程小兵，李旺生，王常紅

(交通運輸部天津水運工程科學(xué)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(jìn)建設(shè)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(guān)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(guān)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(jìn)口河寬1 300 m，出口河寬東梁山最窄處1 000 m，河道進(jìn)口順直放寬，至接近出口的東梁山上游達(dá)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(cè)進(jìn)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(jì)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(diào)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(dá)49 350 m3/s、46 540 m3/s，而相應(yīng)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(yuǎn)，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(yuǎn)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(xì)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(dāng)時的裕溪口汊道即為彎曲河型，彎道曲折率達(dá)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(dāng)時平均水深為15.6 m，比前期增加9.8%。至20世紀(jì)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(rèn)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(diào)整變化，至1992年，裕溪口水道分流比恢復(fù)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(hù)岸工程，上游河岸崩塌速度大為減緩，進(jìn)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(jìn)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(cè)凸岸邊灘切灘撇彎，使得陳家洲左側(cè)裕溪口水道下段過流能力增強(qiáng)，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(kuò)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(jìn)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(diào)整，西華水道下段右側(cè)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(kuò)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(kuò)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(dǎo)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(cè)形成緩流區(qū)，而上游曹姑洲頭部及左右側(cè)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(diào)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(diào)整及洲灘位置調(diào)整。在這一時期，局部調(diào)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(kuò)250 m，右緣淤積右擴(kuò)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(jìn)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(bǔ)給，邊灘淤積發(fā)展，但后期曹姑洲崩退速度減緩后，來沙補(bǔ)給減少，邊灘轉(zhuǎn)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(diào)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(cè)裕溪口水道分流比增加了12.04%，同時期陳家洲左側(cè)裕溪口水道分流比增加僅為3.91%，2016年枯水期有高達(dá)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(jìn)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(jié)

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(jié)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(jìn)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(diào)整逐漸加強(qiáng)。由于大水沖刷曹姑洲心灘及曹姑洲左側(cè)，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(qiáng)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(jìn)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(cè)分流加大、深槽偏右向下發(fā)展，將使得心灘右側(cè)淤擴(kuò)，于蕪湖大橋橋區(qū)航道不利，心灘右側(cè)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(yù)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(hù)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(cè)，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??；對于裕溪口水道來說，由于右側(cè)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(rèn)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(xué)模型[7]進(jìn)行了認(rèn)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(shè)定不同情況分別為：①曹姑洲洲體進(jìn)一步?jīng)_刷萎縮；②竄溝進(jìn)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(jìn)一步?jīng)_刷萎縮、竄溝進(jìn)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(xué)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(fù)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(fù)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(jìn)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(jìn)一步?jīng)_刷下移且向右擺，右側(cè)主流被進(jìn)一步擠壓后，使四褐山磯頭挑流作用進(jìn)一步增強(qiáng)，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(cè)還將持續(xù)沖刷，1#竄溝將持續(xù)向下游移動，并將進(jìn)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(jìn)而導(dǎo)致整體格局的調(diào)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)，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(chǔ)[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(jìn)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(jìn)入裕溪口水道后，經(jīng)竄溝回西華水道阻力將遠(yuǎn)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(jìn)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(jié)論

分析認(rèn)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)?？s小，洲間竄溝沖刷發(fā)展，分流比增大，這些變化將導(dǎo)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(cè)、曹姑洲頭部及竄溝實施守護(hù)和控制工程，抑制不利變化，避免航道條件惡化。