用的影响来看,当汉口水位较高时,汉江下游水位也壅高,导致流速减缓、比降调平。随着汛枯期之间汉江流量和汉口水位的不同组合,以上两种因素影响大小交替变化,从而使沿程水面线呈现出下凹型和上凸型等不同形态。秋汛期汉江流量较大,而长江高洪水位已消退,汉江下游难以出现下凹型的沿程水面形态,从收集的 1964、1983、2005 及 2011 年等不同秋汛年份的沿程水位来看(见图 10),汉口水位较高的 1964、1983 和 2003 年,水面比降沿程较为均匀,但长江水位较低的 2005、2011年,汉川以下都存在比降沿程增大的现象。尤其是 2011 年,汉川站与汉口站水位相差最大达到 11.27m,入河口附近江汉一桥断面实测流速大于 5m/s 的时间长达 6 天,大于 6m/s 长达 3 天,最大流速达 6.36m/s*。

  汉江近河口段水动力条件的变化必然伴随河床冲淤调整。在多数情况下,汉江来流较小,或者长江水位较高,仙桃以下具有一般近河口沿程比降调平的特征,由此必然伴随泥沙的沿程缓慢落淤。然而,在汉江来流较大而长江水位较低的秋汛条件下,近河口段异乎寻常的大比降、急流速必然导致河床的迅猛冲刷。

  据 1983、2005 年等秋汛年后的河道地形观测显示,秋汛期汉江近河口段普遍出现了冲刷,一些位置还出现崩岸,11 月以后至次年 4 月,两江都处于落水季节,汉江流速减小,秋汛期的冲刷坑才开始逐渐回淤。

  2011 年的地形数据显示,9~10 月新沟以下 45km 的河道内普遍冲刷 2-8m,冲刷坑最深处可达 20m。如此长距离内的强烈冲刷,必然伴随大量泥沙进入干流。

  3.2 汇流口附近干流水动力条件与冲淤情况

  汇流口附近长江干流的冲淤分布与该区域的水动力条件和含沙量分布有关,其影响因素包括干流河道的滩槽格局以及支流入汇的影响。

  武汉河段在龟蛇山以上主槽居左,长江大桥以下武昌深槽居右,上游河道控导作用和下游深槽吸流作用在汛枯期之间的交替消长,就造成了汉江入汇口附近主流的左右摆动。由汉江入汇口下游 5#断面 2008年实测的横向流速分布可见(图 11),当流量小于 20000m3/s 后,主流摆向右侧的特点十分明显。流速横向不均匀分布也相应地造成了含沙量的不均匀分布,河段内含沙量在中洪水期明显呈现左大右小的横向分布特征,并且主输沙带从左向右的偏转滞后于主流带。由 2008 年 10 月观测资料可见(图 11),20200m3/s 流量下左侧水动力条件已开始减弱,但左侧含沙量仍明显大于右侧。汉口河段这种水动力条件和含沙量分布左右转换的不同步,必然导致汛后中水期河道左侧易于产生淤积。

  室内试验和天然观测资料均证实,随着汇流比的增大,支流入汇常常在干流中形成回流分离区,从而影响干流的流速平面分布。汉江入汇口与长江干流夹角近于 90%°,特殊情况下支流汇流比超过 40%,支流对汇流口附近水流条件的影响不可忽视。采用 2011 年 8 月实测地形,用平面二维水流模型(模型范围自汇流口上游 20km 至汇流口下游 40km)计算了 2011 年秋汛前的 9 月 12 日(对应汉口水位 17.04m,入汇流量 1560m3/s,汇流比 10.2%)和秋汛期 9 月 17 日(对应汉口水位 17.73m,入汇流量 8300m3/s,汇流比44.1%)的汉江入汇口附近的长江干流平面流场分布(图 12),由图可见,在汇流比较小的情况下,入汇口下游流速分布与单一河段流速分布较为类似,但随着汇流比增大,河道左侧形成了明显回流区,其范围占据一半的河道宽度,使得主流被迫向南挤压。大范围的回流区必然导致河道左侧的迅速淤积。由图 2 中 2011年汛后测量的汉口边滩 8m 等高线来看,边滩淤积位置、形态、范围与汉江入汇口下游回流区的相应特征均较为类似。
  
  4 秋汛期汉口边滩淤积成因及发展趋势

  从上文的分析可见,2011 年 9 月的汉江秋汛是发生频率近于 20 年一遇的较大洪水,无论从汉江流域来流量还是来沙量,都不属于近期最大值,而汉口站水位却接近历史同期最低值,两相组合之下,导致了同等仙桃流量下汉江汇流比达到历史最大值,这是导致汉口河段淤积的水文条件。汉江近河口段独特的水沙输移特性,导致了仙桃以下(尤其是汉川以下)存在冲淤交替的复归性演变特征。即使在仙桃来沙量不大的情况下,较大的仙桃流量以及较低的汉口水位也能导致汉江入汇沙量成倍增大,从而为汉口河段的淤积提供物质条件。大小流量下汉江入汇口附近长江干流水沙主输移带的左右转移,以及入汇口下游回流区范围随汇流比的不断变化,则是造成河道左侧淤积的水动力条件。综合来看,以上各因素能够存在并且维持一定强度和持续时间的必要条件,是较低的汉口水位和较大的仙桃流量,也即较大的汇流比。

  事实上,对汉口边滩的长期观测资料分析表明,边滩的头部面积与汉江是否发生秋汛息息相关,这显然与秋汛期汉江汇流比一般维持较大值有关。为证实这种关系,图 13 中统计了近期的 1986、1996、2003、2005 年秋汛后的汉口边滩 8m 等高线面积(长江二桥以上的边滩头部范围),由图可见,各年秋汛期的汉江平均汇流比与汛后边滩面积之间存在明显的正相关关系。由此可见,2011 年 9 月汉江秋汛期汉口河段之所以出现超常规淤积,正是由于汇流比以及较大汇流比的持续时间均达到了历史最大值。

  汉江秋汛期的汇流比决定于仙桃来流量和长江干流来流。进入上世纪 90 年代以来,长江上游汛后来流量明显减少,为保证水库蓄满,水库蓄水时间不断提前,尤其是 2008 年以后水库汛后蓄水位逐渐接近 175m,蓄水时间也由 9 月下旬逐渐提前至 9 月 10 日。这样,在从 9 月中旬至 10 月下旬的时段内,汉口流量不可避免地受到消减,而此时正是汉江秋汛发生频率最高的时期。2011 年的汉江秋汛是三峡水库进入试验性蓄水阶段之后的首次秋汛,长江干流较小来流量固然与该年度属枯水年有关,但三峡水库蓄水的影响显然也不可忽视。可以预见的是,随着三峡水库的正常运行,汉江出现较大汇流比的几率以及大汇流比的持续时间将较过去的天然情况增加,汉口河段的边滩淤积幅度和频率也将增大。

  5 结论

  汉口水位较往年同期偏低、汉江汇流比达历史最大,是导致 2011 年秋汛期汉口河段边滩超常淤积的主要原因。在汉江发生秋汛而汉口水位较低的情况下,汉江近河口段比降大、流速大而引起强烈冲刷,致使大量泥沙进人长江干流,构成汉口边滩超常淤积的物质条件;汉江入汇流量和流速大,汉口水位低,使得长江干流左侧形成大片回流缓流区,构成了汉口段左侧淤长形成超大型淤积体的动力条件。

  三峡水库正常蓄水运行后,水库蓄水与汉江秋汛遭遇的情况下,汉江近河口段冲刷影响岸坡稳定,汉江入汇口附近长江干流大幅淤积影响航道畅通,这两方面的问题均需引起重视。【图略】

  参考文献:

  [1] 王协康,王宪业,卢伟真.明渠水流交汇区流动特征试验研究 [J]. 四川大学学报,2006,38(2):1-5.WANG Xiekang, WANG Xianye, LU Weizhen, Experimental study on flow structure at open channel confluences [J]. Journalof Sichan University,2006,38(2):1-5.(in Chinese)
  [2] 惠遇甲,张国生.交汇河段水沙运动和冲淤特性的试验研究 [J].水力发电学报,1990,(3):33-42.HUI Yujia, ZHANG Guosheng. Experimental studies on the behavior of flow and sediment movement at river confluence [J].Journal of Hydroelectric Engineering,1990,(3):33-42.(in Chinese)
  [3] 缪吉伦,母德伟,张绪进,等.三峡水库运行对乌江河口段泥沙淤积影响 [J].重庆交通学院学报,2003,22(1): 105-120.

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