陸溪口汊道演變對界牌河段河勢變化的響應(yīng)分析

劉 亞，姚仕明，李義天

(1.長江科學(xué)院 a.水利部江湖治理與防洪重點實驗室;b.河流研究所，武漢 430010;2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072)

1 研究背景

對于沖積河流來說，上下游河段的演變是相互聯(lián)系、相互影響的。下荊江蜿蜒型河段“一彎變、彎彎變”的特征已為人熟知［1－2］，在實施河道治理工程時也充分考慮到了上下游河勢變化可能帶來的影響［3－4］。長江中下游眾多的鵝頭型分汊河道進口一般有節(jié)點控制，且通過狹長的過渡段與上游河段相連，多數(shù)研究認為在此過渡段與節(jié)點的控制作用下，上游河勢變化對其河道演變影響較?。?－6］。雖然節(jié)點斷面的歸順調(diào)整作用只是在一定程度上削弱了上游河勢的影響，但依然不可忽視。在上游河段發(fā)生較大的河勢變化時，鵝頭型分汊河道會相應(yīng)作出一定的調(diào)整來適應(yīng)進口水流條件的改變。本文以長江中游典型的鵝頭型汊道陸溪口河段為例(圖1)，分析了上游界牌河段河勢變化對鵝頭型汊道演變的影響。

圖1 界牌、陸溪口河段2006年5月河勢圖Fig.1 River regime of the reach from Jiepai to Luxikou in May 2006

2 陸溪口河段演變特征

陸溪口河段位于長江中游洪湖市和嘉魚縣交界處，上起赤壁山，下至石磯頭，長約24.6 km，屬鵝頭型分汊河道。河道內(nèi)有新洲和中洲將水流分為左中右3汊(又稱園港、中港、直港)，左汊自20世紀70年代開始逐漸趨于萎縮，目前枯水季節(jié)基本斷流。陸溪口河段自發(fā)展成鵝頭分汊河型以來，以中汊(中港)的形成、發(fā)展、衰退為主線，進行著河勢的周期性變化(圖2)，各特征時間見表1。關(guān)于陸溪口河段的周期演變現(xiàn)象已有較多研究［7－8］，但是各個周期演變都具有獨特性:該河段自形成鵝頭分汊河段以來，共經(jīng)歷了3個完整的演變周期，周期長短在11～20 a之間;不僅各個周期長短不同，周期間河床變形速率也存在差異，如新中港發(fā)展自3 m等深線貫通至出口與老中港合并的時間從5 a至9 a不等。

表1 陸溪口河段周期演變進程Table 1 Process of periodic evolution of Luxikou Segment

圖2 陸溪口河段河勢周期性變化示意圖Fig.2 Sketch of the periodic evolution of Luxikou segment

3 界牌河段演變特征

界牌河段上起楊林山，下至赤壁山，長約38 km，為順直分汊河道。通常情況下深泓緊貼左岸螺山而下，逐漸過渡到南門洲右汊。界牌河段以邊灘的不斷下移以及周期性切割為主要演變特征，伴隨著左右深槽間過渡段周期性上提下移:螺山以下右岸有一長約10 km的邊灘(俗稱為上邊灘)，在河道演變進程中，上邊灘不斷下移、同時灘尾拓寬，向河心淤長，過渡段深槽不斷下移彎曲。當主流彎曲至一定程度后，切割上邊灘尾部，切割下來的灘體逐漸與下游南門洲并為一體;同時過渡段上提，上邊灘開始重新發(fā)育，河道進入新一輪演變周期。過渡段深槽周期性的上提下移直接影響著左汊進流條件:大部分時間主流由螺山附近靠左岸而下，在伍家墩—下蔑洲一帶過渡到右岸，沿南門洲右汊而下;當右岸上邊灘下移淤積深入江中過寬時，擠壓過渡段主流至河道左側(cè)，使得左汊進流條件良好，左汊成為主汊，但很快水流切灘，過渡段主流上提，左汊進口淤積，右汊復(fù)為主汊。隨著河道邊灘的周期性切割，左汊分流比也呈現(xiàn)周期性變化。圖3為中枯水時期實測左汊分流比變化，可見在1982年、2001年左汊分流比超過50%而成為主汊道(1972年之前無實測分流比資料)。

與此相對應(yīng)的河勢格局見圖4，左汊發(fā)展成為主汊道的時間與上邊灘灘尾充分發(fā)育的時間一致。同時由圖4可知，在1967年前后上邊灘灘尾深入江中寬度與其余2次類似，因此可以推斷在此期間，左汊也曾短暫發(fā)育為主汊道。結(jié)合實測分流比資料以及歷史測圖，可以推斷20世紀50年代以來界牌河段左汊曾3次發(fā)展成為主汊道，其分流高峰期分別約為1968年、1982年、2001年。

圖3 界牌河段南陽洲左汊分流比變化Fig.3 Split ratio of the left branch of Nanyang sandbar in Jiepai segment

圖4 界牌河段上邊灘切灘前后河勢變化示意圖Fig.4 Sketch of river regime before and after bar cutoff in Jiepai segment

4 陸溪口與界牌河段河勢變化及其影響分析

界牌河段在演變進程中，左汊曾3次發(fā)展成為主汊道。界牌河段這一主支汊河勢格局的變化，對下游陸溪口河段的灘槽沖淤特性及河勢演變周期也帶來了明顯影響。

4.1 對灘槽沖淤特性的影響

4.1.1 影響左右汊進口河床形態(tài)

圖5 陸溪口汊道進口橫斷面變化Fig.5 Cross section variation of the inlet of Luxikou braided channel

統(tǒng)計陸溪口河段近10年直港及中港斷面變化(圖5):相對于其他年份，2001年直港、中港各斷面(斷面位置見圖1)特征均達到極值;直港進口斷面深泓高程最低、過流面積最大;中港進口斷面深泓處于偏右的極限位置，中港右側(cè)的新洲灘面沖刷后退。結(jié)合前文界牌河段變化特征，1998年之后界牌河段南門洲左汊分流量逐漸增加，至2001年已超過50%再次發(fā)展成為主汊。即在左汊發(fā)展期間，陸溪口河道右汊(直港)進口沖刷發(fā)展、中汊(中港)深泓右移、進口淤積抬升。

同時據(jù)陸溪口水道航道整治工程初步設(shè)計報告［9］記載，在1990年之前，陸溪口河段直港進口通常存在淺區(qū)礙航，而在1981—1983年間，直港(右汊)進口淺區(qū)不再，可維護3.5 m設(shè)標水深，沒有清障挖淤，航行條件良好;中港(中汊)進口牛頭埠—吳王廟一帶0 m淺灘橫貫河槽，中港(中汊)幾乎淤廢。無獨有偶，1982年左右也正是界牌河段左汊發(fā)展的高峰期。綜上所述，上游界牌河段左汊為主的河勢格局利于陸溪口河段右汊(直港)的沖刷發(fā)展。

4.1.2 影響汊道分流區(qū)的位置

2005年后界牌河段主流重新移至右汊，相對于2001年上游主流走左汊來講，陸溪口河段新洲頭部高灘大幅度沖刷后退(圖6(a))。陸溪口河段進口4m航槽覆蓋整個斷面，之后進入分流段隨著流量的不斷分泄，進入中港的流量不斷減少;航槽寬度不斷減小，直至基本恒定。航槽寬度逐漸減小的范圍即為枯水時期的分流區(qū)域(圖6(b)):2001年上游主流走左汊，分流段在牛頭埠附近;2005年上游主流走右汊，分流段總體下移至吳王廟附近，且分流區(qū)域大大增加。分流區(qū)域的斜向漫灘水流對新洲頭部高灘的沖刷較為劇烈，新洲頭吳王廟以上0 m線低灘被沖刷萎縮約400 m，同時由于分流段的下移，使得直港進口分流大為減少，最終造成直港進口4 m深槽寬度減小近100 m。

圖6 陸溪口河段灘槽變化特征Fig.6 Variations of the shoal and trough of Luxikou segment

綜上所述，當上游界牌河段主支汊交替變化使得陸溪口河段河勢調(diào)整及灘槽沖淤呈現(xiàn)明顯的變化:界牌河段左汊為主的時候，直港進口河床沖刷降低、中港進口河床淤積抬升;右汊為主的時候，分流段下移，新洲頭部灘體沖刷萎縮劇烈，同時直港進口分流減小，航寬縮窄。

4.2 對演變周期的影響

陸溪口河段及界牌河段河勢均呈現(xiàn)周期性變化特征，比較兩河段演變周期開始時間如表2所示:兩者演變周期長短相差不大，陸溪口河段竄溝出現(xiàn)在界牌河段上邊灘充分發(fā)育、過渡段主流下挫使得南門洲左汊為主汊后的1～2 a間。這說明界牌河段主流走向?qū)﹃懴诤拥肋M口新洲頭竄溝的出現(xiàn)起著決定性的作用。

表2 界牌與陸溪口河段河勢周期性變化時間節(jié)點對照Table 2 Comparison between the time nodes of periodic regime variation of Jiepai segment and Luxikou segment

一般情況下，陸溪口河段新老港完全重合后繼續(xù)發(fā)展1～3 a新洲頭便會沖刷發(fā)展形成竄溝(表1)，但最近一個周期1995年新老中港已完全重合，2001年左右洲頭竄溝才得以發(fā)展。究其原因，由于上游界牌河段整治工程的控制作用，使得邊灘切割延緩，界牌河段左汊沒能及時成為主汊，從而延緩了陸溪口河段洲頭竄溝出現(xiàn)的時間。直至2001年左右左汊分流過半，成為主汊，陸溪口河段竄溝才得以再次發(fā)展。這也是最近一輪周期演變中陸溪口河段周期延長的最主要原因。

綜上所述，界牌河段與陸溪口河段演變密切相關(guān):陸溪口河段洲頭竄溝的出現(xiàn)標志著新一輪演變周期的開始，在演變中具有舉足輕重的地位。河段進口水流的沖刷、中港的鵝頭化發(fā)展是竄溝出現(xiàn)的必要條件，上游界牌河段左汊為主的河勢格局將會影響竄溝產(chǎn)生的速率，是陸溪口河勢交替的誘因。而竄溝的出現(xiàn)通常標志著新一輪周期的開始，因此上游界牌河段的河勢變化最終影響了陸溪口汊道演變周期的長短。

4.3 對節(jié)點挑流作用影響

界牌河段下段為順直微彎的石頭關(guān)水道，連接南門洲汊道與陸溪口汊道。石頭關(guān)水道較為順直，斷面窄深，右岸有白沙洲邊灘，左岸分布有葉家洲和腰口邊灘。石頭關(guān)水道河勢受界牌水道影響較大:當南門洲左汊充分發(fā)展甚至成為主汊后(如1981年)，主流在石頭關(guān)水道內(nèi)貼走左岸、順直而下，過葉家洲邊灘后斜流向陸溪口進口右岸;當右汊發(fā)展并成為主汊時(如2006年)，主流將頂沖石頭關(guān)水道右岸邊灘，之后直接緊貼右岸頂沖赤壁山節(jié)點進入陸溪口水道(圖7)。

圖7 石頭關(guān)水道5 m深槽位置變化Fig.7 Variation of the location of deep trough(5m depth)in Shitouguan waterway

如前所述，石頭關(guān)水道主要在2種不同河勢之間轉(zhuǎn)換調(diào)整。當石頭關(guān)主流在太平口以下走右岸時，主流將順岸頂沖陸溪口河段進口右岸赤壁山節(jié)點。在此條件下，節(jié)點挑流作用較強，水流被挑至節(jié)點對岸，使得水流動力方向與中港夾角較小，有利于中港進流。當石頭關(guān)水道主流貼走左岸時，陸溪口河段進口腰口邊灘將受沖刷后退，此時進口主流遠離赤壁山，節(jié)點挑流作用較小，同流量下進口水流方向改變較小，從而水流動力方向與直港夾角減小，有利于直港發(fā)展。如1981年11月上游河勢改變，石頭關(guān)水道內(nèi)左岸崩塌，腰口邊灘刷低下移，石頭關(guān)一帶的右邊灘逐漸增長，主流不再由赤壁山上方坐落，磯頭挑流作用有所減弱，中高水期進入直港的流量也相應(yīng)增多，利于直港沖刷。據(jù)記載，1982—1984年幾屆枯水航槽均穩(wěn)定在直港，維護水深3.5m，沒有清障挖淤，沒有出淺阻航。

綜上所述，上游河勢通過調(diào)整進口主流走向改變節(jié)點挑流作用，對下游汊道的演變產(chǎn)生影響。節(jié)點挑流作用的強弱可通過附近河道斷面流速分布特征反映:當進口深泓沿右岸而下、緊貼赤壁山時，節(jié)點下游斷面流速分布如圖8(a);15 000 m3/s以下流量時，大流速明顯偏右;當流量增至15 000 m3/s左右時，大流速已偏靠左岸，隨著流量的增加主流逐漸左移;當流量大于30 000 m3/s后，主流幾乎緊貼左岸而行。因此在此種河勢條件下，節(jié)點在流量15 000 m3/s左右開始發(fā)揮挑流作用，而當上游深泓從左岸而下遠離赤壁山節(jié)點，此時節(jié)點下游在15 000～20 000 m3/s流量下主流還位于河道中央(圖8(b))。因此可以推測，在此種河勢作用下，節(jié)點產(chǎn)生挑流作用的臨界流量大于20 000 m3/s。

圖8 陸溪口河道進口斷面流速分布Fig.8 Velocity distribution in the cross section of the inlet of Luxikou segment

總體說來，界牌河段河勢變化通過改變陸溪口河段進口赤壁山節(jié)點的挑流作用而影響其周期演變進程:界牌河段南門洲汊道右汊為主時，水流緊貼主流直接頂沖赤壁山，挑流作用較強，有利于陸溪口河段中港沖刷發(fā)展;反之，水流遠離赤壁山，挑流作用較弱，有利于陸溪口河段直港的發(fā)展。節(jié)點挑流作用的強弱主要表現(xiàn)為挑流臨界流量的大小:水流直接頂沖節(jié)點時，挑流臨界流量較小，一個水文年內(nèi)節(jié)點產(chǎn)生挑流作用的時間較長，從而水流橫向沖刷動力較強，有利于凹岸汊道的發(fā)展以及河勢的頻繁變化;反之，臨界流量較大，節(jié)點產(chǎn)生挑流作用的時間較短，有利于凸岸汊道的發(fā)展，鵝頭分汊河型周期性河勢變化相對較為緩慢。

5 結(jié)論

本文分析了長江中游陸溪口河段演變對上游界牌河段河勢變化的響應(yīng)過程:陸溪口河段進口主流位置隨著界牌河段南門洲汊道主支汊交替而發(fā)生調(diào)整，赤壁山節(jié)點的挑流作用也隨之發(fā)生強弱變化，進而改變進入陸溪口河段水流的水動力條件，影響其洲灘沖淤變化幅度，最終影響其周期演變進程。節(jié)點挑流作用的強弱主要表現(xiàn)為挑流臨界流量的大小:當水流直接頂沖節(jié)點時，挑流臨界流量較小，節(jié)點產(chǎn)生挑流作用的時間較長，有利于凹岸汊道的發(fā)展以及河勢的頻繁變化;反之，臨界流量較大，有利于凸岸汊道的發(fā)展，同時凹岸汊道河床沖刷變形速率減緩，最終影響鵝頭型汊道周期演變進程。

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