長江下游天星洲的形成演變與主因分析

季榮耀，陸永軍，左利欽

（南京水利科學(xué)研究院水文水資源及水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210029）

長江下游天星洲的形成演變與主因分析

季榮耀，陸永軍，左利欽

（南京水利科學(xué)研究院水文水資源及水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210029）

長江下游泰興水道的天星洲形成發(fā)育于20世紀(jì)50年代初期，經(jīng)歷了50年代至70年代末的快速發(fā)育階段，80年代初至90年代末的沖淤調(diào)整階段，及90年代末以來的相對穩(wěn)定階段。研究表明：泰興水道順直放寬的河段特性以及江岸節(jié)點的挑流作用，形成大片緩流區(qū)，導(dǎo)致泥沙容易落淤形成水下淺灘，給天星洲的形成發(fā)育奠定了重要基礎(chǔ)；而上游嘶馬彎道20世紀(jì)50年代至70年代末的大規(guī)模江岸崩退，則給天星洲的快速形成發(fā)育提供了充足的泥沙來源。通過深入探討天星洲的形成主因，分析其歷史變遷過程，掌握其演變規(guī)律，為本河段的航道整治與岸線開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

江心洲；成因；演變過程；崩岸；天星洲

1 概 述

長江中下游發(fā)育有眾多大小不等的江心洲，其作為一種特有的港口岸線與土地資源具有十分重要的開發(fā)利用價值。江心洲的形成原因與河床邊界、水動力與泥沙來源等條件密切相關(guān)，其中上游來沙是江心洲形成的物質(zhì)來源，水動力則是搬運、堆積泥沙的動力，而河床邊界條件又是影響局部河段水動力條件與泥沙輸移的主要控制性因素。一般而言，江心洲的成因大致可以分為3類［1，2］：一是洪枯水時動力軸線變化形成的江心洲，包括主流切割灘地、曲流裁彎等；二是邊界條件影響水沙作用形成的江心洲，如束窄河道上游壅水段、河道順直放寬段、支流入?yún)R段等；三是河槽底部基巖或障礙物突起形成的江心洲。具體到一個特定的江心洲，其形成往往是幾種原因的綜合。這些因素相互制約又相互轉(zhuǎn)化，常導(dǎo)致江心洲與汊道時有消長。研究表明［2－5］：長江中下游分汊河道一般都經(jīng)歷了江心洲并洲或并岸，河道由多汊向少汊或單一河槽轉(zhuǎn)化的漫長歷史演變過程；在這個演變過程中伴隨著河寬的縮窄，主流擺幅的減小，灘槽相對穩(wěn)定，逐漸形成目前較為穩(wěn)定的分汊河道。關(guān)于分汊河道成因問題，錢寧等［1］從來水來沙和邊界條件等方面，對有關(guān)學(xué)者的研究成果進(jìn)行了概括。余文疇［3］在對長江中下游河道形態(tài)、水力和輸沙特性分析的基礎(chǔ)上，獲得了區(qū)別長江中下游分汊河道和蜿蜒型河道河型綜合指標(biāo)及有利于形成分汊河道的來水來沙條件。主汊和支汊興衰交替是分汊河段河道演變的共同特點，夏細(xì)禾等［4］指出，分汊河道能長期保持穩(wěn)定的主要原因是在相同比降的條件下，能通過向支汊分配一定流量達(dá)到單位長度能耗量小。潘慶遷等［5］則根據(jù)分汊河段的灘槽演變特性，提出了“穩(wěn)定分汊河勢，適度減少支汊，合理利用洲灘”的綜合整治原則。

天星洲位于長江下游揚中河段的泰興水道，形成發(fā)育于20世紀(jì)50年代初期。由于本河段位于長江下游潮流界的變化區(qū)段之內(nèi)，既受上游徑流控制又受下游潮汐影響，并存在淮河入江水道等支流，加之人類活動頻繁，涉水建筑物眾多，多種因素的影響使得水流、泥沙運動與河床演變極其復(fù)雜，一直為長江下游的重點整治河段之一。洪大林等［6］通過研究得出，揚中河段近幾十年來岸線與深槽位置變化不大，河勢整體保持相對穩(wěn)定；陳長英等［7］指出，長順直的河道屬性是鰻魚沙淺灘形成的前提，而河床邊界條件引起的水流運動特征是淺灘形成的主因；張幸農(nóng)等［8］則在河床演變分析的基礎(chǔ)上，提出了口岸直水道深水航道整治思路及工程方案。本文通過深入探討天星洲的形成主因，分析其歷史變遷過程，掌握其演變規(guī)律，為本河段的航道整治與岸線開發(fā)提供重要科學(xué)依據(jù)。

2 河段概況

2.1 河勢特征

揚中河段上起鎮(zhèn)揚河段大港水道下的五峰山，下至江陰水道的鵝鼻咀，全長約87 km。從整體河勢看，揚中河段呈4島3汊格局（圖1），靠近南岸依次發(fā)育有太平洲、落成洲、炮子洲和祿安洲4個江心島，其中太平洲將揚中河段分為兩汊，其左汊為主汊，十四圩以上為口岸直水道，十四圩以下至界河口為泰興水道；右汊太平洲捷水道為支汊。本河段主流因五峰山挑流逐漸偏向北岸嘶馬彎道，至彎道尾端經(jīng)高港燈標(biāo)凸咀挑流，開始偏向南岸的二墩港，經(jīng)東新港至小決港貼南岸順直下泄，在太平洲尾部與右汊支流匯合后，至界河口再折向北進(jìn)入江陰水道［9，10］。

圖1 長江下游揚中河段河勢及測流斷面布置圖Fig.1 River regime and layout of flow measurement section in Yangzhong Reach

天星洲靠近泰興水道左岸，洲體呈梭形，長約8 km，灘頂高程多在2～3 m之間；其頭部寬圓，最大寬約1.3 km；洲尾狹長，寬僅約200～300 m。天星洲把泰興水道分為左、右兩汊，其中左汊為支汊，右汊為主槽。左汊河道斷面形態(tài)為“V”形，河寬約300～500 m，水深多在2～3 m之間；右汊河道斷面形態(tài)為“U”形（圖2），河寬約2～3 km，15 m深槽常年貫通。天星洲尾發(fā)育有向下游延伸的帶狀水下沙脊，其中不足10m水深的淺區(qū)長度超過6 km，可達(dá)界河口附近；該沙脊與左岸之間還有一狹長的水下深槽倒嵌發(fā)育，其水深約11～12 m，長度超過4 km。

圖2 天星洲河段河床斷面形態(tài)Fig.2 Typical section of the riverbed in Tianxingzhou central island reach

2.2 水沙特征

天星洲的頭部將太平洲左汊分為2個汊道，中部又接納太平洲右汊的來水來沙，使得本河段的分水分沙復(fù)雜多變。根據(jù)2009年5月同步水文測驗（圖1），在上游流量約40 000 m3／s的情況下，天星洲頭部左汊（測流斷面D1L）、右汊（D1R）、太平洲右汊（D2）的分流比分別為4.7%，83.5%和11.8%，分沙比分別為5.8%，84.6%和9.6%；天星洲尾部左汊（D3L）和右汊（D3R）的分流比分別為4.3%和95.7%，分沙比分別為4.6%和95.4%。分析可知，天星洲的中下段由于有太平洲右汊來水來沙入?yún)R，在該流量下分流分沙比上游段增加約10%。

本河段位于長江潮流界的變化區(qū)段之內(nèi)，潮流界隨徑流強弱和潮差大小等因素而變化，枯季可達(dá)到鎮(zhèn)江附近，洪季則下移至江陰附近［10］。2009年5月水文測驗期間，當(dāng)上游流量為40 000 m3／s且漲潮潮差（太平洲尾驗潮站）為2.1 m時，天星洲右汊內(nèi)出現(xiàn)約3 h的漲潮流，漲潮流速最大約－0.25 m／s（負(fù)號代表漲潮流向）；而同流量條件下且漲潮潮差為1.4 m時，右汊沒有出現(xiàn)漲潮流，即呈單向落潮流。在天星洲左汊內(nèi)，2次漲潮期間都出現(xiàn)了漲潮流上溯現(xiàn)象，最大漲潮流速分別約為－0.55 m／s和－0.20 m／s（圖3）。可見，與主汊相比，支汊內(nèi)由于分流較少，使得漲潮流動力作用明顯強于右汊。

圖3 天星洲河段潮位與流速過程曲線Fig.3 Time history curves of tide and flow velocity in Tianxingzhou reach

根據(jù)2003年6月、2005年3月、2005年8月、2006年2月、2006年6月、2007年8月、2009年5月等多次水文測驗［10］，本河段內(nèi)含沙量枯水期在0.005～0.20 kg／m3之間，中水期在0.01～0.60 kg／m3之間，洪水期在0.05～1.0 kg／m3之間。含沙量大小與流量密切相關(guān)。當(dāng)流量小于30 000 m3／s時，含沙量隨流量增大而增大；當(dāng)流量超過30 000 m3／s時，含沙量增大的幅度則明顯增大。據(jù)多次河床質(zhì)取樣分析，河床質(zhì)多為中細(xì)沙，組成相對較為均勻，主槽粒徑較粗，灘面粒徑較細(xì)，平均中值粒徑約為0.15～0.18 mm。

圖4 天星洲洲體0 m等深線歷年變化圖Fig.4 Changes of contour at 0m of Tianxingzhou central island in different years

3 天星洲形成演變過程

天星洲又稱五圩洲，1953年時還只是一個長約1.3 km、寬約0.17 km的心灘；以后洲體逐漸淤積擴大，洲頭向上伸展，洲尾向下淤長，至20世紀(jì)90年代末期基本穩(wěn)定。表1給出了天星洲洲體特征值的歷年統(tǒng)計，圖4給出了洲體0 m等深線的多年空間變化。由圖表分析可知，天星洲的形成發(fā)育過程可以分為3個演變階段：第1階段為20世紀(jì)50年代至70年代末的快速發(fā)育階段；第2階段為20世紀(jì)80年代初至90年代末的調(diào)整階段；第3階段為20世紀(jì)90年代末以來相對穩(wěn)定階段。

表1 天星洲洲體0 m線特征值歷年統(tǒng)計表Table1 Eigenvalues of contour at 0m of Tianxingzhou central island in different years

天星洲第1演變階段的特點是洲頭向上延伸，洲尾向下淤長，洲體快速淤積擴大。其中1953－1966年洲體以向下淤長為主，洲尾共向下游延伸了4.4 km，淤長速度平均為340 m／a；1966－1979年洲尾向下淤漲的速度已經(jīng)減小至70 m／a，但洲頭向上延伸的速度明顯加快，已由1953－1966年間的27 m／a增加至180 m／a。在洲頭和洲尾快速淤長的同時，洲體也在不斷展寬，0 m等深線寬度從170 m增加至1.2 km。這一演變階段后，天星洲洲體位置和大小基本成型，期間洲頭向上游延伸共2.68 km，洲尾向下游淤長5.3 km，0 m線內(nèi)的淺灘面積則從0.14 km2增加至約7 km2。

天星洲第2演變階段的特點是洲體不再呈單一的淤長態(tài)勢，期間洲頭與洲尾沖淤同時交替存在，且在洲體大小基本穩(wěn)定的情況下，洲頭與洲尾具有同向運動的特點。如1979－1981年，在洲頭向下游侵蝕后退1 850 m的情況下，洲尾也向下游延伸了1 420 m；1981－1984年，洲頭與洲尾又向上游同向運動，其中洲頭向上游淤長1 100 m，洲尾也向上游侵蝕后退約150 m；1984－1991年洲頭與洲尾也具有同樣的演變特征，其中前者向上游淤長延伸1 140 m，后者向上游侵蝕后退21 m；1991－1999年洲頭與洲尾又以向下游運動為主，期間洲頭共向下游侵蝕后退660 m，洲尾則有輕微淤長。經(jīng)統(tǒng)計，1979－1999年20 a間，洲頭共向下游后退270 m，平均約13 m／a；洲尾向下游延伸810 m，平均約40 m／a；同時洲體寬度增加約200 m，0 m等深線面積增加約1.2 km2?？梢娺@一演變階段天星洲雖然仍有一定的淤長增大，但增長幅度大大減小，有時洲體的長、寬和面積還有所減小，說明洲體經(jīng)過長期的演變調(diào)整已經(jīng)基本穩(wěn)定。

20世紀(jì)90年代末以來，天星洲的發(fā)育演變進(jìn)入了相對穩(wěn)定期，洲體0 m等深線基本穩(wěn)定。期間除個別年份外，洲頭與洲尾的年沖淤變化幅度均不足100 m。據(jù)統(tǒng)計，1999－2008年，洲頭向下游后退約50 m，洲尾向上游后退約280 m?？梢娺@一演變階段洲體呈輕微沖刷減小態(tài)勢，洲體0 m等深線長度與面積均有所減小。2003年洲頭上游斷港附近曾發(fā)育有一個心灘，2007－2008年間發(fā)生并岸成為斷港附近的邊灘；心灘調(diào)整期間，部分泥沙被水流帶至天星洲尾部淤積下來，使得2008年洲尾的寬度與洲體面積有所增加。

4 天星洲形成主因分析

江心洲的形成發(fā)展是河道邊界和水流泥沙長期互相作用的結(jié)果，也是河道演變的表現(xiàn)形式。天星洲的形成發(fā)育與泰興水道河段特性密切相關(guān)。泰興水道基本上為順直放寬河段，上游過船港附近河寬約2.5 km左右，河床斷面向下游逐漸展寬，至炮子洲尾河寬增大至4.5 km，繼而河寬又重新縮窄至界河口附近的3 km左右。在20世紀(jì)50年代之前，口岸直水道的鰻魚沙淺段尚未完全發(fā)育，長江主流在經(jīng)過嘶馬彎道段后，緊貼左側(cè)凹岸順直而下，由于過船港附近河面縮窄且左岸凸出產(chǎn)生節(jié)點效應(yīng)，主流被挑向右岸，順太平洲左岸而下，這使得左岸的過船港與界河口之間形成大片緩流區(qū)；同時由于河段展寬，水流分散，導(dǎo)致水流挾沙能力減小，使得上游來的部分泥沙更容易落淤在緩流區(qū)，從而發(fā)育水下淺灘。

江心洲形成的另外一個重要因素是要有充足的泥沙來源。長江上游來沙有一小部分淤積在本河段的緩流區(qū)，形成水下淺灘，給天星洲的形成發(fā)育奠定了重要基礎(chǔ)；但由于上游流域來沙多為沖瀉質(zhì)，顆粒較細(xì)較難淤積，所以在20世紀(jì)50年代之前的很長一段時間內(nèi)，天星洲心灘并沒有明顯發(fā)育。因此，對于天星洲20世紀(jì)50－70年代的快速發(fā)育，顯然還需要另外一個重要泥沙來源來解釋。據(jù)研究［11，12］，位于天星洲上游30 km處的嘶馬彎道曾是長江中下游崩岸最嚴(yán)重的河段。20世紀(jì)50－70年代末，長江主流由于五峰山節(jié)點的挑流作用，對嘶馬彎道北側(cè)凹岸形成持續(xù)的強烈頂沖，而江岸土質(zhì)又由粉沙、細(xì)沙和極細(xì)沙組成，抗沖性較差，因此多次發(fā)生以窩崩為主的大規(guī)模崩岸現(xiàn)象。如1959－1969年，從三江營河口至高港燈凸咀0 m線全線崩退，平均崩退152 m，最大崩退達(dá)437 m，崩坍面積達(dá)2.4 km2。

表2給出了天星洲歷年洲體變化與同期上游大通站來水來沙條件、嘶馬彎道崩岸情況的統(tǒng)計結(jié)果。由表分析可知，在長江上游來水來沙條件基本不變的情況下，天星洲的快速發(fā)展期與嘶馬彎道大規(guī)模崩岸的時間段有著良好的一致性。如1953－1976年，嘶馬彎道岸灘崩退面積高達(dá)6.34 km2，平均約0.40 km2／a，同期天星洲0 m淺灘面積中增加6.76 km2，平均約0.42 km2／a?？梢姡获R彎道大規(guī)模江岸崩退所產(chǎn)生的大量泥沙被水流帶往下游，沿程大量淤積，其中一部分到達(dá)本河段，因河床展寬、水流變緩而迅速落淤下來，給天星洲的快速形成發(fā)展提供了充足的泥沙來源。

表2 天星洲歷年洲體變化與同期水沙來源情況統(tǒng)計表Table2 Changes of the area of Tianxingzhou central island in different years and water sediment sources over the same period

自1976年來，嘶馬彎道河段先后實施了丁壩、沉排、拋石等護(hù)岸整治工程［11，12］，江岸趨向穩(wěn)定，崩塌強度也有所減緩，使得本河段泥沙來源急劇減少，導(dǎo)致天星洲洲體增長速度明顯放慢。如1976－1991年嘶馬彎道岸灘崩退速度迅速減小至0.06 km2／a，同期天星洲洲體增長速度也明顯減小，平均約0.11 km2／a；1991－2007年嘶馬彎道岸灘崩退速度繼續(xù)減小至0.04 km2／a，而同期天星洲則出現(xiàn)了輕微沖刷態(tài)勢，洲體面積平均每年減小約0.03 km2。此外，隨著長江上游流域水土保持工程發(fā)揮效用以及三峽工程等多個大型水電工程建設(shè)，近年來長江上游流域來沙也有明顯減小，其中大通站2001－2007年均輸沙量比20世紀(jì)80年代減小了55.0%，這也是天星洲近期產(chǎn)生輕微沖刷的一個重要原因。

5 結(jié) 語

通過分析長江下游天星洲的形成演變過程及主要原因，初步得到以下結(jié)論：

（1）天星洲形成發(fā)育于20世紀(jì)50年代初期，經(jīng)歷了快速發(fā)育、沖淤調(diào)整和相對穩(wěn)定等3個演變階段：①20世紀(jì)50年代至70年代末，洲體快速淤積擴大，洲頭向上游延伸共2.68 km，洲尾向下游淤長5.3 km，0 m線內(nèi)的淺灘寬度從170 m增加至1.2 km，面積從0.14 km2增加至約7 km2；②20世紀(jì)80年代初至90年代末，洲體不再呈單一的淤長態(tài)勢，洲頭與洲尾沖淤同時交替存在，且在洲體大小基本穩(wěn)定的情況下，洲頭與洲尾具有同向運動的特點；③20世紀(jì)90年代以來，天星洲的發(fā)育演變進(jìn)入了相對穩(wěn)定期，洲體0 m等深線基本穩(wěn)定并呈輕微蝕退特點。

（2）泰興水道順直放寬的河段特性以及過船港附近江岸節(jié)點的挑流作用，使得本河段形成大片緩流區(qū)，導(dǎo)致水流挾沙能力減小，泥沙容易落淤形成水下淺灘，給天星洲的形成發(fā)育奠定了重要基礎(chǔ)。嘶馬彎道大規(guī)模崩岸的時間段與天星洲的快速發(fā)展期有著良好的一致性，表明大規(guī)模江岸崩退所產(chǎn)生的大量泥沙被水流帶往下游，部分落淤在本河段，給天星洲的快速形成發(fā)展提供了充足的泥沙來源。近年來，隨著嘶馬彎道護(hù)岸整治工程的實施，江岸崩塌強度有所減緩，加之長江上游流域來沙明顯減少，導(dǎo)致本河段泥沙來源明顯減少，因此天星洲整體呈輕微沖刷態(tài)勢。

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（編輯：周曉雁）

The Formation M echanism of Tianxingzhou Central Island in the Lower Reach of Yangtze River

JIRong yao，LU Yong jun，ZUO Li qin
（State Key Laboratory of Hydrology Water Resources and Hydraulic Engineering Science，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

Developed in the early 1950s in the Taixing reach of the Yangtze River，Tianxingzhou central island ex perienced the rapid development stage from 1950s to 1970s，the scouring and silting adjustment stage from early 1980s to late 1990s，and the stable stage since late 1990s.The formationmechanism and the evolution of this cen tral island is studied to provide reference for the harnessing of the river course and the development of the shore line.This study shows that large slow flow areawas formed because of the riverbed broadening in the Taixing reach and the ski jump effectof the bank node，thereby resulting in sediment deposition and underwater shoal，which laid foundation for the formation of Tianxingzhou central island.Whereas the large scale collapse of the river bank in the upper Sima bend from the early 1950s to late 1970s provided sufficient sediment for the rapid developmentof Tianx ingzhou central island.

central bar；formation mechanism；evolution；bank collapse；Tianxingzhou central island

TV147

A

1001－5485（2011）08－0005－06

2010 09 30

國家自然科學(xué)基金資助項目（50779037，50879047）

季榮耀（1978 ），男，山東臨沂人，高級工程師，博士，主要從事河流海岸動力學(xué)與環(huán)境演變研究，（電話）025 68953501（電子信箱）ryji＠nhri.cn。