范紅霞，王建中，朱立俊

(南京水利科學(xué)研究院 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

長(zhǎng)江中下游廣泛發(fā)育有江心洲分汊河道，上游眾多干、支流水庫(kù)的調(diào)蓄運(yùn)行，顯著改變了壩下游河段水文泥沙過(guò)程。對(duì)江心洲河道演變特征和規(guī)律的分析是河流地貌研究的重要組成部分，掌握新水沙條件運(yùn)行下分汊河道演變特性與趨勢(shì)，對(duì)河道治理、航道開發(fā)和保護(hù)與修復(fù)等具有重要意義[1-5]。和暢洲汊道位于長(zhǎng)江鎮(zhèn)揚(yáng)河段下段，是長(zhǎng)江下游典型的江心洲分汊河道，歷史上多次主支汊易位，是長(zhǎng)江下游演變劇烈的河段之一，歷經(jīng)多次治理。眾多學(xué)者對(duì)其演變特征與治理效果開展了相關(guān)研究[6-10]。2003年三峽水庫(kù)蓄水前，上段人工護(hù)岸限制形成的六圩彎道穩(wěn)定少變，但和暢洲左汊（自然江面，不通航）持續(xù)沖刷發(fā)展，右汊（長(zhǎng)江主航道）持續(xù)單向淤積萎縮，不利于河道治理和航運(yùn)發(fā)展。為了限制左汊發(fā)展，2002年水利部門開始實(shí)施口門控制工程，2003年主體潛壩工程基本完工，工程后左汊迅猛發(fā)展的勢(shì)頭得到初步遏制，但右汊水動(dòng)力仍顯不足，河床仍緩慢淤積，航道條件繼續(xù)惡化。為了提升右汊主航道通航能力，2015年交通部門在左汊上中段新建了兩道潛壩，工程后左汊分流比進(jìn)一步減少，兩汊持續(xù)沖刷，尤其左汊潛壩區(qū)局部沖刷顯著。受三峽工程運(yùn)行后新水沙條件的影響，以及河道治理與航道整治工程的作用，和暢洲汊道及其上游六圩彎道河床演變出現(xiàn)了新的變化特征[11-13]。

本文在大量實(shí)測(cè)資料基礎(chǔ)上，分析了近年來(lái)新水沙條件和人類活動(dòng)雙重作用下和暢洲汊道演變特征，為相關(guān)部門把握和暢洲汊道演變趨勢(shì)、監(jiān)測(cè)潛壩工程運(yùn)營(yíng)安全和航道維護(hù)管理提供支撐，也為類似分汊河道治理提供借鑒。

1 河段特性

1.1 河道概況

和暢洲汊道位于長(zhǎng)江鎮(zhèn)揚(yáng)河段下段，上游為六圩彎道，下游為大港水道，河道形勢(shì)見(jiàn)圖1。世業(yè)洲尾—沙道口為六圩彎道，平面形態(tài)為單一河彎，左側(cè)為深槽、右側(cè)為征潤(rùn)洲邊灘；0 m河床平均河寬1 624 m，平均水深20.5 m。沙道口—和暢洲尾為和暢洲汊道，左汊為主汊，自然江面，未開通航道，2019年實(shí)測(cè)分流比約64%，0 m河床平均河寬1 236 m，平均水深23.5 m；右汊為支汊，為長(zhǎng)江主航道，分流比約36%，0 m河床平均河寬895 m，平均水深13.7 m。和暢洲汊道匯流口—五峰山為大港水道，全長(zhǎng)約8 km，0 m平均河寬1 301 m，平均水深為24.6 m(表1)。

表1 和暢洲汊道0 m河槽斷面要素統(tǒng)計(jì)（2019年）Tab.1 The 0 m section characteristics of Hechangzhou branch in 2019

圖1 和暢洲汊道及其上下游河勢(shì)（2019年4月）Fig.1 River regime of upper and lower reaches of Hechangzhou branch (Apr.2019)

1.2 水沙特性

1.2.1 年徑流總量與輸沙總量 本河段水沙特性以上游大通水文站資料為代表，三峽水庫(kù)蓄水前后大通水文站徑流總量均值分別為9 080億m3和8 444億m3，徑流總量在三峽水庫(kù)蓄水前后變化不大，見(jiàn)圖2。多年平均流量、平灘流量及多年平均洪峰流量分別為28 500、48 150和59 400 m3/s。自1951年以來(lái)，大通水文站輸沙總量呈階段性減少，2003年三峽工程運(yùn)行后減幅更加顯著。2003—2018年大通水文站輸沙總量均值1.34億t，與水庫(kù)運(yùn)行前1951—2002年的4.27億t相比減幅達(dá)70%，見(jiàn)圖3。

圖2 大通水文站徑流總量歷年變化Fig.2 Change of total runoff discharges of Datong hydrological station over the years

圖3 大通水文站輸沙總量歷年變化Fig.3 The total sediment transport changes of Datong hydrological station in recent years

1.2.2 潮位特征 本河段屬感潮河段，但距河口較遠(yuǎn)，潮波變形十分顯著，潮汐作用相對(duì)較弱。據(jù)鎮(zhèn)江北固山水位站近40余年資料統(tǒng)計(jì)，歷年最高潮位6.7 m，最低潮位?0.65 m，最大潮差2.32 m，最小潮差0 m，多年平均潮差為0.96 m。潮位平均落潮歷時(shí)與漲潮歷時(shí)的比值為3∶l，漲潮歷時(shí)為3.25 h，落潮歷時(shí)為9.17 h。

1.2.3 懸沙含沙量與泥沙粒徑 根據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，2010年枯季河段含沙量0.03 kg/m3，懸移質(zhì)中值粒徑均值0.008 mm，床沙中值粒徑均值0.15 mm。2013年洪季含沙量0.14～0.20 kg/m3，懸移質(zhì)中值粒徑范圍0.006～0.010 mm，床沙中值粒徑均值0.24 mm。2017年洪季含沙量0.05～0.09 kg/m3，懸移質(zhì)中值粒徑0.013 mm，床沙中值粒徑范圍0.14～0.36 mm，均值為0.18 mm。新水沙條件運(yùn)行后，本河段含沙量顯著減小，床沙中值粒徑變化不大，但懸移質(zhì)中值粒徑由2010年的0.008 mm增加至2017年的0.013 mm，有加粗的趨勢(shì)。

1.3 河道邊界

本河段大部分岸段尤其北岸河床邊界為現(xiàn)代長(zhǎng)江沖積形成的岸灘，具有上層為河漫灘相亞黏土、下層為河床相粉細(xì)砂的二元結(jié)構(gòu)，抗沖性差、易被沖刷，也易形成崩窩，六圩彎道北岸歷史上強(qiáng)烈崩退，和暢洲洲體左緣也數(shù)次發(fā)生窩崩。和暢洲右汊—五峰山處于南岸為寧鎮(zhèn)山脈北麓，土質(zhì)較堅(jiān)硬，江岸抗沖性較強(qiáng)。

2 和暢洲水道治理工程概況

2.1 2002—2003年左汊口門控制工程

長(zhǎng)江鎮(zhèn)揚(yáng)河段和暢洲左汊口門控制工程位于和暢洲汊道左汊進(jìn)口（位置見(jiàn)圖1），主體工程為一道變坡塑枕潛壩，于2002年6月開工，2003年9月完成全部主體工程。壩頂平臺(tái)高程自左岸至右岸分別為+4 m、?20 m和+4 m，阻水面積比約37%，壩頂寬度10 m，總長(zhǎng)度為1 600 m，上、下游側(cè)平均邊坡為1∶2.5和1∶3.0。潛壩設(shè)計(jì)縱剖面結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖4。

圖4 2003年水利部門興建口門潛壩形態(tài)Fig.4 The section of the first submerged dam

2.2 2015—2017年深水航道二期整治工程

和暢洲汊道是長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道6個(gè)重點(diǎn)整治礙航淺段之一，二期工程主體內(nèi)容為在左汊上中段新建兩道變坡潛壩（見(jiàn)圖1）。新建1#潛壩距離已建口門潛壩2 100 m，1#與2#潛壩相距1 000 m，潛壩結(jié)構(gòu)為變坡型式，自左岸至右岸壩頂深槽高程分別為+4 m、?6 m、?18 m和+4 m，兩潛壩阻水面積比分別為44.0%和37.4%，潛堤斷面見(jiàn)圖5。二期工程于2015年6月開工建設(shè)，2017年6月整治建筑物工程交工，2018年5月試運(yùn)行，2019年5月實(shí)現(xiàn)竣工驗(yàn)收。

圖5 航道部門新建潛壩設(shè)計(jì)剖面Fig.5 Profiles of the two new submerged dams

3 近年來(lái)和暢洲汊道演變特征分析

和暢洲汊道歷史上河勢(shì)演變劇烈，河道演變與人類活動(dòng)密切相關(guān)，上游六圩彎道在強(qiáng)烈干預(yù)下形成人工河彎，和暢洲洲體形成獨(dú)特的長(zhǎng)方形外形。2003年以前，六圩彎道河岸基本穩(wěn)定，深槽小幅擺動(dòng)，河勢(shì)總體穩(wěn)定；和暢洲汊道左汊占據(jù)絕對(duì)主汊地位，呈進(jìn)一步發(fā)展態(tài)勢(shì)，不利于左岸防洪與右岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展。2003年后，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行，河段輸沙量銳減，為遏制左汊繼續(xù)擴(kuò)大、右汊緩慢萎縮的趨勢(shì)，改善右汊深水航道條件，水利與交通部門先后實(shí)施了相應(yīng)的整治工程，在新水沙條件與強(qiáng)烈的人工干預(yù)下，和暢洲汊道演變呈現(xiàn)新的特征，且河床還在動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)整過(guò)程中。

3.1 六圩彎道

三峽水庫(kù)蓄水后六圩彎道演變于2003—2009年、2009—2017年、2017—2019年間呈階段性變化：

（1）洲灘及岸線平面變化。在總體河勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定的前提下，彎道北岸因崩岸出現(xiàn)局部岸線后退（Lw14—15斷面）；征潤(rùn)洲邊灘先小幅淤積后明顯沖刷后退；與原焦南航道連接的焦南串溝明顯沖深，水道內(nèi)0 m線貫通；征潤(rùn)洲邊灘外心灘淤漲淤高加快且有并灘跡象（見(jiàn)圖6）。

圖6 六圩彎道2003—2019年0 m線平面變化Fig.6 Plane changes of 0 m depth contour in Liuwei bend from 2003 to 2019

（2）深槽變化。2003年后六圩彎道深槽總體呈向南沖刷擴(kuò)大之勢(shì)，同時(shí)槽尾向南（右汊）偏轉(zhuǎn)。以?30 m深槽為例，2004—2009年六圩河口以下槽身沖刷小幅擴(kuò)大，和暢洲汊道分流區(qū)槽尾小幅上提且向右汊偏轉(zhuǎn)，2009年后整體明顯展寬，槽尾向左汊下挫400余米，具體見(jiàn)圖7。

圖7 六圩彎道2003—2019年?30 m線平面變化Fig.7 Plane changes of ?30 m depth contour in Liuwei bend from 2003 to 2019

（3）斷面要素。2003年前，六圩彎道形態(tài)已基本適應(yīng)長(zhǎng)江來(lái)水來(lái)沙條件的變化，平均河床斷面面積、平均水深、河槽容積等要素變動(dòng)不大；2003—2016年，河床總體呈沖刷下切趨勢(shì)，尤其是2010—2016年更為顯著，平均斷面面積擴(kuò)大12%、平均水深增加2.1 m，2016年后沖刷速率放緩，平均水深略有減少，見(jiàn)表2。2010年后六圩彎道持續(xù)沖刷下切，是三峽工程運(yùn)行后新水沙條件下，清水下泄引起的長(zhǎng)距離沖刷在本河段的河床變化響應(yīng)的結(jié)果。

表2 六圩彎道近年來(lái)0 m河床斷面要素變化Tab.2 Changes of 0 m riverbed profile of Liuwei bend

（4）河床沖淤。2003—2009年深槽沖刷為主、洲灘淤積為主（見(jiàn)圖6～9和圖10（a）），總體呈“淤灘沖槽”的特征，0 m河槽容積保持在4.7億m3以內(nèi)；2009—2016年河床呈沖刷之勢(shì)，征潤(rùn)洲尾沖刷尤為明顯，心灘則略有淤積，河槽容積突破5.2億m4（見(jiàn)圖8和圖10（b））；2017年后左汊新建潛壩主體完工，河床下切趨勢(shì)變緩，下段深槽略有回淤，河床回淤0.1億m3（見(jiàn)圖8和圖10（c）及（d）），2017年與2019年0 m河槽容積分別為5.17億m3和5.19億m3。六圩彎道河床沖淤變化主要受控于新水沙條件，但2017年后下段深槽小幅回淤且南偏與新建潛壩工程后分流點(diǎn)上提相關(guān)。

圖8 六圩彎道0 m河槽容積變化Fig.8 River capacity changes of Liuwei bend in recent years

3.2 和暢洲汊道

3.2.1 汊道分流比 歷史上六圩彎道與和暢洲汊道河勢(shì)演變劇烈，和暢洲主支汊曾多次易位。1986年前左汊為支汊，1977年人民灘鵝頭切割后左汊持續(xù)快速發(fā)展，至1986年分流比達(dá)50.2%，成為主汊，至2002年3月實(shí)測(cè)分流比為76%。2003年左汊口門控制工程實(shí)施后，左汊分流比下降約3%，達(dá)到了工程的預(yù)期目標(biāo)；至2010年，左汊分流比維持在72%～73%，隨后 2011—2014年緩慢回升至 74%～75%；2017年深水航道二期工程兩道潛壩實(shí)施后，左汊分流比下降約9%，至64%～66%，2019年1月實(shí)測(cè)值為64%，潛壩限流效果顯著。和暢洲汊道左汊分流比歷年變化見(jiàn)圖9。

圖9 和暢洲汊道左汊分流比（1959—2019年）Fig.9 Changes in diversion ratio of Hechangzhou left branch from 1959 to 2019

3.2.2 河床沖淤變化 在和暢洲左汊，河床沖淤變化情況如下：

（1）2003—2015年：2003年水利部門實(shí)施口門控制工程后，左汊潛壩下游4.5 km范圍內(nèi)河床普遍沖刷，強(qiáng)烈沖刷部位集中在壩下2 km范圍內(nèi)。根據(jù)2014年7月實(shí)測(cè)水下地形資料，潛壩下游330 m處河床沖刷后最深點(diǎn)高程達(dá)到?62 m，11年以來(lái)最大累計(jì)沖刷深度達(dá)20 m以上，見(jiàn)圖10（a）和（b）。

（2）2015—2019年：2015—2017年為左汊上中段深水航道新建兩道潛壩施工期，新建兩道潛壩間特別是2#潛壩下游側(cè)河床局部沖刷顯著，2#潛壩下游側(cè)河床最大沖深達(dá)23 m，沖刷幅度大于10 m的范圍延伸至2#潛壩下游2.7 km處，孟家港以下左汊下段河床則以淤積為主；2017年以后左汊河床沖淤交替，沖刷速率開始減緩，見(jiàn)圖10（c）和（d）。

圖10 近年來(lái)和暢洲汊道河床沖淤厚度分布Fig.10 Distribution of erosion and deposition depth of Hechangzhou branch in recent years

在和暢洲右汊，河床沖淤變化情況如下：2003—2009年左汊口門潛壩運(yùn)行初期，右汊河床淤積減緩但仍以緩慢淤積為主，2009—2015年間新水沙條件下清水沖刷效應(yīng)逐步顯現(xiàn)，右汊河床由緩慢淤積逐漸變?yōu)樾》鶝_刷，沖刷首先發(fā)生于右汊中上段；2015年后，隨著左汊新建潛壩逐漸施工至完工，右汊水流動(dòng)力顯著增強(qiáng)，河床呈現(xiàn)普遍沖刷態(tài)勢(shì)，尤其是進(jìn)口段沖刷劇烈，同時(shí)右汊凸岸邊灘開始呈現(xiàn)沖刷之勢(shì)，12.5 m深水航道航寬由200 m增加至250 m，2019年和暢洲右汊航道運(yùn)行幾乎不需要維護(hù)，整治工程達(dá)到了較為理想的效果。

3.2.3 河槽容積變化 2002—2019年，左汊河槽容積呈小幅下降-緩慢增加-快速增加3個(gè)階段。2015年和2017年0 m河槽容積分別為2.586和2.828億m3，兩年內(nèi)沖刷達(dá)0.42億m3，2019年左汊河槽容積小幅回升，與2016年量值相當(dāng)(見(jiàn)圖11)。

圖11 和暢洲左、右汊0 m河槽容積歷年變化Fig.11 Statistics of channel capacity of Hechangzhu branch from 1994 to 2019

4 結(jié) 語(yǔ)

和暢洲汊道的河床演變與上游河勢(shì)、來(lái)水來(lái)沙條件、河道邊界及強(qiáng)烈的人工干預(yù)有關(guān)。隨著三峽水庫(kù)蓄水后清水下泄的持續(xù)影響，河床逐漸呈現(xiàn)沖刷之勢(shì)，為了控制河勢(shì)和改善航道條件，左汊口門及上中段相繼修建了三道潛壩工程。新水沙條件與人類活動(dòng)雙重控制下，左汊迅速發(fā)展的勢(shì)頭得以控制，2003年第一道口門潛壩和2017年兩道潛壩工程后左汊分流比分別下降3%和10%，目前左汊分流比約64%。一方面，潛壩限流作用顯著，右汊水動(dòng)力得以大幅增強(qiáng)，河床沖淤經(jīng)歷了緩慢淤積-由淤轉(zhuǎn)沖-普遍沖刷，航道條件得以明顯改善；另一方面，潛壩近區(qū)水流紊動(dòng)劇烈，潛壩間尤其最后一道潛壩下游河床發(fā)生了強(qiáng)烈的局部沖刷，不利于河道邊界穩(wěn)定。同時(shí)上游六圩彎道沖刷雖然趨緩，但串溝和心灘有發(fā)育趨勢(shì)。這些河道新的演變特征給河勢(shì)控制和整治工程效果維持帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)和暢洲水道整治工程段河床沖淤變化、岸坡穩(wěn)定和航道條件變化的監(jiān)測(cè)工作，必要時(shí)采取措施確保整治建筑物的安全可靠，保障河勢(shì)穩(wěn)定和深水航道的暢通。