長(zhǎng)江中游天興洲河段河床演變與航道整治思路研究

葉志偉

(長(zhǎng)江航道局，武漢 430010)

長(zhǎng)江中游天興洲河段位于武漢主城區(qū)，左臨江岸區(qū)、右靠青山區(qū)，上起余家頭、下迄羅家咀，全長(zhǎng)約14 km。河段為微彎分汊河型，兩頭窄中間寬，天興洲將河道分為左右兩汊[1]：左汊為沙口水道，已淤淺多年；右汊為青山夾水道，自1958年開(kāi)辟為主航道以來(lái)一直為主航道所在。本河段左岸存在漢江入?yún)R，在漢江發(fā)生秋汛時(shí)，兩江交匯口出現(xiàn)超常淤積，影響汊道進(jìn)口的航道條件好壞[2-3]。隨著武漢市主城區(qū)河段綜合治理的加快，河勢(shì)控制工程逐漸完善，貼靠主流的岸線以及天興洲洲頭均已實(shí)施守護(hù)工程。目前本河段的河勢(shì)已基本穩(wěn)定，右汊為絕對(duì)主汊，為航道所在。長(zhǎng)江主流過(guò)長(zhǎng)江大橋后沿右岸武昌深槽下行，至徐家棚附近平順進(jìn)入天興洲右汊，在水口附近左右汊匯流后沿左岸出本河段。該水道示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 長(zhǎng)江中游天興洲河段河勢(shì)圖Fig.1 Sketch of Tianxingzhou reach at the midstream of the Yangtze River

1 河道及航道概況

天興洲右汊進(jìn)口多年來(lái)一直存在口門(mén)淺區(qū)，影響航道條件的穩(wěn)定。目前該河段所在的武漢至安慶河段枯水期航道維護(hù)水深為4.5 m，在“十三五”期武漢至安慶段航道水深得到6.0 m。

2 河床演變分析

20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著近代以來(lái)護(hù)岸工程強(qiáng)度的加大，該河段順直微彎分汊的河道形態(tài)在節(jié)點(diǎn)以及護(hù)岸工程的約束下，一直保持穩(wěn)定[4]。河道中洲灘數(shù)量、位置等也基本保持了穩(wěn)定，新一輪的主泓調(diào)整在1970年以后逐漸進(jìn)入穩(wěn)定期，汊道格局至今未發(fā)生變化，但局部沖淤調(diào)整依然存在，天興洲洲頭及洲頭低灘的變化成為了天興洲河段近期演變的主要特點(diǎn)。

2.1 汊道演變

圖2 天興洲汊道分流比與漢口站流量關(guān)系Fig.2 Relation between the branching ratio of branch channel of Tianxingzhou reach and the flow rate of Hankou station

20世紀(jì)60年代末，左右汊河床深泓高程相近，右汊汛期的分流比超過(guò)50%、分沙比大于45%，枯水期分流分沙比則大于65%，右汊基本占據(jù)了主汊地位。20世紀(jì)70年代末，汛期右汊分流分沙比在60%左右；而枯水期右汊分流分沙比已達(dá)到85%。根據(jù)1998～2012年天興洲汊道分流分沙觀測(cè)資料，當(dāng)斷面總流量小于40 000 m3/s時(shí)，右汊分沙比略大于分流比，其分流分沙比一般在65%以上；當(dāng)斷面總流量大于40 000 m3/s時(shí)，右汊分沙比則略小于分流比，其分流分沙比一般在65%以下。天興洲汊道左汊分流比隨流量增大而增大的現(xiàn)象，是與該河段平面形態(tài)特點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的[5]。天興洲上游河道順直，天興洲處于長(zhǎng)江東北流向折往東南流向的轉(zhuǎn)折位置，左汊與上游平順銜接，汛期流量增大，水流動(dòng)力軸線左移，使得左汊處于迎流狀態(tài)，不僅分流比增大，而且水流挾帶更多的泥沙進(jìn)入左汊；枯水期流量減小，主流南移歸槽，水流動(dòng)力軸線右移，左汊分流比減小，分沙比略小于分流比。三峽水庫(kù)蓄水后，水庫(kù)調(diào)蓄作用使徑流過(guò)程發(fā)生變化，洪峰出現(xiàn)頻率和洪峰量值均減小，這種變化減小了左汊過(guò)流幾率，不利于左汊過(guò)流能力的維持。從近些年來(lái)天興洲汊道分流比觀測(cè)資料來(lái)看(圖1)，2008年后天興洲左汊分流比已明顯減小，中枯水流量下分流比減小值約為5%(圖2)。

圖3 天興洲河段深泓線變化(2004～2014)Fig.3 Thalweg change of Tianxingzhou reach(2004～2014)

2.2 洲體及灘槽變化

2.2.1 漢口邊灘變化

天興洲河段上游的武昌深槽深泓常年保持穩(wěn)定(圖3)，天興洲右汊進(jìn)口區(qū)域深泓受天興洲洲頭低灘年際、年內(nèi)沖淤調(diào)整而頻繁左右擺動(dòng)或上提下移，天興洲右汊進(jìn)口礙航淺區(qū)正是位于該位置。

套繪歷年漢口邊灘2 m等深線(圖4)可以看出，漢口邊灘不同年代之間的變化主要表現(xiàn)為灘寬的縮漲變化，以及主灘體的上下移動(dòng)。漢口邊灘在漢江入?yún)R口武漢關(guān)附近生成后，在長(zhǎng)順直河道水沙條件的作用下，逐年平行下移，形態(tài)也發(fā)生改變，當(dāng)灘體移至長(zhǎng)江二橋以下時(shí)，漢口邊灘與天興洲洲頭低灘連為一體，隨后，隨著天興洲洲頭低灘的逐漸沖失，新一輪的漢口邊灘灘體在武漢關(guān)附近再次形成。

圖4 漢口邊灘2 m等深線變化Fig.4 Change of 2 m isobath of Hankou beach

2.2.2 天興洲洲體變化

自20世紀(jì)70年代天興洲汊道完成主支汊轉(zhuǎn)換以來(lái)，天興洲洲頭、洲尾均呈下移趨勢(shì)，洲頭下移幅度更大，洲體中部呈左移趨勢(shì)，即左緣淤長(zhǎng)，右緣崩退；天興洲洲頭和洲尾的年內(nèi)變化，一般汛期洲頭沖刷洲尾淤積，枯季洲頭淤積洲尾沖刷。從20世紀(jì)80年代以來(lái)天興洲高灘的變化來(lái)看，至20世紀(jì)80年代末期，天興洲洲體的橫向移動(dòng)已逐漸減小，而洲頭持續(xù)崩退，特別是20世紀(jì)90年代連續(xù)遭遇1996、1998、1999年大洪水以后，天興洲洲頭崩退速度有所加快。至2003年12月，洲頭右緣崩岸部位已到達(dá)正在建設(shè)的天心洲大橋橋址上游約180 m處。天興洲洲頭守護(hù)工程于2004年實(shí)施后，天興洲洲頭及其右緣岸線保持了穩(wěn)定，崩退現(xiàn)象得到遏制[6]。

圖5 天興洲洲頭10.0 m等深線變化(85高程)Fig.5 Change of 10 m isobath about head of Tianxingzhou (85 elevation)

2.2.3 天興洲洲頭低灘變化

天興洲洲頭低灘的形成，與天興洲洲頭高灘的大幅后退息息相關(guān)。20世紀(jì)60年代，天興洲洲頭低灘不明顯，由于80年代、90年代連續(xù)出現(xiàn)較大洪峰，汛期天興洲洲頭附近強(qiáng)烈的由左向右的橫流切割洲頭而形成心灘。在天興洲洲頭高灘持續(xù)大幅向下游退縮的過(guò)程中，中枯水河寬增大，導(dǎo)致洲頭附近出現(xiàn)大片淤積區(qū)，洲頭心灘逐漸淤高長(zhǎng)大。2004年實(shí)施天興洲洲頭守護(hù)工程的同時(shí)，洲頭心灘與高灘之間的竄溝被封堵，心灘與天興洲洲頭相連而形成大片低灘[6-7]。近些年來(lái)，該低灘年內(nèi)、年際均表現(xiàn)出不穩(wěn)定的特點(diǎn)(圖5)。

2.2.4 灘槽演變的關(guān)聯(lián)性

(1)漢口邊灘灘形低矮狹長(zhǎng)，其灘尾與天興洲洲頭低灘沖淤同步。

分析洲頭低灘變化過(guò)程中其上游漢口邊灘尾部的形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，2007年洲頭低灘退縮嚴(yán)重的時(shí)候，也正是漢口邊灘尾部萎縮嚴(yán)重的時(shí)期，而2008～2009年漢口邊灘淤積體下移至尾部時(shí)，也正是洲頭低灘大幅淤積的時(shí)期，漢口邊灘尾部直至低灘頭部淤積成為一體。從洲頭低灘的形態(tài)來(lái)看，低灘灘脊始終指向上游左側(cè)的漢口邊灘尾部，而洲頭低灘尾部偏于天興洲洲頭右側(cè)指向右汊深槽。此灘脊走向與洲頭水沙輸移自左向右的方向極為吻合。同時(shí)，實(shí)測(cè)資料顯示，當(dāng)漢口邊灘尾部寬度較大時(shí)，漢口邊灘有較多的沙量向下游的天興洲洲頭低灘補(bǔ)充，天興洲洲頭低灘灘脊與漢口邊灘尾部灘脊線相連，當(dāng)漢口邊灘尾部寬度較窄時(shí)，能夠向洲頭低灘補(bǔ)充的沙量較少，枯期漢口邊灘灘脊與洲頭低灘灘脊斷開(kāi)。由此可見(jiàn)，漢口邊灘尾部灘地的大小，對(duì)洲頭低灘的年際沖淤影響甚大。當(dāng)漢口邊灘尾部灘地寬度較大時(shí)，洲頭低灘形態(tài)也比較完整，兩者枯期甚至連為一片；當(dāng)漢口邊灘尾部灘地寬度較小時(shí)，洲頭低灘沖刷后退、形態(tài)矮小，說(shuō)明以漢口邊灘形態(tài)為代表的上游河勢(shì)對(duì)于天興洲洲頭低灘的完整性有較為明顯的影響。

(2)天興洲河段上游單一放寬段內(nèi)武昌深槽常年保持穩(wěn)定，其右汊進(jìn)口區(qū)域受天興洲洲頭低灘年際、年內(nèi)沖淤調(diào)整而使得深槽頭部穩(wěn)定性較差。

天興洲河段進(jìn)口受龜山、蛇山節(jié)點(diǎn)控制，河道斷面形態(tài)長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，深泓也穩(wěn)定居于河道右側(cè)。漢江入?yún)R口至徐家棚一帶，河寬較小、漢口邊灘高大完整，深泓也長(zhǎng)期穩(wěn)定居于右側(cè)武昌深槽內(nèi)。部分年份隨著漢口邊灘的沖淤，武漢關(guān)附近深泓雖有一定幅度的擺動(dòng)，但擺幅不大，最大擺幅在200 m以?xún)?nèi)。徐家棚以下逐漸進(jìn)入天興洲分汊段，深泓分為左右兩支，深泓分汊位置及深泓走向均變化較大。受天興洲洲頭低灘沖淤調(diào)整影響，漢口水道至天興洲河段過(guò)渡區(qū)域內(nèi)深泓擺動(dòng)幅度較大，當(dāng)天興洲洲頭低灘高大完整時(shí)，深泓自長(zhǎng)江二橋以下直接進(jìn)入天興洲右汊，上下深泓銜接平順，天興洲右汊進(jìn)口10 m等深線大幅上提至丹水池附近，航道條件較好，4 m等深線寬度可達(dá)400 m以上；當(dāng)洲頭低灘沖刷后退時(shí)，右汊進(jìn)口10 m線相應(yīng)后退至堤角一帶，深泓走向彎曲，過(guò)渡區(qū)域較長(zhǎng)，航道條件有所惡化。

(3)天興洲洲頭低灘的沖淤變化與河段內(nèi)水流動(dòng)力條件的分布特點(diǎn)和年內(nèi)、年際變化息息相關(guān)，與本河段附近支流入?yún)R、涉水橋梁工程建設(shè)等關(guān)系不大。

根據(jù)以往實(shí)測(cè)流速資料，武漢河段內(nèi)上段順直段隨著流量的增大，斷面流速趨向均勻，河道左側(cè)流速明顯增加，主流有向河道左側(cè)擺動(dòng)趨勢(shì)，且流量越大趨勢(shì)越強(qiáng)；下段分汊段武昌深槽及天興洲汊道右汊的吸流作用趨向于使主流位置居于河道右側(cè)，且流量越小，這種作用越強(qiáng)。由此使得長(zhǎng)江大橋直至天興洲洲頭低灘附近的長(zhǎng)河段內(nèi)主流位置在汛枯期之間左右擺動(dòng)，且主流位置由左向右的過(guò)渡段隨著流量的增減而上提下移，當(dāng)流量處于25 000～40 000 m3/s的中洪水期時(shí)，洲頭低灘附近正是主流由左向右的過(guò)渡區(qū)，此水流條件的長(zhǎng)期持續(xù)作用將直接影響天興洲洲頭低灘的穩(wěn)定性。由此決定了天興洲洲頭低灘的完整性，將隨著各年內(nèi)中、洪水流量級(jí)的持續(xù)時(shí)間而發(fā)生明顯調(diào)整。

通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析漢江與長(zhǎng)江洪、中、枯在內(nèi)的不同流量以及不同來(lái)流組合條件下的河道水流特性表明：天興洲汊道分流比主要決定于干支流匯合后的總流量，組合的比例對(duì)分流比影響不大，分流比僅有約0.2%的差別。同時(shí)，數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析了緊鄰天興洲汊道上方的二七長(zhǎng)江大橋橋墩阻水引起水流條件變化所能達(dá)到的量級(jí)和范圍表明：橋墩對(duì)天興洲汊道的分流比影響較小，中枯水流量下幾乎無(wú)影響，即使50 000 m3/s流量下橋墩引起的右汊分流比增幅也僅0.3%。

因此，造成天興洲洲頭低灘沖淤的水動(dòng)力條件主要是由該河段河道形態(tài)所決定的，支流入?yún)R以及涉水橋梁工程對(duì)其影響甚小，由于年際之間不同流量級(jí)持續(xù)時(shí)間發(fā)生變化，引起了洲頭低灘沖淤調(diào)整。

2.3 河床演變趨勢(shì)分析

武漢城區(qū)河段兩岸已被天然磯頭和護(hù)岸工程所限制，天興洲河段順直微彎分汊的平面形態(tài)穩(wěn)定少變。天興洲河段主支懸殊的總體分汊河勢(shì)格局將長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，天興洲洲頭以上放寬段內(nèi)的低灘演變會(huì)造成局部中枯水河勢(shì)不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致此河段出現(xiàn)淺灘礙航問(wèn)題，因而天興洲洲頭以上的放寬段是航道整治關(guān)注的重點(diǎn)位置，該位置的水沙輸移和灘槽調(diào)整主要受到上游河勢(shì)、天興洲洲頭位置、來(lái)水來(lái)沙條件、洲頭低灘完整性等4個(gè)方面的影響。天興洲洲頭低灘的總體趨向萎縮，青山夾進(jìn)口淺區(qū)將出現(xiàn)不能滿(mǎn)足規(guī)劃目標(biāo)尺度的不利局面，成為本河段最主要的航道問(wèn)題。

2.4 礙航特性

天興洲右汊進(jìn)口淺區(qū)的航道條件主要受天興洲洲頭低灘大小制約，當(dāng)天興洲洲頭低灘高大完整時(shí)，右汊進(jìn)口沖深展寬，航道條件較為良好；洲頭低灘大幅度沖刷后退時(shí)，右汊進(jìn)口大幅度淤淺，航道條件急劇惡化。2010年后，天興洲洲頭低灘進(jìn)入新一輪的蝕退期，受2011年汛后長(zhǎng)江流量偏枯、漢江發(fā)生特大秋汛的特殊影響，漢口邊灘急劇淤高漲大。2010～2012年間天興洲右汊進(jìn)口4.5 m航寬縮窄110 m，結(jié)合三峽蓄水后的水沙變化趨勢(shì)，短期內(nèi)，天興洲洲頭低灘沖刷后退的趨勢(shì)將持續(xù)存在，天興洲河段將極有可能出現(xiàn)更為不利的礙航局面。

3 治理措施

3.1 治理思路

1998年大洪水后，天興洲洲頭加速崩退，青山夾進(jìn)口明顯展寬，雖然2004年實(shí)施了洲頭守護(hù)工程后遏止了這一不利趨勢(shì)，但洲體崩退的不利影響已經(jīng)產(chǎn)生，河道展寬，洲頭區(qū)域水流不穩(wěn)定，加上上游輸沙補(bǔ)給的間歇性，洲頭低灘亦不穩(wěn)定，呈現(xiàn)沖淤交替的演變特點(diǎn)，成為了影響右汊進(jìn)口航道條件好壞的關(guān)鍵。洲頭低灘的總體萎縮將更易出現(xiàn)礙航的不利局面。因此，本河段總體治理思路為：通過(guò)實(shí)施守護(hù)工程，穩(wěn)定目前較好的灘槽形態(tài)，依托當(dāng)前較好的洲頭低灘形態(tài)，約束漫灘水流，引導(dǎo)水流較平順進(jìn)入青山夾的作用，從而達(dá)到穩(wěn)定目前較好航道條件的目的，實(shí)現(xiàn)4.5 m航道水深貫通，寬度達(dá)到200 m。

3.2 整治工程方案研究

為了實(shí)現(xiàn)本工程的治理目標(biāo)，在定床模型試驗(yàn)及推薦方案的基礎(chǔ)上[8-9]，提出了兩組試驗(yàn)方案：方案一采用一縱兩橫組成魚(yú)骨型護(hù)灘守護(hù)天興洲洲頭低灘，縱向護(hù)灘帶頭部為扇形集中守護(hù)，兩道條型護(hù)灘帶守護(hù)洲頭右緣灘體；方案二采用一縱四道橫向護(hù)灘帶組成魚(yú)骨型護(hù)灘守護(hù)天興洲洲頭低灘；兩道條型護(hù)灘帶守護(hù)洲頭右緣灘體。以2012年1月實(shí)測(cè)河道地形為初始地形，對(duì)兩方案分別進(jìn)行了典型年及系列年試驗(yàn)研究[9]。研究結(jié)果表明：兩方案的主體均是采用護(hù)灘帶對(duì)天興洲洲頭低灘進(jìn)行守護(hù)，整治建筑物高程均較低，工程實(shí)施后，對(duì)試驗(yàn)河段的沿程水位、近岸流速、分流比等影響均較小，兩個(gè)方案均能滿(mǎn)足規(guī)劃目標(biāo)尺度。兩個(gè)方案實(shí)施后，天興洲洲頭低灘-5 m線上提約700 m左右， 0 m線基本與左側(cè)邊灘連成一片，有效的維持了洲頭低灘的完整形態(tài)。由于方案一壅水促淤效果明顯，扇形區(qū)回淤明顯，對(duì)洲頭低灘的守護(hù)效果較方案二略強(qiáng)，方案一在設(shè)置加糙促淤柵格之后，加糙促淤柵格對(duì)減緩工程前沿灘面流速，促進(jìn)灘體淤積，對(duì)扇形區(qū)的穩(wěn)定、扇形頭部前沿低灘的保護(hù)效果以及沖刷坑的抑制均略?xún)?yōu)于方案二。分析工程穩(wěn)定性以及工程規(guī)模等因素，綜合考慮，確定方案一作為工程的推薦方案(圖6)。

圖6 天興洲河段整治工程推薦方案布置圖Fig.6 Arrangement diagram of recommended solution on waterway regulation of Tianxingzhou reach

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)測(cè)資料和演變分析表明，天興洲洲頭低灘的形態(tài)是影響河段航道條件好壞的關(guān)鍵。目前雖然洲頭低灘有所回淤，河段內(nèi)航道條件能滿(mǎn)足規(guī)劃尺度，但從趨勢(shì)來(lái)看，洲頭低灘難以維持穩(wěn)定，航道條件將隨著低灘的逐漸萎縮而變差。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江中游天興洲河段河床演變特點(diǎn)的分析，提出了一縱兩橫組成魚(yú)骨型護(hù)灘守護(hù)天興洲洲頭低灘，兩道條型護(hù)灘帶守護(hù)洲頭右緣灘體的工程措施，穩(wěn)定洲頭低灘，控制關(guān)鍵部位，防止洲頭低灘沖刷萎縮引起航道條件惡化，維持較好航道條件，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)。