長(zhǎng)江下游落成洲河段洲灘聯(lián)動(dòng)關(guān)系與航道淺灘礙航機(jī)制

楊云平，張夏博，鄭金海，朱玲玲，王建軍，方娟娟，魏 穩(wěn)

(1. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2. 河海大學(xué)，江蘇 南京 210098；3. 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江水文局，湖北 武漢 430010；4. 長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430019；中山大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528406)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人類活動(dòng)導(dǎo)致的擾動(dòng)往往會(huì)加速或改變自然過(guò)程及趨勢(shì)，使得河道調(diào)整時(shí)間尺度縮短[1]。隨著流域大型水庫(kù)運(yùn)行，大部分泥沙滯留淤積在庫(kù)區(qū)，進(jìn)入壩下游沙量顯著降低[2]，使得河床為強(qiáng)沖刷態(tài)勢(shì)[3-4]，河床不均衡沖刷影響航道條件穩(wěn)定性[5- 6]。由于分汊河段汊道間河床的不均衡沖刷，洲灘沖刷后的河道展寬[7]，河槽水動(dòng)力相對(duì)減弱后使得泥沙易于落淤，在放寬段易出現(xiàn)嚴(yán)重的礙航現(xiàn)象。三峽工程運(yùn)行后長(zhǎng)江感潮河段以沖刷為主[8-12]，且連續(xù)河段存在上沖下淤聯(lián)動(dòng)演變關(guān)系，如蕪裕河段與馬鞍山河段、和暢洲河段與三益橋邊灘、江陰河段與靖江邊灘[9，13-15]。同時(shí)注意到，流域來(lái)沙減少背景下的感潮河段內(nèi)部分邊灘仍以淤積為主，如牛屯河邊灘、三益橋邊灘以及周期性沖淤的靖江邊灘[5，13，16-18]，淺灘礙航程度與洲灘演變關(guān)系如何，航道工程作用下洲灘形態(tài)聯(lián)動(dòng)演變模式轉(zhuǎn)變對(duì)淺灘段航道條件優(yōu)劣的影響需重點(diǎn)關(guān)注。

本研究以長(zhǎng)江下游落成洲河段為對(duì)象，河段內(nèi)分布有三益橋邊灘和落成洲，三益橋淺灘為南京以下深水航道治理的重點(diǎn)灘段。落成洲河段總體河勢(shì)逐漸穩(wěn)定，但左汊主流右擺，洲頭及其左緣沖刷，汊道段枯水河床展寬，淺區(qū)過(guò)渡段沖刷動(dòng)力不足，航道條件向不利方向轉(zhuǎn)化[19]?；春尤虢髁看笮∫欢ǔ潭壬嫌绊懼鏄驕\灘航道條件[20]，近年淮河閘控后入江流量與長(zhǎng)江洪峰錯(cuò)開，其影響程度減弱[13]。研究河段左岸嘶馬彎道因二元土體結(jié)構(gòu)、表底層流速等差異，1954—2001年期間為崩退態(tài)勢(shì)[21]。同時(shí)，研究河段上游鎮(zhèn)揚(yáng)河段歷史時(shí)期河勢(shì)條件調(diào)整較大，受五峰山邊界約束，上游河勢(shì)調(diào)整對(duì)落成洲河段灘槽演變的影響較小[22-23]，近年來(lái)和暢洲汊道分流關(guān)系調(diào)整與落成洲汊道分流比無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系[13，24]。落成洲河段已實(shí)施了2期航道整治工程，工程取得了預(yù)期效果[25-26]，建設(shè)過(guò)程中受2017年汛前中水歷時(shí)長(zhǎng)的影響，汛期三益橋淺灘礙航程度高于大水年的2016年[13]。綜上分析，受河床沖淤泥沙來(lái)源與水動(dòng)力等差異影響，落成洲河段內(nèi)洲灘演變聯(lián)動(dòng)關(guān)系及對(duì)淺灘航道條件的影響機(jī)制仍需深入探究，航道工程作用下的淺灘礙航動(dòng)力機(jī)制需要進(jìn)一步厘清，以期支撐南京以下12.5 m深水航道后續(xù)完善工程論證工作的模型試驗(yàn)與工程可行性報(bào)告編制。

本研究以長(zhǎng)江下游落成洲河段為對(duì)象，采用1959—2021年實(shí)測(cè)水文泥沙與地形數(shù)據(jù)，分析河床沖淤?gòu)?qiáng)度與分布特征，研究10.0 m洲灘聯(lián)動(dòng)關(guān)系及對(duì)12.5 m航槽的影響，綜合分析落成洲河段邊心灘—淺灘演變的關(guān)聯(lián)機(jī)制、上游河床沖刷供沙對(duì)淺灘演變的影響。

1 研究區(qū)域

落成洲河段位于長(zhǎng)江下游揚(yáng)中段(圖1(a))，上游為和暢洲河段，中間由五峰山彎道連接，下游依次為鰻魚沙和江陰河段。落成洲河段位于太平洲左汊上段，河道形態(tài)為彎曲型分汊，左岸側(cè)分布有三益橋邊灘、江中為落成洲，且左汊為主汊和主航道(圖1(b))。落成洲河段已實(shí)施了2期航道整治工程：一期工程為落成洲洲頭護(hù)灘工程(2011—2012年)；南京以下12.5 m深水航道二期工程為落成洲頭部潛堤(長(zhǎng)度為1 700 m)、潛堤左側(cè)和右側(cè)共4條丁壩、落成洲左緣3條丁壩。二期工程落成洲河段工程于2015年6月開始施工，2016年1月鋪排施工完成，2016年3月頭部潛堤施工完成，2016年9月右汊丁壩及護(hù)底帶施工完成，至2017年5月全部竣工。

圖1 落成洲河段的地理位置與水沙條件Fig.1 Geographical location and water and sediment conditions of Luochengzhou reach

大通站可代表落成洲河段流域來(lái)水來(lái)沙條件，1955—2021年徑流量無(wú)趨勢(shì)性變化，輸沙量為減少態(tài)勢(shì)；1955—2002年、2003—2021年大通站年均徑流量分別為8 924億m3/a和8 827億m3/a，年均輸沙量分別為4.26億t/a和1.32億t/a，徑流量和輸沙量的減幅分別為1.1%和69.0%(圖1(c))。2003—2021年與1950—2002年比較，月均流量為汛期減少、汛后枯水期增加的特征，變幅為-21.3%～28.9%(圖1(d))。

2 研究資料與方法

2.1 研究資料

收集了1950—2021年大通站流量和輸沙量數(shù)據(jù)，分析研究河段流域來(lái)水來(lái)沙條件變化；收集了1959—2021年落成洲河段河床地形36套，比例尺為1∶10 000(部分年份為航道監(jiān)測(cè)圖)，分析河床沖淤?gòu)?qiáng)度、沖淤分布與洲灘形態(tài)等變化；收集了2012—2021年期間落成洲河段水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析代表斷面流速的橫向分布特征。以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的特征、時(shí)間長(zhǎng)度與來(lái)源見表1。

表1 研究數(shù)據(jù)類型、來(lái)源及研究?jī)?nèi)容對(duì)照表

2.2 研究方法

2.2.1 河床沖淤與航道條件

河床沖淤計(jì)算方法采用截面法，具體參見文獻(xiàn)[3-4]。長(zhǎng)江感潮河段通航區(qū)域采用定線制，航道寬度為350～500 m，非淺灘段航道寬度為500 m，淺灘段為350 m。在本研究中，采用航行基準(zhǔn)面以下12.5 m等深線進(jìn)行航道條件分析，以厘清淺灘段礙航程度與各要素的關(guān)系。

2.2.2 斷面流速與流量計(jì)算方法

采用船載ADCP進(jìn)行流速測(cè)量與流量計(jì)算，測(cè)量橫向間距為100 m。利用ADCP測(cè)量得到水面0H(水面，H為水深)、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和1.0H(水底)的流速和流向，垂線平均流速采用矢量合成法。

(1) 測(cè)點(diǎn)流速分解為東西方向流速(VE)和南北方向流速(VN)，VE=Vsinα，VN=Vcosα。其中，V為ADCP測(cè)得流速，α為與正北方向夾角。

(2) 加權(quán)法計(jì)算垂線m的流速VEm與VNm，即：

(1)

(2)

(3) 矢量法計(jì)算垂線平均流速及流向，即

(3)

(4) 斷面流量計(jì)算公式為

(4)

式中：Q為流量，m3/s；s為河流某斷面面積，m2；u為河流斷面某點(diǎn)處流量矢量；ξ為作業(yè)船航跡上的單位法線矢量；Vb為作業(yè)船速度，z為自河底高程起算的水深，m；t為時(shí)間。

將沿航跡的斷面離散為n個(gè)微小斷面，流量的計(jì)算公式為

(5)

式中：T為跨斷面航行時(shí)間，h；Hi為微斷面i處的水深，m；n為斷面內(nèi)總的微小斷面數(shù)目；Δt為相應(yīng)于測(cè)量微斷面的測(cè)量時(shí)間平均步長(zhǎng)，s；k為垂向單位矢量；V為相應(yīng)于測(cè)量微小斷面的垂線平均流速，m/s。

(6)

汊道分流比體現(xiàn)某一汊道進(jìn)口位置流量的分配關(guān)系，分汊系數(shù)為j(j=1，2，3…N，N為整數(shù))，某一汊道的分流量為Qj，汊道分流比(ηj)為

(7)

3 結(jié)果及討論

3.1 落成洲河段河床沖淤與航道條件變化

以落成洲河段所在的揚(yáng)中河段為對(duì)象，分析1981—2021年(測(cè)量時(shí)間為每年的汛后枯水期)河床沖淤?gòu)?qiáng)度與分布特征；以12.5 m等深線為對(duì)象，分析落成洲河段三益橋淺灘形態(tài)的時(shí)空變化過(guò)程與發(fā)育特征。

3.1.1 河床沖淤?gòu)?qiáng)度變化

1981—2001年，落成洲進(jìn)口段以沖刷為主，左岸側(cè)三益橋邊灘淤積但寬度較小，嘶馬彎道沖刷且落成洲左緣及下游側(cè)均為淤積態(tài)勢(shì)，出口段高港邊灘淤積幅度大(圖2(a))；2001—2016年，落成洲進(jìn)口段與右汊發(fā)生顯著沖刷，三益橋邊灘顯著淤寬，嘶馬彎道區(qū)域沖淤變幅減小，高港邊灘沖刷且淤積范圍減小(圖2(b))；2016—2021年，落成洲進(jìn)口段以小幅沖刷為主，三益橋邊灘上段與尾部沖刷且中段略有淤寬，落成洲左緣和右汊仍延續(xù)小幅沖刷態(tài)勢(shì)，高港邊灘沖淤幅度較小(圖2(c))。1981—1991年揚(yáng)中河段河床為淤積態(tài)勢(shì)，1991—2021年各時(shí)段均為沖刷態(tài)勢(shì)；1981—2021年枯水、平灘和洪水河槽沖刷量分別為3.97億、3.64億和4.14億m3，沖刷強(qiáng)度分別為1 324.10萬(wàn)、1 214.63萬(wàn)和1 385.50萬(wàn)m3/a，表現(xiàn)為深槽沖刷、低灘(平灘河槽與枯水河槽之間區(qū)域)淤積和高灘(洪水河槽與平灘河槽之間區(qū)域)沖刷態(tài)勢(shì)，其中枯水河槽沖刷量占洪水河槽的95.9%(表2)。2006—2021年，揚(yáng)中河段河床沖刷強(qiáng)度高于蓄水前各時(shí)段，且2016—2021年沖刷強(qiáng)度低于2006—2016年(表2)。

圖2 落成洲河段河床沖淤分布Fig.2 Distribution of scouring and deposition of Luochengzhou reach

表2 揚(yáng)中河段沖淤量與大通站輸沙量關(guān)系

3.1.2 水深12.5 m槽形態(tài)變化特征

南京以下深水航道工程的目標(biāo)水深為12.5 m，以12.5 m等深線為對(duì)象，根據(jù)1976—2021年落成洲河段三益橋淺灘段航道條件變化(圖3)，分析其年際與年內(nèi)變化特征。

(1) 1976—2000年，三益橋淺灘段12.5 m槽上下交錯(cuò)且以斷開為主，大水年份斷開距離較大，如1998年和1999年大水年份的斷開距離分別為1 800 m和4 680 m(圖3(a))。

(2) 2003—2009年，三益橋邊灘尾部水深不足12.5 m的淺灘與落成洲左緣分離，12.5 m槽逐漸貫通。2007—2009年，三益橋邊灘尾部形態(tài)變化較大，落成洲心灘頭部12.5 m槽沖刷后退，如2008年河道中部出現(xiàn)水深不足12.5 m的淺包(圖3(b)，圖3(c))。

(3) 2009—2015年，三益橋邊灘12.5 m水深以淺灘體與落成洲左緣分離，變化主要集中在邊灘尾部，尾部向下游淤積延伸加劇了上下深槽交錯(cuò)距離，不利于下淺區(qū)航道條件的穩(wěn)定(圖3(d))。

(4) 2016—2021年，隨著南京以下深水航道二期工程效果發(fā)揮，三益橋邊灘尾部沖刷上提，下淺區(qū)12.5 m水深航道條件得到改善，僅在洪水期存在零星礙航淺包(圖3(e)—圖3(g))。

(5) 1998年為大水年份，年內(nèi)各測(cè)次三益橋淺灘段12.5 m槽均斷開，受洪水大流量(最大值為83 600 m3/s)時(shí)期主流趨直作用影響，進(jìn)口段12.5 m槽尾端顯著右擺，有利于三益橋邊灘淤漲(圖3(h))；2002年為中水年份，年內(nèi)4月和8月12.5 m槽斷開，至汛后11月逐漸貫通(圖3(i))。綜合而言，三益橋淺灘段大水年份汛期航道條件較差，中、小水年份有利于航道條件的維持或發(fā)展。

3.2 落成洲河段洲灘形態(tài)演變過(guò)程與聯(lián)動(dòng)關(guān)系分析

以10.0 m等深線為對(duì)象，分析落成洲河段三益橋邊灘、落成洲、嘶馬彎道、落成洲右汊河槽等演變過(guò)程及聯(lián)動(dòng)關(guān)系。

3.2.1 洲灘形態(tài)演變過(guò)程與形態(tài)特征變化

分析1959—2021年三益橋邊灘、落成洲演變過(guò)程與特征(圖4)，洲灘之間的演變關(guān)系的時(shí)段特征見圖4(h)，主要變化特征如下：

(1) 1959—1984年，落成洲河段以落成洲洲體和嘶馬彎道的聯(lián)動(dòng)性演變?yōu)橹?；落成洲河段為微彎分汊河型，?jīng)歷了1964年、1973年和1983年大洪水，嘶馬彎道崩退引起落成洲左緣大幅淤積，淤寬態(tài)勢(shì)的落成洲向左擠壓水流后會(huì)加劇下一階段嘶馬彎道的蝕退。

(2) 1984—2003年(圖4(a)—圖4(b))，嘶馬彎道崩退逐漸得到控制，來(lái)沙量減少的影響集中在落成洲頭部與左緣；這一期間落成洲頭部與左緣形態(tài)變化遵循彎曲河型的演變特征[27]，即凸岸側(cè)邊灘因水情和年內(nèi)流量過(guò)程差異表現(xiàn)為大水年份頭部及左緣蝕退、中小水年份淤寬。同時(shí)，落成洲頭部及左緣沖刷增加了進(jìn)口段河道寬度，為三益橋邊灘淤寬淤長(zhǎng)提供了形態(tài)發(fā)育的空間環(huán)境。

(3) 2003—2009年(圖4(c))，隨著落成洲頭部與左緣的持續(xù)沖刷，為三益橋邊灘淤積進(jìn)一步提供了橫向的發(fā)展空間，促使三益橋邊灘進(jìn)入了快速淤漲階段。

(4) 2009—2016年(圖4(d)—圖4(e))，為抑制落成洲頭部與左緣沖刷對(duì)航道水深條件的影響，2011—2012年實(shí)施了落成洲洲頭護(hù)灘工程，初步穩(wěn)定了落成洲頭部位置，三益橋邊灘仍處于淤寬下延態(tài)勢(shì)。

(5) 2016—2021年(圖4(e)—圖4(g))，南京以下深水航道二期工程實(shí)施后，落成洲洲頭與左緣形態(tài)穩(wěn)定性增強(qiáng)，工程區(qū)域?qū)?yīng)的三益橋邊灘尾部表現(xiàn)為沖刷上提、中段略有淤寬與上段沖刷后退的變化特征。

3.2.2 汊道內(nèi)洲灘形態(tài)演變聯(lián)動(dòng)關(guān)系

1959—2021年，三益橋邊灘10.0 m以淺面積為增大態(tài)勢(shì)，落成洲面積為先增加后減少(分界年份為1992年)，嘶馬彎道面積為先減少后增加且2010年以來(lái)變化不大，落成洲右汊10.0 m以深面積為增大態(tài)勢(shì)(圖5(a))。1959—2008年落成洲河段洲灘面積變化不大，2010—2016年面積較2001—2008年減少6.16%，2016—2021年較2010—2016年增幅為1.89%(圖5(b))；二期工程落成洲壩體和護(hù)灘帶的面積約為141.7 ha，工程面積增幅高于落成洲面積變化，即航道工程建設(shè)有效保護(hù)了洲灘的完整性。1959—2001年，落成洲河段處于準(zhǔn)自然狀態(tài)，上游五峰山彎道形態(tài)與出口主流位置穩(wěn)定，且三益橋邊灘一側(cè)岸線相對(duì)穩(wěn)定，尚無(wú)三益橋邊灘發(fā)育的水動(dòng)力環(huán)境；這一時(shí)期的落成洲洲體面積與嘶馬彎道面積關(guān)系(R2=0.81，圖5(c))高于與三益橋邊灘面積關(guān)系(R2=0.49，圖5(d))，即嘶馬彎道崩退為落成洲邊灘發(fā)育提供了橫向空間，基本符合彎道段凸岸邊灘淤積、凹岸沖刷的演變規(guī)律[27]。2001—2008年，伴隨嘶馬彎道岸線守護(hù)作用的加強(qiáng)，穩(wěn)定了左岸側(cè)岸線邊界，同時(shí)隨著三益橋邊灘逐漸淤漲，落成洲洲體受流域來(lái)沙量減少、三益橋邊灘淤積、嘶馬彎道邊界穩(wěn)定等綜合作用，落成洲洲體10.0 m以淺面積為減少態(tài)勢(shì)。2010年以來(lái)，受航道整治一期和二期工程、嘶馬彎道守護(hù)等綜合影響，落成洲洲體面積(不含右汊10 m槽面積)未延續(xù)1992—2008年期間的減少態(tài)勢(shì)(減幅為16.0%)，維持了相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)(2010—2021年面積增幅為4.6%)。由于一期和二期航道工程作用，2010—2021年三益橋邊灘維持了先快速淤漲后小幅減少的變化特點(diǎn)，但落成洲面積并未出現(xiàn)減少，表明航道工程較好地守護(hù)了落成洲頭部與左緣灘體，使得三益橋邊灘演變對(duì)落成洲形態(tài)影響的顯著性降低(嘶馬彎道與落成洲面積的相關(guān)性R2=0.01，見圖5(c)；三益橋邊灘與落成洲面積的相關(guān)性R2=0.11，見圖5(d))。1959—2021年期間的4個(gè)時(shí)段，三益橋邊灘面積淤漲均會(huì)引起落成洲右汊10.0 m槽范圍擴(kuò)大，但當(dāng)三益橋邊灘規(guī)模較小時(shí)(面積小于385 ha)對(duì)右汊10.0 m槽范圍的影響較小(圖5(e))。2010—2021年，隨著三益橋邊灘規(guī)模的快速增加，落成洲右汊10 m槽范圍顯著增加且相關(guān)性顯著增大(R2=0.94)，2018—2019年右汊10.0 m槽范圍仍較大且出口為貫通狀態(tài)，2021年略有萎縮及出口斷開。

3.3 三益橋淺灘的礙航機(jī)制分析

上下游汊道間連接段特征決定了聯(lián)動(dòng)關(guān)系強(qiáng)弱，具有阻斷上下游聯(lián)動(dòng)演變關(guān)系的河段稱為阻隔性河流[28-29]。歷史時(shí)期1868—1971年[22]、近代1959—2019年[30]不論上游鎮(zhèn)揚(yáng)河段(世業(yè)洲汊道、征潤(rùn)洲邊灘、和暢洲汊道)洲灘形態(tài)與河勢(shì)如何變化，以及出口受五峰山與兩岸涉水工程等邊界約束，五峰山彎道均維持了形態(tài)穩(wěn)定，即為下游落成洲河段提供了相對(duì)穩(wěn)定的水動(dòng)力條件。五峰山彎道形態(tài)微彎且長(zhǎng)度為7 400 m(大于阻隔性河流最小長(zhǎng)度3 200 m[28-29])，河相系數(shù)為1.25～1.38(阻隔性河流河相系數(shù)不大于4.0[28-29])，且出口有節(jié)點(diǎn)(五峰山)控制，符合阻隔性河流具有歸順?biāo)鞯淖饔门c功能。落成洲左汊和右汊長(zhǎng)度比值低于1.5，符合汊長(zhǎng)比較小的汊道主支汊格局受入口水動(dòng)力條件影響的特征[31]，甚至改變汊道發(fā)展速率[32]，分析中重點(diǎn)關(guān)注落成洲河段水動(dòng)力軸線的變化。因此，三益橋淺灘礙航因子主要從上游河床供沙、流量過(guò)程和進(jìn)口段水動(dòng)力軸線、汊道間不均衡沖刷及洲灘形態(tài)調(diào)整等方面進(jìn)行分析，并綜合分析航道工程作用下淺灘礙航特性的變化。

圖5 落成洲河段灘群面積與聯(lián)動(dòng)演變關(guān)系Fig.5 Relationship between the central bar and beach area of Luochengzhou reach

3.3.1 上游河段河床沖刷供沙對(duì)淺灘演變的影響

1976—2002年，三益橋淺灘12.5 m水深航道條件變幅較大，大水年礙航程度較大，12.5 m槽以斷開為主，對(duì)應(yīng)這一時(shí)期上游和暢洲河段河床沖刷供沙量較大是原因之一(圖6)。2003—2011年，三益橋淺灘12.5 m槽貫通(最大寬度超500 m)，對(duì)應(yīng)這一時(shí)期上游暢洲河段河床沖刷供沙量也為減少態(tài)勢(shì)。2012—2014年，三益橋淺灘航道條件較差，與2012年大水以及上游暢洲河段前一時(shí)期河床沖刷供沙作用有關(guān)。2015—2021年，隨著二期工程的建設(shè)與運(yùn)行效果逐步發(fā)揮，三益橋邊灘尾部沖刷上提，下淺區(qū)航道條件改善，航寬不足區(qū)域已上提至三益橋邊灘中上段，航道寬度仍小于350 m。其中，2017年8月三益橋上淺區(qū)12.5 m槽寬度僅為7 m，疏浚船方量為167.45萬(wàn)m3，參考文獻(xiàn)[10]的換算關(guān)系，換算后的河床方量為55.8萬(wàn)m3(表3)，這一特征的出現(xiàn)主要與2017年中水歷時(shí)持續(xù)天數(shù)長(zhǎng)有關(guān)[13]?？傮w而言，近年來(lái)上游和暢洲河段河床沖刷強(qiáng)度的減弱使得進(jìn)入下游河段沙量減少，對(duì)三益橋淺灘段航道條件的穩(wěn)定有利。

圖6 三益橋淺灘段航道條件與和暢洲河段沖刷強(qiáng)度的關(guān)系Fig.6 Relation between waterway condition of Sanyiqiao beach and scouring intensity of Hechangzhou reach

表3 落成洲河段航道疏浚量

3.3.2 水動(dòng)力條件對(duì)淺灘演變的影響

1959年以來(lái)，上游和暢洲河段洲灘形態(tài)[22]、汊道分流關(guān)系[30]均不穩(wěn)定，會(huì)影響出口段進(jìn)入五峰山彎道的水動(dòng)力條件。已有研究證實(shí)，和暢洲汊道分流關(guān)系變化與落成洲汊道分流比無(wú)顯著的對(duì)應(yīng)關(guān)系[13]，二期工程運(yùn)行以來(lái)的分流關(guān)系仍遵循這一變化特征[33]。因此，本研究重點(diǎn)從五峰山彎道段水動(dòng)力條件出發(fā)，分析出口段動(dòng)力條件、落成洲河段內(nèi)水動(dòng)力環(huán)境等變化與三益橋淺灘演變的關(guān)系。

2期航道整治工程的實(shí)施穩(wěn)定了落成洲河段灘槽格局，在一系列岸線控制工程作用下河勢(shì)邊界得到了穩(wěn)定，選取2012年以來(lái)水文監(jiān)測(cè)資料分析五峰山彎道、落成洲河段主流擺動(dòng)特征。2012—2021年，大通站流量在15 000～45 000 m3/s范圍變動(dòng)時(shí)(圖7(a))，五峰山彎道出口主流位置均未發(fā)生調(diào)整，貼近凹岸一側(cè)(圖7(b))，即落成洲河段進(jìn)流條件因五峰山彎道具有阻隔性河流特征而處于穩(wěn)定狀態(tài)；上游水流經(jīng)五峰山彎道進(jìn)入落成洲河段后，枯水流量(大通站Q<20 000 m3/s)時(shí)主流位置與深槽位置基本一致，隨著流量增加(大通站Q>40 000 m3/s)其主流位置逐漸擺向三益橋邊灘(圖7(c))，使得上游河床沖刷的泥沙進(jìn)入落成洲河段沿三益橋邊灘向下游輸移；落成洲進(jìn)口段水流進(jìn)入左汊后，枯水流量(大通站Q<20 000 m3/s)時(shí)主流位于河岸右側(cè)，隨著流量增加(大通站Q>40 000 m3/s)其主流逐漸向落成洲左緣擺動(dòng)(圖7(d))。上游河段河勢(shì)與水動(dòng)力關(guān)系等變化經(jīng)過(guò)五峰山彎道的歸順調(diào)整，出口進(jìn)入落成洲河段主流動(dòng)力軸線基本穩(wěn)定；主流逐漸進(jìn)入落成洲左汊時(shí)，枯水期和洪水期主流動(dòng)力軸線存在橫向由右向左的擺動(dòng)特征，上游河段沖刷供給的泥沙進(jìn)入主流擺動(dòng)區(qū)域引起淺灘淤積或礙航。綜上分析認(rèn)為，上游和暢洲河段水動(dòng)力調(diào)整未影響落成洲河段入流動(dòng)力條件，落成洲河段內(nèi)的動(dòng)力變化遵循彎曲河型水動(dòng)力特點(diǎn)，年內(nèi)流量差異越大其水動(dòng)力軸線橫向擺幅越大，不利于淺灘區(qū)域水動(dòng)力的穩(wěn)定。

圖7 五峰山彎道—落成洲河段流速分布與主流變化Fig.7 Velocity distribution and mainstream variation of Wufengshan to Luochengzhou reach

從三益橋邊灘、落成洲代表斷面的流速分布特征可以得到，當(dāng)大通站流量Q<20 000 m3/s時(shí)主流位置基本穩(wěn)定，Q>40 000 m3/s時(shí)主流擺動(dòng)范圍顯著增加。因此，對(duì)于三益橋邊灘、落成洲左汊而言，流量過(guò)程不穩(wěn)定系數(shù)(μ)定義如下：

(8)

式中：T1為大通站流量Q<20 000 m3/s的天數(shù)；T2為大通站流量Q>40 000 m3/s的天數(shù)。

沖積型河流演變具有一定滯后性[34-35]，長(zhǎng)江中下游河床沖淤與水文過(guò)程響應(yīng)年份一般為3～5 a[34]。為便于研究選取5 a作為參照時(shí)段，繪制大通站Q<20 000 m3/s、20 000 m3/s≤Q≤40 000 m3/s和Q>40 000 m3/s的5 a年平均天數(shù)變化圖(圖8)。當(dāng)大通站流量過(guò)程不穩(wěn)定系數(shù)處于增加并達(dá)到最大時(shí)，對(duì)應(yīng)的三益橋淺灘12.5 m等深線以斷開為主。同時(shí)注意到，2016—2021年的流量過(guò)程不穩(wěn)定系數(shù)較大，但12.5 m等深線為貫通或存在零星淺包，這說(shuō)明已建的一期和二期航道整治工程效果得到了充分發(fā)揮，達(dá)到了改善三益橋下淺區(qū)航道條件的目的。

3.3.3 汊道間沖淤不均衡對(duì)淺灘演變的影響

1984—2021年，落成洲右汊沖刷發(fā)展，引起右汊分流比相對(duì)增加(圖9)，一定程度減弱了左汊主航道水動(dòng)力強(qiáng)度，不利于主航道12.5 m水深航道條件的穩(wěn)定。三峽工程運(yùn)行后的2002—2011年，落成洲左汊的沖刷強(qiáng)度顯著高于蓄水前的1967—2002年和航道工程后的2011—2022年。主要原因有：① 三峽工程運(yùn)行后，汛期流域來(lái)沙量和懸沙濃度顯著降低，受河道形態(tài)作用的中洪水期水流進(jìn)入右汊，不飽和水流加速了右汊沖刷態(tài)勢(shì)；② 三益橋邊灘的淤寬與下延，引起水流擺向右岸側(cè)并相對(duì)增強(qiáng)了落成洲頭部及右汊的沖刷動(dòng)力，為落成洲右汊的沖刷提供了動(dòng)力環(huán)境。

圖8 大通站特征流量級(jí)天數(shù)的特征變化Fig.8 Characteristic changes of days of characteristic flow level at Datong station

圖9 落成洲河段右汊沖刷量與右汊分流比關(guān)系Fig.9 Relationship between the scouring amount of right branch and the diverting ratio of Luochengzhou reach

3.3.4 洲灘形態(tài)演變關(guān)系對(duì)淺灘演變的影響

1959—1999年(圖10)，落成洲河段進(jìn)口段和左汊進(jìn)口段因河道形態(tài)展寬后水動(dòng)力相對(duì)減弱易形成泥沙淤積體；這一時(shí)期嘶馬彎道崩退引起落成洲淤積，落成洲左汊的上下深槽錯(cuò)開，河槽內(nèi)水深不足12.5 m且礙航程度大。2001—2010年(圖10)，流域懸移質(zhì)來(lái)沙量顯著減少，河床發(fā)生懸移質(zhì)沖刷并改善了三益橋淺灘段航道條件，上游河段沖刷供給的泥沙進(jìn)入落成洲進(jìn)口放寬段后沿凹岸側(cè)(左岸)輸移，為三益橋邊灘發(fā)育提供了沙源(10.0 m以淺面積由334.15 ha增加至372.98 ha，增幅為11.6%，圖5(a))，這一時(shí)期落成洲面積減幅為8.6%。2011—2016年(圖10)，因落成洲頭部航道整治工程的實(shí)施其左緣初步穩(wěn)定，三益橋邊灘仍延續(xù)淤漲態(tài)勢(shì)(10.0 m以淺面積由385.00 ha增加至532.50 ha，增幅為38.3%，圖5(a))，對(duì)應(yīng)落成洲面積減少4.8%；2016—2021年(圖10)，南京以下12.5 m深水航道二期工程實(shí)施，受上游和暢洲河段河床沖刷供沙的影響，雖然三益橋邊灘仍出現(xiàn)了小幅淤積但尾部沖刷上提(2016年10.0 m以淺面積由524.61 ha增加至2021年的569.00 ha，增幅為8.5%，圖5(a))，對(duì)應(yīng)落成洲面積減少2.2%。2016—2021年，由于2期航道工程作用使得放寬段的落成洲洲頭位置逐漸上提，水深不足12.5 m或航道寬度不足350 m的區(qū)域上提并形成礙航的上淺區(qū)。

圖10 落成洲河段灘體演變與航道條件關(guān)系Fig.10 Relationship between central bar and beach variation and waterway conditions of Luochengzhou reach

在一期和二期航道整治工程實(shí)施后，穩(wěn)定了落成洲頭部與左緣的洲灘邊界，三益橋下淺區(qū)12.5 m水深航道條件得到改善；二期工程完工運(yùn)行以來(lái)，落成洲右汊仍延續(xù)了沖刷發(fā)展態(tài)勢(shì)、三益橋邊灘中上段略有沖刷，一定程度減弱了已建工程上游區(qū)域的水動(dòng)力條件，不利于12.5 m水深航道條件的維持或暢通。南京以下12.5 m深水航道后續(xù)完善工程論證中，建議落成洲頭部已建工程上延、限制落成洲右汊沖刷發(fā)展、穩(wěn)定岸線邊界等工程措施，以增強(qiáng)三益橋上淺區(qū)水動(dòng)力條件為目的，并實(shí)現(xiàn)達(dá)到改善航道水深條件的目標(biāo)。同時(shí)，在后續(xù)完善工程方案研究中，需充分考慮落成洲洲頭錨地、左汊中部渡口等外部環(huán)境的制約關(guān)系。

4 結(jié) 論

通過(guò)1959—2021年落成洲河段洲灘變形、河床沖淤、淺灘演變等綜合分析，明確了邊心灘演變的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，識(shí)別了上游河床沖刷供沙、水動(dòng)力條件、汊道間不均衡沖刷、洲灘形態(tài)、航道工程等對(duì)淺灘演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。取得的主要結(jié)論為：

(1) 三峽工程運(yùn)行前，落成洲河段嘶馬彎道崩退引起落成洲左緣淤積，此時(shí)的三益橋邊灘未發(fā)育，即嘶馬彎道崩退是洲灘聯(lián)動(dòng)演變的主因；三峽工程運(yùn)行后至航道整治工程前，流域來(lái)沙減少使得落成洲河段洲灘整體為沖刷態(tài)勢(shì)，為三益橋邊灘淤漲提供了發(fā)育空間，逐漸淤漲的三益橋邊灘與水沙條件共同作用使得落成洲左緣沖刷及和右汊處于沖刷態(tài)勢(shì)，即三益橋邊灘形態(tài)變化逐漸由被動(dòng)淤漲轉(zhuǎn)為洲灘聯(lián)動(dòng)演變的主因；隨著航道整治工程的運(yùn)行，落成洲河段灘群間聯(lián)動(dòng)演變關(guān)系減弱，面積減少態(tài)勢(shì)得到有效控制。

(2) 1981—2010年，三益橋邊灘淤漲、落成洲洲頭與左緣沖刷等決定著落成洲河段淺灘形態(tài)及礙航程度；2011—2015年，三益橋邊灘面積顯著增加，落成洲左緣邊界相對(duì)穩(wěn)定，三益橋淺灘12.5 m槽由斷開轉(zhuǎn)為貫通；2016—2021年，三益橋邊灘尾部受二期工程作用沖刷上提，流域來(lái)水過(guò)程不利于三益橋淺區(qū)航道條件的穩(wěn)定，但航道工程仍使得下淺區(qū)航道條件顯著改善。

(3) 二期工程運(yùn)行以來(lái)，三益橋邊灘小幅萎縮、落成洲右汊持續(xù)沖刷以及不利水文條件等綜合作用下，落成洲河段三益橋礙航淺灘段位置上提，建議后續(xù)完善工程中采用穩(wěn)定洲灘邊界與限制右汊沖刷發(fā)展的工程措施，并關(guān)注落成洲洲頭錨地、左汊中部渡口等外部環(huán)境的影響。