長江下游儀征河段汊道分流屬性及航道灘槽演變機制*

方娟娟,付 菁,楊云平,許 慧,賈夢琳,王建軍,熊 慧

(1:武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室, 武漢 430072)(2:長江水利水電開發(fā)集團(湖北)有限公司，武漢 430010)(3:工程泥沙交通運輸行業(yè)重點實驗室交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所, 天津 300456)(4:水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院, 南京 210029)

分汊型河道廣泛分布在大型沖積型河流的下游及感潮河段[1-3]，如長江下游至河口段以連續(xù)的藕節(jié)型分汊河段為主.由于初始汊道長度[4-5]、汊道分流分沙關(guān)系不協(xié)調(diào)[6-8]、河道比降[9]、流量過程[10]等要素的綜合影響，引起汊道沖淤不均衡發(fā)育，進而引起汊道交替發(fā)展，使得河勢及灘槽形態(tài)不穩(wěn)定，進而影響汊道的通航條件[11-14].因此，研究汊道分流屬性及航道灘槽演變機制，一直是河道治理與航道整治關(guān)系的焦點.

長江下游南京-瀏河口段為潮流界變動區(qū)域[15]，其邊心灘演變規(guī)律極為復(fù)雜，航道條件多變且礙航程度大，為充分利用深水資源，已實施了南京以下12.5 m深水航道一期和二期工程.對于長江潮流界變動段的落成洲河段，依據(jù)汊道分流比與流量關(guān)系，揭示了年內(nèi)流量過程差異對三益橋邊灘及淺灘聯(lián)動關(guān)系的影響[7]；福姜沙河段開展了汊道分流比與流量變化敏感性關(guān)系[16]、靖江邊灘切割與特征流量級持續(xù)天數(shù)關(guān)系等研究，解釋了靖江邊灘演變對福北水道航道條件的影響關(guān)系與程度[17-18].儀征河段為南京-瀏河口段重點礙航河段之一，隨著12.5 m深水航道后續(xù)完善工程的開展，亟需進一步揭示儀征河段汊道分流屬性及灘槽演變聯(lián)動機制.儀征河段為微彎分汊河段，世業(yè)洲分為左右兩汊，其中左汊為支汊，右汊為主汊.在河勢格局上，近百年來儀征河段的河勢格局穩(wěn)定少變，與進口段有雙向節(jié)點控制、微彎形凹岸有良好的導(dǎo)流岸壁等密切有關(guān)[19-20].1970年以來，世業(yè)洲右汊分流比為持續(xù)減少態(tài)勢，伴隨世業(yè)洲右汊進口段“沖灘淤槽”，使得航槽淤積萎縮，航道條件向不利方向發(fā)展[21].同時，世業(yè)洲洲頭及右緣高大完整，是右汊進口航道條件優(yōu)良的必要條件[22].二期工程實施以后，整治建筑物掩護區(qū)內(nèi)灘體淤積，右汊分流比增加2%～3%，進口段航道水深由10.5 m 提升至12.5 m[23].流域來沙量減少背景下，世業(yè)洲兩汊道沖刷不均衡引起的主支汊過流能力相對關(guān)系變化是汊道分流比關(guān)系調(diào)增的主要因子，同時極端洪水會在短時間內(nèi)引起汊道沖淤和分流比變化[24].綜上，已有研究集中在汊道分流比、灘槽演變過程及航道條件等方面，對于汊道分流屬性、灘槽演變聯(lián)動機制等研究仍有待深入，以期為12.5 m深水航道后續(xù)完善工程提供參考.

本研究收集了長江下游儀征河段近60年的實測水文、河床地形等資料，分析儀征河段汊道分流屬性及階段性趨向性調(diào)整的動力成因，進一步研究汊道間及上游河段的灘槽聯(lián)動演變機制，厘清航道工程實施對灘槽演變的影響模式.

1 研究區(qū)域概況及水沙條件

1.1 研究區(qū)域

儀征河段處于枯季潮流界變動范圍內(nèi)，河道全長約17 km，河道形態(tài)為微彎分汊型，大型洲灘為世業(yè)洲，10.5 m和12.5 m水深的主航道均位于世業(yè)洲右汊(圖1a).2015-2018年期間，南京至天生港河段實施了12.5 m深水航道二期工程，儀征河段工程建設(shè)內(nèi)容為：世業(yè)洲頭部潛堤、頭部潛堤兩側(cè)丁壩、世業(yè)洲右緣丁壩及左汊護底帶(圖1b)，目的是穩(wěn)定灘槽形態(tài)、增加枯水期主通航汊道水動力，實現(xiàn)改善右汊航道水深條件的目標(biāo).

圖1 研究區(qū)域位置及河勢圖

1.2 數(shù)據(jù)資料及處理

收集了1955-2020年大通水文站日均流量及輸沙率數(shù)據(jù)，用于分析特征流量級變化、汊道分流比與流量關(guān)系.收集了1959-2021年期間世業(yè)洲汊道分流比數(shù)據(jù)，結(jié)合分流比與流量關(guān)系，用于判別汊道分流屬性；收集了1959-2021年期間間隔年份的河道地形資料，測驗比例尺一般為1∶10000，用于分析河道沖淤分布、河槽容積及沖淤量、河相系數(shù)、航道條件變化等.以上數(shù)據(jù)來源見表1.

表1 研究數(shù)據(jù)類型及來源

1.3 流域來水來沙條件

1950-2020年期間，大通站年徑流量無顯著的單向趨勢性變化，年輸沙量為階段性減少態(tài)勢，2003-2020年與1950-2002年比較，年徑流量和年輸沙量的減幅分別為2.57%和68.49%.在徑流量特征上，1973、1983、1998-1999、2010、2012、2016和2020年均為典型的大水年份.在輸沙量特征上，1964年輸沙量最大，2011年輸沙量最小(圖2).

圖2 大通站水沙特征變化

2 世業(yè)洲汊道分流屬性及發(fā)展趨勢

在儀征河段汊道分流比調(diào)整過程研究的基礎(chǔ)上，研究汊道與流域來流流量的屬性關(guān)系，分析汊道分流比與階段性重要人類活動(河勢控制工程、航道整治工程等)的響應(yīng)關(guān)系.

2.1 1959年以來汊道分流比變化

1959-1971年期間，世業(yè)洲汊道的分流關(guān)系相對較為穩(wěn)定，且右汊為主汊，時段內(nèi)左汊和右汊分流比平均值的比值約為1∶4(圖3).1972-2014年期間，世業(yè)洲右汊分流比為減少態(tài)勢，累計減幅20.0%，年均減幅0.48%.2015-2021年期間，世業(yè)洲右汊分流比為小幅增加，枯水期累計增幅6.7%，年均增幅1.22%.一般而言，遇大水年世業(yè)洲右汊分流比出現(xiàn)一個較為明顯的階段性變化特征，如1973、1983及1998-1999年.

圖3 世業(yè)洲汊道分流比變化

2.2 1959年以來汊道分流屬性及近年航道工程影響

儀征河段處于長江枯季潮流界的上邊界，其年內(nèi)僅在低流量-大潮時出現(xiàn)漲潮負向水流，即可參考徑流河段汊道-流量的傾向性分析世業(yè)洲汊道屬性[12].1959-1971年和1972-1985年的兩個時段儀征水道右汊分流比與大通站流量呈負相關(guān)關(guān)系，依據(jù)徑流控制段的汊道屬性劃分，世業(yè)洲右汊為枯水傾向型，即左汊為洪水傾向汊道.1986-2011年期間各時段世業(yè)洲右汊分流比與流量關(guān)系不顯著，相同流量條件下右汊分流比較1959-1985年期間為整體性的減少態(tài)勢(圖4a).深水航道整治工程平面布置與汊道屬性關(guān)系上，儀征河段的通航主汊道選取原則與徑流河段基本一致，宜選取枯水傾向汊道為通航主汊道.歷史時期的 1959-1985年、2012-2017年期間的世業(yè)洲右汊均表現(xiàn)出一定的枯水傾向型特性，即南京以下12.5 m深水航道整治二期工程中儀征河段選取世業(yè)洲右汊為枯水期主航道是基本合適的.從同流量-世業(yè)洲右汊分流比關(guān)系上看，受深水航道工程灘槽調(diào)控作用的影響，2018-2021年期間右汊的枯水傾向性不顯著，但其各流量時期右汊分流比均高于2012-2017年期間，表明南京以下12.5 m深水航道整治二期工程實現(xiàn)了調(diào)控分流關(guān)系的功能(圖4b).

圖4 汊道分流比與大通站流量的關(guān)系

依據(jù)中國科學(xué)院地理研究所的分析研究[25]，支汊的長期穩(wěn)定與維持需要滿足如下條件：

(1)

近60年來，從世業(yè)洲河段汊道分流比、分沙比變化上看(圖4)，1959-1985年期間左汊分沙比低于分流比，高水分流比大于低水分流比，即世業(yè)洲左汊處于發(fā)展階段；1986-2011年期間，世業(yè)洲左汊分沙比和分流比的比值小于1.0，而高水分流比與低水分流比的比值大于1.0，且出現(xiàn)減小態(tài)勢，即左汊洪水傾向性程度略有減弱(表2).2012-2021年期間，世業(yè)洲左汊分沙比和分流比的比值大于1.0，高水分流比與低水分流比的比值接近1.0，說明河勢控制工程及航道整治工程已發(fā)揮了調(diào)控分流關(guān)系的功能.

表2 世業(yè)洲左汊發(fā)展態(tài)勢

2.3 汊道分流調(diào)整的驅(qū)動成因

影響世業(yè)洲汊道分流關(guān)系調(diào)整的驅(qū)動因子主要有：來流流量過程、汊道灘槽形態(tài)、河段內(nèi)典型人類活動等要素.

2.3.1 來流過程的驅(qū)動 前述分析表明，在人類活動干擾比較小的準(zhǔn)自然時期(1959-1985年)，世業(yè)洲右汊為枯水傾向型汊道(低流量時期的右汊分流比高于高流量時期).1959-2020年期間的各時段流量級特征進行比較，大通站Q<15000 m3/s持續(xù)天數(shù)為減少趨勢，累計減幅為21.2%，15000 m3/s

圖5 大通站特征流量級持續(xù)時間

2.3.2 上游河勢調(diào)整的驅(qū)動 1970s中期以前，因上游河道的河勢條件基本穩(wěn)定，世業(yè)洲汊道入流條件和平面形態(tài)調(diào)整不大，即汊道整體保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)；1970s中期至1990s中期，受上游河段右岸三江口凸嘴崩退導(dǎo)致陡山節(jié)點失控的影響，使得對岸小河口以下主流頂沖點下移動，主流左移及洲頭分流點大幅下移，世業(yè)洲左汊進入快速的發(fā)展時期；1990s以來，經(jīng)歷了連續(xù)幾次大水的影響，上游左岸胥浦河口-泗源溝河口段的蝕退較為嚴重，主流逐漸左移貼岸，左汊進入了快速發(fā)展階段.從世業(yè)洲上游河段寬度與汊道段進口斷面寬度關(guān)系上看，伴隨分汊口上游河道的逐漸展寬，世業(yè)洲左汊寬度為增加態(tài)勢，右汊相應(yīng)束窄(圖6).

圖6 上游河勢變化與世業(yè)洲汊道0 m槽寬度的關(guān)系

2.3.3 灘槽形態(tài)調(diào)整的反饋驅(qū)動 從儀征河段河床沖淤分布上看(圖7a)，1981-2004年期間儀征水道進口左岸側(cè)沖刷，右岸側(cè)以淤積為主，最大淤積厚度為6.2 m；2004-2016年期間世業(yè)洲左汊以整體沖刷為主，右汊進口右岸測、中段及尾部為淤積態(tài)勢；世業(yè)洲左汊整體沖刷態(tài)勢，僅中部土橋附近略有淤積；世業(yè)洲右汊沖淤交替變化，下段深槽內(nèi)淤積厚度大于上段.在河槽容積上，2004-2016年期間世業(yè)洲左汊、右汊0 m以下河槽容積分別增加0.45×108和0.17×108m3，較2004年河槽容積的增幅為39.1%和6.5%.整體上，在流域來沙量減少的環(huán)境下，世業(yè)洲左汊發(fā)育程度高于右汊，且兩汊河槽容積與分流比存在較好的一致性關(guān)系(圖7c).已有研究證實[26]，三峽工程運行后長江中下游汊道段的兩汊交替均為沖刷，同時洪水主汊沖刷大于枯水主汊，其調(diào)整將引起河段水流運動和各汊分流比的變化.從世業(yè)洲汊道分流關(guān)系與河槽沖淤關(guān)系來看，洪水傾向性的左汊沖刷強度高于右汊，因此汊道間河床沖淤不均衡與汊道分流比關(guān)系形成了反饋驅(qū)動關(guān)系.

圖7 河床沖淤分布與汊道分流比的關(guān)系

3 “水沙條件+航道工程”驅(qū)動下儀征河段灘槽形態(tài)演變機制

3.1 水沙條件驅(qū)動下的灘槽形態(tài)演變

選取1964-2012年期間儀征河段0 m和10.0 m等深線分析灘槽演變過程，進一步明確水沙條件驅(qū)動下灘槽形態(tài)的變化特征.

1982-2012年期間，儀征河段0 m洲灘形態(tài)變化較大的區(qū)域集中在世業(yè)洲右緣中下段和世業(yè)洲左緣中上段，其中1982-2003年期間面積呈增加態(tài)勢(增幅為3.90%)，2003-2012年期間面積變化較小(圖8a).1982-1999年期間，世業(yè)洲左汊進口10.0 m槽未貫通，右汊為貫通狀態(tài)，1999年進口段10.0 m槽左邊線明顯左擺，右汊進口為上段沖刷下段淤積的特點；至2004年，世業(yè)洲左汊和右汊10.0 m槽均貫通，左汊寬度顯著增加；2004-2012年期間，右汊進口段世業(yè)洲右緣10.0 m線沖刷后退，尤其是2010年大水時期的后退距離最大，對應(yīng)這一時期世業(yè)洲右汊進口段的航道條件相對較差.

圖8 世業(yè)洲汊道0 m和10 m等深線變化

1992-2018年期間大通站輸沙量為持續(xù)性減少態(tài)勢(1992年大通沙量為3.09×108t，至2018年沙量為0.83×108t，累計減少約2.26×108t)，對應(yīng)世業(yè)洲左汊0 m以下河槽累計擴容約0.85×108m3(圖9a).其中，1992-2000年期間世業(yè)洲右汊0 m以下河槽容積為減小態(tài)勢；2000-2018年期間河槽容積略有增大；2014-2018年期間上游河段0 m以下河槽容積變化不大.整體上，1992-2018年期間，隨著長江流域來沙量的持續(xù)減少，儀征河段0 m以下河槽容積為增大態(tài)勢(圖9b)，即流域來沙量減少為河槽整體沖刷主控因素.

3.2 1959年以來儀征河段灘槽形態(tài)演變的關(guān)聯(lián)性

河相系數(shù)(ξ)可表征河道橫向?qū)挾燃按瓜蛏疃鹊年P(guān)系，一般以平灘水位時的水面寬度(B，單位為m)與 平灘水位的平均水深(H，單位為m)的比值來表示，具體公式如下：

(2)

世業(yè)洲汊道段的灘槽演變對分汊口上游河段灘槽形態(tài)調(diào)整的響應(yīng)較為迅速，1959-2018年期間的河相關(guān)系變化特點(圖10a)：1959-1976年期間，世業(yè)洲左汊河相系數(shù)呈增大態(tài)勢，1976-2018年期間為減小態(tài)勢，河槽形態(tài)經(jīng)歷了寬淺向窄深過渡；1959-1998年期間世業(yè)洲右汊河相系數(shù)增加；1998-2018年期間為階段性減小態(tài)勢，河槽形態(tài)同樣經(jīng)歷了由寬淺向窄深趨勢過渡.1982-1998年期間儀征河段上游河段的河相系數(shù)呈增大態(tài)勢；1998-2018年期間呈減小態(tài)勢，河槽形態(tài)同樣經(jīng)歷了由寬淺向窄深趨勢過渡.從河槽形態(tài)調(diào)整的聯(lián)動關(guān)系上，若儀征河段上游河段的河道展寬，對應(yīng)世業(yè)洲左汊展寬程度大于右汊，有利于左汊分流的增加.以整個汊道為分析單元(圖10b)，1994-2018年期間儀征河段上游河段、世業(yè)洲左汊和右汊的河相系數(shù)均為減少態(tài)勢，左汊窄深化程度更大.從河相系數(shù)關(guān)系上看，上游河段-世業(yè)洲左汊河槽形態(tài)的關(guān)系高于分流區(qū)域-世業(yè)洲右汊.

圖10 儀征河段河相系數(shù)的關(guān)系

3.3 航道工程作用下的灘槽演變

2015年8月-2019年4月期間，世業(yè)洲洲頭區(qū)域顯著淤積，即深水航道工程具有較好的促淤功能(圖11a～c)；世業(yè)洲右汊上段(大年河口至馬家港之間)航槽內(nèi)沖刷較明顯，最大沖深達3.0 m以上，左汊中段(高資港至七擺渡逐漸)以淤積為主，初步實現(xiàn)了航道水深改善的功能；同時，世業(yè)洲10.0 m以淺的面積和容積均為增大態(tài)勢(圖11d)，灘體的完整性得到提升，同時需關(guān)注右汊高資港附近灘槽沖淤及對航道水深條件的影響.

圖11 航道工程實施以來儀征河段河床沖淤分布及河槽容積變化

南京以下12.5 m深水航道二期工程實施前，世業(yè)洲左汊10 m槽容積與面積均為增大態(tài)勢，工程實施階段為減少態(tài)勢，實施后為增大態(tài)勢，完工后略有減少(圖12a).南京以下12.5 m深水航道二期工程實施前，世業(yè)洲右汊10 m槽容積和面積變化不大，工程實施過程中經(jīng)歷了2016年大水年份，右汊進口出現(xiàn)一定幅度的淤積，使得右汊深槽容積和面積呈減少態(tài)勢，實施后轉(zhuǎn)為增大態(tài)勢，完工后相對較穩(wěn)定(圖12b).

圖12 世業(yè)洲汊道10 m槽容積與面積變化

3.4 深水航道二期工程對12.5 m水深航道條件的影響

從世業(yè)洲右汊12.5 m槽容積與分流比的關(guān)系上看，隨著分流比的增加，12.5 m深槽容積顯著增加，即右汊分流比每增加1.0%，12.5 m深槽的容積增加約554×104m3(圖13).

圖13 世業(yè)洲右汊12.5 m槽容積與分流比的關(guān)系

三峽工程運行前，遇大洪水年份世業(yè)洲右汊的航道條件趨差，如1998-1999年連續(xù)的大洪水后右汊12.5 m 等深線斷開，并持續(xù)到2003年右汊航道條件趨于改善.三峽工程運行后，2010年長江大水年后世業(yè)洲右汊12.5 m等深線雖貫通，但是12.5 m等深線的寬度出現(xiàn)減低態(tài)勢，至2012年航道條件仍延續(xù)惡化態(tài)勢.南京以下12.5 m深水航道整治工程實施期間(2015-2018年)，遭遇2016年大洪水年份后世業(yè)洲右汊12.5 m等深線處于斷開態(tài)勢，同期2016年的疏浚維護量為2015-2018年期間的最大值.2018-2019年期間，世業(yè)洲右汊12.5 m等深線貫通，且最小寬度顯著增加，并滿足南京以下12.5 m深水航道儀征水道工程的航道寬度要求(圖14).

圖14 世業(yè)洲右汊12.5 m水深航道條件變化

4 結(jié)論

本文收集了1955-2021年期間長江下游儀征水道水文泥沙及地形等資料，深入研究世業(yè)洲汊道分流屬性及灘槽演變聯(lián)動機制，主要結(jié)論為：

1)世業(yè)洲右汊即低流量時期分流比大于高流量，表現(xiàn)為枯水傾向型汊道；1959-2021年期間世業(yè)洲右汊分流比經(jīng)歷為“穩(wěn)定-下降-上升”的調(diào)整過程，深水航道工程實施后累計增幅為6.7%；上游灘槽格局調(diào)整及流域來沙量減少引起的汊道不均衡沖刷是分流關(guān)系調(diào)整的主因，同時特征流量級(大通站Q<15000 m3/s和15000 m3/s

2)灘槽演變聯(lián)動關(guān)系上，儀征河段上游河段以展寬為主，世業(yè)洲左汊的展寬程度大于右汊，世業(yè)洲左汊河床形態(tài)變化與進口段灘槽形態(tài)的一致性關(guān)系優(yōu)于右汊，即在上游河勢調(diào)整、流域來沙量減少綜合條件促進左汊的進一步發(fā)展；深水航道整治二期工程作用下，世業(yè)洲右汊分流比增加，工程區(qū)域顯著淤積且洲灘的完整性增強，工程影響區(qū)域深槽沖刷且河槽容積增大，航道工程基本實現(xiàn)了調(diào)控汊道分流關(guān)系、調(diào)整灘槽形態(tài)及改善航道水深條件的目標(biāo).