長江口白茆沙河段南強(qiáng)北弱格局變化特征研究

杜 德 軍，王 曉 俊，成 澤 霖，賈 夢 豪，聞 云 呈，李 陽 帆

(1.南京水利科學(xué)研究院 河流海岸研究所，江蘇 南京 210029； 2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

0 引 言

長江過徐六涇河段后經(jīng)南、北支入海。白茆沙河段位于長江南支進(jìn)口段，江面驟然放寬，水流分散，流速減緩，加之受潮流頂托影響，江中出現(xiàn)暗沙(白茆沙)將水流分為南北兩條水道，南水道為主汊，北水道為支汊(見圖1)，多年來總體呈現(xiàn)“南強(qiáng)北弱”的格局。近年來白茆沙河段河勢發(fā)生較大變化，南水道主槽與近岸河床受沖刷明顯，“南強(qiáng)北弱”態(tài)勢持續(xù)增強(qiáng)，威脅水下岸坡穩(wěn)定與附近碼頭安全，引起了有關(guān)部門的高度重視并進(jìn)行了多項(xiàng)專題研究[1-3]。張朝陽等[4]研究認(rèn)為，隨著流域來沙變化及周邊工程實(shí)施影響，白茆沙南水道分流比持續(xù)增大，南側(cè)近岸險工段河床沖刷嚴(yán)重；徐駿等[5]根據(jù)實(shí)測資料分析佐證了近年來“南強(qiáng)北弱”的河勢格局逐步加強(qiáng)；徐華等[6]研究認(rèn)為，受白茆沙頭部受沖后退、白茆小沙下沙體沖失影響，河床向?qū)挏\型方向發(fā)展；張朝陽等[7]認(rèn)為在新的河道邊界條件和典型洪水作用下，白茆沙全河段表現(xiàn)出槽沖灘淤、總體淤積的特征。上述研究分析了近年來白茆沙汊道“南強(qiáng)北弱”格局呈現(xiàn)加劇的趨勢及其成因，但結(jié)論主要是依據(jù)落潮分流比，而對漲潮分流比分析較少；另外，未能根據(jù)來水來沙變化和相關(guān)工程實(shí)施情況進(jìn)行分時段分析，忽視了近年來“南強(qiáng)北弱”格局增強(qiáng)的趨勢已有新的變化。并且由于統(tǒng)計方法存在差別，2021年7月實(shí)測北水道凈泄量分流比為23.8%，明顯小于近年來的落潮平均流量分流比，這又加劇了有關(guān)部門的擔(dān)憂。

圖1 徐六涇、白茆沙河段河勢Fig.1 River regime of Xuliujing reach and Baimaosha reach

為此，本文基于白茆沙河段近年來灘槽沖淤變化分析，根據(jù)多年來白茆沙汊道實(shí)測流量、分流比變化，結(jié)合來水來沙變化、附近相關(guān)涉水工程實(shí)施時間，根據(jù)不同方法計算得到的汊道分流比，系統(tǒng)分析近年來“南強(qiáng)北弱”的發(fā)展變化及原因。

1 河道概況

白茆沙河段位于長江南支上段(見圖1)。河段中白茆沙將南支進(jìn)口段分為白茆沙南、北水道[7-8]。其中南水道為主汊、北水道為支汊，2021年7月實(shí)測分流比分別為73%和27%。兩水道水流匯合后進(jìn)入瀏河水道。白茆沙南水道南岸為蘇州港太倉港區(qū)，新情勢下上游河段河床的沖淤變化引起了入流條件的調(diào)整[9]，白茆小沙導(dǎo)流邊界尚未形成，白茆沙河段“南強(qiáng)北弱”河勢格局進(jìn)一步加強(qiáng)，太倉近岸持續(xù)沖刷危及碼頭安全運(yùn)行。

2 研究方法

2.1 汊道強(qiáng)弱判別指標(biāo)分析

汊道的強(qiáng)弱可由汊道河寬、斷面面積、河槽容積和汊道分流比等參數(shù)反映。一般情況下，主汊的上述參數(shù)相對較大。根據(jù)斷面河寬和面積判別汊道強(qiáng)弱時，使用單個斷面資料可能由于其具有一定偶然性而不能反映汊道真實(shí)情況，而使用多個斷面資料進(jìn)行比較則工作量較大。因此河槽容積和汊道分流比是相對更為可行的比較參數(shù)。圖2為白茆沙南水道2002～2021年間，-5 m、-20 m以下河槽容積與對應(yīng)時間段汊道分流比的相關(guān)性分析，R2約為0.95和0.94，表明汊道容積與汊道分流比具有較好相關(guān)性。由于白茆沙汊道近年來分流比數(shù)據(jù)相比河槽容積數(shù)據(jù)更為豐富，后文以汊道分流比作為主要指標(biāo)對汊道強(qiáng)弱進(jìn)行判別。

圖2 白茆沙南水道-5 m、-20 m以下河槽容積與分流比相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis of channel volume and diversion ratio below -5 m and -20 m in Baimaosha waterway

2.2 分流比計算方法

潮汐河段汊道分流比計算方法主要包括漲落潮潮量法、漲落潮平均流量法和落潮穩(wěn)定期流量法。漲落潮潮量法根據(jù)各汊道斷面兩漲兩落閉合潮段內(nèi)的漲、落潮潮量和凈泄量，計算各汊道漲潮量、落潮量和凈泄量(即漲、落潮總量)分流比。漲落潮平均流量法根據(jù)各汊道斷面兩漲兩落閉合潮段內(nèi)的漲、落潮潮平均量和凈泄量，計算出各汊道漲潮、落潮平均流量分流比和凈泄量(即漲、落潮平均流量)分流比。

不同計算方法得到的分流比數(shù)據(jù)不盡一致。白茆沙南、北水道2021年7月12～13日實(shí)測斷面流量過程線如圖3所示，不同計算方法得到的汊道分流比成果見表1。

圖3 白茆沙南、北水道最新實(shí)測斷面流量過程線Fig.3 Latest measured section flow path of north - south waterway of Baimaosha

表1 3種方法計算的分流比結(jié)果對比Tab.1 Results of split ratio calculated by three methods

(1) 落潮平均流量與落潮穩(wěn)定期流量計算得到的分流比結(jié)果基本一致，誤差在±0.7%內(nèi)。

(2) 落潮總量分流比與落潮平均流量分流比存在一定差別。北水道落潮總量分流比為25.8%，較落潮平均分流比27.2%要小。由于河口段徑潮流相互作用影響造成潮波變形，漲落潮歷時不對稱，該作用影響程度在不同汊道存在區(qū)別，因此計算結(jié)果存在偏差。大潮南、北水道落潮歷時分別為17.41 h和18.44 h，漲潮歷時分別為7.59 h和6.56 h，北水道落潮歷時較南水道長1 h左右，落潮總量為落潮平均流量與落潮歷時的乘積，北水道落潮歷時較南水道要短，使得落潮總量相對較小。

(3) 漲潮流占優(yōu)的汊道，其漲潮分流比大于落潮分流比。相對于南水道，白茆沙北水道漲潮流相對占優(yōu)，漲潮分流比較落潮分流比大5.9%。

同理，在漲潮流占優(yōu)的河道，漲潮流較強(qiáng)，其凈泄量平均流量就會減小，凈泄量平均流量分流比小于落潮流量分流比。其中北水道凈泄量平均流量分流比較落潮分流比小3.5%。

2021年7月實(shí)測資料表明：北水道凈泄量平均流量分流比僅為23.8%，明顯小于1月份落潮平均流量分流比(25.9%)，引起了有關(guān)部門的高度關(guān)注，并加劇了沿岸碼頭的擔(dān)憂：白茆沙汊道“南強(qiáng)北弱”是否格局還在進(jìn)一步加劇。實(shí)際上，1月份凈泄量平均流量分流比為21.2%，7月份凈泄量平均流量分流比相比1月份還增加了2.6%(見圖4)，“南強(qiáng)北弱”格局并未進(jìn)一步加劇，其變化原因在于洪枯季差異、汊道沖淤變化所致。

圖4 2021年北水道枯季及洪季分流比比較Fig.4 Comparison of diversion ratio between flood season and dry season of north waterway in 2021

鑒于不同計算方法得到的分流比存在差異，因此，分流比對比分析應(yīng)基于同一計算方法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行。考慮到凈泄量分流比在該河段并不能代表汊道的強(qiáng)弱，在下面的分析中，主要用漲、落潮平均流量分流比(以下分別簡稱漲潮分流比、落潮分流比)進(jìn)行分析。

3 白茆沙汊道“南強(qiáng)北弱”格局分析

3.1 白茆沙汊道灘槽變化

3.1.1白茆沙沙體演變

白茆沙是河道中間的一塊馬蹄形心灘，作用于沙體的動力以落潮流為主。歷史上老白茆沙形成于江心暗沙，在上游水沙的不斷補(bǔ)給和北支泥沙倒灌淤積影響下，沙體發(fā)展，后受漲、落潮水流作用，沙體持續(xù)沖刷下移并北靠，由此南水道發(fā)展、北水道萎縮。南水道展寬后灘槽趨于寬淺，水流動力減弱，上游下泄泥沙又易在南側(cè)形成新的沙體，由此產(chǎn)生新一輪的演變[10]。

1954年大洪水后，白茆沙體嚴(yán)重沖刷，白茆沙逐步北移，1958年并靠崇明島。1970年在其南側(cè)的白茆沙南水道中央又形成了新的心灘，隨后新的白茆沙產(chǎn)生并不斷擴(kuò)大，至1992年又形成一個較為完整的白茆沙。圖5表示白茆沙近年來-5 m等深線變化，1992～2012年，白茆沙頭部持續(xù)沖刷后退，在上游白茆小沙下沙體同步?jīng)_刷的情況下，南水道進(jìn)口展寬，南水道處于持續(xù)發(fā)展之中。白茆沙汊道段的上述沖淤變化，與其周期性演變趨勢相吻合。2012年，深水航道整治一期白茆沙工程(以下簡稱一期工程)開工，2014年竣工驗(yàn)收。工程實(shí)施后，白茆沙沙頭得到有效守護(hù)[8]。

圖5 白茆沙近年來-5 m等深線變化Fig.5 Variation of -5 m isobath of Baimaosha in recent years

3.1.2深槽變化

圖6為白茆沙河段-10 m等深線變化。自1992年，新的白茆沙形成后，深槽主要呈現(xiàn)以下變化：

圖6 白茆沙河段近年來-10 m等深線變化Fig.6 Variation of -10 m isobath of Baimaosha in recent years

(1) 1992～2004年，白茆沙頭部沖刷后退，南水道進(jìn)口展寬，南水道有所發(fā)展，北水道進(jìn)出口淤淺。1992年南、北水道-10 m深槽貫通，此后，南水道進(jìn)口段不斷展寬沖深，深槽發(fā)展。1998、1999年兩次大洪水后，北水道進(jìn)一步淤積，北水道上段-10 m深槽中斷。

(2) 2004～2014年，白茆沙南水道進(jìn)口沖刷，南水道仍有所發(fā)展，而北水道進(jìn)口段-10 m深槽仍中斷。南水道繼續(xù)發(fā)展，北水道繼續(xù)萎縮，北水道-10 m深槽中斷區(qū)域上延，“南強(qiáng)北弱”格局持續(xù)增強(qiáng)中。

(3) 2012～2014年，一期工程實(shí)施，深槽區(qū)河床處于調(diào)整變化中，北水道進(jìn)口段-10 m深槽逐漸貫通。工程實(shí)施初期，河床調(diào)整較為劇烈，白茆沙沙體守護(hù)后，南、北水道均有所發(fā)展。

(4) 2014～2021年，南、北水道均有沖刷發(fā)展。2015年一期工程完工后，南、北水道均有沖刷發(fā)展，北水道進(jìn)口段-10 m深槽貫通并有所發(fā)展。在2020年大洪水作用下，白茆沙蕩茜口對開上游出現(xiàn)-10 m以上淤積體，水流南偏，南水道近岸深槽出現(xiàn)沖刷?？梢?，歷史上，白茆沙汊道“南強(qiáng)北弱”格局增強(qiáng)是白茆沙河段周期性演變的一個重要特征。從2014～2021年的演變趨勢來看，一期工程實(shí)施遏制了白茆沙沖刷后退趨勢，白茆沙周期性演變趨緩，有利于該河段河勢穩(wěn)定。

3.2 白茆沙水道分流比變化

3.2.1漲潮分流比變化

2002～2015年，白茆沙南、北水道漲潮分流比沒有明顯趨勢性變化，北水道漲潮分流比基本在28%～32%之間(見圖7)。其中，2014年7月一期工程完工后，北水道分流比略有減小，此后有所回調(diào)。2015年后，受上游來沙、河勢變化、周邊涉水工程實(shí)施的影響，北水道進(jìn)口-10 m深槽貫通，漲潮分流比逐年增加，由2015年的30.5%增加至2021年7月的39.8%。其原因在于2015年后白茆小沙下沙體有所恢復(fù)、白茆沙北水道-10 m深槽貫通后，北水道分流增加；此外，下游上下扁擔(dān)沙間南門通道近年來有所發(fā)育，2012年的河勢圖中，南門通道-5 m深槽勉強(qiáng)貫通，至2021年，南門通道沖刷下移的過程中，-5 m深槽發(fā)展，出現(xiàn)-10 m以上深槽，南門通道發(fā)展后，漲潮流增加，上扁擔(dān)沙右側(cè)-10 m等深線右移，增加的漲潮流主要進(jìn)入白茆沙北水道。可見，2015年以來白茆沙北水道漲潮分流比有所增加。

圖7 白茆沙北水道實(shí)測漲、落潮分流比比較Fig.7 Comparison of diversion ratio measured in Baimaosha north waterway during flood and ebb tide

3.2.2落潮分流比變化

白茆沙北水道實(shí)測落潮分流比如圖7所示。2002～2013年一期工程實(shí)施前，由于南水道沖刷、北水道進(jìn)口淤積，南水道分流比總體呈增加趨勢，“南強(qiáng)北弱”的分流格局顯著增強(qiáng)。北水道分流比由39.4%減小至30.7%，相應(yīng)南水道落潮分流比由60.6%增加至69.3%。2014年7月一期工程完工后，北水道分流比增加2.3%至34.0%，相應(yīng)南水道分流比減小2.3%。此后，由于工程后地形調(diào)整等影響，北水道增加的分流比有所回調(diào)，至2016年減小至27.3%，南水道分流比增加至72.7%。2016～2021年，南、北水道分流比沒有明顯趨勢性變化，北水道分流比在25.7%～27.3%間變化。

3.2.3綜合分析

由于落潮流是河床形態(tài)塑造的主要動力，因此落潮分流比更能準(zhǔn)確表征汊道強(qiáng)弱變化。綜合漲、落潮分流比分析結(jié)果，2002年至今，白茆沙汊道分流比變化經(jīng)歷以下4個階段：

(1) 2002～2010年為第一階段，“南強(qiáng)北弱”格局增強(qiáng)。2003年上游三峽水庫開始蓄水，上游來沙減小，白茆沙沖刷下移并北靠，南水道發(fā)展、北水道萎縮，北水道分流比由39.4%減少至29.8%，年均減小1.23%。

(2) 2010～2014年為第二階段，“南強(qiáng)北弱”格局減弱。與2010年相比，一期工程開工1 a后，北水道分流比增加0.8%至30.7%，至2014年7月竣工，增加4.2%至34.0%，年均增加1.04%。

(3) 2014～2016年為第三階段，“南強(qiáng)北弱”格局增強(qiáng)。該時期為一期工程實(shí)施后河床地形調(diào)整期，北水道分流比由34.0%減小至27.3%。

(4) 2016～2021年為第四階段，“南強(qiáng)北弱”格局變化趨緩。至2016年，一期工程實(shí)施后引起的河床地形調(diào)整趨緩，汊道分流比沒有明顯趨勢性變化，維持在25.7%～27.3%之間。綜合漲、落潮分流比分析結(jié)果，“南強(qiáng)北弱”分流格局增強(qiáng)的態(tài)勢趨緩。

3.3 “南強(qiáng)北弱”分流格局變化主要影響因素

(1) 白茆沙沖刷下移，增加了南水道進(jìn)口的入流條件，白茆沙汊道“南強(qiáng)北弱”格局增強(qiáng)。如3.1節(jié)所述，白茆沙汊道“南強(qiáng)北弱”格局增強(qiáng)的態(tài)勢是白茆沙汊道歷年來周期性演變的重要表現(xiàn)形式。白茆沙沙體多年呈現(xiàn)沖刷下移的態(tài)勢，南水道進(jìn)口入流條件改善，白茆沙汊道“南強(qiáng)北弱”格局增強(qiáng)。

(2) 受三峽及上游梯級水庫建設(shè)及水生態(tài)大保護(hù)影響，長江上游來沙量銳減，長江中下游河床整體呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢且向下游傳遞，白茆沙南水道沖刷是長江中下游河床自然演變的延續(xù)。

1970～1992年白茆沙南、北水道受上游河勢變化影響明顯，河道整體呈現(xiàn)沖淤交替態(tài)勢；1992年以后，白茆沙沖刷后退，南水道進(jìn)口段展寬發(fā)展，北水道進(jìn)出口淤淺。自2003年三峽水庫蓄水、上游梯級水庫建設(shè)及水土保持、生態(tài)保護(hù)一系列工程實(shí)施以來，上游來沙量急劇減少，長江大通站年均輸沙量減幅達(dá)68%，壩下河床沖刷逐步向下游傳遞，白茆沙河段也延續(xù)了上述河床沖刷的演變趨勢。南水道-5 m深槽以下容積在1992 ～2004，2004～2009，2009～2014年，2014～2021年分別增加了6.2%，4.9%，3.1%和4.3%。可見，白茆沙南水道沖刷是河床自然演變的延續(xù)。

(3) 上游局部灘槽變化改變使得進(jìn)入白茆沙南水道的流路更加順暢，白茆沙汊道“南強(qiáng)北弱”格局增強(qiáng)。

白茆小沙位于徐六涇河段出口右側(cè)，是南水道進(jìn)口的屏障。長江主流過徐六涇后，由于受到白茆小沙頂托向北偏靠，頂沖白茆沙沙頭和北水道進(jìn)口，對南水道的沖刷發(fā)展起到一定程度的保護(hù)作用。白茆小沙不斷沖蝕，主流右偏，南水道進(jìn)口段入流條件更順暢，加劇了白茆沙汊道“南強(qiáng)北弱”的格局。另外，北支進(jìn)口處水下沙體的形成，進(jìn)一步減少了白茆沙北水道進(jìn)口動力，有利于南水道的發(fā)展。

(4) 周邊涉水工程建設(shè)改變了局部水沙動力環(huán)境，局部工程一定程度上促進(jìn)了白茆沙南水道的發(fā)展，一期工程等影響較小。

一期工程上游蘇通大橋于2003～2008年建設(shè)，新通海沙圍墾工程在2008～2018年實(shí)施，工程區(qū)附近太倉邊灘圍墾20世紀(jì)90年代至2004年實(shí)施。局部工程一定程度上促進(jìn)了白茆沙南水道的發(fā)展，特別是邊灘圍墾工程的實(shí)施，減小了過水面積，在一定程度上也增加了圍墾前沿的流速，加劇了沿岸局部沖刷。

一期工程實(shí)施前，白茆沙沙頭沖刷后退，白茆沙汊道段“南強(qiáng)北弱”的態(tài)勢不斷增強(qiáng)。為穩(wěn)定白茆沙沙體及該河段灘槽格局，一期工程對白茆沙沙體進(jìn)行守護(hù)，工程雖對改善該河段“南強(qiáng)北弱”增強(qiáng)的態(tài)勢有積極意義，但并沒有改變白茆沙南、北兩槽“南強(qiáng)北弱”整體格局的功能。模型研究表明，無工程條件下白茆沙南水道和太倉碼頭前沿仍延續(xù)原持續(xù)沖刷態(tài)勢；工程引起的沖刷主要集中在白茆沙整治工程梳齒壩的右緣側(cè)(即丁壩壩頭前沿)，對工程斜對岸的太倉港等近期近岸出現(xiàn)大幅沖刷無不利影響。一期工程實(shí)施以來的監(jiān)測成果也與模型研究成果吻合[1]。

4 結(jié) 論

本文基于白茆沙河段近年來灘槽沖淤變化分析，根據(jù)白茆沙汊道2002～2021年實(shí)測流量資料和不同方法計算得到汊道分流比，結(jié)合來水來沙變化、附近相關(guān)涉水工程實(shí)施時間等，系統(tǒng)剖析了白茆沙河段多年來“南強(qiáng)北弱”格局成因及其變化趨勢，得出主要結(jié)論如下。

(1) 不同流量統(tǒng)計方法計算得到的分流比數(shù)值可能存在較大的差別。因此使用分流比表征汊道強(qiáng)弱時，應(yīng)選用同一計算方法得到的分流比進(jìn)行比較。在該河段，落潮流是塑造河床的主要動力，因此利用落潮分流比對比分析得到的結(jié)論可能對汊道強(qiáng)弱認(rèn)識更具有代表性意義。

(2) 歷史上老白茆沙受上游水沙補(bǔ)給和北支泥沙倒灌淤積影響，呈現(xiàn)沙體發(fā)展、受沖下移并部分北靠態(tài)勢，進(jìn)而南水道展寬發(fā)展、北水道逐漸消亡，“南強(qiáng)北弱”格局加??；南水道發(fā)展過程中，河槽逐漸寬淺，水動力減弱，泥沙落淤又在南側(cè)形成新的沙體，由此產(chǎn)生新一輪的演變?？傮w而言，白茆沙汊道“南強(qiáng)北弱”格局增強(qiáng)的態(tài)勢是白茆沙汊道歷年來周期性演變的重要表現(xiàn)形式。

(3) 一期工程實(shí)施后，白茆沙沙體得到守護(hù)，其頭部沖刷后退趨勢得到遏制，改變了多年來白茆沙汊道周期性演變態(tài)勢，有利于白茆沙分汊河段河勢和南水道進(jìn)口航槽穩(wěn)定。

(4) 綜合多年來白茆沙汊道分流比分析結(jié)果，在現(xiàn)有水情、工情及河勢條件下，白茆沙汊道“南強(qiáng)北弱”格局變化趨緩，預(yù)計南水道主槽和近岸河床沖刷明顯加強(qiáng)的態(tài)勢會有所減弱。