2019, Vol. 31 
河岸崩退是冲积河流河床演变过程的重要组成部分.在我国长江中下游等河段，普遍存在崩岸现象.三峡水库自2003年蓄水运用后，因上游入库沙量减少及水库拦沙作用，进入城汉河段的沙量急剧减少，整个城汉河段表现为冲淤相间且整体呈冲刷态势，局部区域崩岸时有发生. 2017年4月19日巡查人员发现洪湖市虾子沟长江堤段发生窝崩险情，崩窝长75 m，宽22 m，距堤脚最近14 m[1].局部河段的河床调整危及河势的稳定，影响河道防洪安全，故有必要研究近期城汉河段的河床调整及崩岸特点.
关于河床形态调整及崩岸研究方法，现有成果主要包括数学模型[2-3]、物理模型[4-5]及各类经验公式估算[6-7]、利用遥感影像分析河床演变[8]及定性分析等[9-11]. Jia等[3]将河岸崩塌力学模式与水沙模型结合，构建了河道摆动的三维数学模型，用于模拟由非均质河岸坍塌引起的河道横向摆动过程.虽然数学模型能够较为准确地模拟河床调整及崩岸过程，但对输入资料的内容及精度要求较高.张幸农等[4]、余明辉等[5]通过概化模型试验分别研究了渐进坍塌型崩岸的力学机制和相同水力作用下近岸河床组成对黏性岸坡崩塌的影响规律.但模型试验中河岸土体一般较原状土体在物理力学性质及内部结构等方面发生较大改变，故试验结果误差较大. Lawler等[6]分析了Swale-Ouse河崩岸速率的沿程变化规律，建立了平均崩退速率与下游沿程距离之间的经验关系；梁志勇等[7]建立了河道展宽速率与河岸土体的起动切应力的经验关系.这些经验方法在河床演变分析中应用较为广泛. Yang等[8]利用遥感影像分析了1983—2013年下荆江河段平面形态变化，研究了葛洲坝及三峡工程建成运用后下荆江的河床演变规律.余文畴等[9]就长江中下游水文泥沙条件对崩岸机理进行了总结，认为崩岸实质是近岸河床与水沙运动之间相互作用的结果；张幸农等[10-11]根据长江中下游有关崩岸实例，从不同的角度对崩岸的类型进行了划分，并且分析了河岸地质、河道地形、水文气象和人类活动等因素对河道崩岸的影响.
长江中游宜昌—枝城河段崩岸发生少，国内学者对荆江段河床调整及崩岸研究较多[12-13].城陵矶—武汉河段(简称城汉河段)河型复杂，且该河段的河床调整及崩岸直接威胁到长江经济带重要城市武汉的防洪安全，故本文选取城汉河段为研究对象.近期在自然因素与人类活动的共同作用下，进入城汉河段的水沙条件发生显著改变，河床形态调整较为显著.已有研究[14-15]多从宏观上定性描述城汉河段的演变规律及调整趋势，但近期显著的河床调整使该河段平面及断面形态发生较大改变，因此亟需定量研究该河段的河床形态调整及崩岸特点.本文利用城汉河段2003—2016年128个固定断面的地形资料及2001、2006、2016年的水下地形图，采用Xia等[16]提出的河段尺度的平滩河槽形态参数计算方法，首先计算2003—2016年河段平均的平滩河槽形态特征参数，建立这些平滩特征参数与前期水沙条件之间的关系；其次定量确定城汉河段岸线变化及典型断面的崩岸过程；最后研究重点河段(簰洲河段)的崩岸特点，分析河床边界与水沙条件等因素对崩岸过程的影响，并建立典型崩岸断面平滩河宽与前期水沙条件之间的经验关系.
1 近期城汉河段概况 1.1 研究河段概况城汉河段上接荆江和洞庭湖水系，流经岳阳、嘉鱼及武汉等城市，全长235.6 km(图 1)[17].河段内宽窄相间，洲滩众多，按河道平面形态特征，可划分为微弯单一型、弯曲型和分汊型3种河型.左岸有白螺矶、杨林矶、螺山等节点，右岸有城陵矶、道仁矶、龙头山等节点，这些节点对河势变化和河床调整起着控制作用.根据河段地理位置、河道特性以及控制节点等因素，习惯上将城汉河段自上而下划分为白螺矶、界牌及陆溪口等河段[15].河段内分布的众多洲滩，使得局部区域碍航问题突出，三峡工程运用后在该河段实施了陆溪口水道、嘉鱼-燕子窝航道、界牌河段航道整治二期等整治工程[18-20].这些整治工程对河段的河床演变具有重要影响，基本上稳定了滩体，刷深了航槽，但对局部水流结构产生了较大影响，增加了河道崩岸发生的概率.
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图 1 城汉河段示意图 Fig.1 Sketch of the Chenghan reach |
三峡工程运用后，城汉河段河势总体基本稳定，但河床纵向冲刷明显，局部河势发生显著变化.研究河段内床沙组成主要为细沙；大堤岸坡以土质、砂质岸坡为主，局部地段为淤泥质岸坡；岸坡结构多变，抗冲强度不均[21].如图 1所示，近期在自然因素和人类活动共同作用下，局部河段崩岸险情较为严重.
1.2 水沙条件上游荆江段、洞庭湖及各级入流入汇是城汉河段水沙的主要来源，汛期通常从5月持续到10月[12].河段左岸有东荆河、汉江、沦水，右岸有陆水、金水等入汇.可用河段进口附近的螺山水文站实测水沙数据近似代表进入城汉河段的水沙条件.三峡工程运用后(2003—2016年)，进入城汉河段的年水量略有减少，年沙量却大幅降低.多年平均汛期水量从蓄水前(1955—2002年)的4747.9亿m3降至蓄水后(2003—2016年)的4227.7亿m3，减少幅度为11.0%.多年平均汛期沙量从蓄水前(1955—2002年)的3.512亿t降至蓄水后(2003—2016年)的0.690亿t，减少幅度为80.4% (图 2).
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图 2 螺山站汛期水量、沙量和水流冲刷强度(1955—2016年) Fig.2 Temporal variations in flood-season average water volume, sediment discharge and fluvial erosion intensity at Luoshan from 1955 to 2016 |
近期吴保生[22]的研究成果表明，在含沙量较大的黄河上，水沙条件通常采用多年汛期平均流量及来沙系数表示.但是在低含沙量河流上，水沙条件一般用水流冲刷强度来表示[12].定义汛期水流冲刷强度Ff= Q2/S /108，其中Q为汛期平均流量，m3/s；S为汛期平均悬移质含沙量，kg/m3.利用螺山站水沙数据计算水流冲刷强度参数，结果如图 2所示.三峡工程运用后，城汉河段汛期水流冲刷强度呈增大趋势，2003—2016年增长了183.7%.在计算水流挟沙力时采用张瑞瑾的公式[23]：
| $ {S_*} = k{\left( {\frac{{{U^3}}}{{g\cdot R\cdot\omega }}} \right)^m} $ | (1) |
式中，S*为悬移质水流挟沙力，kg/m3；U为断面平均流速，m/s；g为当地重力加速度，取g=9.81 m/s2，R为水力半径，m；ω为代表沉速，m/s；k和m为经验系数，k取0.07 kg/m3，m取1.14[24].悬移质泥沙的代表沉速取
计算了螺山及汉口站2003—2016年的汛期平均水流挟沙力，并与汛期实测悬移质含沙量进行了对比，绘出了2003—2016年螺山及汉口站汛期平均水流挟沙力及含沙量的变化，如图 3所示.定义次饱和系数为ξ=(S* -S)/S，其中S*为水流挟沙力，kg/m3；S为悬移质含沙量，kg/m3.用ξ来表征水流的次饱和状态，近期(2013—2016年)螺山和汉口站ξ的平均值分别为1.65和0.39，因此城汉河段还处在次饱和状态.三峡工程运用后(2003—2016年)，螺山站汛期平均水流挟沙力变化不大，实测汛期平均悬移质含沙量在逐渐减小，汉口站汛期平均水流挟沙力由于床沙粗化的原因与实测汛期平均悬移质含沙量基本上同步减小，因此螺山站次饱和程度逐渐增大，汉口站变化不大.计算结果显示城汉河段悬移质在沿程恢复，但水沙不平衡的状况依然存在，次饱和程度仍较高.由此可知，城汉河段近期整体上仍呈持续冲刷态势.
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图 3 螺山及汉口站2003—2016年汛期水流挟沙力与含沙量变化 Fig.3 Temporal variations in flood-season average sediment carrying capacity and concentration at Luoshan and Hankou from 2003 to 2016 |
近期三峡水库下泄沙量大幅度减少，城汉河段整体呈冲刷态势. 2003—2016年城汉河段枯水、基本与平滩河槽的累计冲刷量分别为4.451亿、4.708亿和4.684亿m3(图 4).枯水、基本及平滩河槽分别为宜昌站5000、10000及30000 m3/s流量对应水面线以下的河槽[26].枯水河槽冲刷量占平滩河槽冲刷量的95.0%，因此可以认为冲刷部位主要集中在枯水河槽. 图 3b显示2003、2004、2008与2009年枯水河槽年内冲淤量占平滩河槽冲淤量的比例不足50%，冲淤部位主要集中在枯水河槽外，三峡工程2003年蓄水运用，2008年汛末进入试验性蓄水阶段，运用及试验蓄水后，荆江河段枯水河槽冲刷量突然增大，进入城汉河段的水流次饱和程度较小，枯水河槽的冲淤量较小，因此2003、2004及2009年枯水河槽占平滩河槽冲淤量的比例偏小，2008年城汉河段枯水河槽表现为微弱冲刷，平滩河槽表现为淤积，这与2003—2008年冲刷强度不断减弱有关；2005年等其余年份枯水河槽年内冲淤量占平滩河槽冲淤量的比例均达70%以上，年内冲淤变化主要表现在枯水河槽.荆江河段的悬移质含沙量在三峡工程运用后呈减小趋势，2014年后减小速度放缓，2014年监利站全年平均含沙量减至0.15 kg/m3，因而进入城汉河段的悬移质含沙量较小，水流不饱和程度较大，冲刷幅度明显增加(图 3a). 2013—2016年研究河段平滩河槽累计冲刷量为3.902亿m3，占蓄水后总冲刷量的83.3%.
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图 4 2003—2016年城汉河段累计冲淤过程 (正值为淤积，负值为冲刷；2003*为2001年10月—2003年10月数据之和) Fig.4 Cumulative channel evolution volume in the Chenghan reach from 2003 to 2016 |
为了分析冲淤过程与来水来沙条件之间的关系，考虑到河床形态调整存在滞后响应[22]，本研究采用前n年汛期平均水流冲刷强度Fnf表示前期水沙条件，Fnf的表达式为：
| $ {\bar F_{n{\rm{f}}}} = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{{\bar F}_{{\rm{f}}i}}} $ | (2) |
式中，Ffi为第i年的平均水流冲刷强度.研究表明[12]冲积河流平滩河槽形态与前期5年汛期平均的水流冲刷强度之间有较好的经验关系，又因河床冲淤的直观反映就是河流平面形态的变化，因此推测城汉河段冲淤量与前5年汛期平均水流冲刷强度有较好的经验关系.从图 5可知，城汉河段累计冲淤量与前5年汛期平均水流冲刷强度的关系较好，呈较为明显的对数关系.由此可见，三峡工程运用引起的水沙条件改变对城汉河段的冲淤过程产生了较为显著的影响.
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图 5 城汉河段累计冲淤量与前5年汛期平均水流冲刷强度的关系 Fig.5 Relationship between cumulative channel evolution volume and the previous five-year average fluvial erosion intensity during flood seasons in the Chenghan reach |
城汉河段横断面形态调整与来水来沙条件、河道形态及河床边界条件等因素密切相关.近期因三峡水库清水下泄，城汉河段整体呈冲刷态势，且各分河段平滩河槽形态发生了较大的调整.本文采用Xia等[16]提出的基于对数转换的几何平均与断面间距加权平均结合的方法，结合2003—2016年的断面实测资料，计算了河段尺度的平滩河槽形态参数，得到了城汉河段及各分河段平滩河宽与水深随时间的变化过程，如图 6所示.三峡工程运用以来，城汉河段平滩河宽(Wbf)、水深(Hbf)及面积(Abf)呈增加趋势(图 6). Wbf由2003年的1710 m增加至2016年的1732 m，增幅为1.28%；Hbf由2003年的16.47 m增加至2016年的17.95 m，增幅为9.0%；Abf由2003年的28312 m2增加至2016年的31087 m2，增幅为9.8%.各分河段平滩河宽与水深变化如表 1所示.其中陆溪口河段平滩河槽展宽幅度达到2.6%，大于城汉河段平均值1.28%.白螺矶、界牌及武汉河段平滩河槽深度增幅大于城汉河段平均值，尤其是白螺矶河段增幅达11.0%.分析表 1中数据可知，三峡工程运用以来(2003—2016年)白螺矶、界牌、嘉鱼、簰洲及武汉河段河床调整以纵向冲深为主；但陆溪口河段河床调整横向展宽与纵向冲深同步发展.
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图 6 城汉河段平滩河宽与水深变化量(与2003年相比) Fig.6 Temporal changes of bankfull channel width and depth in the Chenghan reach (compared with 2003) |
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表 1 城汉河段2003—2016年平滩河宽与水深变化 Tab. 1 Variations in bankfull channel width and depth in the Chenghan reach from 2003 to 2016 |
为研究河床调整与上游来水来沙条件的关系，分别点绘出城汉河段平滩河宽、水深和面积与螺山站前5年汛期平均水流冲刷强度之间的关系，相关系数均达到0.7以上(图 7).由此表明，城汉河段河床对三峡工程运用后的新水沙条件做出了适应性调整.此外河道整治、非法采砂、堤边取土及两岸植被砍伐等人类活动对河床调整也有一定的影响.
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图 7 城汉河段平滩河槽形态参数与前5年汛期平均水流冲刷强度的关系 Fig.7 Relationship between the bankfull channel geometry and the previous five-year average fluvial erosion intensity during flood seasons |
近期城汉河段河床冲淤相间，但整体呈持续冲刷态势，导致局部河段发生严重崩岸.为研究城汉河段的崩岸特点，本研究基于2001、2006及2016年实测水下地形图，确定了这些年份中的水边线位置.相应时间段内螺山站的平均水位分别为25.5、20.7和20.4 m.因2001与2016年螺山站平均水位相差4.8 m，故用水边线位置不能准确判断实际崩岸情况. 2006与2016年螺山站平均水位相差仅0.3 m，故可用水边线的位置变化大致确定城汉河段的岸线崩退情况. 表 2给出了2006—2016年水下地形图中岸线的对比结果.城汉河段近期(2006—2016年)崩岸总长度达19.6 km，占岸线总长的8.3%，多年平均崩退速率为5.5 m/a，其中约有55.3%的崩岸位置分布在河道右岸，规模较大的崩岸中绝大部分为条崩，少部分为窝崩，洗崩规模较小但分布较广、发生频率较高[10, 21]. 2003—2016年历年汛后118个断面的地形资料表明：CZ03-1、CZ05、CZ28-1、CZ44-1等断面存在较为明显的崩岸现象，累计崩宽均达到50 m以上.姚仕明等[21]不完全统计成果表明，2003—2005年城汉河段崩岸长度共计2.9 km，且主要集中在界牌河段.因此相对2006—2016期间的崩岸范围，2006年前城汉河段的崩岸程度相对较弱，这也与该时段内河床冲刷强度相对较小有关.
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表 2 城汉河段崩岸区域统计结果(2006—2016年) Tab. 2 Statistics of the riverbank collapse sites in the Chenghan reach from 2006 to 2016 |
统计数据表明，城汉河段崩岸主要分布在宝塔洲、燕子窝、潘家湾、邓家口镇及大咀等区域(图 1).白螺矶河段左岸上部主要分布为黏土、亚黏土和亚砂土，下部为沙层，局部夹淤泥或砾石[15].在水流持续冲刷作用下，下部沙层易被冲走，导致岸坡变陡，引发相应位置的崩岸.界牌河段河床组成以中细沙为主，床沙中值粒径范围为0.16~0.22 mm，可动性强[27].深泓出南阳洲右汊后遭节点龙头山的节制，改变方向，沿左岸下行，同时造成对左岸的顶冲与持续冲刷.新堤附近CZ08-1断面地形图显示2003—2016年深泓点向左摆1099 m，高程由3.7 m冲深至-3.7 m.据不完全统计该分河段2003—2005年崩岸长度为1.9 km，主要分布在新堤、石码头等局部区域. 2006—2016年界牌河段崩岸长度约1.2 km，多年平均崩退速率为6.7 m/a.陆溪口河段河床中值粒径为0.11~0.23 mm，左岸由河流松散冲积物组成，右岸有赤壁山等天然控制性节点[28].深泓在宝塔洲附近紧贴左岸，造成对滩面的持续冲刷，断面地形图显示冲刷深度达11 m.该分河段2006—2016年约有3.5 km的岸线发生崩退，多年平均崩退速率达11.2 m/a.簰洲河段内有簰洲弯道，其弯曲系数达12以上[15].深泓沿燕子窝下行顶冲潘家湾，出急弯后向左摆动紧贴虾子沟岸段，造成对河岸的持续冲刷.同时，虾子沟区域为非法采砂高发区，不合理的采砂会使局部岸坡变陡，增加岸坡失稳破坏的可能性.因此，燕子窝、潘家湾及虾子沟等局部区域为重要崩岸险工段. 2017年4月，长江干堤虾子沟堤段(桩号413+250~413+325)发生崩岸险情[1].邓家口镇河段处于急弯段凹岸，并且岸坡为土质结构，易起动，抗冲性差[29].在水流的顶冲下，2003—2016年CZ44-1断面累计崩退宽度66 m.从河床演变的角度来看，崩岸的严重程度与崩岸宽度及平滩河宽密切相关，崩岸宽度越大，平滩河宽越小，崩岸对河床造成的影响越大，崩岸越严重.为研究河段崩岸的严重程度，此处定义：
| $ \eta = {\rm{ }}\left( {\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{\Delta {B_i}}}{{{{\bar B}_{{\rm{f}}i}}}}} } \right)/n $ | (3) |
式中，η为崩岸严重程度参数；n为河段内的统计断面数；ΔBi为第i个断面在研究时段内的崩岸宽度，m；Bfi为第i个断面在研究时段内平滩河宽平均值，m.利用城汉河段2003和2016年128个断面的地形数据，通过计算得到，白螺矶、界牌、陆溪口、嘉鱼及武汉段的崩岸严重参数分别为0.0082、0.0113、0.0246、0.0046、0.0120和0.0061.
3.2 城汉河段典型断面崩退过程为了更直观地反映三峡工程运用后典型断面河岸的崩退过程，图 8给出了近期城汉河段内CZ03-1、CZ16等4个典型条崩断面的形态变化过程. CZ03-1断面位于白螺矶下段，断面形态调整以左岸崩退为主(图 8a)，2003—2016年崩退总宽度为60 m.由图 8a可知2010—2013年崩岸强度较大，多年平均崩退速率达20 m/a，2011年左岸崩退约54 m. CZ16断面位于中洲下段，深泓紧贴左岸，滩面持续冲刷，如图 8b所示，13年内近岸河床冲深下切12.9 m，河岸崩退宽度64 m，多年平均崩退速率4.9 m/a. CZ28-1断面位于燕子窝附近，如图 8c所示，该断面2003—2016年左岸近岸处冲深下切2.5 m，河岸崩退宽度为24 m，多年平均崩退速率达1.8 m/a. 2006年2月—2008年4月，航道部门对燕子窝新滩进行了固定，保持了其滩头的稳定，限制了右汊的冲刷发展[19]. 2016年11月—2017年4月，燕子窝处近岸河床最低点下切5.4 m，岸坡变陡，且该河段为沙基岸段，地质条件差，抗冲能力弱，最终于2017年4月发生窝崩险情，严重危及洪湖长江干堤的安全[1]. CZ44-1断面位于团州下游10 km处，如图 8d所示，虽有抛石护岸，但近期该断面凸岸仍不断崩退，2003—2016年崩退总宽度达66 m，多年平均崩退速率为5.1 m/a，近岸处河床下切约4.7 m.
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图 8 城汉河段典型断面形态变化过程 Fig.8 Temporal changes of lateral profiles at four typical sections in the Chenghan reach |
上述统计数据表明，城汉河段的崩岸险工段主要集中在簰洲河段.簰洲河段上起潘家湾，下至纱帽山，全长76.6 km，为弯曲型河段.已有研究成果表明[21, 30]，2003—2005年簰洲河段局部地区护岸工程水毁严重，崩岸地区主要分布在胡家湾、新沟、邓家口镇等地.根据2006—2016年水下地形图对比结果显示，该河段10年间崩岸总长度14.9 km，占岸线总长比例为19.4%，绝大部分崩岸的类型为条崩，少部分为窝崩[21].该分河段崩岸总长度占城汉河段崩岸总长的75.9%，多年平均崩退速率为4.1 m/a.因此该河段崩岸问题较为突出、严重且具有代表性.故本研究将重点分析簰洲河段崩岸的影响因素.
4.1 河床边界条件河床边界条件主要包括河岸土体组成与分布及河湾形态等[13].考虑到簰洲河段为典型的弯曲型河段，且河岸土体特性及深泓贴岸对崩岸的影响较大，本文将着重分析河岸土体组成、河湾形态及深泓贴岸等因素对崩岸的影响.
4.1.1 河岸土体组成的影响河岸土体组成与分布决定了河岸的抗冲性，而河岸的抗冲性直接影响着河道崩岸[31].簰洲河段的河岸土体组成主要为黏土、亚黏土、亚砂土和粉细砂土及由不同物质所组成的互层和夹层结构.河床组成均为细沙，2006年汛后床沙中值粒径为0.168 mm，抗冲性较弱[15].洪湖长江干堤燕子窝崩岸发生的堤段，上部为壤土、砂壤土，厚6~8 m，下部为粉细砂层.壤土、砂壤土及砂土，土粒比重分别为2.72、2.75和2.69，凝聚力C分别为20、15及0 kPa[32].壤土、砂壤土内部因有凝聚力的存在，起动流速一般大于砂土[12]. 2017年4月处于汛前涨水期，流量逐渐增大，近岸流速明显增加，下部砂土层处于冲刷状态；上部粘性土层的悬空宽度逐渐增大，到达稳定极限后，土体易坍落形成窝崩险情.
4.1.2 河湾形态的影响在相同河岸土体条件下，弯道段较顺直段的崩岸速率大1倍以上.如图 9a所示，4个弯道段深泓线与岸线的夹角分别为43.6°、56.5°、64.8°和25.8°.岳红艳等[33]发现纵向水流的顶冲角与崩岸的发生有着密切的关系.纵向水流顶冲角越大，水流对河岸的作用力越大，水流对河岸土体所做的功越大，可动河岸土体发生崩岸的强度也就越大.因此在弯道段多，顶冲角大，水流动力作用较强的情况下，簰洲河段崩岸分布较多，远高于城汉河段的平均水平.
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图 9 簰洲河段河势及CZ44-1断面形态调整 Fig.9 Sketch of the Paizhou subreach and adjustment of cross-sectional profile at CZ44-1 |
河道深泓点是主槽内床面的最深点，与断面最大流速处基本相当.从江西省长江岸带的统计资料来看，各崩岸段深泓离岸距离与平均河宽之比一般为0.03~0.07.一些强烈的崩岸段，深泓离岸距离与河宽之比都要小于0.1[34]. 图 9a显示，簰洲河段8处崩岸险工段，有5处位于深泓近岸段，深泓距岸线平均距离约175 m.燕子窝段由于燕子窝心滩和复兴洲的存在，致使该河段过水断面面积减小，水流流速增大，对河岸的冲刷作用增强，引发左岸相应位置的崩岸.如图 10所示，虾子沟段CZ33断面自2008年以来深泓贴岸，深泓高程由-1.5 m下切至2016年汛后的-7.8 m，且向左岸摆动约50 m[32]，造成岸坡变陡.下游距该断面0.1 km处最终于2017年4月发生窝崩.潘家湾段、老管嘴段、新洲段、邓家口镇河段主要因深泓贴岸造成崩岸.因为深泓贴岸处单宽流量较大，对河岸的冲刷作用较强，特别是在弯道段，极易形成大流速的竖轴环流与涡旋，对河岸造成强烈的冲刷，形成大范围崩岸[35-36].
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图 10 虾子沟断面变化过程及崩岸形态 Fig.10 Temporal variations of cross-sectional profile at CZ33 and the photo of arc failure at Xiazigou section |
在冲积河流河床演变过程中水沙条件起着至关重要的作用.三峡工程运用后(2003—2016年)簰洲河段汛期平均含沙量处于不断减少趋势，河道水体处于次饱和状态，持续冲刷近岸及河床.同时河道水位突变也是促使崩岸不断发生的水流动力因素.故此处主要探讨来水来沙条件与河道水位突降对簰洲河段崩岸过程的影响.
4.2.1 来水来沙条件如图 9b所示，位于新洲附近的CZ44-1断面，河岸及河床在低含沙水流的长期冲刷下不断崩退、下切. 2003—2016年，该断面平滩河宽从1334 m增加至1404 m，主要表现为右侧河岸崩退；平滩水深从17.8 m增加至19.3 m；平滩面积从23702 m2增加至27146 m2，增幅达14.5%.为研究来水来沙条件对簰洲河段崩岸的影响，以CZ44-1断面为例，建立典型断面Wbf与F5f之间的经验关系，选用邻近水文站的实测水沙数据近似代替该断面的水文资料.本研究选取螺山站的水文资料作为该断面的水沙条件.从图 11可以看出，CZ44-1断面Wbf与F5f之间的相关系数高于0.9，可见由三峡工程运用引起的水沙条件改变对典型断面平滩河宽的调整有较为显著的影响.
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图 11 CZ44-1断面平滩河宽与前5年汛期平均水流冲刷强度的关系 Fig.11 Relationship between the bankfull width and the previous five-year average fluvial erosion intensity during flood seasons at CZ44-1 section |
河道退水过程过快会对河道岸坡的稳定产生不利影响.簰洲湾河段岸滩崩塌记录资料显示，该河段崩岸发生的时间主要在汛后11月至次年3月[21].三峡工程运用后(2003—2016年)螺山站平均涨水和退水速率分别为0.0849和0.0817 m/d.虾子沟崩岸段上部壤土、砂壤土的渗透系数为0.0053~0.0236 m/d，下部粉细砂层渗透系数为0.2868 m/d，因此粉细砂层为主要的水力通道[32].在洪水期，河道水体作用于河岸的侧向水压力较大，且河道水补给地下水，渗透压力方向为自河道向河岸，对河岸崩塌有抑制作用.在退水期，一方面河道水位的快速下降使河道水体作用于河岸的侧向水压力快速减小，另一方面地下水反向补给河道水，渗透水压力方向自河岸向河道，因为上部壤土及砂壤土含水率较高，渗透性较差，所以一部分孔隙水较短时间内来不及排出，转而形成孔隙水压力降低了河道河岸土体的粘聚力，另一部分孔隙水将下部的粉细砂层作为通道，在排出土体的过程中对粉细砂颗粒产生作用力，再加之水流冲刷，导致下部粉细砂被逐渐掏刷，上部壤土及砂壤土坍落[37].因此较短时间的河道退水过程会使作用于岸坡土体的力的方向发生改变，土体稳定性降低，极易引发崩岸险情.
5 结论利用实测水沙及地形资料，系统分析了城汉河段河床形态调整及崩岸特点，得到如下结论：
1) 三峡工程运用后，城汉河段年内冲淤变化主要集中在枯水河槽，平滩河宽与水深呈增加趋势.白螺矶、簰洲及武汉等河段河床调整以纵向冲深为主.但陆溪口河段河床调整横向展宽与纵向冲深同时发展.城汉河段的平滩特征参数与前期水沙条件密切相关.
2) 城汉河段崩岸主要分布在新淤洲及燕子窝等局部区域. 2006—2016年城汉河段多年平均崩退速率为5.5 m/a，崩岸总长19.6 km，占岸线总长的8.3%，其中右岸占55.3%，簰洲河段岸线崩长占城汉河段岸线崩退总长的75.9%.
3) 簰洲河段2006—2016年崩岸总长度14.9 km，占岸线总长比例为19.4%，多年平均崩退速率为4.1 m/a.来水来沙条件占主导地位，局部区域崩岸的发生依赖于河床边界条件，建立了典型崩岸断面平滩河宽与前期水沙条件之间的经验关系，较好地反映了水沙条件变化对崩岸过程的影响.
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