長江澄通河段汊道分流比變化規(guī)律

朱博淵，黃 敏，鄭宇軒，秦劍豪，張春財(cái)，程永舟

（1.長沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114）

0 引 言

分流比是反映分汊河道主、支汊興衰交替的重要水動(dòng)力學(xué)指標(biāo)［1-4］，對(duì)其開展研究是認(rèn)識(shí)分汊河道水動(dòng)力特征、河床演變規(guī)律和實(shí)施整治工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

當(dāng)前關(guān)于徑流型分汊河道分流比的研究已較為成熟，成果表明各汊地形差異、上游來流變化和特定的進(jìn)口邊界條件是導(dǎo)致各汊水動(dòng)力條件不同和分流比變化的主要因素［1，5］。而感潮型分汊河道的頭尾部分別在落、漲潮期間迎流，水動(dòng)力條件除受上述因素影響外還受到潮汐作用，分流比變化更為復(fù)雜。已有研究基于河口攔門沙以上落潮流占優(yōu)的認(rèn)識(shí)［6］，主要關(guān)注汊道落潮分流比，且通常以研究徑流型分汊河道分流比的方法研究落潮分流比、即忽略潮汐的頂托作用［7-9］。感潮型汊道雖然多由落潮流塑造，但漲潮流也能塑造副槽及串溝，如澄通河段天生港水道、長江口新橋水道和攔門沙附近數(shù)條平行的漲潮槽等，其中漲潮動(dòng)力起主要作用［10-12］。可見，對(duì)于感潮型分汊河道分流比變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)仍顯不足。

本文選取長江澄通河段為對(duì)象，根據(jù)洪、枯季徑潮流量、流速、潮位和各汊道橫斷面地形實(shí)測資料，擬定不同徑潮動(dòng)力組合類型，研究徑潮共同作用下各汊道落、漲潮分流比變化規(guī)律。研究成果揭示了徑潮動(dòng)力各自對(duì)汊道間水動(dòng)力分配橫向差異的作用機(jī)制，有助于形成對(duì)感潮型分汊河道水動(dòng)力變化的一般性認(rèn)識(shí)。

1 研究河段與方法

1.1 動(dòng)力及河勢特征

澄通河段位于長江潮流界多年平均位置江陰［13］與河口節(jié)點(diǎn)徐六涇［14］之間，全長約100 km，由福姜沙水道、如皋沙水道、通州沙水道和狼山沙水道4 個(gè)分汊水道組成（圖1）。河段內(nèi)落、漲潮流往復(fù)交替，每日兩漲兩落，落潮歷時(shí)大于漲潮歷時(shí)，潮流強(qiáng)度自上而下逐漸增強(qiáng)，統(tǒng)計(jì)資料表明江陰站和徐六涇站的多年平均潮差分別為1.68 m 和2.04 m［13］。經(jīng)過水沙條件與河道形態(tài)的長期適應(yīng)，該段河勢已基本穩(wěn)定。4 個(gè)分汊水道兩汊地形的對(duì)比情況為（圖2）：福姜沙北、中水道（左汊）較南水道（右汊）寬淺，如皋中汊（左汊）較瀏海沙水道（右汊）窄深，通州沙東水道（左汊）較西水道（右汊）寬、且遠(yuǎn)較西水道深，狼山沙東水道（左汊）與西水道（右汊）地形的對(duì)比情況和通州沙東、西水道類似。

圖1 澄通河段河勢Fig.1 River regime of Chengtong reach

圖2 各水道兩汊橫斷面形態(tài)Fig.2 Cross-section topographies in two branches of the waterways

1.2 研究資料與方法

本次水文、地形資料采用長江水利委員會(huì)長江口水文水資源勘測局2004年洪季（8月30日至9月10日）和2005年枯季（1月17日至2月12日）實(shí)測汊道橫斷面地形和大、中、小潮的逐時(shí)潮位、潮流流量、垂線流速資料以及對(duì)應(yīng)的大通站日均流量。4個(gè)分汊水道附近潮位資料的代表站分別為和尚港、太子圩、五干河、七干河（圖1），地形和潮位高程基準(zhǔn)均為1985 國家高程基準(zhǔn)，橫斷面地形和潮流流量的觀測斷面為FZ#、FY#、RZ#、RY#、TZ#、TY#、LZ#和LY#（圖1）。以上資料和觀測斷面滿足澄通河段落、漲潮分流比隨徑潮動(dòng)力變化的研究，所得結(jié)果可代表洪枯季、大小潮條件下該河段分流比變化的一般性規(guī)律。

落、漲潮分流比定義如下：

式中：（η落∕漲）i代表某分汊水道i汊落∕漲潮分流比，%；（Q落∕漲）i代表該汊落、漲潮流量，m3∕s。

由于4 個(gè)分汊水道兩汊分流比之和均為1，選擇一汊分流比進(jìn)行研究，另一汊分流比的變化規(guī)律必然相反，本文均關(guān)注各水道左汊分流比。

落、漲潮過程中某汊斷面平均流速由下式求得：

式中：v落∕漲代表該斷面落、漲潮平均流速，m∕s；A代表該斷面過流面積，m2。

斷面過流面積A的計(jì)算方法為將對(duì)應(yīng)潮位下的斷面剖分為多個(gè)梯形和三角形（圖3），再將梯形和三角形的面積加和：

圖3 橫斷面剖分示意圖Fig.3 Skematic diagram of cross-section subdivision

式中：j代表剖分后的某一三角形或梯形編號(hào)；Aj代表該三角形或梯形面積；n代表梯形和三角形總數(shù)。

文中以大通站的兩級(jí)流量Q洪=36 000 m3∕s 和Q枯=11 000 m3∕s（分別為2004年洪季和2005年枯季施測期間日均流量的平均值）代表兩種強(qiáng)度的徑流動(dòng)力。關(guān)于潮汐動(dòng)力的代表指標(biāo)，以往研究中多選用潮差（一個(gè)潮周期內(nèi)最高潮位與最低潮位的差值）或其時(shí)均值反映相應(yīng)時(shí)間尺度內(nèi)的潮汐動(dòng)力強(qiáng)弱［15，16］，由于本文內(nèi)容包括分流比隨潮汐動(dòng)力逐時(shí)變化的過程，選用與潮差物理意義相近的相對(duì)潮位來反映各時(shí)刻的潮汐動(dòng)力強(qiáng)度。相對(duì)潮位定義為某時(shí)刻潮位減去前后兩個(gè)低潮位的平均值：

式中：ΔT為某時(shí)刻相對(duì)潮位，m；T為該時(shí)刻潮位，m；T低1和T低2為該時(shí)刻前后兩個(gè)低潮位，m。

如圖4所示：7 h 的相對(duì)潮位等于7 h 的潮位2.7 m 減去2 h和14 h 潮位的平均值0.9 m，16 h 的相對(duì)潮位等于16 h 的潮位2.5 m減去14 h和27 h潮位的平均值0.9 m。

圖4 某潮位站逐時(shí)潮位Fig.4 Hourly tidal level at a certain gauge station

2 分流比變化特征

2.1 落潮分流比

圖5顯示，同一Q洪∕枯下，福姜沙左汊η落隨ΔT增大而增大，如皋沙左汊η落隨ΔT增大先減小后增大，通州沙左汊和狼山沙左汊η落分別均隨ΔT增大而減小。同一ΔT下，福姜沙左汊在ΔT小于0.9 m時(shí)Q洪對(duì)應(yīng)的η落大于Q枯對(duì)應(yīng)的η落、ΔT大于0.9 m時(shí)結(jié)果相反；如皋沙左汊Q洪對(duì)應(yīng)的η落大于Q枯對(duì)應(yīng)的η落，當(dāng)ΔT在1.9 m 附近時(shí)存在轉(zhuǎn)換趨勢；通州沙左汊在ΔT小于1.1 m時(shí)Q洪對(duì)應(yīng)的η落小于Q枯對(duì)應(yīng)的η落、ΔT大于1.1 m 時(shí)結(jié)果相反；狼山沙左汊Q洪對(duì)應(yīng)的η落大于Q枯對(duì)應(yīng)的η落。

2.2 漲潮分流比

圖6顯示，同一Q洪∕枯下，福姜沙左汊η漲隨ΔT增大而減小，如皋沙左汊、通州沙左汊、狼山沙左汊η漲均隨ΔT增大而增大。同一ΔT下，福姜沙左汊Q洪對(duì)應(yīng)的η漲大于Q枯對(duì)應(yīng)的η漲，如皋沙左汊、通州沙左汊、狼山沙左汊的結(jié)果相反。

3 分流比變化機(jī)制

3.1 同一徑流流量下分流比隨相對(duì)潮位的變化

同一Q洪∕枯下η落∕漲隨ΔT變化的機(jī)制可能包括兩個(gè)方面：一是潮位T變化造成左右汊過流面積A變化，二是斷面平均流速v落∕漲在兩汊間消長速度存在差異。

（1）潮位變化造成過流面積變化?？紤]到各水道T～ΔT關(guān)系類似、且左右汊地形高程對(duì)比情況一定，以福姜沙水道為例進(jìn)行說明。圖7顯示，和尚港站落、漲潮T均隨ΔT增大而升高，因此落、漲潮過程中隨ΔT增大時(shí)福姜沙水道江心洲頭、尾部口門左右汊斷面過流面積A變化的對(duì)比情況相同。若T變化是使η落∕漲變化的主要因素，則福姜沙左汊η落和η漲隨ΔT變化的規(guī)律相同，而實(shí)際情況相反［圖5（a），圖6（a）］，說明T不是使得η落∕漲變化的主要因素。

圖5 各水道左汊落潮分流比隨徑流流量和相對(duì)潮位的變化Fig.5 Variations of ebb-tide partition ratios in left branches of the waterways under different runoff discharges and relative tidal levels

圖6 各水道左汊漲潮分流比隨徑流流量和相對(duì)潮位的變化Fig.6 Variations of flood-tide partition ratios in left branches of the waterways under different runoff discharges and relative tidal levels

圖7 和尚港潮位-相對(duì)潮位關(guān)系Fig.7 Correlation between tidal level and relative tidal level at Heshanggang station

（2）斷面平均流速在兩汊間消長速度存在差異。考慮到任一潮周期內(nèi)流速的變化過程相似，取一個(gè)潮周期分析。圖8（a）、（b）、（c）中顯示任一水道左右汊斷面平均流速v落∕漲差值在落潮和漲潮過程中的變化規(guī)律相同：福姜沙水道落、漲潮過程中該差值均減小，如皋沙水道和狼山沙水道落、漲潮過程中該差值均增大。以上表明任一水道兩汊v落和v漲消長速度的對(duì)比情況在落潮和漲潮期間一致：福姜沙水道落潮和漲潮過程中v落和v漲在左汊的增長速度均緩于右汊、消退速度均快于右汊，如皋沙水道和狼山沙水道落潮和漲潮過程中v落和v漲在左汊的增長速度均快于右汊、消退速度均緩于右汊。通州沙水道受資料限制，作出左汊斷面垂線平均流速分布圖［圖8（d）］，取半個(gè)潮周期示意。從圖8（d）中可看出落潮和漲潮過程中通州沙左汊深槽與邊灘流速差值均逐漸增大，說明落潮和漲潮過程中流速在深槽的增長速度均快于邊灘、消退速度均緩于邊灘；而左汊邊灘與右汊相鄰，且地勢高程與右汊相近［圖2（c）］，可知通州沙左、右汊間v落和v漲消長對(duì)比情況與左汊深槽、邊灘間類似。

圖8 潮周期內(nèi)各水道兩汊斷面平均流速差值、相對(duì)潮位和垂線平均流速橫向分布變化Fig.8 Variations of cross-section average flow-velocity differences，relative tidal levels，and vertical-average-velocity lateral distributions within the two branches of the waterways during a certain tidal cycle

落、漲潮過程中某汊v落∕漲增長速度快于另一汊、消退速度緩于另一汊，表明越來越多的水流從該汊通過，導(dǎo)致該汊η落∕漲增大，另一汊η落∕漲相應(yīng)減小。由以上分析可知，正是因?yàn)槁?、漲潮過程中進(jìn)入福姜沙左汊、如皋沙右汊、通州沙右汊、狼山沙右汊的水流越來越少，而進(jìn)入各水道另一汊的水流越來越多，同時(shí)各水道ΔT在落潮過程中同步減小、漲潮過程中同步增大［圖8（a）～（c）］，才導(dǎo)致圖5、6 中同一Q洪∕枯下各水道左汊η落∕漲隨ΔT的變化特征，可通過對(duì)比圖5、6 和圖8得到。因此，v落∕漲在各水道兩汊間消長速度的不同是同一Q洪∕枯下各汊η落∕漲隨ΔT變化的主導(dǎo)因素。

值得注意的是，ΔT大于1 m 時(shí)，如皋沙左汊η落隨ΔT增大而增大，與ΔT小于1 m 時(shí)的情況相反［圖5（b）］。這是因?yàn)棣較大時(shí)T較高，淹沒了如皋沙左汊兩岸灘體，左汊斷面過流面積A大幅增加，此時(shí)T變化對(duì)η落的影響比v落∕漲在兩汊間消長速度的影響更為顯著，T隨ΔT增大，左汊邊灘以上斷面過流面積A相應(yīng)增大，而右汊T始終低于兩岸灘體，導(dǎo)致左汊η落增大。文獻(xiàn)［17］對(duì)此也有說明。

根據(jù)各水道兩汊形態(tài)對(duì)比情況（圖2）可知，各水道v落∕漲增長較慢、消退較快的一汊（福姜沙左汊、如皋沙右汊、通州沙右汊、狼山沙右汊）均為較淺的汊。這是因?yàn)樗髁飨驕\汊時(shí)阻力大，需要消耗更多動(dòng)能，且福姜沙左汊和如皋沙右汊既淺且寬，加劇了水流能量消耗。

3.2 同一相對(duì)潮位下分流比隨徑流流量的變化

（1）落潮分流比。對(duì)于福姜沙水道和通州沙水道，當(dāng)ΔT分別小于0.9 m 和1.1 m 時(shí)，潮汐動(dòng)力較弱，落潮流中徑流動(dòng)力的特性表現(xiàn)明顯：福姜沙左汊與上游干流平順銜接（圖1），Q洪時(shí)流路取直，同時(shí)受進(jìn)口南岸黃山、肖山節(jié)點(diǎn)挑流作用［18］，主流走左汊，而Q枯時(shí)主流沿進(jìn)口南岸深槽進(jìn)入右汊，故同一ΔT下左汊Q洪對(duì)應(yīng)的η落大于Q枯對(duì)應(yīng)的η落［圖5（a）］；通州沙左汊遠(yuǎn)深于右汊，Q枯時(shí)水流歸槽進(jìn)入左汊，而Q洪時(shí)由于流路取直和潮位抬高，一部分水流進(jìn)入右汊，故同一ΔT下左汊Q洪對(duì)應(yīng)的η落小于Q枯對(duì)應(yīng)的η落［圖5（c）］。當(dāng)ΔT大于0.9 m和1.1 m時(shí)，落潮流中徑流動(dòng)力被潮汐動(dòng)力頂托削弱，此時(shí)水流流路受兩汊地形約束明顯，流量越大、深汊分流越多，故此時(shí)福姜沙左汊和通州沙左汊在Q洪和Q枯間η落大小對(duì)比關(guān)系相反［圖5（a），（c）］。如皋沙水道和狼山沙水道兩汊分別承接福姜沙水道和通州沙水道兩汊來流（圖1），故兩水道左汊在Q洪和Q枯間η落對(duì)比關(guān)系分別與福姜沙左汊和通州沙左汊的情況類似。

以上分析可從圖9得到體現(xiàn)：隨ΔT增大，福姜沙左右汊v落差值在Q洪時(shí)相比于Q枯時(shí)越來越?。▋蓷l擬合線的間隔越來越大），表明Q洪時(shí)水流流路取直和受進(jìn)口南岸節(jié)點(diǎn)挑流的作用越來越弱，相比于Q枯時(shí)有越來越多的落潮水流進(jìn)入右汊；如皋沙左右汊v落差值在Q洪時(shí)相比于Q枯時(shí)也是越來越?。▋蓷l擬合線的間隔越來越?。?，分流過程變化與福姜沙水道類似。隨ΔT增大，通州沙左汊深槽與邊灘v落差值在Q洪時(shí)相比于Q枯時(shí)越來越大（兩條擬合線的間隔越來越大），表明Q洪時(shí)水流流路取直的特性越來越弱，相比于Q枯時(shí)有越來越多的落潮水流進(jìn)入左汊；狼山沙左右汊v落差值在Q洪時(shí)相比于Q枯時(shí)也是越來越大（兩條擬合線的間隔越來越大），分流過程變化與通州沙水道類似。

（2）漲潮分流比。漲潮時(shí)水流自下游向上游運(yùn)動(dòng)，潮汐動(dòng)力占絕對(duì)優(yōu)勢。同一ΔT下Q枯時(shí)相比于Q洪時(shí)T低（圖7）、河道斷面A小、且Q漲大（圖10），由式（2）可知使得v漲也大。因此，Q枯時(shí)T低、v漲大，利于漲潮主流進(jìn)入各水道較深一汊，使得此時(shí)各水道深汊η漲較Q洪時(shí)大，淺汊則相反（圖6）。

圖10 各水道兩級(jí)徑流流量間漲潮流量比較Fig.10 Comparisons of flood tidal discharges under two runoff discharges for the waterways

以上分析可從圖11得到體現(xiàn)：同一ΔT下，福姜沙左右汊v漲差值在Q枯時(shí)比Q洪時(shí)小，說明Q枯時(shí)更利于漲潮主流進(jìn)入右汊；如皋沙左右汊、通州沙左汊深槽與邊灘、狼山沙左右汊v漲差值在Q枯時(shí)比Q洪時(shí)大，說明Q枯時(shí)更利于漲潮主流進(jìn)入各水道左汊。以上各水道利于Q枯時(shí)漲潮主流進(jìn)入的汊均為兩汊中的深汊。

圖11 各水道漲潮期左右汊和汊內(nèi)深槽、邊灘斷面平均流速差值Fig.11 Cross-section average flow-velocity differences between left and right branches and between interior deep trough and marginal beach within the waterways during flood-tide periods

綜上，同一ΔT下，無論落潮或漲潮，η落∕漲隨Q洪∕枯的變化均取決于徑潮動(dòng)力強(qiáng)度對(duì)比：落潮過程中，徑流動(dòng)力表現(xiàn)明顯時(shí)，Q洪更利于主流流路取直和節(jié)點(diǎn)挑流，而徑流動(dòng)力被潮汐動(dòng)力頂托明顯時(shí)，Q洪反而越利于水流歸槽，從而引起汊道η落的相應(yīng)變化；漲潮過程中，Q枯時(shí)同一ΔT下v漲更大、T更低，更利于漲潮主流進(jìn)入深汊，從而引起汊道η漲的相應(yīng)變化。

4 結(jié) 論

澄通河段內(nèi)各分汊水道兩汊落、漲潮分流比隨徑流流量和相對(duì)潮位變化呈現(xiàn)出不同的變化特征。同一徑流流量下各水道兩汊落、漲潮分流比隨相對(duì)潮位的變化取決于潮流流速在兩汊間的消長速度，淺汊潮流流速增長慢、消退快，落、漲潮分流比均逐漸減小，深汊則相反。同一相對(duì)潮位下各水道兩汊落、漲潮分流比隨徑流流量的變化取決于徑潮動(dòng)力強(qiáng)度對(duì)比，徑流強(qiáng)時(shí)落潮主流流路取直、沿岸節(jié)點(diǎn)挑流作用明顯、漲潮水位抬高，利于淺汊落、漲潮分流比增大，潮流強(qiáng)時(shí)落潮主流歸槽、漲潮水位降低、漲潮流速增大，利于深汊落、漲潮分流比增大。本文研究成果可為澄通河段汊道分流比變化趨勢預(yù)測、河床演變規(guī)律分析及工程整治提供參考。