长江上游香炉滩河段航道提等升级关键问题
张有林 李文杰 张谧 李欢
摘 要：长江上游区域矿产资源丰富，蕴藏着巨大的投资与开发潜力，是培育长江流域经济新的增长极的迫切需要，长江四川段航道提等升级研究意义重大。通过对长江上游航道香炉滩水道实测资料的分析，提出向家坝及岷江下泄非恒定流、卵石推移质运动以及人工采砂引起的河道地貌改变是航道提等升级的三个需要解决的关键问题，建议在未来的长江上游航道提等升级建设工程中予以考虑。
关键词：长江上游；香炉滩；非恒定流；卵石推移质；人工采砂
中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0043-03
一帶一路和长江经济带国家战略的提出对长江黄金水道综合开发利用提出了更高的要求。加快长江上游水运发展，对构建现代综合运输体系、调整优化沿江地区产业布局、促进节能减排和区域经济协调发展等具有重要意义。长江上游地区经济的飞速发展和西部大开发带来了长江上游水运需求的激增，尤其在大宗货物、集装箱、滚装运输等方面具有广阔的市场前景。为落实国家战略目标，充分发挥长江运能大、成本低、能耗少等优势，开展长江上游河段航道提等升级研究，保障长江上游高等级航道畅通极为迫切。
随着上游向家坝枢纽的蓄水运行，长江上游河段的水位日变幅与电站最小下泄流量、流量变幅、河床形态及其与坝址的距离等密切相关，且其产生的非恒定流可引起下游河道水位、流速、比降变幅过大，影响船舶通航。山区河流的卵石浅滩演变规律是洪淤枯冲，而深槽段则是洪冲枯淤，由于长江上游卵石推移质的运动规律复杂，对航道影响极为明显。此外，近年来长江上游大量集中采砂，造成河床地貌的大幅改变，其对河道演变的影响较为深远，如大量的卵石滩碛消失，河床大幅下切，而大量人工堆砂又造成局部的剧烈抬升。这些人工采砂行为对航道条件的影响远超过河道自然演变以及航道整治工程引起的河床局部调整，造成航道提等升级的困难。
本文拟通过对长江上游香炉滩水道实测资料的调研分析，详细了解该段航道现状，并分析向家坝及岷江下泄非恒定流、卵石推移质运动以及人工采砂引起的河道地貌改变这三个关键问题的影响，以期为长江上游四川段航道高等级航道建设提供支撑。
1 航道现状概况
香炉滩水道（上游航道里程981.0km-993.0km）属于典型的山区河流，河床组成基本为基岩和卵石，受河床组成及边界条件的约束，多年来河岸、深泓、滩槽以及河势均基本稳定，河床年际间变化不大，年内冲淤演变较为明显。上游下泻的推移质泥沙在河床中呈跳跃或间歇运动状态，相当部分也将淤积在河床中。汛后水位消落时，沉积的大部分泥沙将随着退水冲走，年内冲淤基本保持平衡。该水道目前航道等级为Ⅲ级，航道维护尺度为2.7×50×560m。河段主要有香炉滩、落锅滩、吊鱼嘴三个滩险。
香炉滩为枯水浅险滩，滩段位于急弯河段下游的收缩段。江心州将水流分成南北两汊，南汊弯窄水浅不能通航，北汊为主航槽，河道较为顺直，枯水河宽230m。两汊交汇处又有一个大深潭横于北汊出口，在出口位置又有一片卵石心碛将北汊分为左右两槽。在两汊交汇处的下游右岸为乱石，左岸为香炉石突出岩嘴。主流短距离内转向频繁，北汊出口左右岸横向落差大，横流强烈、水流扫湾，流态坏。下行船舶极易在主流的顶托下落湾触碰香炉石礁石，发生海损事故。上水船舶由于滩段水流流态坏，转弯频繁，航道曲率半径小，航行亦感困难。
落锅滩处于一弯曲河段，为分汊河段枯水急流浅滩。设计水位6m以下时将长江分为左右两汊，南汊弯窄水浅不能通航，只在进口段有赶集的余家湾镇的小船进出，中下段逐渐淤废，无船舶过往。北汊为主航槽，河道较为顺直，主流由此通过。当水位高于设计水位6m时，南北两汊水面汇合，汛后水位下退，水流逐渐回归左汊深槽，在一个水文年内，主流左右两侧摆动，摆动幅度达300～500m。滩段中洪水河宽达到900～1400m，枯水河宽350m～450m。枯水期滩段最大流速3.66m/s，相应比降1.76‰，河道条件较为复杂。
吊鱼嘴滩位于南溪县下游10km，为过渡段浅滩。滩段处于弯道顶点上游，在滩的上段江面较宽，江中淤成大的卵石碛名打狗碛。打狗碛将河道分为两汊。左汊较窄，设计水位5m以上过流；右汊较宽，为枯水航槽，右汊下口与左汊交汇处，形成一道水下浅埂。滩段下游，河道向右弯曲，弯曲段凹岸有鲤鱼脑和大石盘两处突入江中的石盘。
2 提等升级关键问题分析
2.1 向家坝及岷江下泄非恒定流
流量与水位变化分析。对比宜宾典型非恒定流过程和恒定流过程可知，在波峰时刻自宜宾开始，流量沿程减小，都小于宜宾的流量；在波谷时刻自宜宾开始，沿程流量增加，均大于宜宾的流量。总体来看，沿程流量变幅缩小，向平均值靠拢。而在宜宾波峰、波谷的以外的其他时刻，沿程流量可能大于恒定流的流量，也可能小于恒定流的流量，具体与宜宾所处条件及沿程其所处位置有关。在宜宾早上8点波谷时刻，沿程流量相对于恒定流来说，变化范围约为0～730m3/s。
流速和比降变化分析。对比早上8点宜宾全天最低水位和流量时沿程断面平均流速和比降与恒定流情况下对应值可知，对比于恒定流，非恒定流的流速变化值多在-0.5～0.2 m/s之间，且多数情况有所减小；比降变化范围多在±0.2‰之间，比降最大值在1.38‰左右。
由此可见，向家坝水电站蓄水后所产生的非恒定流，以及岷江非恒定流入汇对于该河段的水力参数以及航运条件都有较大的影响，非恒定流条件对香炉滩水道的通航条件、卵石滩险的演变特性和碍航特征、以及整治方案等都有较大影响。
2.2 卵砾石推移质运动
为分析工程河段推移质输移带的分布及变化过程，收集了1957年以来工程河段内历年测图，可以看出主要存在三个浅区，即余家湾、水冲坝碛翅和香炉碛碛翅。打鱼碛左汊进口余家湾受三汊汇流影响，3.5m等深线变化较为频繁，经常需维护性疏浚才能保证枯水期航道畅通，2016年3.5m等深线往下游延伸可能是由于枯水期维护性疏浚引起。打鱼碛左汊中部水冲坝碛翅伸入河心较开，与打鱼碛碛翅相对，航道窄浅，2007年、2014年枯水期测图显示3.5m等深线不贯通，2016年枯水期显示3.5m等深线贯通，可见该处3.5m等深线变化也较为频繁。打鱼碛左汊出口香炉碛碛翅与打鱼碛尾相对，航道窄浅，该处3.5m等深线变化也较为频繁，2014年前香炉碛碛坝较为完整，香炉滩3.5m等深线可达到40m，香炉碛碛坝破坏后，虽香炉碛碛翅边3.5m向河岸移动，但打鱼碛尾部3.5m等深线向河心延伸约170m，且打鱼碛尾与香炉碛碛翅间有多处浅点，导致该滩险越来越浅。
由于下泄非恒定流过程改变了原有天然河道的水力及输沙特性，从而改变卵石浅滩的演变。因此卵石滩险的演变特性及碍航特征研究，包括在连续的日调节过程下卵石沙波形成过程、尺度和推进速度的变化及引起的碍航特征，对洪、中、枯的水文过程中卵石输移带、输移量的变化过程的研究以及对该河段卵石滩险的形成及演变过程的分析对于確定卵石滩险的治理思路及整治方案至关重要。
2.3 人工采砂引起的河道地貌改变
近年，河段采砂总体积为1897.66万m3，受过度采砂的影响，滩段河道条件和航道条件均发生了较大变化。采砂区主要位于余家湾南汊和打鱼碛洲滩，其中打鱼碛洲滩面积减少了53%，原来的坡脊线已挖成深坑，造成分流比改变，北汊与南汊枯水分流比由8：2调整至6.5：3.5；余家湾主航槽位于弯道凸岸，航槽内洪水期流速一般位于2.5m/s以下，北部有汊道入汇，造成泥沙淤积，而中枯水期主航槽分流比减少，以致泥沙淤积于航槽，航道水深较浅；过度采砂造成该滩枯水水位大幅降低，最大降落幅度达1m，以致航槽水深越来越浅；由于枯水水位大幅降落，造成沿程水面比降增加，最大比降超过2‰，对应流速达到3.8m/s，从而造成局部河段船舶上滩困难。
因此，余家湾滩“浅”、“急”、“弯”的碍航特性越来越突出，余家湾主航槽分流比明显降低，以致汛期淤积的泥沙难以冲刷，实际水深难以满足维护需要。2014年以来每年均需进行航道维护性疏浚才能保障枯水期航道畅通。这些人工采砂行为，其对河道演变的影响远远超过河道自然演变以及航道整治工程引起的河床局部调整，造成未来对于航道演变趋势的分析困难。
3 结论
本文通过对实测资料的整理与分析，建议长江上游河段航道提等升级建设工程中应重点考虑如下的关键问题：
（1）随着向家坝和岷江下泄非恒定流的传播，改变了香炉滩水道的水力及输沙特性，引起航道通航水流条件的变化，对船舶通航具有较大影响。
（2）本河段在上游来水来沙条件发生改变以后，实际的卵石推移质输移时间、沙量及级配已经很难确定，这给研究卵石推移质运动规律和滩险演变规律带来不小的难度。
（3）近几年长江上游河中大量集中采砂，造成河床地貌的大幅改变，其对河道演变的影响较为深远。大量的卵石滩、碛消失，河床大幅下切；而大量人工堆砂又造成局部的剧烈抬升。这些人工采砂行为导致了河段通航条件复杂，河床演变规律不明，严重制约了航道的升级和通航安全。
参考文献：
[ 1 ]张绪进， 胡真真， 刘亚辉等. 向家坝水电站日调节非恒定流的传播特征研究[J]. 水道港口， 2015（5）： 414-418.
[ 2 ]母德伟， 王永强， 李学明等. 向家坝日调节非恒定流对下游航运条件影响研究[J]. 四川大学学报（工程科学版）， 2014， 46（6）： 71-77.
[ 3 ]朱鉴远. 长江上游床沙变化和卵砾石推移质输移研究[J]. 水力发电学报， 1999（3）： 86-102.
[ 4 ]朱南华， 袁美琦. 长江上游卵石推移质运动规律的研究[J]. 泥沙研究， 1990（4）： 54-61.
[ 5 ]沈子丰， 孙国静， 程妙真等. 河道超量采砂造成的危害与思考[J]. 河南水利与南水北调， 2010（7）： 171-171.
[ 6 ]刘朋. 山区河道采砂对河床演变影响分析[J]. 水利建设与管理， 2017， 37（6）： 15-17.
基金项目：四川省交通运输厅科技项目（2017-B-04）
摘 要：长江上游区域矿产资源丰富，蕴藏着巨大的投资与开发潜力，是培育长江流域经济新的增长极的迫切需要，长江四川段航道提等升级研究意义重大。通过对长江上游航道香炉滩水道实测资料的分析，提出向家坝及岷江下泄非恒定流、卵石推移质运动以及人工采砂引起的河道地貌改变是航道提等升级的三个需要解决的关键问题，建议在未来的长江上游航道提等升级建设工程中予以考虑。
关键词：长江上游；香炉滩；非恒定流；卵石推移质；人工采砂
中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0043-03
一帶一路和长江经济带国家战略的提出对长江黄金水道综合开发利用提出了更高的要求。加快长江上游水运发展，对构建现代综合运输体系、调整优化沿江地区产业布局、促进节能减排和区域经济协调发展等具有重要意义。长江上游地区经济的飞速发展和西部大开发带来了长江上游水运需求的激增，尤其在大宗货物、集装箱、滚装运输等方面具有广阔的市场前景。为落实国家战略目标，充分发挥长江运能大、成本低、能耗少等优势，开展长江上游河段航道提等升级研究，保障长江上游高等级航道畅通极为迫切。
随着上游向家坝枢纽的蓄水运行，长江上游河段的水位日变幅与电站最小下泄流量、流量变幅、河床形态及其与坝址的距离等密切相关，且其产生的非恒定流可引起下游河道水位、流速、比降变幅过大，影响船舶通航。山区河流的卵石浅滩演变规律是洪淤枯冲，而深槽段则是洪冲枯淤，由于长江上游卵石推移质的运动规律复杂，对航道影响极为明显。此外，近年来长江上游大量集中采砂，造成河床地貌的大幅改变，其对河道演变的影响较为深远，如大量的卵石滩碛消失，河床大幅下切，而大量人工堆砂又造成局部的剧烈抬升。这些人工采砂行为对航道条件的影响远超过河道自然演变以及航道整治工程引起的河床局部调整，造成航道提等升级的困难。
本文拟通过对长江上游香炉滩水道实测资料的调研分析，详细了解该段航道现状，并分析向家坝及岷江下泄非恒定流、卵石推移质运动以及人工采砂引起的河道地貌改变这三个关键问题的影响，以期为长江上游四川段航道高等级航道建设提供支撑。
1 航道现状概况
香炉滩水道（上游航道里程981.0km-993.0km）属于典型的山区河流，河床组成基本为基岩和卵石，受河床组成及边界条件的约束，多年来河岸、深泓、滩槽以及河势均基本稳定，河床年际间变化不大，年内冲淤演变较为明显。上游下泻的推移质泥沙在河床中呈跳跃或间歇运动状态，相当部分也将淤积在河床中。汛后水位消落时，沉积的大部分泥沙将随着退水冲走，年内冲淤基本保持平衡。该水道目前航道等级为Ⅲ级，航道维护尺度为2.7×50×560m。河段主要有香炉滩、落锅滩、吊鱼嘴三个滩险。
香炉滩为枯水浅险滩，滩段位于急弯河段下游的收缩段。江心州将水流分成南北两汊，南汊弯窄水浅不能通航，北汊为主航槽，河道较为顺直，枯水河宽230m。两汊交汇处又有一个大深潭横于北汊出口，在出口位置又有一片卵石心碛将北汊分为左右两槽。在两汊交汇处的下游右岸为乱石，左岸为香炉石突出岩嘴。主流短距离内转向频繁，北汊出口左右岸横向落差大，横流强烈、水流扫湾，流态坏。下行船舶极易在主流的顶托下落湾触碰香炉石礁石，发生海损事故。上水船舶由于滩段水流流态坏，转弯频繁，航道曲率半径小，航行亦感困难。
落锅滩处于一弯曲河段，为分汊河段枯水急流浅滩。设计水位6m以下时将长江分为左右两汊，南汊弯窄水浅不能通航，只在进口段有赶集的余家湾镇的小船进出，中下段逐渐淤废，无船舶过往。北汊为主航槽，河道较为顺直，主流由此通过。当水位高于设计水位6m时，南北两汊水面汇合，汛后水位下退，水流逐渐回归左汊深槽，在一个水文年内，主流左右两侧摆动，摆动幅度达300～500m。滩段中洪水河宽达到900～1400m，枯水河宽350m～450m。枯水期滩段最大流速3.66m/s，相应比降1.76‰，河道条件较为复杂。
吊鱼嘴滩位于南溪县下游10km，为过渡段浅滩。滩段处于弯道顶点上游，在滩的上段江面较宽，江中淤成大的卵石碛名打狗碛。打狗碛将河道分为两汊。左汊较窄，设计水位5m以上过流；右汊较宽，为枯水航槽，右汊下口与左汊交汇处，形成一道水下浅埂。滩段下游，河道向右弯曲，弯曲段凹岸有鲤鱼脑和大石盘两处突入江中的石盘。
2 提等升级关键问题分析
2.1 向家坝及岷江下泄非恒定流
流量与水位变化分析。对比宜宾典型非恒定流过程和恒定流过程可知，在波峰时刻自宜宾开始，流量沿程减小，都小于宜宾的流量；在波谷时刻自宜宾开始，沿程流量增加，均大于宜宾的流量。总体来看，沿程流量变幅缩小，向平均值靠拢。而在宜宾波峰、波谷的以外的其他时刻，沿程流量可能大于恒定流的流量，也可能小于恒定流的流量，具体与宜宾所处条件及沿程其所处位置有关。在宜宾早上8点波谷时刻，沿程流量相对于恒定流来说，变化范围约为0～730m3/s。
流速和比降变化分析。对比早上8点宜宾全天最低水位和流量时沿程断面平均流速和比降与恒定流情况下对应值可知，对比于恒定流，非恒定流的流速变化值多在-0.5～0.2 m/s之间，且多数情况有所减小；比降变化范围多在±0.2‰之间，比降最大值在1.38‰左右。
由此可见，向家坝水电站蓄水后所产生的非恒定流，以及岷江非恒定流入汇对于该河段的水力参数以及航运条件都有较大的影响，非恒定流条件对香炉滩水道的通航条件、卵石滩险的演变特性和碍航特征、以及整治方案等都有较大影响。
2.2 卵砾石推移质运动
为分析工程河段推移质输移带的分布及变化过程，收集了1957年以来工程河段内历年测图，可以看出主要存在三个浅区，即余家湾、水冲坝碛翅和香炉碛碛翅。打鱼碛左汊进口余家湾受三汊汇流影响，3.5m等深线变化较为频繁，经常需维护性疏浚才能保证枯水期航道畅通，2016年3.5m等深线往下游延伸可能是由于枯水期维护性疏浚引起。打鱼碛左汊中部水冲坝碛翅伸入河心较开，与打鱼碛碛翅相对，航道窄浅，2007年、2014年枯水期测图显示3.5m等深线不贯通，2016年枯水期显示3.5m等深线贯通，可见该处3.5m等深线变化也较为频繁。打鱼碛左汊出口香炉碛碛翅与打鱼碛尾相对，航道窄浅，该处3.5m等深线变化也较为频繁，2014年前香炉碛碛坝较为完整，香炉滩3.5m等深线可达到40m，香炉碛碛坝破坏后，虽香炉碛碛翅边3.5m向河岸移动，但打鱼碛尾部3.5m等深线向河心延伸约170m，且打鱼碛尾与香炉碛碛翅间有多处浅点，导致该滩险越来越浅。
由于下泄非恒定流过程改变了原有天然河道的水力及输沙特性，从而改变卵石浅滩的演变。因此卵石滩险的演变特性及碍航特征研究，包括在连续的日调节过程下卵石沙波形成过程、尺度和推进速度的变化及引起的碍航特征，对洪、中、枯的水文过程中卵石输移带、输移量的变化过程的研究以及对该河段卵石滩险的形成及演变过程的分析对于確定卵石滩险的治理思路及整治方案至关重要。
2.3 人工采砂引起的河道地貌改变
近年，河段采砂总体积为1897.66万m3，受过度采砂的影响，滩段河道条件和航道条件均发生了较大变化。采砂区主要位于余家湾南汊和打鱼碛洲滩，其中打鱼碛洲滩面积减少了53%，原来的坡脊线已挖成深坑，造成分流比改变，北汊与南汊枯水分流比由8：2调整至6.5：3.5；余家湾主航槽位于弯道凸岸，航槽内洪水期流速一般位于2.5m/s以下，北部有汊道入汇，造成泥沙淤积，而中枯水期主航槽分流比减少，以致泥沙淤积于航槽，航道水深较浅；过度采砂造成该滩枯水水位大幅降低，最大降落幅度达1m，以致航槽水深越来越浅；由于枯水水位大幅降落，造成沿程水面比降增加，最大比降超过2‰，对应流速达到3.8m/s，从而造成局部河段船舶上滩困难。
因此，余家湾滩“浅”、“急”、“弯”的碍航特性越来越突出，余家湾主航槽分流比明显降低，以致汛期淤积的泥沙难以冲刷，实际水深难以满足维护需要。2014年以来每年均需进行航道维护性疏浚才能保障枯水期航道畅通。这些人工采砂行为，其对河道演变的影响远远超过河道自然演变以及航道整治工程引起的河床局部调整，造成未来对于航道演变趋势的分析困难。
3 结论
本文通过对实测资料的整理与分析，建议长江上游河段航道提等升级建设工程中应重点考虑如下的关键问题：
（1）随着向家坝和岷江下泄非恒定流的传播，改变了香炉滩水道的水力及输沙特性，引起航道通航水流条件的变化，对船舶通航具有较大影响。
（2）本河段在上游来水来沙条件发生改变以后，实际的卵石推移质输移时间、沙量及级配已经很难确定，这给研究卵石推移质运动规律和滩险演变规律带来不小的难度。
（3）近几年长江上游河中大量集中采砂，造成河床地貌的大幅改变，其对河道演变的影响较为深远。大量的卵石滩、碛消失，河床大幅下切；而大量人工堆砂又造成局部的剧烈抬升。这些人工采砂行为导致了河段通航条件复杂，河床演变规律不明，严重制约了航道的升级和通航安全。
参考文献：
[ 1 ]张绪进， 胡真真， 刘亚辉等. 向家坝水电站日调节非恒定流的传播特征研究[J]. 水道港口， 2015（5）： 414-418.
[ 2 ]母德伟， 王永强， 李学明等. 向家坝日调节非恒定流对下游航运条件影响研究[J]. 四川大学学报（工程科学版）， 2014， 46（6）： 71-77.
[ 3 ]朱鉴远. 长江上游床沙变化和卵砾石推移质输移研究[J]. 水力发电学报， 1999（3）： 86-102.
[ 4 ]朱南华， 袁美琦. 长江上游卵石推移质运动规律的研究[J]. 泥沙研究， 1990（4）： 54-61.
[ 5 ]沈子丰， 孙国静， 程妙真等. 河道超量采砂造成的危害与思考[J]. 河南水利与南水北调， 2010（7）： 171-171.
[ 6 ]刘朋. 山区河道采砂对河床演变影响分析[J]. 水利建设与管理， 2017， 37（6）： 15-17.
基金项目：四川省交通运输厅科技项目（2017-B-04）
