長江口南支河段演變特征及趨勢預(yù)測研究

摘要：

長江口為海陸雙向河口，其南支受洪潮共同影響，河道演變較為復(fù)雜。在分析南支河段河道演變特征的基礎(chǔ)上，通過建立長江口南支河段河工模型，重點開展了南支演變趨勢預(yù)測研究。河演分析表明：20世紀(jì)60年代之后，徐六涇人工節(jié)點基本形成，上游河勢變化對南支河床演變的影響明顯減弱，南支河段江岸基本穩(wěn)定，灘槽位置相對穩(wěn)定。定床模型試驗結(jié)果表明：模擬河段最大漲急流速為2.26 m/s，最大落急流速為2.69 m/s。動床模型試驗結(jié)果表明：2016～2020年（循環(huán)4次）+100 a一遇水沙年+300 a一遇水沙年試驗條件作用后，典型斷面最深點相對沖深約7.8 m。研究成果可為類似河段演變分析提供參考。

關(guān)鍵詞：

河道演變； 河工模型； 演變趨勢； 長江口； 南支河段

中圖法分類號：TV142.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.01.009

文章編號：1006-0081（2025）01-0049-07

0 引 言

長江口是中國最大的河口，河道演變復(fù)雜［1-3］。在上游減沙及人類活動雙重影響下，長江口尤其是南支河段的演變規(guī)律和變化趨勢是目前研究熱點之一［4-8］。長江口河段上起徐六涇，下至口外原50號燈標(biāo)，全長181.8 km，平面呈扇形，為三級分汊、四口入海的河勢格局。長江口為海陸雙向河口，受徑流、潮流、上游河勢、風(fēng)暴潮及人類活動等諸多因素影響，其河道演變較為復(fù)雜，長江口河勢圖見圖1。近50多年，北支分流比不斷減小，呈緩慢淤積萎縮態(tài)勢；南支分流比增加，河道內(nèi)局部沙洲、暗沙沖淤變化仍較劇烈，其上段白茆沙汊道段的分流比年際間略有調(diào)整，近20多年分汊格局基本保持相對穩(wěn)定。

近年來，許多學(xué)者對長江口南支河段的演變規(guī)律和趨勢開展了研究。張東等［9］基于可見光遙感測深技術(shù)，開展了長江口南支河段河勢演變規(guī)律研究；吳帥虎等［10］利用實測資料，分析和探討了南支河段河槽演變過程及其對人類活動的響應(yīng)；徐俊等［11］重點分析了20世紀(jì)70年代以來白茆沙汊道段近期河床演變特征。欒華龍等［12］對長江口典型灘槽系統(tǒng)近期演變及河勢控制對策進(jìn)行了有益的探討。

本文通過開展整體河工模型試驗，重點研究極端不利水文條件（包括100 a一遇設(shè)計洪水、300 a一遇校核洪水等）及不同組合系列水文年條件下長江口南支河段演變規(guī)律及趨勢，為長江口南支河段的治理和保護(hù)利用提供技術(shù)支撐，也為類似河段演變分析提供參考。

1 南支河段近期演變分析

1.1 河道演變特征

2012年以來，隨著節(jié)點兩岸圈圍工程的實施，徐六涇河寬逐漸縮窄至4.6 km，節(jié)點束流、導(dǎo)流作用持續(xù)增強(qiáng)，深泓線穩(wěn)定在南岸，徐六涇以上河段河勢變化對河口的影響進(jìn)一步減弱。此外，隨著中央沙圈圍及青草沙水庫工程、新瀏河沙護(hù)灘及南沙頭通道限流潛堤工程、白茆沙整治工程等大型涉水工程先后建成，穩(wěn)固了南支河段主要分汊區(qū)段的河床邊界。2012年后南支河段地形沖淤變化見圖2。南支近期河道演變的主要特點如下。

（1） 南支上段。2012～2022年，徐六涇河段主槽“南沖北淤”，白茆沙頭部潛堤南側(cè)壩田區(qū)有所淤淺；七丫口以下南支主槽“北沖南淤”，瀏河口段深槽北偏，扁擔(dān)沙南沿沖蝕北退，灘面竄溝沖刷發(fā)展。其中，2016～2022年，徐六涇河段主槽以沖刷為主，北支進(jìn)口舌狀淺灘總體微淤，七丫口以下南支主槽保持“北沖南淤”態(tài)勢；扁擔(dān)沙灘面淤積。

（2） 南支下段。2012～2022年，瀏河口-新瀏河沙段主槽“北沖南淤”。期間，寶山水道整體沖刷，深槽南擴(kuò)；新橋通道淤積，10 m河槽進(jìn)口縮窄、扭曲。2016～2022年，瀏河口以下主槽呈“北沖南淤”。

1.2 河道演變影響因素分析

影響南支河段演變的主要因素大體可分為以下幾方面。

（1） 主槽落潮動力為主和粉砂質(zhì)河床底質(zhì)條件［13-15］。根據(jù)水文測驗結(jié)果，南支主槽優(yōu)勢流量值均在75%以上，呈明顯的落潮流優(yōu)勢；且南支河床質(zhì)總體較粗，以粉砂和砂為主，相對較容易起動和沉降。因此，南支河段落潮流占絕對優(yōu)勢的動力條件和以粉砂與砂為主的河床泥沙條件，促使了南支主槽的沖淤演變呈現(xiàn)自上而下的傳遞過程。近期，白茆沙南水道持續(xù)發(fā)展，出七丫口后主流北偏，造成（上、下）扁擔(dān)沙南沿上沖下淤。而下扁擔(dān)沙南沿的淤漲南壓，使南支進(jìn)北港的新橋通道過流斷面減小、進(jìn)口萎縮。

（2） 上游河勢變化及來沙變異的影響［16-17］。流域來沙減小、變細(xì)對南支河床演變影響已有所顯現(xiàn)。近期，長江河口來沙減小和變細(xì)也已導(dǎo)致南支主要沙洲面積減少、河槽總?cè)莘e有所擴(kuò)大。已有研究表明，南支河段河床已總體由淤積向沖刷狀態(tài)轉(zhuǎn)變，近年來南支河槽容積的增大與長江流域來沙變異引起的河口河床再調(diào)整有關(guān)。

（3） 北支泥沙倒灌的影響［18-19］。北支倒灌泥沙在出北支口后的水流擴(kuò)散區(qū)沉降，為白茆沙北水道進(jìn)口段淤積提供了沙源。北支倒灌泥沙導(dǎo)致白茆沙北水道難以發(fā)展，甚至在進(jìn)口段出現(xiàn)持續(xù)淤積，相應(yīng)促使了白茆沙南水道的發(fā)展，使白茆沙南、北水道“南強(qiáng)北弱”的態(tài)勢得以維持和加強(qiáng)，進(jìn)而引起下游主槽水動力條件的再調(diào)整。

（4） 區(qū)域內(nèi)人類活動的影響［20-23］。中央沙圈圍及青草沙水庫工程、新瀏河沙護(hù)灘及南沙頭通道限流潛堤工程的實施，使中央沙、新瀏河沙沙頭得到穩(wěn)固，南沙頭通道沖刷發(fā)展態(tài)勢明顯受到遏制，在一定程度上增強(qiáng)了南北港分汊口河段河勢的穩(wěn)定性。

1.3 演變趨勢分析

在上游大洪水發(fā)生概率較小的背景條件下，隨著兩岸岸線和分汊口段邊界的固定，南支河段的總體河勢格局將更加穩(wěn)定，發(fā)生河勢格局大變化的可能性較低。

然而，由于南支河寬仍然較大，河床的沖淤演變?nèi)杂休^大空間。在總體河勢格局穩(wěn)定的大前提下，若不采取相關(guān)的人工措施，在南支河段固有水沙特性、北支泥沙倒灌、流域來沙減少和變細(xì)等各種影響因素的共同作用下，未來一段時間內(nèi)，南支河段內(nèi)的灘槽變化仍將延續(xù)近期的沖淤演變態(tài)勢，如南支河段總體沖刷、白茆沙南北水道“南強(qiáng)北弱”、南支主流出七丫口后北偏、上扁擔(dān)沙南沿切灘沖刷、下扁擔(dān)沙南沿淤漲南壓、新橋通道縮窄、新橋水道上淤下沖等變化態(tài)勢仍將持續(xù)發(fā)展。

2 模型設(shè)計及驗證

2.1 模型設(shè)計

本次模型試驗采用變態(tài)模型，根據(jù)試驗條件，選擇合適的模型比尺。考慮上游進(jìn)口宜選擇在單一段，出口選擇在天然潮位站附近。定床模型試驗研究范圍上起徐六涇，北支下至青龍港，南支下至青草沙水庫尾部，干流全長82 km，其中，徐六涇節(jié)點段長約15 km，南支干流全長約67 km，北支全長約15 km。動床模型試驗?zāi)M范圍上起白茆口，下至長江口南支的吳淞口、北支的牛棚港，干流全長約58 km。由于試驗?zāi)康闹饕獮檠芯款A(yù)測不利水沙條件下河床的沖淤變化趨勢，考慮到長江口南支河段自徐六涇節(jié)點段逐步放寬，在瀏河口以下又逐漸束窄至南北港段，過流斷面變化在瀏河口附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，因此在瀏河口附近取一典型斷面，分析典型斷面附近的極限沖刷，確定斷面極限沖刷包絡(luò)線。選擇2 m等高線作為定、動床的分界線。

根據(jù)模型場地條件和以往長江下游感潮段河工模型試驗經(jīng)驗，選擇模型的平面比尺為1∶800，垂直比尺為125，模型變率η=6.4。模型進(jìn)口以上有扭曲水道連接，模型出口有生潮設(shè)備模擬水流條件，河工模型實拍照片見圖3，典型斷面如圖中藍(lán)線所示。

根據(jù)最新床沙實測資料，2022年8月瀏河口附近取樣點的中值粒徑d50范圍為0.113～0.233 mm，其平均值為0.170 mm。根據(jù)床沙起動流速公式計算起動流速相似的粒徑比尺為1∶0.78，進(jìn)而得出模型沙的設(shè)計中值粒徑d50=0.217 mm。

2.2 模型測控系統(tǒng)

（1） 可變溢流式生潮系統(tǒng)。可變溢流式亦稱水泵尾門式，生潮系統(tǒng)由水泵在模型尾門外部抽水進(jìn)入模型內(nèi)，尾門控制模型水位變化模擬潮汐水流過程［24］，如圖4所示。

（2） 主要測量儀器設(shè)備。不同于內(nèi)河模型試驗［13］，潮水位測量采用南京水利科學(xué)研究院研制的一種超聲波水位儀，流速測量采用南京昊控軟件技術(shù)公司最新研發(fā)的大型表面流場粒子圖像測流系統(tǒng)（簡稱LSPIV），地形觀測采用武漢大學(xué)工程泥沙實驗室研制的ABF2-3二維地形測量系統(tǒng)。

2.3 模型驗證

動床驗證試驗起始地形采用2016年10月測量的1∶10 000的水下地形圖制作，終末地形采用2022年8月最新實測1∶10 000的水下地形。驗證試驗水文條件采用大通站實測流量和輸沙率資料，出口采用相應(yīng)控制站的實測潮位資料，每個試驗水文年下邊界選取3個典型潮位過程。

模型驗證結(jié)果表明：① 各潮位站潮位過程線模型與天然情況吻合程度較好，模型各潮位站潮位與天然實測潮位相比，差值一般在±0.07 m內(nèi)。② 各測點的漲落潮過程和流速量值都比較一致，潮流相位變化驗證較好，驗證流速大小誤差一般均可控制在0.10 m/s范圍內(nèi)，但個別垂線個別時刻誤差較大，最大差值達(dá)0.2 m/s。同時，潮流過程也與原型基本吻合。③ 試驗條件下，南支、北支，南港、北港的分流比最大誤差在0.4%以內(nèi)。④ 河床沖淤變形驗證表明，與原型相比，各分段沖淤量誤差幅度在25%以內(nèi)，模型河床沖淤部位的分布與天然情況基本吻合，且斷面的沖淤變化基本與原型相似，沖淤幅度誤差一般都在1 m以內(nèi)。

動床模型試驗驗證結(jié)果表明，天然河道中的潮位、汊道分流比及河床沖淤變形均在模型中得到了較好復(fù)演，符合模型試驗規(guī)程的有關(guān)規(guī)定。試驗確定模型含沙量比尺和河床沖淤時間比尺分別為1∶0.128和1∶800。

3 模型試驗水文條件

3.1 定床模型試驗水文條件

選用以下3種水文條件作為定床模型試驗條件（表1）：① 防洪設(shè)計洪水及100 a一遇大潮組合。② 97特大潮，上游大通流量為45 500 m3/s，下游邊界采用1997年8月實測天文大潮潮位過程作為邊界控制條件，代表該河段天文大潮下水文條件。③ 枯水大潮，上游大通流量為16 500 m3/s，下游邊界采用100 a一遇大潮。

3.2 動床模型試驗水文條件

采用2016～2020年（循環(huán)4次，共20 a）作為動床模型系列年，同時考慮可能發(fā)生的最不利水沙條件，加上100 a一遇水文年和300 a一遇水文年。

4 結(jié)果及討論

4.1 分流比變化

動床模型試驗系列年第20年末長江口南北支、南支南北港的分流比成果見表2。由表2可知，南支分流比絕對占有的態(tài)勢沒有發(fā)生改變，南北港分流比基本保持各占50%的均勢。

4.2 沿程潮位

防洪設(shè)計洪水、97特大潮和枯水大潮試驗條件下，模型最高潮位均出現(xiàn)在最上游的徐六涇站，3種試驗條件下最高潮位分別為5.12，4.82，4.33 m，防洪設(shè)計洪水條件沿程潮位成果見圖5。最大潮差均出現(xiàn)在扁擔(dān)沙北側(cè)的北港河段，3種試驗條件下最大潮差分別為5.20，4.90，4.38 m，說明北港受漲潮流的影響大于南港。尾門附近處的青草沙南站和徐六涇站的潮位時間相位差約為2 h。

4.3 流速特征

從沿程流速斷面觀測成果來看，南支河段漲急最大流速出現(xiàn)在枯水大潮條件，流速值為2.26 m/s，位于下扁擔(dān)沙以北的深槽內(nèi)；最大落急流速則位于下扁擔(dān)沙以南的深槽內(nèi)，防洪設(shè)計洪水、97特大潮、枯水大潮條件下最大落急流速分別為2.69，2.18，2.14 m/s。

4.4 深泓線變化

南支主槽的深泓線在試驗水沙條件下變化不大，其中，由于航道整治工程的實施，白茆沙頭部所在區(qū)域南側(cè)深泓線南偏明顯，系列年第5年末南偏距離約590 m，第10年末南偏810 m，第20年末南偏850 m，系列年+100 a一遇水文年末南偏距離約920 m，系列年+100 a一遇水文年+300 a一遇水文年末南偏約930 m。蕩茜口—瀏河口段深泓線總體由靠右側(cè)向主槽中部偏移，試驗水沙條件作用后深泓線平面位置相對穩(wěn)定少變，深泓線擺動范圍在500 m以內(nèi)。瀏河口以下段深泓線的變化主要體現(xiàn)在南北港分流點的上提下挫及新瀏河沙潛堤下延工程兩側(cè)，2016～2020年系列年條件下分流點最大下移650 m，典型斷面所在處深泓線平面擺幅在200 m以內(nèi)。系列年+100 a一遇水文年+300 a一遇水文年末分流點位置下移了約4 500 m，但典型斷面處深泓線位置變化不大，最大移動距離在200 m以內(nèi)。

4.5 河床分段沖淤量

河床分段沖淤量統(tǒng)計見表3。由于受白茆沙整治工程促淤及北側(cè)長江口北支進(jìn)口附近淤積的影響，2016～2020系列年白茆口—楊林口河段南側(cè)主槽沖刷，河床中部及北側(cè)淤積，總體來看呈微沖態(tài)勢，但幅度均不大。隨著上游徑流的增大，系列年+100 a一遇水文年末、系列年+100 a一遇水文年+300 a一遇水文年末該段沖刷有所增大。北支上段受徑流的影響較小，主要受漲潮流作用，無論是系列年水沙條件，還是系列年+100 a一遇水文年末、系列年+100 a一遇水文年+300 a一遇水文水沙條件，該段仍呈緩慢淤積萎縮的態(tài)勢。瀏河口附近河段河槽由徐六涇節(jié)點段逐步放寬，2016～2020系列年水沙作用后，除南支主槽呈沖刷趨勢外，大部分邊灘及江中沙體也呈沖刷態(tài)勢或沖淤交替，河段整體上表現(xiàn)為沖刷，隨著上游徑流的增大，系列年+100 a一遇水文年末、系列年+100 a一遇水文年+300 a一遇水文年末該段沖刷明顯加劇。新河港—青草沙中部河段2016～2020系列年、系列年+100 a一遇水文年末、系列年+100 a一遇水文年+300 a一遇水文年末河段整體是以沖刷為主，且隨著徑流的增大，河段沖刷有加劇的趨勢。

4.6 河床平面沖淤特性

動床模型試驗系列年末、系列年+100 a一遇水文年末河道地形沖淤平面圖見圖6。從系列年末平面沖淤地形圖來看，2016～2020年系列年水沙條件作用后，工程河段河床總體呈沖刷態(tài)勢，

沖刷較為明顯的區(qū)域分別為白茆小沙所在河床的主槽、白茆沙南北水道、南支主槽靠扁擔(dān)沙右緣處、上下扁擔(dān)沙竄溝、新橋水道及南北港進(jìn)口靠瀏河沙及中央沙河床。從系列年+100 a一遇水文年末平面沖淤地形圖來看，系列年+100 a一遇水文年水沙作用后，河床總體呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢，除南支主槽和新橋水道呈現(xiàn)較明顯的沖刷外，白茆沙尾、上下扁擔(dān)沙沙體也呈現(xiàn)明顯沖刷態(tài)勢。

4.7 典型斷面深槽變化

典型斷面最深點及深槽統(tǒng)計見表4。從表4中可以看出，經(jīng)歷系列年（2016～2020年，循環(huán)4次）+100 a一遇水文年+300 a一遇水文年水沙過程后，-25 m深槽寬度均有不同程度的增加，系列年第3年末、系列年5年末、系列年10年末、系列年20年末、系列年+100 a一遇水文年末、系列年+100 a一遇水文年+300 a一遇水文年末深槽寬度分別為415，684，886，1 042，1 447，1 693 m，寬度分別增大了335，604，806，962，1 367，1 613 m。系列年第5年末-30 m深槽開始出現(xiàn)，系列年5年末、系列年10年末、系列年20年末、系列年+100 a一遇水文年末、系列年+100 a一遇水文年+300 a一遇水文年末-30 m深槽寬度分別為120，222，425，786，918 m。南支中段主槽是落潮流為主的動力條件作用下塑造的河床，隨著系列年水沙作用時間的增加，深槽是普遍發(fā)展的，尤其是大水年對深槽發(fā)展的作用相對更大，但循環(huán)系列年水沙條件下，隨著時間推移，深槽發(fā)展速率有減緩的趨勢。

5 結(jié) 論

（1） 河演分析表明，20世紀(jì)60年代之后，徐六涇人工節(jié)點基本形成，上游河勢變化對南支河床演變的影響明顯減弱，南支河段江岸基本穩(wěn)定，灘槽位置相對固定，河勢整體相對穩(wěn)定。

（2） 定床模型試驗結(jié)果表明，防洪設(shè)計洪水、97特大潮和枯水大潮試驗條件下，模型最高潮位均出現(xiàn)在最上游的徐六涇站，3種試驗條件下最高潮位分別為5.12，4.82，4.33 m。最大潮差均出現(xiàn)在北港河段，3種試驗條件下最大潮差分別為5.20，4.90，4.38 m，說明北港受漲潮流的影響大于南港。從沿程流速斷面觀測成果來看，南支河段漲急最大流速出現(xiàn)在枯水大潮條件，流速值為2.26 m/s，位于下扁擔(dān)沙以北的深槽內(nèi)；最大落急流速則位于下扁擔(dān)沙以南的深槽內(nèi)，防洪設(shè)計洪水條件下最大落急流速為2.69 m/s。

（3） 動床模型試驗結(jié)果表明，在2016～2020年（循環(huán)4次）+100 a一遇水沙年+300 a一遇水沙年試驗條件下，典型斷面最深點最大相對沖深約7.8 m，沖刷后最深點高程約-34.3 m，試驗過程中最深點位置橫向擺幅為640 m，深槽呈普遍發(fā)展態(tài)勢，試驗?zāi)?25 m深槽寬度為1 693 m。

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（編輯：李 慧）

Research on evolution characteristics and trend prediction of Yangtze River Estuary South Branch

HUANG Yong1，HUANG Weidong2，3，LUAN Hualong2，3，YANG Hanlin2，3，QU Geng2，3，CHEN Yiming2，3

（1.East China Electric Power Design Institute of China Energy Engineering Group，Shanghai 200000，China； 2.River Research Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 3.Key Laboratory of River-Lake Governance and Flood Control in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The Yangtze River Estuary is a two-way estuary of land and sea.The South Branch is influenced by tidal floods，so the river channel evolution is relatively complicated.Based on the analysis of the river channel evolution characteristics in the South Branch section，through the establishment of a hydraulic model for the section，we predicted the evolutionary trends of the South Branch.The analysis of river channel evolution revealed that after the 1960s，the artificial node at Xuliujing was basically formed，the impact of upstream river regime changes on the riverbed evolution of the South Branch was significantly weakened，the riverbanks in the South Branch section were basically stable，with the positions of shoals and channels exhibiting relative stability.The outcomes of the fixed-bed model test indicated that the maximum velocity at flood tide in the simulated river section was 2.26 m/s，and the maximum velocity at ebb tide was 2.69 m/s.The findings from the moving bed model test disclosed that following the test conditions of 2016 to 2020 （four cycles） + once-in-a-century flow and sediment year + once-in-a-300 flow and sediment year，the relative scour depth of the deepest point of the typical section was approximately 7.8 m.The research results can provide a reference for the evolution analysis of similar river reach.

Key words：

river channel evolution； river engineering model；" Yangtze River Estuary； South Branch