发布时间 : 星期日 文章三峡建成后对下游河床演变的影响更新完毕开始阅读d0fcd90ce2bd960590c67737
(75.7km) (60.9km) (86.4km) (170.2km) (230.0km) (251.0km) (249.0km) 123.2km)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
-0.97
-1.92
-4.61
-3.73 -11.74
-1.87 -3.88 -7.35
1.38 1.33 -0.05 -0.65
0.41 2.14 2.67 1.43 -1.17
-11.34 -20.23 -29.27 -37.99 -42.59
（0.98） （-1.93） -5.16 -0.98 -0.98 -0.98 -0.97 -0.95 -0.91 -0.90 -0.89
-1.93 （-5.18） -16.44 -1.93 -1.93 -1.93 -1.93 -1.91 -1.87 -1.84
-5.18 （-16.94） -13.74 -5.16 -4.90 -4.51 -4.06 -3.70 -3.40
-16.47 （14.69） -2.19 -15.45 -12.86 -10.89 -9.69 -8.86
-14.24 （4.09）- -1.36 （-42.95） -13.73 -12.83 -11.89 -11.06
-4.09
-2.15
-40.28
-3.20 （-2.59） -36.39 -2.90 -2.50
-2.29 -1.75
-33.25 -30.31
注：引自长江科学院计算成果
表2 三峡坝下游水位下降对比
Table 2 Comparison of water level lowering downstream the Three Gorges Dam
时间 河段
水位降相邻站水位降低差值增减比降比降增减3-1
站名 流量/m·s
低/m /m /‰ 比例/%
宜昌 5 500 5 500 5 500 5 500 7 500
0.95 沙市比宜昌 1.18 2.13 石首比沙市 1.16 3.29 石首比宜昌 2.34 3.03 监利比石首 -0.26 1.87 螺山比石首 -1.42
0.077 0.127 0.096 -0.037 -0.075
12.8 21.2 16 -11.6 -23.4
枯 季
上荆江 沙市
下荆江
石首 监利 螺山
汛期
宜昌 50 000 0.55 沙市比宜昌 0.23 0.78 石首比沙市 0.77 1.55 石首比宜昌 1.00
0.015 0.085 0.039
2.5 14.2 6.5
上荆江 沙市 50 000
石首 44 000
监利 44 000
下荆江
螺山 60 000
0.89 监利比石首 -0.66 0.57 螺山比石首 -0.98
-0.094 -0.051
-29.4 -15.9
注：断面距离宜昌～沙市154km，沙市～石首91km，石首～监利70km，石首～城陵矶161.1km，城陵矶～螺山。
3 河道演变机理研究
水流运动同样遵循质量守衡和能量守衡的原理。水流作用于河床，河床又制约水流的运动，
在水流与河床长期相互作用下，形成河流特有的演变特性。流量是流域施加于河流的能量，河流演变是输入能量发生的变化后，河床反馈调整的结果，其中泥沙运动起纽带作用。由伯诺里方程可以导出
(1)
式中z、v分别表示水位、流速，φ则为阻力损失，即阻力耗散的能量。从实际意义而言 ，更需要研究一个时段平均状态的变化，因此式(1)应为
(2)
上式左侧为时段平均耗散能量，右侧两项分别为时段平均势能差、动能差，用φ代之。当河流处于当地条件的平衡状态时，令ψ＝ψ，此时除挟带泥沙需要部分能量外，其他全部用于克服河道的阻力所耗散能量φ。如果输入能量发生变化，即ψ≠ψc，则耗散能量ψ随之发生变化，从而打破平衡状态，河流将通过系统的自组织调整使之趋向新的平衡。当输入的能量增大时即ψ>ψc，河流系统调整通过三条途径耗散所增加的能量
［5, 6］
，即：加大过水面积以减小流速，表现
为河流的冲深、展宽；使河流弯曲，加大河长 ，以减小比降；加大糙率—河流发生冲刷后，糙率一般随之增大。当输入的能量减小时，ψ<ψc河流作减少能量耗散的自动调整，即释放所挟带的泥沙，使河床发生淤积而减少过水面积，同时河床细化，减少糙率。但是在此种状态下，河流因能量减小，无力作缩短河长作加大比降的调整。天然河流一般处于非恒定状态，流量时有涨落，水位、比降也相应变化，因此河道的平衡只是相对的，特别是在汛期洪水涨落时，流量、水位、
流速，含沙量更是瞬息万变，因此河道时有冲淤、主流摆动、河岸崩塌、切滩撇弯等现象发生，这些都是河流对能量变化的反馈调整。
河流的演变是水流与河床相互作用的结果，泥沙是纽带，水流挟沙能力与实际来沙的不平衡致使河床发生冲淤变化
［８］
水流的挟沙能力如下式
(3)
式中S＊挟沙能力，U、H、ω分别为研究河段的平均流速、平均水深和泥沙颗粒的沉降速度。水流的能量，除携带上游输送来的泥沙需要耗散部分能量，剩余的能量全部用于克服河段的阻力以及河道的变形。当水流实际含沙量S与当地条件的挟沙能力相等，即S=S*时，河流处于平衡状态。当S
河流的调整遵循什么规律，这是更深层次也是人们更为关心的问题。最小能耗率理论认为，流体或挟带固体物质的多相流体在一定边界条件下运动时，除满足质量和能量守衡外，总是不断调整体系中的各个变量，以使体系的运动满足单位河长上的能量损耗达到最小，即河流系统单位河长的能耗率鉗J达到最小值。系统的调整总是力图使能量沿程分配保持一致，也就是力图将调整尽量均匀、协调地分散在与水流能耗有关的各个要素上，例如水深、河 宽、流速、比降等相关因子
［７］
。影响能耗分配的另一个因素是河道周界的约束力，例如河床、河岸组成特性使河流
的冲深、展宽受到制约，同时还与上下游河势与河型等有关。因此对具体河道的演变趋势的预测，须对该河段的有关情况作具体分析。
4 横向变化趋势预测
本文运用最小能耗率理论为依据，仅仅对于三峡坝下冲刷下切，下游河道特别是荆江河段的横向变形作宏观性预测，使之有一总体认识，未作某河段河床演变的具体分析研究。
4.1 上荆江
4.1.1 冲刷深度对岸壁稳定的影响
上荆江河段岸壁稳定的潜在危险最大：①有三条途径使上荆江能量输入增大：含沙量大大减小，而挟沙能力大，使有效能量增加，比降加大；因水位下降松滋口和太平口分流量减少而使局部河段流量增加，因此上荆江能量的增加最多。输入能量的增加将引起河流系统的反馈调整，必定是各相关要素协调调整的结果，冲深必然伴随展宽。②根据长江科学院一维数学模型计算成果，上荆江平均冲刷深度为3.5m，二维数学模型计算成果，最大局部冲刷深度为13m之多。在此条件下，岸壁及边滩的稳定性受到很大威胁。③三峡坝下游冲刷，上荆江首当其冲，有效能最大，输入能量增加最多。然而冲刷量、冲刷深度并非 最大，能量耗散在冲深受阻后，必然向展宽寻求出路，因此，上荆江河段河岸稳定具有很大的潜在危险。
4.1.2 比降增大影响河道变形
前文已述，冲刷最终上荆江宜昌～沙市河段汛期比降由原来的0.6增大到0.615，沙市～石首河段增大到0685，比降加大对河岸稳定必然造成威胁。笔者研究了1998年大洪水后上荆江的河势变化，该年宜昌河段发生大量淤积，使水位增高比降加大。例如洪峰前的6月30日宜昌流量35 500m／s，相应水位49.47m，宜昌～枝城 的比降为0508，洪峰后9月7日～10日，宜昌流量为35 000m／s左右，宜昌水位为50.10～50.27m，比降为0.551～0.557，增加0.043～0.049。同时，枝城至沙市的比降也略有增加。由于宜昌淤积，水位增高，使比降有所增加，由此上荆江河段发生系统反馈调整：1998年汛末，沙市上游的三八滩被冲(现已回淤，新三八滩略小)，深泓线易位；1998年10月石首发生崩岸，2000年再次崩岸，并向下游发展；2002年3月文村甲发生崩岸，同年汛末学堂洲尾崩岸，2003年3月茅林口～古丈堤又发生崩岸。可见比降的增加，将使河流发生系统的调整，对河岸的稳定性造成的威胁，不能掉以轻心。另一方面，由表1可见，三峡蓄水运用20年以后，上荆江河段已近冲刷平衡，而此时三峡水库正处于大量淤积之时，下泄水流的含沙量仅0.35kg／m，不足天然情况的1／3，下游仍处于高度次饱和 状态，水流从河床得到沙量补充甚少，比降又明显增大。由曼宁公式V=（1/n）hJ(式中V为平均流速，n为糙率系数，h为水深，J为比降)分析可知，上荆江冲刷后n稍有增大 ，J也增大，二者对流速变化的作用相反，由式(3)可知，水流挟沙力是与参量V/h成正比关系，可见挟沙能力较天然情况变化较小，但是因含沙量很小，流速V增大也不多。水流的有效能量很大，而此时河床已难冲深，势必要加大对岸壁和边滩的冲刷，增加了河岸的不稳定因素。
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4.2 下荆江