雷 鳴，李振宇，李延涵

（1. 岳陽市水利局，湖南 岳陽 414000； 2. 湖南省水運建設(shè)投資集團有限公司，湖南 長沙 410003；3. 廣州珠科院工程勘察設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510000）

引 言

圖1 八卦洲汊道河勢圖

八卦洲汊道（圖1）位于長江南京河段下關(guān)束窄段下游約5 km 處，屬鵝頭型分汊河道，左汊為支汊，右汊為主汊。八卦洲兩汊是南京市的經(jīng)濟腹地，汊道沿江地區(qū)已經(jīng)聚集了一批大型企業(yè)，包括揚子石化公司、揚子－巴斯夫公司、南京化學工業(yè)公司、南京鋼鐵集團、華能南京電廠、南京熱電廠和南京化學工業(yè)園等產(chǎn)業(yè)集群。2009 年，左汊沿岸占南京市工業(yè)產(chǎn)值比例已超40%，當?shù)匕l(fā)展突飛猛進，社會經(jīng)濟重要性日益凸顯[1]。

自20 世紀30 年代開始，因上游河勢的變化，八卦洲洲頭受水流的沖刷，不斷向下游崩退，左汊逐漸彎曲，呈淤積萎縮態(tài)勢，分流比逐漸減小，逐漸從主汊演變成支汊。為了控制河勢的急劇變化，近70 年來，長江南京河段實施了6 次大規(guī)模整治工程，穩(wěn)定了八卦洲頭和水流頂沖岸線，延緩了八卦洲左汊的衰減速度，保障了南京河段的河勢穩(wěn)定。然而，已實施的整治工程采用穩(wěn)定現(xiàn)有河勢的辦法，沒有從根本上改變八卦洲左汊不利的水沙動力條件（如進、出口河勢和左右汊阻力對比等），只能延緩左汊的衰退速度，目前左汊仍呈緩慢淤積衰退趨勢，左汊枯季分流比已由集資整治工程實施后的16%左右減小到2011 年的12.4%，若左汊分流比減小到10%以下，左汊衰亡的速率將會大大加快。同時，三峽工程2003 年蓄水運用后，壩下游水沙條件發(fā)生較大改變，清水下泄對南京河段河床沖刷加強，引起汊道沖刷不平衡，導(dǎo)致分汊河段興衰加劇與分化[1]。鑒于八卦洲河段的重要性、演變過程的復(fù)雜性和穩(wěn)定改善左汊分流比的緊迫性，迫切需要采取工程措施，遏制八卦洲左汊緩慢衰退的趨勢，適當改善左汊水域條件，以支撐南京市區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。本文結(jié)合八卦洲汊道水沙特性和演變特征，建立河段數(shù)學模型，對不同類型導(dǎo)流堤方案進行數(shù)值模擬，研究成果為河道汊道治理提供參考。

1 汊道水沙特性與演變概況

1.1 水沙特性

八卦洲汊道左汊為弓形，其內(nèi)有南化彎道段、皇廠彎道段2 個近乎90°的彎道段，且入出流邊界條件差，入流段黃家洲淤漲發(fā)育、橫向展寬的特征明顯，使得左汊入流角度逐漸增加，出流段左汊與右汊匯流方式幾乎為直角，受右汊較強水流動力的頂托作用，左汊出流受到阻礙，引起左汊出口水位雍高，阻力增大，左汊局部阻力系數(shù)遠大于右汊。加上左汊河床高于右汊，左汊的河寬遠小于右汊，左右汊長度比達到2.1∶1，且左汊內(nèi)存在淺區(qū)和卡口，左汊河道的河床沿程阻力大于右汊。左汊內(nèi)沿程各類水工設(shè)施的建設(shè)和運行，特別是沿岸群體碼頭工程的建設(shè)，都增大了左汊水流的沿程阻力作用。

水流進入左汊入口黃家洲彎道后，受水流離心力作用，產(chǎn)生橫向環(huán)流，導(dǎo)致汊口分流區(qū)域低含沙量的表層水橫向流入右汊，而底層水流中的高含量泥沙向左汊內(nèi)洲灘不斷淤積，從而增大了左汊進流阻力，減小了左汊流量。八卦洲洲頭由于缺乏守護，逐年崩退，汊道分流點下移，左汊入流角度增大，不利的進流條件使左汊進一步加速衰退[2]。20 世紀80 年代末，為遏制八卦洲左汊加速衰退的趨勢，在八卦洲洲頭處，實施了分水魚咀工程，該工程的實施有利于改善左汊的水流動力，對八卦洲汊道河勢的穩(wěn)定起到了重要的作用。左汊分流比減小的速度盡管有所減慢，但減小的趨勢仍然存在，尤其是枯水季節(jié)低水位情況。左汊分流比歷年變化見圖2[1]。

圖2 八卦洲左汊分流比歷年變化圖

1.2 汊道演變情況

汊道歷史演變主要是主支汊易位：以20 世紀40年代為界，之前八卦洲的左汊河面寬，水深大，彎道平順，為主汊。右汊水深淺，江面窄，河道彎曲，為支汊。之后，受上游河道演變影響，汊道水流動力軸線變遷，洲頭崩退趨勢加速，左汊水流動力減弱，彎道曲率逐漸變大，河道長度逐漸增加，河床淤淺、束窄，分流比減小，至20 世紀40 年代初，由主汊轉(zhuǎn)化為支汊，50 年代初，左汊分流比減至25%左右[3～4]。與此同時，右汊相應(yīng)發(fā)展，河道趨直，河長減小，河槽沖刷擴大，分流比增大，1952 年右汊河展寬為900 m 余，比1923 年增加1 倍有余，河長由1923 年的13.3 km 縮短為1952 年的11.7 km，由于阻力減小、過流量增加，右汊由支汊轉(zhuǎn)化為主汊。至此，八卦洲汊道完成了主支易位的過程。

汊道近期演變特征主要是左汊逐漸衰退：1985 年以前洲頭未護之前，分流點下移，洲頭崩退，左右岸向江中淤積，河道朝窄深方向發(fā)展，1952—1979 年分流點平均每年下移62 m；1979—1983 年分流點平均每年下移35 m；1983 年大水后，洲頭崩坍較多，分流點下移速度增加。1985 年洲頭守護以后，洲頭的崩勢得到控制，分流點呈上提下挫變化，下移速度減緩。從1957年到80 年代中期八卦洲頭魚咀實施前，左汊汛期分流比從26.0%降到19.5%，枯水期從22.0%降到16.0%左右，年均降幅約為0.22%。從1985 年實施洲頭魚咀工程后到2003 年三峽大壩蓄水前，左汊汛期分流比從19.5%降至17.0%，枯水期分流比從16.0%降至13.9%左右，年均降幅約為0.13%。2003 年以后汛期分流比減小趨勢得到有效遏制，基本穩(wěn)定在15%～19%，但枯水期仍有年均0.15%的降幅。可見，實施八卦洲頭魚咀工程總體上能延緩和改善八卦洲左汊衰退，穩(wěn)定當前河勢。但在枯水季節(jié)低水位條件下，分流比減小的趨勢依然存在。

2 整治方案的探討

2.1 整治現(xiàn)狀及整治方案概述

1954 年長江發(fā)生特大洪水后，下關(guān)、浦口江岸嚴重崩坍。汛后通過1955—1957 年沉排護岸工程和1964—1966 年沉排區(qū)的兩側(cè)及排腳進行了拋石加固，下關(guān)、浦口江岸全線基本得到了保護。70 年代初開始，繼續(xù)對大勝關(guān)、燕子磯、天河口、新生圩等岸段也先后實施了平順拋石護岸工程。1983—1993 年實施了集資整治工程，對梅子洲頭及其右緣、八卦洲頭分水魚嘴及其左右緣、燕子磯等部位進行了新護和加固。1998 年大水后，2003 年南京河段開始實施系統(tǒng)的二期河道整治工程，共實施護岸工程62.59 km，其中八卦洲頭及左右緣、燕子磯、天河口分別實施護岸工程約9.2 km、2.7 km、1.1 km。工程全部實施完成后，八卦洲洲頭的穩(wěn)定性得到了進一步加強，原有的崩岸險情得到了控制，左汊衰退的趨勢得到了一定的遏制，兩汊分流比變化趨緩，為進一步的整治奠定了較好的基礎(chǔ)。同時，為進一步適應(yīng)城市經(jīng)濟社會發(fā)展，近年來有關(guān)單位對八卦洲汊道提出過很多治理方案（圖3），以改善或提高左汊分流比。主要有：

圖3 八卦洲汊道主要整治方案分布圖

1）改善左汊入流條件。在洲頭原魚嘴的基礎(chǔ)上，往河道上游偏右的方向修建導(dǎo)流堤，將一部分進入右汊的水流導(dǎo)入左汊，增加左汊分流比；黃家洲切灘，通過擴大八卦洲左汊口門過流斷面、減小左汊口門與上游主流的夾角，增加左汊分流比。

2）減小左汊局部阻力。通過疏浚打通淺區(qū)段-10 m 河槽，減小局部阻力，擴大左汊河槽容積，增加分流比；實施上壩、黃廠河和左汊出流處擴卡，以減小左汊局部阻力[7]。

3）適當限制八卦洲右汊的發(fā)展。右汊口門修建潛壩，縮小右汊進口過流斷面及增加局部阻力，通過適當減小右汊分流比的方式，增加左汊分流比。

2.2 整治方案的探討

根據(jù)多年來各方面論證，切灘和擴卡措施雖增大了過水面積，但切灘和拓卡段流速普遍降低，對左汊進出口的泥沙輸移效率帶來不利影響，同時黃家洲切灘部位和出口拓卡區(qū)域大部分處于回流區(qū)，將來的回淤強度可能較大，類似的如果沒有其他工程給左汊提供足夠的水流動力，預(yù)計疏浚的效果將很快因回淤而消退。而右汊潛壩措施由于過流面積的急劇縮減，潛壩所在斷面水流流速迅速增大，加上潛壩下游形成的跌水流態(tài)，對通航將造成一定程度影響，同時潛壩上下游流態(tài)的變化易影響現(xiàn)有河勢的穩(wěn)定，增加上下游防洪保安的壓力。因此，對洲頭分水魚嘴進一步研究顯得尤為重要。本文通過建立數(shù)學模型，對八卦洲汊道進行模擬，主要對洲頭導(dǎo)流堤方案實施后對汊道分流比的影響進行研究。

3 導(dǎo)流堤方案研究及整治效果分析

3.1 導(dǎo)流堤方案概況

研究表明，八卦洲左汊分流比減少的原因主要是分流區(qū)左右汊入流條件和阻力比的變化，目前八卦洲左汊長度約為右汊的2 倍，流路長、河彎多、水流阻力大的特征十分突出，造成左汊進口斷面水流受阻，水位高于右汊，產(chǎn)生橫向比降，大量水流繞過洲頭自左汊進入右汊。因此，在洲頭設(shè)置導(dǎo)流堤，可對進入左右汊的水流進行導(dǎo)流控制，改善左汊入流條件，增強左汊水流動力，增加左汊分流比。導(dǎo)流堤延伸長度的不同和方位角的不同，其分流作用也有所不同。

八卦洲頭導(dǎo)流堤壩根考慮布置在洲頭魚嘴居中偏左的位置，該處水下岸坡相對較緩，導(dǎo)流壩方案考慮了不同角度、不同長度的組合。方位角方面考慮從與左汊進口水流大致平行布置（方位角約為245°）逐步向右汊主流偏轉(zhuǎn)至接近洲頭右側(cè)深水槽（方位角204°）；堤壩長度方面，主要考慮位置不越過洲頭-20 m槽（壩長300 m）、越過洲頭深槽水域延伸至上游-20 m槽處（壩長550 m），以及延伸至接近上游-15 m 等高線處（壩長750 m）?？紤]到八卦洲頭導(dǎo)流壩主要改善左汊低水期的入流條件，為降低其負面影響，擬壩頂高程為2 m（約為枯水期平均水位），如表1 所示。

表1 導(dǎo)流壩方案

3.2 導(dǎo)流堤方案效果及分析

采用數(shù)學模型對八卦洲汊道進行模擬，采用2011年地形及同年5 月13—14 日枯水水文測驗資料（實測左汊分流比12.4%），分析枯水流量條件下（Q=15 290 m3/s）導(dǎo)流堤的分流效果。模擬結(jié)果表明，不同方案的導(dǎo)流堤工程實施后，上游及汊道進口局部水位有所壅高，左汊分流比有明顯增加。表2 為枯水流量下，導(dǎo)流堤工程實施后左汊分流比變化情況表。

表2 不同導(dǎo)流堤方案實施效果

分析表明，在導(dǎo)流堤長度相同的情況下，導(dǎo)流堤越偏靠洲頭右側(cè)（方位角越?。?，左汊分流比增加的效果越好。如方案1、4、7 長度均為300 m，方位角依次為225°、215°、204°，相應(yīng)左汊分流比增加值依次為0.24%、0.4%、0.73%，550 m 導(dǎo)流堤方案2、5、8 和750 m 導(dǎo)流堤方案3、6、9 同樣體現(xiàn)這一規(guī)律。

在導(dǎo)流堤方位角度相同的情況下，導(dǎo)流堤越長，左汊分流比增加的效果越好。如550 m 導(dǎo)流堤方案2、5、8 對應(yīng)的左汊分流比增加值分別為0.72%、1.61%、2.64%，要分別好于300 m 導(dǎo)流堤方案1、4、7 對應(yīng)的0.24%、0.4%、0.73%，同樣750 m 導(dǎo)流堤方案3、6、9 亦分別好于550 m 導(dǎo)流堤方案2、5、8。

對比方案7 和方案2，雖然方案7 較方案2 堤長短250 m，但由于方案7 的方位角較方案2 向右作了21°的偏轉(zhuǎn)，使左汊進口迎水面積相對擴大，右汊進口面積減小，因此兩者的效果相近。

4 結(jié) 語

研究結(jié)果表明，洲頭導(dǎo)流堤向上游延伸與方位角右偏均有利于增加左汊分流比。在綜合考慮八卦洲汊道防洪保安、航運及水資源利用的前提下，選擇合理的導(dǎo)流堤長度和方位角是緩解和改善八卦洲汊道左汊衰退趨勢，穩(wěn)定現(xiàn)有河勢的可行方案。