清水下泄下游河道冲淤特性与演变特性
三峡水库蓄水后荆江河段河床冲淤及水位变化特点分析
摘要：根据三峡水库蓄水以来荆江河段实测水沙、河道冲淤等实测资料，统计并分析了蓄水以来荆江河段河床冲淤变化及水位变化特点。
分析指出，三峡水库蓄水运用后，荆江河段来沙量大幅减少，总体冲刷量较蓄水前有所增大，且主要集中在枯水河槽，与航道条件密切相关的枯水河槽以上的滩地部分冲刷也有所增大；同流量下沿程水位均有发生不同程度的下降，其中，砂卵石河床段、临近城陵矶的荆江河段尾端，水位下降幅度较小，而紧邻砂卵石河床段的沙市附近水位下降幅度较大。
关键词：三峡工程荆江河床冲淤水位变化三峡工程是中国、也是世界上最大的水利枢纽工程，是治理和开发长江的关键性骨干工程，它具有防洪、发电、航运等巨大的综合效益。
但是，三峡水库的蓄水将改变坝下游河段的来水来沙条件，引起长距离的河床冲刷及水位下降，航道条件与河床冲刷关系密切。
荆江河段为长江干流重点浅滩水道密集的河段，自身演变较为复杂，且受三峡影响最早最直接。
因此，研究三峡水库蓄水后，荆江河段河床冲淤及水位变化特点显得尤为重要。
概况荆江河段位于长江中游，上起枝城，下迄洞庭湖出口处的城陵矶，全长约347.2km，以藕池口为界，分上、下荆江。
荆江北岸有支流沮漳河入汇，南岸沿程有松滋口、太平口、藕池口和调弦口（已于1959年建闸控制）分流入洞庭湖，洞庭湖又集湘、资、沅、澧四水于城陵矶处汇入长江，构成非常复杂的江湖关系，见图1。
上荆江为微弯河段，多弯曲分汊，长约171.5km。
枝城至江口段为低山丘陵区向冲积平原区过渡的河段，两岸多为低山丘陵控制，河岸稳定。
下荆江上起藕池口，下迄洞庭湖出口处的城陵矶，全长约175.7km。
历史上，下荆江蜿蜒曲折，易发生自然裁弯，河道摆动幅度大，为典型的蜿蜒型河道。
20世纪60年代末至70年代初，下荆江经历了中洲子（1967年）、上车湾（1969年）两处人工裁弯以及沙滩子（1972年）自然裁弯，使其河长缩短了约78km。
裁弯工程实施后，因下荆江不断实施河势控制工程与护岸工程，河道摆动幅度明显减小，岸线稳定性得到了增强。
明清黄河下游来水来沙与河床演变
明清黄河下游来水来沙与河床演变本文利用近500年历史水旱资料，分析明清黄河下游来水变化，、水沙组合序列，分析可能导致下游河床淤积的水沙组合样本。
认为径梳偏丰时，来沙相对增丰，与来水来沙周期变化相应，存在三个加积阶段，下游河床急速加积，河床演变剧烈。
一、明清黄河下游的来水来沙变化黄河下游来水、在超长系列里呈现出丰枯交替的周期变化。
下游的来沙，以三门峡站以上流域为主，河口至龙门区间、泾洛渭汾流域产沙量，占全河的90％以上。
：故利用三门峡站的多年天然径流2，粗估来水来沙的变化趋势和量级。
以三门峡以上41站在《中国近五百年旱涝图集》中逐年的旱涝等级，对三门峡站天然年径流计算分析，重建了近500年径流序列。
采用该序列作低通滤波处理，：认为50年滑动平均成果具有清晰的周期变化特征：分析来水变化趋势，认为明清黄河下游具有三个长周期(1479―1595年、1596―1782年、1783―1908年)，成果如图。
从B、C丰水时段图象看，似可进―步划分为四个准丰水段，其间还有两次短暂相对偏枯振动。
对复原的历史天然径流序列采用最大熵谱分析，成果显示存在23年的主周期、73年的次主周期，可能与天文一大气变化有关联。
研究认为明清时期的3次加积高潮，与A、B、C三个丰水时段大致同步(1534―1595、1643-1782、1798-1908年)，下游河道的堆积低谷又与枯水时段大致同步，定性地认识到丰水时期的来水，与挟带而来较多的泥沙及下游河床的堆积存在密切关联的特性。
造成下游河道堆积的泥沙，主要由大于0.05mm的粗颗粒所组成，主要来源于陕北黄土丘陵沟壑地区，来自河口镇至清涧河口之间两岸支流与无定河河口以下白宇山区的支流河源区。
利用500年水旱资料，以主要产沙区的榆林、延安二站资料，适当参考中游其它站区，认为榆林、延安的水旱等级，相应也显示了水力侵蚀产沙程度，定性地判别主要产沙区在中游地的相对侵蚀(粗沙)产沙程度，粗分为丰、中、少三中情况。
暴雨中心区清水河小流域生态修复模式特点及评价
1
流域概况
清水河小流域位于豫西伏牛山东麓 , 地处暖温带
1985 年 该流 域 辖 4 个 行 政 村 , 33 个 居民 组 , 3 399 人。 粮食总产量 4. 35 % 105 kg 。平均单产 3 615 kg / hm 2 , 人均产粮 128 kg 。农业总产值 53. 1 万元 , 人均产值 156 万元, 人均纯收入 102. 6 元 , 是鲁山县 有名的贫穷山村。 自 1986 年开始, 实施清水河小流域综合治理开 发试点 , 结合试点小流域规划要求 , 确定了以暴雨中 心区水土保持生态修复模式化为手段, 以发展经济尽 快脱贫致富为目的的指导思想。经过连续治理 , 累计 完成治理面积 24. 44 km 2 , 占应治理面积的 98. 7% , 林草植被覆盖率由 40. 9% 提高到 93. 45% , 修建沟头 防护 113 处 , 新建石谷坊 2 151 座, 修复 7 030 座, 新 建淤地坝 382 道 , 修复加固 3 120 道, 修建顺河坝 6. 3 km, 扩大基本农田 26. 73 hm , 兴建人畜饮水工程 22 处 , 解决 饮水困 难 2 650 人 , 兴 修简易 公路 4 条 长 28. 3 km 。 总投工 46. 7 万个, 总投资 141. 7 万元 ( 含
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
投工折款 93. 5 万元 ) , 其中国家和地方投入占 30% , 群众自筹占 70% 。 2000 年被水利部、 财政部命名为 ∀ 全国第一批&十、 百、 千 示范小流域# 。
结合的典型。在比较平缓的坡段适宜发展板栗经济 林。茅栗嫁接板栗, 不破坏地表植被 , 只对嫁接植株 周围的高头树进行削枝透光, 使板栗嫁接苗成为优势 树种, 经过 3 a 左右时间的抚育管理, 即可形成板栗、 灌木、 草本混交林 , 生态修复效益良好。 ( 2) 水土保持功能高。其一, 由于生物群落自身 结构紧密, 乔灌草立体分布 , 主要树种和灌木、 草本植 物层次明显 , 地被物深厚, 林草覆盖率极高, 能够充分 发挥群体防护功能; 其二, 生物群落地域分布顺其自 然规律 , 山顶陡坡防护林、 用材林为水土保持生态建 设设立了第一道防线 , 对于拦截径流 , 涵养水源 , 减少 泥沙冲蚀, 削减洪峰起到了重要作用。 ( 3) 开发经济效益大。生物群落化寓于经济开 发基地建设 , 充分体现集中连片开发治理的原则 , 既 有利于营林管理 , 又有利于商品生产 , 为小流域治理 走上市场经济轨道打下可靠的基础。该流域已建立 起约 3. 3 hm 2 规模的用材林和 4 处经济林基地 , 初步 形成经济开发的支柱产业 , 经济效益日益提高 [ 2] 。 2. 2 工程体系标准化的模式 2. 2. 1 模式特点 ( 1) 具有层层设防, 节节拦蓄的防护体系。鉴于 该流域地处暴雨中心的特定条件, 依据水土流失的类 型、 程度及危害的特点 , 按照坡面到沟 道, 沟头 到沟 口 , 自上游到下游 , 先毛沟 , 后支沟 , 再经干沟到主河 道的顺序, 层层节节修建了各种拦沙蓄水防护工程。 在山顶坡面配合生物措施 , 修建鱼鳞坑、 水平阶、 水平 梯田, 支毛沟修建沟头防护 ( 含植物防护 ) 、 石谷坊、 淤 地坝、 排洪沟及沟底防冲林等设施。在干沟和主河道 两岸修建顺河堤 , 堤外营造护岸林带 , 形成完整的工 程防护体系。 ( 2) 具有严格规范的防洪标准。根据 ∀ 淮河流域 水土保持小流域综合治理试点实施办法# 所规定的工 程防洪标准 , 即坡面工程 10 年一遇 24 h 最大暴雨 , 沟道工程 20 年一遇 1 h 最大洪水的要求, 针对该流 域相应的雨强及暴雨量、 洪水量 , 对各类工程进行典 型设计、 施工, 从而达到防洪安全的标准。坡面工程 : 将 25 ∋以下的坡耕地改成石坎水平梯田。依据 (河南 省中小流域设计暴雨洪水图集) ( 1984 年 ) , 该流域十 年一遇 24 h 最大暴雨为 275 m m 。干砌石谷坊、 淤地 坝工程 : 一般建在毛沟和支沟上部、 支沟中下部和干 沟上中部。其防洪标准按 20 年一遇 1 h 最大洪水设 计 , 根据 ( 图 集) , 20 年 一遇 24 h 最大 暴 雨 为 345 m m, 雨强为 105 mm/ h。河道堤防工程: 在干沟下部 和主河道两侧修建顺河坝, 在确 保安全行洪的 前提 下 , 保护和扩大基本农田。顺河坝的坝体结构视河段
2020_年流域性大洪水下长江下游干流河道演变分析
第 4 期水 利 水 运 工 程 学 报No. 4 2023 年 8 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING Aug. 2023 DOI:10.12170/20221130002曹双，程龙，李洁，等. 2020年流域性大洪水下长江下游干流河道演变分析[J]. 水利水运工程学报，2023（4）：1-11. （CAO Shuang, CHENG Long, LI Jie, et al. Analysis of evolution in the lower Yangtze River under the effect of the great basin flood in 2020[J]. Hydro-Science and Engineering, 2023（4）: 1-11. （in Chinese））2020年流域性大洪水下长江下游干流河道演变分析曹双，程龙，李洁，罗红雨(长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局，江苏南京 210011)摘要: 自2003年三峡水库蓄水以来，长江下游水沙特性发生了显著变化，2020年夏长江流域发生了流域性大洪水。
在分析三峡水库蓄水以来长江下游水沙特性变化的基础上，结合2020年洪水期的水情、沙情，利用实测河床地形及大断面资料，分析长江下游干流湖口至江阴多年河道冲淤特性，探讨2020年洪水作用下长江下游河床冲淤变化及河势演变特性。
研究表明：自三峡水库蓄水以来，长江下游年均径流量变化较小，输沙量锐减，水沙关系发生明显改变；湖口至江阴河段1998—2006年有淤有冲，2006年后呈单向冲刷状态，且滩槽普冲，在2020年流域性大洪水作用后，长江下游河道延续这一冲刷特征，冲刷强度明显增强，各水位河槽冲刷强度为2016—2020年平均值的2.0~2.8倍；大通以上河段冲刷强度小于下游河段；长江下游分流格局总体稳定，但铜陵河段成德洲汊道有主支汊易位趋势，多次测得右汊分流比超过左汊；扬中河段支汊发展，分流比呈持续微增趋势；河势总体稳定，尚有多个江心洲边滩冲刷明显，铜陵沙首度出现撇岸切滩现象，扬中等局部江段江心洲高滩陡坎有条崩发生；河床纵向仍有冲刷，河道束窄段横断面形态进一步窄深化。
黄河下游2000～2015水沙变化及河道冲刷特征
黄河下游2000～2015水沙变化及河道冲刷特征小浪底水库运用初期，黄河流域历经枯水少沙系列年，大洪水较少；一般情况下水库下泄清水，洪水期间水库以异重流为主排出细泥沙，进入下游河道的泥沙明显减少。
2000～2015年，黄河下游河道发生了持续冲刷，累计冲刷泥沙量为8.895亿m3，河道淤积萎缩的局面得到有效遏制。
标签：黄河下游；小浪底水库；河道冲刷；调水调沙1、黄河下游水沙变化过程2000～2015年，年均进入下游水量223.10亿m3，较多年均值偏少44%，年均进入下游沙量0.648亿t，较多年均值偏少94%，属于枯水枯沙系列。
其中汛期平均水沙量分别为82.10亿m3 和0.63亿t，较多年同期均值分别偏少62%和94%。
年平均含沙量 2.9kg/m3，汛期平均含沙量7.7kg/m3，与多年年均值（29kg/m3）和多年汛期均值（48kg/m3）相比，大幅度减少。
2000～2015年，汛期下游水流过程以1000 m3/s流量级以下的小流量为主。
汛期花园口小于500m3/s流量级的历时为49.7d；500～1000 m3/s流量级为51d。
小浪底水库运用初期（1999～2015年），花园口洪峰流量大于2000 m3/s的洪水仅16场，年平均仅2.4场，较多年平均偏少60%；洪峰流量大于4000 m3/s的洪水没有一场，多年平均3.6场，洪水场次明显偏少。
七年中花园口最大洪峰仅3970 m3/s，洪峰流量减小明显。
2、黄河下游河道冲刷特征2000～2015年，水库除调水调沙和洪水期间外，以下泄清水为主，下游河道全程持续冲刷，河道淤积萎缩的局面得到有效遏制。
根据实测大断面资料计算，16年下游累计冲刷量为8.895亿m3，其中汛期冲刷量为5.993亿m3，占全年冲刷量的67%，14次调水调沙冲刷1.954億m3，占汛期冲刷量的33%。
16年中，除2002年调水调沙期间滩地淤积0.477亿m3外，其余冲淤均发生在河槽。
青溪水电站大坝下游河床冲刷分析与研究
张从联 黄智敏 江洧
（广东省水利水电科学研究院，广州，510610）
摘 要：青溪水电站溢流坝段采用面流消能工，运行十多年来下游河床冲刷较严重，本文通过对该电站泄洪资料、 下游河床实测地形资料的统计分析，并通过判别面流流态初步验算与冲刷坑冲刷深度估算，认为影响下游河床冲 刷的主要因素为泄洪闸部分闸孔闸门集中大开度开启，其次，下游河床下切水位下降导致面流流态发生了较大的 变化，甚至无法保证面流流态的形成是下游河床形成冲刷的另一个因素。 关键词：面流消能 河床冲刷 闸门运行
据表 3 和表 1 中的实际下游水位情况可以看出，随着下游河床下切导致下游水位降低，发生
面流流态保证区的下限水深也有所降低。在渲泄小流量洪水时，如果闸门为单孔以较大开度开启
而导致鼻坎单宽流量较大，达到所需面流流态的区界水深较深，而实际的下游河道水深较浅，无
法满足保持面流流态的水深，则无法保证面流流态的形成，从而可能会出现淹没底流或挑流等不
3.1 泄洪资料 青溪水电站 1992 年 12 月第一台机组发电，
溢流坝泄洪弧形闸门于 1993 年 1 月正式运行参 与泄洪。因该电站是一个以发电为主的低水头日 调节径流式电站，泄洪闸启闭较为频繁，表 1 选
0.38 78.0
9.32
坝 轴 线
75.60 73.0 1:1
25.96
76.50 75.20 R24.42
—
—
3#闸孔下游 0+058 39.1
25
1:10
和第二区界水深进行了计算（第一区界水深
80
是指发生自由面流流态的最小下游水深；第二区界水深定义为从自由面流或混合面流转变为淹没 混合面流的最小下游水深），公式（1）～（2）即为计算第一、二区界水深的方法（此公式在下游 有水平护坦的条件下适用）。
河道水流和泥沙的一般特性
河流动力学
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29
泥沙的粒径（续）
对较粗的天然沙粒测量成果的统计分析表 明，沙粒的中轴长度，和其长、中、短三 轴的几何乎均值(即等容粒径)接近相等且 略大
对于粒径在0.062~32.0mm之间的沙粒，一 般采用筛析法
用筛析法量得的粒径应相当于各粒径组界 限沙粒的中轴长度。可以近似地看成等容 粒径，或者直接称为筛径
河流动力学
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32
河流动力学
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33
三、泥沙的空隙率
孔隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比称为孔隙率
• 泥沙孔隙率因沙粒的大小及均 匀度、沙粒的形状、沉积的情 况以及沉积后受力大小及历时 长短而有不同。
• 对各类泥沙孔隙率一般为 粗 沙 ： 的 孔 隙 率 39 ％ ～ 40 ％ ， 中沙：41％-48％，
不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成 不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性
河流动力学
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26
河流泥沙的几何特性
河流动力学
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27
泥沙的粒径
泥沙的几何特性系指泥沙颗粒的形状和大小， 或者说泥沙颗粒的形状与粒径
泥沙的粒径
泥沙的粒径是泥沙颗粒大小的量度
所谓等容粒径，就是体积与泥沙颗粒相等的球体的 直径。设某一颗沙的体积为v，则其等容粒径为， 单位mm
河道水流和泥沙的一般特性
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1
河道水流的一般特性
河流动力学
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2
河道水流的基本特性
天然河道中的水流属于明渠流，在很多情 况下可以沿用水力学中明渠流的有关结果
二相流特性 三维性 不恒定性 非均匀性
河流动力学
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3
第1章河道水流的特性
§1-2 河道水流的运动结构
一、河道水流的基本特性 河道水流是在河谷地质、地貌与水文条件的作用下而构 成它的特性的，人为因素也可能给予程度不同的影响。这 种基本特性可以概括为以下几点。 （1）河道水流的二相特性
Hack发现河流某一控制点以上的干流长度与该点 以上流域面积之存在如下关系：
L =1.27F0.6
流域几何特征 表示流域整体外形特征的还有：
形态要素：
流域圆度： 流域狭长度： 流域对称指标：
R f Au / L
2 f
Ac—与流域具有同 一周长的圆面积
Rc Au / Ac
Re Dc / L f
紊源除了普通意义的粗糙边璧外还包括河势河相成型淤积体河底或河岸的7513一河床床面水流阻力的分解冲积河流阻沿程阻力河底的床面阻力沙粒阻力沙波阻力河岸边壁阻力局部阻力源于河流平面形态特征阻力如主流线的摆动河弯河谷的突然扩宽等源于个别特大粗糙的阻力如孤石小7613河道水流中的阻力损失二明渠二维水流的阻力损失表达方式对于恒定均匀的明渠流动可以用水流的能坡断面平均流速水力半径和反映边壁粗糙状况的阻力系数这四个物理量建立水流的断面平均流速公式也可以称为阻力方程
（3）紊流理论发展
1883年，O.雷诺发表了他观测层流及紊流流态的文章，并于1894年推导
出索流时均流动的基本方程——雷诺方程式。
20世纪20年代以来，发展了各种半经验理论和各种紊流模型，从而对紊 流问题可进行定量的分析。
从30年代起，紊流统计理论，特别是G.I.泰勒的均匀各向同性紊流理论
得到了发展； 40年代苏联的A.H.科尔莫戈罗夫提出了局部各向同性紊流理论。
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摘要：小浪底水库的主要任务是防洪和减淤，同时也应尽量满足其它方面的兴利要求。
三门峡水库1960年9月~1964年10月初期蓄水拦沙阶段，库区潼关以下淤积36.5亿t泥沙，下游河道冲刷23亿t，其中高村以上冲刷16.9亿t，占73%。
关键词：清水下泄下游河道冲淤
清水下泄下游河道冲淤特性与输沙特性
小浪底水库的主要任务是防洪和减淤，同时也应尽量满足其它方面的兴利要求。
三门峡水库1960年9月~1964年10月初期蓄水拦沙阶段，库区潼关以下淤积36.5亿t泥沙，下游河道冲刷23亿t，其中高村以上冲刷16.9亿t，占73%。
图5-1是根据三门峡水库下泄清水期洪峰时段资料，点绘的下游不同河段日平均冲刷量和花园口站流量间的关系，由于用洪峰时段日平均冲淤量点绘该图，使得图中的横坐标建立在同一个时间基础上，更能客观地反映不同河段的冲淤特性。
在资料分析中，考虑了位山枢纽运用和破坝的影响。
实测资料表明，影响冲刷距离的主要因素是流量，从图5-1可以看出，在花园口流量q花<1500m3/s时，高村以上和艾山以上冲刷量点群重合，说明冲刷只发展到高村站；在流量q花&1500m3/s 时，点群逐渐分离，说明冲刷可以发展到高村至艾山间。
从图中给出的艾山~利津河段的日均冲淤量与流量间的关系表明，流量小于500m3/s时基本不淤，在流量小于1500 m3/s时随着流量的增大，该河段的的淤积量增大，1500m3/s时淤积最强烈，但淤积量绝对值很小。
而后随着流量的增大淤积强度减弱，在流量大于2500m3/s后河道发生冲刷, 在4000m3/s时，冲刷最强烈，冲刷1t泥沙用水量仍达345m3，而艾山以上河段冲刷1t泥沙用水量仅86m3，即80%冲刷量发生在艾山以上河段。
由此可见，对艾山~利津河段冲刷1亿t泥沙的要需水量相当可观。
根据以上分析，在制定水库运用原则时，可将兴利流量上限放大到1200 m3/s，既照顾了发电和下游用水要求，又不至造成艾山以下河段的严重游积。
清水冲刷、滩地坍塌，河槽在摆动中下切
三门峡水库1960年9月~1964年10月蓄水拦沙运用，在年均来水量559亿m3、来沙量5.82亿t、年均含沙量10kg/m3情况下，全下游共冲刷23亿t，年均冲刷5.78亿t。
其年均冲刷量分布列入表5-1。
1980年10月至1985年10月，下游年均来水482亿m3，年均来沙量9.7亿t，年平均含沙量20kg/m3，属于天然情况下来水丰、来沙少的典型系列，全下游累计冲刷4.85亿t，全河年均冲刷量0.97亿t，高村以上河段年均冲刷1.19亿t,高村~艾山年均淤积0.45亿t,艾山~利津年均冲刷0.11亿t,详见表5-1。
三门峡水库1960年9月至1964年10月下泄清水时，根据以往资料分析，在高村以上河段塌滩280km2，平均塌滩宽度1000m，各河段的分布情况见表5-3。
其中，花园口至夹河滩河段塌滩最严重，平均塌滩宽度1181m，其中柳园口至古城河段平均塌滩宽度长达2300m。
断面资料套绘表明，河床在冲刷过程中，不断的摆动，塌掉二滩、高滩，新淤出是低滩，详见花园口断面变化套绘图5-2。
根据河势的变化与断面套绘分析主流摆动范围最大达10km，发生在伊洛河口，平均摆动范围3.5~4.2km; 1981年至1985年河槽的摆动范围有所减小，最大摆幅6km，河段平均摆范围2~3.5km，主要是控导工程的不断兴建控制了河槽的摆动范围。
各河段的摆动范围详见表5-3。