長(zhǎng)江下游鰻魚(yú)沙心灘演變特征及趨勢(shì)分析

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江下游水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210000)

鰻魚(yú)沙心灘水域位于長(zhǎng)江下游揚(yáng)中河段左汊。由于該段呈長(zhǎng)順直寬淺形態(tài)，主流擺動(dòng)不定，心灘存在其中，左右深槽沖淤變化較大，容易導(dǎo)致兩側(cè)航槽水深和航寬不足，是長(zhǎng)江下游主要礙航淺灘之一[1]。鰻魚(yú)沙心灘是否穩(wěn)定，將直接影響到長(zhǎng)江下游12.5 m深水航道的建設(shè)，因此掌握其演變規(guī)律是十分必要的。

以往國(guó)內(nèi)關(guān)于鰻魚(yú)沙心灘的研究主要圍繞河段歷史演變和近期演變現(xiàn)象展開(kāi)，幾條順直水道演變的特點(diǎn)可歸納如下：長(zhǎng)順直的河道屬性是淺灘形成的前提[1]，心灘與左、右兩槽沖淤變化密切相關(guān)[2]。研究?jī)?nèi)容大多僅限于針對(duì)已有現(xiàn)象的總結(jié)，未能揭示河床邊界與水沙條件的內(nèi)在聯(lián)系。本文在總結(jié)鰻魚(yú)沙心灘演變特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了鰻魚(yú)沙心灘水流特性，研究水沙條件和河床邊界條件的共同作用對(duì)河床演變的影響，并對(duì)其演變趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 河道概況

1.1 河道基本情況

揚(yáng)中河段上起五峰山，下迄江陰鵝鼻咀，主汊(左汊)總長(zhǎng) 91.7 km，河段進(jìn)出口均由山巖、石磯形成良好的天然節(jié)點(diǎn)控制。太平洲洲體長(zhǎng) 31.0 km，最寬處 11.0 km，是長(zhǎng)江下游最大的江心洲。揚(yáng)中河段按形態(tài)及水流特性可分為上下兩個(gè)特征河段，五峰山至界河口為上段，屬?gòu)澢帚夂佣危溟g包含了太平洲、落成洲、祿安洲、炮子洲等江心洲，水流分汊，鰻魚(yú)沙心灘即位于太平洲左汊；界河口至鵝鼻咀為下段，俗稱江陰水道，全長(zhǎng) 24.4 km，河道平面型態(tài)兩頭窄、中間寬，進(jìn)口段受右岸天生港磯頭岸壁的控制，河寬約1.8 km。

揚(yáng)中河段河勢(shì)見(jiàn)圖1。

1.2 水文泥沙特征

(1)潮位。揚(yáng)中河段潮位受長(zhǎng)江徑流與潮汐雙重影響，為非正規(guī)半日潮。潮位每個(gè)太陽(yáng)日兩漲兩落，并且受上游徑流影響，年內(nèi)變幅較大。

圖1 揚(yáng)中河段河勢(shì)

(2)來(lái)水來(lái)沙。長(zhǎng)江下游感潮河段與非感潮河段的分界點(diǎn)位于安徽池州的大通水文站附近。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大通站以下干流區(qū)間入江流量約占大通站流量的3%左右，因此大通水文站的流量、泥沙特征基本能代表長(zhǎng)江下游來(lái)水、來(lái)沙的基本特征。

三峽水庫(kù)蓄水后以小水少沙年為主，大通站2002年前多年平均年徑流量為9 052億m3，多年平均年輸沙量為 4.27億t，2003～2012多年平均年徑流量較2002年前平均值減小約 7.8%，平均年輸沙量較2002年前減小 66.0%。表明自2003年以來(lái)大通站輸沙量減小明顯。從來(lái)水來(lái)沙的年內(nèi)分配來(lái)看，大通水文站年內(nèi)來(lái)水來(lái)沙主要集中在汛期，5～10月來(lái)水量約占全年的70.7%，來(lái)沙量約占全年的87.3%。大通站流量泥沙特征值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 大通水文站流量、泥沙特征值統(tǒng)計(jì)(1951～2012年)

(3)分流、分沙比。根據(jù)四十多年實(shí)測(cè)太平洲、落成洲的分流、分沙資料統(tǒng)計(jì)分析，太平洲左汊分流在90%左右，歷年變幅小于 3.5%，基本保持穩(wěn)定，分沙比的變化稍大于分流比，歷年變幅小于 8.0%；落成洲右汊分流比1985年為14.1%，分沙比為12.6%，1991年后右汊有所發(fā)展。

2 河床演變分析

2.1 演變特性

鰻魚(yú)沙心灘多年來(lái)主要經(jīng)歷了“形成-發(fā)展-萎縮-恢復(fù)-調(diào)整”的演變過(guò)程。20世紀(jì)50～90年代，上段嘶馬彎道崩岸嚴(yán)重，一部分泥沙由于彎道環(huán)流的作用在對(duì)岸邊灘及落成洲上落淤，一部分泥沙下移至順直河段落淤，導(dǎo)致江心形成散亂心灘——鰻魚(yú)沙，加上該時(shí)期長(zhǎng)江下游多為水少沙多的年份，鰻魚(yú)沙心灘發(fā)育至歷史最高形態(tài)，河道斷面形成兩槽一灘的“W”形態(tài)，河道主流在二墩港附近分兩支進(jìn)入鰻魚(yú)沙左、右槽。90年代中后期長(zhǎng)江頻發(fā)大洪水，因心灘位于順直河道中心，受水流沖刷影響，心灘頭部沖退、尾部下移，總體呈萎縮態(tài)勢(shì)，灘尾受下游河寬的限制基本穩(wěn)定。2001年以后，江中又出現(xiàn)零星心灘，并逐漸恢復(fù)淤長(zhǎng)，灘面最高點(diǎn)位置依然在尾部，2005年心灘尾部最高點(diǎn)高程達(dá)-0.7 m，至2006年心灘頭部向上游淤進(jìn)，中部刷深，形成上、下兩段，灘體基本得到恢復(fù)。2006～2011年，心灘位置雖變化不大，但已分裂為零散灘體，灘體范圍明顯縮小，心灘下段幾乎沖失，灘面高程降至-8 m左右。

鰻魚(yú)沙心灘-10 m心灘歷年變化示意見(jiàn)圖2。

2.2 影響因素分析

影響河床演變的主要因素可概括為進(jìn)口條件、出口條件及河床邊界條件[3]。對(duì)于太平洲分汊段，上游大港水道和下游江陰水道，多年來(lái)河勢(shì)穩(wěn)定，對(duì)河床演變的影響較小；對(duì)于鰻魚(yú)沙心灘，上游嘶馬彎道持續(xù)發(fā)展，二墩港抗沖節(jié)點(diǎn)一直存在，特殊的河床形態(tài)和邊界條件決定了不同流量下河段內(nèi)水沙輸移的特性，對(duì)河床演變有顯著的影響；同時(shí)揚(yáng)中河段的河道整治工程和航道整治工程也對(duì)鰻魚(yú)沙水域的穩(wěn)定起到了積極作用。

圖2 鰻魚(yú)沙心灘-10 m心灘歷年變化

2.2.1 進(jìn)口水沙條件對(duì)鰻魚(yú)沙心灘的影響

嘶馬彎道為太平洲左汊的上段，其演變特點(diǎn)直接影響到下游鰻魚(yú)沙心灘的發(fā)展。嘶馬彎道上起三江營(yíng)，下至高港，為向左彎曲的雙分汊河道，江中靠太平洲一側(cè)分布有落成洲，受五峰山挑流的影響，主流貼凹岸(走落成洲左汊)下行至高港燈凸咀逐漸向右岸過(guò)渡。1981年前，過(guò)渡段深泓頂沖點(diǎn)在三江營(yíng)(淮河入江口)上游約 2.3 km，1981年以后深泓頂沖點(diǎn)逐漸下移，至1998年頂沖點(diǎn)位置已下移到三江營(yíng)下游約1.2 km處。在頂沖點(diǎn)不斷下移的同時(shí)，分流段主泓也隨之右偏趨中，至1998年擺到歷年分流段深泓線的最右側(cè)，1966～1998年，最大右移幅度約1 000 m。1998～2001年，分流段主流線坐彎向左擺，頂沖點(diǎn)上移到三江營(yíng)附近，2001年以后頂沖點(diǎn)位置基本穩(wěn)定，深泓線擺動(dòng)較小。嘶馬彎道近期演變主要表現(xiàn)為：左岸崩退，右岸淤積，崩岸自上而下發(fā)展，目前已下移到高港燈一帶。近年來(lái)，彎道進(jìn)口段深槽緩慢向下游發(fā)展，并向右擴(kuò)大；落成洲頭沖尾淤，洲體下移，落成洲右汊，1966年以后沖刷擴(kuò)大，目前仍呈現(xiàn)發(fā)展的態(tài)勢(shì)；在左岸嘶馬港至引江河口段岸線崩退的同時(shí)，落成洲下游邊灘淤漲擴(kuò)大；邊灘遭水流切割后出現(xiàn)切割體，落成洲右汊出口又形成了新的分汊水流串溝，串溝形成后呈緩慢發(fā)展的趨勢(shì)。

落成洲右汊0 m以下槽蓄量1966～2001年沖刷了784萬(wàn)m3，2001～2011年沖刷了652萬(wàn)m3(見(jiàn)表2)。落成洲右汊發(fā)展和嘶馬彎道崩退沖刷掉的泥沙隨水流下泄，在順直河段淤積，因此在三峽水庫(kù)蓄水，上游來(lái)沙量銳減之后，鰻魚(yú)沙沒(méi)有萎縮消失，反而逐漸恢復(fù)。

表2 落成洲右汊河道槽蓄量變化 萬(wàn)m3

2.2.2 河床邊界對(duì)鰻魚(yú)沙心灘的影響

鰻魚(yú)沙水域上游揚(yáng)彎與引江河口一帶存在礁板沙水下平臺(tái)，抗沖能力較強(qiáng)，起著抑制主流左移的作用，落成洲兩汊水流匯合后，經(jīng)礁板沙水下平臺(tái)挑流自左岸過(guò)渡至右岸二墩港附近。1966年，礁板沙水下平臺(tái)凸出岸邊約400 m，平臺(tái)高程約-16 m，二墩港附近水域由于受主流的頂沖，局部沖刷坑最深點(diǎn)高程達(dá)-56 m。隨著嘶馬彎道崩區(qū)的下移，礁板沙水下平臺(tái)呈崩退態(tài)勢(shì)，至2011年崩退約270 m，目前礁板沙水下平臺(tái)縮小到僅為370 m×85 m，平臺(tái)左側(cè)也出現(xiàn)沖刷，高程已降低至-19 m以下，沖深約3 m，自左向右過(guò)渡的主流頂沖點(diǎn)也逐漸下移。過(guò)渡段主流走向總體呈現(xiàn)左偏、下移，也反映了礁板沙水下平臺(tái)部分沖失后挑流作用的減弱。

1966～1998年隨著過(guò)渡段主流走向的下移，右岸二墩港以下沖刷崩退，二墩港附近水下壩埂顯現(xiàn)，壩埂兩側(cè)深槽刷深。1998年后，壩埂左右槽始終存在，其左槽呈擴(kuò)大趨勢(shì)。因此，只要二墩港水下壩埂具有一定的挑流作用，鰻魚(yú)沙左、右槽會(huì)隨著挑流強(qiáng)弱而變化。

不同流量條件下水流動(dòng)力軸線不同，進(jìn)口節(jié)點(diǎn)的挑流作用強(qiáng)弱有所差異，導(dǎo)致河段水力輸沙特性也不同。根據(jù)彎道出口水流特性，中小水流量條件下，水深較小，水下壩埂挑流作用相對(duì)較強(qiáng)，水流動(dòng)力軸線由右岸節(jié)點(diǎn)向左岸過(guò)渡；隨著流量的增大，壩埂挑流的相對(duì)減弱，主流線沿著右岸下行。

不同流量級(jí)下KAZ08斷面(斷面位置見(jiàn)圖1)流速分布見(jiàn)圖3。

圖3 鰻魚(yú)沙心灘KAZ8斷面流速分布

從圖3可以看出，鰻魚(yú)沙斷面KAZ08流速分布與流量有相關(guān)關(guān)系。當(dāng)流量Qc大于30 000 m3/s時(shí)，主流貼右岸進(jìn)入鰻魚(yú)沙右汊，心灘右槽發(fā)展；當(dāng)流量Qc小于3 000 m3/s時(shí)，主流貼右岸經(jīng)過(guò)水下壩埂的挑流作用進(jìn)入鰻魚(yú)沙左汊，心灘左槽分流比較大。因此，鰻魚(yú)沙水域受二墩港水下壩埂挑流的影響，主流以Qc為界流路不同。借鑒造床流量的概念，定義Qc為影響河床演變的臨界流量，臨界流量是對(duì)造床流量的細(xì)化，是對(duì)河床局部沖淤起決定作用的流量。水下壩埂雖然沒(méi)有石磯節(jié)點(diǎn)挑流作用強(qiáng)烈，但是在一定程度上能影響河勢(shì)變化。

2.2.3 整治工程情況

揚(yáng)中河段三益橋水域的主要治理思路是通過(guò)治理落成洲洲頭，限制落成洲右汊發(fā)展，增強(qiáng)過(guò)渡段淺區(qū)水流動(dòng)力。

鰻魚(yú)沙水域的主要治理思路是維持目前左槽為主航道的格局，通過(guò)分期實(shí)施心灘治理工程，逐步改善航道條件。主要包括兩個(gè)部分：①控制守護(hù)鰻魚(yú)沙心灘，在維持目前相對(duì)有利的灘槽格局的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加大加高心灘，調(diào)整灘槽水流分布，增加淺區(qū)的沖刷能力；②對(duì)局部河段河岸進(jìn)行護(hù)岸加固，穩(wěn)定河道兩岸邊界。

鰻魚(yú)沙心灘頭部守護(hù)工程于2010年10月開(kāi)始實(shí)施，具體工程措施如下：

(1)鰻魚(yú)沙心灘中上段守護(hù)工程。守護(hù)工程頭部位置位于心灘-10 m等高線附近，守護(hù)工程平面上為梭頭加梭柄形，縱向總長(zhǎng)4 986 m，其中前段“梭頭”長(zhǎng)1 264 m，底端寬430 m，后段“梭柄”呈對(duì)稱魚(yú)骨狀，由1縱5橫6條護(hù)底帶組成，縱向護(hù)底帶長(zhǎng)3 722 m，寬200 m，橫向護(hù)底帶長(zhǎng)均為400 m，寬均為80 m，間距600 m；

(2)鰻魚(yú)沙兩岸護(hù)岸加固工程。守護(hù)工程兩側(cè)進(jìn)行護(hù)岸加固措施，其中左岸為北沙洲附近，右岸為東新港附近，護(hù)岸加固長(zhǎng)度分別為1 875 m和5 865 m[4]，守護(hù)工程布置見(jiàn)圖4。

圖4 航道整治鰻魚(yú)沙心灘頭部守護(hù)工程示意

3 趨勢(shì)預(yù)估

3.1 水沙條件變化趨勢(shì)

大通站實(shí)測(cè)資料表明，三峽水庫(kù)蓄水后上游來(lái)沙量大幅減小，平均輸沙量比2002年之前減小66%。而且根據(jù)研究預(yù)測(cè)，上游來(lái)沙量在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)。三峽水庫(kù)對(duì)流量的調(diào)蓄主要體現(xiàn)在汛后退水期的蓄水和枯水期下泄流量的增大。統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)三峽水庫(kù)蓄水后年內(nèi)特征流量持續(xù)時(shí)間，中小水(Q=10 000～20 000 m3/s) 年內(nèi)持續(xù)時(shí)間較三峽水庫(kù)蓄水前增加明顯，對(duì)河段的灘槽演變影響較大; 小水(Q<10 000 m3/s) 水流歸槽，水流條件主要受汛后形成的灘槽格局影響。因此，三峽水庫(kù)蓄水后水沙條件改變主要體現(xiàn)在含沙量的減少、年內(nèi)中小水歷時(shí)的延長(zhǎng)。

3.2 河床演變趨勢(shì)

在自然狀態(tài)下，鰻魚(yú)沙水域受上游來(lái)水來(lái)沙變化以及高港燈節(jié)點(diǎn)和二墩港潛壩挑流強(qiáng)弱的影響，鰻魚(yú)沙沙體呈現(xiàn)分合頻繁、洲頭上提下移、洲尾淤漲或消失。從1991年鰻魚(yú)沙心灘發(fā)育到最大之后，左右槽呈沖淤交替變化。1998年后，長(zhǎng)江水量多為中偏小，特別是2003年三峽水庫(kù)蓄水后，長(zhǎng)江下游沙量明顯偏小，水流歸槽，上游深槽尾偏右，二墩港外側(cè)江中潛壩挑流相對(duì)趨強(qiáng)，左右槽均呈相對(duì)發(fā)展的態(tài)勢(shì)，心灘近期不會(huì)消失。

另外，2010年后受到河道整治工程與航道整治工程的綜合影響，左槽河床局部縱向沖深，心灘及左右槽進(jìn)入到一個(gè)相對(duì)調(diào)整期。目前來(lái)看，隨著兩岸及鰻魚(yú)沙頭部守護(hù)加固，以及隨后的12.5 m深水航道二期整治工程的實(shí)施，該段左、右槽將繼續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 論

(1) 鰻魚(yú)沙心灘多年來(lái)主要經(jīng)歷了“形成-發(fā)展-萎縮-恢復(fù)-調(diào)整”的變化規(guī)律。

(2)三峽水庫(kù)蓄水會(huì)導(dǎo)致研究河段的沖刷，但落成洲右汊下移使這一趨勢(shì)得到緩解，鰻魚(yú)沙心灘處于調(diào)整時(shí)期。

(3) 礁板沙水下平臺(tái)的部分沖失導(dǎo)致左岸頂沖點(diǎn)下移，三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)中小流量導(dǎo)致水下壩埂挑流作用相對(duì)加強(qiáng)，以及航道整治工程的陸續(xù)實(shí)施，均有利于鰻魚(yú)沙灘槽格局的穩(wěn)定，將為長(zhǎng)江下游12.5 m深水航道建設(shè)提供有利條件。