1 荊江河床演變 過程中 環(huán)境影響初探 彭玉明 熊超 高志斌 (長江水利委員會荊江水文水資源勘測局 ，湖北，荊州， 434000) 摘要： 結(jié)合荊江河道 演變特點， 將河道演變與荊江環(huán)境變化聯(lián)系起來，分析了 河道演變過程中 河道突變對河道環(huán)境的影響、 三峽水庫蓄水運行后及 河道沖淤變化對水質(zhì)的影響、 荊江 三口變化對 荊江三口洪道 環(huán)境 的 影響。 河道突變對濕地、給排水造成影響，河道沖刷可能造成重金屬的二次污染，荊江三口分流量的減少對三口洪道的水質(zhì)產(chǎn)生影響。 通過分析，提出了荊江環(huán)境治理 建議 。 關(guān)鍵詞： 河床演變；環(huán)境；影響 1 荊江自 然地理 荊江上起湖北省枝城（荊 3）下迄湖南省城陵磯（荊 186），全長 347.2km。以藕池口為界，分為上、下荊江。上荊江長 171.7km，上荊江為微彎分汊河型；下荊江長 175.5km， 為典型彎曲蜿蜒性河道。 荊江兩岸河網(wǎng)縱橫，湖泊密集， 南岸有松滋河、虎渡河、藕池河、華容河分別自松滋口、太平口、藕池口和調(diào)弦口（ 1959 年建閘控制）分流至洞庭湖，與湘、資、沅、澧四水匯合后，于城陵磯又匯入長江。 見圖 1。 “萬里長江，險在荊江 ”。荊江徑流充沛，歷代水患頻繁，防洪問題十分突出。 隨著荊江河道的變化及水患的發(fā)生，荊江河 道自然功能受到一定影響，河流環(huán)境發(fā)生了一系列變化。 圖 1 荊江河段河勢 圖 2 荊江河道演變特性 荊江屬于平原型河流，在平面形態(tài)上，上荊江屬微彎型河道，下荊江屬典型的蜿蜒型河道 ，尤其下荊江，河床演變一直處于比較活躍狀態(tài)之中 。下荊江 裁彎、葛洲壩水利工程的運 *基金項目： 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（ 973）項目（ 2003CB415205） 作者簡介： 彭玉明 ，男，長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局 高級 工程師，主要從事河流泥沙、河床演變等方面的研究工作。 公安松滋口枝城 董3荊3董5棗林崗枝江市沙市太平口陳家灣荊45觀音寺荊州市石首市藕池口 調(diào)關(guān)郝穴江陵縣新廠姚圻腦荊145監(jiān)利七里山蓮花塘城陵磯荊 1 8 6荊 1 3蘆家河關(guān)洲馬羊洲三八灘金城洲突起洲烏龜洲孫良洲沮 漳 河觀音磯沖和觀磯篙子擋磯鐵牛磯 2 行、三峽水庫蓄水運行等對荊江河道帶來相應(yīng)的調(diào)整。 1990 年 以來，由于受水沙條件變化的影響，荊江河床普遍發(fā)生了沖刷。隨著護岸工程的實施，增強了河岸抗沖能力，抑制了近岸河床的橫向發(fā)展，但局部河勢出現(xiàn)了一定程度的調(diào)整，有的河段河勢變化劇 烈。主要表 現(xiàn)在長順過渡段主流擺動頻繁、河床沖深、洲灘有沖有淤、汊道 移 位、水流頂沖點上提或下移、崩岸頻繁 發(fā)生等。 受 1998、 1999 年大水和上游河勢變化影響，沙市、石首、監(jiān)利河彎發(fā)生了較大調(diào)整，主要表現(xiàn)為：（ 1）沙市河彎中段南汊主泓線北移后南移、三八灘主體沖刷萎縮后小幅淤長；太平口邊灘下半部展寬、下延；金城洲南汊淤積、北汊沖刷；中低水位下，三八灘左汊過流能力有所減弱，右汊則有所增強。 （ 2） 公安河段 近期 變化 較大部位是 突起洲 和新廠段。 突起洲近兩年來崩塌較為劇烈，文村夾至突起洲尾河床沖刷較大 ，左汊進口文村夾段多次發(fā)生崩岸險 情 。 新廠段主泓線在 2003 年后向北移動，造成北岸岸線迅速崩退。 （ 3）石首彎道發(fā)生自然撇彎后至今，河勢一直在調(diào)整過程之中，仍未穩(wěn)定。彎頂以上主泓線持續(xù)北移，彎頂右岸主泓頂沖點持續(xù)下移，彎頂以下主泓線持續(xù)南移。直接導(dǎo)致了向家洲持續(xù)崩退，北門口、北碾子灣護岸段崩塌；（ 4）監(jiān)利河彎自 1996 年開始至今主流走右泓，右汊沖刷，左汊淤積。近年來深泓線逐漸向烏龜洲右 邊緣擺動，洲體南側(cè)大幅度崩塌，南槽近右岸部分河道淤積，洲頭左側(cè) 小幅度崩塌和沖刷，主流線逐步向北移動。其變化直接影響到太和嶺段岸線崩塌和下游天星閣、天字一號主流線 變化。另外，文村夾段突起洲汊道段演變也較為劇烈。 三峽 水庫蓄水運行后，荊江水沙過程發(fā)生了變化，水流含沙量大幅減少，河道普遍沖刷。 表 1 為三峽水庫蓄水運行前后各分河段 平灘河槽 沖淤量變化，受到 1998 大水大沙年 影響 ，荊江河道普遍淤積，隨后河道發(fā)生沖刷，三峽水庫蓄水運行后，荊江河道沖刷強度增大，河床平均寬度以 1.5km 計算， 枝江河段、 沙市河段、公安河段、石首河段、監(jiān)利河段 蓄水后 累積沖深分別為 0.49m、 0.86m、 0.71m、 0.98m、 0.50m。隨著河床的刷深，荊江崩岸明顯增多。 表 1 荊江河段沖淤變化 河段名稱 1998.09 2002.10 2002.10 2007.10 沖淤量 年均沖淤量 累計 沖深 (m) 沖淤量 年均沖淤量 累計 沖深 (m) 枝江 河段 -2992 -748 -0.31 -4697 -1174 -0.49 沙市河段 -2067 -517 -0.28 -6445 -1289 -0.86 公安河段 -3295 -824 -0.40 -5756 -1151 -0.71 石首河段 -881 -220 -0.08 -10903 -2181 -0.98 監(jiān)利河段 -956 -239 -0.07 -7062 -1412 -0.50 說明： 1、“ +”表示淤積，“ -”表示沖刷，下同。 沖淤量單位：萬 m3 2、平灘河槽分別對應(yīng)宜昌站流量 30000m3/s 水面線下河床。 3 河道演變 過程的 環(huán)境影響 3 3.1 河道突變 的影響 河道突變現(xiàn)象主要發(fā)生在下荊江 見 圖 2。下荊江屬典型蜿蜒型河道， 當河彎發(fā)展到一定程度， 同一彎道彎頂形成急劇的河環(huán)和狹頸，若遇水流漫灘，便將狹頸沖開 而發(fā)生自然裁彎。除自然裁彎外，在河彎段易發(fā)生撇彎和切灘等突變現(xiàn)象。 下荊江從 1860 1949 年的近 90年間，先后發(fā)生了 太公湖 、西湖、古丈堤、尺八口、碾子灣 等多處自然裁彎， 1970 年監(jiān)利河彎發(fā)生切灘現(xiàn)象。 河道發(fā)生自然裁彎，老河逐漸淤積而形成淤積洲灘和牛軛湖相互交融的典型的泛洪平原濕地景觀。 在長江故道的洲灘形成了大面積的濕地，這些濕地對于長江流域的水土保持、氣候調(diào)節(jié)、水體凈化以及長江流域的生物多樣性保 護等都具有重要的生態(tài)功能，對維持長江生命網(wǎng)絡(luò) 有著重要作用。 但由于 切斷了故道與長江之間的天然 聯(lián)系， 水體自身凈化能力有限，而工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物的 排放， 故道的自然環(huán)境 受到一定影響。 河道發(fā)生突變后， 水的流路隨之改變， 原來的航道格局發(fā)生了變化，對航 運產(chǎn)生相應(yīng)影響，如石首市的橫溝鎮(zhèn)、監(jiān)利縣城原來港口 、 排灌閘等 被淤廢， 城市的取排水發(fā)生困難，原來沿江 城市 環(huán)境受到較大影響。 因此，減少對長江故道的污染，凈化 圖 2 下荊江歷史變遷圖 其水體，改善故道的生態(tài)環(huán)境，對維護健康長江意義重大。 下荊江河道突變頻繁， 向家洲還有可能發(fā)生自然切灘撇彎，調(diào)關(guān)、八姓洲等有可能發(fā)生自然裁彎或?qū)嵤┤斯げ脧?，一旦裁彎發(fā)生，對環(huán)境的影響將會出現(xiàn)新的問題。 3.2 河道演 變對洲灘、分流的影響 （ 1）對洲灘、濕地的影響 河道主流線、沖淤變化等對河道洲灘的興衰更替產(chǎn)生作用， 20 世紀 90 年代后，長江上游來沙量明顯減小，荊江河道普遍沖刷，加之受到 1998 年大洪水影響，三八灘主體消失，金城洲逐漸萎縮。三峽水庫蓄水運行后，荊江沖刷幅度進一步加大，崩岸頻次增加，原有部分河漫灘崩塌后退，河勢發(fā)生調(diào)整。洲灘、河漫灘的消退對河流生態(tài)造成影響，原有的洲灘、河漫灘生長的植被受到破壞，對已以植物為食的魚類產(chǎn)生影響。同時河漫灘的消退、崩岸的增多對堤防安全造成威脅，對沿江城市及居民生產(chǎn)、生活環(huán)境帶來一定 影響。荊江普遍沖刷，同流量水位降低，水位的降低對沿江的取排水工程造成影響，帶來減少故道與長江水體自流交換時間，增加故道換水難度。據(jù)殷瑞蘭研究 1，天鵝洲閘底高程為 30.5m，調(diào)節(jié)水位區(qū)間監(jiān)利 上車灣城陵磯石首 調(diào)弦口尺八口上車灣監(jiān)利調(diào)弦口石首藕池口城陵磯1 8 6 9 年1 7 5 6 年1 9 1 2 年藕池口石首 調(diào)弦口監(jiān)利上車灣尺八口城陵磯監(jiān)利1 9 6 0 年1 9 7 3 年藕池口石首調(diào)弦口尺八口上車灣城陵磯上車灣監(jiān)利藕池口石首調(diào)弦口中洲子上車灣新河碾子灣碾子灣碾子灣城陵磯 4 為 32 34.5m，相應(yīng)流量為 17000 27000m3/s，三峽運行 20 年，因長江水位降低，相應(yīng)流量提高到 20000 30000m3/s?？梢?，水位降低對故道濕地生態(tài)產(chǎn)生一定負面效應(yīng)。 （ 2）荊江三口變化對三口洪道環(huán)境影響 荊江三口系指分流口門松滋口、太平口、藕池口。二十世紀五十年代以來，三口洪道的逐步萎縮，分流、分沙量 逐步減少。把 1956 年至今以來 50 年的時間按人類活動劃分為五個時間段進行分段統(tǒng)計對比分析： 1956 1966 年，下荊江裁彎以前； 1967 1972 年，下荊江中洲子、上車灣、沙灘子裁彎期； 1973 1980 年，裁彎后至葛洲壩截流之前； 1981 2002年，葛洲壩截流至三峽工程蓄水前； 2003 年至今，三峽工程蓄水后。裁彎以前，三口呈現(xiàn)慢速萎縮的狀態(tài)；而 1966 1972 年期間，受中洲子、上車灣、沙灘子裁彎影響，由于 藕池口臨近裁彎段，分流量大幅減少，萎縮很快 。 1956 年至 2005 年，三口多年平均分流比由第一階段的 29.4%減少到第五階段的 13.4%(分流過程見圖 3)，多年平均分沙比由 35.4%減少到17.9%(分沙過程見圖 4)。 三口洪道的淤積造成了三口通流水位抬高，使得三口控制站中沙道觀、彌陀寺、藕池 (管 )三站在荊江裁彎后年斷流天數(shù)迅速增加 3，斷流時上游枝城站相應(yīng)流量增大，統(tǒng)計結(jié)果見表2 及圖 5、圖 6。 表 2 三口控制站年斷流天數(shù)及上游相應(yīng)流量統(tǒng)計表 圖 3 荊江三口分流比過程線圖 圖 4 荊江三口分沙比過程線圖 三口分流分沙的減少及三口洪道的淤積帶來的三口洪道環(huán)境影響。 由于三口洪道及洞庭湖區(qū)淤積，三口分流量減小，加上歷史上圍湖造田的影響，使洞庭湖區(qū)湖面縮小，調(diào)蓄容積下降，造成河道阻塞，水流不暢，濕地萎縮，工程性缺水和水質(zhì)性缺水同時存在，時段 三口站分時段平均年斷流天數(shù) 枝城分時段平均相應(yīng)流量 （ m3/s） 沙道觀 彌陀寺 藕池 (管 ) 藕池 (康 ) 沙道觀 彌陀寺 藕池 (管 ) 藕池 (康 ) 1956 1966 0 35 213 17 / 4292 13070 3925 1967 1972 0 3 241 80 / 3470 15950 4958 1973 1980 71 70 258 145 4660 5180 18350 7790 1981 2002 171 155 248 167 8920 7676 17390 8665 2003 2005 182 144 234 180 8830 7620 16500 8650 051015202530351956 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001年份分流比（ % ）松滋口太平口藕池口三口總和0510152025303540451956 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 年份分沙比 （ % ）松滋口太平口藕池口三口總和 5 水污染加重，水質(zhì)變差，部分湖泊已出現(xiàn)富營養(yǎng)化，水環(huán)境惡化及水資源短缺問題日益明顯。三口斷流天數(shù)的增加，造成工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水得不到保障，沿河、湖洲釘螺孳 生。 隨著三峽水庫運行時間的加長，三口口門與長江干流高程差會進一步加大，三口洪道水環(huán)境污染問題日趨嚴重。 圖 5 三口四站斷流天數(shù)過程線圖 圖 6 三口四站斷流天數(shù)對應(yīng)枝城流量 3.3 三峽水庫蓄水 對水質(zhì)影響 三峽水庫蓄水運行后，荊江河道發(fā)生了普遍沖刷，河道的沖刷對水質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響。壩下水流流速加大對 水體 溶解氧產(chǎn)生影響。 （ 1）重金屬的變化 河道沖淤變化對水質(zhì)的影響 主要表現(xiàn)泥沙對水流中污染物的吸附與釋放而引起 污染物含 量的變化，當水流含沙量較大泥沙落淤時，可能 吸附水流中一部分污染物而沉入河底，當河床發(fā)生沖刷時，吸附在泥沙表面的污染物再次釋放到水流中而造成水體二次污染。下面以沙市河段水質(zhì)觀測斷面銅含量的變化分析沖淤變化對水質(zhì)的影響。 水體中的銅分為 溶解 態(tài)和吸附態(tài)，吸附態(tài)銅的主要變化過程包括：對流擴散、河床沖淤產(chǎn)生的交換、水固兩相之間的交換三個部分； 溶解 態(tài)銅的主要變化過程包括：對流擴散、水固兩相之間的交換、水體與河床由于濃度梯度產(chǎn)生的交換、生化反應(yīng)過程。根據(jù)禹雪中等人的研究 1，建立了泥沙與磷作用的數(shù)學(xué)方程，銅與泥沙作用的過程與此相 類 似 。 引入泥沙連續(xù)方程后可以得 到 吸附態(tài)銅的輸移轉(zhuǎn)化方程 2： SAkCCSSBx SCADxxU A CStACS asksxss )()()()( * 與吸附態(tài) 銅 連續(xù)方程 相 類似，根據(jù)質(zhì)量守恒定律可以得到 溶解 態(tài)銅 微分方程： rCAfSAkxCADxxU A CtAC wawxww )()()()( 以上兩方程中， A 為斷面面積， 為泥沙沉速， Cs 為斷面平均的泥沙吸附量 ， S 為斷面平均含沙量， S*為斷面平均挾沙力， ka 為單位時間單位質(zhì)量泥沙吸附量的變化率， 為恢復(fù)0501001502002503003501955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005年份年斷流天數(shù)沙道觀斷流天數(shù)彌陀寺斷流天數(shù)管家鋪斷流天數(shù)康家崗斷流天數(shù)020004000600080001000012000140001600018000200000 1 2 3 4 5 6時間段枝城流量 (m3/s)沙道觀彌陀寺藕池（管）藕池（康） 6 飽和系數(shù)， t 為傳播時間， x 為傳播距離， U 為斷面平均流速 (m/s)， Cw 為斷面平均 溶解 態(tài)銅濃度 (g/m3)， Dx 為縱向離散系數(shù) (m2/s)， B 為河寬 (m)， f(Cw)為生化反應(yīng)項 (g/m3s)， 為單位河長 銅 的釋放速率 (g/ms)， r 為排放源強 (g/ms)。 沖刷過程中泥沙來自河床， Ck 根據(jù)河床條件取值，沖刷過程中水環(huán)境的變化并非決定于沖刷泥沙吸附的 銅 含量，而是決定于沖刷泥沙吸附量與懸沙吸附量的差值，當沖刷泥沙吸附量小于懸沙吸附量時，沖刷泥沙相當于自凈劑，反之，沖刷泥沙相當于污染源；淤積過程中， Ck 與 Cs 相等，河 床與水體交換量等于零，泥沙淤積對水體中泥沙吸附量的影響主要體現(xiàn)在泥沙濃度降低對吸附解吸過程的影響。 要詳細計算銅污染的變化過 程，需要多項測驗指標， 這里 選 取荊州磚瓦廠、沙市五七碼頭兩 水質(zhì)測驗斷面年際 10 月份銅含 量的數(shù)據(jù)及該河段槽蓄量數(shù)據(jù)， 分析銅含量與河段沖淤變化的關(guān) 圖 7 銅含量與沖淤變化關(guān)系圖 系。 見圖 7，槽蓄量差值為歷年槽蓄量與一固定量之間差值，差值大表示淤積， 反之， 表示沖刷， 從圖可以看出：該河段銅含量與沖淤變化有相關(guān)性，當河段淤積時銅含量增大，河段沖刷時 銅含量隨之減少； 2003 年后， 下游斷面沙市五七碼頭銅含量大于上斷面磚瓦廠銅含量；三峽水庫蓄水運行后，河段水流含沙量大幅減少，兩斷面銅含量低于蓄水前銅含量 ， 說明銅含量主要決定進口段銅的來量 。 圖 8 三峽蓄水前后 月 均含鎘量變化 圖 9 三峽蓄水前后月均含銅、鉛量變化 隨著三峽水庫蓄水運 行 ，荊江河段的水沙過程發(fā)生了很大變化，來水量變化很小， 枝城站、沙市站、監(jiān)利站蓄水后平均含沙量分別比蓄水前多年平均值減少 83%、 78%、 73%，含沙量的大幅減少，水流未達飽和， 荊江河段已發(fā)生普 遍沖刷 。 圖 8、圖 9 為三峽水庫蓄水前后沙市五七碼頭斷面含鎘、銅、鉛量的月均變化值，從圖可以看出，該斷面 含銅量在蓄水后變小， 說明含銅量主要隨上游來沙量而變化，含鎘、鉛量在蓄水后明顯增大， 河床發(fā)生沖0.00000.00050.00100.00150.00200.00251 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12月份含鎘量(mg/L)蓄水前含鎘量蓄水后含鎘量0.00000.00500.01000.01500.02000.02500.03000.03500.04000.04500 2 4 6 8 10 12 14月份含銅、鉛量(mg/L)蓄水前含銅量蓄水后含銅量蓄水前含鉛量蓄水后含鉛量00 . 0 0 50 . 0 10 . 0 1 50 . 0 20 . 0 2 50 . 0 30 . 0 3 50 . 0 40 . 0 4 50 . 0 51998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 年份水體銅含量(mg/L)050010001500200025003000槽蓄量差值(萬m3)沙市磚瓦廠沙市五七碼頭河段沖淤變化 7 刷時，吸附在泥沙表面的 重金屬 再次釋放到水流中 ，水中隔、鉛的含量增大而影響水體。 （ 2） 溶解氧、氨氮等含量 變化 選取沙市河段五七碼頭水質(zhì)斷面進行分析。圖 10、圖 11 為三峽水庫蓄水前后五七碼頭斷面月均溶解氧、氨氮的變化，溶解氧含量隨著水溫的升高而降低，三峽水庫蓄水后，水中溶解氧明顯增大，主要三峽水庫蓄水后水位抬高，下泄 水體含氧量增加。氨氮的含量主要來自工業(yè)污水及農(nóng)田排放的廢水，三峽水庫蓄水后，水中氨氮含量減小，主要是水體溶解氧的增大導(dǎo)致氨氮部分被氧化。從溶解氧及氨氮的含量看，三峽水庫蓄水后，水中有機物含量減少，對水質(zhì)起到良好作用。 圖 10 三峽蓄水前后 月均溶解氧 變化 圖 11 三峽蓄水前后月均 氨氮量 變化 4 結(jié)語 荊江地區(qū)河網(wǎng)密布，江湖關(guān)系復(fù)雜，水患頻發(fā)，荊江洪水、水環(huán)境不僅影響荊江沿岸，它將直接對洞庭湖區(qū)防洪體系及水環(huán)境產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。荊江 河道演變對荊江水環(huán)境會產(chǎn)生相應(yīng)影 響 ， 其影響主要表現(xiàn)在以下方面 ： (1)河道演變過程中，河道突變對水環(huán)境的影響主要表現(xiàn)對濕地及給排水產(chǎn)生負面效應(yīng)。 (2)荊江干流的沖刷下切， 造成荊江三口口門與干流高差加大，