基于分流特征的汊道分類及其在東流水道航道治理中的應用研究

張 瑋，車 瑞，柴躍躍

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098；2.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，合肥 230000)

分汊河道在沖積河流中大量存在，長江中下游自宜昌至河口段共有分汊河段55個，汊道總長約1 080 km，約占全部河長的57%。因此，分汊河道歷來是人們關注的熱點。Taylor[1]研究分汊明渠的水流結構，認為分汊明渠兩汊分流比的大小取決于支流的回流特性和汊道進口的水動力條件。李義天等[2]通過實測資料分析荊江三口分流比的變化，認為分流比減少使輸沙能力大幅下降，進一步加劇三口口門的淤積，抬高河床高程，使分流比進一步減少。余文鈞等[3]基于主流擺動理論，分析了長江下游土橋分汊水道分流比的影響因素，結果表明，流量過程變化是土橋水道分流比變化的主要因素。韓劍橋等[4]根據(jù)三峽水庫下游的實測水文和地形資料，基于動態(tài)分流比對分汊河道進行了類別劃分，在此基礎上研究了主汊、支汊與洲頭心灘的調整規(guī)律及其對水文過程的響應。李青云等[5]通過對東流水道工程建成后實際的工程效果分析，認為航道整治應順應河勢發(fā)展，把握有利的工程整治時期。陶桂蘭等[6]通過建立河道二維水沙數(shù)學模型，分析東流水道維護方案的效果，認為應盡早對東流水道東港航道進口段淺點和礁石進行定點清除，適時開通東港航槽，以滿足長江航道通航要求。以上研究中，更多的只是單獨探討了汊道的分流比特性或者是航道的演變特征，而對于航道條件的好壞與分流比的動態(tài)變化特征，特別是年內的變化特征之間的關系卻鮮有研究。

本文以長江東流水道為對象，根據(jù)分流比的動態(tài)特征對于汊道進行分類，研究航道條件與分流比的動態(tài)變化特征之間的關系，分析得出航道條件的定性判別方法，并初步嘗試應用于判斷東流水道最新一期整治工程方案的工程效果，期望對工程實踐具有一定的參考作用。

1 基于分流比特征的汊道分類

長江中下游許多分汊河道之所以能夠保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，就在于高水期支汊能夠獲得較大的分流比，使得各汊進入的水量相對平衡[7]。因此分流比的變化特征是決定汊河發(fā)展的重要因素，不過，由于以往的技術條件和財力限制，分流比的實測資料較少，很難深入研究分流比的年內變化特征。隨著科學技術的進步，以及對長江的深入開發(fā)利用，現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)逐漸豐富起來，為研究分流比的變化特征提供了條件。有鑒于此，韓劍橋等[4]提出了一種基于分流比變化特征的汊道屬性分類方法。具體步驟如下：

(1)收集研究河段內不同流量下的分流比資料，將汊道編號1、2。由于汊道的劃分注重了分汊段左右側的差異，對于三級汊道，可將最小支汊與相鄰汊道作為一個整體來分析。

(2)分別繪制汊道1、汊道2的分流比θ1、θ2隨流量Q的變化圖，并進行線性擬合，得到：

θ1=k1Q+b1

(1)

θ2=k2Q+b2

(2)

式中：k1、k2分別為對應公式的斜率；b1、b2分別為對應公式的截距。

(3)根據(jù)分流比變化特征對分汊河道進行分類：若k1>0，或k1=0且b1≥b2，則定義汊道1為洪水傾向汊道，相應地，汊道2就為枯水傾向汊道；若k1<0，或k1=0且b1

圖1 基于動態(tài)分流比的分汊河道類別劃分Fig.1 A branching channel classification based on dynamic flow diversion ratio

2 航道條件與汊道分流特征

2.1 東流水道及整治工程概況

東流水道位于長江下游九江市—安慶市之間，上起華陽河口，下迄吉陽磯，全長約31 km，屬順直分汊河道。該河道在老虎灘洲頭形成一級分汊，被江心老虎灘分為南、北兩汊。南汊為東港水道，北汊為老虎灘北槽。老虎灘北槽在娘娘樹下游水域被玉帶洲分為南北兩支，形成二級分汊。其中，北支為蓮花洲港水道；南支又被天沙洲分為天玉串溝和西港(圖2)。

東流水道由于主流不穩(wěn)定，航道被迫多次改槽，給船舶航行及航道管理帶來諸多不便，成為長江下游重點淺險水道之一。航道整治一期工程在“穩(wěn)定洲灘、控制分流”原則指導下，通過工程措施穩(wěn)定上、下灘群，形成較穩(wěn)定的分汊格局，并適當改善西港的分流條件。工程主要包括老虎灘守護工程、左岸丁壩群工程及玉帶洲頭魚骨壩工程(圖2)。該工程于2004年2月開始施工，2010年3月竣工。

圖2 東流水道河勢Fig.2 Diagram of Dongliu waterway

2010年大水過后，東港分流比明顯增加，老虎灘左側航槽淤淺；同時老虎灘尾部淤積下延使得西港航寬有所減小。針對以上情況有關部門實施了東流水道航道整治二期工程。該工程于2012年11月開工建設，2014年4月主體工程基本完成。工程平面布置由老虎灘頭部魚骨壩工程、老虎灘左緣護灘帶加固工程、天玉串溝守護工程、七里湖護岸工程及老虎崗護岸加固工程四部分組成(圖2)。

2.2 近期航道條件與汊道性質

按照東流水道整治工程的時間節(jié)點將近期劃分為四個時間段。第一階段(1999～2003年)：一期整治工程實施前；第二階段(2004～2009年)：一期整治工程實施期間；第三階段(2010～2014年)：一期整治工程竣工后至二期整治工程主體工程完工前；第四階段(2014～2016年)：二期整治工程主體工程完工后。分別對四個時間段的航道條件和汊道性質展開研究。

2.2.1 航道條件變化

圖3 東流水道演變Fig.3 Evolution of Dongliu waterway

(1)第一階段(1999～2003年)：1998、1999年長江流域二年洪水使老虎灘下部淤積較為嚴重。大洪水過后，老虎灘上、下灘群依然高大完整，河道邊界沒有明顯變化，汛后老虎灘北槽的發(fā)展趨勢很快恢復。2002年老虎灘北槽4 m等深線貫通(圖3)。2001～2002年及2002～2003年枯季老虎灘北槽的航道條件都是20世紀50年代以來較好的時期。這一階段老虎灘北槽發(fā)展至鼎盛時期，航道條件很好。

(2)第二階段(2004～2009年)：在一期工程實施后，基本遏制住了老虎灘沖刷后退、灘體變形的趨勢，使得老虎灘多年來保持完整、高大的灘形。由于一期工程未對東港采取限制措施，且受到東港出口段采砂的影響，東港河道產生較為明顯的溯源沖刷，導致在此期間東港發(fā)展較快。在這幾年間，呈現(xiàn)出老虎灘北槽淤積、東港沖刷的趨勢，總體而言老虎灘北槽的航道條件依然較好。

(3)第三階段(2010～2014年)：2010年時老虎灘北槽2 m等深線基本全線貫通，至2013年時，2 m等深線已經中斷，斷開距離達802 m(圖4)。老虎灘北槽左側桃樹灘至娘娘樹的0 m等深線在2010～2013年這段時間內向江中淤漲，2013年時的0 m等深線相較于2010年向江中淤漲了約422 m，灘體面積明顯增大，桃樹灘至娘娘樹一帶邊灘淤積明顯(圖4)。觀察2010～2013年灘槽沖淤變化圖發(fā)現(xiàn)(圖5)，東港不斷沖刷，內部沖深加劇，在2010年，東港5 m等深線并未全線貫通，在東港尾部斷開距離達402 m，至2013年時，東港5 m等深線已全線貫通(圖4)。在這一階段，老虎灘北槽的航道條件惡劣，而東港的航道條件較好。

4-a 2 m等深線比較圖4-b 0 m等深線比較圖4-c 5 m等深線比較圖圖4 東流水道等深線Fig.4 Bathymetric chart of Dongliu waterway

(4)第四階段(2014～2016年)：老虎灘北槽在2012～2013年間的淤積量達到了1 033萬m3，在2013～2014年的沖刷量為280萬m3(圖6)，老虎灘北槽在這一年內整體變?yōu)闆_刷，航道條件有轉好的趨勢。在2014～2015年，老虎灘左汊繼續(xù)沖刷，雷港口一帶邊灘淤積，但相比于上一階段，無論是淤積范圍，還是淤積幅度都出現(xiàn)明顯的縮小(圖5)。在2015～2016年，老虎灘左汊延續(xù)了沖刷的趨勢。這一階段老虎灘北槽航道條件開始轉好，但相對仍較為一般。

5-a 2010～2013灘槽沖淤變化5-b 2014～2015灘槽沖淤變化 圖5 東流水道沖淤變化Fig.5 Erosion and siltation of Dongliu waterway圖6 老虎灘北槽和東港沖淤比Fig.6 Erosion and siltation of the north channel branch of Tiger Beach and East port

2.2.2 汊道分流特征

東流水道老虎灘北槽與東港分流比如表1所示，根據(jù)分流比的變化特征，可以判斷不同時間段老虎灘北槽的汊道性質，繪制老虎灘北槽分流比與流量關系圖(圖7)。

表1 東流水道各汊分流比統(tǒng)計Tab.1 Splitting ratio statistics of each branching channel of Dongliu waterway

由表1和圖7可知：第一階段(1999～2003年)：老虎灘北槽分流比隨著流量的增大而減小，屬枯水傾向汊道，東港屬洪水傾向汊道，此時老虎灘北槽的分流比穩(wěn)定在80%以上，其主汊地位穩(wěn)固；第二階段(2004～2009年)：這段時期正在實施東流水道一期航道整治工程，老虎灘北槽分流比隨著流量的增大而增大，屬洪水傾向汊道，東港為枯水傾向汊道，這說明老虎灘北槽已經由枯水傾向汊道轉變?yōu)楹樗畠A向汊道，此時老虎灘北槽分流比不斷減少，東港分流比則逐步增加；第三階段(2010～2014年)：一期航道整治工程竣工后，老虎灘北槽分流比隨著流量的增大而增大，屬洪水傾向汊道，東港為枯水傾向汊道，此時老虎灘北槽分流比在中枯水期進一步減少，2014年2月份老虎灘北槽分流比由2012年同期的56.2%減至49.3%，東港分流比則由43.8%增加至50.7%；第四階段(2014～2016年)：二期航道整治工程主體工程完工后，老虎灘北槽分流比隨著流量的增大而增大，屬洪水傾向汊道，東港為枯水傾向汊道，枯水期時，工程實施后的東港分流比在2015年首次出現(xiàn)了下降，老虎灘北槽分流比開始逐步增加。

2.3 航道條件與汊道分流比變化特征

圖7 老虎灘北槽分流比與流量關系Fig.7 Relationship between diversion ratio and flow rate of the north channel branch of Tiger Beach

通過以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，東流水道老虎灘北槽的航道條件與汊道分流比變化特征有著密切關系。在第一階段(1999～2003年)，老虎灘北槽屬枯水傾向汊道，此時的航道條件很好；在第二階段(2004～2009年)，老虎灘北槽屬洪水傾向汊道，其分流比隨流量變化的斜率相對較小，此時的航道條件也相對較好；在第三階段(2010～2014年)，老虎灘北槽屬洪水傾向汊道，分流比隨流量變化的斜率相對較大，此時的航道條件惡劣；在第四階段(2014～2016年)，老虎灘北槽屬洪水傾向汊道，分流比隨流量變化的斜率開始減小，老虎灘北槽的航道條件出現(xiàn)轉好的趨勢，但仍然一般(表2)。

2.4 航道條件的定性判別方法

表2 老虎灘北槽汊道性質與航道條件統(tǒng)計Tab.2 Statistics of branching channel properties and channel conditions of the north channel branch of Tiger Beach

基于以上分析，提出航道條件的定性判別方法，即汊道為枯水傾向汊道時，航道條件最好；對于洪水傾向汊道，分流比隨流量變化的斜率大小決定了航道條件的好壞，如果分流比隨流量變化的斜率相對較小，則航道條件相對較好，如果分流比隨流量變化的斜率相對較大，則航道條件較差。

近年來老虎灘北槽的分流比具有兩個特點：一個是左右汊分流比相差不大，另一個就是，枯水期老虎灘北槽分流比甚至低于50%，也就是洪枯水主支汊易位。老虎灘北槽自2004年以來一直屬于洪水傾向汊道，所以在改善東流水道航道條件的問題上，不僅要關注分流比大小，同時也要關注分流比隨流量變化情況，應盡量減小老虎灘北槽分流比隨流量變化的斜率，斜率的大小主要取決于枯水期分流比和洪水期分流比。對于平原河流來說，水深不足是礙航的主要原因，枯水期水深最小，也就是說，航道條件能否滿足通航要求，往往取決于該河道枯水期航道條件的好壞。所以提高老虎灘北槽枯水期的分流比，由此減少斜率是最合理且有效的方式。這也與航道整治重點在于枯水治理的原則是一致的。

表3 工程布置Tab.3 Layout of the project

3 應用與分析

基于提出的航道條件的定性判別方法，本文將其應用于東流水道擬開展的整治工程效果評價上。有關部門針對東流水道目前的現(xiàn)狀，在二期工程的基礎上，提出了最新一期整治工程措施[8]，航道整治建筑物如表3所示。

根據(jù)東流水道二維水沙模型試驗結果，最新一期工程方案實施后，分流比的變化情況如表4所示[8]。依據(jù)整治后的分流比和流量數(shù)據(jù)，繪制老虎灘北槽分流比和流量關系圖(圖8)。

由此可見：(1)最新一期整治工程后的分流比流量關系線整體上移。說明老虎灘北槽的整體分流比是有所提高的，其中枯水期最低分流比由整治前的49.3%提高到整治后的60.2%，這對于改善老虎灘北槽的航道條件是極為有利的。

(2)最新一期整治工程后老虎灘北槽分流比隨流量變化的斜率有了明顯的降低。根據(jù)航道條件的定性判別方法，由圖9可知，最新一期整治工程實施后，老虎灘北槽分流比隨流量變化的斜率小于2014～2016年的斜率，斜率變的相對較小，說明最新一期整治工程后的航道條件相比于上一階段將會得到改善。而且，本次整治工程后的斜率接近于2004～2009年的斜率，在2004～2009年內老虎灘北槽的航行條件是較好的，由此可以預期本次整治工程后的航道條件將會得到相對可觀的改善。

表4 整治工程實施后分流比變化情況Tab.4 Change of splitting ratio after implementation of remediation project

通過對最新一期整治工程的方案研究顯示，本次整治工程后，老虎灘北槽的航道條件將會得到改善，但是從現(xiàn)狀航道條件及近期趨勢預測看，老虎灘北槽航道條件與東港相比仍然較為一般，選取東港作為近期的通航主汊道是合適的。未來東流水道的整治方向應該與前幾期工程保持一致性，選擇處于發(fā)展周期的老虎灘北槽作為遠期主航道，整治重點放在提高老虎灘北槽的枯水期分流比；同時盡量維持東港的航道條件，遇不利水文年可將東港作為備選航道。

圖8 工程后老虎灘北槽分流比與流量關系Fig.8 Relationship between diversion ratio and flow rate of the north channel branch of Tiger Beach after implementation of the engineering圖9 各時期斜率變化Fig.9 Slope changes in different periods

4 結語

(1)基于分流比的變化特征，可以區(qū)分汊道的性質，如果汊道的分流比隨著流量的增大而增大，則此汊道為洪水傾向汊道，另一汊道為枯水傾向汊道；反之，如果汊道的分流比隨著流量的增大而減小，則此汊道為枯水傾向汊道，另一汊道為洪水傾向汊道。

(2)老虎灘北槽為枯水傾向汊道時，航道條件最好；北槽為洪水傾向汊道時，如果分流比隨流量變化的斜率相對較小，則航道條件相對較好，如斜率相對較大，則航道條件相對較差。因此，對于洪水傾向汊道來說，除了分流比本身的大小以外，分流比隨流量變化的斜率可以作為航道條件好壞的一個定性參考判據(jù)。

(3)對于洪水傾向汊道而言，在進行航道整治時，不僅要關注分流比本身的大小，同時也要關注分流比隨流量的變化情況，應盡量減少分流比隨流量變化的斜率，為此，提高枯水期分流比應該是減小斜率的最有效措施，這也與重在枯水治理的航道整治原則是一致的。

(4)最新一期整治工程模擬結果表明，整治工程實施后，老虎灘北槽分流比整體呈現(xiàn)上升的特點，其中枯水期分流比上升明顯，使得分流比隨流量變化的斜率相對減少，由此預期，航道條件將會得到一定程度的改善。

(5)本文雖將航道條件的好壞與分流比的動態(tài)變化特征進行了統(tǒng)一，但僅從定性上進行了分析，定量上仍需研究，如分流比隨流量變化的斜率相對較小，則航道條件相對較好，但具體臨界斜率值為多少尚有待進一步研究。