1. 概述
引江济汉工程2014年9月26日通水，是从长江荆江河段引水至汉江高石碑镇兴隆河段的大型输水工程，属于南水北调中线一期汉江中下游治理工程之一[1]。工程主要任务是满足和改善汉江兴隆以下河段的生态、灌溉、供水和航运用水条件，并解决东荆河灌区的灌溉水源。同时，其自身还兼有航运效益。
图1. 引江济汉工程
引江济汉工程引水口布置在上荆江河段沙市龙洲垸段弯道凹岸，如图1所示，由于宜昌–沙市河段是三峡清水下泄的主要冲刷带，目前工程河段枯水位下降明显，据长江水利委员会水文局相关研究数据，2003~2021年沙市站7000 m3/s流量对应枯水位下降了2.82 m [2]，而引江济汉工程进水口设计水位按照受三峡水库运用20年影响水位下降2 m考虑。目前工程河段枯水位下降速度超工程设计阶段预期，加之2019年以来长江流域降雨偏少，2022年罕见汛期反枯，枯水位问题成为影响引水工程运行安全与引水效果的重要制约因素之一，因此工程河段枯水位研究对于保障引江济汉工程安全平稳运行具有重要现实意义。
2. 工程简介
引江济汉工程主要满足汉江干流和东荆河需水，引水干渠全长67.23 km，进口底部高程26.00 m，渠底宽60 m [3]。自2014年9月26日通水以来，截至2023年12月，引江济汉工程累计引长江水329.02亿m3。2016~2022年工程月引水量变化如图2所示，历年引水量年内分布视当年汉江需水情况而异，2016年、2020年、2021年以枯季引水为主，因此工程口门处龙洲垸枯季水位变化是影响工程引水功能实现的重要因素之一。
图2. 2016~2022年工程引水量年内分配图
由于引水渠与长江呈50˚斜向交角，使得引入水流在引水口区形成环流，从而导致泥沙易在引水口区域落淤[4]并向渠内推进，为解决引水口区域泥沙落淤问题，引江济汉工程在引水口区的下段设置了沉沙(螺)池，见图3(a)。工程自运行以来，泥沙持续性落淤，2021年初工程管理部门实施了进口段沉沙(螺)池清淤维护工程，通过疏挖使沉沙(螺)池清淤至原设计底高程[5]。
图3. 工程渠首及其纵剖面变化图((a) 工程渠首；(b) 工程渠首纵剖面变化图)
图3(b)为工程渠首2019年~2022年渠道中轴线底高程变化图，渠道内泥沙淤积幅度沿程递减，口门段设计底板高程26.00 m，最大淤积高度为2.20 m，泥沙落淤后口门底板高程抬升至28.20m，影响工程引水效果。
3. 河段水沙及演变分析
3.1. 河段概况
引江济汉工程取水口位于长江上荆江河段，工程进水口河段地形云图(2021年12月长江河道地形及2022年11月工程进口局部地形拼接而成)如图4所示，河段由涴市河弯及沙市河弯组成，其间有沮漳河入汇和虎渡河分流，河段岸坡为土、砂、砾三元结构组成。
图4. 工程河段地形云图
3.2. 沙市站水沙变化
根据沙市站1973~2023年共计约50年的水沙资料(1991年以前缺测资料采用下游新厂站资料，下同)进行分析如图5所示，图5(a)，图5(b)为年径流量及年输沙量过程[6]及其线性倾向[7]，图5(c)，图5(d)为不同时段(1973~1993：三峡蓄水前多年平均值、1997~2002：三峡截流前期、2003~2012：三峡蓄水期、2013~2020：金沙江梯级水库蓄水至今)径流量及输沙量年内分配情况。
图5. 沙市站1973~2023年水沙变化((a) 年径流量；(b) 年输沙量；(c) 月径流量；(d) 月输沙量)
沙市站年径流量近50年围绕4000亿m3波动，三峡蓄水前后整体趋势保持稳定；年输沙量在2003年三峡蓄水后发生突变，蓄水前、后多年平均年输沙量分别为4.2亿t (1973~2002年)、0.5亿t (2003~2023年)，受三峡水库及上游梯级水库建设影响，2003年至今年沙市站输沙量长期维持较低水平。
沙市站各时段水沙年内分配规律基本一致，呈典型“单峰型”，峰值在7月。汛期月径流量基本呈递减趋势，枯期月径流量则逐年递增，径流量年内分布逐渐坦化[8]。三峡蓄水后输沙量大幅降低，输沙量年内分配比例无明显趋势性变化。
3.3. 河床冲淤演变
工程进口所在沙市河段总体顺直微弯，多年来河道平面形态基本稳定。统计工程进水口河段荆30-沙4 (断面位置见图4，下同)之间2010~2021年的冲淤量见表1，工程进水口河段呈逐年冲刷态势，2010~2021年累计冲刷量2703万m3，累计冲刷厚度4 m，年均冲刷厚度约0.2 m。从图6工程河段纵横断面图可知，河段深泓2010~2021年平均高程下切2 m；沙1断面位于工程进水口处，2014年之后由于引江济汉建设，断面左侧岸坡左移约200 m，断面主槽冲刷明显，断面形态由偏v型逐渐演变为u型断面，最大冲深近8 m。
表1. 工程河段冲淤量统计表(荆30-沙4)
时间 |
2010~2012 |
2012~2014 |
2014~2016 |
2016~2017 |
2017~2018 |
2018~2019 |
2019~2020 |
2020~2021 |
2010~2021 |
冲淤量(万m3) |
−171.20 |
−373.20 |
−1405.30 |
−262.80 |
−914.70 |
447.40 |
−1.30 |
−21.90 |
−2703.00 |
冲淤厚度(m) |
−0.25 |
−0.55 |
−2.08 |
−0.39 |
−1.35 |
0.66 |
0.00 |
−0.03 |
−4.00 |
注：统计范围为宜昌流量50,000 m3/s对应的洪水河槽；除2021年为4月施测地形以外，其余年份均为11月。
图6. 河段纵横剖面图((a) 河段深泓纵剖面图；(b) s1横断面图)
沙市站2003~2023年均输沙量0.5亿t，仅为蓄水前的12%，来沙量大幅降低导致沙市河段累积性冲刷，河床年均冲深0.2 m，引江济汉工程口门附近长江河床最大冲深近8 m。在无大的气候变化和人类活动干预前提下，未来一定时段内，工程段长江干流来水条件维稳，来沙量较低，水流含沙量不饱和，将继续冲刷河床获得泥沙补给，河床继续冲刷下切，导致河段枯水位相应下降。
4. 枯水位变化及影响
荆江河段经历了下荆江裁弯、葛洲坝建设、三峡水库蓄水以及金沙江梯级水库蓄水等人类活动影响，水沙条件发生了较大变化，受河床冲刷下切、侵蚀基准面水位变化等综合影响，荆江沿程水位特别是枯水位呈现出长期下降趋势。选取沙市站1973~2023年约50年水位流量资料进行枯水变化分析研究。
4.1. 沙市枯水位变化
统计沙市站1973~2023年5000~10,000 m3/s之间同流量级下水位下降值如图7(a)所示，选取5000、6000、7000、10,000 m3/s四个流量级作为特征流量级，统计沙市站2002~2023年同流量级下水位下降值如图7(b)所示。由于自2009年起，工程河段最小流量均大于5000 m3/s，该流量级下的水位利用当年水位流量关系作外延推算。
从图7(a) 1973~2023年变化可知：自葛洲坝蓄水后，各级枯水位逐渐降低，2003年后枯水位下降速度有所提升，在2013年附近枯水位下降速度达到峰值；沙市站各枯水流量级5000 m3/s、7000 m3/s、10,000 m3/s对应累计水位下降值分别为5.66 m、5.12 m、4.48 m，年均水位下降值分别为0.11 m、0.10 m、0.09 m，流量越枯对应水位下降越明显。
从图7(b) 2002~2023年变化可知：自三峡蓄水以来，沙市站枯水位呈累积性下降趋势，各枯水流量级5000 m3/s、6000 m3/s、7000 m3/s、10,000 m3/s对应累计水位下降值分别为3.95 m、3.76 m、3.59 m、3.20 m，年均水位下降值分别为0.19 m、0.18 m、0.17 m、0.15 m。
图7. 沙市站枯水位下降统计((a) 1973~2023; (b) 2002~2023)
4.2. 枯水位变化影响分析
三峡水库运用后，宜昌–沙市河段是三峡清水下泄的主要冲刷带，河道冲刷对枯水位影响重大，而枯水位变化与本工程取水调度关系密切。目前关于长江中下游枯水位变化的研究共识认为三峡水库蓄水后枯水位发生趋势性下降且无复归迹象[9]。
4.2.1. 龙洲垸水位流量关系
工程进水口龙洲垸上距陈家湾站约3 km，下距沙市站约15 km，详见图4，为便于分析工程口门处枯水位变化，根据引江济汉工程运行以后2015~2022年沙市站实测流量成果，拟定了一条多年综合关系线，工程进水口龙洲垸流量采用沙市流量，水位采用陈家湾和沙市实测水位内插，结果见表2。
表2. 龙洲垸水位流量关系表
流量级(m3/s) |
沙市站水位(m) |
陈家湾站水位(m) |
龙洲垸水位(m) |
5000 |
26.60 |
27.27 |
27.15 |
7000 |
28.34 |
28.97 |
28.86 |
10,000 |
30.62 |
31.20 |
31.10 |
4.2.2. 枯水位下降影响
引江济汉工程进水口位于沙市河段，以7000 m3/s流量级为代表，分析对比2014及2021年工程进水渠道纵剖面河床高程及枯水位变化如图8所示，其中龙洲垸7000 m3/s流量级下枯水位由沙市站同流量级下枯水位根据表2水位流量关系内插，长江s1断面位置见图4。
从图8可知，在2014年工程运行之初，口门处以7000 m3/s流量级为代表的枯水期净水头约2.6 m (枯水位28.745 m、口门底板高程26.00 m)，具备枯季自流引水条件，工程运行多年，渠道内泥沙大量淤积，口门处最大淤积高度为2021年的2.2 m，泥沙淤高影响引水效果，因此需定期清淤疏挖至底板高程；根据沙市站枯水位变化分析，2014~2023年，7000 m3/s流量级下枯水位累计下降约2.2 m，2023年龙洲垸7000 m3/s流量级枯水位为26.549 m。综合考虑枯水位下降与口门泥沙淤积极端叠加影响，工程运行10年进水口枯水期净水头累积下降将降低枯季引水效率。
在工程设计之初，进水口设计水位按照受三峡水库运用20年影响水位下降2 m考虑，目前2003~2023年沙市站7000 m3/s流量级下枯水位下降值实际已超过3 m，流量越小枯水位下降更甚，枯水位下降远超设计预期导致口门净水头降低，同时口门泥沙淤积致使口门高程抬高进一步降低净水头。综合而言，引江济汉工程运行至今，枯水期引水条件不佳，如不加以措施干预，将难以保障汉江高石碑下游枯季需水要求。
图8. 工程进口纵剖面与枯水位关系图
5. 结论与建议
通过水文泥沙分析方法对引江济汉工程进水口河段近50年水沙条件及枯水位变化进行分析研究，结论如下：
1) 沙市站近年年输沙量大幅降低，沙市河段累积性冲刷。在无大的气候变化和人类活动干预前提下，未来一定时段内，河段来水条件维稳，来沙量较低，水流含沙量不饱和，河床受水流冲刷下切，导致枯水位下降。
2) 2002~2023年，沙市站各枯水流量级5000 m3/s、6000 m3/s、7000 m3/s、10,000 m3/s对应累计水位下降值分别为3.95 m、3.76 m、3.59 m、3.20 m，年均水位下降值分别为0.19 m、0.18 m、0.17 m、0.15 m，流量越枯，枯水位下降越明显。
3) 2014~2023年，引江济汉工程龙洲垸口门7000 m3/s流量级下枯水位累计下降约2.2 m，渠道口门处最大淤积高度2.2 m，工程运行10年进水口枯水期净水头下降显著，影响枯季引水效率。
综合上述，如不加以干预，枯季工程进水口引水条件将难以满足引水需求，建议采取相关维护措施如下：
1) 因枯水位下降导致枯季口门净水头降低，建议重新拟定提水工况下进口泵站设计条件或进行泵组改造，保障引水条件。
2) 建议加强监测机制，包括对进口渠道淤积的监测及对长江及渠道内水流含沙量的实时监测，进一步研究渠道淤积与来水来沙量的关系。
3) 因渠道口门泥沙淤积抬升影响引水条件，建议定期对进水口进行清淤维护，重点维护渠道口门区域。同时引入相关工程措施，如汛期反向抽排等[10]，破坏口门区回流，在反向水流作用下将泥沙输送至长江。
notes
作者简介：华永(1983-)，男，本科，高级工程师，主要从事水利水电工程建设与运行管理工作，email: 19929681@qq.com
*第一作者。