中图法分类号: X824 文献标志码: A 文章编号: 1001- 4179( 2010) 03- 0059- 05
Primary study of environmental imPACts in riverbed evolution process of Jingjiang River
YANG Xiaogang, YANG Zhaoyun, PENG Yuming
Abstract: We analyzed the influence of sudden change of river channel on environment, the influence of souring and silting of riverbed on water quality and the influence of three river- outlets changes in Jing jiang Reach on environment after im poundm ent of TGP according to the characteristics of river channel evolution in Jing jiangReach, which was combined with local environm ental changes. The analys is show that the contents of oxygen and heavy metal in water increase after impoundm ent of TGP and the decrease of discharge in three river- outlets is acce lerated. Therefore, we provide suggestions of env ironm ent goverNIng in Jing jiang Reach.
Key words: riverbed evolution; river channel environment; water quality; Jing jiang Reach
长江荆江河段上起湖北省枝城下迄湖南省城陵矶, 全长约337 km。以藕池口为界, 分为上、下荆江。上荆江长约167 km, 上荆江为微弯分汊河型; 下荆江长约170 km, 为典型弯曲蜿蜒性河道。荆江两岸河网纵横, 湖泊密集, 南岸有松滋河、虎渡河、藕池河、华容河分别自松滋口、太平口、藕池口和调弦口(1959年建闸控制)分流至洞庭湖, 与湘、资、沅、澧四水汇合后,于城陵矶又汇入长江。
荆江径流充沛, 历代水患频繁, 防洪问题十分突出。随着荆江河道的变化, 其自然功能受到一定影响,河流环境发生了一系列变化。
1 河道演变对环境的影响
1. 1 荆江河道演变特性
荆江属于平原型河流, 下荆江河床演变一直处于比较活跃状态之中, 裁弯、葛洲坝水利工程和三峡水库蓄水运行等对荆江河道带来相应的调整。
20世纪90年代以来, 由于受水沙条件变化的影响, 荆江河床普遍发生了冲刷。随着护岸工程的实施,增强了河岸抗冲能力, 抑制了近岸河床的横向发展, 荆江总体河势没有改变, 但局部河势出现了一定程度的调整, 有的河段河势变化剧烈。主要表现在长顺过渡段主流摆动频繁、河床冲深、洲滩有冲有淤、汊道易位、水流顶冲点上提或下移、崩岸频繁发生等。
受1998、1999年大水和上游河势变化影响, 沙市、石首、监利河弯发生了较大调整, 主要表现为:①沙市河弯中段南汊主泓线北移后南移、三八滩主体冲刷萎缩后小幅淤长; 太平口边滩下半部展宽、下延; 金城洲南汊淤积、北汊冲刷; 中低水位下, 三八滩左汊过流能力有所减弱, 右汊则有所增强。②石首弯道发生自然撇弯后至今, 河势一直在调整过程之中, 仍未稳定。弯顶以上主泓线持续北移, 弯顶右岸主泓顶冲点持续下移, 弯顶以下主泓线持续南移。直接导致了向家洲持续崩退, 北门口、北碾子湾护岸段崩塌。③监利河弯自1996年开始至今主流走右泓, 右汊冲刷, 左汊淤积。近年来深泓线逐渐向乌龟洲右边缘摆动, 洲体南侧大幅度崩塌, 南槽近右岸部分河道淤积, 洲头左侧则出现小幅度崩塌和冲刷, 主流线逐步向北移动。其变化直接影响到太和岭段岸线崩塌和下游天星阁、天字一号主流线变化。另外, 文村夹段突起洲汊道段演变也较为剧烈。
三峡水库蓄水运行后, 荆江水沙过程发生了变化,水流含沙量大幅减少, 河道普遍冲刷, 表1为三峡水库蓄水运行前后荆江各河段冲淤变化。1998 年为大水大沙年, 荆江河道普遍淤积, 随后河道发生冲刷, 三峡水库蓄水运行后, 荆江河道冲刷强度增大, 河床平均宽度以1. 5 km计算, 沙市、公安、石首和监利河段蓄水后累积冲深分别为0. 81、0. 82、1. 13、0. 74 m。随着河床的刷深, 荆江崩岸明显增多。
表1 三峡水库蓄水运行前后荆江各河段冲淤变化
注:①“+”表示淤积, “-”表示冲刷, 下同;②平滩河槽分别对应宜昌站流量30 000m3 / s水面线下河床。
1. 2 河道突变的影响
河道突变现象主要发生在下荆江(见图1) , 下荆江属典型蜿蜒型河道, 当河弯发展到一定程度, 同一弯道弯顶形成急剧的河环和狭颈, 若遇水流漫滩, 便将狭颈冲开而发生自然裁弯。除自然裁弯外, 在河弯段易发生撇弯和切滩等突变现象。下荆江从1860~ 1949年的近90 a间, 先后发生了太公湖、西湖、古丈堤、尺八口、碾子湾等多处自然裁弯, 1970年监利河弯发生切滩现象。
图1 下荆江历史变迁
河道发生自然裁弯, 老河逐渐淤积而形成淤积洲滩和牛轭湖相互交融的典型的泛洪平原湿地景观。在长江故道的洲滩形成了大面积的湿地, 这些湿地对于长江流域的水土保持、气候调节、水体净化以及长江流域的生物多样性保护等都具有重要的意义, 对维持长江生命网络有着重要作用。但由于切断了故道与长江之间的天然联系, 水体自净能力下降, 而工农业生产废弃物的排放, 使故道的自然环境受到一定影响。河道发生突变后, 水的流路随之改变, 原来的航道格局发生了变化, 对航运产生相应影响, 如石首市的横沟镇、监利县城原来港口、排灌闸等被淤废, 城市的取排水发生困难, 原来沿江城市环境受到较大影响。因此, 减少对长江故道的污染, 净化其水体, 改善故道的生态环境,对维护健康长江意义重大。
1. 3 对水质影响
三峡水库蓄水运行后, 荆江河道发生了普遍冲刷,对水质产生相应的影响。坝下水流流速加大对吸附重金属和溶解氧量产生影响。
( 1) 重金属的变化。河道冲淤变化对水质的影响主要表现为泥沙对水流中污染物的吸附与释放而引起水质变化, 当水流含沙量较大, 泥沙落淤时, 可能吸附水流中一部分污染物而沉入河底, 当河床发生冲刷时,吸附在泥沙表面的污染物再次释放到水流中而造成水体二次污染。下面以沙市河段水质观测断面铜含量的变化分析冲淤变化对水质的影响。
水体中的铜分为溶解态和吸附态, 吸附态铜的主要变化过程包括: 对流扩散、河床冲淤产生的交换、水固两相之间的交换3个部分; 溶解态铜的主要变化过程包括: 对流扩散、水固两相之间的交换、水体与河床由于浓度梯度产生的交换、生化反应过程。根据禹雪中等人的研究, 建立了泥沙与磷作用的数学方程, 铜与泥沙作用的过程与此相类似[ 1] 。
引入泥沙连续方程后可以得到吸附态铜的输移转化方程[ 1] :
式中, A 为断面面积; B 为河宽; ?为泥沙沉速; Cs 为断面平均的泥沙吸附量; S为断面平均含沙量; S* 为断面平均挟沙力; k a 为单位时间单位质量泥沙吸附量的变化率; 为恢复饱和系数; t为传播时间; x 为传播距离;U 为断面平均流速。
与吸附态铜连续方程相类似, 根据质量守恒定律可以得到溶解态铜微分方程:
式中, Cw 为断面平均溶解态铜浓度, g /m3; Dx 为纵向离散系数, m2 / s; f (Cw ) 为生化反应项, g / (m3·s);为单位河长铜的释放速率, g / ( m·s) ; r 为排放源强,g / (m·s)。
冲刷过程中泥沙来自河床, Ck 根据河床条件取值, 冲刷过程中水环境的变化并非决定于冲刷泥沙吸附的铜含量, 而是决定于冲刷泥沙吸附量与悬沙吸附量的差值, 当冲刷泥沙吸附量小于悬沙吸附量时, 冲刷泥沙相当于自净剂; 反之, 冲刷泥沙相当于污染源。淤积过程中, 当Ck = C s时, 河床与水体交换量等于零, 泥沙淤积对水体中泥沙吸附量的影响主要体现在泥沙浓度降低对吸附解吸过程的影响。
要详细计算铜污染的变化过程, 需要多项测验指标, 这里选取荆州砖瓦厂、沙市五七码头两水质测验断面年际10月份铜含量及该河段槽蓄量数据, 分析铜含量与河段冲淤变化的关系(见图2)。槽蓄量差值为历年槽蓄量与一固定量之间差值, 差值大表示淤积, 反之, 表示冲刷。从图2可以看出: 该河段铜含量与冲淤变化有相关性, 当河段淤积时铜含量增大, 河段冲刷时铜含量随之减少; 2003年后, 下游断面沙市五七码头铜含量大于上断面砖瓦厂铜含量; 三峡水库蓄水运行后, 河段水流含沙量大幅减少, 两断面铜含量低于蓄水前铜含量, 说明铜含量主要决定进口段铜的来量。
图2 铜含量与冲淤变化关系
随着三峡水库蓄水运用, 荆江河段的水沙过程发生了很大变化, 来水量变化很小, 枝城站、沙市站和监利站蓄水后平均含沙量分别比蓄水前多年平均值减少83%、78%和73% , 含沙量的大幅减少, 水流未达饱和, 荆江河段已发生普遍冲刷。图3、4 为三峡水库蓄水前后沙市五七码头断面镉、铜、铅含量的月均变化值, 从图中可以看出, 该断面铜含量在蓄水后变小, 说明铜含量主要随上游来沙量而变化; 镉、铅含量在蓄水后明显增大, 河床发生冲刷时, 吸附在泥沙表面的重金属再次释放到水流中, 水中隔、铅的含量增大而影响水体。
( 2) 溶解氧、氨氮等变化。选取沙市河段五七码头水质断面进行分析。图5、6分别为三峡水库蓄水前后五七码头断面月均溶解氧和氨氮量的变化。总的来说, 溶解氧含量随着水温的升高而降低, 随着水温的降低而升高。同时, 可以看出, 三峡水库蓄水后, 水中溶解氧明显增大, 主要三峡水库蓄水后水位抬高, 下泄水体含氧量增加。氨氮的含量主要来自工业污水及农田排放的废水, 三峡水库蓄水后, 水中氨氮含量减小, 主要是水体溶解氧的增大氨氮部分被氧化。从溶解氧及氨氮的含量看, 三峡水库蓄水后, 水中有机物含量减少, 对水质起到良好作用。
图3 三峡蓄水前后月均镉含量变化
图4 三峡蓄水前后月均铜、铅含量变化
图5 三峡蓄水前后月均溶解氧量变化
2 河道演变对洲滩、支流的影响
2. 1 对洲滩、湿地的影响
三峡水库蓄水运行后, 荆江冲刷幅度进一步加大,崩岸频次增加, 原有部分河漫滩崩塌后退, 河势发生调整。洲滩、河漫滩的消退对河流生态造成影响, 原有的洲滩、河漫滩生长的植被受到破坏, 对以植物为食的鱼类产生影响。同时河漫滩的消退、崩岸的增多对堤防安全造成威胁, 对沿江城市及居民生产、生活环境带来一定影响。荆江普遍冲刷, 同流量水位降低, 对沿江的取排水工程造成影响, 减少故道与长江水体自流交换时间, 增加故道换水难度。据殷瑞兰的研究, 天鹅洲闸底高程为30. 5 m, 调节水位区间为32. 0~ 34. 5m, 相应流量为17 000~ 27 000 m3 / s。三峡运行20 a, 因长江水位降低, 相应流量提高到20 000 ~ 30 000m3 / s[ 2 ] 。可见, 水位降低对故道湿地生态产生一定负面效应。
图6 三峡蓄水前后月均溶解氨氮量变化
2. 2 荆江三口变化对三口洪道环境影响
荆江三口系指分流口门松滋口、太平口、藕池口。20世纪50年代以来, 三口洪道的逐步萎缩, 分流、分沙量逐步减少。将1956年至今以来的50 a时间按人类活动划分为5 个时间段进行分段统计对比分析:1956~ 1966年, 下荆江裁弯以前; 1967~ 1972年, 下荆江中洲子、上车湾、沙滩子裁弯期; 1973 ~ 1980年, 裁弯后至葛洲坝截流之前; 1981 ~ 2002年, 葛洲坝截流至三峡工程蓄水前; 2003 年至今, 三峡工程蓄水后。裁弯以前, 三口呈现慢速萎缩的状态; 而1966~ 1972年期间, 受中洲子、上车湾、沙滩子裁弯影响, 由于藕池口临近裁弯段, 分流量大幅减少, 萎缩很快。1956~2008年, 三口多年平均分流比由第一阶段的29. 4% 减少到第五阶段的12. 4% (分流过程见图7) , 多年平均分沙比由35. 4%减少到18. 5% (分沙过程见图8)。
三口洪道的淤积造成了三口通流水位抬高, 使得三口控制站中沙道观、弥陀寺、藕池(管) 3站在荆江裁弯后年断流天数迅速增加, 断流时上游枝城站相应流量增大, 统计结果见表2及图9、10[ 3 ] 。
三口分流分沙的减少及三口洪道的淤积带来的三口洪道环境影响。由于三口洪道及洞庭湖区淤积, 三口分流量减小, 加上历史上围湖造田的影响, 使洞庭湖区湖面缩小, 调蓄容积下降, 造成河道阻塞, 水流不畅,湿地萎缩, 工程性缺水和水质性缺水同时存在, 水污染加重, 水质变差, 部分湖泊已出现富营养化, 水环境恶化及水资源短缺问题日益明显。三口断流天数的增加, 造成工农业生产和居民生活用水得不到保障, 沿河、湖洲钉螺孳生。随着三峡水库运行时间的加长, 三口口门与长江干流高程差会进一步加大, 三口洪道水环境污染应引起重视。
图7 荆江三口分流比过程线
图8 荆江三口分沙比过程线
表2 三口控制站年断流天数及上游相应流量统计
图9 三口4站断流天数过程线
图10 三口4站断流天数对应枝城流量
3 结语
荆江地区河网密布, 江湖关系复杂, 水患频发, 荆江洪水、水环境不仅影响荆江沿岸, 它将直接对洞庭湖区防洪体系及水环境产生连锁反应。荆江河道演变对荆江水环境会产生相应影响, 基于河道演变带来水环境的变化, 对于荆江水环境治理提出以下建议:
(1) 三峡水库蓄水运行对荆江水质有利有弊, 有利一面是增加了水中溶解氧, 不利一面是水中部分重金属含量增加。建议重视水库调度与水环境的关系,加强底部泥沙有害成分分析。
(2) 三峡水库蓄水对荆江河道水体温度会产生一定影响, 河床的下切、洲滩湿地的变化等给荆江河道水生态环境带来影响, 建议加强水温动态监测。
(3) 三峡蓄水运行后, 加速了三口口门分流量的减小。对于三口洪道的治理, 建议采取理顺河流, 堵汊并流, 从而改善三口水系的水环境。目前荆江尚无水质监测, 应尽快开展三口洪道水质水环境监测。
参考文献:
[ 1] 禹雪中, 彭期冬, 廖文根, 等. 河流泥沙与磷作用模拟研究[ C ] %中国水利水电科学研究院第八届青年学术交流论文. 北京: 2005.
[ 2 ] 殷瑞兰. 下荆江河道演变对天鹅州自然保护区的影响及对策研究[ J] . 长江科学院院报, 2006, 23( 2 ): 5- 8.
[ 3] 彭玉明, 段文忠, 陈永华. 荆江三口变化及治理设想[ J] . 泥沙研究, 2007, ( 6 ): 59- 65.
作者简介: 杨晓刚, 男, 工程师, 主要从事水环境及河流泥沙等方面的研究工作。
