長江下游蕪裕河段河床演變及趨勢預測分析

程小兵，李旺生，王常紅

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

長江下游蕪裕河段是長江蕪湖到南京河段的起點河段，其航道演變對下游江心洲河段通航條件影響大。蕪裕河段上游連接正在積極推進建設的武漢到安慶段6.0 m水深航道，下游銜接12.5 m深水航道，航道暢通對于長江黃金水道效益的發(fā)揮至關重要。蕪裕河段地理位置重要，是確保長江航道暢通，發(fā)揮深水航道效益，體現(xiàn)水運優(yōu)勢的關鍵河段，也是連接長三角城市群和長江中游城市群的節(jié)點河段。掌握蕪裕河段河床演變規(guī)律和其發(fā)展趨勢，是制定和實施蕪湖到南京航道整體航道治理方案及步驟的重要依據(jù)。

1 蕪裕河段概況和水文泥沙特征

1.1 河段概況

蕪裕河段蕪湖大橋以上為單一河道，航道條件良好，蕪湖大橋以下為分汊河段，右汊(主汊)為西華水道，左汊(支汊)為裕溪口水道，近幾十年來右汊一直是通航主汊[1]。

蕪裕河段為兩頭束窄、中間展寬的鵝頭型分汊型河道，河道外形似鵝頭(圖1)。河段進口河寬1 300 m，出口河寬東梁山最窄處1 000 m，河道進口順直放寬，至接近出口的東梁山上游達到最大河寬4 700 m，而后受東、西梁山節(jié)點控制，驟然收窄。在蕪湖長江大橋以下江中依次有曹姑洲心灘、曹姑洲及陳家洲三個基本相連的沙洲將水道分為左右兩汊，其中右汊西華水道為主航道，左汊裕溪口水道為支汊。曹姑洲心灘、曹姑洲、陳家洲長度分別為3.65 km、1.2 km和5.5 km，洲間有竄溝存在，部分水流自曹姑洲心灘左側進入裕溪口水道后通過中間竄溝回到西華水道。

1.2 水文泥沙特征

1.2.1 徑流

徑流是蕪裕河段河床演變的基本動力之一，上游河勢及來水來沙條件的是河床演變的重要因素，特別是大洪水往往會引起河床較大的變化[2]。根據(jù)大通站的水文資料及蕪裕河段地形資料分析，凡是大洪水或上游來水來沙發(fā)生較大變化的年份均會引起蕪裕河段較明顯的河床變化。20世紀90年代中后期，長江連續(xù)幾年出現(xiàn)大洪水，年最大流量75 000～84 000 m3/s，年平均流量約為32 000 m3/s。2003年三峽蓄水后，長江連續(xù)幾年出現(xiàn)枯水年份，2003～2009年，年平均流量約為25 800 m3/s。2010年、2012年又出現(xiàn)較大洪水，因三峽調峰作用，最大流量較2003年前偏小，2010年、2012年日平均最大流量分別為65 300 m3/s、59 400 m3/s。2010年、2012年5～9月平均流量達49 350 m3/s、46 540 m3/s，而相應年平均流量則為32 590 m3/s、31 700 m3/s。2011年為枯水年，最大流量為46 000 m3/s，年平均流量為21 150 m3/s，5～9月平均流量28 100 m3/s，為1950年來水量最小的一年。歷年徑流量見圖2。

圖1 蕪裕河段河勢圖Fig.1 Sketch of the Wuhu-Yuxi Reach

2-a 大通站歷年徑流總量 2-b 大通站歷年輸沙總量圖2 1980～2016年大通站徑流、輸沙量Fig.2 Total amount of runoff and sediment transport in Datong station during the years of 1980～2016

1.2.2 潮汐

長江下游的潮汐影響小潮汛時可到蕪湖，大潮汛時可到大通，有時還可波及到安慶。由于本河段距河口較遠，處于長江下游感潮河段上段，全年受潮汐的影響，汛期影響小，枯水期影響大，但仍受徑流控制。蕪湖年最高潮位10.96 m，蕪湖年平均潮差：0.23 m，最大潮差為1.16 m，蕪湖漲潮歷時平均為3 h27 min(枯季)，落潮歷時平均為8h11min(枯季)，落潮歷時遠大于漲潮歷時。

1.2.3 泥沙

根據(jù)2003～2016年資料統(tǒng)計，三峽工程蓄水運用后，大通站多年平均含沙量為0.163 kg/ m3，多年平均輸沙量1.40億t，分別為三峽工程蓄水前多年平均的35.13%和44.16%。大通站床沙級配變化不大，組成較為均勻，基本全為中細沙，粒徑在0.05～0.5 mm的沙重約占90%左右。大通站床沙中值粒徑1990～2002年較1980～1989年期間為階梯型增加趨勢，2003～2009年略有減小，中值粒徑d50為均值0.178 mm左右。

2 河床演變特征

河床演變是水流、泥沙和邊界相互作用的綜合反映[3]。本文根據(jù)長江蕪裕河段水下地形測圖，比較分析蕪裕河段下段河道演變情形。

2.1 歷史演變特征

圖3 1858年蕪裕河段河道圖Fig.3 River regime of Wuhu-Yuxi reach in 1858

1858年裕溪口河段始有第一張采用近代測量方法匯出的第一張航道圖[4]，從測圖來看(圖3)，當時的裕溪口汊道即為彎曲河型，彎道曲折率達2，在裕溪口港位置形成一個大邊灘，0 m邊灘長7.4 km，平均寬度977 m，西華水道為一個順時針微彎形態(tài)，水道水深條件良好，除四褐山過渡段水深較小只有7～9 m，大部分河段水深均在14 m以上。

至1923年，裕溪口水道下段陳家洲凸岸邊灘發(fā)生切灘撇彎，裕溪口水道彎道曲折率下降為1.4；右汊西華水道河床變化不大，但平均水深有所增加，當時平均水深為15.6 m，比前期增加9.8%。至20世紀60年代，裕溪口水道又向彎曲方向發(fā)展，彎道曲折率由1.4增加至1.6；西華水道河床變化仍不大，平均水深為16.4 m，保持主汊地位。

從蕪裕河段歷史演變認識分析發(fā)現(xiàn)，西華水道一直保持著主汊地位，河床較為穩(wěn)定，水深逐漸增加，裕溪口水道則始終為支汊，河床很不穩(wěn)定，河槽與沿岸邊灘時沖時淤，水深變化不定。

2.2 三峽蓄水前近期演變特征

三峽蓄水前蕪裕河段演變分為兩個階段，第一階段1976 ～1992年，第二階段為1993 ～2002年。第一階段是裕溪口水道發(fā)展階段，1976年，裕溪口水道分流比減小至0.5%，隨后，隨著灘槽調整變化，至1992年，裕溪口水道分流比恢復到9%左右；后一階段陳家洲左、右兩汊分流比變化不大，主要是河心洲灘、竄溝的發(fā)展變化。

2.2.1 1976～1992年

圖4 蕪裕河段近期心灘變化圖Fig.4 Recent evolution of the Wuhu-Yuxi reach

本階段總的河勢格局變化不大，僅局部河段發(fā)生較劇烈沖淤變化，最突出的是蕪湖、裕溪口港區(qū)的沖淤變化和江心洲灘的左移與并聯(lián)(圖4)。1976年后，由于上游五顯店至大拐河段修建了護岸工程，上游河岸崩塌速度大為減緩，進入蕪裕河段特別是裕溪口水道的泥沙大為減少[5]，裕溪口港區(qū)及航道出現(xiàn)沖刷，從而對蕪裕河段下段的沖淤態(tài)勢產(chǎn)生較大影響。

進入裕溪口河段來沙的減少為陳家洲左汊發(fā)展提供了條件，加之大水年陳家洲左側凸岸邊灘切灘撇彎，使得陳家洲左側裕溪口水道下段過流能力增強，陳家洲左汊在這一時期處于發(fā)展階段。陳家洲左汊的發(fā)展變化也對江心洲灘間竄溝的發(fā)展形成較大影響，有的竄溝淤積，淤積后又在新的灘面切割形成新的竄溝。竄溝變化表現(xiàn)為竄溝形成后向下游移動，而后下游竄溝淤積萎縮，過流能力減小，而上游又形成新的竄溝并發(fā)展。

此階段陳家洲左汊沖開并有所發(fā)展，原江心新洲與陳家洲之間曹捷水道淤塞，兩洲合并。曹姑洲頭部低灘淤積，灘中部沖刷出竄溝，并持續(xù)擴大。

在這階段，左汊分流量逐漸加大，裕溪口水道航道條件逐步改善。曹姑洲位置相對偏左，且規(guī)模適中，西華水道航道條件也處于較好時期，主航道水深維持在20 m以上。

2.2.2 1993～2003年

隨著裕溪口水道主流的右擺及曹姑洲的沖刷后退，裕溪口水道過渡段又進入淤積階段。此階段裕溪口水道下段分流比維持在10%左右，1#竄溝分流量逐漸增至5%左右，竄溝對河段灘槽格局的影響開始加劇。河段曹姑洲心灘、曹姑洲及1#、2#竄溝沖淤變化開始影響航道條件。曹姑洲心灘在這一時期面積增長15.8%，變化不大，但心灘頭部淤積上延150 m，灘尾淤積下延550 m；曹姑洲則在這一時期大幅度沖退，曹姑洲0 m線沖退670 m，洲頭左緣沖退190 m，1#竄溝位置下移630 m。隨著江心洲灘及竄溝的發(fā)展及調整，西華水道下段右側的黃泥灘邊灘逐漸淤積壯大并露出水面。

圖5 曹姑洲心灘近年來面積變化圖Fig.5 Area change of Caoguzhou channel bar

1993～2003年長江下游處于豐水期，這一階段本河段灘槽變化總體表現(xiàn)沖大于淤。在這一時期，曹姑洲存在明顯的崩退，為曹姑洲心灘的淤積擴大(圖5)提供了空間，大水主流偏向裕溪口水道，則造成了曹姑洲心灘規(guī)模擴大的同時向下、向右移動。在裕溪口水道上段入流增加的同時，陳家洲左汊受制于下段沿程阻力控制，分流比并未有明顯增大，因此，增大的流量通過1#、2#竄溝回到西華水道，導致竄溝明顯沖刷發(fā)展。在本時期內(nèi)，西華水道的變化主要表現(xiàn)為水道下段的左沖右淤，曹姑洲、陳家洲的右緣崩退，西華水道主流和深槽隨之左偏，四褐山下河道右側形成緩流區(qū)，而上游曹姑洲頭部及左右側的崩塌泥沙被水流攜帶至黃泥灘位置，為黃泥灘邊灘的形成提供了水流條件和泥沙來源。

這一時期，曹姑洲心灘及曹姑洲的調整對裕溪口水道和西華水道下段分流比的影響不大，主要是分汊河段中上段的分流調整及洲灘位置調整。在這一時期，局部調整對支汊航道的航道條件影響有限，但主航道的通航條件是有一定程度惡化的，主要是西華水道上段10.5 m深槽最小河寬由873 m減小至656 m，西華水道四褐山段彎曲半徑也開始出現(xiàn)減小趨勢。

2.3 三峽蓄水后演變特征

2.3.1 2004～2012年

蕪裕河段這一時期主要變化表現(xiàn)為曹姑洲心灘、曹姑洲及黃泥灘邊灘的沖淤變形。在2004～2009年三峽蓄水后的長枯水系列中，曹姑洲心灘頭部0 m線淤積上延680 m，左緣淤積左擴250 m，右緣淤積右擴60 m，心灘尾部變化不大，0 m線上面積由2.56 km2增加至4.1 km2,；2010年大水后，心灘頭部沖退400 m，灘尾淤積下延940 m。曹姑洲在這一時期仍在持續(xù)沖退，頭部累計沖退1 100 m。1#竄溝向下游移動930 m，2#竄溝時沖時淤，變化不大。黃泥灘邊灘面積則由0.077 km2增加至0.88 km2。

由于上游來沙減小的幅度顯著大于來水量減小幅度，蕪裕河段灘槽總體處于沖刷狀態(tài)，而上游來沙中值粒徑的減小對洪淤枯沖過渡段淺灘的沖刷更為有利，因此裕溪口水道在本時期內(nèi)處于發(fā)展階段，裕溪口水道上段分流量加大對1#、2#竄溝的沖刷起到了促進作用。黃泥灘邊灘在曹姑洲大幅度沖刷崩退時因為有上游泥沙補給，邊灘淤積發(fā)展，但后期曹姑洲崩退速度減緩后，來沙補給減少，邊灘轉而受沖，西華水道過渡段由于有效過水寬度的增加，水深有所減小。

2.3.2 2013 ～2016年

蕪裕河段灘槽在經(jīng)歷三峽蓄水以來來沙大量減少、以及2010年、2012年大水年沖刷后，河床灘槽格局發(fā)生了較大調整。曹姑洲心灘、曹姑洲的沖淤變化對于裕溪口水道的入流更為有利，在裕溪口水道出流受到節(jié)點控制，過流能力提升有限情況下，兩汊間竄溝得到發(fā)展動力，而竄溝的過度發(fā)展則必將影響到整治蕪裕河段兩汊的航道條件。這一時期曹姑洲心灘頭部及左緣沖刷，尾部被水流切割在1#竄溝入口形成獨立淺梗，且面積由12.5萬m2增加至23.71萬m2，曹姑洲仍為沖刷后退趨勢，3年間沖退200 m。2013～2016年3年間，曹姑洲心灘左側裕溪口水道分流比增加了12.04%，同時期陳家洲左側裕溪口水道分流比增加僅為3.91%，2016年枯水期有高達14.1%的流量通過1#竄溝和2#竄溝從河道左汊分流至河道右汊，而2013年基本相同流量下僅有8.05%分流。竄溝過大分流帶來的影響體現(xiàn)為西華水道航道的扭曲、過渡段水深減??；竄溝分流進一步發(fā)展還可能帶來的變化存在裕溪口水道下段淤積、航道條件變差，西華水道下段主流擺動、航槽不穩(wěn)，東梁山出流擺動、對下游江心洲河段航道條件穩(wěn)定不利等。

2.4 近期演變總結

從灘槽演變本身來說，曹姑洲心灘的左沖右淤對于裕溪口水道的發(fā)展是有利，但裕溪口水道下段的彎曲狹窄河道本身的過流受限，因此，1#竄溝、2#竄溝的發(fā)展是裕溪口水道上段分流持續(xù)增加的必然結果。蕪裕河段本身灘槽發(fā)展的階段性也決定了蕪裕河段進入竄溝發(fā)展的加速時期。

三峽蓄水后的大水年對蕪裕河段心灘和竄溝的沖刷調整逐漸加強。由于大水沖刷曹姑洲心灘及曹姑洲左側，裕溪口水道上深槽的下延和右擺，對2#竄溝的發(fā)展有利。裕溪口水道上段分流比近年來逐漸加大，與分流比加大同時出現(xiàn)的是深槽向下游發(fā)展；受裕溪口水道下段河道扭曲、河寬狹窄而分流受限影響，洲間竄溝在中高水期上、下形成較大水位差，竄溝沖刷動力增強因而得以發(fā)展，分流比也隨之加大。

裕溪口水道上段深槽向下游發(fā)展無疑對該支汊航道的改善是有利的，但由于上段深槽在向下游發(fā)展的同時右偏，有和洲間竄溝聯(lián)通之勢，一旦深槽和竄溝聯(lián)通，裕溪口水道上段的分流量還將進一步加大，洲間竄溝分流比將大幅增加，裕溪口水道下段分流量將可能減小，支汊航道條件將趨差；同時，洲間竄溝分流的大幅增加將使得陳家洲右汊主流右偏，黃泥灘邊灘將受沖，使得目前相對穩(wěn)定的江心洲河段入流條件發(fā)生改變，于江心洲河段航道條件不利；另外，心灘左側分流加大、深槽偏右向下發(fā)展，將使得心灘右側淤擴，于蕪湖大橋橋區(qū)航道不利，心灘右側的主航道將更加彎曲、狹窄，航道條件趨差。

3 河床演變趨勢預測

3.1 蕪裕河段演變影響因素

(1)河道邊界條件的影響。

蕪裕河段左右兩岸分布大量碼頭、護岸，河段總體河勢穩(wěn)定，河心高大洲灘陳家洲近年來基本保持穩(wěn)定，僅有局部岸坡存在崩岸現(xiàn)象。河心低灘(曹姑洲心灘和曹姑洲)由于沉積時間較短，本身抗沖性不足，近年來灘體和灘體間竄溝存在一定沖淤變化。

(2)上游水道的影響。

蕪裕河段上游為白茆河段，白茆河段近幾十年河道的航道條件良好、穩(wěn)定，河道變化幅度較小，對下游河段影響較小。

(3)來水來沙條件的影響。

本水道受大水影響較大，特別是大水少沙年，不利于河段航道條件穩(wěn)定。大水年水流頂沖曹姑洲心灘頭部及左側，頂沖曹姑洲頭部，造成曹姑洲心灘頭部及左緣沖刷，曹姑洲沖刷，西華水道過渡段和裕溪口水道過渡段淤積。從裕溪口水道分流看，高水分流(44.92%)明顯高于低水期分流(30.3%)，而高水期，曹姑洲心灘明顯表現(xiàn)為左沖右淤，這一變化引起西華水道上段航寬及彎曲半徑的減小。因此，大水年不利于西華水道航道條件穩(wěn)定。對于兩竄溝來說，高水期左右兩汊水位差較枯水期大，兩竄溝的分流量和水流動力也叫枯水期大，竄溝在大水年發(fā)展速度明顯快于小水年，竄溝發(fā)展及分流增加；對于西華水道來說，造成后果是西華水道四褐山段斜流的增加和下過渡段主流的擺動、水深減?。粚τ谠Ｏ谒纴碚f，由于右側曹姑洲心灘和曹姑洲沖刷，主流右擺，造成過渡段泥沙落淤和水流分散，水深減小。

(4)洲灘及竄溝沖刷發(fā)展的影響。

為了更好認識洲灘及竄溝沖刷發(fā)展對河床演變及航道條件的影響，通過物理模型[6]、數(shù)學模型[7]進行了認識性試驗，分析研究不同情況下河道變化對蕪裕河段航道條件的影響。試驗設定不同情況分別為：①曹姑洲洲體進一步?jīng)_刷萎縮；②竄溝進一步?jīng)_深；③黃泥灘邊灘沖刷。

物理模型試驗成果表明，曹姑洲進一步?jīng)_刷萎縮、竄溝進一步?jīng)_深后，引起曹姑洲心灘左汊分流增加，陳家洲左汊分流減小，2#竄溝分流增加；陳家洲右汊主流右擺，黃泥灘邊灘將受沖。而數(shù)學模型試驗成果表明，黃泥灘邊灘的沖刷對下游江心洲河段入流條件的穩(wěn)定不利。

3.2 演變趨勢

(1)蕪裕河段分汊河型仍將保持。蕪裕河段自上而下有曹姑洲心灘、曹姑洲、陳家洲等，形成兩個汊道及兩個竄溝，屬典型的復雜分汊河段。受河段內(nèi)節(jié)點及兩岸堤防的控制，其洪水河勢已基本穩(wěn)定。江中的陳家洲洲體發(fā)育也相對完整高大，其消亡的可能性不大。因此，蕪裕河段今后仍將維持這種復雜的分汊河型。

(2)河段內(nèi)洲灘和竄溝將以沖刷為主，不利于本河段航道條件的保持。隨著三峽工程175 m正常蓄水的運用，上游來沙將進一步減小，來水過程均化，蕪裕河段變化將以沖刷為主，主要沖刷部位為曹姑洲心灘、曹姑洲及洲灘間竄溝。曹姑洲心灘將進一步?jīng)_刷下移且向右擺，右側主流被進一步擠壓后，使四褐山磯頭挑流作用進一步增強，曹姑洲和陳家洲的右緣將更加不穩(wěn)定，從而將致使河段航道條件不穩(wěn)定。

(3)曹姑洲心灘及竄溝的發(fā)展變化將影響西華水道航道條件，持續(xù)發(fā)展還將影響下游江心洲河段入流條件的穩(wěn)定。

從目前的演變趨勢看，曹姑洲心灘左側還將持續(xù)沖刷，1#竄溝將持續(xù)向下游移動，并將進一步發(fā)展；2#竄溝已經(jīng)表現(xiàn)為迅速發(fā)展態(tài)勢，陳家洲頭崩岸已具有一定規(guī)模，這個趨勢如不加限制，可能繼續(xù)發(fā)展，進而導致整體格局的調整。隨著竄溝的發(fā)展，分流量加大并向下移動，西華水道四褐山段橫流將進一步加大，航行水流條件惡化；且位于四褐山下游的黃泥灘邊灘將受沖，四褐山至陳家洲頭過渡段水深將進一步減小，西華水道主流如向右擺動，對陳家洲岸坡的穩(wěn)定是有利的，但主流右擺后，東梁山的挑流作用將加強，下游江心洲水道牛屯河邊灘將受沖，而牛屯河邊灘的穩(wěn)定是整個江心洲水道航道條件穩(wěn)定的基礎[8-10]，因此，曹姑洲心灘及竄溝的發(fā)展對整個河段航道條件的穩(wěn)定還是不利的。

(4)曹姑洲心灘及曹姑洲大幅度沖刷，竄溝發(fā)展持續(xù)，則裕溪口水道可能進入萎縮周期。裕溪口水道的發(fā)展變化具有一定的周期性，從1858年有河道資料記錄以來，裕溪口水道彎曲河床的演變經(jīng)歷了兩次發(fā)展—衰減的過程，目前汊道處在發(fā)展階段，目前河道分流比也處在相對高位。如曹姑洲心灘及曹姑洲沖刷，竄溝發(fā)展繼續(xù)，則水流過進入裕溪口水道后，經(jīng)竄溝回西華水道阻力將遠小于經(jīng)裕溪口水道下段自陳家洲尾匯合西華水道，裕溪口水道將可能進入衰退周期，分流量逐步減小，航道條件也將隨之變差，這對于目前同為公用航道的裕溪口水道來說是不利的。

4 結論

分析認為：

(1)蕪裕河段蕪湖大橋以下河段仍將保持分汊河型，但河勢總體穩(wěn)定。

(2)三峽蓄水運用后，曹姑洲心灘頭沖尾淤、左沖右淤，曹姑洲頭部及右緣沖刷，規(guī)模縮小，洲間竄溝沖刷發(fā)展，分流比增大，這些變化將導致西華水道和裕溪口水道航道條件向不利方向發(fā)展，同時，較高灘地沖蝕后的還灘能力將大幅減弱。

(3)為了維持蕪裕河段較好的兩汊通航的航道條件，需對曹姑洲心灘頭部及左側、曹姑洲頭部及竄溝實施守護和控制工程，抑制不利變化，避免航道條件惡化。