張 瑋，車(chē) 瑞，柴躍躍

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，合肥 230000)

分汊河道在沖積河流中大量存在，長(zhǎng)江中下游自宜昌至河口段共有分汊河段55個(gè)，汊道總長(zhǎng)約1 080 km，約占全部河長(zhǎng)的57%。因此，分汊河道歷來(lái)是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。Taylor[1]研究分汊明渠的水流結(jié)構(gòu)，認(rèn)為分汊明渠兩汊分流比的大小取決于支流的回流特性和汊道進(jìn)口的水動(dòng)力條件。李義天等[2]通過(guò)實(shí)測(cè)資料分析荊江三口分流比的變化，認(rèn)為分流比減少使輸沙能力大幅下降，進(jìn)一步加劇三口口門(mén)的淤積，抬高河床高程，使分流比進(jìn)一步減少。余文鈞等[3]基于主流擺動(dòng)理論，分析了長(zhǎng)江下游土橋分汊水道分流比的影響因素，結(jié)果表明，流量過(guò)程變化是土橋水道分流比變化的主要因素。韓劍橋等[4]根據(jù)三峽水庫(kù)下游的實(shí)測(cè)水文和地形資料，基于動(dòng)態(tài)分流比對(duì)分汊河道進(jìn)行了類別劃分，在此基礎(chǔ)上研究了主汊、支汊與洲頭心灘的調(diào)整規(guī)律及其對(duì)水文過(guò)程的響應(yīng)。李青云等[5]通過(guò)對(duì)東流水道工程建成后實(shí)際的工程效果分析，認(rèn)為航道整治應(yīng)順應(yīng)河勢(shì)發(fā)展，把握有利的工程整治時(shí)期。陶桂蘭等[6]通過(guò)建立河道二維水沙數(shù)學(xué)模型，分析東流水道維護(hù)方案的效果，認(rèn)為應(yīng)盡早對(duì)東流水道東港航道進(jìn)口段淺點(diǎn)和礁石進(jìn)行定點(diǎn)清除，適時(shí)開(kāi)通東港航槽，以滿足長(zhǎng)江航道通航要求。以上研究中，更多的只是單獨(dú)探討了汊道的分流比特性或者是航道的演變特征，而對(duì)于航道條件的好壞與分流比的動(dòng)態(tài)變化特征，特別是年內(nèi)的變化特征之間的關(guān)系卻鮮有研究。

本文以長(zhǎng)江東流水道為對(duì)象，根據(jù)分流比的動(dòng)態(tài)特征對(duì)于汊道進(jìn)行分類，研究航道條件與分流比的動(dòng)態(tài)變化特征之間的關(guān)系，分析得出航道條件的定性判別方法，并初步嘗試應(yīng)用于判斷東流水道最新一期整治工程方案的工程效果，期望對(duì)工程實(shí)踐具有一定的參考作用。

1 基于分流比特征的汊道分類

長(zhǎng)江中下游許多分汊河道之所以能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，就在于高水期支汊能夠獲得較大的分流比，使得各汊進(jìn)入的水量相對(duì)平衡[7]。因此分流比的變化特征是決定汊河發(fā)展的重要因素，不過(guò)，由于以往的技術(shù)條件和財(cái)力限制，分流比的實(shí)測(cè)資料較少，很難深入研究分流比的年內(nèi)變化特征。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以及對(duì)長(zhǎng)江的深入開(kāi)發(fā)利用，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)逐漸豐富起來(lái)，為研究分流比的變化特征提供了條件。有鑒于此，韓劍橋等[4]提出了一種基于分流比變化特征的汊道屬性分類方法。具體步驟如下：

(1)收集研究河段內(nèi)不同流量下的分流比資料，將汊道編號(hào)1、2。由于汊道的劃分注重了分汊段左右側(cè)的差異，對(duì)于三級(jí)汊道，可將最小支汊與相鄰汊道作為一個(gè)整體來(lái)分析。

(2)分別繪制汊道1、汊道2的分流比θ1、θ2隨流量Q的變化圖，并進(jìn)行線性擬合，得到：

θ1=k1Q+b1

(1)

θ2=k2Q+b2

(2)

式中：k1、k2分別為對(duì)應(yīng)公式的斜率；b1、b2分別為對(duì)應(yīng)公式的截距。

(3)根據(jù)分流比變化特征對(duì)分汊河道進(jìn)行分類：若k1>0，或k1=0且b1≥b2，則定義汊道1為洪水傾向汊道，相應(yīng)地，汊道2就為枯水傾向汊道；若k1<0，或k1=0且b1

圖1 基于動(dòng)態(tài)分流比的分汊河道類別劃分Fig.1 A branching channel classification based on dynamic flow diversion ratio

2 航道條件與汊道分流特征

2.1 東流水道及整治工程概況

東流水道位于長(zhǎng)江下游九江市—安慶市之間，上起華陽(yáng)河口，下迄吉陽(yáng)磯，全長(zhǎng)約31 km，屬順直分汊河道。該河道在老虎灘洲頭形成一級(jí)分汊，被江心老虎灘分為南、北兩汊。南汊為東港水道，北汊為老虎灘北槽。老虎灘北槽在娘娘樹(shù)下游水域被玉帶洲分為南北兩支，形成二級(jí)分汊。其中，北支為蓮花洲港水道；南支又被天沙洲分為天玉串溝和西港(圖2)。

東流水道由于主流不穩(wěn)定，航道被迫多次改槽，給船舶航行及航道管理帶來(lái)諸多不便，成為長(zhǎng)江下游重點(diǎn)淺險(xiǎn)水道之一。航道整治一期工程在“穩(wěn)定洲灘、控制分流”原則指導(dǎo)下，通過(guò)工程措施穩(wěn)定上、下灘群，形成較穩(wěn)定的分汊格局，并適當(dāng)改善西港的分流條件。工程主要包括老虎灘守護(hù)工程、左岸丁壩群工程及玉帶洲頭魚(yú)骨壩工程(圖2)。該工程于2004年2月開(kāi)始施工，2010年3月竣工。

圖2 東流水道河勢(shì)Fig.2 Diagram of Dongliu waterway

2010年大水過(guò)后，東港分流比明顯增加，老虎灘左側(cè)航槽淤淺；同時(shí)老虎灘尾部淤積下延使得西港航寬有所減小。針對(duì)以上情況有關(guān)部門(mén)實(shí)施了東流水道航道整治二期工程。該工程于2012年11月開(kāi)工建設(shè)，2014年4月主體工程基本完成。工程平面布置由老虎灘頭部魚(yú)骨壩工程、老虎灘左緣護(hù)灘帶加固工程、天玉串溝守護(hù)工程、七里湖護(hù)岸工程及老虎崗護(hù)岸加固工程四部分組成(圖2)。

2.2 近期航道條件與汊道性質(zhì)

按照東流水道整治工程的時(shí)間節(jié)點(diǎn)將近期劃分為四個(gè)時(shí)間段。第一階段(1999～2003年)：一期整治工程實(shí)施前；第二階段(2004～2009年)：一期整治工程實(shí)施期間；第三階段(2010～2014年)：一期整治工程竣工后至二期整治工程主體工程完工前；第四階段(2014～2016年)：二期整治工程主體工程完工后。分別對(duì)四個(gè)時(shí)間段的航道條件和汊道性質(zhì)展開(kāi)研究。

2.2.1 航道條件變化

圖3 東流水道演變Fig.3 Evolution of Dongliu waterway

(1)第一階段(1999～2003年)：1998、1999年長(zhǎng)江流域二年洪水使老虎灘下部淤積較為嚴(yán)重。大洪水過(guò)后，老虎灘上、下灘群依然高大完整，河道邊界沒(méi)有明顯變化，汛后老虎灘北槽的發(fā)展趨勢(shì)很快恢復(fù)。2002年老虎灘北槽4 m等深線貫通(圖3)。2001～2002年及2002～2003年枯季老虎灘北槽的航道條件都是20世紀(jì)50年代以來(lái)較好的時(shí)期。這一階段老虎灘北槽發(fā)展至鼎盛時(shí)期，航道條件很好。

(2)第二階段(2004～2009年)：在一期工程實(shí)施后，基本遏制住了老虎灘沖刷后退、灘體變形的趨勢(shì)，使得老虎灘多年來(lái)保持完整、高大的灘形。由于一期工程未對(duì)東港采取限制措施，且受到東港出口段采砂的影響，東港河道產(chǎn)生較為明顯的溯源沖刷，導(dǎo)致在此期間東港發(fā)展較快。在這幾年間，呈現(xiàn)出老虎灘北槽淤積、東港沖刷的趨勢(shì)，總體而言老虎灘北槽的航道條件依然較好。

(3)第三階段(2010～2014年)：2010年時(shí)老虎灘北槽2 m等深線基本全線貫通，至2013年時(shí)，2 m等深線已經(jīng)中斷，斷開(kāi)距離達(dá)802 m(圖4)。老虎灘北槽左側(cè)桃樹(shù)灘至娘娘樹(shù)的0 m等深線在2010～2013年這段時(shí)間內(nèi)向江中淤漲，2013年時(shí)的0 m等深線相較于2010年向江中淤漲了約422 m，灘體面積明顯增大，桃樹(shù)灘至娘娘樹(shù)一帶邊灘淤積明顯(圖4)。觀察2010～2013年灘槽沖淤變化圖發(fā)現(xiàn)(圖5)，東港不斷沖刷，內(nèi)部沖深加劇，在2010年，東港5 m等深線并未全線貫通，在東港尾部斷開(kāi)距離達(dá)402 m，至2013年時(shí)，東港5 m等深線已全線貫通(圖4)。在這一階段，老虎灘北槽的航道條件惡劣，而東港的航道條件較好。

4-a 2 m等深線比較圖4-b 0 m等深線比較圖4-c 5 m等深線比較圖圖4 東流水道等深線Fig.4 Bathymetric chart of Dongliu waterway

(4)第四階段(2014～2016年)：老虎灘北槽在2012～2013年間的淤積量達(dá)到了1 033萬(wàn)m3，在2013～2014年的沖刷量為280萬(wàn)m3(圖6)，老虎灘北槽在這一年內(nèi)整體變?yōu)闆_刷，航道條件有轉(zhuǎn)好的趨勢(shì)。在2014～2015年，老虎灘左汊繼續(xù)沖刷，雷港口一帶邊灘淤積，但相比于上一階段，無(wú)論是淤積范圍，還是淤積幅度都出現(xiàn)明顯的縮小(圖5)。在2015～2016年，老虎灘左汊延續(xù)了沖刷的趨勢(shì)。這一階段老虎灘北槽航道條件開(kāi)始轉(zhuǎn)好，但相對(duì)仍較為一般。

5-a 2010～2013灘槽沖淤變化5-b 2014～2015灘槽沖淤變化 圖5 東流水道沖淤變化Fig.5 Erosion and siltation of Dongliu waterway圖6 老虎灘北槽和東港沖淤比Fig.6 Erosion and siltation of the north channel branch of Tiger Beach and East port

2.2.2 汊道分流特征

東流水道老虎灘北槽與東港分流比如表1所示，根據(jù)分流比的變化特征，可以判斷不同時(shí)間段老虎灘北槽的汊道性質(zhì)，繪制老虎灘北槽分流比與流量關(guān)系圖(圖7)。

表1 東流水道各汊分流比統(tǒng)計(jì)Tab.1 Splitting ratio statistics of each branching channel of Dongliu waterway

由表1和圖7可知：第一階段(1999～2003年)：老虎灘北槽分流比隨著流量的增大而減小，屬枯水傾向汊道，東港屬洪水傾向汊道，此時(shí)老虎灘北槽的分流比穩(wěn)定在80%以上，其主汊地位穩(wěn)固；第二階段(2004～2009年)：這段時(shí)期正在實(shí)施東流水道一期航道整治工程，老虎灘北槽分流比隨著流量的增大而增大，屬洪水傾向汊道，東港為枯水傾向汊道，這說(shuō)明老虎灘北槽已經(jīng)由枯水傾向汊道轉(zhuǎn)變?yōu)楹樗畠A向汊道，此時(shí)老虎灘北槽分流比不斷減少，東港分流比則逐步增加；第三階段(2010～2014年)：一期航道整治工程竣工后，老虎灘北槽分流比隨著流量的增大而增大，屬洪水傾向汊道，東港為枯水傾向汊道，此時(shí)老虎灘北槽分流比在中枯水期進(jìn)一步減少，2014年2月份老虎灘北槽分流比由2012年同期的56.2%減至49.3%，東港分流比則由43.8%增加至50.7%；第四階段(2014～2016年)：二期航道整治工程主體工程完工后，老虎灘北槽分流比隨著流量的增大而增大，屬洪水傾向汊道，東港為枯水傾向汊道，枯水期時(shí)，工程實(shí)施后的東港分流比在2015年首次出現(xiàn)了下降，老虎灘北槽分流比開(kāi)始逐步增加。

2.3 航道條件與汊道分流比變化特征

圖7 老虎灘北槽分流比與流量關(guān)系Fig.7 Relationship between diversion ratio and flow rate of the north channel branch of Tiger Beach

通過(guò)以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，東流水道老虎灘北槽的航道條件與汊道分流比變化特征有著密切關(guān)系。在第一階段(1999～2003年)，老虎灘北槽屬枯水傾向汊道，此時(shí)的航道條件很好；在第二階段(2004～2009年)，老虎灘北槽屬洪水傾向汊道，其分流比隨流量變化的斜率相對(duì)較小，此時(shí)的航道條件也相對(duì)較好；在第三階段(2010～2014年)，老虎灘北槽屬洪水傾向汊道，分流比隨流量變化的斜率相對(duì)較大，此時(shí)的航道條件惡劣；在第四階段(2014～2016年)，老虎灘北槽屬洪水傾向汊道，分流比隨流量變化的斜率開(kāi)始減小，老虎灘北槽的航道條件出現(xiàn)轉(zhuǎn)好的趨勢(shì)，但仍然一般(表2)。

2.4 航道條件的定性判別方法

表2 老虎灘北槽汊道性質(zhì)與航道條件統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of branching channel properties and channel conditions of the north channel branch of Tiger Beach

基于以上分析，提出航道條件的定性判別方法，即汊道為枯水傾向汊道時(shí)，航道條件最好；對(duì)于洪水傾向汊道，分流比隨流量變化的斜率大小決定了航道條件的好壞，如果分流比隨流量變化的斜率相對(duì)較小，則航道條件相對(duì)較好，如果分流比隨流量變化的斜率相對(duì)較大，則航道條件較差。

近年來(lái)老虎灘北槽的分流比具有兩個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是左右汊分流比相差不大，另一個(gè)就是，枯水期老虎灘北槽分流比甚至低于50%，也就是洪枯水主支汊易位。老虎灘北槽自2004年以來(lái)一直屬于洪水傾向汊道，所以在改善東流水道航道條件的問(wèn)題上，不僅要關(guān)注分流比大小，同時(shí)也要關(guān)注分流比隨流量變化情況，應(yīng)盡量減小老虎灘北槽分流比隨流量變化的斜率，斜率的大小主要取決于枯水期分流比和洪水期分流比。對(duì)于平原河流來(lái)說(shuō)，水深不足是礙航的主要原因，枯水期水深最小，也就是說(shuō)，航道條件能否滿足通航要求，往往取決于該河道枯水期航道條件的好壞。所以提高老虎灘北槽枯水期的分流比，由此減少斜率是最合理且有效的方式。這也與航道整治重點(diǎn)在于枯水治理的原則是一致的。

表3 工程布置Tab.3 Layout of the project

3 應(yīng)用與分析

基于提出的航道條件的定性判別方法，本文將其應(yīng)用于東流水道擬開(kāi)展的整治工程效果評(píng)價(jià)上。有關(guān)部門(mén)針對(duì)東流水道目前的現(xiàn)狀，在二期工程的基礎(chǔ)上，提出了最新一期整治工程措施[8]，航道整治建筑物如表3所示。

根據(jù)東流水道二維水沙模型試驗(yàn)結(jié)果，最新一期工程方案實(shí)施后，分流比的變化情況如表4所示[8]。依據(jù)整治后的分流比和流量數(shù)據(jù)，繪制老虎灘北槽分流比和流量關(guān)系圖(圖8)。

由此可見(jiàn)：(1)最新一期整治工程后的分流比流量關(guān)系線整體上移。說(shuō)明老虎灘北槽的整體分流比是有所提高的，其中枯水期最低分流比由整治前的49.3%提高到整治后的60.2%，這對(duì)于改善老虎灘北槽的航道條件是極為有利的。

(2)最新一期整治工程后老虎灘北槽分流比隨流量變化的斜率有了明顯的降低。根據(jù)航道條件的定性判別方法，由圖9可知，最新一期整治工程實(shí)施后，老虎灘北槽分流比隨流量變化的斜率小于2014～2016年的斜率，斜率變的相對(duì)較小，說(shuō)明最新一期整治工程后的航道條件相比于上一階段將會(huì)得到改善。而且，本次整治工程后的斜率接近于2004～2009年的斜率，在2004～2009年內(nèi)老虎灘北槽的航行條件是較好的，由此可以預(yù)期本次整治工程后的航道條件將會(huì)得到相對(duì)可觀的改善。

表4 整治工程實(shí)施后分流比變化情況Tab.4 Change of splitting ratio after implementation of remediation project

通過(guò)對(duì)最新一期整治工程的方案研究顯示，本次整治工程后，老虎灘北槽的航道條件將會(huì)得到改善，但是從現(xiàn)狀航道條件及近期趨勢(shì)預(yù)測(cè)看，老虎灘北槽航道條件與東港相比仍然較為一般，選取東港作為近期的通航主汊道是合適的。未來(lái)東流水道的整治方向應(yīng)該與前幾期工程保持一致性，選擇處于發(fā)展周期的老虎灘北槽作為遠(yuǎn)期主航道，整治重點(diǎn)放在提高老虎灘北槽的枯水期分流比；同時(shí)盡量維持東港的航道條件，遇不利水文年可將東港作為備選航道。

圖8 工程后老虎灘北槽分流比與流量關(guān)系Fig.8 Relationship between diversion ratio and flow rate of the north channel branch of Tiger Beach after implementation of the engineering圖9 各時(shí)期斜率變化Fig.9 Slope changes in different periods

4 結(jié)語(yǔ)

(1)基于分流比的變化特征，可以區(qū)分汊道的性質(zhì)，如果汊道的分流比隨著流量的增大而增大，則此汊道為洪水傾向汊道，另一汊道為枯水傾向汊道；反之，如果汊道的分流比隨著流量的增大而減小，則此汊道為枯水傾向汊道，另一汊道為洪水傾向汊道。

(2)老虎灘北槽為枯水傾向汊道時(shí)，航道條件最好；北槽為洪水傾向汊道時(shí)，如果分流比隨流量變化的斜率相對(duì)較小，則航道條件相對(duì)較好，如斜率相對(duì)較大，則航道條件相對(duì)較差。因此，對(duì)于洪水傾向汊道來(lái)說(shuō)，除了分流比本身的大小以外，分流比隨流量變化的斜率可以作為航道條件好壞的一個(gè)定性參考判據(jù)。

(3)對(duì)于洪水傾向汊道而言，在進(jìn)行航道整治時(shí)，不僅要關(guān)注分流比本身的大小，同時(shí)也要關(guān)注分流比隨流量的變化情況，應(yīng)盡量減少分流比隨流量變化的斜率，為此，提高枯水期分流比應(yīng)該是減小斜率的最有效措施，這也與重在枯水治理的航道整治原則是一致的。

(4)最新一期整治工程模擬結(jié)果表明，整治工程實(shí)施后，老虎灘北槽分流比整體呈現(xiàn)上升的特點(diǎn)，其中枯水期分流比上升明顯，使得分流比隨流量變化的斜率相對(duì)減少，由此預(yù)期，航道條件將會(huì)得到一定程度的改善。

(5)本文雖將航道條件的好壞與分流比的動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行了統(tǒng)一，但僅從定性上進(jìn)行了分析，定量上仍需研究，如分流比隨流量變化的斜率相對(duì)較小，則航道條件相對(duì)較好，但具體臨界斜率值為多少尚有待進(jìn)一步研究。