長江下游東流水道汊道分流屬性及分流比調(diào)整機(jī)制研究

張紅 張明

摘要：長江下游河道以分汊河段為主，航道條件復(fù)雜且航道整治難度大，探究其汊道分流屬性及分流比調(diào)整的驅(qū)動機(jī)制，對枯水期通航主汊道的選取具有重要意義。以長江下游東流水道為對象，剖析了東流水道近10 a來汊道分流比調(diào)整的驅(qū)動機(jī)制。結(jié)果表明：1999～2004年期間東港為洪水傾向型汊道，西港為枯水傾向型汊道;2005～2009年間，受航道整治一期工程的影響，東港分流比與流量的關(guān)系不顯著，西港仍為枯水傾向型汊道;2010～2018年間，東、西港汊道屬性發(fā)生轉(zhuǎn)變。東流水道老虎灘左汊及西港的底沙輸移強(qiáng)度高于老虎灘左汊及蓮花洲汊道，進(jìn)一步加速了東流水道汊道分流關(guān)系的調(diào)整趨勢。

關(guān)鍵詞：汊道分流;分流比;調(diào)整機(jī)制;東流水道;通航條件;長江下游

中圖法分類號：TV147文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.005

文章編號：1006 - 0081（2021）04 - 0029 - 06

1 研究背景

在長江中下游航道治理中，分汊河段因其汊道分流關(guān)系不穩(wěn)定、江心洲及汊道內(nèi)邊灘演變關(guān)系復(fù)雜，礙航程度大且治理難度大。分汊河段的汊道分流屬性是枯水期主航道選取的重要依據(jù)，而汊道分流比調(diào)整驅(qū)動成因的揭示，對枯水期通航主汊道選取具有重要意義。

東流水道（圖1）是長江下游典型的順直分汊河段，近年發(fā)生了汊道交替現(xiàn)象，灘槽格局極不穩(wěn)定，是航道治理的重點(diǎn)河段[1]。三峽工程運(yùn)行后，長江中下游河道普遍沖刷，為航道水深提升創(chuàng)造了有利條件[2-3]。在分汊河段，江心洲洲頭沖刷引起汊道分流關(guān)系不穩(wěn)定，使汊道進(jìn)口段、中段及出口區(qū)域形成過渡段淺區(qū)[4]。在分汊河段的航道治理中，根據(jù)枯水期通航主汊道的穩(wěn)定性及發(fā)展趨勢，一般選取枯水傾向型汊道作為主航道[5]。在東流水道航道整治一期工程的論證階段，綜合對東流水道各汊道分流關(guān)系現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、河勢格局、水流流態(tài)、外部環(huán)境、主航道可塑性等方面進(jìn)行了比較，選擇西港作為主航道[6]。三峽水庫蓄水運(yùn)行后，水沙條件變化是東港發(fā)展的主要原因，已實(shí)施的航道整治一期工程在一定程度上促進(jìn)了東港發(fā)展[7]。2010年汛后，東流水道進(jìn)口左岸邊灘（娘娘樹邊灘）快速發(fā)展，引起河道內(nèi)斜向水流進(jìn)入東港，加速了老虎灘頭部沖刷，對老虎灘護(hù)灘工程造成不利影響[8]。東流水道二期工程實(shí)施后，左岸娘娘樹邊灘出現(xiàn)新的演變，是造成該河段近年來航道條件趨壞的重要原因[9]。近期，東流水道西港航道受老虎灘北槽下游淤積和老虎灘尾淤積下移的雙重影響，短期內(nèi)西港過渡段通航形勢難以好轉(zhuǎn)，建議應(yīng)加強(qiáng)對西港航道的維護(hù)力度，并將東港航道作為緊急備用通道[10]。目前，東港正處在發(fā)展過程之中，但西港依然有復(fù)蘇的可能[11]。已有的研究重點(diǎn)探討了東流水道的灘槽演變、航道工程對汊道分流關(guān)系及航道條件變化等的影響，對于汊道分流屬性及近期分流比調(diào)整的驅(qū)動成因分析較少。同時(shí)，在航道整治二期工程實(shí)施后，望東長江大橋處于施工期，雙重疊加的人類活動對汊道分流關(guān)系的影響尚待揭示。

本文以長江下游東流水道為研究對象，利用近期20 a分流比、近10 a河床地形等數(shù)據(jù)，識別東流水道各階段的汊道分流屬性，結(jié)合水沙條件、航道工程及橋梁建設(shè)等因素，研究汊道分流比調(diào)整的驅(qū)動機(jī)制。

2 研究區(qū)域及水沙條件

2.1 研究區(qū)域

長江東流水道位于長江下游安慶市以上30～61 km處，全長31 km。東流水道上起華陽河口，下至吉陽磯，屬于順直多級分汊河型（圖1）。一級分汊為老虎灘灘體，分為老虎灘左汊和東港，二級分汊為玉帶洲和天沙洲，分為蓮花洲港、西港和天玉竄溝。東流水道的上游為馬當(dāng)河段，是多分汊河段，馬當(dāng)河段和東流水道之間為東流直水道連接，河道形態(tài)微彎。東流水道的下游為安慶河段，也為多分汊河段，兩河段之間為彎曲型河段連接。東流水道汊道分流比不穩(wěn)定，常發(fā)生主支汊交替現(xiàn)象，通航主汊道在西港、東港和蓮花洲港之間交替。東流水道已實(shí)施了兩期航道整治工程，一期工程于2004年2月開始施工，2006年4月主體工程施工完成，2008年3月正式完工，2010年3月竣工。二期工程于2012年11月開工建設(shè)，到2013年6月完成天玉串溝守護(hù)工程、老虎灘左緣護(hù)灘帶加固工程、七里湖護(hù)岸工程、老虎崗護(hù)岸加固工程，至2014年4月，主體工程基本完成。

2.2 河床沖淤分布

2012年1月至2017年5月期間，東流水道河床沖淤變化的分析表明（圖2），整體上，東流水道灘槽沖淤變幅較大，尤其是東流水道進(jìn)口左岸邊灘、老虎灘左汊及西港、東港中下段等區(qū)域。受望東長江大橋北岸側(cè)棧橋施工的影響，左岸邊灘上游出現(xiàn)了一個(gè)小的淤積體，持續(xù)頭沖尾淤。老虎灘頭部分流區(qū)以淤積為主，灘頭部淤積上延，幅度約2～3 m，灘面上以小幅淤積為主，尾部被沖刷。老虎灘左側(cè)呈現(xiàn)鮮明的左淤右沖，幅度均在4 m以上，說明該段主流明顯靠右。東港內(nèi)中上段沖淤交替，下段普遍沖刷，幅度在4 m以上。蓮花洲港進(jìn)口大幅淤積，但中上段以沖刷為主，中下段普遍淤積，幅度在2 m左右。天玉串溝則普遍淤積，幅度約4 m。玉帶洲右汊呈現(xiàn)鮮明的左沖右淤，幅度均在4 m以上，引起該段主流明顯偏左。

2012～2014年期間，東流水道河床沖刷顯著，灘地沖淤交替，左岸丁壩群區(qū)域出現(xiàn)了明顯淤積。老虎灘左緣中上段明顯沖刷，幅度約3 m。受老虎灘左緣淤積體下移的影響，西港大幅淤積，天沙洲與老虎灘連接。2014年2月、2016年3月期間，東流水道總體沖淤規(guī)律未發(fā)生顯著變化，其中，老虎灘左緣的淤積體逐漸沖刷下移，西港沖刷幅度加大，最大沖刷位置主要集中在西港出口，淤積體緩慢通過西港。2016年3月以來，東流水道延續(xù)了前一時(shí)期河床演變特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在左岸邊灘頭沖尾淤，西港持續(xù)沖刷，同時(shí)，受洪水影響，東港及老虎灘左汊中上段發(fā)生一定程度的淤積。

3汊道分流屬性及階段性調(diào)整特征

3.1 汊道分流比

1999～2018年間，東港分流比為緩慢增加態(tài)勢，西港與天玉竄溝為減少態(tài)勢，2014年以來東港略有減少，西港與天玉竄溝略有增加（圖3）。1999～2003年間，蓮花洲港分流比為緩慢減少態(tài)勢，2003～2018年期間變化幅度相對較小。

3.2 汊道分流屬性

依據(jù)汊道分流屬性，汊道分流比隨流量一般表現(xiàn)為單調(diào)函數(shù)關(guān)系，即隨著流量增加分流比增加的汊道為洪水傾向型，隨流量增加分流比減小的汊道為枯水傾向型[12]。1999～2004年期間，東港為洪水傾向型汊道，西港為枯水傾向型汊道，東流水道一期航道整治工程選取西港作為枯水期主航道的思路是可行的（圖4）。2005～2009年期間，受航道整治一期工程影響，東流水道汊道分流比處于調(diào)整期，東港分流比與流量關(guān)系不顯著，西港仍表現(xiàn)為枯水傾向型汊道。2010～2018年期間，東港為枯水傾向型汊道，西港為洪水傾向型汊道，汊道屬性發(fā)生轉(zhuǎn)變。從變化態(tài)勢上看，對比2014～2018年與2010～2013年可知：同流量條件下東港分流比呈減少態(tài)勢，有利于老虎灘左汊分流比的增加;老虎灘左汊同流量分流比增加，西港同流量分流比未出現(xiàn)趨勢性變化，但2018年3月西港分流比較2016年2月增加8.5%。

4汊道分流交替的驅(qū)動成因分析

4.1 上下游河勢關(guān)聯(lián)性的影響

已有研究表明[13-14]，當(dāng)分汊河段上下游連接段為彎曲形態(tài)，在一定的形態(tài)、河床組成、來流條件等綜合作用下，對上下游汊道間河勢、汊道分流關(guān)系及灘槽演變等的傳遞具有阻隔作用。基于文獻(xiàn)研究成果，建立了連接段水流擺動力與河道形態(tài)約束力關(guān)系：

[擺動力約束力=FmFc=QR*×Qmax-QminλQmax2ζ5-4λφ13gB52Jh230+Md13ρ13→]

[FmFc>1.0;無阻隔性FmFc≤1.0;有阻隔性]

式中：R* 為河道深泓彎曲半徑，m;Q為流量，下標(biāo)max、min分別表示最大、最小值，反映流量變幅，m3/s;ζ為平灘河相系數(shù);d為河床中值粒徑，m;B為平灘河寬，m;h0為平灘水深，m;J為坡降;M為河岸地質(zhì)評分;φ為河彎的彎曲度。

東流水道的上游為馬當(dāng)河段，中間由東流直水道連接，通過上下游聯(lián)動性關(guān)系指標(biāo)的計(jì)算認(rèn)為（圖5）：東流直水道能阻隔馬當(dāng)河段河勢調(diào)整對東流水道灘槽形態(tài)及汊道分流關(guān)系的影響，其上下游河勢調(diào)整關(guān)系具有相對獨(dú)立性。近期馬當(dāng)水道的汊道分流比、東流直水道河勢出現(xiàn)一定調(diào)整，但東流直水道仍能阻隔馬當(dāng)河段河勢調(diào)整向下游傳遞，其阻隔性強(qiáng)度有所減弱。

4.2 進(jìn)口段灘槽形態(tài)調(diào)整的影響

從長江中下游分汊河段進(jìn)口段的邊灘與汊道分流比上看，進(jìn)口段邊灘縱向的上下移動、橫向展寬與萎縮等均會影響汊道分流比的調(diào)整[15-16]。從河道形態(tài)上看（圖6）：在洪水期水流進(jìn)入東流水道放寬段后趨直，有利于老虎灘左汊進(jìn)流;在中枯水時(shí)期，磯頭挑流作用減弱，水流繞過磯頭更容易走彎，有利于東港進(jìn)流。2007年以前，左岸桃樹灘邊灘變化較小，為相對穩(wěn)定且完整的邊灘（圖6）;2010年以來，桃樹灘邊灘上半段沖刷較為明顯，東角沖一帶大幅淤漲，勢必會加壓主流擺向右岸，促使東港的沖刷發(fā)展。由于東流直水道具有阻隔上游馬當(dāng)河段河勢調(diào)整傳遞的作用，桃樹灘邊灘形態(tài)變化主要與來水來沙條件有關(guān)，即水沙條件仍是東流水道汊道分流比變化的主要因素。

4.3 水沙輸移條件的影響

4.3.1 底沙輸移的影響

結(jié)合定床輸沙試驗(yàn)研究[17]，定床輸沙強(qiáng)度的斷面分布具有以下特點(diǎn)（圖7）。

（1）老虎灘左汊為主輸沙通道，左汊與東港的泥沙輸移比例約為4∶1，分流比約為2∶1，泥沙主要集中在老虎灘左汊內(nèi)輸移。

（2）蓮花洲港與西港過渡段的分流比接近，但輸沙帶分布隨流量變化有較大調(diào)整。在枯水時(shí)，西港輸沙強(qiáng)度大于蓮花洲港，隨流量增大至平灘流量時(shí)，蓮花洲港輸沙強(qiáng)度高于西港，兩汊的泥沙輸移比例約為1∶1。當(dāng)流量超過平灘流量時(shí)，上游來沙集中在老虎灘左汊的深槽內(nèi)輸移，導(dǎo)致西港過渡段輸沙強(qiáng)度增大，蓮花洲港與西港過渡段泥沙輸移比例為1∶3。

4.3.2 年間差別性水沙過程影響

經(jīng)歷1998年和1999年大洪水過程，東流水道西港處于快速發(fā)展階段，洪水引起河道整體淤積，其中，西港淤積較顯著，2000年以后西港沖刷并使分流比快速增加，對應(yīng)東港分流比大幅減少。2010年大水過程，東流水道正處于東港發(fā)展階段，雖然洪水仍造成了河床整體淤積，在東港淤積的狀態(tài)下分流比仍處于增加態(tài)勢，對應(yīng)的西港分流比為減少態(tài)勢。2003年12月至2009年12月期間，東港分流比增幅為16.6%，年均增幅為2.7%;西港分流比減少11.8%，年均減幅為1.9%。經(jīng)歷2010年水文過程后，東港分流比增加約10%，西港減少約16.2%。

4.4 望東長江大橋建設(shè)的影響

圖8為東流水道望東長江大橋上游代表斷面變化，2001年11月至2003年3月左岸為淤漲態(tài)勢，深槽略有沖深。2003年3月至2009年12月左岸0 m線以上沖刷，0 m線以下至深槽為淤積態(tài)勢。2009年12月至2010年4月斷面形態(tài)變化不大。2010年4月至2010年11月左岸邊灘大幅沖刷，深槽略有淤積。2010年11月至2012年9月左岸邊灘沖刷并形成近岸竄溝，對應(yīng)深槽淤積。2012年9月至2014年2月左岸邊灘繼續(xù)沖刷，近岸竄溝進(jìn)一步發(fā)展，對應(yīng)深槽也表現(xiàn)出顯著的沖刷態(tài)勢。綜合而言，東流水道進(jìn)口斷面左岸邊灘竄溝發(fā)育及灘面刷低，引起進(jìn)口段水流相對分散。望東長江大橋下游斷面分析可知，2001年11月至2010年11月期間左岸邊灘為持續(xù)淤漲態(tài)勢，對應(yīng)深槽沖刷，右岸沖刷顯著，這一沖刷過程主要出現(xiàn)在2007年10月至2010年11月期間。2010年11月至2014年2月期間，左岸0 m以上灘體沖刷，0 m至深槽區(qū)域?yàn)橛俜e趨勢，對應(yīng)深槽至右岸為沖刷態(tài)勢。

2011年12月20日，望東長江公路大橋開工開建，至2012年10月27日，橋梁北岸棧橋已經(jīng)修建完成至48號墩，該墩位于北岸大堤內(nèi)，距離左岸側(cè)大堤為270 m，施工處河床高程（黃海基面）為12.105 m。2012年12月5日，橋梁主體工程開始建設(shè);2015年5月13日，大橋北主體（塔）封頂，2016年底竣工通車（圖9）。望東長江大橋建設(shè)影響包括：施工棧橋自左岸伸入江中約1 000 m，擠壓過流斷面，引起分流區(qū)主流右擺，有利于東港發(fā)展;橋梁施工結(jié)束后，棧橋?qū)Ω浇逓⑾掠毋獾婪至鞅鹊挠绊懼饾u減弱或消失。

近期，東流水道存在一定的采砂活動，對東港進(jìn)口區(qū)域的局部地形產(chǎn)生一定影響，也是東港和老虎灘左槽分流比調(diào)整的原因之一。

5結(jié) 論

（1）1999～2004年期間，東港為洪水傾向型汊道，西港為枯水傾向型汊道。2005～2009年期間，受航道整治工程的影響，東流水道的汊道分流比處于調(diào)整期，東港分流比與流量的關(guān)系不顯著，西港仍為枯水傾向型汊道。2010～2018年期間，東港為枯水傾向型汊道，西港為洪水傾向型汊道，汊道屬性發(fā)生轉(zhuǎn)變。

（2）東流水道老虎灘左汊和右汊分流比變化與上游馬當(dāng)河段汊道分流關(guān)系調(diào)整關(guān)系不密切。汊道間底沙輸移分配關(guān)系與分流關(guān)系不協(xié)調(diào)，老虎灘左汊及西港的底沙輸移強(qiáng)度高于老虎灘左汊及蓮花洲汊道，進(jìn)一步加速了東流水道汊道分流關(guān)系的調(diào)整趨勢。2010年以來東流水道進(jìn)口左岸邊灘上沖下淤特征顯著，擠壓水流擺向右岸側(cè)引起老虎灘右汊分流比增加。航道整治工程的實(shí)施減弱了老虎灘左汊及西港的洪水傾向性強(qiáng)度，望東長江大橋施工期棧橋運(yùn)行對局部洲灘存在一定影響。

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（編輯：李 慧）

Research on branch diversion characteristics and diversion ratio adjustment mechanism of Dongliu reach of lower Yangtze River

ZHANG Hong1， ZHANG Ming2

（1. Water Administrative Enforcement Brigade， Yichang 443000， China; 2. Changjiang Waterway Institute of Planning and Design，

Wuhan 430040， China）

Abstract： The lower reaches of the Yangtze River are dominated by branch reaches， which have complicated channel conditions and are difficult in channel regulation. The research on branch diversion characteristics and driving mechanism of diversion ratio adjustment is important to the determination of main navigation branch in dry season. Based on the analysis of the characteristics of erosion and deposition in Dongliu reach of lower Yangtze River， the driving mechanism of diversion ratio adjustment in the past 10 years was discussed. The results showed that from 1999 to 2004， the diversion ratio of Donggang branch increased in flood period， while that of Xigang branch increased in dry period; from 2005 to 2009， in the first phase of waterway regulation， the relationship between the diversion ratio of Donggang branch and the flow was not significant， and the diversion ratio of Xigang branch increased in dry period; from 2010 to 2018， the branch flow characteristics of Donggang and Xigang was reversed. The sediment transport intensity from the left branch of Laohu bar to Xigang was larger than that from the left branch of Laohu bar to Lianhuazhou branch ， which further accelerated the adjustment trend of the diversion ratio.

Key words： branching flows;diversion ratio;adjustment mechanism;Dongliu reach;navigation condition; lower Yangtze River