水文分析计算及水资源评价：对坝下游环境的影响

14.5.5.1　对坝下游水流泥沙输移过程的影响

修建水库后，水库下游的来水、来沙过程发生变化，下游河道的水位、流量变化基本上受人工控制，流量调平，下泄沙量减少，河床冲淤平衡发生明显变化，多数水库下游沖刷加剧。

水库对坝下游水流泥沙输移过程的影响，主要包括以下几个方面。

（1）水位、流量过程的变化。通过水库对洪水的调蓄作用，对坝下游流量过程进行再分配，主要表现在以下方面。

图14.28　四川升钟水库1981年7月洪水过程线

1）洪峰削减，中水期流量增大、中水期延长，径流量年内分配趋于均匀。洪水期间，具有防洪功能的水库使坝下游河道洪峰流量大幅度减小。如四川升钟水库在1981年7月洪水期间，入库洪峰流量为4200m3／s，经过水库调蓄作用，下泄洪峰流量削减为1200m3／s，滞蓄洪水作用十分明显（图14.28）；丹江口水库1968～2000年水库以上共发生洪峰流量大于10000m3／s的洪水71次，平均削峰率为75%，1974年9月汉江上游大洪水，入库流量最高达27600m3／s，经水库调蓄后，下泄最大流量仅3650m3／s，削减23950m3／s。

水库在削减洪峰的同时，也使坝下游径流量年内分配趋于均匀。如丹江口水库建库前，多年月平均流量的最大值与最小值的比值为9.9～12；水库蓄水运用后，最大值与最小值的比为2.3～2.7。黄家港、襄阳、皇庄、沙洋和仙桃站的年内最大与最小流量变幅分别为105.4、76.1、68.2、49.1和37.5倍。蓄水后各站流量变幅分别减少为38.3、26.1、24.9、23.3、16.6倍，流量过程的起伏程度大为减少。

2）非汛期流量增大。水库在非汛期降低水位运行，使坝下游流量增大。如丹江口水库下游黄家港站建库前（11月至次年4月）平均流量为544m3／s，而蓄水后平均流量增大为760m3／s。

3）中水期流量增大、中水期延长。如丹江口水库下游黄家港站，选择丰、中、枯水典型年进行统计，日平均流量为1000～3000m3／s的中水流量，建库前出现该级流量的天数一般在60～80d，建库后则增加到140～300d，中水历时明显延长。

4）水位变幅减小。丹江口建库前，汉江中下游干流各站水位年最大变幅在7.52～13.96m，年平均水位变幅在5.34～10.93m（表14.32）。水库建成蓄水后，中下游枯季水位抬高，汛期水位降低，年最大变幅减小，各站年水位变幅的平均值均较建库前和滞洪期减小，蓄水后较建库前水位变幅降低1.06～2.55m。

表14.32　丹江口水库下游各站不同时期年水位变幅表　单位：m

5）水位过程的变化。水库运行后的蓄水期和泄水期，坝下游水位和流量过程将发生显著变化。水库进行日调节时，下游河道将出现日调节波，水位过程变化较大。如江西拓林水库的运用使下游河道中出现日调节波，日内水位变化频繁，如图14.29所示。

图14.29　拓林水库建库前后下游河道日水位过程线

（2）坝下游输沙的变化。由于泥沙粒径和沉速的区别，水库对不同运动特性的泥沙影响程度不同，粗颗粒的推移质几乎被全部拦截，只有粒径很细的冲泄质才能被水流挟往下游。因此，沙量急剧减小且细化是建库后下泄泥沙的主要特点。

丹江口水库建成前，汉江中下游沙量年内分布不均匀，输沙量主要集中在汛期7月、8月、9月三个月，占全年来沙总量的80%以上；枯水期12月、1月、2月三个月输沙量不到全年总量的1%。水库建库后，大量泥沙被拦在库内，下泄水流含沙量明显减小。建库前（1951～1959年）黄家港、襄阳、皇庄、仙桃站多年平均含沙量分别为2.92kg／m3、2.52kg／m3、2.48kg／m3和1.78kg／m3，蓄水后（1987～2004年）则分别减小为0.030kg／m3、0.070kg／m3、0.260kg／m3和0.450kg／m3，见表14.33。由于含沙量锐减，输沙总量相应减少。建库前，黄家港、襄阳、皇庄、仙桃站多年平均输沙量分别为1.27亿t、1.13亿t、1.33亿t和0.831亿t，由此可见汉江中下游约有65%的泥沙被输入长江，其余则沿程沉积，使河道处于微堆积状态。建库后，水库基本下泄清水，中下游河道水流中的含沙量主要来自河床的冲刷、河岸的坍塌和支流来沙，各站输沙量分别减少至102万t、494万t、1600万t和2130万t，仅分别为建库前的0.8%、4.4%、12.0%和25.6%。

表14.33　丹江口下游各站不同时期含沙量比较表　单位：kg／m3

三峡水库蓄水前（1950～2002年），坝下游干流主要控制站宜昌、汉口、大通多年平均径流量分别为4368亿m3、7111亿m3和9052亿m3，输沙量分别为4.92亿t、3.98亿t和4.27亿t。三峡水库于2003年6月蓄水后，2003～2006年三峡水库坝下游各控制站径流表现为不同程度的偏枯，偏小幅度在1%～11%；但与三峡水库蓄水前比较，坝下游干流各水文站年输沙量减小明显，且其减小幅度沿程递减，2003～2006年宜昌、汉口和大通站减小幅度分别为86%、67%和62%，见表14.34。

表14.342003　～2006年长江中下游主要水文站径流量、输沙量和含沙量统计

此外，由于输沙率一般与流量的高次方成正比，因此水库对坝下游流量过程的改变，特别是削减洪峰流量，流量过程的变幅减小，均会使坝下游输沙能力降低。韩其为的研究表明，丹江口建库前，下游皇庄站1958年平均流量为2060m3／s，蓄水后1975年平均流量为2080m3／s，流量过程的变化使皇庄站输沙能力减小41%。

（3）坝下游水沙关系的变化。水库蓄水后，下游水沙关系发生明显变化，主要表现为同流量下含沙量减小，且由于坝下游河道泥沙冲淤以及床沙、推移质泥沙和悬移质之间的交换作用，使其减小幅度有沿程递减的趋势。

三峡水库2003年6月蓄水后，坝下游同流量下含沙量显著减小。2003年6月至2006年12月宜昌、沙市站与2002年6月至2003年5月同期对比，同流量下含沙量明显减小（图14.30、图14.31），但减小幅度沿程减小，说明坝下游含沙量沿程恢复较为明显。

图14.30　三峡水库蓄水前后宜昌站同流量下含沙量对比

图14.31　三峡水库蓄水前后沙市站同流量下含沙量对比

（4）坝下游河道水位—流量关系和水面比降的变化。坝下游泥沙冲淤会引起河道水力特性如水位—流量关系、水面比降等的改变。

1）水位—流量关系的变化。在下游河道冲淤过程中，水位—流量关系会发生改变。水库下游河道由于沿程冲刷强度的不同，水位下降幅度并不一致。如丹江口水库建成后，在Q＝400m3／s时，坝下游黄家港、光化、太平店、茨河和襄阳站与蓄水前相比，水位分别下降1.50m、0.90m、1.15m、0.40m和0.30m（表14.35）。同时由于水库下游河道冲淤面积沿程的分布不同，不同流量的水位升降值并不一样，表14.36为丹江口水库坝下约5km汉江黄家港水文站水位降低情况，不同流量下水位降低值差别较大。

表14.35　丹江口建库后汉江下游黄家港—襄阳河段不同测站水位下降值（与建库前相比）　单位：m

表14.36　汉江下游黄家港站冲刷前后水位下降对比　单位：m

如长江干流宜昌站1970年以前水位—流量关系基本稳定，枯水水位—流量关系变化不大，但从1970年葛洲坝枢纽动工兴建开始，枯水位始有下降现象，并随着葛洲坝水利枢纽运行，枯水同流量下水位有所降低，三峡水库蓄水前（2002年底）宜昌站在流量为4000m3／s时的水位较1973年葛洲坝设计线累计下降1.24m。三峡水库运行初期，2006年汛后与2002年汛后比较，当流量为4000m3／s、5000m3／s时，其相应水位分别累积下降了0.07m、0.17m，流量为10000m3／s时水位则已累积下降0.49m，如图14.32所示。

2）水面比降的变化。一般而言，在冲刷过程中，由于上段冲得多，下段冲得少，使同流量的水位上段降低多，下段降低少，结果反映出纵坡降减小。表14.37为丹江口下游汉江河床冲刷后坡降的变化。因为冲刷强度较大，因此各河段坡降减小均较为明显。

（5）悬移质泥沙颗粒级配变化。水库蓄水后，入库泥沙中大部分粗颗粒泥沙被拦截在库内，细颗粒泥沙被排出库外。三峡水库蓄水后，出库站——宜昌站悬移质泥沙粒径明显减小，但坝下游从宜昌到监利段悬移质中粒径小于0.125mm的泥沙颗粒含量沿程减小，说明细颗粒沿程越来越少，粗颗粒越来越多，清水冲刷引起河床自动调整，泥沙颗粒粒径逐渐增大（表14.38），尤以监利站变粗最为明显，悬移质泥沙中值粒径由蓄水前的0.009mm变粗为2003～2006年的0.036mm，2006年监利站悬移质泥沙中值粒径为0.150mm。从沿程变化来看，坝下游悬沙变化沿程变粗也较为明显。

图14.32　宜昌站不同时期汛后水位～流量关系图

表14.37　汉江下游冲刷前后水力因素变化对比

表14.38　三峡水库蓄水前后坝下游主要控制站悬移质不同粒径级沙重百分数和中值粒径对比表

续表

注　宜昌、监利站三峡水库蓄水前悬移质泥沙级配资料统计年限为1986～2002年；枝城站为1992～2002年；沙市站为1991～2002年；螺山、汉口、大通站为1987～2002。

丹江口水库建成后，坝下游河床冲刷也导致悬移质泥沙粒径变粗，襄阳、皇庄和仙桃站悬移质中值粒径分别由蓄水前的0.025mm、0.024mm、0.020mm变粗为蓄水后的0.077mm、0.049mm和0.039mm，见表14.39。

表14.39　丹江口水库蓄水前后坝下游悬移质中值粒径变化

（6）坝下游河道床沙粗化。水库下游河道由于河床冲刷而引起床沙粗化。如丹江口水库蓄水运用后，坝下游河道的河床组成较建库前已发生了明显的粗化。丹江口坝下游大坝—白马洞河段（长82km），该段建库前为沙夹卵石河床，以沙质为主，细沙和极细沙含量占67.1%，砾石和卵石含量仅分别占2.5%和3.0%，水库蓄水运用后，1985年该段经冲刷后已变为卵石河床，沙质含量很少，砾石、卵石含量占80%以上（表14.40）。与此同时，卵石粗化段也逐渐向下游移动，1980年河床主槽卵石与沙质河床的交界处在茨河，1985年10月则下移至白马洞、牛首上的冲42断面附近，下延了约11.8km。

表14.40　丹江口坝下游大坝—白马洞河段河床组成变化

从丹江口坝下游河床沿程变化来看，距坝愈远河床粗化程度则愈小（图14.33）。1985年与1959年相比，黄家港、襄阳、皇庄、仙桃和蔡甸床沙中值粒径分别增大142、72、2、1.4和1.4倍（表14.41）。

图14.33　丹江口水库建库前后坝下游河床组成变化

表14.41　丹江口水库建成前后各站床沙中值粒径变化　单位：mm

图14.34　三峡水库135～139m运用前后宜枝河段床沙D50沿程变化图

表14.42　三峡水库135～139m运用期宜枝河段典型断面床沙D50变化统计表　单位：mm

三峡水库蓄水前，宜昌—枝城河段（以下简称宜枝河段）床沙D50总体表现为沿程细化（图14.34）。三峡水库蓄水运用后，宜枝河段床沙组成随着河床冲刷发生了较大变化，床沙粒径明显粗化（表14.42），河床由沙质或夹砂卵石河床，逐步变化为卵石夹沙河床。如位于葛洲坝下游27km的宜51断面床沙D50由2001年9月的0.228mm变粗为2006年10月的9.45mm；在三峡水库蓄水前，宜昌站汛后床沙中值粒径一般小于0.30mm，三峡水库蓄水运用后，2003年、2004年、2005年、2006年汛后宜昌站床沙中值粒径D50分别为0.320mm、0.402mm、0.480mm、0.680mm，逐年粗化也较为明显（图14.35）。

图14.35　三峡水库135～139m运用期宜昌站汛后床沙组成变化图

14.5.5.2　对坝下游河道演变的影响

（1）河道冲刷。河道演变的程度取决于河道上游来水、来沙与河段内河床边界的相互作用的强弱对比关系。来水、来沙在一定条件下是造成河道演变的主导因素，也可以说是造成河道演变的前提条件。水库对水沙条件的改变，必然引起下游河道的冲淤调整以实现新的适应关系，主要表现为天然河道建库后，水库拦截大量泥沙，下泄水流带有未消耗的余能，水流挟沙力处于不饱和状态，使水库下游河床发生冲刷，是水利工程运行后坝下游河道演变的普遍规律。

水库坝下游河道的冲刷过程是自上而下逐渐发展的。如丹江口水库蓄水运用后，1968～1976年坝下游黄家港—皇庄段共冲刷1.62亿t，其中黄家港—襄阳段冲刷量为1.13亿t，襄阳—皇庄段冲刷量为0.493亿t。而从1974～1976年资料来看，襄阳—皇庄段冲刷0.435亿t。也就是说，1968～1972年中襄阳—皇庄段冲刷量仅为0.057亿t。由此说明，丹江口蓄水后的1968～1972年，强烈冲刷集中在黄家港—襄阳段，但1973年以后，河道强烈冲刷段则转移到襄阳—皇庄段，如1974年黄家港至襄阳段冲刷量为0.042亿t，而襄阳至皇庄段的冲刷量为1.46亿t。从表14.43中也可看出丹江口坝下游河床冲刷自上而下的发展规律。

表14.43　汉江黄家港至宜城分段冲刷情况

注　表中“－”表示冲刷，“＋”表示淤积。

水库下游河道冲刷发展的距离与流量大小、冲刷历时有关。流量大、历时长，则冲刷距离远；流量小、历时短，则冲刷距离较短。三峡水库于2003年6月蓄水后，坝下游河道发生明显冲刷，冲刷强度明显加剧。据观测资料统计，三峡蓄水前（1966～1998年），宜昌—九江河段总体表现为淤积，平滩河槽（宜昌站流量30000m3／s对应的水面线以下的河槽）淤积泥沙约3.55亿m3。其中宜昌—城陵矶河段为冲刷，平滩河槽冲刷泥沙约4.92亿m3，年均冲刷泥沙约0.15亿m3；城陵矶—九江河段则均表现为淤积，平滩河槽淤积泥沙约8.47亿m3，年均淤积泥沙0.26亿m3。但三峡水库运行后，上述情况有所改变。根据2002～2006年每年10月的河道地形测量资料分析，2002年10月至2006年10月，宜昌至湖口河段总体表现为“滩槽均冲”，平滩河槽总冲刷量为6.14亿m3，平均冲刷强度为64.4万m3／km；河道冲刷以基本河槽为主，其冲刷量为4.99亿m3，占平滩河槽冲刷量的81%。

从冲淤量沿程分布来看，河道冲刷以宜昌—城陵矶段为主，其基本河槽冲刷量为4.10亿m3，占河道总冲刷量的66.8%；城陵矶—九江段基本河槽冲刷量为0.89亿m3，占河道总冲刷量的14.5%。此期间冲刷强度最大的是紧邻大坝的宜枝河段，而冲刷量最大的是荆江河段。全河段的年均冲刷量远大于三峡工程蓄水之前（图14.36），河道冲刷也表现为逐渐向下游发展、上冲下淤、冲淤相间等特点。

在河道冲刷的同时，河槽主要表现为冲刷下切。三峡水库蓄水后，2002年10月至2006年10月宜昌—枝城河段最大冲刷深度达7m（位于宜都下游约5km处）；上荆江公安以上，深泓普遍冲深，特别是沙市—文村夹段冲刷幅度最大，冲刷深度为6m（二郎矶断面附近）；下荆江调关以下冲刷明显。

图14.36　三峡水库蓄水前后长江干流宜昌—九江河段年均泥沙冲淤量对比

（2）河床形态。天然情况下，众多河流不仅存在水、沙条件的差异，河道的河床边界、河型等也千差万别。修建水库后，由于水库改变了下游河道的来水、来沙过程，水库下游的河床演变复杂，河道断面形态也将发生调整，但因不同的河流和同一河流的不同河段河床边界条件、河床组成及两岸控制情况的差别，断面形态调整亦有差别。河床冲刷发展过程中，特别是对于清水冲刷过程中，一般以冲刷主槽为主，断面存在下切、展宽和下切展宽等3种情况。

河床断面形态的调整与河型密切相关，如对于两岸控制性较强的顺直微弯型河道，河道将以下切为主；而对边界控制性较弱的蜿蜒或游荡型河道，下切的同时河道还不断侧蚀展宽或发生切滩、崩岸。水库下游河道断面形态的调整非常复杂，与河道的边界条件、河段位置及水库运用方式等诸多因素有关。丹江口水库修建后，汉江中下游河道冲刷下切与展宽同时存在，茨河以上河段断面形态的变化以变窄深为主，河槽向窄深方向发展，宽深比有所减小（表14.44和图14.37）。茨河以下河段则略有展宽（表14.44和图14.38）。

表14.44　汉江黄家港至宜城河段河相系数变化

图14.37　汉江中游俞家湖河段断面变化图

图14.38　汉江中游水佛庙河段断面变化图

（3）河势调整与河型转化。在水库下游河道断面形态、纵比降和河床组成的重新调整变化的同时，河势将有所调整，河型也可能发生转化，如丹江口建库后，下游的游荡型河道主汊冲刷，支汊淤并为边滩，断面趋于单一窄深，河型向微弯型发展。一般地说，修建水利枢纽以后各种条件的变化是有利于使下游河道朝较为稳定的方向转化的。流量过程的调平和比降的减缓，将使河道的输沙强度减弱；下泄沙量的减少将使原来的堆积型河道转为侵蚀下切；滩槽高差的加大和床沙的粗化，将增加河床的抗冲能力，这些都是有利于削弱河道演变强度的。然而，河型是否能发生转化，还取决于河床冲刷、历时长短和河床边界条件。同样的水沙条件变化，对于不同的河床边界可能造成不同的响应，而且这种响应由于冲刷历时的长短也可能动态变化。

丹江口建库后对流量的调节作用大，洪峰流量被大幅削减、中水流量时间延长，拦沙率达到98%。对于近坝段，建库后迅速达到冲刷平衡（以太平店以上河段为例），其河型转化特点主要是：断面一般向窄深发展，河床下切后主流线趋于稳定；原游荡分汊河道大多洲滩合并、支汊萎缩，有向单一河道发展的趋势，如老河口河段建库前有3个支汊，建库后深泓冲深，支汊淤塞。这是因为：①河岸抗冲性强，使侧蚀受到限制；②流路固定，不利于支汊发展；③水流挟沙力减小，在床面阻力增加的同时，过水断面增大。

距离坝址较远的下游河段则表现出比较复杂的变化，主要是河道展宽和断面面积的增大。根据汉江襄樊—浰河口段统计，1968年崩岸线长度为85.47km，占岸线总长的33%；1978年崩岸线长度为95.21km，占岸线总长的37%；1984年崩岸线长度达109.29km，占岸线总长的42%。滩岸崩塌导致河床展宽，以襄樊—浰河口河段为例，平均中水河宽，1960年为739m，1968年达1006m，1978年达1163m，1984年达1412m，20余年河床平均展宽673m，较原河宽增加90%，年均展宽率达27m。襄樊—浰河口取用120个断面加以比较，断面面积均有显著增加，平均中水位时，1984年比1960年断面面积增加670m2左右。从表征断面形态的宽深比来看，则表现出先减小后增大复又减小的规律（表14.45）。河段弯曲系数也呈先增后减的趋势。可见，随着时间变化，河型调整出现复杂的规律，主要原因如下：①河道较为宽浅，滩岸抗冲性差，建库初期，由于上游来沙与河床发生交换冲刷，因此深蚀与侧蚀同时发生，但以深蚀为主，河宽增加、宽深比减小，过水面积增大有利于减小水流挟沙力。②随着河床粗化（图14.39），河床、河岸之间抗冲性对比发生变化，转而以侧蚀为主，宽深比变大。③河宽增大到一定程度后，河岸相对抗冲性增强，而此时冲刷段发展至本段后又使深蚀居于主要地位，宽深比复又减小。④建库初期，由于中水历时长、流路稳定，流路趋于弯曲，但随着弯道发展，边滩抗冲性减弱，发生切滩几率大大增加，弯曲系数转而减小（图14.40）。调查显示，建库后襄樊—浰河口段共发生切滩13处，平均每10km的河段上即发生一处切滩。

表14.45　汉江襄樊—浰河口河段各代表年份河相系数B1／2／h

图14.39　汉江下游河床中值粒径D50变化

图14.40　汉江转斗湾至浰河口段弯曲系数变化

图14.41　汉江中游流水沟附近洲滩兼并图

图14.42　汉江中游鲍家洲（85m等高线）冲淤图

此外，丹江口水库蓄水后，由于洪峰大幅度削减，中水期延长，坝下游河道游荡性大为减弱，在长期中水流量作用下，坝下游河道冲刷主要发生在中枯水河槽，洲滩消长频繁，一些低的江心洲滩冲蚀兼并（图14.41），滩槽差加大，并滩堵汊，河槽变得较为归顺，河道趋于稳定；但对于高程较高的江心洲滩而言，由于洪峰历时缩短，河漫滩的淤高受到一定程度的限制，洲滩形态未发生明显变化，如鲍家洲（图14.42）。对于高程较低的洲滩而言，则冲淤相间，如位于仙人渡附近的不管洲，1978～2005年洲体面积增加0.33km2（图14.43），位于茨河附近的小樊洲1978～2005年洲尾淤长约600m，洲体面积增大0.28km2；位于太平店附近的胡家洲1978～2005年洲尾缩短最大长度约700m，面积减小0.37km2（见表14.46）。

表14.46　汉江丹江口—襄樊河段主要洲滩特征值统计表

图14.43　汉江中游不管洲（75m等高线）冲淤图

图14.44　汉江中游无粮洲汊道冲淤图

由于水库削减洪峰流量，使得分汊河段的支汊过流时间减少，同时进入支汊的泥沙变粗，在支汊口门区容易淤积下来，相应主汊发育（图14.44），如位于襄阳至皇庄河段内的小河口汊道，1968～1978年主汊冲刷泥沙74.4万m3，支汊则淤积泥沙158万m3；无粮洲主汊1968～1978年过水面积增大448m2，但支汊过水面积则减小65m2。由于支汊口门被推移质泥沙淤塞，而不易为水流冲开，据1968年和1978年地形资料统计，黄家港至皇庄河段30个典型汊道中，支汊淤死的有10个（如襄阳—皇庄河段内的印山、小河口、流水沟和雅口汊道等），淤而不死的有8个，变化不大的有6个，发生冲刷的只有3个，由于江心滩被冲散、支汊消失的有3个，河道逐渐朝稳定性较强的分汊性河道发展。

丹江口坝下游由于在长期中水流量作用下，河道对大洪水的应变能力弱，加之河道宽浅，河岸黏性土层较薄，在遇大洪水下泄时，对已形成的基本河槽影响较大，甚至产生主流较大摆动和洲滩的移位。

汉江下游皇庄—泽口河段，一般认为是过渡段，该段既有分汊、顺直微弯，又有弯曲段。其中弯曲段由于控制少，大都属于自由河湾。建库后，这些河湾的变形主要是撇弯，个别也产生复凹（即恢复原来的主流贴凹岸流路）。据1978年测图，该段主要的河湾有14个，而在1980年调查时，其中8个发生了不同程度的撇弯和切滩。汉江下游泽口—河口段为蜿蜒河段。河道中弯道较多，但其蜿蜒蠕动却因两岸堤防受到较严格限制。水库修建后，该段河道变形为：河槽普遍发生冲刷，有一定冲深，也有展宽趋势。对部分断面统计表明，泽口—仙桃段断面展宽占75.5%，仙桃—河口段展宽占95%。由于冲刷和展宽，使该河段洲滩有所冲蚀，河岸崩岸有所加剧。