長江小黃洲演變對下游汊道分流特性的影響

徐錫榮，鐘 凱，白金霞

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098;2.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430070)

長江小黃洲位于長江中下游的安徽省馬鞍山市境內(nèi)，與江蘇省南京市交界，是連接長江馬鞍山河段與長江南京河段的重要汊道。小黃洲汊道段上接馬鞍山河段的江心洲與何家洲，下接南京河段的新濟(jì)洲汊道段。南京新濟(jì)洲汊道段分布有新生洲、新濟(jì)洲、新沙洲、子母洲、新潛洲等河道，屬于典型的多汊河道，水流條件復(fù)雜(圖1)。

從古至今，受上游馬鞍山河段及其他因素的影響，長江小黃洲汊道河勢一直處在變化之中。由于小黃洲是長江河道重要的節(jié)點(diǎn)和控制汊道之一，受小黃洲汊道河勢變化的影響，其下游新濟(jì)洲河段的河勢也變化劇烈，給新濟(jì)洲河段的穩(wěn)定治理帶來了不確定因素。隨著南京城市區(qū)域的發(fā)展，長江南京河段岸線的開發(fā)利用已從下游往上游、從江南往江北推進(jìn)。對于長江南京河段上游的新濟(jì)洲河段而言，南岸正著手開發(fā)銅井段岸線，而北岸下段的10 km多岸線規(guī)劃為船舶工業(yè)園區(qū)，并已開始實(shí)施。沿江兩岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展迫切需要穩(wěn)定目前的新濟(jì)洲汊道段河勢，為沿江經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供保證。綜上所述，進(jìn)行小黃洲演變對下游南京新濟(jì)洲汊道段影響研究具有重要意義［1-2］。本文通過建立二維水流數(shù)學(xué)模型來研究小黃洲演變對下游新濟(jì)洲汊道分流特性的影響。

圖1 長江小黃洲汊道分布Fig.1 Distribution of Xiaohuangzhou bifurcated reach of Yangtze River

1 小黃洲水流特性分析

表1 小黃洲左汊分流比歷年變化Table 1 Yearly flow diversion ratio of left branch of Xiaohuangzhou bifurcated reach

河道形態(tài)是水沙與河床相互作用的反映，水流沖刷河床，河床約束水流，兩者相互制約，相互依存［3］。對于汊道河流，汊道分流比是汊道演變的直接反映。受汊道河勢影響，小黃洲左、右汊分流一直處在變化之中。資料顯示［4］，近幾十年來小黃洲汊道水流變化大體經(jīng)歷了以下幾個時段: (a)1959—1973年，小黃洲洲頭及右緣的岸線尚未穩(wěn)定，隨著洲頭的后退，左汊也處于衰退之中，左汊分流比逐年減小(表1)，右汊分流比逐年增加，其中，洪、枯水分流比分別從16.0%、9.6%左右減小至6.4%、2.0%左右。1959年7月高水左汊分流比在13.0%左右;到1973年6月高水左汊分流比在7.1%，12月低水左汊分流比為2.2%。在此期間，右汊分流比逐年增大，表明右汊發(fā)展左汊衰退。(b)20世紀(jì)80年代后，小黃洲洲頭岸線穩(wěn)定后，左汊分流比逐年增加，特別是1983年長江大洪水后，左汊分流比急劇增加，至1988年5月，左汊分流比已達(dá)23.1%，這一時期是左汊的發(fā)展期。1998年9月左汊分流比為23.6%，并逐年緩慢增加，至2008年5月，左汊分流比達(dá)26.1%。

圖2為小黃洲左汊汛期與枯水期分流比歷年變化圖。從圖2可以看出，雖然小黃洲左汊分流比處在2%～30%之間，但是一般汛期在7%～30%之間變化，枯水期在2%～20%之間變化，枯水期分流比小于洪水期分流比。分析表明，近幾十年來，無論是枯水期還是汛期，小黃洲左汊分流經(jīng)歷了從減小到增大再到趨于平穩(wěn)的變化過程［5］。

圖2 小黃洲左汊分流比歷年變化Fig.2 Yearly flow diversion ratio of left branch of Xiaohuangzhou bifurcated reach during dry and flood seasons

2 小黃洲演變特性分析

歷史上小黃洲所處的馬鞍山河段水域?qū)拸V，江面遼闊，有許多大大小小的沙洲(圖3)，經(jīng)河道變遷，到20世紀(jì)50年代該河段大小沙洲合并為江心洲和小黃洲2個洲。1865年，馬鞍山河段的分汊形勢已經(jīng)形成; 1933年，江心洲右汊進(jìn)口段大，小泰興洲淤長上伸，江心洲左汊則因左岸崩退而展寬。黃洲邊灘淤展下延，漸趨并岸，在該邊灘上游又出現(xiàn)黃洲新灘，靠右岸采石邊灘下游淤積了一個小新洲。到1946年，黃洲老灘與左岸并接，黃洲新灘則繼續(xù)淤長，其后經(jīng)過圍墾，成為小黃洲［6］。進(jìn)入20世紀(jì)50年代，恒興洲一帶江岸崩退，小黃洲洲頭由新河口沖刷下移到金河口稍上。近幾十年來，小黃洲右汊一直保持主汊地位，其主要演變特征表現(xiàn)為小黃洲洲頭及左、右緣的強(qiáng)烈崩退，同時，右緣深槽隨著大黃洲的崩退和小黃洲洲尾的向下淤展而同步下移。小黃洲左汊是支汊，其主要演變特征是:1959—1973年呈衰退期，分流比減少，河床抬高，斷面特征值呈減小趨勢，左汊淤積;1973—1986年為快速發(fā)展期，分流比從6.8%增大到19.4%，深槽擴(kuò)大、刷深，斷面特征值及河長增大;1986年后呈相對平穩(wěn)期，分流比持續(xù)在20%左右;1998年大水，隨著大黃洲江岸岸線的崩退，洲尾仍有所下延，左汊略趨發(fā)展。因此，從近幾十年來的演變看，小黃洲右汊保持主汊地位，左汊保持支汊地位，目前變化幅度趨于減?。?］。

圖3 小黃洲汊道演變Fig.3 Evolution of Xiaohuangzhou bifurcated reach

3 小黃洲演變對下游汊道影響

總體來看，小黃洲汊道河勢一直處在變化之中，1999年以后大黃洲江岸實(shí)施隱蔽工程和護(hù)岸整治工程，有效地遏制了大黃洲江岸的崩退，目前小黃洲汊道段河勢相對穩(wěn)定，但是也存在著一些問題［8-9］，主要表現(xiàn)在:(a)小黃洲汊道兩岸在洪水期經(jīng)常發(fā)生崩岸和險工，威脅沿岸工礦企業(yè)安全;(b)近期小黃洲左汊仍呈現(xiàn)小幅變化，嚴(yán)重影響左岸下游新濟(jì)洲汊道河勢的穩(wěn)定，對沿岸碼頭和取水口造成危害;(c)右汊逐漸發(fā)展，主流擺動，灘槽下移，極易導(dǎo)致下游七壩頂沖點(diǎn)上提，加大林山圩至七壩岸線的防洪壓力，威脅下游汊道河勢的穩(wěn)定［10］。鑒于小黃洲汊道河勢變化可能直接影響下游新濟(jì)洲汊道段左右岸的穩(wěn)定，本文結(jié)合二維水流數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果，進(jìn)行小黃洲汊道演變對下游新濟(jì)洲汊道段分流影響研究。

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

考慮模擬河段的河型特點(diǎn)，本文采用Delft-3D軟件建立數(shù)學(xué)模型。上入口邊界選取為小黃洲左右兩汊，下出口邊界選為研究河段的末端。結(jié)合模型的實(shí)際情況，二維水流計算的時間步長選為1 min，枯水平均糙率為0.025，洪水平均糙率為0.022。經(jīng)過驗(yàn)證試驗(yàn)表明，該模型可以滿足水位、流速、汊道分流等方面的模擬需要。對天然河道河床特性及河槽基本尺寸起支配作用的是造床流量，結(jié)合小黃洲汊道河段的實(shí)測資料，取造床流量為45000 m3/s。模型試驗(yàn)選取造床流量下的3個計算方案:(a)現(xiàn)狀河道水流特性;(b)小黃洲衰退對下游汊道的影響;(c)小黃洲左汊發(fā)展對下游汊道的影響。通過3個計算方案分析小黃洲的演變對下游汊道分流特性的影響。

3.2 小黃洲及其下游汊道水流關(guān)系

表2 造床流量下現(xiàn)狀河道各汊道分流比Table 2 Flow diversion ratios of current river reaches with channel-forming discharge

小黃洲下游新濟(jì)洲河段包括新生洲、新濟(jì)洲、新沙洲、子母洲、新潛洲等汊道，其中，新生洲從20世紀(jì)90年代前一直保持左汊為主汊演變?yōu)槟壳耙杂毅鉃橹縻猓筱夥至鞅葟?0%多一直減小到現(xiàn)在的30%多，變化范圍在35%～70%之間。新濟(jì)洲左右汊興衰變化趨勢和新生洲一致，但新濟(jì)洲和新生洲之間有一中汊，部分水流由新生洲左汊流向新濟(jì)洲右汊，中汊的興衰對于新濟(jì)洲左右汊分流比有一定的影響，歷年來新濟(jì)洲左汊的分流比由55%左右降為30%。新潛洲的左汊一直為主汊，分流比在不斷的小幅度增加，從68%增大為80%左右。在現(xiàn)狀河道水流條件下的造床流量各汊道分流比模型計算成果見表2。

由表2可見，在現(xiàn)狀河道條件下，新生洲左汊的分流比為39.05%，而小黃洲左汊的分流比為26.74%，所以，新生洲左汊12.31%的水流來自小黃洲右汊;新生洲左汊分流比為39.05%，新濟(jì)洲左汊分流比為35.55%，新生洲與新濟(jì)洲之間有個中汊，可見有3.50%的水流從新生洲左汊經(jīng)中汊流向新生洲右汊，剩余35.55%的水流流向下游新濟(jì)洲左汊;由新潛洲左汊78.52%的分流比可知有42.96%的水流是由新濟(jì)洲右汊流向新潛洲左汊的。

從汊道分流看，小黃洲左汊的水流全部流向下游新生洲，而小黃洲右汊的水流分為兩部分:一部分流向新生洲左汊，一部分流向新生洲右汊;新生洲左汊水流大部分流向下游的新濟(jì)洲左汊，小部分通過中汊流向新濟(jì)洲右汊;新潛洲左汊的水流來自新濟(jì)洲左汊的全部水流和新濟(jì)洲右汊的部分水流。因此，小黃洲左右汊分流比的變化直接影響下游各汊道的分流變化。

3.3 小黃洲汊道演變影響

根據(jù)河流動力學(xué)理論，沖積河流在其自調(diào)整過程中，河道有與之相匹配的水流條件和與河道狀態(tài)相適應(yīng)的輸沙條件，如果上游水流條件發(fā)生變化，下游河床將為適應(yīng)上游水流條件的變化而演變［5］。因此，汊道分流變化是汊道演變的直接表現(xiàn)。為研究小黃洲汊道演變對下游汊道的影響，本文在現(xiàn)狀河道的基礎(chǔ)上，分別模擬小黃洲左右汊發(fā)生衰退、發(fā)展引起分流比變化導(dǎo)致對下游汊道的影響情況［11-13］。表3為小黃洲左汊發(fā)生衰退、導(dǎo)致分流比減小至15.00%的計算結(jié)果。

由表3分析表明，在小黃洲左汊分流比減小至15.00%條件下，由小黃洲右汊流向新生洲左汊的分流比為19.69%，與衰退后的分流比相比增大7.38%。可見由小黃洲右汊流向新生洲左汊的水流增大的幅度小于小黃洲左汊分流比減小的幅度，因此，引起新生洲左汊分流比的減小。當(dāng)小黃洲左汊分流比減小至15.00%時，中汊的分流比為1.62%，對比衰退前分流比為3.50%，中汊分流比明顯減小。另外，由于新濟(jì)洲右汊流向新潛洲左汊的分流比為49.61%，對比衰退前的42.97%增大了6.64%，可見由新濟(jì)洲右汊流向新潛洲左汊的水流增大幅度大于新濟(jì)洲左汊分流比減小的幅度，因此，引起新潛洲左汊分流比的增大。

表3 小黃洲左汊衰退前后各汊道分流比對比Table 3 Comparison of flow diversion ratios of reaches before and after recession of left branch of Xiaohuangzhou bifurcated reach

通過上述分析可知，若小黃洲左汊衰退，由小黃洲右汊流向新生洲左汊的流量增大，但增大的幅度小于小黃洲左汊衰退的幅度，會影響小黃洲洲尾與新生洲洲頭的演變，新生洲、新濟(jì)洲左汊依然會隨著小黃洲左汊的衰退而衰退;隨著新生洲左汊的衰退，中汊也有所衰退;此外，隨著小黃洲左汊的衰退，由新濟(jì)洲右汊流向新潛洲左汊的流量也在增大，其增大的幅度大于新濟(jì)洲左汊衰退的幅度，所以小黃洲左汊不僅影響新濟(jì)洲洲尾與新潛洲洲頭的演變，還使新潛洲左汊有所發(fā)展。

表4為小黃洲左汊發(fā)生發(fā)展、導(dǎo)致分流比增大至30.00%的計算結(jié)果。

表4 小黃洲左汊發(fā)展前后各汊道分流比對比Table 4 Comparison of flow diversion ratios of reaches before and after development of left branch of Xiaohuangzhou bifurcated reach

由表4分析表明，在小黃洲左汊分流比增大至30.00%條件下，由小黃洲右汊流向新生洲左汊的分流比為9.61%，與左汊發(fā)展后的分流比相比減小2.70%?？梢娪尚↑S洲右汊流向新生洲左汊的水流減小的幅度小于小黃洲左汊分流比增大的幅度，因此，引起新生洲左汊分流比的增大。當(dāng)小黃洲左汊分流比發(fā)展至30.00%時，中汊的分流比為3.59%，對比衰退前分流比3.50%，中汊分流比稍有增大。同樣，由于新濟(jì)洲右汊流向新潛洲左汊的分流比為42.53%，對比衰退前的42.97%減小了0.44%，可見由新濟(jì)洲右汊流向新潛洲左汊的水流的減小幅度與新濟(jì)洲左汊分流比減小的幅度相差較小，新潛洲左汊分流比變化不大。

因此，若小黃洲左汊發(fā)展，可導(dǎo)致新生洲、新濟(jì)洲左汊發(fā)展;隨著新生洲左汊的發(fā)展，中汊分流增大，中汊也有所發(fā)展;此外，隨著小黃洲左汊的發(fā)展，由新濟(jì)洲右汊流向新潛洲左汊的流量有所減小，新濟(jì)洲洲尾與新潛洲洲頭之間河床會有所發(fā)展，但是，對新潛洲左汊影響不大。

4 結(jié) 語

長江小黃洲汊道歷來多變，受小黃洲汊道河勢變化的影響，其下游新濟(jì)洲河段的河勢也隨之變化，給新濟(jì)洲河段的穩(wěn)定治理增添了不確定因素。采用二維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行小黃洲演變對下游汊道分流特性影響模擬，結(jié)果表明，現(xiàn)狀河道條件下，小黃洲汊道無論發(fā)生衰退還是發(fā)展，仍會對下游新濟(jì)洲河段各汊道產(chǎn)生影響，因此，小黃洲汊道的穩(wěn)定是進(jìn)行下游新濟(jì)洲河段治理的基礎(chǔ)。

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