论三峡工程建成后长江城汉河段的综合整治

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论三峡工程建成后长江城汉河段的综合整治

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-19 1528


摘要:分析了长江城陵矶~螺山河段行洪能力的变化和三峡水库运行后该河段面临的防洪形势,指出降低城陵矶河段水位的有效措施之一是恢复河道原有的泄洪能力,实施牌洲裁弯、清淤疏浚和削矶扩卡等为主的工程措施。并以典型洪水为例对牌洲裁弯前后相关河段的水位、水面线及水位流量关系的变化进行了对比分析,论证了牌洲裁弯对降低上游水位的明显作用和该工程实施的必要性。

  关键词:三峡工程 长江 城汉河段 泄洪能力变化 河道整治 牌洲裁弯

  前言

  长江中游荆江河段,上起湖北枝城,下至湖南城陵矶,以藕池河口分为上下荆江,全长337km;洞庭湖位于荆江河段南岸,接纳四水及荆江三口以及汩罗河、新墙河等的来水来沙经湖泊调蓄后由城陵矶汇入长江城螺河段。洞庭湖与荆江关系密切,息息相关、相互影响。1967~1972年下荆江实施裁弯工程后,河长缩短78km,上游水位降低、比降加大、河床发生冲刷,位于上荆江的松滋、太平、藕池三口分入洞庭湖的水量、沙量减少,而进入下荆江的水量、沙量增大,城螺河段泥沙淤积加剧,同时,城陵矶进入长江的水量、沙量相应减少,加速了江湖关系的变化,使得长江中游和洞庭湖区与20世纪五十年代比较防洪形势发生了很大变化:(1)荆江特别是下荆江因流量加大抬高的水位大于冲刷(包括裁弯冲刷)降低的水位,从而使洪水位在整体上抬高;(2)城陵矶至武汉河段因含沙量加大(约25%)而淤积,加上牌洲湾和界牌河段的壅水作用,导致城螺河段水位明显抬升,行洪能力下降;(3)三口分流河道因径流量减少,加速了衰退与萎缩,淤积比增大,防洪形势没有缓解;(4)洞庭湖泥沙淤积减缓,对保留更多湖容有利,但城陵矶水位抬高,对东洞庭湖以至南洞庭湖不利。

  从总体看,目前这种变化对长江中游和洞庭湖区的防洪是不利的,这种不利突出反映在1998和1999年的洪水中。将来三峡水库的运行,将对长江中游特别是荆江、洞庭湖区的防洪起到调洪削峰的作用,长江城螺河段水位有望下降,湖区防洪压力有所减轻,但防洪形势依然严峻。长期以来,不少专家学者曾对洞庭湖治理提出了一些设想性的方案,如开辟荆北、荆南分洪道方案等。要减轻洞庭湖的洪水灾害,关键问题是大幅度降低城陵矶河段水位,这样既可使洞庭湖泄流畅通,同时又增加了洞庭湖的调洪库容。降低城陵矶河段水位的有效措施之一就是恢复河道原有行洪能力,进行以清淤疏浚、扫障护岸、牌洲裁弯等为主的河道整治工程。本文在对照三峡建库前后典型洪水的调节演算的基础上对牌洲裁弯的必要性进行了简要的分析论证。

  1、城螺河段现有行洪能力分析长江中游自藕池口至城陵矶河段,习称下荆江,原有河长245km,12个河湾,弯曲系数为2.83,素有“九曲回肠”之称,是典型的蜿蜒型河段。为了扩大洪水泄量及缩短航程和减少碍航水道的数量,曾分别于1967年及1969年实施了中洲子和上车弯两处人工裁弯,1972年沙滩子又发生了自然裁弯,共缩短河长78km,现有河长约170km,弯曲系数为1.93(相关河势见附图)。

  下荆江裁弯与一般河道裁弯不同之处,在于裁弯之后,其裁弯段上游比降加大,河床发生冲刷,同流量的水位下降,位于上荆江的松滋、太平、藕池三口,分入洞庭湖的水量、沙量减少,而进入荆江的水量、沙量增大。同时由于洞庭湖经城陵矶汇入长江的水量、沙量也相应减少,引起江湖关系新的变化,造成长江城螺河段水位抬升,进而影响到城螺河段的行洪能力,下面对城螺河段的行洪能力衰减作简略对比分析。

  1.1 三峡建库前城陵矶站水位变化通过点绘城陵矶(七里山)站历年日平均最高水位与相应流量及该站历年最低水位与相应流量关系图,可以看出,自1980年以来,除个别年份(92、94年)因相应监利站流量较小,不顶托城陵矶出流外,一般枯水位(流量小于3000 m3/s)较60年代前抬高0.7~1.2m,中、高水位时(流量为20000 m3/s ~40000m3/s),水位抬高约2.0~1.8m.根据施修瑞等人的研究,在高、中、低水时,城陵矶站水位流量、水位面积曲线呈左移趋势,同流量下的水位呈上升趋势,同水位下泄洪能力呈减小趋势。

  1.2 三峡建库前螺山站水位变化通过点绘螺山(二)站历年日平均最高水位与相应流量及该站历年最低水位与相应流量关系图,可以看出枯水时80年代以后较50年代抬高约1.5m;高水时螺山站水位流量关系受到河段涨落水、河床冲淤、下游水位顶托及上下游河段分流的影响,水位流量关系散乱,但自1988年以后,水位抬高趋势是明显的。

  根据笔者1999年的研究,按各个时期分析样本年份的综合落差指数法单值化平均线比较,1994~1999年与下荆江裁弯前对比30000 m3/s以下对应平均落差时水位抬高量在1.56m以上;30000~40000m3/s水位抬高量为1.56~1.31m;40000~50000m3/s水位抬高量为1.31~1.17m. 1.3 螺山河段行洪能力下降原因分析1998年洪水,螺山站最大洪峰流量仅为64900m3/s, 较1954年洪峰流量78800 m3/s小了13900m3/s,但监利、城陵矶和螺山站的最高水位却比1954年高出1.74m、1.86m和1.78m,而汉口站的最高水位仍较1954年低0.3m.也即螺山至汉口河段,长200km,1998年水位落差比1954年增加了2.08m.造成这种小流量高水位行洪不畅的原因主要有以下几点:1.3.1泥沙淤积下荆江裁弯后,荆江河段比降加大,水流流速增大,河床发生溯源冲刷;同时,三口分流减小,荆江流量扩大,也造成河床冲刷,荆江河道输沙量增大,使荆江出口的城螺河段发生淤积。

  据统计,螺山水文站断面面积1967年~1983年累计淤积4000 平米,若按河宽1.6km计算,河床平均以每年15.6cm在淤高。近年来的研究表明,由于河床淤积使螺山站水位抬高0.5~1.0m.1998年较1966年枯水河床淤高0.5m ,高水河床略有淤积,使得高水过水断面减小,影响行洪。

  1.3.2 河床演变城陵矶水位抬高、泄量减小还与汇流河口河床变化有关。自1975年后,江湖汇流口由南向北平移约1000m,荆江出口段的深泓交汇点下移,原交汇点处冲刷坑高程由1966年6月的黄海-10m淤为1987年的-6m,两股水流交角由小于60°变为接近90°,造成洞庭湖出流不畅,致使其水位抬高。另外,洞庭湖区泥沙淤积与围垦使其面积、容积减小,调蓄作用减小,加快加大了螺山流量及其水位抬高。

  1.3.3 牌洲湾及界牌河段的壅水作用牌洲湾是长江中下游最大的河曲弯道,其入口上游距城陵矶约130km,出口下游距武汉关约46km.弯道长约50km,颈步最窄处不足5km,弯曲率达10.0.牌洲湾河段平面形态酷似蜿蜒性河段,实际上由3个宽窄相间具有江心洲的分汊河段构成。其洪水河槽狭窄,外形蜿蜒曲折,洪水水流阻力很大,使得城陵矶至螺山河段高水比降(0.424×10-4~0.221×10-4)反而小于低水比降(0.497×10-4~0.324×10-4),对洪水阻滞作用十分明显。相当于一个超长丁坝,对城螺河段起着壅水作用。

  界牌河段上起螺山,下至石码头全长28km,河段洪水河床的平面外形呈两端小中间大的顺直展宽分汊型。螺山上游10km处的杨林矶、龙头山为土质坚硬的河岸突咀,河宽仅1050m,螺山、鸭栏处河宽为1600m,过螺山后河面逐渐放宽,深泓线摆动加大,新堤一带河宽达3500m,其间横卧南门洲,将水流分成左右两汊,在石码头汇合,该处有护岸工程控制,河宽缩至1500m,形成一人工卡口。洪水期由于界牌河段卡口作用,导致局部比降加大,上游水位壅高,流速减缓,影响行洪。

  2、三峡工程运行后城螺河段防洪形势及整治的必要性2.1 三峡工程对城螺河段防洪的作用三峡工程在长江防洪重点保护区── 江汉平原与洞庭湖平原上游,可有效地控制长江上游来的洪水,按正常蓄水位(防洪高水位)175m,防洪限制水位145m计,防洪库容可达221.5亿m3,坝项高程为185m,比防洪高水位高出10m,每1m库容为10亿m3以上,在特别情况下还能发挥特殊的调洪作用,在规划设计中,三峡工程可满足以下防洪要求:使荆江河段防洪标准达到100年一遇;在遭遇类似1870年特大洪水时,配合以中游分蓄洪措施,做到保证荆江河段的行洪安全;在满足以上多个条件前提下,应尽量使城陵矶附近地区的分蓄洪量减少。

  三峡工程的防洪调度方式有对荆江补偿调度方式和对城陵矶地区补偿调度方式两种。

  对荆江补偿调度方式以控制沙市水位为标准,具体操作规定为:l遇100年一遇以下洪水,控制枝城站最大流量不大于56700 m3/s,使宜昌~枝城区间洪水进行补偿调节,使沙市水位不超过44.5m(冻结吴淞基面)。

  遇100~1000年一遇洪水,控制枝城站最大流量不超过80000 m3/s,并采取分洪措施控制沙市水位不超过45m.三峡水库调洪控制最高水位175m,达到175m后则以保证大坝安全为主。

  这种调度方式比较适应以长江上游来水为主的典型洪水,例如1981年及历史上出现过的1860年、1870年大洪水,调度方式简单,可操作性很好,完全能达到防洪目标,但对减少城陵矶地区的分洪量的作用不够理想。

  对城陵矶地区补偿调度方式是为了既保证荆江防洪安全又减少城陵矶陵附近分洪量的前提下,将三峡工程221.5亿 m3的防洪库容划分为3部分:第1部分库容100 亿m3,用作对城陵矶和荆江防洪补偿;第2部分库容85.5亿m3,仅用作对荆江防洪补偿;第3部分库容36亿m3留作对荆江特大洪水进行调节。具体调度规划如下:当三峡水库水位低于第1部分库容(100亿m3)相应的水位时,三峡工程下泄量为q=min(q1,q2),但不小于26台机组发电量25000 m3/s.其中:q1=56700 - Q1 m3/s(Q1为当日宜昌~枝城区间流量);q2=60000 - Q2 m3/s(Q2为第3日宜昌~城陵矶区间流量)。

  当三峡水库水位高于上述水位而低于第1和第2部分库容(185.5亿立方米)相应水位时三峡允许泄量为:q=56700 - Q1 m3/s l 当三峡水库水位高于上述185.5亿m3相应水位时,三峡工程当日下泄量:q=80000 - Q1 m3/s,但不大于当日实际入库流量。

  当三峡水库水位达175m,则以保证大坝安全为主。

  这种调度方式比较适应以长江中下游来水为主的洪水类型及全流域性洪水,例如1931、1935、1954、1983、1986年洪水,调度方式较复杂,但可操作性也很好,能达到防洪目标,特别是减少城陵矶地区分洪量的效果要显著优于第1补偿方式。

  长江三峡工程具有防洪、发电、航运、供水和发展库区经济等巨大的综合效益,是治理和开发长江的关键工程。三峡工程的建成对城螺河段的防洪作用如何,洞庭湖区防汛是不是万事大吉,可以高枕无忧了,今以1954年、1969年、1980年、1988年、1995年、1996年、1998年、1999年年最大洪水为典型,探讨三峡建库后城螺河段水位变化的具体情况。模拟实时调度方式采用对城陵矶防洪最为

防渗膜标准名称为聚乙烯土工膜,主要是乳白色半透明至不透明的热塑性树脂材料-聚乙烯树脂制作而成。聚乙烯是高分子聚合物,是无毒、无味、无臭的白色颗粒,熔点约为110℃-130℃,相对密度0.918—0.965;防渗膜具有良好的耐热性和耐寒性。化学稳定性好,具有较高的刚性和韧性,机械强度好,耐环境应力开裂与耐撕裂强度性能好,随着密度的上升,机械性能和阻隔性能会相应提高,耐热,和抗拉强度也更高;可耐酸、碱、有机溶剂等腐蚀。

有利的“对城陵矶地区补偿调度方式”:先按城陵矶流量不超过60000立方米/s控制,三峡工程蓄水100亿立方米后,改按沙市水位不超过44.5m(冻结吴淞基面)控制。通过三峡水库调度及圣维南方程组、河流动力学模型演算,可得城陵矶三峡建库后各典型洪水最高水位下降幅度.

  计算结果表明:三峡建库初期(20年),对降低城陵矶洪水位有一定的作用,个别年份如:1954年、1996年、1998年、1999年年最大洪水,水位降幅分别达0.66m、0.67 m、0.46 m和0.83m,但由于长江流域集水面积巨大、下垫面条件复杂,加上水文现象的随机性及洪水组成的复杂性,水情往往十分复杂多变,对于部分年份,水位降幅不是十分明显,如1980年仅为0.06 m,1969年、1989年也只有0.14 m和0.17 m,因此,从最不利因素考虑,近30年,城陵矶至螺山河段防汛形势依然不可掉以轻心,更不容盲目乐观。

  2.2 城汉河段整治的必要性洞庭湖北通长江,内衔四水,湖泊星罗棋布,水系纵横交错湖区土质肥沃、气候温和、物产丰富,是响誉全国的“鱼米之乡”。近年来,由于江湖关系改变,城螺河段河床淤积,水位抬升,给洞庭湖的防洪带来很大的隐患。三峡工程建成后,城螺河段的防洪压力有所减轻,防洪形势依然不容乐观。长江上游来水量大,年径流量一般为4510亿m3,而三峡的防洪库容只有221.5亿m3,在关键时刻可以起到拦洪错峰作用,但不能从根本上解决洞庭湖的水患,螺山段仍需要有安全下泄65000m3/s多洪峰流量的能力。

  洞庭湖现有湖面积和湖区水面面积约4000km2.若保持湖区水位不变,使城陵矶水位下降1m,则可多出调蓄洪水的容积4亿m3.这种因城陵矶以下河床淤积而引起的洞庭湖调蓄容积的损失比起泥沙直接淤积在洞庭湖的损失要多的多。因为1t泥沙淤积在湖区,其库容损失为0.71 m3,而若淤积在城陵矶的下游河段,因河床淤高而使水位抬升损失的洞庭湖调蓄容积为9.52m3.要防止1998年大水城螺河段上压下堵,小流量高水位极度被动局面的出现,最得力直接的有效措施之一就是疏通河道,恢复螺山河段的泄洪能力。

  城陵矶至汉口河段上承长江干流荆江和洞庭湖水系来水,区间有大小支流5条,河段内湖泊众多,两岸矶头对峙,形成天然节点,犹如藕节,使河床时而收缩,时而扩张,影响行洪。目前,城陵矶河段依靠堤防约可防御5~10年一遇的洪水。由于下荆江裁弯,城陵矶至汉口河段及洞庭湖淤积严重,洞庭湖区各控制站90年代出现的最高水位较堤防设计水位抬高0.81~1.85m,特别是城螺河段泄流能力下降,造成长江干流沙市至汉口河段水位出现两头低中间高的现象,大量洪水滞留洞庭湖,洞庭湖区水位逐年抬高,洪涝灾害频繁,如1998年城陵矶水位35.94m螺山站的过水能力仅57000m3/s,最高水位33.91m(相当于吴淞冻结基面)时的过水能力仅64900 m3/s,比1954年同流量下水位抬高1.78m,同水位(城陵矶34.40m)下流量减少近9000m3/s.从城陵矶和汉口水位差值分析,1954年为4.22 m,1983年、1996年、1998年、1999年分别为5.85 m、6.35 m、6.37 m、6.65 m,差值增加1.63~2.43 m,致使中小洪水即造成洞庭湖区的严重洪水灾害。治理洞庭湖的水患宜以渲泄为主,三口四水的洪水仅靠一个小口渲泄,若咽喉淤塞,仅靠修堤挡洪是无济于事的,湖口的综合治理已到了刻不容缓的地步。从宏观整治来说,荆江和洞庭湖的湖水下泄,关键是受城陵矶至汉口河段的泄洪能力制约。目前,是上裁而下不裁,相当把荆江的防洪负担部分地转移到洞庭湖及城汉河段,所以应研究并尽快实施城陵矶以下至汉口河段的综合整治工程。依据“泄蓄兼顾,以泄为主,上蓄下疏,标本兼治”的综合治理方针,要解决城螺河段洪水来量大与河道泄洪能力不足的矛盾,大幅度降低城陵矶水位,必须实施牌洲裁弯并辅之以城陵矶~螺山~界牌河段清淤疏浚、削矶扩卡及部分险段的筑堤护岸,保证行洪畅通。

  3、牌洲裁弯对防洪影响的水文分析3.1 城汉河段概况和牌洲裁弯方案简介长江城陵矶至汉口河段上接荆江和洞庭湖入汇,流经湖南岳阳、临湘、湖北监利、洪湖、嘉鱼、汉阳、武昌、武汉等市县,全长235.6km,除牌洲湾河段是“s”形弯道外,其余多为顺直河段,江面开阔,但两岸多山丘、石嘴,矶头对峙,下距城陵矶约30km处有著名的界牌河段,北岸有长江最大支流汉江汇入,南岸有小支流陆水加入,是长江防洪的重要险段。河段内地貌大致可分为冲积平原、河床洲滩、河流阶地、丘陵和低山等5种类型,冲积平原主要分布于城陵矶至嘉鱼左岸,嘉鱼至金口两岸。

  依据1994年长程水道地形图量测,莲花塘~九江河段全长472.4km,共布设计算断面107个,平均4.4km一个断面。牌洲裁弯引河从老谷洲与大湾之间按河势裁划。老谷洲至大湾按现河长量算为51.4km,按裁后引河量测为11.0km,扣除两段旧河轴心到水边距离部分,实际开挖引河轴线长6.5km.牌洲裁弯实际缩短河长40.4km,裁弯比为7.9.牌洲裁弯后的计算,设想稳定后旧河上段淤死,下段留为东荆河入江道。裁弯引河内不布设计算断面,其过水断面设想已与上下游河道相适应。

  3.2 牌洲裁弯对洞庭湖防洪影响的水文分析根据中国水利科学研究院等单位的研究,三峡水库运行初期,城陵矶至螺山河段呈冲淤交替状态,城陵矶站、螺山站水位在各级流量下基本不变。现即假设三峡水库运行后城螺河段的洪水位基本不变,应用定床不恒定流水力学差分解法模型来分析牌洲裁弯对城螺河段的防汛影响。选择1983年6~10月莲花塘流量和水位过程为典型,计算步长取△t=1d,资料以日均值代替,确定边界条件,分别对现状和牌洲裁弯后两种情况进行计算,对比分析并整理成果如下。

  3.2.1 相同莲花塘流量过程条件下,牌洲裁弯对上下游水位的影响3.2.1.1 相同来水条件下,牌洲裁弯对上下游水位的影响牌洲裁弯后上游水位降低明显,其降低程度自引河口向上游递减。表3.1列出了弯道上游重要断面水位降低计算成果。

  在相同的来水情况下,牌洲裁弯对于下游水位的影响较小。裁弯对下游水位的影响主要是由于河道缩短,槽蓄减小及比降增加流速加大造成。以汉口断面为例:1983年典型洪水牌洲裁弯前后水位差为-0.07~0.12m.通常在峰前裁弯后水位抬高,而峰后则水位降低,表明牌洲裁弯后洪水传播加快。

  3.2.1.2 牌洲裁弯对水面线的影响以t=48d(7月18日)最高水面线说明,该天莲花塘流量达最大59300 m3/s,计算得现状莲花塘水位33.87m,牌洲裁弯后莲花塘水位33.40m,降低水位0.47m,螺山降低水位0.59m,龙口降低水位0.78m,裁弯引河入口老谷洲降低0.97m.水面线与裁弯前比较明显变陡。

  3.2.1.3.牌洲裁弯前后莲花塘~螺山水位落差的变化分析表明,牌洲裁弯前后莲花塘~螺山水位落差有所增大,增大关系为:△Z增=0.296-0.0063Z莲上式表明牌洲裁弯后莲花塘~螺山水位差值,低水增加较多,而高水增加相对较少。

  3.2.1.4 牌洲裁弯前后螺山水位流量关系的变化由计算成果分别点绘牌洲裁弯前后以日涨落率为参数的螺山断面水位流量关系,其中螺山流量考虑支流顶托影响,支流顶托系数采用长江中下游防汛总指挥部办公室1980年汇编的“长江中下游防汛基本资料《水情》”中刊布的成果。将裁弯后、前螺山水位流量关系相减,即得牌洲裁弯后螺山水位流量关系变化,可以得出:牌洲裁弯后螺山同水位过流能力明显增大,增大的特点是水位越高涨率越大则增加越多,反之则相对增加较少。

  3.2.2 相同莲花塘水位过程条件下,牌洲裁弯对河道泄量和上下游水位的影响

  3.2.2.1 相同莲花塘水位条件下,牌洲裁弯对于河道泄量的影响计算结果表明,牌洲裁弯对于扩大弯道上游泄量起到了明显的作用,相同莲花塘水位过程(1983年)裁弯后可加大泄量1400~3200 立方米/s.经分析,对于弯道上游同一断面,裁弯后泄量增值与水位高低有关,断面水位越高泄量增值越大。如莲花塘断面,25m水位裁弯后泄量增值约为1200立方米/s左右,而30m水位裁弯后泄量增值约为2500 立方米/s左右。点绘牌洲裁弯后莲花塘泄量与水位相关图,推知当莲花塘水位达34.40m时,牌洲裁弯后可增加泄量3300 m3/s左右。

  3.2.2.2 相同莲花塘水位条件下,牌洲裁弯对比降的影响牌洲裁弯后由于河长缩短,弯道以上河段水面比降增大,对于相同的莲花塘水位过程裁弯前后比较,一方面弯道上游泄量明显增加,另一方面莲花塘以下断面水位亦有所变化。莲花塘以下至引河入口,水位普遍降低,其规律是引河口水位降低最多,为0.39~0.74m,向上游则降低值递减。由于这种水位降低是裁弯前后相同莲花塘水位条件下的比较,因此它反映了裁弯后上游比降的增加。经计算牌洲裁弯后上游比降绝对值增加0.003~0.0054‰,平均增加0.0042‰左右。


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