長江下游鰻魚沙心灘演變特征及趨勢分析

(長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210000)

鰻魚沙心灘水域位于長江下游揚中河段左汊。由于該段呈長順直寬淺形態(tài)，主流擺動不定，心灘存在其中，左右深槽沖淤變化較大，容易導(dǎo)致兩側(cè)航槽水深和航寬不足，是長江下游主要礙航淺灘之一[1]。鰻魚沙心灘是否穩(wěn)定，將直接影響到長江下游12.5 m深水航道的建設(shè)，因此掌握其演變規(guī)律是十分必要的。

以往國內(nèi)關(guān)于鰻魚沙心灘的研究主要圍繞河段歷史演變和近期演變現(xiàn)象展開，幾條順直水道演變的特點可歸納如下：長順直的河道屬性是淺灘形成的前提[1]，心灘與左、右兩槽沖淤變化密切相關(guān)[2]。研究內(nèi)容大多僅限于針對已有現(xiàn)象的總結(jié)，未能揭示河床邊界與水沙條件的內(nèi)在聯(lián)系。本文在總結(jié)鰻魚沙心灘演變特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了鰻魚沙心灘水流特性，研究水沙條件和河床邊界條件的共同作用對河床演變的影響，并對其演變趨勢進(jìn)行了預(yù)測。

1 河道概況

1.1 河道基本情況

揚中河段上起五峰山，下迄江陰鵝鼻咀，主汊(左汊)總長 91.7 km，河段進(jìn)出口均由山巖、石磯形成良好的天然節(jié)點控制。太平洲洲體長 31.0 km，最寬處 11.0 km，是長江下游最大的江心洲。揚中河段按形態(tài)及水流特性可分為上下兩個特征河段，五峰山至界河口為上段，屬彎曲分汊河段，其間包含了太平洲、落成洲、祿安洲、炮子洲等江心洲，水流分汊，鰻魚沙心灘即位于太平洲左汊；界河口至鵝鼻咀為下段，俗稱江陰水道，全長 24.4 km，河道平面型態(tài)兩頭窄、中間寬，進(jìn)口段受右岸天生港磯頭岸壁的控制，河寬約1.8 km。

揚中河段河勢見圖1。

1.2 水文泥沙特征

(1)潮位。揚中河段潮位受長江徑流與潮汐雙重影響，為非正規(guī)半日潮。潮位每個太陽日兩漲兩落，并且受上游徑流影響，年內(nèi)變幅較大。

圖1 揚中河段河勢

(2)來水來沙。長江下游感潮河段與非感潮河段的分界點位于安徽池州的大通水文站附近。據(jù)統(tǒng)計，大通站以下干流區(qū)間入江流量約占大通站流量的3%左右，因此大通水文站的流量、泥沙特征基本能代表長江下游來水、來沙的基本特征。

三峽水庫蓄水后以小水少沙年為主，大通站2002年前多年平均年徑流量為9 052億m3，多年平均年輸沙量為 4.27億t，2003～2012多年平均年徑流量較2002年前平均值減小約 7.8%，平均年輸沙量較2002年前減小 66.0%。表明自2003年以來大通站輸沙量減小明顯。從來水來沙的年內(nèi)分配來看，大通水文站年內(nèi)來水來沙主要集中在汛期，5～10月來水量約占全年的70.7%，來沙量約占全年的87.3%。大通站流量泥沙特征值統(tǒng)計見表1。

表1 大通水文站流量、泥沙特征值統(tǒng)計(1951～2012年)

(3)分流、分沙比。根據(jù)四十多年實測太平洲、落成洲的分流、分沙資料統(tǒng)計分析，太平洲左汊分流在90%左右，歷年變幅小于 3.5%，基本保持穩(wěn)定，分沙比的變化稍大于分流比，歷年變幅小于 8.0%；落成洲右汊分流比1985年為14.1%，分沙比為12.6%，1991年后右汊有所發(fā)展。

2 河床演變分析

2.1 演變特性

鰻魚沙心灘多年來主要經(jīng)歷了“形成-發(fā)展-萎縮-恢復(fù)-調(diào)整”的演變過程。20世紀(jì)50～90年代，上段嘶馬彎道崩岸嚴(yán)重，一部分泥沙由于彎道環(huán)流的作用在對岸邊灘及落成洲上落淤，一部分泥沙下移至順直河段落淤，導(dǎo)致江心形成散亂心灘——鰻魚沙，加上該時期長江下游多為水少沙多的年份，鰻魚沙心灘發(fā)育至歷史最高形態(tài)，河道斷面形成兩槽一灘的“W”形態(tài)，河道主流在二墩港附近分兩支進(jìn)入鰻魚沙左、右槽。90年代中后期長江頻發(fā)大洪水，因心灘位于順直河道中心，受水流沖刷影響，心灘頭部沖退、尾部下移，總體呈萎縮態(tài)勢，灘尾受下游河寬的限制基本穩(wěn)定。2001年以后，江中又出現(xiàn)零星心灘，并逐漸恢復(fù)淤長，灘面最高點位置依然在尾部，2005年心灘尾部最高點高程達(dá)-0.7 m，至2006年心灘頭部向上游淤進(jìn)，中部刷深，形成上、下兩段，灘體基本得到恢復(fù)。2006～2011年，心灘位置雖變化不大，但已分裂為零散灘體，灘體范圍明顯縮小，心灘下段幾乎沖失，灘面高程降至-8 m左右。

鰻魚沙心灘-10 m心灘歷年變化示意見圖2。

2.2 影響因素分析

影響河床演變的主要因素可概括為進(jìn)口條件、出口條件及河床邊界條件[3]。對于太平洲分汊段，上游大港水道和下游江陰水道，多年來河勢穩(wěn)定，對河床演變的影響較小；對于鰻魚沙心灘，上游嘶馬彎道持續(xù)發(fā)展，二墩港抗沖節(jié)點一直存在，特殊的河床形態(tài)和邊界條件決定了不同流量下河段內(nèi)水沙輸移的特性，對河床演變有顯著的影響；同時揚中河段的河道整治工程和航道整治工程也對鰻魚沙水域的穩(wěn)定起到了積極作用。

圖2 鰻魚沙心灘-10 m心灘歷年變化

2.2.1 進(jìn)口水沙條件對鰻魚沙心灘的影響

嘶馬彎道為太平洲左汊的上段，其演變特點直接影響到下游鰻魚沙心灘的發(fā)展。嘶馬彎道上起三江營，下至高港，為向左彎曲的雙分汊河道，江中靠太平洲一側(cè)分布有落成洲，受五峰山挑流的影響，主流貼凹岸(走落成洲左汊)下行至高港燈凸咀逐漸向右岸過渡。1981年前，過渡段深泓頂沖點在三江營(淮河入江口)上游約 2.3 km，1981年以后深泓頂沖點逐漸下移，至1998年頂沖點位置已下移到三江營下游約1.2 km處。在頂沖點不斷下移的同時，分流段主泓也隨之右偏趨中，至1998年擺到歷年分流段深泓線的最右側(cè)，1966～1998年，最大右移幅度約1 000 m。1998～2001年，分流段主流線坐彎向左擺，頂沖點上移到三江營附近，2001年以后頂沖點位置基本穩(wěn)定，深泓線擺動較小。嘶馬彎道近期演變主要表現(xiàn)為：左岸崩退，右岸淤積，崩岸自上而下發(fā)展，目前已下移到高港燈一帶。近年來，彎道進(jìn)口段深槽緩慢向下游發(fā)展，并向右擴大；落成洲頭沖尾淤，洲體下移，落成洲右汊，1966年以后沖刷擴大，目前仍呈現(xiàn)發(fā)展的態(tài)勢；在左岸嘶馬港至引江河口段岸線崩退的同時，落成洲下游邊灘淤漲擴大；邊灘遭水流切割后出現(xiàn)切割體，落成洲右汊出口又形成了新的分汊水流串溝，串溝形成后呈緩慢發(fā)展的趨勢。

落成洲右汊0 m以下槽蓄量1966～2001年沖刷了784萬m3，2001～2011年沖刷了652萬m3(見表2)。落成洲右汊發(fā)展和嘶馬彎道崩退沖刷掉的泥沙隨水流下泄，在順直河段淤積，因此在三峽水庫蓄水，上游來沙量銳減之后，鰻魚沙沒有萎縮消失，反而逐漸恢復(fù)。

表2 落成洲右汊河道槽蓄量變化 萬m3

2.2.2 河床邊界對鰻魚沙心灘的影響

鰻魚沙水域上游揚彎與引江河口一帶存在礁板沙水下平臺，抗沖能力較強，起著抑制主流左移的作用，落成洲兩汊水流匯合后，經(jīng)礁板沙水下平臺挑流自左岸過渡至右岸二墩港附近。1966年，礁板沙水下平臺凸出岸邊約400 m，平臺高程約-16 m，二墩港附近水域由于受主流的頂沖，局部沖刷坑最深點高程達(dá)-56 m。隨著嘶馬彎道崩區(qū)的下移，礁板沙水下平臺呈崩退態(tài)勢，至2011年崩退約270 m，目前礁板沙水下平臺縮小到僅為370 m×85 m，平臺左側(cè)也出現(xiàn)沖刷，高程已降低至-19 m以下，沖深約3 m，自左向右過渡的主流頂沖點也逐漸下移。過渡段主流走向總體呈現(xiàn)左偏、下移，也反映了礁板沙水下平臺部分沖失后挑流作用的減弱。

1966～1998年隨著過渡段主流走向的下移，右岸二墩港以下沖刷崩退，二墩港附近水下壩埂顯現(xiàn)，壩埂兩側(cè)深槽刷深。1998年后，壩埂左右槽始終存在，其左槽呈擴大趨勢。因此，只要二墩港水下壩埂具有一定的挑流作用，鰻魚沙左、右槽會隨著挑流強弱而變化。

不同流量條件下水流動力軸線不同，進(jìn)口節(jié)點的挑流作用強弱有所差異，導(dǎo)致河段水力輸沙特性也不同。根據(jù)彎道出口水流特性，中小水流量條件下，水深較小，水下壩埂挑流作用相對較強，水流動力軸線由右岸節(jié)點向左岸過渡；隨著流量的增大，壩埂挑流的相對減弱，主流線沿著右岸下行。

不同流量級下KAZ08斷面(斷面位置見圖1)流速分布見圖3。

圖3 鰻魚沙心灘KAZ8斷面流速分布

從圖3可以看出，鰻魚沙斷面KAZ08流速分布與流量有相關(guān)關(guān)系。當(dāng)流量Qc大于30 000 m3/s時，主流貼右岸進(jìn)入鰻魚沙右汊，心灘右槽發(fā)展；當(dāng)流量Qc小于3 000 m3/s時，主流貼右岸經(jīng)過水下壩埂的挑流作用進(jìn)入鰻魚沙左汊，心灘左槽分流比較大。因此，鰻魚沙水域受二墩港水下壩埂挑流的影響，主流以Qc為界流路不同。借鑒造床流量的概念，定義Qc為影響河床演變的臨界流量，臨界流量是對造床流量的細(xì)化，是對河床局部沖淤起決定作用的流量。水下壩埂雖然沒有石磯節(jié)點挑流作用強烈，但是在一定程度上能影響河勢變化。

2.2.3 整治工程情況

揚中河段三益橋水域的主要治理思路是通過治理落成洲洲頭，限制落成洲右汊發(fā)展，增強過渡段淺區(qū)水流動力。

鰻魚沙水域的主要治理思路是維持目前左槽為主航道的格局，通過分期實施心灘治理工程，逐步改善航道條件。主要包括兩個部分：①控制守護鰻魚沙心灘，在維持目前相對有利的灘槽格局的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加大加高心灘，調(diào)整灘槽水流分布，增加淺區(qū)的沖刷能力；②對局部河段河岸進(jìn)行護岸加固，穩(wěn)定河道兩岸邊界。

鰻魚沙心灘頭部守護工程于2010年10月開始實施，具體工程措施如下：

(1)鰻魚沙心灘中上段守護工程。守護工程頭部位置位于心灘-10 m等高線附近，守護工程平面上為梭頭加梭柄形，縱向總長4 986 m，其中前段“梭頭”長1 264 m，底端寬430 m，后段“梭柄”呈對稱魚骨狀，由1縱5橫6條護底帶組成，縱向護底帶長3 722 m，寬200 m，橫向護底帶長均為400 m，寬均為80 m，間距600 m；

(2)鰻魚沙兩岸護岸加固工程。守護工程兩側(cè)進(jìn)行護岸加固措施，其中左岸為北沙洲附近，右岸為東新港附近，護岸加固長度分別為1 875 m和5 865 m[4]，守護工程布置見圖4。

圖4 航道整治鰻魚沙心灘頭部守護工程示意

3 趨勢預(yù)估

3.1 水沙條件變化趨勢

大通站實測資料表明，三峽水庫蓄水后上游來沙量大幅減小，平均輸沙量比2002年之前減小66%。而且根據(jù)研究預(yù)測，上游來沙量在相當(dāng)長的時間內(nèi)難以恢復(fù)。三峽水庫對流量的調(diào)蓄主要體現(xiàn)在汛后退水期的蓄水和枯水期下泄流量的增大。統(tǒng)計實測三峽水庫蓄水后年內(nèi)特征流量持續(xù)時間，中小水(Q=10 000～20 000 m3/s) 年內(nèi)持續(xù)時間較三峽水庫蓄水前增加明顯，對河段的灘槽演變影響較大; 小水(Q<10 000 m3/s) 水流歸槽，水流條件主要受汛后形成的灘槽格局影響。因此，三峽水庫蓄水后水沙條件改變主要體現(xiàn)在含沙量的減少、年內(nèi)中小水歷時的延長。

3.2 河床演變趨勢

在自然狀態(tài)下，鰻魚沙水域受上游來水來沙變化以及高港燈節(jié)點和二墩港潛壩挑流強弱的影響，鰻魚沙沙體呈現(xiàn)分合頻繁、洲頭上提下移、洲尾淤漲或消失。從1991年鰻魚沙心灘發(fā)育到最大之后，左右槽呈沖淤交替變化。1998年后，長江水量多為中偏小，特別是2003年三峽水庫蓄水后，長江下游沙量明顯偏小，水流歸槽，上游深槽尾偏右，二墩港外側(cè)江中潛壩挑流相對趨強，左右槽均呈相對發(fā)展的態(tài)勢，心灘近期不會消失。

另外，2010年后受到河道整治工程與航道整治工程的綜合影響，左槽河床局部縱向沖深，心灘及左右槽進(jìn)入到一個相對調(diào)整期。目前來看，隨著兩岸及鰻魚沙頭部守護加固，以及隨后的12.5 m深水航道二期整治工程的實施，該段左、右槽將繼續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 論

(1) 鰻魚沙心灘多年來主要經(jīng)歷了“形成-發(fā)展-萎縮-恢復(fù)-調(diào)整”的變化規(guī)律。

(2)三峽水庫蓄水會導(dǎo)致研究河段的沖刷，但落成洲右汊下移使這一趨勢得到緩解，鰻魚沙心灘處于調(diào)整時期。

(3) 礁板沙水下平臺的部分沖失導(dǎo)致左岸頂沖點下移，三峽水庫蓄水以來中小流量導(dǎo)致水下壩埂挑流作用相對加強，以及航道整治工程的陸續(xù)實施，均有利于鰻魚沙灘槽格局的穩(wěn)定，將為長江下游12.5 m深水航道建設(shè)提供有利條件。