新水沙條件與整治工程下和暢洲汊道演變分析

范紅霞，王建中，朱立俊

(南京水利科學(xué)研究院 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

長江中下游廣泛發(fā)育有江心洲分汊河道，上游眾多干、支流水庫的調(diào)蓄運(yùn)行，顯著改變了壩下游河段水文泥沙過程。對江心洲河道演變特征和規(guī)律的分析是河流地貌研究的重要組成部分，掌握新水沙條件運(yùn)行下分汊河道演變特性與趨勢，對河道治理、航道開發(fā)和保護(hù)與修復(fù)等具有重要意義[1-5]。和暢洲汊道位于長江鎮(zhèn)揚(yáng)河段下段，是長江下游典型的江心洲分汊河道，歷史上多次主支汊易位，是長江下游演變劇烈的河段之一，歷經(jīng)多次治理。眾多學(xué)者對其演變特征與治理效果開展了相關(guān)研究[6-10]。2003年三峽水庫蓄水前，上段人工護(hù)岸限制形成的六圩彎道穩(wěn)定少變，但和暢洲左汊（自然江面，不通航）持續(xù)沖刷發(fā)展，右汊（長江主航道）持續(xù)單向淤積萎縮，不利于河道治理和航運(yùn)發(fā)展。為了限制左汊發(fā)展，2002年水利部門開始實(shí)施口門控制工程，2003年主體潛壩工程基本完工，工程后左汊迅猛發(fā)展的勢頭得到初步遏制，但右汊水動力仍顯不足，河床仍緩慢淤積，航道條件繼續(xù)惡化。為了提升右汊主航道通航能力，2015年交通部門在左汊上中段新建了兩道潛壩，工程后左汊分流比進(jìn)一步減少，兩汊持續(xù)沖刷，尤其左汊潛壩區(qū)局部沖刷顯著。受三峽工程運(yùn)行后新水沙條件的影響，以及河道治理與航道整治工程的作用，和暢洲汊道及其上游六圩彎道河床演變出現(xiàn)了新的變化特征[11-13]。

本文在大量實(shí)測資料基礎(chǔ)上，分析了近年來新水沙條件和人類活動雙重作用下和暢洲汊道演變特征，為相關(guān)部門把握和暢洲汊道演變趨勢、監(jiān)測潛壩工程運(yùn)營安全和航道維護(hù)管理提供支撐，也為類似分汊河道治理提供借鑒。

1 河段特性

1.1 河道概況

和暢洲汊道位于長江鎮(zhèn)揚(yáng)河段下段，上游為六圩彎道，下游為大港水道，河道形勢見圖1。世業(yè)洲尾—沙道口為六圩彎道，平面形態(tài)為單一河彎，左側(cè)為深槽、右側(cè)為征潤洲邊灘；0 m河床平均河寬1 624 m，平均水深20.5 m。沙道口—和暢洲尾為和暢洲汊道，左汊為主汊，自然江面，未開通航道，2019年實(shí)測分流比約64%，0 m河床平均河寬1 236 m，平均水深23.5 m；右汊為支汊，為長江主航道，分流比約36%，0 m河床平均河寬895 m，平均水深13.7 m。和暢洲汊道匯流口—五峰山為大港水道，全長約8 km，0 m平均河寬1 301 m，平均水深為24.6 m(表1)。

表1 和暢洲汊道0 m河槽斷面要素統(tǒng)計(jì)（2019年）Tab.1 The 0 m section characteristics of Hechangzhou branch in 2019

圖1 和暢洲汊道及其上下游河勢（2019年4月）Fig.1 River regime of upper and lower reaches of Hechangzhou branch (Apr.2019)

1.2 水沙特性

1.2.1 年徑流總量與輸沙總量 本河段水沙特性以上游大通水文站資料為代表，三峽水庫蓄水前后大通水文站徑流總量均值分別為9 080億m3和8 444億m3，徑流總量在三峽水庫蓄水前后變化不大，見圖2。多年平均流量、平灘流量及多年平均洪峰流量分別為28 500、48 150和59 400 m3/s。自1951年以來，大通水文站輸沙總量呈階段性減少，2003年三峽工程運(yùn)行后減幅更加顯著。2003—2018年大通水文站輸沙總量均值1.34億t，與水庫運(yùn)行前1951—2002年的4.27億t相比減幅達(dá)70%，見圖3。

圖2 大通水文站徑流總量歷年變化Fig.2 Change of total runoff discharges of Datong hydrological station over the years

圖3 大通水文站輸沙總量歷年變化Fig.3 The total sediment transport changes of Datong hydrological station in recent years

1.2.2 潮位特征 本河段屬感潮河段，但距河口較遠(yuǎn)，潮波變形十分顯著，潮汐作用相對較弱。據(jù)鎮(zhèn)江北固山水位站近40余年資料統(tǒng)計(jì)，歷年最高潮位6.7 m，最低潮位?0.65 m，最大潮差2.32 m，最小潮差0 m，多年平均潮差為0.96 m。潮位平均落潮歷時與漲潮歷時的比值為3∶l，漲潮歷時為3.25 h，落潮歷時為9.17 h。

1.2.3 懸沙含沙量與泥沙粒徑 根據(jù)實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，2010年枯季河段含沙量0.03 kg/m3，懸移質(zhì)中值粒徑均值0.008 mm，床沙中值粒徑均值0.15 mm。2013年洪季含沙量0.14～0.20 kg/m3，懸移質(zhì)中值粒徑范圍0.006～0.010 mm，床沙中值粒徑均值0.24 mm。2017年洪季含沙量0.05～0.09 kg/m3，懸移質(zhì)中值粒徑0.013 mm，床沙中值粒徑范圍0.14～0.36 mm，均值為0.18 mm。新水沙條件運(yùn)行后，本河段含沙量顯著減小，床沙中值粒徑變化不大，但懸移質(zhì)中值粒徑由2010年的0.008 mm增加至2017年的0.013 mm，有加粗的趨勢。

1.3 河道邊界

本河段大部分岸段尤其北岸河床邊界為現(xiàn)代長江沖積形成的岸灘，具有上層為河漫灘相亞黏土、下層為河床相粉細(xì)砂的二元結(jié)構(gòu)，抗沖性差、易被沖刷，也易形成崩窩，六圩彎道北岸歷史上強(qiáng)烈崩退，和暢洲洲體左緣也數(shù)次發(fā)生窩崩。和暢洲右汊—五峰山處于南岸為寧鎮(zhèn)山脈北麓，土質(zhì)較堅(jiān)硬，江岸抗沖性較強(qiáng)。

2 和暢洲水道治理工程概況

2.1 2002—2003年左汊口門控制工程

長江鎮(zhèn)揚(yáng)河段和暢洲左汊口門控制工程位于和暢洲汊道左汊進(jìn)口（位置見圖1），主體工程為一道變坡塑枕潛壩，于2002年6月開工，2003年9月完成全部主體工程。壩頂平臺高程自左岸至右岸分別為+4 m、?20 m和+4 m，阻水面積比約37%，壩頂寬度10 m，總長度為1 600 m，上、下游側(cè)平均邊坡為1∶2.5和1∶3.0。潛壩設(shè)計(jì)縱剖面結(jié)構(gòu)型式見圖4。

圖4 2003年水利部門興建口門潛壩形態(tài)Fig.4 The section of the first submerged dam

2.2 2015—2017年深水航道二期整治工程

和暢洲汊道是長江南京以下12.5 m深水航道6個重點(diǎn)整治礙航淺段之一，二期工程主體內(nèi)容為在左汊上中段新建兩道變坡潛壩（見圖1）。新建1#潛壩距離已建口門潛壩2 100 m，1#與2#潛壩相距1 000 m，潛壩結(jié)構(gòu)為變坡型式，自左岸至右岸壩頂深槽高程分別為+4 m、?6 m、?18 m和+4 m，兩潛壩阻水面積比分別為44.0%和37.4%，潛堤斷面見圖5。二期工程于2015年6月開工建設(shè)，2017年6月整治建筑物工程交工，2018年5月試運(yùn)行，2019年5月實(shí)現(xiàn)竣工驗(yàn)收。

圖5 航道部門新建潛壩設(shè)計(jì)剖面Fig.5 Profiles of the two new submerged dams

3 近年來和暢洲汊道演變特征分析

和暢洲汊道歷史上河勢演變劇烈，河道演變與人類活動密切相關(guān)，上游六圩彎道在強(qiáng)烈干預(yù)下形成人工河彎，和暢洲洲體形成獨(dú)特的長方形外形。2003年以前，六圩彎道河岸基本穩(wěn)定，深槽小幅擺動，河勢總體穩(wěn)定；和暢洲汊道左汊占據(jù)絕對主汊地位，呈進(jìn)一步發(fā)展態(tài)勢，不利于左岸防洪與右岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展。2003年后，三峽水庫蓄水運(yùn)行，河段輸沙量銳減，為遏制左汊繼續(xù)擴(kuò)大、右汊緩慢萎縮的趨勢，改善右汊深水航道條件，水利與交通部門先后實(shí)施了相應(yīng)的整治工程，在新水沙條件與強(qiáng)烈的人工干預(yù)下，和暢洲汊道演變呈現(xiàn)新的特征，且河床還在動態(tài)響應(yīng)調(diào)整過程中。

3.1 六圩彎道

三峽水庫蓄水后六圩彎道演變于2003—2009年、2009—2017年、2017—2019年間呈階段性變化：

（1）洲灘及岸線平面變化。在總體河勢相對穩(wěn)定的前提下，彎道北岸因崩岸出現(xiàn)局部岸線后退（Lw14—15斷面）；征潤洲邊灘先小幅淤積后明顯沖刷后退；與原焦南航道連接的焦南串溝明顯沖深，水道內(nèi)0 m線貫通；征潤洲邊灘外心灘淤漲淤高加快且有并灘跡象（見圖6）。

圖6 六圩彎道2003—2019年0 m線平面變化Fig.6 Plane changes of 0 m depth contour in Liuwei bend from 2003 to 2019

（2）深槽變化。2003年后六圩彎道深槽總體呈向南沖刷擴(kuò)大之勢，同時槽尾向南（右汊）偏轉(zhuǎn)。以?30 m深槽為例，2004—2009年六圩河口以下槽身沖刷小幅擴(kuò)大，和暢洲汊道分流區(qū)槽尾小幅上提且向右汊偏轉(zhuǎn)，2009年后整體明顯展寬，槽尾向左汊下挫400余米，具體見圖7。

圖7 六圩彎道2003—2019年?30 m線平面變化Fig.7 Plane changes of ?30 m depth contour in Liuwei bend from 2003 to 2019

（3）斷面要素。2003年前，六圩彎道形態(tài)已基本適應(yīng)長江來水來沙條件的變化，平均河床斷面面積、平均水深、河槽容積等要素變動不大；2003—2016年，河床總體呈沖刷下切趨勢，尤其是2010—2016年更為顯著，平均斷面面積擴(kuò)大12%、平均水深增加2.1 m，2016年后沖刷速率放緩，平均水深略有減少，見表2。2010年后六圩彎道持續(xù)沖刷下切，是三峽工程運(yùn)行后新水沙條件下，清水下泄引起的長距離沖刷在本河段的河床變化響應(yīng)的結(jié)果。

表2 六圩彎道近年來0 m河床斷面要素變化Tab.2 Changes of 0 m riverbed profile of Liuwei bend

（4）河床沖淤。2003—2009年深槽沖刷為主、洲灘淤積為主（見圖6～9和圖10（a）），總體呈“淤灘沖槽”的特征，0 m河槽容積保持在4.7億m3以內(nèi)；2009—2016年河床呈沖刷之勢，征潤洲尾沖刷尤為明顯，心灘則略有淤積，河槽容積突破5.2億m4（見圖8和圖10（b））；2017年后左汊新建潛壩主體完工，河床下切趨勢變緩，下段深槽略有回淤，河床回淤0.1億m3（見圖8和圖10（c）及（d）），2017年與2019年0 m河槽容積分別為5.17億m3和5.19億m3。六圩彎道河床沖淤變化主要受控于新水沙條件，但2017年后下段深槽小幅回淤且南偏與新建潛壩工程后分流點(diǎn)上提相關(guān)。

圖8 六圩彎道0 m河槽容積變化Fig.8 River capacity changes of Liuwei bend in recent years

3.2 和暢洲汊道

3.2.1 汊道分流比 歷史上六圩彎道與和暢洲汊道河勢演變劇烈，和暢洲主支汊曾多次易位。1986年前左汊為支汊，1977年人民灘鵝頭切割后左汊持續(xù)快速發(fā)展，至1986年分流比達(dá)50.2%，成為主汊，至2002年3月實(shí)測分流比為76%。2003年左汊口門控制工程實(shí)施后，左汊分流比下降約3%，達(dá)到了工程的預(yù)期目標(biāo)；至2010年，左汊分流比維持在72%～73%，隨后 2011—2014年緩慢回升至 74%～75%；2017年深水航道二期工程兩道潛壩實(shí)施后，左汊分流比下降約9%，至64%～66%，2019年1月實(shí)測值為64%，潛壩限流效果顯著。和暢洲汊道左汊分流比歷年變化見圖9。

圖9 和暢洲汊道左汊分流比（1959—2019年）Fig.9 Changes in diversion ratio of Hechangzhou left branch from 1959 to 2019

3.2.2 河床沖淤變化 在和暢洲左汊，河床沖淤變化情況如下：

（1）2003—2015年：2003年水利部門實(shí)施口門控制工程后，左汊潛壩下游4.5 km范圍內(nèi)河床普遍沖刷，強(qiáng)烈沖刷部位集中在壩下2 km范圍內(nèi)。根據(jù)2014年7月實(shí)測水下地形資料，潛壩下游330 m處河床沖刷后最深點(diǎn)高程達(dá)到?62 m，11年以來最大累計(jì)沖刷深度達(dá)20 m以上，見圖10（a）和（b）。

（2）2015—2019年：2015—2017年為左汊上中段深水航道新建兩道潛壩施工期，新建兩道潛壩間特別是2#潛壩下游側(cè)河床局部沖刷顯著，2#潛壩下游側(cè)河床最大沖深達(dá)23 m，沖刷幅度大于10 m的范圍延伸至2#潛壩下游2.7 km處，孟家港以下左汊下段河床則以淤積為主；2017年以后左汊河床沖淤交替，沖刷速率開始減緩，見圖10（c）和（d）。

圖10 近年來和暢洲汊道河床沖淤厚度分布Fig.10 Distribution of erosion and deposition depth of Hechangzhou branch in recent years

在和暢洲右汊，河床沖淤變化情況如下：2003—2009年左汊口門潛壩運(yùn)行初期，右汊河床淤積減緩但仍以緩慢淤積為主，2009—2015年間新水沙條件下清水沖刷效應(yīng)逐步顯現(xiàn)，右汊河床由緩慢淤積逐漸變?yōu)樾》鶝_刷，沖刷首先發(fā)生于右汊中上段；2015年后，隨著左汊新建潛壩逐漸施工至完工，右汊水流動力顯著增強(qiáng)，河床呈現(xiàn)普遍沖刷態(tài)勢，尤其是進(jìn)口段沖刷劇烈，同時右汊凸岸邊灘開始呈現(xiàn)沖刷之勢，12.5 m深水航道航寬由200 m增加至250 m，2019年和暢洲右汊航道運(yùn)行幾乎不需要維護(hù)，整治工程達(dá)到了較為理想的效果。

3.2.3 河槽容積變化 2002—2019年，左汊河槽容積呈小幅下降-緩慢增加-快速增加3個階段。2015年和2017年0 m河槽容積分別為2.586和2.828億m3，兩年內(nèi)沖刷達(dá)0.42億m3，2019年左汊河槽容積小幅回升，與2016年量值相當(dāng)(見圖11)。

圖11 和暢洲左、右汊0 m河槽容積歷年變化Fig.11 Statistics of channel capacity of Hechangzhu branch from 1994 to 2019

4 結(jié) 語

和暢洲汊道的河床演變與上游河勢、來水來沙條件、河道邊界及強(qiáng)烈的人工干預(yù)有關(guān)。隨著三峽水庫蓄水后清水下泄的持續(xù)影響，河床逐漸呈現(xiàn)沖刷之勢，為了控制河勢和改善航道條件，左汊口門及上中段相繼修建了三道潛壩工程。新水沙條件與人類活動雙重控制下，左汊迅速發(fā)展的勢頭得以控制，2003年第一道口門潛壩和2017年兩道潛壩工程后左汊分流比分別下降3%和10%，目前左汊分流比約64%。一方面，潛壩限流作用顯著，右汊水動力得以大幅增強(qiáng)，河床沖淤經(jīng)歷了緩慢淤積-由淤轉(zhuǎn)沖-普遍沖刷，航道條件得以明顯改善；另一方面，潛壩近區(qū)水流紊動劇烈，潛壩間尤其最后一道潛壩下游河床發(fā)生了強(qiáng)烈的局部沖刷，不利于河道邊界穩(wěn)定。同時上游六圩彎道沖刷雖然趨緩，但串溝和心灘有發(fā)育趨勢。這些河道新的演變特征給河勢控制和整治工程效果維持帶來潛在風(fēng)險，應(yīng)加強(qiáng)和暢洲水道整治工程段河床沖淤變化、岸坡穩(wěn)定和航道條件變化的監(jiān)測工作，必要時采取措施確保整治建筑物的安全可靠，保障河勢穩(wěn)定和深水航道的暢通。