水沙條件變化下長(zhǎng)江下游典型江心洲汊道形態(tài)演變及趨勢(shì)

，，

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部江湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

沖積平原河流在束窄段“節(jié)點(diǎn)”的控制下呈現(xiàn)出寬窄相間、河相基本有序的藕節(jié)狀分布[1]，這種由一個(gè)或多個(gè)江心洲及其兩側(cè)汊道組成的分汊河道是一種常見(jiàn)的河流地貌形態(tài)。江心洲的存在使汊道數(shù)量成倍增加，并作為各汊道間相互聯(lián)系和作用的紐帶，與兩岸河漫灘一起共同構(gòu)成分汊河段平面形態(tài)。一方面，江心洲起控制河勢(shì)的作用；另一方面受汊道形態(tài)、進(jìn)出口地形、水流強(qiáng)度及水流動(dòng)力軸線等諸多因素的影響，江心洲呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性和演變的復(fù)雜性[2-3]。對(duì)江心洲分汊河道演變特征和規(guī)律的研究是河流地貌研究的重要組成部分。

長(zhǎng)江中下游普遍發(fā)育有分汊河道，特別是城陵磯以下河道，共發(fā)育有41處江心洲分汊河段，汊道段總長(zhǎng)906.2 km，占河段全長(zhǎng)的69.5%[2,4]。近20 a來(lái)，隨著三峽水庫(kù)及其上游干、支流眾多水庫(kù)的相繼建成，水庫(kù)的調(diào)蓄改變了壩下游河段年內(nèi)徑流分配和泥沙的時(shí)空分布，大量泥沙在水庫(kù)庫(kù)區(qū)淤積致使下游河道來(lái)沙量驟降，挾沙水流長(zhǎng)期處于非飽和狀態(tài)，引起下游河道發(fā)生長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)期的河床沖刷[5-7]。

分汊河道在水沙變化條件下發(fā)生顯著的沖淤調(diào)整，目前借助原型觀測(cè)、遙感影像、理論概化模型、數(shù)學(xué)模型等多個(gè)手段開(kāi)展了許多演變機(jī)理研究。張為等[8]認(rèn)為水沙輸移特性是汊道及洲灘演變的關(guān)鍵因素；陳立等[9]、王博等[10]分別對(duì)關(guān)洲和武漢天興洲分汊河段的分析表明三峽蓄水初期汊道均以沖刷為主，且洪水對(duì)主汊沖刷幅度明顯超過(guò)支汊；李志威等[11-12]基于遙感影像分析發(fā)現(xiàn)2003年以來(lái)長(zhǎng)江中下游大多數(shù)江心洲呈面積減少、洲體萎縮態(tài)勢(shì)，通過(guò)概化模型還分析了洲頭沖淤轉(zhuǎn)換的臨界流量及其動(dòng)力機(jī)制；朱玲玲等[13]以沙市河段為例研究發(fā)現(xiàn)三峽蓄水后特征流量的變化引起主流的偏轉(zhuǎn)。

總結(jié)不同類(lèi)型分汊河道演變規(guī)律發(fā)現(xiàn)，洪水水流動(dòng)力軸線所經(jīng)之地以及比降大的汊道沖刷更加強(qiáng)烈[14-15]。盡管這些變化不會(huì)造成大尺度的河型轉(zhuǎn)化[16]，但河床下切和局部河段崩岸無(wú)法避免，對(duì)防洪安全、航道暢通、岸線保護(hù)和利用、沙洲濕地及土地資源等均產(chǎn)生重要影響。由此可見(jiàn)，開(kāi)展水沙變異條件下江心洲汊道演變研究具有重要的理論和實(shí)際意義。

鎮(zhèn)揚(yáng)河段是長(zhǎng)江中下游河道組成及河勢(shì)演變最為復(fù)雜的分汊河段之一，見(jiàn)圖1(2010年8月測(cè)圖，1985國(guó)家高程)，兩岸經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、水運(yùn)繁忙、整治難度大，近年來(lái)受河床持續(xù)沖刷下切影響的世業(yè)洲、和暢洲崩岸頻發(fā)，具有較強(qiáng)的代表性[17-18]。因此本文選取鎮(zhèn)揚(yáng)河段為研究對(duì)象，通過(guò)三峽蓄水以來(lái)實(shí)測(cè)水沙、地形資料的分析，著重研究江心洲汊道的形態(tài)演化和主支汊交替演變機(jī)理，探討新水沙條件下分汊河道的重塑特征和趨勢(shì)，從而為該河段的整治與管理提供技術(shù)支撐。

圖1鎮(zhèn)揚(yáng)河段河勢(shì)
Fig.1RiverregimeoftheZhenjiang-YangzhouReachofthelowerYangtzeRiver

2 河段概況

鎮(zhèn)揚(yáng)河段位于江蘇省境內(nèi)，上起三江口，下至五峰山，全長(zhǎng)73.7 km，屬長(zhǎng)江下游感潮河段，也是典型的分汊河段(圖1)。之所以“典型”，主要體現(xiàn)在該河段是20世紀(jì)70年代以來(lái)長(zhǎng)江中下游河床演變最劇烈、治理難度最大的河段[3]。本文研究對(duì)象為該河段中的2個(gè)江心洲汊道段：世業(yè)洲汊道及和暢洲汊道，前者為彎曲分汊，后者為鵝頭分汊，兩者通過(guò)六圩彎道連接。20世紀(jì)80年代以來(lái)鎮(zhèn)揚(yáng)河段先后實(shí)施了一期、二期整治工程和2004—2013年應(yīng)急護(hù)岸工程，為維護(hù)南京以下長(zhǎng)江深水為12.5 m航道條件，實(shí)施了儀征水道世業(yè)洲頭二期工程整治，和暢洲水道左汊新建2道潛壩及其護(hù)底工程。目前鎮(zhèn)揚(yáng)河段三期整治工程已開(kāi)工實(shí)施，工程整治使鎮(zhèn)揚(yáng)河段急劇變化的河勢(shì)得到初步控制。

以大通水文站作為鎮(zhèn)揚(yáng)河段水沙條件控制站，1951—2002年和2003—2016年分別代表三峽水庫(kù)蓄水前后，對(duì)比分析結(jié)果表明來(lái)水來(lái)沙年際和年內(nèi)分配均發(fā)生改變[19](表1)。徑流量的變化主要表現(xiàn)為蓄水后年總量稍有減小，由蓄水前9 051億m3下降到蓄水后的8 582億m3，降幅為5.2%；受水庫(kù)調(diào)度“削峰補(bǔ)枯”的影響，洪季徑流量減小，枯季徑流量增大。輸沙量在蓄水后顯著減少，年總量由4.21億t銳減到1.4億t，降幅為66.7%；輸沙量的減少主要發(fā)生在洪季，枯季則稍有減少，洪枯比由15.1減小為5.3。水沙通量的變化特征決定了水體含沙量的顯著下降，尤其洪季平均含沙量由0.635 kg/m3下降為0.202 kg/m3，洪季沙峰基本消失，來(lái)沙年內(nèi)分配趨于均衡(圖2)。新水沙條件總體表現(xiàn)為不飽和狀態(tài)的清水下泄，勢(shì)必會(huì)影響鎮(zhèn)揚(yáng)河段江心洲汊道演變。

圖2三峽蓄水前后大通水文站月平均含沙量
Fig.2Monthly-averagedsedimentconcentrationatDatongstationbeforeandaftertheimpoundmentofThreeGorgesReservoir

本文收集了三峽蓄水以來(lái)鎮(zhèn)揚(yáng)河段地形數(shù)據(jù)，使用Surfer軟件得到汊道典型斷面變化、沖淤分布和沖淤量，結(jié)合水沙條件和汊道分流比變化，分析世業(yè)洲汊道及和暢洲汊道形態(tài)演變特征和趨勢(shì)。

表1 三峽水庫(kù)蓄水前后大通水文站來(lái)水來(lái)沙特征Table 1 Incoming flow and sediment characteristics at Datong Station before andafter the impoundment of Three Gorges Reservoir

注：洪季為6，7，8，9月份，枯季為12，1，2，3月份

3 結(jié)果分析

3.1 分流比變化

世業(yè)洲汊道右汊為主汊，20世紀(jì)90年代以來(lái)受長(zhǎng)江連續(xù)大洪水的影響，左汊發(fā)展、右汊萎縮的趨勢(shì)延續(xù)并有所加快(圖3)。1997年6月在流量為27 000 m3/s時(shí)左汊分流比為26.4%，到2016年11月同等流量時(shí)左汊分流比增大到42.4%，右汊則相應(yīng)由73.6%減小到57.6%，左右汊主次關(guān)系已較為接近。

圖3世業(yè)洲及和暢洲左右汊分流比變化
Fig.3VariationsofdiversionratiosofShiyesandbarandHechangsandbar

和暢洲汊道左汊為主汊，受上游深泓線左擺、分流點(diǎn)下移和左汊鵝頭頸切灘的影響，左汊迅猛發(fā)展，至2003年1月分流比達(dá)到76.1%(圖3)。為控制左汊的迅速擴(kuò)大，2002年6月實(shí)施了鎮(zhèn)揚(yáng)二期和暢洲左汊口門(mén)潛壩工程，2003年9月工程竣工后左汊分流比下降2～3個(gè)百分點(diǎn)，左汊發(fā)展、右汊萎縮的趨勢(shì)得以控制，之后的逾10個(gè)水文年一直維持相對(duì)穩(wěn)定的分汊格局。直到2013—2015年，左汊分流比再次出現(xiàn)緩慢回升，2015年9月達(dá)到75.1%，威脅右汊12.5 m深水航道的通航條件。為此，2015年10月開(kāi)工實(shí)施和暢洲深水航道二期整治工程，左汊新建2道潛壩及其護(hù)底和護(hù)岸工程，工程竣工后的2017年8月左汊分流比為65.3%，相比2015年9月下降了9.8%，工程效果顯著(圖3)。

3.2 汊道沖淤變化

世業(yè)洲汊道2002—2017年4個(gè)特征時(shí)期的沖淤分布表明河床整體上以沖刷為主，見(jiàn)圖4(a)—圖4(d)。

世業(yè)洲左汊處于持續(xù)沖刷態(tài)勢(shì)，尤其進(jìn)口段主槽刷深明顯。世業(yè)洲右汊則呈現(xiàn)時(shí)空變化的沖淤特征，進(jìn)口段2002—2006年淤灘刷槽，2006—2010年主槽強(qiáng)烈淤積，2010—2004年則為刷灘淤槽，2014—2017年受深水航道整治工程的影響恢復(fù)為淤灘刷槽狀態(tài)；中下段多數(shù)時(shí)期為沖刷，尤其洲尾匯流處至六圩彎道進(jìn)口段主槽強(qiáng)烈沖刷。

圖4世業(yè)洲及和暢洲汊道沖淤分布
Fig.4ErosionanddepositionpatternsofShiyeandHechangbranchingchannels

和暢洲汊道2004—2017年3個(gè)特征時(shí)期的沖淤分布表明河床呈現(xiàn)更加復(fù)雜的沖淤分布特征，見(jiàn)圖4(e)—圖4(g)。2004—2010年左右汊均以淤積為主，除左汊上段受到口門(mén)潛壩工程挑流作用的影響而出現(xiàn)沖刷；2010年后左右汊都以沖刷為主，左汊沖刷強(qiáng)度大于右汊，尤其2014—2017年由于和暢洲水道航道整治工程，左汊新建的2道潛壩下游均出現(xiàn)強(qiáng)烈沖刷。

江心洲左右汊歷年0 m以下河槽容積的變化反映出汊道的沖淤量變化，如圖5。

圖5世業(yè)洲及和暢洲左右汊0m以下河槽容積
Fig.5Channelvolumesunder0mofShiyeandHechangbranchingchannels

2002年以來(lái)世業(yè)洲兩側(cè)汊道河槽容積均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，僅右汊在2008—2010年期間出現(xiàn)凈淤積。值得一提的是右汊河槽容積增大而分流比減小，這主要是由于左汊河槽容積增大的幅度超過(guò)右汊，2002年左右汊河槽容積比值為2.7∶1，到2017年比值下降為1.8∶1，左汊在2個(gè)汊道總河槽容積中的比重增大，因此左汊分流比增大，右汊分流比減小。和暢洲汊道河槽容積在2002年以前左汊迅速擴(kuò)大、右汊緩慢減小，與分流比變化特征一致；2002—2010年左右汊均略有減小，2010年后左右汊均增大，尤其在2014年以后，右汊容積增大速度加快，這與左汊航道整治工程后右汊分流比增大有關(guān)。

3.3 汊道形態(tài)變化

選取世業(yè)洲及和暢洲汊道典型斷面分析汊道形態(tài)變化特征。2002年以來(lái)世業(yè)洲整體保持相對(duì)穩(wěn)定，但斷面形態(tài)發(fā)生劇烈變化，左汊入口段斷面變化表明：在2002—2014年主槽偏南且持續(xù)刷深，北側(cè)沖刷岸坡變陡，引起十二圩岸線崩退；2014—2017年在世業(yè)洲洲頭整治工程的影響下原有深槽淤淺，北側(cè)沖刷，主流線北偏。左汊中下段則持續(xù)單向沖刷。右汊入口段斷面主流北偏，洲頭右緣岸坡沖刷變陡，見(jiàn)圖6(a)。

和暢洲汊道形態(tài)變化同樣以沖刷為主，左汊中上段和右汊入口段均為河槽單向沖刷下切，尤其左汊受潛壩工程的影響下游最大水深超過(guò)50 m，見(jiàn)圖6(b)。

圖6典型斷面汊道形態(tài)變化
Fig.6Variationsoftypicalsectionsofbranchingchannels

世業(yè)洲及和暢洲左右汊斷面特征要素統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明世業(yè)洲左右汊寬深比不斷減小，和暢洲寬深比略有減小。在低來(lái)沙量條件及整治工程的共同影響下汊道向窄深方向發(fā)展。

4 討 論

4.1 來(lái)水來(lái)沙條件的影響

盡管鎮(zhèn)揚(yáng)河段為感潮河段，水位隨漲落潮出現(xiàn)周期性波動(dòng)，但河床沖淤演變主要還是受上游來(lái)水來(lái)沙條件的控制。三峽蓄水以來(lái)上游來(lái)水總量和年內(nèi)分配變化幅度不大，但來(lái)沙量急劇減小，尤其洪季泥沙峰基本消失，洪枯季水體含沙量相差不大。因此，洪季水流處于強(qiáng)烈的不飽和狀態(tài)，進(jìn)而造成河槽沖刷下切，河道向窄深方向發(fā)展[20]。汊道的沖淤影響分流比的變化，本文分析發(fā)現(xiàn)江心洲汊道的沖刷引起河槽容積的增大與分流比的變化并非完全對(duì)應(yīng)關(guān)系，主支汊河槽容積相對(duì)關(guān)系的變化才是引起分流比變化的根本原因。

三峽蓄水后上游來(lái)水量變化幅度遠(yuǎn)小于來(lái)沙量變化，極端洪水仍有發(fā)生。在低來(lái)沙量條件下，洪水事件對(duì)河床沖淤的影響將變得更加強(qiáng)烈，如2010年大洪水逐日流量超過(guò)60 000 m3，共持續(xù)了25 d(7月12日—8月6日)，洪峰流量作用下世業(yè)洲右汊可能受上游沖刷下瀉泥沙的影響而發(fā)生強(qiáng)烈淤積，這也是2008年9月—2010年8月期間世業(yè)洲右汊河槽容積陡然減小的主要原因，洪水過(guò)后在中枯水條件下河槽延續(xù)沖刷狀態(tài)，到2011年4月河槽容積就恢復(fù)到洪水前的水平(圖6)，這一過(guò)程也反映了河道演變受極端條件影響后的自適應(yīng)調(diào)整過(guò)程[21]。

4.2 整治工程對(duì)汊道演變的影響

近20 a來(lái)鎮(zhèn)揚(yáng)河段實(shí)施的河勢(shì)控制、航道整治等工程對(duì)汊道演變產(chǎn)生顯著影響[17]。對(duì)世業(yè)洲汊道而言，左右汊護(hù)岸工程起到了控制岸線、穩(wěn)定河勢(shì)的作用，近期實(shí)施的世業(yè)洲頭潛壩工程引起洲頭邊灘淤積、深槽沖刷，最大沖深超過(guò)5 m。對(duì)和暢洲汊道而言，水利部門(mén)2002年6月—2003年9月實(shí)施了左汊口門(mén)潛壩和護(hù)底工程，航道部門(mén)2015年10月—2017年3月在已建潛壩下游新建二道潛壩及護(hù)底工程，同時(shí)左右汊實(shí)施有多處護(hù)岸工程，工程實(shí)施后引起附近河床沖淤調(diào)整，潛壩下游沖刷，右汊分流比增大，初步遏制了左汊單一發(fā)展、右汊萎縮的不利態(tài)勢(shì)，達(dá)到了整治效果?？傊?，鎮(zhèn)揚(yáng)河段通過(guò)修建堵汊潛壩、洲頭潛堤、岸線加固和守護(hù)等工程，很好地起到了阻止岸線崩退、改善航道條件、穩(wěn)定分汊格局的作用。

4.3 整治工程對(duì)未來(lái)水沙條件變化的適應(yīng)性

2003年三峽蓄水以來(lái)上游水沙條件明顯改變，尤其在來(lái)沙量銳減的影響下鎮(zhèn)揚(yáng)河段多處迎流頂沖段岸坡沖刷，已有護(hù)岸工程年久失修，工程現(xiàn)狀不能滿(mǎn)足控制河勢(shì)穩(wěn)定的需求。此外，和暢洲左汊口門(mén)潛壩及其下游遭到一定程度的沖刷和沉陷，壩體高度降低，局部形成V型沖刷坑。潛壩工程在長(zhǎng)期運(yùn)行中受水流沖刷、人類(lèi)活動(dòng)干擾等綜合因素影響下，不可避免地出現(xiàn)一定程度的損毀現(xiàn)象。因此，盡管河道整治工程在一定時(shí)期內(nèi)取得了較好的效果，但未來(lái)隨著上游水沙條件的變化，工程的穩(wěn)定性和適應(yīng)性值得密切關(guān)注，尤其對(duì)局部存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的工程段需進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)和必要的維護(hù)加固。

4.4 未來(lái)演變趨勢(shì)分析

鎮(zhèn)揚(yáng)河段在上游水沙條件變化及整治工程的影響下將發(fā)生不斷的沖淤調(diào)整。2015年前世業(yè)洲頭左右緣沖刷，右汊口門(mén)右側(cè)深槽淤積、左側(cè)沖刷，主流明顯左擺；左汊口門(mén)右側(cè)深槽繼續(xù)沖深擴(kuò)大，表明世業(yè)洲頭有縮小后退的可能，這種態(tài)勢(shì)在世業(yè)洲頭部潛壩工程的作用下得到初步控制。世業(yè)洲左汊分流比在2013年后超過(guò)38%，之后一直維持在40%以上，在洲頭整治工程的影響下左汊分流比增大的趨勢(shì)可能會(huì)有所緩解。2002年前和暢洲汊道的河勢(shì)變化與上游六圩彎道的發(fā)展密切相關(guān)，經(jīng)過(guò)多年整治，六圩彎道河勢(shì)總體相對(duì)穩(wěn)定，尤其在和暢洲左汊口門(mén)及其下游潛壩的作用下，和暢洲汊道進(jìn)入左汊發(fā)展限制階段，右汊分流比緩慢增大后維持相對(duì)穩(wěn)定。

隨著未來(lái)上游來(lái)沙量的進(jìn)一步下降[6]，清水下泄條件下世業(yè)洲及和暢洲汊道的沖刷下切還將持續(xù)，直至新的沖淤平衡狀態(tài)。盡管整體分汊格局不會(huì)發(fā)生改變，但局部岸灘仍有崩岸的可能，因此在河道整治和管理中應(yīng)深化崩岸監(jiān)測(cè)和預(yù)警，加強(qiáng)已護(hù)岸段河道演變的監(jiān)測(cè)分析，對(duì)未進(jìn)行護(hù)岸的薄弱河岸應(yīng)盡快開(kāi)展岸線守護(hù)論證和相關(guān)研究工作。

5 結(jié) 論

鎮(zhèn)揚(yáng)河段世業(yè)洲及和暢洲分汊河道同時(shí)受上游來(lái)水來(lái)沙條件變化和河道整治工程的影響，尤其三峽蓄水以來(lái)的清水下泄，引起江心洲汊道灘槽形態(tài)發(fā)生劇烈沖淤調(diào)整。通過(guò)分析近期演變過(guò)程，結(jié)合水沙條件變化和整治工程的影響，主要結(jié)論為：

(1)鎮(zhèn)揚(yáng)河段世業(yè)洲及和暢洲江心洲體保持相對(duì)穩(wěn)定，2010年以后汊道容積均不斷增大，江心洲處于全面沖刷狀態(tài)，深槽單向沖刷下切。

(2)左右汊分流比變化與汊道沖淤不存在完全對(duì)應(yīng)關(guān)系，低來(lái)沙量下汊道沖刷引起的主支汊過(guò)流能力的相對(duì)關(guān)系是決定分流比變化的主要因子，分析還發(fā)現(xiàn)低來(lái)沙量條件下的極端洪水會(huì)在短時(shí)間內(nèi)引起汊道沖淤和分流比變化。

(3)河道整治工程有效抑制了主支汊的單向發(fā)展，對(duì)穩(wěn)定江心洲分汊格局起到重要作用，但未來(lái)在持續(xù)清水下泄條件下汊道沖刷和深槽單向下切還將持續(xù)，建議對(duì)未守護(hù)的薄弱河段加強(qiáng)分析研究，盡快實(shí)施合理的岸線守護(hù)。