重庆长江佛尔岩河段近期河床演变与防洪护岸工程影响分析

黄建成,吴华莉,赵瑾琼

(长江科学院河流研究所,湖北　武汉　430010)

【摘　要】　本文根据近十几年来重庆长江佛尔岩河段实测河道水文、地形资料，分析了该河段近期河床演变特点及发展趋势；采用平面二维水流数学模型对防洪护岸工程修建后对该河段水流条件可能带来的影响进行了计算分析。结果表明：多年来该河段河势基本稳定，河道滩、槽位置变化不大,年际间河床冲淤基本平衡；三峡工程正常蓄水运用后，该河段处于三峡水库变动回水区上端，河道演变受三峡水库影响较小，河床泥沙冲淤变化基本遵循天然河道的运动规律，预计未来该河段整体河势不会发生大的变化；防洪护岸工程修建后对该河段的水位及流速影响均较小，影响范围有限，不会对该河段的河势、防洪产生明显不利影响。建议防洪护岸工程运行后应加强对该河段河道地形观测，以便及时发现可能出现的问题，采取相应措施。

【关键词】　重庆长江佛尔岩河段；防洪护岸工程；河床演变；数模计算；三峡水库

基金项目：国家重点研发计划课题(2016YFC0402308);三峡后续工作科研项目(0001792015CB50003)。

作者简介：黄建成(1962—　)，男，湖南长沙人，高级工程师，本科，主要从事河流工程泥沙研究。

E-mail:hjc2004002@sina.com

1　引言

重庆长江佛尔岩河段两岸岸线由低山丘陵和阶地组成，岸坡参差不齐，在右岸大中坝右汊出口至渔洞长江大桥段，多处岸线处于天然状态，无防洪设施，每当汛期洪水泛滥时，鱼洞镇沿江街道、房屋、工矿企业等都受到严重水灾影响。为此，重庆市巴南区人民政府、水利局拟在该段修建防洪护岸工程，工程起点在大中坝右汊尾部天明村附近，终点位于渔洞长江大桥上游约200m处与已建堤防相连接，堤线全长2.869km(图1)。本工程主要任务以城市防洪、岸坡整治为主，兼有改善交通，美化环境、提升城市形象等多功能综合效益。

由于该河段位于三峡水库变动回水区的上段，受三峡水库调度水库回水的影响，河道水流、泥沙运动特性较复杂，加上金沙江上游溪洛渡、向家坝水电站已分别于2012年11月及2013年7月开始蓄水运用，乌东德、白鹤滩水电站正在建设中，受此影响，该河段的来水来沙条件会发生一定的变化，河势也会发生相应的调整，同时防洪护岸工程的修建也会对该河段的水位、流速产生一定的影响。因此，在工程可研阶段开展对该河段近期河床演变及工程对河道水流可能带来的影响的分析工作十分必要，它直接关系到工程方案布置的合理性，工程修建后对该河段河势、防洪、生态等可能产生的影响。

2　护岸整治工程布置方案

拟建的防洪护岸工程位于重庆市长江佛尔岩段右岸，工程起点位于大中坝右汊出口右岸天明村渔洞街道办事处附近，终点止于渔洞长江大桥上游约200m处，与已建堤防相连接，堤线全长2.869km(图2)，其中堆石体+斜坡+马道+斜坡+挡墙护岸段长333.31m，挡墙+斜坡+马道+斜坡护岸段长1555.82m，自然护坡段长523.90m，岸坡开挖段长456.01m，堤顶高程为196.69～197.28m，工程防洪标准为50年一遇洪水。工程典型断面见图3。

3　近期河床演变特性

长江佛尔岩河段上起大猫峡，下至花溪镇，长约20km，由峡谷段，分汊放宽段，浅滩段，急弯段组成(图4)，河段平面形态微弯曲折，河道宽窄相间，洪水时江面最狭处(大猫峡段)仅250m，最宽处(大中坝分汊段)可达2000m；河床一般为卵石和基岩组成，年际间河床冲淤基本平衡。近年来，受三峡水库回水的影响，该河段河床走沙规律发生一定变化，由原来的汛期淤积，汛后冲刷变为汛期淤积，汛后部分冲刷，第二年三峡水库消落期再次冲刷的特点。

本次河演分析共收集了近十几年里该河段3次实测地形资料(施测时间分别为1996年12月、2007年4月和2011年12月)，通过比较河道平面变化、纵向变化、横断面变化，分析该河段近期河床演变特性。

3.1　河段深泓、岸线平面变化

根据对近期河道地形图比较，可见该河段深泓线平面位置变化不大(图4)，深泓进入大猫峡段后居中而行，年际间深泓线横向摆动较小；出大猫峡后，河道进入放宽段，深泓线靠左岸下行至大中坝左汊进口，该放宽段年际间深泓线的变化主要在大中坝洲头附近，2011年深泓线较1996年最大右摆约60m，其余处深泓线位置变化不大；进入大中坝分汊段后，深泓走左汊(主汊)，在上半段深泓靠大中坝一侧，下半段深泓摆向左岸，年际间深泓线平面位置变化较小；出左汊后深泓线逐渐过渡到右岸，在碴角附近贴右岸深槽下行进入护岸工程段，2011年深泓线较1996年最大右摆约50m，出现在中坝右槽；深泓线过渔洞长江大桥后逐渐左移居中下行进入渔洞溪急弯段，出弯道后河道较顺直，深泓线偏右岸下行至花溪镇，年际间深泓线位置没有大的变化。

由于该河段两岸岸线由低山丘陵和阶地组成，抗水流冲刷能力强，1996—2011年，枯水位174.50m以上岸线基本无大的变化，两岸未发生危岩、崩塌及泥石流等不良地质现象。表明三峡水库2008年9月试验性蓄水至175.00m以来未对该河段的深泓走向和岸线稳定产生明显影响。

3.2　河段深泓纵向变化

由该河段深泓纵剖面图可见(图5)，河道深泓线沿程呈锯齿状变化，峡谷段深泓高程较低，分汊段和浅滩段深泓高程较高。由于该河段河床主要由基岩和砂卵石组成，抗水流冲性强，年内河道泥沙冲淤变化较小。因此，年际间河道深泓线高程除局部位置外一般变化不大。1996年12月至2007年4月，大猫峡段深泓高程在130.40～145.00m之间，深泓高程变幅-7.6～0m，冲淤变化较大处在大猫峡出口附近；大中坝左汊段深泓高程在158.80～168.00m之间，深泓高程变幅-0.7～3.3m；佛尔岩护岸工程段深泓高程在148.10～165.80m之间,深泓高程变幅-3.1～2.0m，冲淤较大处在佛尔岩码头附近的深槽；渔洞溪弯道河段深泓高程在152.60～163.80m之间,深泓高程变幅-1.2～0m，冲淤变化较小。2007年4月至2011年12月，大猫峡段深泓高程在133.30～145.60m之间，深泓高程变幅-0.5～2.9m，冲淤较大的金家岩附近河床有所回淤；大中坝左汊段深泓高程在158.10～164.00m之间，深泓高程变幅-4.5～-0.3m，冲刷较大处在大中坝中、下段；佛尔岩护岸工程段深泓高程在148.70～165.00m之间,深泓高程变幅-1.7～1.0m，冲淤变化较小；渔洞溪弯道河段深泓高程在149.30～162.30m之间,深泓高程变幅-3.5～0.1m，冲刷较大处在渔洞溪弯道下游附近。表明三峡水库2008年9月试验性蓄水至175.00m以来该河段深槽未出现累积性淤积。

3.3　河段横断面变化

为了分析该河段河道滩、槽变化情况，共选取了20个横断面对1996年12月、2007年4月和2011年12月三个测次的地形进行了套绘计算分析(表1、图6)，得出以下结果：

(1)大中坝上游珞璜段，深槽靠左岸，右岸是边滩，1996年12月至2007年4月，该段河床平均淤高0.3m，深泓点高程下降2m，2007年4月至2011年12月河床平均高程下降0.9m，深泓点淤高0.9m。

(2)大中坝分汊河段，左汊为主汊，1996年12月至2007年4月，左汊河床平均淤高0.1～1.0m，深泓点高程变幅-2～1m；2007年4月至2011年12月，河床平均高程下降-0.3～-1.8m，深泓点高程下降-1.1～-1.7m，河床有所冲刷。右汊为支汊，河床高程较高，深槽靠右岸，1996年12月至2007年4月，右汊河床平均高程下降-0.4～0m，深泓点高程变幅-0.6～1.2m；2007年4月至2011年12月，河床平均高程变幅-2.0～0.5m，深泓点高程变幅-3.9～0.6m，在汊道上段河床有所冲刷，下段河床冲淤变化不大。

(3)佛尔岩护岸工程河段，左岸是打鱼碛卵石边滩，深槽靠右岸，在护岸工程前缘，江中有中坝卵石浅滩，将河床分为左槽和右槽，左槽床面高程较高，枯水时水深仅1.0m，右槽床面较低，最大水深可达10～15m，洪水期因左岸扁担石等石梁挑流作用减弱，主流指向左槽，在右槽碴角附近形成大片回流区，产生泥沙淤积，汛后左岸扁担石挑流作用加强，大部分水流归右槽，使汛期淤积被冲走，无累积性淤积；在护岸工程上段(G2～S349)深槽贴右岸，下段(S349～G5)深槽居中，1996年12月至2007年4月该河段河床平均高程变幅-1.2～1.0m，深泓点高程变幅-3.1～2.0m，在佛尔岩码头附近深槽有较明显的冲刷。2007年4月至2011年12月河床平均高程变幅-1.2～0.8m，深泓点高程淤高0～0.6m。

(4)鱼洞溪弯道段，在渔洞溪急弯的进、出口段均为较顺直的河道，进口顺直段深槽居中偏左岸，出口顺直段深槽偏右岸。1996年12月至2007年4月，该河段河床平均高程变幅-0.6～1.9m，深泓点高程变幅-0.8～3.0m；2007年4月至2011年12月，该河段河床平均高程变幅-2.1～0.6m，深泓点高程变幅-3.7～0.1m，在弯道出口附近深槽有较明显的冲刷。

由此可见，近十几年来该河段河床断面形态基本稳定，河床无明显单向性的冲淤变化，仅部分断面在局部范围有小幅度的冲淤调整，河道滩、槽位置也未发生大的改变。

3.4　大中坝江心洲变化

大中坝江心洲呈梭形，顺水流向长约4.1km，最宽处约1200m，洲面高程多在185.00～195.00m之间，长江到此被分为左、右两汊。根据1996—2011年地形图资料比较分析，大中坝洲体多年来较稳定，175.00m、180.00m等高线没有大的变化；左汊为主汊，枯水期河槽平均宽约450m，深槽较平坦，深泓高程在159.20～165.00m之间，深槽年际间有一定的冲淤变化，但冲淤变幅不大,165.00m、170.00m等高线基本稳定；右汊为支汊，枯水期河槽宽约200m，河床地形较高，深泓高程在169.00～172.00m之间，右汊河槽较稳定，除汊道进口附近河床有一定的冲刷外，其余处170.00m、172.00m等高线变化较小。由此可见，整个大中坝江心洲及两侧河槽多年来基本稳定，左汊为主汊，右汊为支汊的格局未因三峡水库蓄水而发生变化，这将有利于下游护岸工程段河势的稳定。

3.5　河床演变趋势分析

佛尔岩河段河床演变趋势主要受长江上游来水来沙条件和三峡水库回水变化的影响。目前,上游金沙江河段溪洛渡、向家坝水电站已分别于2012年11月及2013年7月开始蓄水运用，乌东德、白鹤滩水电站正在建设，受此影响，该河段的来水来沙条件将持续发生一定的变化，主要表现为汛期洪峰流量减少，枯水流量增加，中水时间延长，上游大部分悬移质和推移质泥沙被拦截在新建的水库内，从而引起下游河道的长距离冲刷，但由于下游河道河床以砂卵石为主，抗水流冲刷能力强，因此河床冲刷幅度将有限；三峡水库2008年9月试验性蓄水至175m以来，该河段处于三峡水库变动回水区上端，每年汛后10月至次年2月受三峡水库回水的影响，该河段会产生少量的泥沙淤积，随着三峡水库坝前水位的消落，该河段又将恢复到天然河道，河槽淤积被冲走，仅滩上留有少量泥沙淤积。从目前情况看，该河段的深泓走向，滩槽位置，河床冲淤未发生大的变化，整体河势基本稳定。预计未来该河段整体河势不会发生大的变化。

4　防洪护岸工程对河道水流影响

4.1　数学模型概况

4.1.1　数学模型

建立长江佛尔岩河段平面二维水流数学模型，采用正交曲线网格对计算域进行网格划分，初始水位直接采用出口边界水位给出，初始流速为零。根据基本方程推导出平面二维正交曲线坐标系下的水流模型方程进行计算,该方程的数值离散采用有限体积法,离散方程的求解采用SIMPLE算法。为避免水位锯齿波，采用了交错网格技术。

数模计算地形为2007年3月实测河道地形，选用2011年12月该河段实测水文资料对数模进行水面线和断面流速分布的验证，通过对模型参数、系数的调整，使模型水位误差在0.05m以内，断面垂线流速误差在0.20m/s以内，断面流速分布模型与原型基本一致。表明该数学模型选用的参、系数取值基本合理，可以用于计算和分析拟建工程对河道水位及流场的影响。

4.1.2　计算条件

拟建工程位于长江干流，且工程河段防洪标准为50年一遇。为评估拟建工程对河道行洪影响，采用拟建工程附近2%、5%频率的设计洪水，进行拟建工程对河道行洪水位及流速影响的计算分析。根据水文分析，工程河段上游长江干流朱沱站2%、5%频率的洪水流量分别为60500m3/s、54000m3/s，计算河段出口水位根据三峡库区一维水沙数学模型推算得到，分为两种情况，一种为现状地形条件下水位值(简称为“现状”)，另一种为三峡水库运行50年末水位值(简称为“淤积后”)。工程计算水流条件见表2。

4.2　工程侵占河道行洪面积

根据设计提供的工程断面资料和2007年3月实测河道地形图，计算了设计洪水流量(2%频率洪水)下工程所侵占河道行洪断面面积和河宽的百分比。结果表明(表3)，工程侵占河道行洪断面面积百分比为0.95%～3.44%，河宽缩窄率为1.62%～1.97%。总体来看，工程修建后占用的河道阻水面积不大。

4.3　河段水位变化

数模计算结果表明(表4)，工程修建后会对河道水位产生一定影响，主要表现为拟建工程上游水位有所壅水，下游水位有所降水。在现状条件下，遇2%频率洪水，工程上游水位最大壅水值约为0.02m，工程下游水位最大降低值约0.02m，水位影响范围主要集中在工程上游1800m至下游320m范围内。在三峡水库运行50年末条件下，遇2%频率洪水，工程上游水位最大壅水值约为0.02m，工程下游最大降低值约0.01m，水位影响范围主要集中在工程上游1800m至下游240m范围内。

由表5给出了工程修建前后大中坝左、右汊分流比的变化情况。可见，工程修建对大中坝分汊段影响较小，各流量下左、右汊分流比变化最大不超过0.02%。

4.4　河段流速变化

数模计算结果表明(表6)，建工程后工程上、下游及工程附近流速有所减小，工程外侧河道主流区及工程上端回流区局部范围流速有所增加。在现状条件下，遇2%频率洪水,工程近岸段流速一般减小0.02～0.2m/s，工程局部段受阻水影响，流速最大减小0.41m/s；工程河道主流区，流速一般增大0.02～0.05m/s，增加最大值为0.077m/s；流速影响主要集中于工程上游220m至工程下游715m范围内。三峡水库运行50年末条件下，遇2%频率洪水，工程近岸段流速一般减小0.02～0.2m/s，工程局部段受阻水影响，流速最大减小0.303m/s；流速一般增大0.02～0.05m/s，增加最大值为0.075/s；流速影响主要集中于工程上游690m至工程下游890m范围内。

在不同频率洪水条件下，工程前后河道主流线位置变化不大，工程段主流线位置最大偏移在10m内，工程上、下游主流线基本无变化。

5　结论与建议

(1)重庆长江佛尔岩河段近十几年来河道平面形态稳定，沿江岸线、深泓走向、滩槽位置未发生大的变化,大中坝仍维持左汊为主汊，右汊为支汊的格局，三峡工程正常蓄水运用后，河道演变受三峡水库影响较小，河床泥沙冲淤基本遵循天然河道的变化规律，防洪护岸工程段前沿河槽稳定，年际间河床冲淤变化不大，预计未来佛尔岩河段整体河势不会发生大的改变。

(2)数模计算结果表明，防洪护岸工程修建后工程河段水位最大壅高值约0.02m，最大降低值约0.02m；水位影响范围主要集中在工程段上游1800m至下游320m范围内。工程占用的河道阻水面积较小，汛期侵占河道面积百分比为0.95%～3.44%，河宽缩窄率在1.62%～1.97%，不会对河道行洪产生明显不利影响。

(3)数模计算结果表明，工程上下游及工程近岸段流速减小，一般减小0.02～0.2m/s，最大减小0.5m/s；拟建工程外侧主流流速出现一定幅度的增加，流速一般增大0.02～0.05m/s，最大增加值为0.077m/s；流速影响范围主要在工程上游69m至下游约890m；河段主流线位置工程前后变化不大。工程的修建不会对该河段河势带来明显不利影响。

(4)由于受金沙江上游新建水库调水拦沙和三峡水库淤积等不确定因素的影响，建议在工程运行后应加强工程河段一定范围内的河道地形观测及分析研究工作，以便及时发现可能出现的问题，采取相应措施。

参考文献：

[1]　重庆市水利电力建筑勘测设计研究院.重庆市主城区巴南佛尔岩河段防洪护岸综合整治工程设计报告[R].2011.

[2]　国务院三峡工程泥沙课题专家组，长江三峡工程泥沙问题研究(1996—2000)第七卷[M].北京：知识产权出社,2002.

[3]　长江水利委员会水文局.长江三峡工程2003—2009年泥沙原型观测资料分析研究(三峡水库库区淤积原型观测资料分析)[R].2010.

[4]　潘庆燊.长江水利枢纽工程泥沙研究[M].北京：中国水利电力出版社，2003.

[5]　水利部.《长江流域防洪规划》[R].2008.

[6]　GB 50286—2013堤防工程设计规范[S].

Analysis of River Bed Evolution and the Effect of Bank Protection Project on the Flood Control of Foeryan River in Chongqing

HUANG Jiancheng,WU Huali,ZHAO Jinqiong

(Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan Hubei Province　430010)

Abstract:The characteristics of the river bed topology and the evolution in Foeryan reach of Changjiang River in Chongqing in recent years were analyzed based on the hydrologic data and the subaqueous terrain.The plane 2-dimensional mathematic modeling was also used to study the flow field change caused by the bank protection project.The observed and calculated results showed that the river geomorphology and the position of the beach and groove changed to little extent,the inter-annual variation of deposition and erosion reached equilibrium.The Foeryan reach was located at the end of the changed backwater region of the Three Gorges Reservoir(TGR),which was not obviously affected by the TGR after the normal water impounding.The sediment transport in Foeryan reach nearly followed the process in the natural river and was predicted not to change in the future.The bank protection project affected the water level and flow velocity in Foeryan reach in the limited area after the construction of the bank protection project and will not cause adverse effect on the river geomorphology and the flood control.The field observation about the river terrain with the bank protection project was suggested and the probable problems should be discovered and the countermeasures can be taken in time.

Key words:Foeryan Reach of Changjiang River in Chongqing;Bank Protection Project;River Bed Evolution;Mathematic Modeling;Three Gorges Reservoir