陸溪口鵝頭分汊河段沖淤調(diào)整分析

閆 霞，陳 立，姚仕明，金中武，鄧彩云，

（1．長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所，武漢 430010；2．三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002；3．武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

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陸溪口鵝頭分汊河段沖淤調(diào)整分析

閆 霞1，2，陳 立3，姚仕明1，金中武1，2，鄧彩云1，3

（1．長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所，武漢 430010；2．三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002；3．武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

摘 要：陸溪口河段為長(zhǎng)江中下游典型的鵝頭分汊河段，三峽工程蓄水前，受進(jìn)口單邊挑流節(jié)點(diǎn)及彎道環(huán)流作用，河道演變呈現(xiàn)周期性演變規(guī)律；三峽工程蓄水后，在上游水沙條件變化、人為因素等影響下，河段沖淤規(guī)律將產(chǎn)生調(diào)整。采用理論分析、實(shí)測(cè)資料分析等方法，對(duì)蓄水后陸溪口河段周期性演變規(guī)律進(jìn)行研究。分析表明：蓄水后河段周期性調(diào)整規(guī)律及趨勢(shì)仍然存在，且由于上游來(lái)沙量減少，河段沖淤調(diào)整甚至有加快趨勢(shì)；新洲洲頭遭受?chē)?yán)重沖刷，出現(xiàn)串溝，直港進(jìn)口淤積嚴(yán)重，分流格局產(chǎn)生調(diào)整，航道條件變差。人為實(shí)施航道整治工程后，河勢(shì)才有所穩(wěn)定，但河段周期性演變的內(nèi)在動(dòng)力并未消失，對(duì)航道條件及整治工程帶來(lái)了一定的不利影響。

關(guān)鍵詞：陸溪口鵝頭分汊河段；河床演變；周期性；沖淤調(diào)整；機(jī)理研究

1 研究背景

鵝頭分汊河型是長(zhǎng)江中下游分汊河型的一種特殊形式，不僅具有分汊河段由江心洲分隔開(kāi)的非單一河槽的平面形態(tài)特點(diǎn)，也具有主支汊交替發(fā)展的演變特性。自然情況下，鵝頭分汊河型河道演變主要表現(xiàn)為汊道新生—彎曲—平移—衰亡的周期過(guò)程［1］。三峽工程蓄水后鵝頭分汊河段還因?yàn)榻闹摅w眾多，蓄水后洲體沖淤變化大，自然情況下的周期性演變規(guī)律受到一定影響。本文以陸溪口河段為例，依據(jù)實(shí)測(cè)資料，分析其蓄水前后的演變特點(diǎn)及變化。

陸溪口鵝頭分汊河段（圖1）上起赤壁山，下至劉家墩，全長(zhǎng)約14 km，上游為界牌河段，下游為嘉魚(yú)河段。河段進(jìn)口處右岸有赤壁山單側(cè)節(jié)點(diǎn)，此處河寬僅1 200 m，從赤壁山以下河床逐漸向左展寬，最寬處達(dá)6 500 m。目前鵝頭頂部有新洲和中洲2個(gè)江心洲，將河道分為直港、中港和園港。

陸溪口河段進(jìn)口處受右岸赤壁山挑流節(jié)點(diǎn)控制，左岸為廣闊階地與河漫灘，抗沖性較差。河道內(nèi)中洲主要由粉質(zhì)黏土和粉砂層組成，新洲主要由松散的細(xì)沙和粉細(xì)砂組成。直港進(jìn)口淺區(qū)河床地質(zhì)主要由礫砂、圓礫、粗砂和中砂組成。直港航程短、航線順直，較為穩(wěn)定，由于進(jìn)口淺區(qū)沖刷緩慢，退水時(shí)水深不足，在枯水后期，航道走中港，兩航槽交替使用。2004年，河段實(shí)施了航道整治工程，包括新洲頭部魚(yú)嘴及洲脊順壩、中洲護(hù)岸和直港進(jìn)口淺區(qū)挖槽疏浚工程。

圖1　陸溪口河段河勢(shì)示意圖Fig．1 Sketch map of regime in Luxikou reach

2 三峽工程蓄水前陸溪口河段演變特點(diǎn)及機(jī)理

2．1 陸溪口河段周期性演變特點(diǎn)

三峽工程蓄水前，陸溪口鵝頭分汊河段已經(jīng)經(jīng)歷了4個(gè)完整的演變周期，分別是1938—1957年、1957—1968年、1968—1984年、1984—2003年演變周期［2］。一個(gè)完整的演變周期通常以新洲洲頭串溝出現(xiàn)即新洲被切割成2部分為開(kāi)始，結(jié)束于老新洲并入中洲，左側(cè)心灘淤長(zhǎng)為新的新洲，亦即老中港萎縮消失，串溝沖刷發(fā)展為新中港，最近一個(gè)周期演變?nèi)鐖D2所示。在2003年，新洲被嚴(yán)重沖刷，洲頭被串溝切割成2部分，頭部淺灘高程在20 m以下，但串溝兩側(cè)16 m等高線連通，且新洲右緣淤積右移明顯，新的一輪演變周期開(kāi)始。

圖2　陸溪口河段周期演變示意圖Fig．2 Schematic diagram of periodic evolution in Luxikou reach

2．2 演變機(jī)理分析

地質(zhì)構(gòu)造和特殊邊界條件決定了鵝頭分汊河段彎曲程度和鵝頭汊道走向，由于河段進(jìn)口處南岸為斷裂帶形成的小丘、巖基，而在北岸則留下廣大的階地與河漫灘，從而使河槽向北岸擴(kuò)張，形成了陸溪口鵝頭分汊段［2－3］。鵝頭型汊道周期性演變的動(dòng)力條件是河段進(jìn)口單邊節(jié)點(diǎn)的挑流作用和來(lái)水來(lái)沙條件的變化。當(dāng)來(lái)流量比較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)挑流作用不明顯，主流進(jìn)入直港方向；當(dāng)流量＞20 000 m3／s時(shí)，斷面主流向左移動(dòng)，水流流向也明顯偏左，即在節(jié)點(diǎn)挑流作用下，主流進(jìn)入中港，新洲洲頭及中港遭受沖刷［4］。除與來(lái)流量大小相關(guān)外，節(jié)點(diǎn)挑流作用的強(qiáng)弱與上游河段河勢(shì)變化息息相關(guān)。當(dāng)上游界牌河段深泓沿右岸而下、緊貼赤壁市時(shí)，節(jié)點(diǎn)挑流作用增強(qiáng)，主流易進(jìn)入中港，有利于中港發(fā)展；反之，節(jié)點(diǎn)挑流作用弱，利于直港發(fā)展［5］。鵝頭分汊河段節(jié)點(diǎn)挑流作用的上述特點(diǎn)在新汊道初始發(fā)展時(shí)期至關(guān)重要。正是由于大流量時(shí)磯頭較強(qiáng)的挑流作用，主流易進(jìn)入中汊，使得新生的汊道即新中港初期迅速發(fā)展，中洲左緣崩退，并逐漸彎曲。后期，新中港的彎曲、平移的主要?jiǎng)恿υ騽t是彎道環(huán)流的作用［3］。

3 三峽工程蓄水后典型鵝頭分汊河段演變規(guī)律

受三峽工程蓄水影響，樞紐下游河段來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生調(diào)整，年內(nèi)特大流量和特小流量出現(xiàn)的機(jī)會(huì)均減小，而中枯水期增長(zhǎng)，來(lái)流量的變化導(dǎo)致鵝頭分汊河段進(jìn)口處單邊節(jié)點(diǎn)挑流作用相應(yīng)調(diào)整。

3．1 平面形態(tài)變化

3．1．1 深泓線平面變化

2003年三峽工程蓄水后陸溪口河段平面形態(tài)整體穩(wěn)定，但分流區(qū)深泓線平面位置及新洲洲頭平面調(diào)整幅度較大。

如圖3所示，深泓線平面位置變化較明顯的部位為分流區(qū)和汊道中下部，分流點(diǎn)位置變化與進(jìn)口處主流位置有很大相關(guān)性，上游河段深泓偏右岸時(shí)，來(lái)流直接頂沖赤壁市節(jié)點(diǎn)，挑流作用明顯。分流點(diǎn)上提（如2005年、2007年），且左汊深泓較為平順；而進(jìn)口處深泓偏左岸時(shí)，主流需逐漸向右過(guò)渡到赤壁山處深槽而后頂沖挑流節(jié)點(diǎn)，挑流作用大為削弱。分流點(diǎn)下移（如2003年、2011年），左汊深泓蜿蜒曲折。另外，直港中下段深泓平面擺動(dòng)明顯，且呈逐漸左移趨勢(shì)，中港出口處深泓同樣逐漸左移但幅度有限。

圖3　蓄水后陸溪口河段平面形態(tài)變化Fig．3 Plane form variation of Luxikou reach after impoundment of Three Gorges Project

3．1．2 洲灘平面變化

2003年以來(lái)，中洲整體位置左移幅度已很小，演變主要表現(xiàn)在右緣及洲尾沖刷崩退，呈逐年沖刷趨勢(shì)，但由于受堤防控制，沖刷幅度有限。而新洲則經(jīng)歷了明顯的沖淤調(diào)整，根據(jù)新洲20 m等高線變化可知，蓄水至2007年，頭部略有沖刷，此后大幅淤積，面積增大，至2011年，面積增加近1倍。2003年至2007年蓄水初期，新洲洲頭嚴(yán)重沖刷，串溝的出現(xiàn)說(shuō)明河段遵循蓄水前演變規(guī)律進(jìn)入新一輪的周期演變中；但2007年之后，由于人為采取了守護(hù)新洲、封堵串溝等相應(yīng)的整治措施，遏制了河段分汊格局進(jìn)一步變化，新洲又恢復(fù)淤積，面積增加，形態(tài)恢復(fù)至蓄水前的半梭形。

3．2 橫斷面沖淤調(diào)整

沖積平原河道的演變中，橫斷面變化往往來(lái)得更迅速。陸溪口河段4個(gè)典型橫斷面進(jìn)行分析，斷面位置見(jiàn)圖1，斷面沖淤調(diào)整見(jiàn)圖4。

圖4　蓄水后陸溪口河段典型斷面沖淤調(diào)整圖Fig．4 Variations of scouring and silting at typical sections in Luxikou reach after impoundment

由橫斷面沖淤調(diào)整可得到以下結(jié)論：

（1）2003年三峽工程蓄水后新洲經(jīng)歷了先沖后淤過(guò)程，中部洲頂高程變化最為明顯，而洲頭和洲尾主要表現(xiàn)為位置擺動(dòng)，即左右緣沖淤明顯。兩岸15 m以下高程岸坡則仍遵循彎道內(nèi)洲灘“凸岸淤積、凹岸沖刷”的規(guī)律，整體位置略有左移。但當(dāng)新洲上有串溝通過(guò)時(shí)，新洲表現(xiàn)為左岸高灘沖刷明顯，而此時(shí)右岸及直港多表現(xiàn)為淤積，因此可知串溝出現(xiàn)為新洲穩(wěn)定性及直港河槽造成嚴(yán)重影響。

（2）蓄水后直港和中港沖淤調(diào)整不同，直港總體呈先淤積后沖刷趨勢(shì)，下切幅度大于淤高幅度，斷面以展寬為主，而中港表現(xiàn)為先沖刷后淤積，斷面也先展寬后縮窄。

（3）同一年份，河段灘槽沖淤也不同步，尤其是直港與新洲對(duì)比非常明顯，直港河槽與新洲呈此沖彼淤態(tài)勢(shì)，表現(xiàn)為大水時(shí)淤槽沖灘，小水時(shí)淤灘沖槽。

3．3 汊道沖淤調(diào)整及分流格局變化

由深泓高程沿程變化（圖5）可知：蓄水后，直港先淤積后沖刷，2009年之前，以淤積為主，且進(jìn)口條件不斷惡化，深泓沿程起伏增大；2009年之后，由于人為因素影響，直港進(jìn)口條件明顯改善，帶來(lái)了汊道內(nèi)的沿程沖刷。而中港則在蓄水初期呈現(xiàn)逐年沖刷趨勢(shì)，深泓平均高程下降，深泓沿程起伏程度減小，比降增大，因此認(rèn)為中港處于持續(xù)發(fā)展階段，而2009年之后，中港水動(dòng)力條件減弱，出現(xiàn)泥沙大幅落淤現(xiàn)象。

圖5　陸溪口汊道深泓縱剖面變化示意圖Fig．5 Thalweg changes of braided waterways in Luxikou reach

表1　陸溪口河段各汊道分流比變化Table 1 Variations of diversion ratio of braided channels in Luxikou reach

蓄水后陸溪口鵝頭分汊河段汊道格局（表1）產(chǎn)生了較大變化，主流由直港擺向中港后又回到直港。蓄水前直港為主汊道，而蓄水后直港分流比逐漸下降，中港分流比不斷增大，至2009年中港分流比達(dá)60%以上。此后航道整治工程的實(shí)施導(dǎo)致直港分流比又增大，至2011年汛期，直港分流比已超過(guò)50%，主流又重新擺向直港。

3．4 三峽工程蓄水后河段演變特性

2003年三峽工程蓄水后河段水流動(dòng)力軸線擺動(dòng)仍是在變化水沙條件下，特定河床邊界條件及上下游河勢(shì)調(diào)整綜合因素作用下產(chǎn)生。蓄水后陸溪口河段年內(nèi)＞20 000 m3／s的流量出現(xiàn)時(shí)間減少，但受上游河勢(shì)調(diào)整的影響，進(jìn)口主流移至右岸導(dǎo)致其直接頂沖赤壁山節(jié)點(diǎn)，因此節(jié)點(diǎn)挑流作用依然較明顯，尤其在2005—2009年，主流進(jìn)入中港，造成中港的持續(xù)沖刷發(fā)展。此后進(jìn)口主流左移，節(jié)點(diǎn)挑流減弱，且受河段整治工程的影響，主流右移更易進(jìn)入直港。

2011年雖然主流移至直港，但2汊分流比相差很小，中港并沒(méi)有呈現(xiàn)明顯衰亡趨勢(shì)。同時(shí)也應(yīng)該看到，年內(nèi)主流擺動(dòng)規(guī)律與蓄水前有所不同，2011年汛期及汛后主流均進(jìn)入直港，這說(shuō)明直港進(jìn)口的挖槽工程導(dǎo)致汊道分流區(qū)水流的歸槽作用增強(qiáng)，因此當(dāng)流量＞20 000 m3／s時(shí)，主流仍進(jìn)入直港。說(shuō)明航道整治工程也在一定程度上對(duì)汊道進(jìn)口處赤壁山節(jié)點(diǎn)挑流作用產(chǎn)生影響，從目前有限資料來(lái)看，右汊進(jìn)口的挖槽工程會(huì)減弱河段進(jìn)口單邊節(jié)點(diǎn)的挑流作用。

因此認(rèn)為蓄水后，河段進(jìn)口單邊節(jié)點(diǎn)挑流作用仍然存在，中港仍有沖刷發(fā)展的可能，但受上游邊界條件影響挑流作用將有所減弱，直港水流歸槽作用增強(qiáng)，直港處于沖刷發(fā)展過(guò)程。但由于直港河槽發(fā)展多為人為因素造成，因此不排除直港泥沙自下向上產(chǎn)生回淤的可能，而此時(shí)赤壁山挑流作用將有所恢復(fù)，主流可能擺向中港。總之，今后幾年，預(yù)計(jì)中港不會(huì)產(chǎn)生持續(xù)性淤積衰亡，中港和直港分庭抗禮之勢(shì)會(huì)持續(xù)存在。

4 結(jié) 論

（1）自然情況下，陸溪口分汊段汊道間的交替演變以新洲切割形成新中港為開(kāi)始，新中港不斷發(fā)展，最終以與老中港合并為結(jié)束。已經(jīng)歷4個(gè)完整演變周期，2003年進(jìn)入新一輪演變中。

（2）陸溪口鵝頭型汊道形態(tài)及汊道走向主要由地質(zhì)構(gòu)造和特殊邊界條件，汊道演變交替的主要?jiǎng)恿l件是節(jié)點(diǎn)挑流作用隨流量變化而改變以及彎道環(huán)流的作用。

（3）蓄水后，鵝頭分汊河段周期性演變規(guī)律仍然存在，且由于水流含沙量大幅降低，造床作用增強(qiáng)，因此河床沖淤調(diào)整更為劇烈，周期演變速率也有所加快。即陸溪口河段進(jìn)入新一輪演變周期，新洲洲頭被沖刷，產(chǎn)生串溝且處于發(fā)展趨勢(shì)，直港淤積，分流比降低。

（4）蓄水后，河段航道整治工程的實(shí)施，穩(wěn)定了新洲洲體，防止其被切割，遏制了直港進(jìn)一步淤積的進(jìn)程，有效改善了航道條件。但由于進(jìn)口挑流節(jié)點(diǎn)、河段水沙條件及上游河勢(shì)等因素始終對(duì)汊道格局調(diào)整產(chǎn)生作用，航道整治效果的發(fā)揮略有滯后。且由于工程本身與河床的劇烈沖淤調(diào)整存在一定耦合關(guān)系，對(duì)已建工程結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定性造成不利影響，需加強(qiáng)觀測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 馬有國(guó)，高幼華．長(zhǎng)江中下游鵝頭型漢道演變規(guī)律的分析［J］．泥沙研究，2001，（1）：11－15．

［2］ 陳 立，仰雨菡，陳 珊，等．鵝頭分汊河段汊道交替演變動(dòng)力和周期的變化分析［J］．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2014，33（4）：126－131．

［3］ 冷 魁，羅海超．長(zhǎng)江中下游鵝頭型分汊河道的演變特征及形成條件［J］．水利學(xué)報(bào)，1994，（10）：82－89．

［4］ 姚仕明，張 超，王 龍，等．分汊河道水流運(yùn)動(dòng)特性研究［J］．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2006，25（3）：49－52．

［5］ 劉 亞，姚仕明，李義天．陸溪口汊道演變對(duì)界牌河段河勢(shì)變化的響應(yīng)分析［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013，30（9）：5－10．

（編輯：姜小蘭）

Evolution of Goose?head Braided Channels in Luxikou Reach

YAN Xia1，2，CHEN Li3，YAO Shi?ming1，JIN Zhong?wu1，2，DENG Cai?yun1，3
（1．River Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Collaborative Innovation Center for Geo?hazards and Eco?environment in Three Gorges Area，Hubei Province，Yichang 443002，China；3．State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Abstract：Luxikou reach is a typical goose?head braided channel in the middle and lower reaches of Changjiang

River．Before the impoundment of the Three Gorges Project，channel evolution shows periodic tendency due to flow deflecting caused by single?side node in inlet of channel and bend circulation effect．After the impoundment，the e?volution regularity of scouring and silting changes under the influences of water and sediment in upper reach and human activities．According to theoretic analysis and measured data，we carry out research the periodic evolution of Luxikou goose?head braided reach．The results show that periodic evolution still exists，and adjustment of scouring and silting even speeds up due to the decrease of incoming sediment from upstream．Furthermore，the head of Xinzhou sandbar suffers severe erosion，and erosion ditch occurs．Meanwhile，sediment deposition is serious in the inlet of Zhigang，which leads to adjustment of flow distribution pattern and bad channel condition．After the imple?mentation of artificial waterway engineering，the river regime gradually tends to be stable，but the inherent effect on cyclical evolution of river reach still exists，bringing out a negative effect on navigation conditions and regulation projects．

Key words：goose?head braided channels in Luxikou reach；evolution of river bed；periodicity；adjustment of scou?ring and silting；mechanism study

作者簡(jiǎn)介：閆 霞（1986－），女，河北邢臺(tái)人，工程師，碩士，從事河流動(dòng)力學(xué)及工程泥沙問(wèn)題研究工作，（電話）027－82829873（電子信箱）yxi?awhu＠163．com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11472199，51379018，51479009）

收稿日期：2014－12－02；修回日期：2015－01－13

中圖分類(lèi)號(hào)：TV143

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－5485（2016）03－0001－04