長江下游東北水道河床演變對(duì)航道的影響及治理研究

王寧 ，劉鵬飛 *，劉萬利 ，楊云平

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

1 河道概況

1.1 河道特征

長江下游東北水道上起八里江口，與張家洲水道相連，下迄小孤山，與馬當(dāng)水道相接，全長約34 km，如圖1。水道平面呈兩頭窄、中間寬的微彎形態(tài)，其中八里江口—前門壩段為湖口水道，為順直放寬河型，左岸存在四洲圩邊灘；前門壩—小孤山段為東北水道，為微彎分汊河型，下三號(hào)洲將河道分為東北橫水道和東北直水道，左汊東北橫水道是主汊，右汊東北直水道為支汊，東北橫水道內(nèi)存在過渡段淺灘[1]。

圖1 東北水道河勢圖Fig.1 River regime sketch of Dongbei waterway

1.2 水沙變化

東北水道來水來沙包括長江上游干流來水來沙和鄱陽湖支流入?yún)R，其中鄱陽湖支流入?yún)R量相對(duì)較小，來水來沙主要受長江干流影響。

水道上游35 km處的九江站水文特征能夠基本反映東北水道的來水來沙特性。1988—2015年，九江水文站歷年最大年徑流量為9 590億m3（1998年），歷年最小年徑流量為5 381億m3（2006年），流量年內(nèi)分配不均勻，主要集中在汛期5—10月，約占全年的70.8%。三峽蓄水前年徑流量多年平均為8 182億m3，三峽蓄水后多年平均為7 051億m3，蓄水后較蓄水前減少13.8%，表明上游來流量有所減小，但幅度不大。三峽蓄水后，受三峽工程攔沙和長江上游來沙量減小等因素影響，九江站輸沙量大幅度減小。2003年以前年平均輸沙量為2.78億t，2003年以后輸沙量逐年遞減，至2015年年輸沙量僅為0.55億t，較蓄水前年平均輸沙量減少79.8%。隨著來沙量減小，河段內(nèi)泥沙輸移幅度增大，將導(dǎo)致河段內(nèi)灘槽沖淤調(diào)整等變化。

1.3 汊道分流比變化

下三號(hào)洲左汊（東北橫水道）自20世紀(jì)70年代成為通航主汊道以來，分流比基本保持在85%以上。對(duì)比不同流量下左汊分流比變化，下三號(hào)洲左汊分流比隨流量增加而減小。長江中下游河道的深槽基本遵循“洪季淤積，枯季沖刷”的基本規(guī)律，洪季分流比減小，不利于航槽沖刷[2]。

2 河床演變過程及特征

根據(jù)20世紀(jì)50年代以來本水道上下段灘槽的變化及汊道的興衰情況，東北水道近期演變大致可分為3個(gè)階段，第一階段為1950年代—1970年代初，第二階段為1970年代中期—2000年，第三階段為2000年以來，各階段演變特征如下[1-3]。

2.1 1950年代—1970年代初

本階段河段上段湖口水道洪水河寬相對(duì)較小，左岸無明顯邊灘，下段下三號(hào)洲左汊（東北橫水道）為主汊，下三號(hào)洲右汊為支汊，如圖2。東北水道左汊灘槽變化劇烈，個(gè)別年份淤積嚴(yán)重，右汊深槽相對(duì)穩(wěn)定，4.5 m等深線貫通，為通航主航道。

2.2 1970年代中期—2000年

本階段湖口水道深泓右擺，右岸持續(xù)崩退，左岸邊灘不斷發(fā)育，受湖口水道灘槽變化的影響，東北水道下三號(hào)洲左汊入流條件較好，右汊則持續(xù)萎縮，左汊航道條件為較好時(shí)期。

2.3 2000年以來

圖2 東北水道0 m線變化Fig.2 The variation chart of 0 m line in Dongbei waterway

湖口水道右岸實(shí)施了一系列護(hù)岸工程穩(wěn)定岸線，同時(shí)隨著三峽水庫蓄水運(yùn)行，上游來沙量大幅減小，四洲圩邊灘出現(xiàn)竄溝并逐漸發(fā)育，下三號(hào)洲左緣灘地不斷沖刷，上三號(hào)洲尾至新壩段崩岸，東北橫水道過渡段展寬淤積、出現(xiàn)沙包，河道趨向?qū)挏\態(tài)勢，航道條件有向不利方向發(fā)展的趨勢。

2.3.1 四洲圩邊灘變化

當(dāng)右岸崩退受到控制后，左邊灘進(jìn)一步發(fā)育的空間受到限制，同時(shí)三峽蓄水后來沙量大幅減小，導(dǎo)致四洲圩邊灘頭部低灘及邊灘左側(cè)沖刷，臨岸竄溝，竄溝規(guī)模不斷變大。2000年四洲圩邊灘左側(cè)被沖刷，貼左岸出現(xiàn)了竄溝；2003年以后，竄溝進(jìn)口處沖淤交替，竄溝中下部則不斷沖刷發(fā)展，2004年竄溝0 m線后退了1 200余m，最大水深為5.4 m；至2012年11月，左側(cè)竄溝0 m線下延至邊灘尾部，與新洲前的竄溝幾乎貫通，2013年4月左側(cè)竄溝與新洲前竄溝已經(jīng)貫通，如圖3。2014年3月四洲圩邊灘竄溝進(jìn)口有所淤積、中后部沖刷，規(guī)模依然較大。

圖3 四洲圩邊灘0 m線變化Fig.3 The variation chart of 0 m line on marginal bank of Sizhouwei

2.3.2 下三號(hào)洲洲頭及左緣灘地變化

近年來下三號(hào)洲洲頭低灘表現(xiàn)為沖刷為主，高灘則有沖有淤，下三號(hào)洲洲頭灘地縱剖面變化如圖4所示。2007年11月—2008年9月，洲頭低灘沖刷幅度約1～2 m，高灘有所淤積，幅度約為0.3～0.9 m；至2010年11月，灘體整體受沖，低灘最大沖深約1.2 m，高灘區(qū)域沖刷幅度約為2 m；2010年11月—2012年11月，低灘表現(xiàn)為沖刷，最大沖深約1 m，高灘則表現(xiàn)為淤積，最大淤高約4.5 m。

圖4 下三號(hào)洲洲頭灘地縱剖面變化Fig.4 The variation chart of longitudinal section of beach land in Xiasanhaozhou

2.3.3 東北橫水道岸線變化

東北橫水道過渡段左岸為河道凹岸，彎頂在新壩附近，水利部門在新壩附近實(shí)施了護(hù)岸措施。三峽蓄水運(yùn)用以來，上三號(hào)洲洲尾至新壩左岸岸線持續(xù)崩退，2003年11月—2014年3月，該岸線沿線平均崩退了約90 m，其中原守護(hù)岸線崩退也較明顯，局部存在窩崩。東北橫水道過渡段右岸即下三號(hào)洲左緣中上段岸坡也明顯崩退，2007年11月—2014年3月該岸線崩退了約55 m。

2.3.4 東北橫水道深泓線變化

隨著下三號(hào)洲左緣灘地沖刷、河道左岸岸線崩退，東北橫水道河道展寬，深泓線在河道中擺動(dòng)頻繁。2005—2007年，東北橫水道深泓線向右擺動(dòng)，最大擺幅約320 m，2009年向左擺動(dòng)，最大擺動(dòng)幅度約350 m，2010年又向右擺動(dòng)，最大擺動(dòng)幅度約210 m，至2012年擺動(dòng)至左側(cè)，最大擺幅約230 m，2014年該處深泓又有所左擺，東北橫水道深泓線平面變化示意圖如圖5所示。深泓擺動(dòng)頻繁，擺動(dòng)幅度較大，對(duì)過渡段航道條件的穩(wěn)定不利。

圖5 東北橫水道深泓線平面變化示意圖Fig.5 The plane variation sketch of talweg of Dongbei waterway transverse channel

3 洲灘變化與航道的關(guān)系分析

3.1 河道演變關(guān)聯(lián)性及礙航特性

下三號(hào)洲汊道和湖口水道的灘槽變化是密切相關(guān)的，兩者間存在對(duì)應(yīng)或呼應(yīng)關(guān)系，構(gòu)成為沖積性河流演變的一個(gè)響應(yīng)系統(tǒng)。在演變過程中的不同階段，其呼應(yīng)關(guān)系及礙航特性分別表現(xiàn)為：

1）當(dāng)湖口水道河寬較窄、左岸無明顯邊灘時(shí)，下三號(hào)洲左汊內(nèi)河床沖淤變化較大，過渡段淺灘表現(xiàn)為礙航，主航道走下三號(hào)洲右汊。

2）當(dāng)湖口水道河寬增大、左岸存在較為穩(wěn)定的邊灘時(shí)，下三號(hào)洲左汊過渡段淺灘不礙航，主航道走下三號(hào)洲左汊。

3）當(dāng)湖口水道河寬較寬、左岸邊灘出現(xiàn)竄溝和沖刷，下三號(hào)洲左汊深泓擺動(dòng)頻繁，航道邊界失穩(wěn)，過渡段航道條件向不利方向發(fā)展。如2005年，過渡段內(nèi)江心出現(xiàn)零星淺包，導(dǎo)致航寬大幅減小。

3.2 東北水道河床演變對(duì)航道的影響

四洲圩邊灘左側(cè)竄溝不斷沖刷，河段呈雙槽狀，竄溝沖刷發(fā)展，不僅會(huì)影響湖口水道主航道的穩(wěn)定性，還會(huì)對(duì)下三號(hào)洲分汊段航道條件造成不利影響。1）竄溝繼續(xù)發(fā)展將改變湖口水道目前較好的灘槽格局，造成主槽水流分散減少，影響主航道穩(wěn)定；2）新汊道出流將頂沖河段主流，改變下三號(hào)洲分汊段水流動(dòng)力特性，對(duì)下三號(hào)洲左緣灘地的穩(wěn)定及過渡段航道條件的穩(wěn)定不利；3）竄溝沖刷下移的泥沙易淤積在下三號(hào)洲左汊的過渡段內(nèi)，導(dǎo)致過渡段出淺礙航。

隨著沖刷的持續(xù)和發(fā)展，下三號(hào)洲左緣灘地持續(xù)沖刷，下三號(hào)洲左緣岸坡崩退，左岸上三號(hào)洲至新壩一帶岸線不斷崩退，河道表現(xiàn)為雙向展寬，向?qū)挏\型發(fā)展。兩岸岸線崩退，也不斷為過渡段提供淤積的沙源。上游灘槽格局調(diào)整與下三號(hào)洲左汊河床沖刷作用相互交織，導(dǎo)致過渡段淺區(qū)不穩(wěn)定，易于泥沙落淤，不利年份易出現(xiàn)淺包，對(duì)航道穩(wěn)定不利。

通過物理模型開展趨勢預(yù)測表明，四洲圩邊灘左側(cè)竄溝持續(xù)沖刷發(fā)展，下三號(hào)洲左汊雙向展寬，左岸上三號(hào)洲洲尾至新壩一帶岸線持續(xù)崩退，下三號(hào)洲左緣灘地沖刷后退，導(dǎo)致過渡段河寬增大，過渡段淤積，過渡段航道條件在長系列水文年條件下，4.5 m航寬不斷縮窄，不利年份4.5 m線寬度僅155 m，航道條件呈明顯不利的態(tài)勢[4-6]。

4 整治思路與治理方案

東北水道航道條件受制于三峽蓄水后河段內(nèi)灘槽格局的調(diào)整變化，湖口水道穩(wěn)定的左邊灘、下三號(hào)洲左汊穩(wěn)定的邊界是對(duì)本水道航道條件有利的條件。三峽工程蓄水運(yùn)用以來，隨著水沙條件的變化，東北水道航道條件總體穩(wěn)定，但由于清水下泄，四洲圩邊灘沖刷、竄溝發(fā)展，下三號(hào)洲左緣灘地沖刷、左岸上三號(hào)洲至新壩一帶岸線崩退，過渡段左右邊界雙向展寬，導(dǎo)致過渡段航道條件出現(xiàn)不利變化趨勢。因此，本河段航道的治理思路為采取工程措施遏制灘槽格局向不利方向變化的趨勢，維持目前較好的航道條件，避免航道條件向不利方向發(fā)展。

基于上述航道治理思路，2016年本水道實(shí)施了以4.5 m×200 m×1 050 m（水深×航寬×彎曲半徑）為目標(biāo)的航道整治工程。在四洲圩邊灘竄溝中上部建設(shè)2條護(hù)灘（底）帶，守護(hù)四洲圩邊灘，遏制竄溝發(fā)展，籍以穩(wěn)定湖口水道的灘槽格局，并穩(wěn)定東北橫水道的入流條件；在下三號(hào)洲左緣建設(shè)3條護(hù)灘帶和左緣岸坡護(hù)岸，在上三號(hào)洲尾建設(shè)護(hù)岸、加固新壩一帶已有護(hù)岸，對(duì)下三號(hào)洲左緣灘地、岸坡以及東北橫水道左岸上三號(hào)洲尾至新壩一帶岸坡進(jìn)行守護(hù)，穩(wěn)定過渡段兩岸岸線，抑制下三號(hào)洲左緣灘地沖刷后退，遏制過渡段展寬，改善過渡段中枯水水流動(dòng)力，沖刷淤積泥沙，從而穩(wěn)定航道條件。根據(jù)2017年8月河段測圖，工程實(shí)施后河段內(nèi)河勢及灘槽格局基本穩(wěn)定，水道內(nèi)4.5 m等深線最窄處寬度超過800 m，滿足建設(shè)目標(biāo)。

5 結(jié)論與建議

1）東北水道自20世紀(jì)70年代以來，曾經(jīng)歷了河岸的崩退、邊灘淤長、主航道易位等變化，河勢處于不斷調(diào)整之中。河段上下灘槽間存在密切關(guān)聯(lián)性，構(gòu)成沖積性河流演變的一個(gè)響應(yīng)系統(tǒng)，河段內(nèi)洲灘演變與航道條件變化密切相關(guān)。

2）三峽水庫蓄水后，本水道河床變化總體表現(xiàn)為低灘沖刷、竄溝發(fā)展、局部岸坡崩退的態(tài)勢。上游灘槽格局調(diào)整與下三號(hào)洲左汊河床沖刷作用相互交織，導(dǎo)致過渡段淺區(qū)不穩(wěn)定，易于泥沙落淤，不利年份易出現(xiàn)淺包，不利于航道穩(wěn)定。

3）基于遏制灘槽格局向不利方向變化的趨勢，維持目前較好的航道條件的治理思路，提出對(duì)四洲圩邊灘竄溝、下三號(hào)洲左緣灘地及岸坡、下三號(hào)洲尾至新壩崩岸段等關(guān)鍵部位進(jìn)行守護(hù)的治理方案。