1 概述

交汇河段的水流结构、泥沙运动、河床形态原本就复杂多变，而库区交汇河段受水库回水影响，侵蚀基准面抬高，干支流相互作用发生变化，冲淤特性也必然变化.其中常年库区交汇河段由于常年受水库回水影响，水流输沙能力显著降低，通常发生较严重的累积性淤积，再造床作用比较突出；而变动回水区交汇河段，其侵蚀基准面在蓄水期抬升，在消落期和汛期逐渐恢复为天然河段状态，兼具天然河道与库区河道的双重特性，输沙动力条件也会降低，其冲淤调整特点较自然条件发生变化.

对交汇河段，国内外学者通过水槽试验和实测资料分析进行了研究，取得了丰富的成果.如刘同宦等^[1]总结分析了干支流交汇的形式，茅泽育^[2]、兰波^[3]、王协康^[4-5]等通过水槽试验研究了交汇区水力特征.对于交汇河段泥沙冲淤变化的研究主要通过水槽试验进行，如王协康^[6]、詹磊^[7]、惠遇甲^[8]、刘同宦^[9]等通过水槽试验探讨了交汇河段的水流泥沙运动特性.对于库区交汇河段也有一些研究成果，如陈立^[10]、闫涛^[11]等分析研究了常年库区交汇河段的泥沙淤积特性、闫涛^[12]等通过模型试验研究了常年库区交汇河段水动力特性.本文以三峡库区嘉陵江与长江交汇河段为例，分析了该交汇河段在成为变动回水区河段前后的冲淤特点及其变化的原因.

嘉陵江与长江交汇河段是长江上游的干支流弯曲型交汇河段 (图 1)，嘉陵江从长江左岸凸岸入汇，两江的交汇角约为40°.支流嘉陵江口门段为微弯段，洪水河宽300~600 m，河道左侧为金沙碛，深槽傍右岸；入汇口以上长江干流河段亦为微弯河段，洪水河宽约500 m，左岸为月亮碛边滩，深槽靠右岸；交汇口以下长江干流河段洪水河宽400~700 m，深槽靠右.交汇河段的河床主要由基岩和卵石组成，河势稳定.

2 冲淤特性分析

三峡工程2003年开始蓄水，截止2007年，水库回水末端在嘉陵江长江交汇河段以下，河段处于自然状态；2008年9月三峡水库开始175 m试验性蓄水，回水末端由铜锣峡上延至江津附近，嘉陵江与长江交汇河段成为水库变动回水区河段.

2.1 2003-2007年冲淤特性

三峡水库175 m试运行前该河段尚未受到水库回水影响，遵循自然状态下的演变规律.依据朝天门河段 (固测断面CY23~CY15，南纪门到沙嘴) 和金沙碛河段 (CY46~CY41，大溪沟到江北嘴)2003-2007年的逐月冲淤量观测资料^[13]，分析汇流口以上干、支流河段自然状态下的冲淤特性.

2.1.1 年际冲淤特性

表 1给出了2003-2007年河段的冲淤量统计值.可以看出，河段的年际冲淤特性为：

1) 除特枯水年2006年外，自然状态下出现了较明显的累积性冲刷.统计时段内河段共冲刷104万m³，年均冲刷约21万m³.

2) 嘉陵江河段和朝天门河段均表现为冲刷.2003-2007年朝天门河段总计冲刷了44万m³，嘉陵江河段总计冲刷了60万m³.

2.1.2 年内冲淤特性

2003-2007年各年交汇河段年内冲淤量变化过程如图 2所示.可以看出，自然条件下河段年内有冲有淤，一般为汛期淤积，枯水期冲刷，为方便与水库蓄水后进行比对，分3个阶段分述其冲淤特点：

1) 年初至汛前的微冲阶段.其中年初至4月前的枯水期，来水含沙量小，水流不饱和；4-5月的汛前涨水阶段，主槽流速增大，表现为冲刷.由于上年汛期淤积的泥沙经汛末冲刷后剩余不多，因此总体表现为微冲.

2) 汛期淤积阶段.时间一般从5月下旬至9月中旬，由于洪水流量下下游铜锣峡的卡口壅水作用，比降变缓，流速相对较小，同时上游来沙量也大，水流过饱和输沙而产生淤积.汛期淤积量与上游来沙量有关，上游来沙量较大时河床淤积量也较大，反之亦然.

3) 汛末至年底的走沙阶段.随着水位的降落，卡口壅水作用消失，流速增大，同时上游来沙量也大幅减少，水流不饱和，河床冲刷.除2006年小水小沙走沙期推迟外，多数情况下河段在这个时期都会出现显著的集中走沙，是河段的主要走沙期.

2.2 2007-2011年冲淤特性

将研究河段分为长江汇流口以上河段、嘉陵江河段、汇流区河段和长江汇流口以下河段4个区段 (如图 1所示)，根据长江航道局2007-2011年河道地形、观测资料分析该河段成为变动汇水区河段后的冲淤特性.须说明的是2003-2007年与2007-2011年汇流口以上的干、支流河段长度略有不同，但所反映的冲淤特性是一致的；且此种计算方法下冲淤量包含了河段采砂量，即分析所得的淤积量较实际淤积量偏小，冲刷量较实际情况偏大.

2.2.1 年际冲淤特性

2007-2011年河段年际冲淤量计算结果见表 2，可以看出其年际冲淤特性：

从2007年3月到2011年4月嘉陵江与长江交汇河段年际间有冲有淤，冲淤变化均不大，期间河段总淤积量为30万m³，年均淤积7.5万m³.其中嘉陵江河段年际间仍然持续冲刷，累计冲刷了28万m³；而长江干流河段出现累积性淤积，共淤积了58万m³.也就是说，交汇河段成为变动回水区河段后，干流段由冲刷转为淤积，而支流河段仍延续冲刷的趋势.

2.2.2 年内冲淤特性

选用2010年9月-2011年9月的实测资料分析交汇河段成为变动回水区后的年内冲淤特性，虽然测次较少，但是仍然反映出交汇河段年内冲淤过程，其冲淤过程如图 3所示.由图可知：

1) 汛末水库蓄水，河段受回水影响由天然河道向库区河道转变，输沙能力较自然状态下显著减弱，2010年9月-2011年3月河段共计仅冲刷了11.5万m³.

2) 消落期随着坝前水位的消落，回水末端下移，河段自上而下由库区河道向天然河道转变，河段出现消落冲刷，是主要的走沙期.冲刷强度与来流量、消落的水位大小以及床沙粗细和级配有关.2011年3月-2011年4月，河段共计冲刷54万m³.

3) 汛期水库以低水位运行，河段表现为天然河道特性，冲淤变化也接近天然情况.2011年4月-2011年9月，该时段河段共计淤积了80万m³，其中长江干流河段淤积74.5万m³，嘉陵江淤积6万m³，汇口以上干流河段的淤积远远超过了嘉陵江河段.

显然，与2003-2007年相比，汛期淤积的特点并未改变，但是主要走沙期发生了显著改变：自然条件下汛后退水期是主要走沙期，而成为变动回水区河段后，主要走沙期推迟到下年度汛前消落期.

2.3 冲淤特性对比

对比交汇河段由天然河段变为变动回水区河段的冲淤特性，可以看出：

1) 自然状态下交汇河段年际间累积性冲刷，且干、支流均表现为冲刷.成为变动回水区河段后河段年际间有冲有淤，冲淤量不大，其中长江干流河段转而以淤积为主，嘉陵江河段仍继续冲刷.

2) 交汇河段成为变动回水区河段前后年内汛淤枯冲的基本冲淤规律没有改变，汛期仍是主要淤沙期，但河段主要的走沙期由自然条件下汛后集中走沙推迟到了第2年的水位消落期，走沙量也会相应减少.

3 机理分析 3.1 影响河段冲淤主要因素的变化 3.1.1 来水来沙条件的变化

20世纪90年代以来，河段径流量变化不大，但输沙量明显减少，主要原因是上游降雨分布变化、各类水库的拦截、流域内的水土保持和河道采砂.与1990年前多年平均值相比，2003-2007年寸滩站平均年径流量和平均悬移质年输沙量分别减少了8%和58%，2008-2012年分别减少了5.5%和61%.目前长江及嘉陵江上游有多座水利工程正在建设或即将建设，其蓄水拦沙作用显现后河段输沙量将进一步减少^[14].

采用时段平均含沙量与时段平均流量的比值 (S/Q)，即水流挟沙系数^[15]，反映来水挟沙的饱和程度.图 4为长江寸滩站多年平均逐月水流挟沙系数的变化图，可以看出，不同时期的水流挟沙系数年内均呈现汛期较大而汛前、汛后较小的分布特点；自20世纪90年代起，河段汛期的水流挟沙系数出现了持续且大幅减小的现象，2003年后尤其如此.

3.1.2 侵蚀基准面的变化

三峡水库175 m试运行后，受回水影响，交汇河段侵蚀基准面发生了变化，蓄水期和消落期水位较自然状态抬高，汛期基本恢复自然状态.统计表明，同流量下的该河段水位汛期抬高0.5~2.0 m，枯水期最大抬高约15 m；与之相应，当河段水位抬高时，水面比降和流速均减小.

图 5为2010年9月-2011年9月交汇河段各区段月平均比降和水库坝前月平均水位随时间的变化图，可以看出：水库汛末开始蓄水，河段由天然河段逐渐转变为库区河段，各区段比降迅速减小；11月至年底水库以175 m高水位运行，各区段比降均达到了最小值且比较稳定，河段的比降主要受坝前水位控制；次年年初，随着枯水期坝前水位的逐渐消落，回水末端下移，2月左右该河段开始脱离水库回水影响，由库区河道向天然河道转变，比降迅速增大，至5月底坝前水位降至155 m左右，河段基本恢复天然河道比降；6月起坝前水位降至145 m汛限水位，至9月河段的比降和天然条件下基本一致，主要受来流量和两江汇流比的控制.

3.1.3 干支流汇流比的变化

由于干、支流相互作用的影响以及水沙过程的差异，干、支流的冲淤特性常常不同.干、支流的相互顶托作用对汇流口以上河段的水位、比降、流速等会产生显著的影响，从而直接影响河段的冲淤变化.

图 6是三峡水库试运行后2008-2012年河段月平均汇流比 (Q_北/Q_寸) 与2003-2007年多年均值的对比图，可以看出枯水期的汇流比比较稳定且相对较小，通常在0.15左右，而汛期的汇流比变化比较大，总体看来高于枯水期，一般在0.15~0.25之间变化.同时可以看出，水库试运行后的近几年汛期的汇流比多数情况下都相对较高.但这种变化的随机性很强，尚不能因此得出趋势性发展的结论.

3.2 交汇河段冲淤变化的机理分析 3.2.1 年际冲淤变化的机理

交汇河段在175 m试运行之前处于累计冲刷状态，而在试运行之后冲淤特性发生改变，干流河段由冲转淤，支流河段仍然冲刷，但是冲刷强度较试运行前减小.

20世纪90年代以前，交汇河段及上游河段无明显的累积冲刷现象，因此可将90年代前的来水来沙作为变化的基础条件，90年代后河段水流挟沙系数出现持续而大幅的减小，即河段水流处于不饱和输沙状态，河段将发生冲刷，因此三峡蓄水初期的2003-2007年，交汇河段无论干流还是支流均处于冲刷状态，且嘉陵江支流段冲刷强度大于长江干流段.

2008年三峡水库175 m试运行后该交汇河段成为变动回水区河段，水库运用导致其侵蚀基准面抬升，输沙能力下降，使河段具有淤积的倾向；但与此同时，上游来水来沙条件不饱和的状态仍然持续 (图 4)，仍使河段具有冲刷的趋向.在这两个主要因素的共同作用下，2008-2012年以后交汇河段总体略冲，但冲淤幅度不大.

2008-2012年河段成为变动回水区河段后干支流冲淤幅度不同，这与来水来沙条件的差异直接相关，与1990年多年平均值相比，2008-2012年长江上游的朱沱站年均悬移质输沙量减少了50%左右，而嘉陵江上游的北碚站减少高达75%左右，可见嘉陵江的来沙量减少更多，更有利于河床冲刷.

除了干支流上游来水来沙条件饱和程度的差异以外，汇流比的变化也起到了一定作用.对于交汇河段，汇流比的大小是反映两江相互顶托强度的重要指标，总流量相同的条件下，汇流比越大，支流对干流的顶托作用越大，有利于支流冲刷干流淤积，反之则利于支流淤积干流冲刷^[1]，由前面分析可知水库试运行后的几年汛期的汇流比相对较大，这使嘉陵江对长江的顶托作用增强，有利于嘉陵江的冲刷和长江干流的淤积.

3.2.2 年内冲淤变化的机理

175 m试验蓄水后，河段年内“汛淤枯冲”的冲淤规律没变，但主要的走沙期由汛后退水期推迟到了次年的汛前消落期.分析其变化机理知，河段自然状态下，汛期由于下游铜锣峡的卡口壅水作用，泥沙大量淤积，汛后随着流量的逐渐消退，壅水作用消失，先期淤积的泥沙逐渐被冲刷，因此退水期成为主要的走沙期.而成为变动汇水区河段后，虽然汛期坝前水位下降，河段成为自然状态，但是铜锣峡的卡口壅水作用仍然使得汛期泥沙大量淤积，而汛后当流量下降时，由于水库开始蓄水，水位不降反升，汛后退水期的冲刷被抑制，等来年汛前水位消落时，上年汛期淤积的泥沙才能开始冲刷，因此造成了年内泥沙冲淤过程的显著变化，即走沙期由当年的汛后退水期推迟到第2年汛前消落期.

4 结论

1) 175 m试验性蓄水前，年际间嘉陵江与长江交汇河段干、支流均表现为累积性冲刷；175 m试验性蓄水后，交汇河段总体冲刷趋势受到抑制，干流河段转为淤积，支流仍继续冲刷，但冲刷强度降低.

2 侵蚀基准面的上升是交汇河段总体冲刷受到抑制的根本原因；而长江干流来沙量减少的程度低于支流嘉陵江以及2008-2012年汇流比大于2003-2007年，是嘉陵江继续冲刷而干流河段转为淤积的主因.

3) 试验性蓄水前后，交汇河段年内汛淤枯冲的规律不变，但由于水库汛后退水期蓄水抬高水位，因此河段主要的走沙期由汛后退水期集中走沙推迟到了第2年的水位消落期.