三峡水库消落期土脑子河段冲淤特性分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３９卷第１期　２０　０　８年１月　人　民　长　江　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｖｏ１．３９．Ｎｏ．１　Ｊａｎ．．２０ｏ８　文章编号：１００１—４１７９（２００８）０１—００１３—０４　三峡水库消落期土脑子河段冲淤特性分析　刘德春　易定嵘　罗　中　（长江水利委员会长江上游水文水资源勘测局，重庆４０００１４）　摘要：土脑子河段位于三峡库区土脑子至鹭鸶盘，长约３　ｋｍ，三峡水库蓄水前具有汛期淤积，汛末及汛后冲刷，　年内冲淤基本平衡的规律。三峡水库１３５～１３９　ｍ运行期，该河段位于回水区中段，年内有冲有淤，累积为淤，　其中汛期为主要淤积期，汛末及消落期是主要冲刷期。分析表明：在水位消落期，土脑子河段比降约增大３３％　一１８２％；在消落初期坝前水位１３９　ｍ、流量大于１０　０００　ｍ３／ｓ时，河床开始冲刷，随着坝前水位消落，入库流量增　大，冲刷强度逐渐增强，在流量１５　０００　ｍ３／ｓ左右时冲刷强度最大，当水位消落至１３５　ｍ、流量大于２３　０００　ｍ３／ｓ　时，冲厣Ｊ过程基本结束；土脑子河段消落冲刷量主要集中在右侧深槽，冲刷量大小主要与消落水位、消落时间、　前期淤积量以及来水来沙条件有关，水位消落越大，消落时间越长，冲厣Ｊ量越大；前期淤积量越多，冲刷量越多；　消落期来沙量越小，来水相对越大，冲刷量也越大。　关键词：水位消落期；消落冲刷；变动回水区；土脑子河段；三峡水库　文献标识码：Ａ　中图分类号：ＴＶ１４５　．１　三峡水库１３５～１３９　ｉｎ蓄水运行期，变动回水区大致位于李　渡至丰都之间，土脑子河段处于变动回水区中段，该段是天然川　江的三大淤沙河段之一，也是变动回水区的主要淤积河段…，对　研究三峡水库变动回水区冲淤规律具有较好的代表性。为此，　在２００３—２００５年，长江水利委员会水文局选择土脑子河段进行　了观测研究。本文根据实测资料，对消落期土脑子河段的水流　特性、冲淤量、纵横断面变化等进行了初步分析，对认识三峡水　库特性和制定水库调度方案具有实际意义。　１河道概况　土脑子河段长约３　ｋｍ，处于丝瓜碛弯顶以下（图１），上距长　江清溪场水文站１８　ｌｃｎ１，下距三峡大坝约４５６　ｋｍ。两岸主要由岩　图１土脑子河段河势示意　石组成，床面主要由沙卵石组成。洪水期河宽大于１　０００　ｍ，最　宽可达１　６Ｏ０　ｍ。江中有宽大的兔耳碛和下丝瓜碛，深槽紧贴右　岸。当水位在１３２．０—１３９．０　ｉｎ时，被下丝瓜碛和兔耳碛分为３　汉，当水位在１３７．０—１４４．０　ｍ时，被兔耳碛分为两汉，水位高于　１４４．０　ｍ后，水面完全汇合。汛期，五羊背至鹭鸶盘一带形成缓　流漫水区域，泥沙大量落淤，尤以土脑子一带最为严重，此时内　航线也随主流左移，最终移至兔耳碛右侧；汛后随着水位退落，　水流归槽，右侧深槽内淤积的泥沙产生冲刷，航迹线又逐渐回归　至右侧深槽，年内呈周期性往复摆动。本河道枯水期航行条件　较差，航道的显著特点是航槽弯曲、窄浅，属通航控制性河道。　÷耄　时间／（月日）　图２　２ＯＯ４、２ＯＯ５年三峡水库消落期坝前水位过程线　出，两年坝前水位消落过程是不同的，主要表现在：①消落开始　时间不同，２００４年大致从３月３日开始，２００５年大致从５月２３　日开始，２００５年比２００４年后延了两个多月；②水位变化过程不　同，２００５年消落期坝前水位基本是单调下降的，２００４年则是有　２消落期土脑子河段水流条件变化　２．１坝前水位消落过程　图２是２Ｏ０４、２００５年汛前三峡水库坝前水位过程线，可以看　收稿日期：２００７—１０—２１　基金项目：国家重点基础研究９７３项目资助（２００３ＣＢ４１５２０３）　升有落，可大致划分为３个消落过程，即：３月３—２２日坝前水位　作者简介：刘德春，男，长江水利委员会水文江上游水文水资源勘测局，高级工程师。　维普资讯 http://www.cqvip.com

１４　人　民　长　江　２ＯＯ８焦　从１３８．６５　ｍ消落到１３６．１５　ｍ，５月ｌ５～２５日水位从１３８．２８　ｍ消　落到１３６．９４　ｍ，６月ｌ４～２０日水位从１３７．５５　ｍ消落到１３５．４１　ｍ；　万ｍ３，２００４年ｌ２月１４日至２００５年４月２６　Ｅｔ冲刷了３９万ｍ］。　③消落时间长短不同，２００４年３个消落过程共计约３５　ｄ，２００５　年消落期大致为５月２３日至６月３日，共计１１　ｄ，２００５年消落时　间比２ＯＯ４年短得多。　２．２比降变化　水位消落期，由于回水末段下移，变动回水区水面比降一般　存在增大趋势。表１是土脑子河段当坝前水位从１３９　ｎｌ消落至　１３５　ｍ时的水面比降变化成果，可以看出，当入库流量５　０００　ｍ３／ｓ　时，土脑子河段水面比降从０．３８×１０“增加到１．０７×１０，增加　２００３　０１　０１　２００３．０６　３０　２００３　１２　２７　２００４．０６　２５　２００４．１２．２１　２００５．０６．１９　２ｏ０５．１２．１６　肘间／（年月日）　了１８２％；当入库流量１０　０００ｍ３／ｓ时．水面比降从０．８１×１０“增　加到１．２５×１０～，增加了５４％；当入库流量２０　０００　３／ｓ时，水面　比降从０．９８×１０Ｉ４增加到１．３０×１０一，增加了３３％。　从表中还可看出，三峡水库坝前水位１３５　ｍ时，土脑子河段　的水面比降均比蓄水前小，说明消落结束后，土脑子河段未脱离　回水末段，仍受水库蓄水影响。　表１消落期土脑子河段比降成果　２．３流速变化　水位消落期，变动回水区水深变浅，过水面积减少，断面流　速一般增大。据观测，当流量１０　０００　ｍ３／ｓ，坝前水位从１３９　ｍ消　落至１３５　ｍ时，￥２５２＋４断面的平均流速由１．０６　ｍ／ｓ增加到１．４５　ｍ／ｓ，增加了３６．８％；当流量１５　０００　ｍ３／ｓ，坝前水位从１３９　ｍ消落　至１３５　ｍ时，￥２５２＋４断面的平均流速由１．２４　ｍ／ｓ增加到１．４９　ｍ／ｓ，增加了２０．２％。　由于土脑子河段为分汊性河道，在断面的不同位置，水位消　落引起的流速增加幅度是不一样的，一般是槽中流速增加的幅　度大于洲滩。　３消落期土脑子河段冲淤变化分析　＼■籁殳　３．１冲淤量变化　为研究三峡水库１３５～１３９　ｍ蓄水运用期土脑子河段冲淤　变化，２００３～２００５年采用断面法和地形法对土脑子河段进行了　观测。图３是土脑子河段累积冲淤过程与库水位变化图，图中　表明，蓄水以来土脑子河段呈累积性淤积趋势。据统计，２００３年　３月至２００５年ｌ２月累积淤积了４３７万ｒｎ３，其中２００３年３～１２月　淤积了８４万ｍ３，２００３年１２月至２００４年ｌ２月淤积了２２７万　，　２ＯＯ４年１２月至２００５年１２月淤积了１２６万　。　从年内冲淤过程看，土脑子河段年内有冲有淤，可大体划分　为４个阶段：上年末至本年度水位消落前的微冲微淤阶段、消落　期冲刷阶段、汛期淤积阶段、汛末冲刷阶段。其中汛期是主要淤　积阶段，汛末和消落期是主要冲刷阶段，年际间具有明显的周期　性，成果见表２。　在上年末至本年消落前阶段，由于入库流量较小，一般在　５　０００　ｍ３／ｓ时以下，而坝前水位较高（１３９　ｍ附近），土脑子河段比　降一般在０．４×１０　以下，流速一般在１．０ｍ／ｓ以下，故河床冲淤　变化不大。２００３年ｌ２月２５日至２００４年３月５日仅淤积了８６　图３土脑子河段冲淤累积过程与库区水位变化过程　表２　２００３—２ＯＯ５年冲淤量成果　统计时段／（年．月．日）冲淤量／万ｍ３　说明　在主汛期，土脑子河段接近天然情况，仍是主要淤沙期。　２００３年３月３日至ｌ０月８日淤积了６００万ｍ３，２ＯＯ４年６月２３日　至１０月１７日淤积了３５４万ｍ３．２ＯＯ５年６月３　Ｅｔ至１０月９　Ｅｔ淤　积了３４０万ｆｎｊ。　在汛末退水阶段，由于上游来水减少，水位降低，土脑子河　段水流归槽，河床发生冲刷。２００３年１０月９日到１２月２４　Ｅｔ冲　刷了５１６万ｍ３，２００４年１０月１８　Ｅｔ至１２月１３　Ｅｔ冲刷了１２５万　ｍ３，分别占当年汛期净淤积量的８６．０％、３４．６％。２ＯＯ４年的冲刷　百分数比２００３年明显偏小。原因主要有两方面：①２ＯＯ４年的　汛期淤积量比２００３年少；②２００３年坝前水位从１１月７　Ｅｔ起蓄　至１３９　ｍ附近运行，而２００４年在１０月８　Ｅｔ就蓄至１３９　ｍ附近运　行，２ＯＯ４年比２００３年提前了１个月，由于水位抬高，流速减小，　故冲刷能力就低一些。　从消落期观测资料看，一个水位消落过程，土脑子河段一般　对应有一个冲刷过程。如２００４年３月３　Ｅｔ至６月２１　Ｅｔ坝前水　位有３个消落过程，与此相应，土脑子河段对应有３个冲刷过　程，３月６～２６日、５月１～３０日、６月１７—２２　Ｅｔ分别冲刷了３７　万、１７２万、２６万ｍ３。土脑子河段消落冲刷主要有以下特点：　（１）随入库流量和消落水位的不同，消落冲刷强度也不一　样。如２００４年３月６～２６日，平均流量为４　９００　ｍ３／ｓ，入库流量　小，冲刷强度只有０．６ｌ万ｍ３／（ｋｍ・ｄ）；随着入库流量增大，５月１　—３０日平均流量为１０　２００　ｍ］／ｓ，冲刷强度增加到１．９１万　／（ｋｍ・ｄ）；随着流量的继续增大，水流漫滩，冲刷强度又减小，６　月ｌ７～２２日平均流量为２２　０００　ｍ３／ｓ，冲刷强度减小到１．７６万　ｒｎ３／（ｋｍ・ｄ）。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期　刘德春等：三峡水库消落期土脑子河段冲淤特性分析　ｌ５　（２）消落期冲刷量主要集中在深槽。如２００４年５月１～３０　日共冲刷了１７２万　，其中高程１３５　ｍ以下深槽冲刷了１４８万　ｒＴｌ３，占总冲刷量的８６．２％。这是由于水位消落期，主槽流速增　加的幅度大于洲滩，因此消落冲刷位置主要集中在深槽。　（３）每年消落期结束后，都有部分上年度的汛期淤积物未　被冲刷。如２００４年消落期结束后的６月２２日与蓄水前２００３年　３月３日比较，土脑子河段淤积了８２万ｍ３；２００５年消落期结束　后的６月２　Ｆｊ与２００４年消落期结束后的６月２３日比较，土脑子　河段淤ｆ！！ｒ　ｑ７万ｒＴｌ３，说明在蓄水后土脑子河段出现了一定累　月２　Ｅｔ比较，主槽部位最大冲深约２　ｍ。这主要是该河段的河床　边界和水力条件决定的。由于该河段处于丝瓜碛弯道弯顶以　下，汛期随着流量的增大，主流左移，处于弯顶以下深槽成为缓　流区，泥沙大量落淤，而江心洲及左槽由于流速大，泥沙较少淤　积；汛末及消落期，随着水位降低，水流归槽，主槽流速加大，汛　期淤积的泥沙就发生大量冲刷，而江心洲和左槽由于水浅、流速　低，含沙量小，河床变化不大。故土脑子河段横断面变化主要集　中在主槽。　（２）土脑子河段消落期的冲刷厚度一般小于上年汛末退水　计性淤ｆＪ！　（４）消落期越长，冲刷量越大。２００４年有３个消落过程，消　落期较长，土脑子河段共冲刷２３５万ｍ３，２００５年消落期较短，冲　刷量只有９３万　。　（５）消落期冲刷量一般比上年汛末退水冲刷量小。２００４年　３个消落过程的冲刷量只有２００３年汛末退水冲刷量的４５．５％；　２００５年消落冲刷量只有２００４年汛末退水冲刷量的７４．４％。　３．２纵剖面变化　消落期，由于主槽流速增加的幅度大于洲滩，因此消落冲刷　主要是冲槽过程。以２００４年消落初期３月５日与消落结束期６　月２２　Ｆ１的深泓纵剖面进行比较（见图４），可以看出，消落期深泓　纵削而变化主要有以下特点：　（１）纵向冲淤变化取决于河槽前期的纵剖面起伏度。一般　位于深泓纵剖面坡顶的库段主要为冲刷，如￥２５４～￥３５３；位于深　泓纵剖面坡谷的库段主要为淤积，如￥２５２＋Ａ～￥２５２＋０；接近坡　顶的库段也是冲刷的，但冲刷量比纵坡顶少，如￥２５２＋３～￥２５２　＋Ａ。　（２）消落冲刷是上冲下淤的泥沙搬运过程，当冲刷前期的　回水淤积纵剖面不适应恢复天然河道的纵剖面时，则沿程河槽　都会产生上冲下淤的冲淤调整过程。　（３）消落冲刷前后，河槽深泓纵剖面坡降调整幅度较大，如　￥２５３＋１到￥２５３断面，２００４年３月５日冲刷前深泓纵坡降为一　４２．９　Ｘ　１０～，冲刷后６月２２日深泓纵坡降为一１６７　Ｘ　１０～。　图４　２ＯＯ４年消落期土脑子河段深泓纵剖面变化　形成上述纵向冲淤变化的水力条件，主要是沿程流速与过　水面积矛盾所致。在消落期同一流量条件下，坡顶所在断面的　过水面积远小于坡谷所在断面，故消落期坡顶所在断面产生冲　刷，而坡谷所在断面一般产生淤积：．　３．３横断面变化　分析土脑子河段横断面变化，主婴有以下特点：　（１）不论是汛期淤积期或者是消落冲刷期，土脑子河段横　断面变化主要集中在右侧深槽，洲滩及左槽冲淤变化较小。从　￥２５２＋４断面可以看出（图５），２００３年汛期，右槽发生大量淤积，　到ｌ０月最大淤积厚度达２６．５　ｍ；２００４汛期淤积后床面高程与　２００３年基本一致。水位消落期，２００４年３月６日与６月２２日比　较，主槽部位发生冲刷，最大冲深约４　ｍ；２００５年４月２６日与６　期。２００３年汛末￥２５２＋４断面最大冲深约１３　ｍ，比２００４年消落　期最大冲深多９ｍ；２００４年汛末￥２５２＋４断面最大冲深约８ｍ，比　２００５年消落期最大冲深多６　ｍ。　（３）消落期，土脑子河段横断面总的为冲，但部分断面由于　消落冲刷时泥沙的“搬运”活动，存在少量淤积现象。　（４）断面总体呈累积性淤积过程。如２００４年消落冲刷后，　￥２５２＋４断面比蓄水前最大淤积了约１０　ｍ；２００５年消落结束后　与２００４年消落结束后断面比较，主槽又淤高了近５　ｍ。　１　５０　１１ｏ　、　１：３０　犍　　１２０　１１　Ｏ　０　２００　４００　６００　８００　１　０００　１２００　１４００　１６００　起点　§／ｍ　图５土脑子河段ｓ２５２＋４断面冲淤变化过程　３．４消落期冲刷强度与消落水位及流量关系分析　图６是根据土脑子河段２００３～２００５年实测成果点绘的冲淤　强度与流量、坝前水位关系，由图可见：　（１）当流量一定时，坝前水位愈低，冲刷强度愈大，坝前水　位愈高，冲刷强度愈小，符合变动回水区一般冲淤规律。　（２）当消落初期坝前水位１３９　ｍ、流量大于１０　０００　ｍ３／ｓ时，　土脑子河段开始冲刷，随着坝前水位降低，入库流量增大，冲刷　强度逐渐增大，在流量约１５　０００　ｍ３／ｓ时冲刷强度最大；当流量　大于１５　０００　ｍ３／ｓ时，随着流量的增大，冲刷强度逐渐减弱；当坝　前水位消落至１３５　ｍ、流量大于２３　０００　ｍ３／ｓ时，冲刷过程基本结　束。　４影响消落冲刷量大小的主要因素　土脑子河段消落冲刷量大小主要受消落水位、消落时间、前　期淤积量、来水来沙等诸因素的综合影响。　４．１消落水位　在入库流量一定时，若坝前水位愈低，土脑子河段流速、比　降愈大，则冲刷量愈大。如２００４年５月１～２０日、５月２６～３０　日，两时段入库平均流量均为１０　０００　ｍ３／ｓ，但５月１～２０日坝前　平均水位为１３８．１８　ｍ，土脑子河段冲刷强度为１．０５万ｒＴ】３／（ｋｒｎ・　ｄ）；５月２６～３０日坝前平均水位降到１３７．１　ｍ，土脑子河段冲刷　强度增加到了７．６８万ｍ３／（ｋｍ・ｄ）。　维普资讯 http://www.cqvip.com １６　人　民　长　江　２００８生　若来沙量等于水流输沙能力，则河床冲淤基本平衡。如２００４年　３月８～１４日，坝前水位为１３７．１　ｍ，冲刷强度为０．２５万　ｒｎ３／（ｋｍ・ｄ）；５月２３～２５日，坝前水位仍为１３７．１　ｍ，但冲刷强度　为４．８１万ｒｎ３／（ｋｍ・ｄ），５月２３～２５日的冲刷强度大得多，原因主　要是５月２３～２５日平均流量为９　９００　ｍ３／ｓ，比３月８—１４日平均　流量５　０００　ｒｎ３／ｓ大。又如２００４年３月８　１４日，２００５年４月２７　日至５月２８日，两时段坝前平均水位均为１３７．１　ｍ左右，入库流　量均９　９００ｍ３／ｓ左右，但２００４年３月８—１４日的冲刷强度为１．５２　万ｒｎ３／（ｋｍ・ｄ），比２００５年４月２７日至５月２８日的冲刷强度０．９１　万ｍ］／（１（ｍ・ｄ）大，原因主要是２００４年３月８　１４日的平均入库　含沙量为０．０２７　ｋ　ｒｎ３，比２００５年４月２７日至５月２８日的平均　图６土脑子河段冲淤强度与流量、坝前水位关系　入库含沙量０．１６５　ｋｇ，ｍ３小的缘故。　４．２消落时间　一般而言，消落时间越长，则消落冲刷量就越大；反之，则消　５小结　落冲恻由　就小。如２００４年３个消落过程共约３５　ｄ，土脑子河段　（１）分析表明，在１３９～１３５　ｍ消落期间，土脑子河段未完全　共冲删Ｊ　约２３５万ｒｎ３；２００５年消落期只有１１　ｄ，仅冲刷了约９３　脱离回水末段，仍然受到水库蓄水的影响。经汛末及消落期冲　万ｒｎ３。　刷后，尚有部分汛期淤积物未冲刷，河床总体上出现了一定累计　４．３前期淤积量　性淤积。　消落冲刷量大小与前期淤积量的大小密切相关。前期淤积　（２）消落冲刷是坝前水位下降，回水末段下移而产生的冲　量多的库段，消落期的冲刷量也越多；反之，消落期冲刷量就越　刷现象。冲刷量大小主要与消落水位、消落时间长短、前期淤积　少。如２００４年汛期６月２３日至１０月１７日，￥２５２＋Ａ至￥２５３＋１　量以及来水来沙条件有关。消落期坝前水位消落越大，冲刷量　断面间淤积了３５０万ｒｎ３，约占总淤积量的９６．３％，其它库段占　越大；消落时间越长，冲刷量越大；前期淤积量越多的库段，冲刷　３．７％；２００５年消落期，￥２５２＋Ａ至￥２５３＋１断面间冲刷了８９万　量越多；消落期来沙量越小，来水相对越大，冲刷量也越大。　（３）土脑子河段消落冲刷主要集中在右侧深槽。消落冲刷　，占总冲刷量的１１２％。２００４年汛期与２００５年消落期冲淤分　布见表２。　是冲槽现象，是上冲下淤的泥沙搬运过程，处于河槽纵泓坡顶的　表２　２ＯＯ４年汛期与２１１Ｏ５年消落期冲淤分布　万　库段为冲刷，位于纵泓坡谷的库段为淤积，接近纵坡顶的库段也　时间／　２　２　０　２　ｌ　２　Ａ　２　２　２　３　２　４　３　３　ｌ　２　４　是冲刷的，但冲刷量比纵坡顶少。　（４）土脑子河段在年内存在两个冲刷阶段，即汛末退水冲　（年・月・日）　２＋０　２＋ｌ　２＋Ａ　２＋２　２＋３　２＋４　３　３＋ｌ　３＋０　刷阶段和消落期冲刷阶段。消落期冲刷量一般比上年汛末退水　２００４．０６．２３一１０　ｌ７—４．６　—０．３９　ｌ４．０　４５．０　５６．８　７２　ｌ　ｌ２ｌ　３　５４　８　ｌ２　３　２．２　冲刷量小。　２００５．０４．２６　０６．位１．２　６．２　—７．４　—２４．９—２７　０一ｌ９．３一ｌ４．Ｉ一３．６　８．１　１．４　（５）当坝前水位１３９　ｍ、流量大于１０　０００　ｒｎ３／ｓ时，河床开始　冲刷；随着坝前水位消落，入库流量增大，冲刷强度逐渐增强，在　４．４来水来沙　流量１５　０００　ｒｎ３／ｓ左右时冲刷强度最大；当水位消落至１３５　ｍ、流　由河床演变基本原理可知，河床冲淤主要是水流输沙不平　量大于２３　０００　／ｓ时，冲刷过程基本结束。　衡造成的，若来沙量大于水流输沙能力，则河床为淤，反之为冲；　（编辑：常汉生）　Ｉ上接第６页）　４结语　输沙量及大于０．１　ｏｔｎｉ泥沙来量等变化过程，提出了长江中下游　河道近期采砂点、采砂量控制与管理的对策及建议，可供采砂规　本文就长江上游近十几年来沙减少及上游建库等情况，针　划及地方管理部门参考。　对三峡工程蓄水运用初期２０　ａ，长江中下游河道冲淤分布、沿程　（编辑：朱晓红）　Ｉ上接第８页）　４主要结论　度有所降低，悬浮物浓度在平水期和枯水期也大幅下降，和悬浮　物密切相关的污染物质总磷、ＣＯＤ　、重金属等也随之降低。②　通过对三峡库区万县断面蓄水前后多年水质资料进行整理　长江沿程干流及上游支流乌江、嘉陵江水质受蓄水影响不大，下　分析，结合库区重要干支流断面水质分析评价，获得主要结论如　游支流小江、大宁河则受长江壅水影响，局部水环境趋复杂化。　下：①三峡库区１３５　ｍ蓄水及１５６　ｍ蓄水后，较之水文要素的巨　大变化，库区水质指标变化不明显。具体表现在库区溶解氧浓　（编辑：常汉生）