1. 研究背景
三峡水库运行后，坝下游河段来水来沙条件发生了显著的变化，下游河道汛期洪峰流量削减、枯水期流量增大、来沙量急剧减小，改变了坝下游河段的边界条件，河道演变规律有所调整。三峡水库运行后下游河床冲刷随时间自上而下发展 [1]，三峡水库蓄水前，下荆江存在“凸冲凹淤”“凸淤凹冲”两种形态，三峡水库蓄水后均表现为“凸冲凹淤”的一致性规律 [2]，三峡蓄水后下荆江调关–莱家铺弯道凸岸边滩逐渐萎缩，凹岸淤积，深槽逐渐向凸岸移动 [3]，发生“凸冲凹淤”的主要原因是来水量年内分配规律的变化和来沙量大幅减小造成的 [4]，三峡运行后长江中游弯曲段主流线发生变化，进而导致弯道内及顺直过渡段的主流线弯曲半径的改变，水流顶冲位置相应改变，并可能产生撇弯切滩 [5]，弯曲分汊河段作为分汊河型中的一种，兼有弯道和分汊河道的演变特性，虽然不同弯曲分汊河段演变特点各有不同，但冲淤变化和水流运动特性规律都是相同的 [6]。
目前国内外对于急弯河道研究多以水流特性为主，研究手段多为定床试验，此外，对于天然弯道的边滩研究涉及的太少 [7]，本文以宜都弯道为研究对象，该弯道分布有心滩和边滩，同时又有清江入汇，分析三峡水库蓄水前后河道的河道演变特征，结合弯道的水流运动特性，进一步探究河道演变规律的形成机理。
2. 河道概况
2.1. 研究河段
宜都弯道位于宜枝河段尾部，弯道起于云池，止于白洋镇，全长11.75 km。宜都弯道上、下段较为顺直，呈现出两端窄中间宽的形态，上、下段河宽在1100~1200 m，中间段河宽在1400~1500 m，弯道凹岸有清江入汇，与长江主流夹角约为80˚。
宜都弯道右侧江心为南阳碛洲体，水流在此分为左右两泓，左侧为沙泓，右侧为石泓，河段左岸从上至下依次有向家溪边滩、曾家溪边滩，右岸清江口下游有三马溪边滩、大石坝边滩，见图1。
2.2. 资料来源
本文采用水沙资料、水道地形资料和固定断面资料基本情况见表1。宜都弯道属坝下游河段，弯道演变特性主要受上游水利枢纽的影响，结合三峡水利枢纽和葛洲坝水利枢纽的蓄水期，把分析时段分为天然时期、葛洲坝独立运行期、围堰发电期、初期蓄水期、试验性蓄水期，见图2。平面坐标、高程系统分别采用1954年北京坐标系和1985国家高程基准。
Figure 2. Analysis period division diagram
图2. 分析时段划分图
Table 1. Data used information table
表1. 采用资料基本情况表
注：为保证水沙资料与地形、固断资料时间的一致性，宜昌站水沙采用1970~2021年资料进行分析。
3. 来水来沙特性
宜都弯道上游约30 km有宜昌水文站，宜昌水文站至宜都弯道之间没有大的支流入汇，因此，可采用宜昌水文站的资料来分析宜都弯道的来水来沙变化特性。
1970年~2021年宜都弯道年均径流量为4176亿m3，各时段年径流量变化幅度在−6%~4%之间，年径流量变化幅度较小；天然时期、葛洲坝独立运行期宜都弯道年输沙量分别为4.8亿t、4.6亿t，输沙量变化不大，三峡蓄水后在围堰发电期、初期蓄水期、试验性蓄水期年输沙量分别为7017万t、4235万t、2112万t，可见各时段上游来沙量呈累积性减小的趋势，最大减小幅度达96%，来沙量减小主要集中在三峡蓄水后的围堰发电期和初期蓄水期，见图3。
考虑到葛洲坝水利枢纽属于径流式电站，宜都弯道来水来沙主要受三峡水利枢纽的影响，在分析径流量和输沙量年内变化时，将分析时段划分为三峡蓄水前和三峡蓄水后。
三峡蓄水后枯水期各月份径流量呈现不同程度的增大，枯水期径流量占比由蓄水前的21%增加到蓄水后的27%，2月份、3月份径流量最大增加幅度达52%，主要受三峡水利枢纽枯水期向下游补水的影响；三峡蓄水后
Figure 3. Variation diagram of runoff and sediment load in each period
图3. 各时段径流量和输沙量变化图
注：汛期系指5~10月份，枯水期系指11~4月份。
Figure 4. Annual distribution of runoff and sediment transport evolution map before and after the Three Gorges Reservoir impoundment
图4. 三峡水库蓄水前后径流量和输沙量年内分配变化图
年内输沙量均表现为减小，减小幅度在79%~98%之间，汛期输沙量占比进一步增大，由蓄水前的97%增加至蓄水后的99%，见图4。
4. 宜都弯道河道演变特性
4.1. 岸线变化
岸线变化主要集中在马家溪边滩、曾家溪边滩和大石坝边滩，具体表现为边滩的冲退，其中，马家溪边滩最大冲退长度约3.6 km，最大冲退幅度达490 m，冲退时期为天然时期和葛洲坝独立运行期，2002年以后边滩基本保持稳定；大石坝边滩冲退时期为围堰发电期，最大冲退长度约1.7 km，最大冲退幅度达380 m；曾家溪边滩表现为持续性的冲退，冲退时期集中在葛洲坝独立运行期和围堰发电期，最大冲退长度约4.2 km，最大冲退幅度达400 m，见图5。
4.2. 深槽变化
宜都弯道分布有两个深槽，分别为上游的杨家咀深槽和下游的桂溪湖村深槽，深槽主要表现为不断的冲刷下切和扩展，变化时期主要集中在围堰发电期，期间杨家咀深槽向下游扩展约1.6 km，深槽面积由2002年09月的0.9 km2增大至2006年的1.7 km2，桂溪湖深槽面积由0.2 km2增大至1.2 km2，面积扩大6倍，见图6。
4.3. 深泓变化
深泓变化集中在茶店子和桂溪湖村段，受河床冲刷的影响，茶店子段深泓向右岸摆动明显，最大摆动幅度约500 m，桂溪湖村段深泓呈累积性向左岸摆动的趋势，累计摆动幅度约320 m，见图7。
Figure 5. The Yidu bend water front evolution map
图5. 宜都弯道岸线变化图
Figure 6. The Yidu bend deep groove evolution map
图6. 宜都弯道深槽变化图
Figure 7. The Yidu bend thalweg evolution map
图7. 宜都弯道深泓变化图
4.4. 横断面变化
三峡水库蓄水前马家溪边滩遭受持续性的冲刷，至2002年9月马家溪边滩冲刷消失，1970年7月~2002年9月，CS3断面右岸最大冲退距离约420 m，最大冲深约8 m，2002年9月以后横断面基本保持稳定；CS5断面左侧主槽总体保持稳定，葛洲坝蓄水以后右侧主槽持续冲刷，累积冲刷深度达15 m；三峡蓄水前后CS10~CS12段左岸呈显著的累积性冲刷，其中，CS10断面35 m岸线累积崩退达550 m，冲刷深度达15 m，CS12断面左岸不断冲刷下切，累积冲刷深度高达30 m，在左岸形成一个明显的深槽，见图8。
Figure 8. The Yidu bend cross section evolution map
图8. 宜都弯道横断面变化图
4.5. 冲淤变化
为便于分析宜都弯道冲淤变化特性，结合弯道河势将弯道分为上段、中段和下段，对应依次为CS1~CS5、CS5~CS9、CS9~CS12段，分别计算弯道在全河槽和主河槽的冲淤量，计算成果见表2。
宜都弯道不同时期冲刷规律有所不同，天然时期主要冲刷部位为上段右岸边滩和下段左岸主槽；葛洲坝独立运行期主要冲刷部位为上段右岸主槽和中段主槽；围堰发电期主要冲刷部位为上段右岸主槽和下段左岸主槽；初期蓄水期和试验性蓄水期主要冲刷部位为下段左岸主槽。弯道中段主要冲刷时期为葛洲坝独立运行期和围堰发电期，上述时段冲刷量占比达85%，冲刷部位为南阳碛左、右汊，试验性蓄水期弯道中段基本保持稳定。
与一般弯道“凹冲凸淤”的规律有所不同，宜都弯道主要冲刷部位为弯道上段和弯道下段，二者冲刷量占比达82%，弯道处表现为“凹冲凸冲”，冲刷部位主要位于南阳碛左、右汊主槽。
Table 2. Calculation results table of erosion and siltation in the Yidu bend (Unit: ten thousand m3)
表2. 宜都弯道冲淤计算成果表(单位：万m3)
注：全河槽为50,000 m3/s流量对应的沿程水位，主河槽为5000 m3/s流量对应的水位。
5. 宜都弯道演变机理分析
为探究宜都弯道河道演变特性形成的机理，根据历年地形资料对河段水流特性进行模拟，采用二维水动力数学模型来进行模拟，主要考虑定床条件下的流速变化，上下边界分别用流量和水位进行控制，分别选取三峡水库枯水期最小下泄流量(6000 m3/s)、汛期常遇流量(30,000 m3/s)和百年一遇最大下泄流量(55,000 m3/s)三种计算工况；模型出口水位由宜都水位站与宜昌水文站水位流量关系综合确定，各计算工况边界条件见表3。
Table 3. Boundary conditions of each calculation condition
表3. 各计算工况边界条件
注：枯期最小下泄流量与汛期常遇流量条件下，清江入汇流量按长江干流流量的4%考虑。
5.1. 枯期最小下泄流量工况
CS2~CS5右侧岸边流速在三峡水库蓄水前变化幅度较小，三峡水库蓄水后流速明显减小，流速减小主要是在围堰发电期，围堰发电期以后流速基本保持稳定，其中CS2断面在三峡蓄水前流速在0.50~0.75 m/s之间，围堰发电期流速由0.50 m/s减小至0.31 m/s，初期蓄水期和试验性蓄水期流速基本保持在0.30 m/s左右。
CS10~CS12左侧岸边流速在三峡蓄水前后均呈现不同程度的减小，三峡蓄水后减小幅度明显大于三峡蓄水前，在试验性蓄水期流速进一步减小，其中CS11断面在三峡蓄水前流速由1.05 m/s减小至0.82 m/s，三峡蓄水后流速累积性减小至0.41 m/s。各断面流速变化分布见图9，流速统计见表4。
Figure 9. Diagram of velocity variation at discharge of 6000 m3/s
图9. 6000 m3/s流量条件下流速变化分布图
Figure 10. Diagram of velocity variation at discharge of 30,000 m3/s
图10. 30,000 m3/s流量条件下流速变化分布图
Table 4. Statistical table of velocity at discharge of 6000 m3/s (Unit: m/s)
表4. 6000 m3/s流量条件下流速统计表(单位：m/s)
5.2. 汛期常遇流量工况
CS2~CS5右侧岸边流速减小主要集中在三峡水库蓄水前，三峡水库蓄水后流速变化幅度明显减小，其中CS2断面在三峡蓄水前流速在1.21~1.62 m/s之间，三峡蓄水后流速约为1.30 m/s；CS10~CS12左侧岸边流速在三峡蓄水前后均呈现累积性的减小，其中CS11断面在三峡蓄水前流速由1.96 m/s减小至1.91 m/s，三峡蓄水后流速逐渐减小至1.55 m/s。各断面流速变化分布见图10，流速统计见表5。
Table 5. Statistical table of velocity at discharge of 30,000 m3/s (Unit: m/s)
表5. 30,000 m3/s流量条件下流速统计表(单位：m/s)
5.3. 百年一遇最大下泄流量工况
CS2~CS5右侧岸边流速变化与汛期常遇流量条件下相同，流速减小均在三峡水库蓄水前，三峡水库蓄水后流速变化幅度明显减小，其中CS2断面在三峡蓄水前流速在2.18~1.85 m/s之间，三峡蓄水后流速约为1.80 m/s；CS10~CS12左侧岸边流速变化与汛期常遇流量条件下相同，三峡蓄水前后均呈现累积性的减小，其中CS11断面在三峡蓄水前流速由2.48 m/s减小至2.26 m/s，三峡蓄水后流速进一步减小至1.97 m/s。各断面流速变化分布见图11，流速统计见表6。
5.4. 演变机理分析
从水流运动特性的角度分析，各洪水条件下宜都弯道流速减小主要集中在CS2~CS5段和CS10~CS12段，表明河段冲刷主要位于该河段；各洪水条件下弯道主流均偏向CS2~CS4段右岸和CS10~CS12段左岸，结合床沙取样资料该段主要为粉土、粉细砂、砂卵石，抗冲性较差，表明CS2~CS4段右岸和CS10~CS12段左岸为主要冲刷区域，与河道演变规律一致。
Figure 11. Diagram of velocity variation at discharge of 55,000 m3/s
图11. 55,000 m3/s流量条件下流速变化分布图
Table 6. Statistical table of velocity at discharge of 55,000 m3/s (Unit: m/s)
表6. 55,000 m3/s流量条件下流速统计表(单位：m/s)
此外，CS2~CS5右侧岸边流速减小主要集中三峡水库蓄水前汛期常遇流量条件下和百年一遇最大下泄流量条件下，表明CS2~CS5右岸河道冲刷时段集中在三峡蓄水前的汛期；CS10~CS12左侧岸边流速在各时期各工况条件下均呈现减小趋势，表明在三峡蓄水前后CS10~CS12左岸河道持续冲刷，汛期和枯水期冲刷均有发生。
6. 结论
弯曲分叉型河段的河道演变较为复杂，通常情况下每个河段均有其独特的演变规律，本文以宜都弯道为研究对象，分析了三峡蓄水前后河道演变规律，再结合河段水流运动特性，揭示了河道演变的机理，得到以下认识和结论：
1) 三峡蓄水前后宜都弯道年径流量变化较小，变化幅度在−6%~4%之间；枯水期径流量占比略微增大，由蓄水前的21%增加到的27%；年输沙量显著减小，最大减小幅度达96%。
2) 三峡蓄水前后宜都弯道岸线、深泓、深槽、横断面变化与冲淤变化规律相吻合，天然时期主要冲刷部位为弯道上段右岸边滩和下段左岸主槽；葛洲坝独立运行期主要冲刷部位为上段右岸主槽和中段主槽；围堰发电期主要冲刷部位为上段右岸主槽和下段左岸主槽；初期蓄水期和试验性蓄水期主要冲刷部位为下段左岸主槽；与一般弯道“凹冲凸淤”的规律有所不同，宜都弯道主要冲刷部位为弯道上段和弯道下段，二者冲刷量占比达82%，弯道处表现为“凹冲凸冲”，冲刷部位主要位于南阳碛左、右汊主槽。
3) 从水流运动特性的角度分析，各洪水条件下宜都弯道流速减小主要集中在CS2~CS5段和CS10~CS12段，主流均偏向CS2~CS5段右岸和CS10~CS12段左岸，表明河段冲刷主要集中在弯道上游马家溪边滩和下游曾家溪边滩，与河道演变规律一致。
4) 根据不同流量条件下水流运动特性的变化规律分析，马家溪边滩冲刷时段集中在三峡水库蓄水前的汛期，曾家溪边滩在三峡水库蓄水前后持续受到冲刷，汛期和枯水期均有发生。
5) 宜都弯道冲淤规律与一般弯道冲淤规律不同，主要原因是弯道处南阳碛心滩的存在使凹岸流速明显小于凸岸，弯道顶冲点调整至马家溪边滩和曾家溪边滩，加之两处边滩抗冲性较差，进一步导致边滩冲刷加剧。
参考文献