長江下游東流水道近期河槽形態及平灘流量變化

宋云濤　徐雪鴻　楊涵苑　左利欽　許慧

摘 要：東流水道歷史上主支汊頻繁改道、灘槽劇烈變化，長期以來是長江下游重點礙航淺灘之一。三峽水庫運行后，同時受到航道整治工程作用，東流水道河床處于持續調整中。河槽形態和平灘流量變化是河道治理和保護利用中的重要參數，根據2012～2018年東流水道水下地形和水沙系列資料，采用河段平均計算法，得到河段尺度的平灘河槽形態參數及平灘流量變化過程。結果表明：2018年河段平灘面積及平灘流量較2012年分別增大2.1%、3.3%。2014年前平灘水深減小2.8%，平灘河寬增大至2511.1m;2014年后，平灘水深減小至14.5m，平灘河寬增大4.6%，表明該河段洲灘橫向展寬較縱向沖刷大，需進一步加強洲灘守護。

關鍵詞：東流水道;長江下游;河槽形態;平灘流量;河床調整

中圖分類號：TV147? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0144-04

1前言

東流水道位于安慶上游30至60km處，屬順直分汊河道。長期以來，由于灘槽演變劇烈、主支汊頻繁轉換等特點，導致主槽及航道頻繁改道，使其成為長江下游重點礙航河段之一^[1]。為改善東流水道航道條件，2004～2014年該河段先后實施了一、二期航道整治工程，使得部分關鍵洲灘得到了較好的守護。三峽水庫蓄水后，長江中下游河段水沙條件大幅改變，河床劇烈沖刷造成河槽形態大幅調整，如河床沖刷下切、河岸側向侵蝕、江心洲或心灘萎縮等^[2-4]。因此有必要研究三峽工程運用后近期東流水道斷面形態調整特點。

He等^[5]認為平灘河槽形態參數及平灘流量是河道治理、流域生境修復、岸灘土地利用等相關工程中的重要評估參數。在河道的長期演變中，平灘流量作用下的河床斷面形態變化通常最為劇烈^[6]。由于河段內斷面形態沿程分布的不均勻性，某一特定斷面變化難以描述整體河段的調整特點，因此需要開展河段尺度的河槽形態時空變化分析。以往平灘參數的單一均值估算法不滿足水流連續條件，且忽視了不同斷面間距的影響^[7-8]。針對上述問題，Xia等^[9-10]采用基于對數變換的幾何平均值與斷面間距加權平均值相結合的方法，計算分析了黃河下游三種河型的平灘河槽形態及平灘流量的變化過程;Lin等^[11]采用河段平均法量化了長江中游深泓線擺動與平灘河槽形態的變化關系，并研究了上下游河勢控制對河道斷面形態調整的影響;王英珍等^[12]從河段尺度探討了汛期及非汛期黃河下游游蕩段對上游來水來沙的響應機制，并建立了平灘面積及平灘流量與水沙條件的經驗關系。

本文根據三峽工程運用后2012～2018年東流水道實測地形及水文數據，采用基于對數變換的幾何平均值與斷面間距加權平均值相結合的河段平均法，得到河段尺度的平灘河槽形態參數及平灘流量變化過程，揭示了東流水道近期平灘河槽形態及過流能力的調整特點，為類似河段研究提供借鑒。

2研究區域概況

2.1 研究河段

東流水道位于長江下游九江—安慶段內，上起華陽河口，下至吉陽磯，全長約 31km，屬于典型的順直分汊河型^[13-14]。河段沿程分布有老虎灘、天沙洲、玉帶洲等大片灘群，水流流經老虎灘后被分為南北兩汊（即東港、西港），經玉帶洲后又被分為蓮花洲港及天玉串溝。灘槽此消彼長，主支汊興衰交替。為改善東流水道航道格局，先后在此河段實施了一、二期航道整治工程。其中一期工程于2004年2月開工，2008年3月完工，主要建設有老虎灘守護工程、左岸丁壩群工程及玉帶洲頭魚骨壩工程。二期航道整治工程于2012年11月開工，2014年4月主體基本完工，主要建設有老虎灘頭魚骨壩工程、老虎灘左緣護灘帶加固工程、天玉串溝守護工程及老虎崗護岸工程。

2.2 河床沖淤變化

東流水道二期整治工程通過建設老虎灘灘頭魚骨壩等工程基本穩定了河段洲灘演變格局，使得東港沖刷態勢大幅減緩，有利于西港通航條件的改善^[15]。圖2表明，2012年后河段內沖淤交替，局部沖淤調整較大，老虎灘左汊深槽繼續沖深并向上下游延伸，沖刷深度約為2～4m，右汊沖刷幅度較小。玉帶洲洲頭淤積明顯，右汊中下段以沖刷為主，其中未護段受水流侵蝕作用有崩岸現象出現，左汊逐步淤積抬升。2016～2018年，河段整體沖淤幅度相比二期工程完工前較小。老虎灘右汊由沖刷轉為淤積態勢，淤積厚度約為1～2m;左汊沖刷量相比2012～2016年大幅減小，沖刷深度沿程逐步增大，其中上游段沖深約1～3m，下游段達4～5m。玉帶洲右汊中下段、棉花洲右汊仍以沖刷為主，沖刷深度約為1～5m。

3 研究方法

3.1 平灘高程確定

平灘河槽形態一般通過平灘面積、平灘水深及平灘河寬表征。基于Xia等[9]提出的平灘高程確定方法，當灘唇明顯時，采用主槽兩側較低灘唇的高程作為平灘高程;當灘唇不易確定時，可通過對比分析相鄰斷面平灘高程綜合確定。圖3以2012年凌家嘴斷面為例，給出了平灘高程確定方法的直觀表述。根據上述方法，確定其平灘高程為12.1m;兩岸灘唇的間距即為平灘河寬（Bbf），1635.8m;計算平灘水位與河槽所圍面積得到平灘面積（Abf）為28325.6m²;進一步得到平灘水深（Hbf）為17.32m（Hbf =Abf/ Bbf）。

3.2 河段尺度的平灘河槽形態參數及流量計算

根據Xia等^[9]提出的河段平均法，采用下式計算河段尺度的平灘河槽形態參數：

式中：L為計算河段長度，N為斷面總數，x_i為第i個斷面距起始點的距離。

平灘流量一般指某一斷面水位與灘唇齊平時通過該斷面的流量^[16-17]，根據實測水文資料中的水位流量關系得到平灘高程對應流量即為斷面平灘流量，再根據式（4）計算河段尺度的平灘流量：

4研究結果

4.1 平灘河槽形態參數調整

根據東流水道2012～2018年地形資料，計算得到斷面及河段尺度的平灘河槽形態參數。圖4給出了老虎灘及玉帶洲典型斷面的河槽調整過程，計算結果表明：對于老虎灘斷面，其平灘水深呈現先減小后增大，再減小的變化趨勢。其中2014年平灘水深達到最小值10.9m，2014～2015年平灘水深增大為11.8m，表明這期間河槽處于沖刷下切狀態，2015年后平灘水深基本保持穩定。平灘河寬的變化趨勢與平灘水深相反，至2018年平灘河寬達到最大值3127.3m。平灘面積呈現先減小后增大的變化趨勢，2018年平灘面積達到最大值36093.3m2，相比最小值（2014年）增大約11%。玉帶洲斷面平灘水深及平灘河寬的整體變化相對較小，其變化趨勢基本與老虎灘一致，其中平灘水深在2018年達到最小值11.8m，相比最大值（2012年）減小約10.4%;平灘河寬則相反，2018年達到最大值2922.4m，相比最小值（2012年）增大約2.7%。平灘面積整體呈減小趨勢，2018年平灘面積為34509.5m2，相比2012年減小2587.2m2，減幅為7%。

由于河段沿程各斷面河槽形態調整過程存在一定差異，難以反應整體河段調整規律，故采用3.2節中河段平均法，計算得到東流水道2012～2018年河段尺度的平灘河槽形態參數變化（見圖5）。由圖可知，受三峽工程運行及河道整治工程影響，平灘面積變化較為穩定，整體處于37340～38126m2范圍內波動，二期整治工程主體完工后平灘面積逐年增加，至2018年達到最大值38125.6m2，相比2012年增大約2.1%。2012～2014年河段來流量減小，枯水期河槽沖刷強度降低，使得平灘水深減小至14.86m，減幅為2.8%。2015年平灘水深迅速回升，此后進一步減小至2018年的14.5m，相比2012年減幅達5%。平灘河寬變化趨勢與平灘水深相反：2012～2014年平灘河寬由2442.9m增加至2511.1m;2015年流量小于20000m3/s天數顯著減少，退水過程加快，汛后沖刷幅度減弱，平灘河寬減小為2450.5m，隨后增加至2018年的2626m，增幅為4.6%。

總體而言，由于三峽工程運行后該河段總體沖刷，同時整治工程的陸續實施，受各類護岸工程限制，主槽兩側灘唇變化較小，2012～2018年東流水道平灘面積及河寬有所增加，而平灘水深總體減少，這說明沖刷導致平灘面積增大，因河寬展寬較多，平灘水深反而略有減小，表明洲灘沖刷較多。河段徑流量的年際變化及年內分布差異造成灘槽沖淤演變及河勢調整，使得平灘水深及河寬整體年際間有所波動。

4.2 平灘流量調整

平灘流量是反應河道過流能力與輸沙能力的關鍵指標，由于該流量下水流流速大、輸沙率高，因此常稱為造床流量[18-19]。圖6（a）給出了東流水道2012～2018年3個典型斷面平灘流量的變化過程，由圖可知：凌家嘴斷面2012～2014年平灘流量逐年遞減，最小值為37665m3/s，而后增加至2018年的42521m3/s，增幅為12.9%。老虎灘斷面2012～2015年平灘流量基本保持不變，2015年后平灘流量由41646m3/s增大至49750m3/s（2018年），增幅達19.5%，大幅提高了河槽過流能力。玉帶洲斷面平灘流量變化趨勢在2015年前與凌家嘴斷面一致，隨后由于平灘河寬束窄、平灘面積縮減，2018年平灘流量降為35593m3/s，基本恢復至2014年的流量狀態。

由于各典型斷面平灘河槽形態、所受水流及床面阻力不同，使得沿程平灘流量計算結果差別較大，為進一步研究整體河段平灘流量調整過程，同樣采用Xia等[9]提出的河段平均法，計算了河段尺度的平灘流量變化如圖6（b）所示。結果表明：河段平灘流量整體呈遞增趨勢，二期整治工程主體完工前，平灘流量基本不變，2014年后平灘流量由51422m3/s逐年增加至2018年的53342m3/s，相比2012年增幅為3.3%。主要由于三峽工程運行后該河段沿程沖刷，平灘河寬2012～2018年增大7.5%，河道過流能力增強，使得平灘流量總體呈上升趨勢。

5 結論

采用長江下游東流水道2012～2018年實測地形及水文資料，分析了該河段近期平灘河槽形態及流量調整特點，結果表明：受河道整體沖刷影響，平灘面積增加2.1%。2014年前，平灘河寬由2442.9m增加至2511.1m;2014年后平灘河寬增大4.6%。平灘流量整體呈增大趨勢，2018年達到53342m3/s，較2012年增幅為3.3%。表明近期河道平灘面積和過流能力有所增強，河寬增加大于平灘水深增加，需進一步加強洲灘守護。

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基金項目：國家重點研發計劃項目（2016YFC0402103）;國家自然科學基金項目（52071221;U2040219）;長江航道科技項目。