長江口徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽穩(wěn)定性及其影響因素

柴朝暉，王 茜，渠 庚，黃衛(wèi)東

(1.長江科學(xué)院 河流研究所, 武漢 430010; 2.水利部長江中下游河湖治理與防洪重點(diǎn)實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

長江口是我國第一大河口，其在流域減沙及人類活動的雙重影響下的演變過程和變化趨勢是目前研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)之一[1-4]。徐六涇節(jié)點(diǎn)段作為長江河口區(qū)的起點(diǎn)段，控制著長江口的物質(zhì)通量和南北支的分流分沙，其演變過程和趨勢對整個長江口的演變有著重要的作用。眾多學(xué)者對此河段的沖淤演變機(jī)制進(jìn)行了研究：李鍵庸[5]提出徐六涇節(jié)點(diǎn)段整治工程的實施能穩(wěn)定其節(jié)點(diǎn)作用；余文疇和張志林[6]利用1984—2006年的資料分析了徐六涇節(jié)點(diǎn)附近的河勢變化；朱慶元等[7]根據(jù)1970—2014年的實測資料分析了長江徐六涇河段白茆小沙近期演變特征；欒華龍等[8-9]采用1997—2015年的資料通過大尺度的沖淤計算發(fā)現(xiàn)徐六涇—橫港沙之間的河段自20世紀(jì)80年代起已呈現(xiàn)凈沖刷態(tài)勢。然而，目前對該河段河槽穩(wěn)定性及未來趨勢的定量預(yù)測還不夠深入。因此，筆者采用實測資料分析和物理模型試驗相結(jié)合的方法研究了長江口徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽的穩(wěn)定性、變化趨勢及影響因素，以期能為該河段的綜合整治、保護(hù)和可持續(xù)開發(fā)利用提供基礎(chǔ)支撐。

2 研究區(qū)域及方法

2.1 研究區(qū)域

徐六涇節(jié)點(diǎn)段自徐六涇至白茆河口，是長江口近口段到河口段的一個節(jié)點(diǎn)性過渡段，上接狼山沙水道，下連白茆沙水道。

該河段受徑流和潮流雙重影響，但潮流作用相對較弱，塑造本河段河床的主要動力為徑流占主要部分的落潮流(2005—2016年間徐六涇站年均落潮潮量是漲潮潮量的3.1倍)。河段床沙主要是細(xì)沙，床沙粒徑分布為：主槽床沙較粗，中值粒徑d50為0.13～0.25 mm，江心沙灘上底沙較細(xì)，d50一般在0.1 mm左右。近年來，為穩(wěn)定徐六涇節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)徐六涇河段的束流、導(dǎo)流作用，該河段實施了新通海沙圍墾工程、南側(cè)的白茆小沙圍墾堤工程和白茆沙頭部整治工程等整治工程。

2.2 研究方法

基于水文、泥沙和地形實測資料，通過提取特征等高線、繪制典型橫斷面年際變化圖分析近年來河槽變化，并利用物理模型試驗對河槽穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測。

物理模型試驗動床部分模擬范圍上起常滸河口，下至白茆沙洲頭整治工程頭部(圖1)，由于試驗主要研究工程河道河槽的變化趨勢，根據(jù)水流近岸流線形狀在0～-5 m之間選擇一條相對平滑的線作為定、動床的分界線。根據(jù)該河段床沙實測資料，工程河段原型床沙中值粒徑約為0.102 mm，在基本滿足沉降相似、起動相似和揚(yáng)動相似的條件下，模型采用中值粒徑為0.14 mm、干重度為7 kN/m3的塑料沙作為模型用沙；對于懸移質(zhì)床沙質(zhì)，選用粒徑為0.17 mm的塑料沙作為床沙質(zhì)予以模型加沙控制(限于篇幅，模型比尺和模型沙只給出了結(jié)果，具體推算過程略去，具體可參考文獻(xiàn)[10])，徐六涇節(jié)點(diǎn)段物理模型比尺詳見表1。

圖1 徐六涇節(jié)點(diǎn)段物理模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of physical model ofXuliujing node reach

表1 徐六涇節(jié)點(diǎn)段物理模型比尺Table 1 Scale used for physical model of Xuliujingnode reach

為模擬長期水沙系列下該河段河槽的變化趨勢和大洪水的影響，水沙系列年采用三峽蓄水以后的2009—2018年系列水文年+百年一遇水文年，其中，2009—2018年系列水文年根據(jù)大通站流量和含沙量變化特征概化為93級；百年一遇水文年進(jìn)口流量過程按百年一遇洪峰流量與1998年最大洪峰的比值關(guān)系(放大系數(shù)為95 300/81 200)放大1998年汛期(主要是25 000 m3/s流量以上洪水時段)來水過程得到，含沙量則根據(jù)大通站流量-含沙量關(guān)系的下包線獲得。下游潮位邊界條件則在各典型年內(nèi)選取了不同時段(洪、中、枯期)的大、中、小潮作為代表潮型，選取過程中還考慮了最高潮差和月份分布的影響。

3 模型驗證

模型驗證試驗起始地形采用2016年10月份測量的1∶10 000的水下地形圖制作，驗證試驗進(jìn)口水文條件采用大通站實測流量和輸沙率資料，出口采用相應(yīng)控制站的實測潮位資料。

3.1 潮水位和流速驗證

對模型2018年8月份徐六涇站潮位過程、2019年11月份新江海河斷面(圖1中2#斷面)SW6測點(diǎn)流速過程同步驗證，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，徐六涇站模型與原型的潮位過程吻合程度較好，通過分析比較，差值一般在0.03 m內(nèi)，SW6測點(diǎn)模型和實測流速相差不大，漲落潮過程基本吻合，平均流速偏差在10%以內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)程要求。

圖2 典型測點(diǎn)潮位和流速實測和模型值對比Fig.2 Comparison of tide level and flow velocitybetween measured and modeled values at typicalmeasuring points

3.2 河床沖淤驗證

河床沖淤驗證終結(jié)地形采用2018年11月份最新實測1∶10 000的水下地形。圖3為典型斷面原型和模型沖淤變化對比(典型斷面位置見圖1)。由圖3可知，在河槽部位的模型沖淤變化與原型基本相似，邊灘部位模型淤積量偏小，特別是高灘部位，主要原因是水沙條件的概化造成模型中的洪峰流量變小，但沖淤幅度誤差一般都在0.50 m以內(nèi)。從分段沖淤量來看，常滸河口—蘇通大橋段模型沖淤量與原型的偏差為-4.01%，蘇通大橋—新江海河段模型沖淤量與原型的偏差為9.40%；新江海河—白茆沙頭部段模型沖淤量與原型的偏差為3.51%。綜上，模型沖淤部位基本與原型相似，沖淤幅度和沖淤量的幅度誤差符合相關(guān)規(guī)范的要求。

圖3 典型斷面實測和模型值對比Fig.3 Comparison of topography of typical sectionsbetween measurement and modelling

4 結(jié)果與討論

4.1 河槽近期平面變化

以-10、-20、-30、-40、-50、-60 m槽深為例分析徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽平面變化(受限于篇幅，圖4和表2中僅展示了部分河槽年際變化)，具體如下：

(a) -30 m槽

表2 徐六涇節(jié)點(diǎn)段-20～-60 m槽特征值統(tǒng)計Table 2 Characteristic values of - 20-60 m channelin Xuliujing node reach

1997年以后-10 m槽基本穩(wěn)定，僅進(jìn)口段和出口段存在局部的沖淤變化。2006年后，-10 m槽進(jìn)口段隨著上游新開沙夾槽的發(fā)展向北沖刷，南側(cè)-10 m深槽相對穩(wěn)定，而新開沙沙尾延伸而下的-10 m等高線相對活躍，存在局部的南北擺動。徐六涇出口段-10 m槽與下游連通。1997年后白茆小沙夾槽進(jìn)一步刷深，開始出現(xiàn)-10 m槽，且不斷向上游發(fā)展；2006年后，其深槽向下沖刷發(fā)展，2016年與下游-10 m槽連通；2016—2018年間，-10 m深槽位置基本穩(wěn)定，僅有小幅度的左右擺動。

2001年前-20 m槽金涇塘以上平面形態(tài)及位置較為穩(wěn)定，金涇塘以下的槽尾段變化較為顯著，總體表現(xiàn)為槽尾的南偏及上提(1983—2001年間，-20 m槽槽尾南偏約1.2 km，上提約3.3 km)。2001年后，槽尾呈逐年下挫的趨勢，2001—2018年間累計下挫約2.3 km。

2003年-30 m槽貫通，2003—2006年間，該槽北側(cè)沖刷，槽寬由240 m增至510 m左右；2006年以后，隨著蘇通大橋建設(shè)和運(yùn)行，-30 m槽出現(xiàn)一定的沖刷，幅度在250 m以內(nèi)；2006—2018年間，槽尾略有下挫，幅度在350 m左右。

2001年前-40 m槽只出現(xiàn)在蘇通大橋橋位斷面以上，受狼山沙東水道主流線擺動的影響，該槽頭部年際間變幅較大，有逐年上提的趨勢，1998—2019年間，槽頭部上提約2.5 km，槽尾位置相對穩(wěn)定，下距蘇通大橋橋位斷面420—780 m之間。隨著蘇通大橋建成(2005年8月份主橋橋墩建成)，2006年蘇通大橋下游開始出現(xiàn)-40 m槽。該槽上邊緣距離蘇通大橋約850 m，分為上下2個部分，2006—2018年間位置和面積相對穩(wěn)定，變化不大。

與-40 m槽類似，2006年后蘇通大橋下游開始出現(xiàn)-50 m槽，距離蘇通大橋橋址斷面約1.2 km，面積僅約0.012 km2；至2016年，該槽位置下移約200 m，面積增加至0.046 km2；2018年，原槽面積增加至0.16 km2，且在其下游約1.8 km處形成一個新的-50 m槽，面積約0.045 km2。同時，自2016年開始在蘇通大橋下游出現(xiàn)了-60 m槽，深槽面積約0.008 km2，2018年該深槽面積增大至0.040 km2，主要表現(xiàn)是深槽頭部向上游延伸。

綜上，徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽近期以沖刷為主，平面上主要表現(xiàn)為河槽的上提下挫，深槽最深點(diǎn)呈下降趨勢。

4.2 典型斷面近期變化

選取徐六涇斷面(進(jìn)口段)、金涇塘斷面(中段)和白茆河斷面(出口段)3個斷面分析徐六涇節(jié)點(diǎn)段典型斷面的變化，如圖5所示。

圖5 徐六涇節(jié)點(diǎn)段典型斷面變化Fig.5 Changes of typical sections of Xuliujingnode reach

徐六涇斷面河槽位置較為穩(wěn)定，歷年最深點(diǎn)擺動幅度不超過300 m；河槽右側(cè)的邊灘較為穩(wěn)定，沖淤幅度較小，而河槽左側(cè)邊灘則相對變化頻繁，沖淤交替，幅度在7 m左右。1992年前金涇塘斷面河槽略向右移動，1992后斷面形態(tài)整體變化不大，右側(cè)次深槽有所刷深，2016年達(dá)到最深(高程約-33.2 m)，2016—2018年間出現(xiàn)回淤；1998—2006年右側(cè)白茆小沙夾槽出現(xiàn)較大幅度的沖刷，2006年以后仍以沖刷為主，但沖幅在2 m以內(nèi)。白茆河斷面呈復(fù)式斷面形態(tài)，根據(jù)斷面沖淤變化特征可分2個階段：1992年前為“沖淤劇烈”階段，1978—1992年間，斷面最深點(diǎn)右移約2 140 m。1992年后為“緩慢沖淤”階段，斷面沖淤幅度在5 m以內(nèi)，2007 年后，隨著新通海沙圍墾工程的實施，河寬縮窄1.2 km左右；南側(cè)邊灘、主槽、白茆小沙尾部沖刷明顯，與2006年相比，平均沖深約1.5 m，且2016—2018年主槽最深點(diǎn)沖深約2.6 m。

綜上，1992年前徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽總體向右移動，1992年以后，河槽平面位置基本穩(wěn)定，演變趨緩，近期河床斷面呈緩慢刷深之勢。

4.3 河槽變化趨勢

圖6為不同水文年作用后的徐六涇節(jié)點(diǎn)段河床平面沖淤變化。從圖6可以看出，2009—2018年水文年作用后，工程河段河床沖淤交替，河槽以沖刷為主，幅度在6.3 m左右，白茆河出口端河槽最大沖深約5.1 m；白茆沙南水道進(jìn)口呈沖刷態(tài)勢，幅度在1.5～2 m之間，北支進(jìn)口表現(xiàn)為淤積態(tài)勢；2009—2018年+百年一遇水文年作用后，河床總體呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢，河床變化幅度較平常水沙年明顯增大，其中，徐六涇主槽左側(cè)、蘇通大橋下游主槽、白茆沙南水道進(jìn)口段沖刷幅度較大，白茆河斷面主槽沖刷幅度約為14.7 m，白茆沙頭部上游河床淤積明顯，幅度在1～2.8 m之間。

圖6 不同水文年作用后的徐六涇節(jié)點(diǎn)段河床平面沖淤變化Fig.6 Changes of riverbed plane erosion and deposition in Xuliujing node reach before and after the action ofdifferent hydrological years

圖7為不同水文年作用后的徐六涇節(jié)點(diǎn)段-20～-50 m河槽變化。由圖7可知，2009—2018年水文年作用后，-20 m槽持續(xù)擴(kuò)大，尤其是金涇塘口以下河段-20 m槽更加平順且寬度增大，槽尾向下游延伸約756 m，槽寬增加約632 m；-30 m上下深槽沖刷貫通，深槽寬度變化不大，槽尾有所拓寬下延；主流進(jìn)口段的-40 m深槽平面變化不大，蘇通大橋下游2個-40 m深槽有所發(fā)展，深槽面積分別增加約34.8%和45.4%； -50 m槽整體沖刷發(fā)展，但平面位置變化不大。2009—2018年+百年一遇水文年作用后，-20～-50 m槽的變化與2009—2018年水文年條件下的變化相似，只是沖刷幅度有所增加，但值得注意的是，在現(xiàn)有-30 m深槽下游約910 m 處出現(xiàn)一個新的-30 m槽，面積約0.71 km2。

圖7不同水文年作用后的徐六涇節(jié)點(diǎn)段典型等高線變化Fig.7 Typical contour changes of Xuliujing node reachbefore and after the action of different hydrological years

綜上，徐六涇節(jié)點(diǎn)段未來灘槽格局基本穩(wěn)定，河槽仍以沖刷為主，且有向下游緩慢發(fā)展趨勢。需注意的是，大洪水作用下局部河床仍會出現(xiàn)較大的調(diào)整。

4.4 影響因素分析

4.4.1 河道邊界條件

徐六涇節(jié)點(diǎn)段歷史上主流頂沖常熟岸線，致使江岸崩坍，18世紀(jì)開始常熟岸線先后修建海塘及一系列樁石工程，南岸地質(zhì)條件較好，長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1954年通海沙圍墾成陸，1957年通海沙并北岸，1958年北岸開始進(jìn)行了一系列圍墾工程，1965年江心沙圍墾成陸，1973年江心沙并北岸，江面由原來的15.7 km縮窄至5.7 km。2007年南岸進(jìn)行了常熟邊灘圍墾，2008—2013年實施新通海沙圍墾工程，蘇通大橋下游附近江面寬縮窄到4.5 km左右。這些工程的實施，使徐六涇節(jié)點(diǎn)段河道邊界趨于穩(wěn)定。

4.4.2 大洪水

大洪水造床能力強(qiáng)，甚至引起河勢發(fā)生較大的變化。對徐六涇節(jié)點(diǎn)段而言，受1983年大洪水主流趨直的作用，進(jìn)入徐六涇河段主流的頂沖點(diǎn)由徐六涇附近下移至徐六涇下游，造成徐六涇至白茆河口的大片水下邊灘被切割，最終導(dǎo)致白茆沙南水道上口出現(xiàn)大幅度淤塞，主流集中沖刷白茆沙北水道上口。2016年和2017年，長江下游連續(xù)發(fā)生較大洪水，其中2016年大通站實測最大流量70 700 m3/s，平均流量為33 100 m3/s，年徑流量為10 450億m3，為1998年以來的首位，日均流量>45 000 m3/s(河段平灘流量)的時間達(dá)到120 d，2017年來水也相對偏豐，大通站實測最大流量也達(dá)到70 600 m3/s。這兩年來水量均較大，大水的造床作用顯著，2018年在現(xiàn)有-50 m深槽下游出現(xiàn)新的-50 m深槽與這2場洪水有直接的關(guān)系，并且大洪水作用下河床局部會出現(xiàn)較大調(diào)整。這在我們的模型試驗中也有體現(xiàn)(2009—2018年+百年一遇水文年作用后，現(xiàn)有-30 m深槽下游約910 m 處出現(xiàn)一個新的-30 m槽)。

4.4.3 上、下游河勢

徐六涇上游通州沙東水道目前全潮平均分流比為90%左右，東水道為主汊的河勢格局將得以長期維持，下游白茆沙河段隨著深水航道一期工程的實施，白茆沙沙頭后退得到有效守護(hù)，也將長期維持主流偏靠南岸的河勢格局。因此，上、下游對工程河段河勢的影響將逐漸減少。

4.4.4 流域減沙

長江上游控制性水庫建成后，工程河段來沙顯著減小，年平均輸沙量降幅約為68.6%。來沙量的減少，使工程河段水體的含沙量也明顯下降，水流處于不飽和輸沙狀態(tài)，河床以沖刷下切為主。

4.4.5 人類活動

工程河段人類活動主要包括港口、碼頭工程建設(shè)，河道整治工程，航道整治工程、邊灘圍墾工程、蘇通大橋、蘇通GIL綜合管廊工程等工程的建設(shè)。

涉水工程對河道的影響主要表現(xiàn)為局部河床的沖淤變化，如：橋墩(塔基)可改變河流水動力條件，引起局部河床出現(xiàn)較大幅度的沖淤。徐六涇節(jié)點(diǎn)段的蘇通大橋雖然在南北主橋墩均采用了防護(hù)措施，但在橋墩下游仍形成局部沖刷坑(2005年蘇通大橋主橋墩建成后，2006年蘇通大橋下游開始出現(xiàn)-40 m和-50 m深槽)。

綜上所述可知，徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽整體穩(wěn)定性前期主要受兩岸圈圍工程、上下游河勢、大洪水等影響，近年來，河槽整體穩(wěn)定性主要受流域減沙的影響；局部河床穩(wěn)定性的主要影響因素是大洪水和人類活動。

5 結(jié) 論

采用實測資料分析和物理模型試驗相結(jié)合的方法研究了長江口徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽的穩(wěn)定性、變化趨勢及影響因素，主要結(jié)論如下：

(1)徐六涇節(jié)點(diǎn)段1992年前河槽呈右移態(tài)勢；1992—2019年間，河槽演變趨緩，平面上主要表現(xiàn)為小幅度的上提下挫，垂向上呈緩慢刷深之勢，同時，可能受2016年和2017年大水的影響，局部河槽出現(xiàn)沖刷坑。

(2)試驗條件下，徐六涇節(jié)點(diǎn)段-20～-50 m深槽均有不同程度的發(fā)展，且有向下游緩慢發(fā)展趨勢，并且在2009—2018年+百年一遇水文年作用下，現(xiàn)有-30 m深槽下游約910 m 處出現(xiàn)一個新的-30 m槽，局部河床出現(xiàn)較大的調(diào)整。

(3)徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽整體穩(wěn)定性前期主要受兩岸圈圍工程、上下游河勢、大洪水等的影響，近年來主要受流域減沙的影響，局部河床穩(wěn)定性的主要影響因素是大洪水和人類活動。