長(zhǎng)江中下游馬當(dāng)河段和東流水道演變關(guān)聯(lián)性特征探討

車 瑞,張 瑋,于 倩

(1.上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200020;2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,南京 210098;3.上海投資咨詢集團(tuán)有限公司,上海 200020)

分汊河道在長(zhǎng)江中下游大量存在,有些汊道段的河勢(shì)調(diào)整后會(huì)繼續(xù)傳遞到下游,使得下游河道演變受到上游河勢(shì)調(diào)整的影響;而有些汊道段的河勢(shì)調(diào)整后將不再向下游傳遞[1]。上游河勢(shì)調(diào)整能夠傳遞至下游或者下游河勢(shì)調(diào)整能夠影響上游的河段被稱為具有關(guān)聯(lián)性。目前,河段的關(guān)聯(lián)性分析主要為定性分析[2-5],定量分析尚在探索階段[6-7]。定性分析法指根據(jù)研究區(qū)域多年實(shí)測(cè)水文地形資料或數(shù)學(xué)模型,研究?jī)珊佣伍g的河勢(shì)演變特征,分析河段間的關(guān)聯(lián)性關(guān)系;定量分析法是以實(shí)測(cè)資料或者模型計(jì)算為主要數(shù)據(jù)來(lái)源,按照某種數(shù)理方式進(jìn)行加工整理,得出河段間的關(guān)聯(lián)性關(guān)系。本文同時(shí)采用定性與定量分析法,基于大量的實(shí)測(cè)水文地形資料和數(shù)學(xué)模型對(duì)馬當(dāng)水道和東流水道之間的關(guān)聯(lián)性關(guān)系進(jìn)行分析。

1 河段概況

馬當(dāng)河段位于長(zhǎng)江下游九江市至安慶市之間,上起小孤山,下至華陽(yáng)河口,江中骨牌洲將河床分成南北兩汊,主流走南汊,主航道亦位于南汊,從上至下由馬當(dāng)南水道、馬當(dāng)阻塞線水道組成,全長(zhǎng)約30 km。東流水道位于馬當(dāng)河段下游,上起華陽(yáng)河口,下迄吉陽(yáng)磯,全長(zhǎng)約31 km,屬順直分汊河道。該河道在老虎灘洲頭形成一級(jí)分汊,被江心老虎灘分為南、北兩汊。南汊為東港水道,北汊為老虎灘北槽。老虎灘北槽在娘娘樹(shù)下游水域被玉帶洲分為南北兩支,形成二級(jí)分汊。其中,北支為蓮花洲港水道;南支又被天沙洲分為天玉串溝和西港,河道形勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 馬當(dāng)-東流河段河勢(shì)Fig.1 River regime of Madang-Dongliu waterway

2 各汊道自然演變情況

2.1 馬當(dāng)河段汊道演變

(1)歷史演變。

從馬當(dāng)河段的歷史演變可以看到(圖2),在1923年—1930年測(cè)圖上,北汊中段彎頂處發(fā)生大幅度的沖刷崩退,河道進(jìn)一步向北展寬,河寬由1842年—1880年的6.76 km增加到8.85 km,北汊更顯彎曲。與此同時(shí),江心洲灘發(fā)生不同程度的淤積擴(kuò)大,相互之間逐漸有灘地相連,北汊整體淤淺,深泓南移,南汊轉(zhuǎn)而明顯優(yōu)于北汊,南汊下段的馬阻汊道也發(fā)生了類似的變化,瓜子洲北汊逐漸淤淺而南汊沖刷發(fā)展。

2-a 1923年—1930年 2-b 1942年 2-c 1958年—1963年 2-d 1970年圖2 馬當(dāng)河段河勢(shì)演變Fig.2 Evolution of Madang channel

1931年以后,馬當(dāng)河段河勢(shì)無(wú)太大變化,南汊一直保持主汊地位,北汊進(jìn)一步淤窄、彎曲,南北汊之間河寬繼續(xù)增加,1942年增至9.25 km,1958年—1963年增至9.4 km,江心洲灘進(jìn)一步淤積合并,洲灘之間的竄溝減少,1942年減至3條,1959年經(jīng)人為圍堵,最后一條竄溝也終于消失,江心洲完全連成一片。與此同時(shí),南汊下段的馬阻汊道北汊進(jìn)一步淤淺、南汊沖刷發(fā)展,瓜子號(hào)洲有所增大。至1970年,已基本形成目前的河勢(shì),南汊穩(wěn)居主汊地位,主流過(guò)小孤山直接進(jìn)入南汊,始終沿南岸下行進(jìn)入下游水道。

(2)近期演變。

最近幾十年,馬當(dāng)河段的岸線總體變化較小,河勢(shì)基本保持穩(wěn)定。對(duì)于馬阻水道,總體來(lái)說(shuō)南部岸線局部崩退、北部岸線局部淤長(zhǎng),其中瓜子號(hào)洲體岸線在2000年以后基本保持穩(wěn)定。對(duì)于馬當(dāng)南水道,骨牌洲自20世紀(jì)70年代至21世紀(jì)初,左岸洲頭經(jīng)歷了淤長(zhǎng)而又沖刷后退的過(guò)程,現(xiàn)在基本保持穩(wěn)定;右岸洲頭由于相關(guān)部門實(shí)施了護(hù)岸工程,岸線相對(duì)穩(wěn)定。南北汊深槽沿程沖淤變化頻繁,但總體上：南汊沿程均有所沖深,據(jù)統(tǒng)計(jì)深泓縱剖面10 m以下面積可知(表1),面積由1976年7.8萬(wàn)m2至1986年增加到10.9萬(wàn)m2,至2007年增加到11.7萬(wàn)m2,再到2009年增加到13.9萬(wàn)m2,根據(jù)計(jì)算,2007年1月至2008年3月南汊沖刷量為110.65萬(wàn)m3,2008年3月至2009年4月南汊沖刷量達(dá)224.65萬(wàn)m3,沖刷十分顯著;而北汊的進(jìn)口段逐年淤淺明顯,中下段在1998年、1999年大洪水后發(fā)生大幅度淤積。

表1 馬當(dāng)河段兩汊深泓沖淤變化統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of scouring and silting changes of thalweg at two branches of Madang reach m2

2.2 東流水道汊道演變

(1)歷史演變。

在1923年—1949年,蓮花洲港為主汊,航道條件較好。在進(jìn)口段水流動(dòng)力軸線位于天心洲左側(cè),在中部和下部水流動(dòng)力軸線位于蓮花洲港內(nèi);左岸雷港口附近岸線崩退,使得左岸河道拓寬;因?yàn)橛駧е薜男纬?使附近河道分為兩汊,河槽容易發(fā)生淤塞,東流水道灘群面積總體上呈擴(kuò)大趨勢(shì)。在此期間,河道左岸以及江心洲左岸的共同崩退,使得東流灘群的高灘從河道的左側(cè)移至河道的右側(cè)(圖3)。

圖3 東流水道歷史演變圖Fig.3 Evolution of Dongliu waterway

(2)近期演變。

①老西港為主汊(1950年—1975年)

在這個(gè)階段,老西港經(jīng)歷了從發(fā)展到成熟再到衰退的過(guò)程,河道岸線明顯向左側(cè)崩退(圖4)。在1950年—1955年,雷港口—娘娘樹(shù)與蓮花洲港一帶的邊灘均有所發(fā)育并向河道平行下移,這導(dǎo)致了水流動(dòng)力軸線在枯水期向右側(cè)偏轉(zhuǎn),蓮花洲港進(jìn)口段航道淤塞,航行條件變差,西港過(guò)流量增加。在1960年前后,老西港枯水期分流比達(dá)到62.2%,老西港發(fā)展至成熟期。但是受到水道內(nèi)上灘群尾部發(fā)育下延的影響,老西港的過(guò)流條件持續(xù)惡化,水流又開(kāi)始偏向蓮花洲港。從表2可以看出,1974年4月與1960年3月相比,兩者均為漲水初期,但老西港分流比減少13.2%。

表2 1960年—1982年?yáng)|流水道各汊分流比變化Tab.2 Variation of diversion ratio of each branch of Dongliu channel from 1960 to 1982

圖4 東流水道近期演變圖(1950年—1975年)Fig.4 Recent evolution of Dongliu waterway from 1950 to 1975

②老西港衰亡、新的西港形成(1976年—1991年)

在這個(gè)階段,老西港經(jīng)歷了從衰退到衰亡的過(guò)程,新西港經(jīng)歷了從孕育到發(fā)展的過(guò)程,蓮花洲港經(jīng)歷了從發(fā)展到成熟再到衰退的過(guò)程,與此同時(shí),東港一直保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài);在進(jìn)行整治護(hù)岸工程后左岸的崩退受到控制(圖5)。在1976年,水道上灘群尾部持續(xù)發(fā)育下延,最終使老西港完全堵塞。1983年之后,橫流切割水道上灘群尾部形成串溝,經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展最終孕育出了新西港。在1974年—1982年,老西港的分流比持續(xù)下降,到1982年分流比僅為8%,與此同時(shí),蓮花洲港分流大幅度增加至54.9%(表2)。新西港形成后分流效果明顯,蓮花洲港分流比在1988年又下降到44%(表3)。

表3 1988年—2003年?yáng)|流水道各汊分流比變化Tab.3 Splitting ratio statistics of each branching channel of Dongliu waterway from 1988 to 2003

圖5 東流水道近期演變圖(1976年—1991年)Fig.5 Recent evolution of Dongliu waterway from 1976 to 1991

③西港發(fā)展至鼎盛時(shí)期(1992年—2003年)

隨著天沙洲洲頭的沖刷崩退,水流向右側(cè)偏轉(zhuǎn),蓮花洲港逐漸淤積堵塞,西港進(jìn)口段的河槽得到拓寬(圖6),在枯水期過(guò)渡段的分流比由1988年的19.8%增加至2000年的41.6%(表3)。在1998年和1999年,老虎灘中下部和西港淺灘由于長(zhǎng)江流域的兩次大洪水發(fā)生嚴(yán)重淤積。洪災(zāi)后,東流水道上、下灘群形態(tài)依然相對(duì)穩(wěn)定,河道岸線沒(méi)有明顯的變化,西港在經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)整后發(fā)展趨勢(shì)依舊。與此同時(shí),老虎灘尾部淤積下延,使主流與西港進(jìn)口偏離角度增大,西港過(guò)流能力減小,天玉竄溝開(kāi)始發(fā)展。

圖6 東流水道近期演變圖(1992年—2003年)Fig.6 Recent evolution of Dongliu waterway from 1992 to 2003

根據(jù)歷年實(shí)測(cè)資料,馬當(dāng)河段在1923年—1930年,江心洲灘淤積擴(kuò)大,相互之間逐漸有灘地相連,北汊整體淤淺,深泓南移,南汊沖刷發(fā)展;在1931年—1969年,南汊保持主汊地位,北汊進(jìn)一步淤窄,江心洲逐漸連成一片,瓜子號(hào)洲有所增大;1970年至今,已基本形成目前的河勢(shì),南汊穩(wěn)居主汊地位,主流過(guò)小孤山直接進(jìn)入南汊,始終沿南岸下行進(jìn)入下游水道(圖2)。馬當(dāng)河段近百年來(lái)的變化體現(xiàn)了類似彎曲型汊道的演變特性,總體演變趨勢(shì)是南興北衰。東流水道分汊段多年來(lái)呈西港興衰交替的交替性演變規(guī)律：1923年—1949年,蓮花洲港為主汊;1950年—1975年,老西港為主汊;1976年—1991年,老西港衰亡、新西港形成;1992年—2003年,新西港發(fā)展至鼎盛時(shí)期(圖7)。

7-a 左側(cè)沿程水位變化7-b 右側(cè)沿程水位變化圖7 沿程水位驗(yàn)證驗(yàn)證Fig.7 Verification of water level along the way

對(duì)比馬當(dāng)河段和東流水道年際演變規(guī)律可以看出,馬當(dāng)河段的演變趨勢(shì)一直是南興北衰,而東流水道演變卻呈交替性變化,上下游河段的演變時(shí)間并不同步,馬當(dāng)-東流河段過(guò)渡段阻止了馬當(dāng)河勢(shì)調(diào)整傳遞至東流水道。此外,從圖2和圖7可以看出,長(zhǎng)期以來(lái)馬當(dāng)—東流河段過(guò)渡段河道形態(tài)始終保持穩(wěn)定,也表明馬當(dāng)河勢(shì)調(diào)整沒(méi)有向下游傳遞。

3 關(guān)聯(lián)性模型計(jì)算分析

3.1 模型建立與驗(yàn)證

建立馬當(dāng)-東流河段的二維水動(dòng)力模型,模型所需的控制方程、邊界條件、動(dòng)邊界技術(shù)等原理詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8-10]。計(jì)算時(shí)上游進(jìn)口邊界由實(shí)測(cè)流量控制,下游出口邊界由實(shí)測(cè)水位控制,河段內(nèi)的整治工程作為固有邊界考慮。采用2013年10月、2014年2月中水、枯水流量進(jìn)行了水流驗(yàn)證[11],限于篇幅,表4、圖7、圖8給出了部分水位、流速、分流比驗(yàn)證結(jié)果。計(jì)算的水面線、流速分布、分流比情況與實(shí)測(cè)值符合較好。

表4 馬當(dāng)-東流水道汊道分流比驗(yàn)證Tab.4 Verification of branching ratio of Madang-Dongliu channel

8-a MD1枯水?dāng)嗝?8-b MD3枯水?dāng)嗝鎴D8 枯水?dāng)嗝媪魉俜植糉ig.8 Velocity distribution in low flow section

3.2 上游河勢(shì)變化

利用馬當(dāng)-東流河段數(shù)學(xué)模型,在河道邊界條件、來(lái)水來(lái)沙等其他因素相同的情況下,通過(guò)疏浚、筑壩等手段改變馬當(dāng)圓水道分流比,分析其在各級(jí)流量下對(duì)東流水道各汊道分流比的改變,探討上游馬當(dāng)河段河勢(shì)變化對(duì)東流水道的影響?？菟畷r(shí)地形資料采用2014年2月實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù),中洪水時(shí)上游馬當(dāng)河段地形資料采用2014年2月實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)、下游東流水道采用2013年10月實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)。

(1)封堵馬當(dāng)圓水道。

骨牌洲右汊為主汊,左汊為支汊,即馬當(dāng)圓水道,左汊分流比僅為0.9%～13.6%。將馬當(dāng)圓水道進(jìn)口布置閘門進(jìn)行封堵,各級(jí)流量下均不過(guò)水,其分流比減小為0。

表5給出了洪中枯水流量下,馬當(dāng)圓水道封堵后,馬當(dāng)河段和東流水道各汊道分流比變化。由表5可見(jiàn),封堵馬當(dāng)圓水道后,棉外洲左汊分流比改變較大,因?yàn)轳R當(dāng)圓水道封堵后,棉外洲左汊距離馬當(dāng)圓水道入口最近,因此受影響最大。而對(duì)東流水道各汊道分流比基本沒(méi)有影響,變化范圍在-0.07%～0.08%。由此可見(jiàn),當(dāng)馬當(dāng)河段河勢(shì)發(fā)生較大變化時(shí),東流水道各汊基本保持不變,其主要原因是主流在馬當(dāng)河段與東流水道之間的順直微彎段得到歸順,使得東流水道入口段邊界條件始終保持穩(wěn)定。

表5 封堵馬當(dāng)圓水道后汊道分流比變化Tab.5 Change of diversion ratio of inlet after blocking Madang circular channel

(2)疏浚馬當(dāng)圓水道。

采取將馬當(dāng)圓水道浚深10 m的辦法,達(dá)到增加其分流比的目的。由表6可見(jiàn),在洪中枯水流量下,馬當(dāng)圓水道分流比增加到17.28%～18.92%,而東流水道各汊分流比變化范圍在-0.06%～0.04%,變化微小,這表明馬當(dāng)河段河勢(shì)調(diào)整沒(méi)有向下游東流水道傳遞,馬當(dāng)河段與東流水道之間的順直微彎段起到了阻隔性作用。顯而易見(jiàn),若沒(méi)有順直微彎段的存在,主流得不到歸順,馬當(dāng)圓水道增加的分流比將直趨下游,東流水道河勢(shì)將隨之發(fā)生改變。

表6 疏浚馬當(dāng)圓水道后汊道分流比變化Tab.6 Variation of diversion ratio of inlet after dredging Madang circular channel

根據(jù)以上分析,不論上游河勢(shì)如何調(diào)整,主流在馬當(dāng)河段與東流水道之間的順直微彎段都得到了一定程度的歸順,有利于減小馬當(dāng)河段對(duì)東流水道的影響,馬當(dāng)河段汊道分流比的變化對(duì)東流水道影響微小,東流水道的汊道演變是在特定的邊界條件下,由水道自身水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律所導(dǎo)致。

3.3 公式定量計(jì)算

文獻(xiàn)[6-7]通過(guò)實(shí)測(cè)資料分析、理論研究及數(shù)學(xué)模型計(jì)算等手段,建立了水流擺動(dòng)力與河道邊界約束力的關(guān)系,表達(dá)式如下

(1)

式中：Fm為主流擺動(dòng)力;Fc為河道邊界約束力;R0為河灣水流動(dòng)力軸線彎曲半徑,m;R*為河灣彎曲半徑,m。

從式(1)可知,Ψ值代表了河道邊界對(duì)主流擺動(dòng)的約束作用,顯而易見(jiàn),Ψ值越小,河段就越不可能具有關(guān)聯(lián)性。當(dāng)Ψ<1時(shí),河段的擺動(dòng)力小于約束力,河段不具有關(guān)聯(lián)性;當(dāng)Ψ>1時(shí),河段的擺動(dòng)力大于約束力,河段具有關(guān)聯(lián)性。

利用馬當(dāng)-東流河段的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算該河段在洪中枯水流量下的水流過(guò)程。計(jì)算斷面選取順直微彎段的河灣位置,斷面編號(hào)為1#、2#、3#(見(jiàn)圖9)。河灣彎曲半徑采用河道左右兩側(cè)0 m等深線彎曲半徑的平均值進(jìn)行計(jì)算,并利用河灣彎曲半徑來(lái)表示河道邊界約束力。

圖9 過(guò)渡段計(jì)算斷面示意圖Fig.9 Schematic diagram of transition section calculation section

由計(jì)算結(jié)果可知,馬當(dāng)河段與東流水道之間順直微彎段的水流動(dòng)力軸線枯水傍岸、洪水取直的規(guī)律較為明顯,在不同流量級(jí)下的主流平面位置相差不大,即便馬當(dāng)河段流量發(fā)生較大變化,進(jìn)入過(guò)渡段的水流動(dòng)力軸線擺動(dòng)也相對(duì)較小,為下游東流水道進(jìn)口段提供了穩(wěn)定的入流條件,不會(huì)對(duì)東流水道演變產(chǎn)生明顯影響。馬當(dāng)河段與東流水道之間順直微彎段的左岸0 m等深線在枯水期離岸較遠(yuǎn),流量越大越貼近岸邊;右岸邊坡梯度較大,所以各流量級(jí)下0 m等深線之間距離較近,但是也可明顯看出0 m等深線在流量小時(shí)離岸較遠(yuǎn),流量大時(shí)貼近岸邊。

由表7可知,主流擺動(dòng)力與河道邊界約束力的比值隨著流量的增加而增大,因?yàn)榱髁康淖兓菍?dǎo)致主流擺動(dòng)的根本原因,流量越大水流動(dòng)力軸線的擺動(dòng)幅度也越大,在流量大的情況下河段也就越可能具有關(guān)聯(lián)性。順直微彎段3個(gè)河灣斷面的水流擺動(dòng)力與邊界約束力的比值始終小于1,這說(shuō)明在不同的流量下,其河道均能有效約束水流動(dòng)力軸線的擺動(dòng),因此不具有關(guān)聯(lián)上游河勢(shì)調(diào)整向下游傳遞的特性。

表7 過(guò)渡段關(guān)聯(lián)性計(jì)算Tab.7 Transition section correlation calculation

4 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)歷年實(shí)測(cè)資料分析,馬當(dāng)河段河勢(shì)調(diào)整沒(méi)有向下游東流水道傳遞,兩河段之間不具有關(guān)聯(lián)性。

(2)通過(guò)建立馬當(dāng)-東流河段數(shù)學(xué)模型,通過(guò)疏浚、筑壩等手段改變馬當(dāng)圓水道分流比,探討上游馬當(dāng)河段河勢(shì)變化對(duì)東流水道的影響,結(jié)果表明馬當(dāng)河段汊道分流比的變化對(duì)東流水道影響微小。

(3)馬當(dāng)河段與東流水道之間順直微彎段的水流擺動(dòng)力與邊界約束力的比值始終小于1,這說(shuō)明在不同的流量下,順直微彎段的河道均能有效約束水流動(dòng)力軸線的擺動(dòng),該河段不具有關(guān)聯(lián)性。