長(zhǎng)江下游東流水道近期河槽形態(tài)及平灘流量變化

宋云濤　徐雪鴻　楊涵苑　左利欽　許慧

摘 要：東流水道歷史上主支汊頻繁改道、灘槽劇烈變化，長(zhǎng)期以來(lái)是長(zhǎng)江下游重點(diǎn)礙航淺灘之一。三峽水庫(kù)運(yùn)行后，同時(shí)受到航道整治工程作用，東流水道河床處于持續(xù)調(diào)整中。河槽形態(tài)和平灘流量變化是河道治理和保護(hù)利用中的重要參數(shù)，根據(jù)2012～2018年?yáng)|流水道水下地形和水沙系列資料，采用河段平均計(jì)算法，得到河段尺度的平灘河槽形態(tài)參數(shù)及平灘流量變化過(guò)程。結(jié)果表明：2018年河段平灘面積及平灘流量較2012年分別增大2.1%、3.3%。2014年前平灘水深減小2.8%，平灘河寬增大至2511.1m;2014年后，平灘水深減小至14.5m，平灘河寬增大4.6%，表明該河段洲灘橫向展寬較縱向沖刷大，需進(jìn)一步加強(qiáng)洲灘守護(hù)。

關(guān)鍵詞：東流水道;長(zhǎng)江下游;河槽形態(tài);平灘流量;河床調(diào)整

中圖分類號(hào)：TV147? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）10-0144-04

1前言

東流水道位于安慶上游30至60km處，屬順直分汊河道。長(zhǎng)期以來(lái)，由于灘槽演變劇烈、主支汊頻繁轉(zhuǎn)換等特點(diǎn)，導(dǎo)致主槽及航道頻繁改道，使其成為長(zhǎng)江下游重點(diǎn)礙航河段之一^[1]。為改善東流水道航道條件，2004～2014年該河段先后實(shí)施了一、二期航道整治工程，使得部分關(guān)鍵洲灘得到了較好的守護(hù)。三峽水庫(kù)蓄水后，長(zhǎng)江中下游河段水沙條件大幅改變，河床劇烈沖刷造成河槽形態(tài)大幅調(diào)整，如河床沖刷下切、河岸側(cè)向侵蝕、江心洲或心灘萎縮等^[2-4]。因此有必要研究三峽工程運(yùn)用后近期東流水道斷面形態(tài)調(diào)整特點(diǎn)。

He等^[5]認(rèn)為平灘河槽形態(tài)參數(shù)及平灘流量是河道治理、流域生境修復(fù)、岸灘土地利用等相關(guān)工程中的重要評(píng)估參數(shù)。在河道的長(zhǎng)期演變中，平灘流量作用下的河床斷面形態(tài)變化通常最為劇烈^[6]。由于河段內(nèi)斷面形態(tài)沿程分布的不均勻性，某一特定斷面變化難以描述整體河段的調(diào)整特點(diǎn)，因此需要開展河段尺度的河槽形態(tài)時(shí)空變化分析。以往平灘參數(shù)的單一均值估算法不滿足水流連續(xù)條件，且忽視了不同斷面間距的影響^[7-8]。針對(duì)上述問(wèn)題，Xia等^[9-10]采用基于對(duì)數(shù)變換的幾何平均值與斷面間距加權(quán)平均值相結(jié)合的方法，計(jì)算分析了黃河下游三種河型的平灘河槽形態(tài)及平灘流量的變化過(guò)程;Lin等^[11]采用河段平均法量化了長(zhǎng)江中游深泓線擺動(dòng)與平灘河槽形態(tài)的變化關(guān)系，并研究了上下游河勢(shì)控制對(duì)河道斷面形態(tài)調(diào)整的影響;王英珍等^[12]從河段尺度探討了汛期及非汛期黃河下游游蕩段對(duì)上游來(lái)水來(lái)沙的響應(yīng)機(jī)制，并建立了平灘面積及平灘流量與水沙條件的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

本文根據(jù)三峽工程運(yùn)用后2012～2018年?yáng)|流水道實(shí)測(cè)地形及水文數(shù)據(jù)，采用基于對(duì)數(shù)變換的幾何平均值與斷面間距加權(quán)平均值相結(jié)合的河段平均法，得到河段尺度的平灘河槽形態(tài)參數(shù)及平灘流量變化過(guò)程，揭示了東流水道近期平灘河槽形態(tài)及過(guò)流能力的調(diào)整特點(diǎn)，為類似河段研究提供借鑒。

2研究區(qū)域概況

2.1 研究河段

東流水道位于長(zhǎng)江下游九江—安慶段內(nèi)，上起華陽(yáng)河口，下至吉陽(yáng)磯，全長(zhǎng)約 31km，屬于典型的順直分汊河型^[13-14]。河段沿程分布有老虎灘、天沙洲、玉帶洲等大片灘群，水流流經(jīng)老虎灘后被分為南北兩汊（即東港、西港），經(jīng)玉帶洲后又被分為蓮花洲港及天玉串溝。灘槽此消彼長(zhǎng)，主支汊興衰交替。為改善東流水道航道格局，先后在此河段實(shí)施了一、二期航道整治工程。其中一期工程于2004年2月開工，2008年3月完工，主要建設(shè)有老虎灘守護(hù)工程、左岸丁壩群工程及玉帶洲頭魚骨壩工程。二期航道整治工程于2012年11月開工，2014年4月主體基本完工，主要建設(shè)有老虎灘頭魚骨壩工程、老虎灘左緣護(hù)灘帶加固工程、天玉串溝守護(hù)工程及老虎崗護(hù)岸工程。

2.2 河床沖淤變化

東流水道二期整治工程通過(guò)建設(shè)老虎灘灘頭魚骨壩等工程基本穩(wěn)定了河段洲灘演變格局，使得東港沖刷態(tài)勢(shì)大幅減緩，有利于西港通航條件的改善^[15]。圖2表明，2012年后河段內(nèi)沖淤交替，局部沖淤調(diào)整較大，老虎灘左汊深槽繼續(xù)沖深并向上下游延伸，沖刷深度約為2～4m，右汊沖刷幅度較小。玉帶洲洲頭淤積明顯，右汊中下段以沖刷為主，其中未護(hù)段受水流侵蝕作用有崩岸現(xiàn)象出現(xiàn)，左汊逐步淤積抬升。2016～2018年，河段整體沖淤幅度相比二期工程完工前較小。老虎灘右汊由沖刷轉(zhuǎn)為淤積態(tài)勢(shì)，淤積厚度約為1～2m;左汊沖刷量相比2012～2016年大幅減小，沖刷深度沿程逐步增大，其中上游段沖深約1～3m，下游段達(dá)4～5m。玉帶洲右汊中下段、棉花洲右汊仍以沖刷為主，沖刷深度約為1～5m。

3 研究方法

3.1 平灘高程確定

平灘河槽形態(tài)一般通過(guò)平灘面積、平灘水深及平灘河寬表征?；赬ia等[9]提出的平灘高程確定方法，當(dāng)灘唇明顯時(shí)，采用主槽兩側(cè)較低灘唇的高程作為平灘高程;當(dāng)灘唇不易確定時(shí)，可通過(guò)對(duì)比分析相鄰斷面平灘高程綜合確定。圖3以2012年凌家嘴斷面為例，給出了平灘高程確定方法的直觀表述。根據(jù)上述方法，確定其平灘高程為12.1m;兩岸灘唇的間距即為平灘河寬（Bbf），1635.8m;計(jì)算平灘水位與河槽所圍面積得到平灘面積（Abf）為28325.6m²;進(jìn)一步得到平灘水深（Hbf）為17.32m（Hbf =Abf/ Bbf）。

3.2 河段尺度的平灘河槽形態(tài)參數(shù)及流量計(jì)算

根據(jù)Xia等^[9]提出的河段平均法，采用下式計(jì)算河段尺度的平灘河槽形態(tài)參數(shù)：

式中：L為計(jì)算河段長(zhǎng)度，N為斷面總數(shù)，x_i為第i個(gè)斷面距起始點(diǎn)的距離。

平灘流量一般指某一斷面水位與灘唇齊平時(shí)通過(guò)該斷面的流量^[16-17]，根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料中的水位流量關(guān)系得到平灘高程對(duì)應(yīng)流量即為斷面平灘流量，再根據(jù)式（4）計(jì)算河段尺度的平灘流量：

4研究結(jié)果

4.1 平灘河槽形態(tài)參數(shù)調(diào)整

根據(jù)東流水道2012～2018年地形資料，計(jì)算得到斷面及河段尺度的平灘河槽形態(tài)參數(shù)。圖4給出了老虎灘及玉帶洲典型斷面的河槽調(diào)整過(guò)程，計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于老虎灘斷面，其平灘水深呈現(xiàn)先減小后增大，再減小的變化趨勢(shì)。其中2014年平灘水深達(dá)到最小值10.9m，2014～2015年平灘水深增大為11.8m，表明這期間河槽處于沖刷下切狀態(tài)，2015年后平灘水深基本保持穩(wěn)定。平灘河寬的變化趨勢(shì)與平灘水深相反，至2018年平灘河寬達(dá)到最大值3127.3m。平灘面積呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，2018年平灘面積達(dá)到最大值36093.3m2，相比最小值（2014年）增大約11%。玉帶洲斷面平灘水深及平灘河寬的整體變化相對(duì)較小，其變化趨勢(shì)基本與老虎灘一致，其中平灘水深在2018年達(dá)到最小值11.8m，相比最大值（2012年）減小約10.4%;平灘河寬則相反，2018年達(dá)到最大值2922.4m，相比最小值（2012年）增大約2.7%。平灘面積整體呈減小趨勢(shì)，2018年平灘面積為34509.5m2，相比2012年減小2587.2m2，減幅為7%。

由于河段沿程各斷面河槽形態(tài)調(diào)整過(guò)程存在一定差異，難以反應(yīng)整體河段調(diào)整規(guī)律，故采用3.2節(jié)中河段平均法，計(jì)算得到東流水道2012～2018年河段尺度的平灘河槽形態(tài)參數(shù)變化（見(jiàn)圖5）。由圖可知，受三峽工程運(yùn)行及河道整治工程影響，平灘面積變化較為穩(wěn)定，整體處于37340～38126m2范圍內(nèi)波動(dòng)，二期整治工程主體完工后平灘面積逐年增加，至2018年達(dá)到最大值38125.6m2，相比2012年增大約2.1%。2012～2014年河段來(lái)流量減小，枯水期河槽沖刷強(qiáng)度降低，使得平灘水深減小至14.86m，減幅為2.8%。2015年平灘水深迅速回升，此后進(jìn)一步減小至2018年的14.5m，相比2012年減幅達(dá)5%。平灘河寬變化趨勢(shì)與平灘水深相反：2012～2014年平灘河寬由2442.9m增加至2511.1m;2015年流量小于20000m3/s天數(shù)顯著減少，退水過(guò)程加快，汛后沖刷幅度減弱，平灘河寬減小為2450.5m，隨后增加至2018年的2626m，增幅為4.6%。

總體而言，由于三峽工程運(yùn)行后該河段總體沖刷，同時(shí)整治工程的陸續(xù)實(shí)施，受各類護(hù)岸工程限制，主槽兩側(cè)灘唇變化較小，2012～2018年?yáng)|流水道平灘面積及河寬有所增加，而平灘水深總體減少，這說(shuō)明沖刷導(dǎo)致平灘面積增大，因河寬展寬較多，平灘水深反而略有減小，表明洲灘沖刷較多。河段徑流量的年際變化及年內(nèi)分布差異造成灘槽沖淤演變及河勢(shì)調(diào)整，使得平灘水深及河寬整體年際間有所波動(dòng)。

4.2 平灘流量調(diào)整

平灘流量是反應(yīng)河道過(guò)流能力與輸沙能力的關(guān)鍵指標(biāo)，由于該流量下水流流速大、輸沙率高，因此常稱為造床流量[18-19]。圖6（a）給出了東流水道2012～2018年3個(gè)典型斷面平灘流量的變化過(guò)程，由圖可知：凌家嘴斷面2012～2014年平灘流量逐年遞減，最小值為37665m3/s，而后增加至2018年的42521m3/s，增幅為12.9%。老虎灘斷面2012～2015年平灘流量基本保持不變，2015年后平灘流量由41646m3/s增大至49750m3/s（2018年），增幅達(dá)19.5%，大幅提高了河槽過(guò)流能力。玉帶洲斷面平灘流量變化趨勢(shì)在2015年前與凌家嘴斷面一致，隨后由于平灘河寬束窄、平灘面積縮減，2018年平灘流量降為35593m3/s，基本恢復(fù)至2014年的流量狀態(tài)。

由于各典型斷面平灘河槽形態(tài)、所受水流及床面阻力不同，使得沿程平灘流量計(jì)算結(jié)果差別較大，為進(jìn)一步研究整體河段平灘流量調(diào)整過(guò)程，同樣采用Xia等[9]提出的河段平均法，計(jì)算了河段尺度的平灘流量變化如圖6（b）所示。結(jié)果表明：河段平灘流量整體呈遞增趨勢(shì)，二期整治工程主體完工前，平灘流量基本不變，2014年后平灘流量由51422m3/s逐年增加至2018年的53342m3/s，相比2012年增幅為3.3%。主要由于三峽工程運(yùn)行后該河段沿程沖刷，平灘河寬2012～2018年增大7.5%，河道過(guò)流能力增強(qiáng)，使得平灘流量總體呈上升趨勢(shì)。

5 結(jié)論

采用長(zhǎng)江下游東流水道2012～2018年實(shí)測(cè)地形及水文資料，分析了該河段近期平灘河槽形態(tài)及流量調(diào)整特點(diǎn)，結(jié)果表明：受河道整體沖刷影響，平灘面積增加2.1%。2014年前，平灘河寬由2442.9m增加至2511.1m;2014年后平灘河寬增大4.6%。平灘流量整體呈增大趨勢(shì)，2018年達(dá)到53342m3/s，較2012年增幅為3.3%。表明近期河道平灘面積和過(guò)流能力有所增強(qiáng)，河寬增加大于平灘水深增加，需進(jìn)一步加強(qiáng)洲灘守護(hù)。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0402103）;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52071221;U2040219）;長(zhǎng)江航道科技項(xiàng)目。