長江馬鞍山河段小黃洲左汊口門區(qū)河勢演變及守護(hù)方案

李 丹

(安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

長江馬鞍山河段位于長江下游安徽省境內(nèi)，上起東、西梁山，下至慈姆山，全長約36km，呈兩端窄、中間寬的順直分汊形態(tài)，自上而下分為江心洲和小黃洲兩個分汊段。十幾年來，馬鞍山河段河道沖刷較明顯，崩岸頻繁，且強(qiáng)度較大，對局部河勢穩(wěn)定、防洪安全及岸線利用等帶來不利影響，同時，上述變化已對小黃洲左右汊分流比、下游段河勢造成一定影響。本文結(jié)合小黃洲汊道河勢演變特征及近期河道演變特點(diǎn)，結(jié)合生態(tài)環(huán)境要求，并根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)和最新研究成果，確定長江馬鞍山河段河勢控制工程即小黃洲左汊口門區(qū)護(hù)底、護(hù)岸方案。

1 小黃洲汊道河勢演變

1.1 歷史演變

馬鞍山河段歷史演變?nèi)鐖D1所示。從宏觀看，歷史上小黃洲所處馬鞍山河段的歷史演變具有長江中下游分汊河道所普遍具有的三個特征：江心洲合并或并岸，支汊數(shù)目減少；河槽逐步束窄；主支汊交替發(fā)展。1865年，馬鞍山河段的分汊形勢已經(jīng)形成，到1933年，江心洲右汊進(jìn)口段大、小泰興洲淤長上提，江心洲左汊則因左岸崩退而展寬。黃洲老灘淤展下延，漸趨右岸，其上游又出現(xiàn)黃洲新灘。右岸九華山邊灘下游淤積了一個小新洲，九華山邊灘上游淤有陳家圩洲。1946年，黃洲老灘與左岸并接，即目前的大黃洲，黃洲新灘則繼續(xù)淤長，其后經(jīng)過圍墾，成為小黃洲。

1.2 小黃洲汊道段演變

1.2.1小黃洲右汊發(fā)展過程

小黃洲左汊分流比變化見表1，從表1中可以看出，1959—1976年，由于上游河勢變化，導(dǎo)致左汊口門縮窄，進(jìn)流條件惡化，左汊分流比減小，汛期分流比由約15%下降到5%左右，左汊處于萎縮階段。1976年后，小黃洲左汊口門擴(kuò)大，進(jìn)流條件改善，汛期分流比增加到10%左右，左汊處于發(fā)展階段。從圖2可以看出，20世紀(jì)80年代后，江心洲左汊主流在新河口至王豐溝一帶貼岸下行，主流頂沖點(diǎn)逐漸下移，有利于小黃洲左汊進(jìn)流，口門河床沖深展寬，分流比逐年增大。馬鞍山河段一期整治工程實(shí)施后，左汊仍緩慢發(fā)展，汛期時分流比約為25%。

小黃洲汊道-20m等高線變化如圖3所示。從圖3看出，2012年來，小黃洲左汊呈整體沖刷的態(tài)勢，尤其是小黃洲進(jìn)汊口門沖刷發(fā)展。小黃洲左汊分流比由2013年25.4%變化為2018年32.86%。小黃洲右汊分流比減小，該汊道河床以淤積為主。

1.2.2小黃洲頭及左、右汊河床平面沖淤變化

(1)小黃洲洲頭過渡段

2012年來，該汊道整體呈淤積萎縮的態(tài)勢，下何家洲左緣中下段及洲尾淤積后退的幅度大于對岸小黃洲右緣中上段，深槽的淤積幅度大于岸灘，深泓位置變化不大。

圖1 馬鞍山河段歷史演變圖

表1 小黃洲左汊實(shí)測分流比變化表

(2)小黃洲左汊

2012年來，小黃洲左汊呈整體沖刷的態(tài)勢，尤其是小黃洲進(jìn)汊口門沖刷發(fā)展，2012—2016年，平均沖刷10～20m，局部沖深超過20m，-20m等高線擴(kuò)大至小黃洲左緣中上段，-30m槽進(jìn)一步?jīng)_刷，河床最深處沖深至-34.9m。2016—2018年，口門河床進(jìn)一步?jīng)_深，局部河床沖深超過10m。

(3)小黃洲右汊

小黃洲右汊2012年來沖淤變化幅度相對較小，由于分流比減小，該汊道河床以淤積為主，主要為主槽淤積。從特征等高線來看，2012—2016年，該汊0m岸線基本穩(wěn)定；-20m深槽萎縮，-20m槽面積由2012年20.4萬m2，2016年變化為19.3萬m2。

圖2 小黃洲汊道0m岸線變化圖

圖3 小黃洲汊道-20m等高線變化圖

圖4 小黃洲汊道2012—2016年平面沖淤變化圖

1.3 小黃洲汊道段分析及預(yù)測

1.3.1小黃洲汊道段演變分析

小黃洲左汊進(jìn)流條件趨好，分流比持續(xù)增加主要有兩方面的原因。

(1)上游江心洲左汊主流擺動是分流比增加的根本原因。近年來，主流進(jìn)入江心洲左汊后，貼江心洲左緣下行；主流貼岸使得江心洲左緣中上段崩退，由于彎道環(huán)流等作用，江心洲左緣泥沙隨水流運(yùn)動至牛屯河邊灘落淤；牛屯河邊灘的淤長下延促使江心洲左汊主流過渡段不斷下移，太陽河口附近主流頂沖點(diǎn)逐年下移，太陽河口-王豐溝一帶貼岸主流順勢下延，小黃洲頭主流分流點(diǎn)也隨之下移，左汊口門面迎主流，使得該汊道分流增加。

(2)小黃洲左汊口門河床展寬、深槽刷深進(jìn)一步促進(jìn)了該汊道進(jìn)流增加。從馬鞍山河段-10、-20m等高線以及小黃洲左汊口門典型斷面變化可以看到，2012年來，小黃洲左汊口門河床向左側(cè)展寬，深槽刷深，河道形態(tài)的變化向著有利于左汊進(jìn)流的方向發(fā)展。

小黃洲頭主流過渡段(下何家洲與小黃洲之間的汊道)2012年來分流比減小幅度較大，由2013年3月51.63%減小至2018年6月27.85%，減小幅度為約46%，該汊道淤積主要有幾方面的原因：①心灘頭部距離沖刷后退，河道形態(tài)更有利于心灘右汊進(jìn)流，心灘左汊分流減??；②小黃洲左汊口門擴(kuò)大，有利于進(jìn)流，該汊道的分流比持續(xù)增大；③心灘與下何家洲尾部淤積，不利于該汊道進(jìn)流。分流比迅速減小導(dǎo)致該汊道淤積，2012—2018年，該汊道河床最大淤積超過20m。

1.3.2小黃洲汊道段演變分析預(yù)測

小黃洲汊道近期仍將維持左汊為支汊的分流格局，但小黃洲左汊的分流比仍將呈增加的態(tài)勢。由于上游主流頂沖點(diǎn)仍有下移的趨勢，河勢進(jìn)一步向著小黃洲進(jìn)流有利的方向發(fā)展，該汊分流比將會持續(xù)增大，且增大的幅度與上游主流頂沖點(diǎn)下移的幅度密切相關(guān)；同時，小黃洲過渡段將保持淤積的態(tài)勢，導(dǎo)致小黃洲右汊分流減少。

2 河勢守護(hù)方案

綜合河道演變分析及預(yù)測情況，為控制和穩(wěn)定小黃洲左汊分流比，進(jìn)一步遏制小黃洲左汊的發(fā)展，維護(hù)小黃洲汊道的穩(wěn)定，在小黃洲口門實(shí)施控制工程尤為必要。結(jié)合數(shù)學(xué)模型及物理模型的定床、動床的單項(xiàng)工程研究成果，通過建立小黃洲左汊口門水下地形三維模型，如圖5所示，確定河勢控制工程布置在小黃洲左汊口門上段，該處河道相對較窄，0m高程河寬約400～500m，護(hù)底工程長約900m，左右兩側(cè)分別與左側(cè)的新河口-金河口護(hù)岸工程、右側(cè)的小黃洲頭及左緣護(hù)岸工程相銜接。

圖5 左汊口門護(hù)底段三維平面圖

小黃洲左汊口門控制工程采用小黃洲左汊口門護(hù)底及左右岸護(hù)岸工程方案。小黃洲左汊口門護(hù)底采用充砂土工枕袋填槽+系砼塊軟體排上壓石的型式，順?biāo)鏖L度約為900m，垂直水流寬度為310～450m，護(hù)底面積為32.200萬m2，左、右岸連接段護(hù)岸均長900m，左岸護(hù)寬70～180m，右岸護(hù)寬40～130m。

3 護(hù)底實(shí)施效果分析

3.1 模型建立

利用DHI MIKE21 FM模塊建立馬鞍山河段平面二維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格水流運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，如圖6所示。選取東梁山-新生洲洲頭長約34km河段作為計(jì)算范圍，并針對小黃洲左汊進(jìn)行局部加密處理。

3.2 方案計(jì)算

經(jīng)率定與驗(yàn)證后，采用2016年10月長江馬鞍山河段實(shí)測1∶10000河道地形圖，結(jié)合2018年6月工程局部實(shí)測1∶2000及大橋下-小黃洲頭1∶10000河道地形圖作為方案計(jì)算地形。

3.3 工程對小黃洲汊道分流比影響分析

左汊分流比變化計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)見表3，從表3可以看出，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，小黃洲左汊口門護(hù)底工程實(shí)施后，小黃洲左汊分流比在不同流量條件下出現(xiàn)不同程度的減小，小黃洲左汊分流比減小值隨著流量的減小而減小。經(jīng)計(jì)算，在現(xiàn)狀地形條件下，防洪設(shè)計(jì)流量85400m3/s水流條件下，工程前后小黃洲左汊分流比均已在36.4%，且本工程在該水流條件下的效果較為明顯、左汊分流比下降約-0.8%。受小黃洲上游分布眾多復(fù)雜汊道的影響，本次計(jì)算中平灘流量45000m3/s水流條件下小黃洲左汊分流比略低于多年平均流量下的值。

圖6 數(shù)學(xué)模型范圍及網(wǎng)格劃分示意圖

圖7 長江馬鞍山河段(85400m3/s流量)工程前后流場分布對比示意

圖8 工程局部河段工程前后流場分布對比示意圖

表3 小黃洲左汊口門護(hù)底工程建設(shè)前后小黃洲左汊分流比變化計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)表

3.4 工程對局部流速特性影響分析

根據(jù)各水流條件下馬鞍山河段工程前后流場分布對比如圖7—8所示，從圖7—8可以看出，在各流量條件下工程局部流場分布出現(xiàn)一定變化。工程后擬建護(hù)底工程上、下游局部區(qū)域內(nèi)流速減小，一般減小0.02～0.20m/s，減小最大值為0.30m/s。

4 結(jié)語

(1)小黃洲汊道近期仍將維持左汊為支汊的分流格局，但小黃洲左汊的分流比仍將呈增加的態(tài)勢。由于上游主流頂沖點(diǎn)仍有下移的趨勢，河勢進(jìn)一步向著小黃洲進(jìn)流有利的方向發(fā)展，該汊分流比將會持續(xù)增大，且增大的幅度與上游主流頂沖點(diǎn)下移的幅度密切相關(guān)；同時，小黃洲過渡段將保持淤積的態(tài)勢，導(dǎo)致小黃洲右汊分流減少。

(2)根據(jù)建立的河勢控制方案數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了實(shí)施效果分析，得出小黃洲左汊分流比在不同流量條件下出現(xiàn)不同程度的減小，小黃洲左汊分流比減小值隨著流量的減小而減小，從而使小黃洲左汊發(fā)展趨勢得到一定的遏制，更有利于小黃洲右汊馬鞍山港區(qū)深水岸線的穩(wěn)定及開發(fā)利用，確保沿岸大型工礦企業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，兩岸國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。