盧 陽1，王玉璇1，曹 磊，張乾柱1，趙 東
(1.長江科學(xué)院 重慶分院，重慶 400026；
2.長江水利委員會水文局 長江上游水文水資源勘測局，重慶 400020)
近年來，我國積極推動和落實“一帶一路”及長江經(jīng)濟帶國家發(fā)展戰(zhàn)略[1]。而航運作為沿江經(jīng)濟發(fā)展的重要依托，是發(fā)展戰(zhàn)略實現(xiàn)的重要基礎(chǔ)[2]。作為長江流域內(nèi)國家高等級航道的重要組成部分，烏江航道在協(xié)調(diào)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、降低遠距離輸運的經(jīng)濟能耗環(huán)境成本等方面發(fā)揮著重大作用[2]。同時，作為黔、渝鄰近地區(qū)對外交通要道，烏江自古便是沿岸老、少、邊山區(qū)人民生產(chǎn)生活的“生命線”和“致富線”，在繁榮黔、渝兩地經(jīng)濟方面承擔(dān)著巨大責(zé)任[3]。
三峽工程的建成為包括烏江在內(nèi)的庫區(qū)水運騰飛增添了新的力量。庫區(qū)水面拓寬、水深增加、水流減緩，為以宜昌—重慶長江干流段為核心、以烏江等長江一級支流為骨干的庫區(qū)高等級水運網(wǎng)絡(luò)建設(shè)創(chuàng)造了有利局面[4]。當(dāng)非汛期三峽水庫蓄水至175 m時，烏江回水可至武隆中咀(距河口80 km)。當(dāng)汛期三峽大壩壩前水位為145 m時，回水可至涪陵白濤鎮(zhèn)網(wǎng)背沱(距河口22 km)，汛期及非汛期烏江河口水位較天然情況抬高3.7～10 m和19～39 m[5]。因此，三峽水庫蓄水后，烏江河口至網(wǎng)背沱河段處于常年回水區(qū)，網(wǎng)背沱至武隆中咀58 km河段處于變動回水區(qū)[6]。三峽水利樞紐的投入使用為庫區(qū)水運的發(fā)展增添了新的不確定性，其運行方式成為控制庫區(qū)水流運動及泥沙局部沖淤規(guī)律變化的關(guān)鍵因素[7]。泥沙輸運長期不平衡成為三峽庫區(qū)水沙輸運的新常態(tài)[8-9]，航道整治面臨新的問題[7-11]。對烏江而言，除河口水位頂托將對其行洪走沙產(chǎn)生控制作用外，2000年后烏江中下游大型梯級水庫的陸續(xù)投產(chǎn)更為其下游的沖淤規(guī)律及航運發(fā)展添加了新的變數(shù)[4,12]。
目前，對三峽成庫后庫區(qū)泥沙淤積及航運問題的研究主要集中在長江干流，而對烏江的相關(guān)研究相對較少且主要集中在烏江河口附近尺度為10 km左右的灘群[4-5,11,13]。結(jié)合國家發(fā)展戰(zhàn)略及交通運輸部、渝、黔兩省市協(xié)商共建烏江高等級航道等提出的要求，有必要在更大尺度上對三峽成庫后烏江重慶段河道泥沙沖淤情況進行觀測分析。本文以重慶市烏江航道管理處2016—2020年對烏江重慶段(河口以上90 km范圍內(nèi))的原型觀測成果為基礎(chǔ)，分析烏江重慶段的泥沙沖淤特征以及規(guī)律，討論河道演變趨勢及其對航運的影響。
烏江發(fā)源于貴州省西部威寧縣烏蒙山東麓，是長江上游右岸最大支流，流經(jīng)云南、貴州、湖北、重慶四省市，于重慶涪陵城區(qū)匯入長江。烏江全長1 070 km，流域面積8.79萬km2，流域內(nèi)人口約2 000萬。研究河段位于烏江下游銀盤至河口段，長約90 km(圖1)。該河段整體平面形態(tài)較為順直，局部彎曲。河道蜿蜒于峽谷之中，岸壁陡峭，灘陡流急，兩岸多為深切的“U”型、“V”型峽谷，兩峽之間河床開闊，構(gòu)成灘峽相間的河道形態(tài)。河道以狹窄為主，河寬一般為100～300 m，峽口處枯水河寬80～120 m，水流較深，峽口以下江面展寬至200～300 m[11]。
圖1 烏江重慶河段平面圖Fig.1 Plan of Chongqing segment of Wujiang River
烏江重慶市段航道灘險以石質(zhì)灘為主，砂卵石灘次之。石質(zhì)灘多分布在峽谷河段，砂卵石灘則分布于開闊河段和河口附近[12]。建國后經(jīng)過7次大規(guī)模整治，全河段基本達到Ⅴ級航道標(biāo)準(zhǔn)。河口至白馬航道尺度(航道水深×寬度×彎曲半徑)達到1.6 m×30 m×300 m，可通行300～500 t級機駁；
白馬至銀盤航道尺度為1.5 m×25 m×180 m，可通航300 t級以下機動駁且中洪水期可通行500 t級機駁。2009年區(qū)間內(nèi)港區(qū)完成客運吞吐量20萬人次，貨物吞吐量435萬t。按照烏江航道規(guī)劃，通過整治使河口至白馬段45 km航道達到Ⅲ級航道的通航標(biāo)準(zhǔn)(水深3.2 m，底寬45 m)，白馬以上至銀盤段達到Ⅳ航道通航標(biāo)準(zhǔn)(水深2.5 m，底寬40 m)。
武隆水文站距烏江河口約69 km，為烏江匯入長江的控制水文站(圖1)，該站實測的水沙數(shù)據(jù)可直接反映研究河段的來水來沙情況。從來水來沙年際變化來看，1952—2020年研究河段年來水總量無趨勢性變化，多年平均徑流總量約為480億m3。隨著烏江干流11座大型水利樞紐陸續(xù)建成投產(chǎn)(圖2)，上游水庫大量攔沙，加之20世紀80年代開始的水土保持措施[14]，年輸沙量從約3 000萬t銳減到約260萬t(圖3)，年均含沙量減少了約93%。
圖2 烏江大型梯級水電站分布Fig.2 Distribution of large cascade hydropowerstations on Wujiang River
圖3 武隆水文站年徑流量、年輸沙量和年均含沙量Fig.3 Annual runoff, sediment discharge and averagesediment concentration at Wulong hydrological station
從來水來沙的年內(nèi)變化來看(圖4)，研究河段5—8月份為主要徑流期。2011年之前，輸沙過程與流量過程基本一致，強輸沙主要發(fā)生在5—8月份。隨著三峽175 m水位蓄水運行，研究河段大部分位于三峽變動回水區(qū)。除主汛期6—7月份外，研究河段主要依靠汛前三峽水庫消落期和汛末9月份形成的水力坡降輸沙。
圖4 武隆水文站逐月徑流量、輸沙量及平均含沙量Fig.4 Monthly runoff, sediment discharge and averagesediment concentration at Wulong hydrological station
2011年以后，研究河段在來水不變、來沙大減的條件下[12,15-16]，無論三峽水庫蓄水位為145 m或者175 m，該河段的水動力條件都足以輸送上游來沙，且仍有較大的富余挾沙能力。因此，當(dāng)前來水來沙條件對減少研究河段的淤積是有利的。
4.1 深泓縱剖面變化
烏江重慶段深泓縱剖面線整體表現(xiàn)為鋸齒狀分布，河道比降為0.56‰。根據(jù)2016年10月—2020年10月深泓線的沿程變化可知(圖5)，該河段深泓高程有抬有降，河道比降總體呈減緩趨勢。其中，深泓最大下切4.2 m，發(fā)生在河道上游武隆峽谷段，距河口里程83.9 km。深泓最大抬升4.8 m，發(fā)生在河口寬闊河段，距河口里程10 km。從深泓線空間分布可以看出，深泓線下切的部位多位于峽谷段，抬升的部位多位于寬闊河谷段以及河口?？傮w來看，縱斷面形態(tài)特征仍為鋸齒狀，未發(fā)生根本性變化，表明該河段河勢較為穩(wěn)定。
圖5 烏江銀盤至河口段深泓縱剖面變化Fig.5 Longitudinal profile of thalweg of Wujiang Riverfrom Yinpan to Hekou
武隆城區(qū)及白馬鎮(zhèn)附近的開闊河谷段處于三峽水庫回水區(qū)，枯期最大水深(即深泓水深)分別可達13 m和28 m，汛期則恢復(fù)成天然河道。若邊灘、江心洲無顯著的趨勢性落淤，則該河段能保證足夠的通航水深。三門子處于峽谷的出口，汛期最大水深能到43 m，枯期水深13 m。從當(dāng)前的情況來看，該河段暫無礙航問題?？紤]到此河段深泓線的抬升速率，該處河段通航仍存在隱患，需重點關(guān)注。
4.2 典型斷面沖淤變化
研究河段典型斷面的泥沙沖淤變化情況如圖6所示。總體來看，峽谷出口寬淺段易產(chǎn)生淤積，如位于三門子所在峽谷出口的斷面(a)及斷面(b)，河床逐年整體淤高，2016—2020年大致淤高3～5 m。此外，彎道附近斷面還表現(xiàn)出凸岸淤積凹岸沖刷的特點，如武隆所在峽谷出口斷面(c)，凸岸淤積量明顯超過了凹岸沖刷量，原本50 m左右的水面寬度被束窄約9 m，實現(xiàn)航道Ⅳ級通航標(biāo)準(zhǔn)困難。
圖6 2016—2020年典型斷面形態(tài)變化Fig.6 Morphology changes of some typical sectionsfrom 2016 to 2020
值得注意的是，斷面(d)位于江口鎮(zhèn)大拐彎段入口，原深泓線位于凹岸左汊，上游來沙主要沿江心洲左岸淤積，長此發(fā)展，可能會導(dǎo)致主汊右移；
斷面(e)位于彎道出口，右岸(凹岸)沖刷明顯，左岸(凸岸)略有淤積，2016—2020年，由于凹岸沖刷斷面展寬約30 m，可能存在岸坡崩坍的安全隱患，通航部門宜密切注意。
4.3 重點險灘段沖淤變化
為進一步了解烏江重慶河段航道的沖淤演變規(guī)律，結(jié)合航道實際運行情況，選取位于三峽水庫常年回水區(qū)的涪陵烏江大橋至白巖石河段以及位于三峽水庫變動回水區(qū)的武隆城區(qū)河段2個重點險灘段作為典型河段進行觀測數(shù)據(jù)重點分析。
4.3.1 烏江大橋至白巖石河段
涪陵烏江大橋至白巖石河道位于烏江出口段，河道微彎，進出口段河寬較窄，中間段放寬，處于三峽水庫常年回水區(qū)范圍內(nèi)。河段上游滬渝南線高速橋段河寬不足300 m，過高速橋后河寬沿程增加，至牛屎磧處河段達500 m。河寬的增加使得水流流速減小，導(dǎo)致主流兩側(cè)范圍內(nèi)易發(fā)生淤積。河段下游，汛期馬腳溪水流沖泄下來大量泥沙，匯入烏江后流速放緩，大量泥沙在匯入口處落淤。
根據(jù)2016—2020年觀測成果來看，該河段2016—2017年間無較大沖淤變化，僅在彎道凸岸、較寬的順直段邊灘略有淤積，航槽范圍內(nèi)稍有沖刷。2017—2018年間，該河段總體呈淤積狀態(tài)，淤積主要發(fā)生在深槽以及兩側(cè)邊灘范圍內(nèi)，主航槽內(nèi)最大淤積厚度約4.0 m，位于照成物流碼頭河段深槽內(nèi)。最大沖刷深度為4.0 m，位于出口處烏江大橋上游深槽內(nèi)(圖7)。2018—2020年間則無較大沖淤變化。
圖7 烏江大橋至白巖石河段沖淤分布(2017—2018年)Fig.7 Scouring and silting from Wujiang Bridge toBaiyanshi (2017-2018)
目前，主航道內(nèi)河底高程均位于140 m以下，暫無較明顯礙航問題。但由于河段位于常年回水范圍內(nèi)，淤積仍會繼續(xù)發(fā)展，故仍需對該河段進行年際間的定時觀測，以便在淤積發(fā)展到一定程度阻礙通航前能及時采取措施。
圖8 武隆城區(qū)河段沖淤分布(2017—2018年)Fig.8 Scouring and silting of the segment in Wulongurban area(2017-2018)
4.3.2 武隆城區(qū)河段
武隆城區(qū)河段呈微彎狀，河道寬窄相間，處于三峽水庫175 m蓄水位變動回水末端，受回水影響時間較短。2016—2020年該河段無大范圍淤積，航道范圍內(nèi)僅局部有淤高，主要淤積段位于武隆人行橋上游深槽內(nèi)及肖家壩左側(cè)深槽內(nèi)(圖8)。為更好地了解河段年內(nèi)沖淤變化規(guī)律，在2020年內(nèi)增加觀測頻次(圖9)。通過分析武隆三橋至二橋河段2020年3月—11月沖淤規(guī)律可知，三橋下游河寬較窄，深槽隨上游來水來沙條件的變化有小幅擺動，主要表現(xiàn)為大流量下主槽左淤右沖，向右擺動，中小流量下主槽左沖右淤，向左擺動。武隆二橋至三橋間肖家壩彎道處，斷面形態(tài)呈“U”型，深泓位于河道右側(cè)，沖淤變化相對較大，深槽主要表現(xiàn)為汛淤枯沖，邊灘表現(xiàn)為淤積態(tài)勢。武隆二橋上游斷面形態(tài)呈“U”型，深泓位于河道右側(cè)，主要表現(xiàn)為汛沖枯淤，且兩側(cè)邊灘沖淤變化幅度大于主槽。
圖9 武隆河段年內(nèi)沖淤分布(2020年)Fig.9 Annual distribution of scour and siltation inWulong segment (2020)
從觀測結(jié)果來看，肖家壩邊灘以淤積為主，淤積發(fā)展態(tài)勢較緩，目前對航道影響較小。若淤積持續(xù)發(fā)展至擠壓航道時，可以采取疏浚措施維護。武隆三橋下游深槽擺動幅度較小，對通航無明顯影響。出現(xiàn)大幅擺動時，航行范圍要及時調(diào)整。
圖10 2016—2020年各河段逐年沖淤變化Fig.10 Year-on-year changes of scouring and siltingin different segments from 2016 to 2020
4.4 全河段沖淤變化
2016年10月—2020年10月全河段逐年沖淤量如圖10所示。其中，2016年汛期6、7月份大洪水以及10月份洪水退水期全河段強烈沖刷，尤以河口至白巖石河段最為顯著。2017年10月—2018年9月流量基本與多年平均水平相當(dāng)，沖刷河段有坳坪至紅石橋(白馬鎮(zhèn)峽谷段)、九里沱至焦村壩(武隆峽谷段)、紅石橋至鑼頂坡(寬峽谷交替段)及焦壩村至楊家沱(彎道)，其他河段基本淤積，特別是河口處淤積幅度最大。2018年10月—2019年9月的來流來沙條件與上一年相似。除三門子溝至坳坪(白馬鎮(zhèn)所在峽谷出口)、鑼頂坡至桃子溝(武隆所在峽谷出口)及九里坨至焦村壩(峽谷)外，其他河段沖淤變化與前一年一致。2019年10月—2020年9月，枯期偏干，汛期7月大洪水，汛末河口大幅度沖刷，僅白巖石至磨溪(寬谷)、坳坪至鑼頂坡(寬峽谷交替段)發(fā)生較強淤積，其余河段、尤其是河口及桃子溝至九里坨(武隆所在峽谷)發(fā)生較強沖刷。
從5 a累計沖淤來看，除白巖石至磨溪(寬谷段)、紅石橋至鑼頂坡(寬峽谷交替)及楊家坨至銀盤(寬谷)出現(xiàn)累計淤積外，其余河段基本沖刷。相對峽谷段，寬谷段各年沖淤變化幅度更大。在上一年淤積的情況下，由于過水?dāng)嗝媸乱荒昙词箒硭回S寬谷段也很有可能形成沖刷趨勢。
本文對烏江重慶段2016—2020年泥沙沖淤特征及其對航運的影響進行了分析，主要得到如下結(jié)論：
(1)烏江重慶段年徑流量無明顯下降趨勢，而年輸沙量下降趨勢顯著。除6—7月主汛期外，5月三峽庫區(qū)消落期及9月汛末是河段走沙、沖刷的主要時期。
(2)在烏江流域大型水電梯級陸續(xù)投產(chǎn)的前提下，武隆峽谷段河床有下降趨勢，而河口段河床有抬升趨勢。整體而言，烏江重慶段河床比降呈減緩趨勢。
(3)在走沙條件不變的情況下，常年回水區(qū)河道基本處于淤積狀態(tài)。變動回水區(qū)以上河道沖淤主要受河道形態(tài)影響，如寬谷、彎道凸岸、江心洲是主要淤積部位，峽谷及彎道凹岸是主要沖刷部位。
(4)相對于峽谷河段而言，寬谷河段沖淤變幅更為顯著。除河道形態(tài)有利于泥沙淤積外，寬谷段泥沙沖淤還受來流及上一時間段的沖淤影響。來流特別大(洪水)或者上一時間段淤積對河槽束窄過多都可能導(dǎo)致寬谷段發(fā)生強沖刷。
(5)除局部河段出現(xiàn)累積性泥沙淤積外，其余河段均表現(xiàn)為泥沙沖刷。在泥沙沖淤變幅不大的前提下，全河段基本能滿足通航需求。但值得關(guān)注的是，河道岸坡崩滑、險灘段河道深泓巨幅擺動及局部河段泥沙累計淤積等問題可能會對航運造成一定的影響。
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