長江中下游馬當河段和東流水道演變關聯性特征探討

車 瑞,張 瑋,于 倩

(1.上?？睖y設計研究院有限公司,上海 200020;2.河海大學 港口海岸與近海工程學院,南京 210098;3.上海投資咨詢集團有限公司,上海 200020)

分汊河道在長江中下游大量存在,有些汊道段的河勢調整后會繼續傳遞到下游,使得下游河道演變受到上游河勢調整的影響;而有些汊道段的河勢調整后將不再向下游傳遞[1]。上游河勢調整能夠傳遞至下游或者下游河勢調整能夠影響上游的河段被稱為具有關聯性。目前,河段的關聯性分析主要為定性分析[2-5],定量分析尚在探索階段[6-7]。定性分析法指根據研究區域多年實測水文地形資料或數學模型,研究兩河段間的河勢演變特征,分析河段間的關聯性關系;定量分析法是以實測資料或者模型計算為主要數據來源,按照某種數理方式進行加工整理,得出河段間的關聯性關系。本文同時采用定性與定量分析法,基于大量的實測水文地形資料和數學模型對馬當水道和東流水道之間的關聯性關系進行分析。

1 河段概況

馬當河段位于長江下游九江市至安慶市之間,上起小孤山,下至華陽河口,江中骨牌洲將河床分成南北兩汊,主流走南汊,主航道亦位于南汊,從上至下由馬當南水道、馬當阻塞線水道組成,全長約30 km。東流水道位于馬當河段下游,上起華陽河口,下迄吉陽磯,全長約31 km,屬順直分汊河道。該河道在老虎灘洲頭形成一級分汊,被江心老虎灘分為南、北兩汊。南汊為東港水道,北汊為老虎灘北槽。老虎灘北槽在娘娘樹下游水域被玉帶洲分為南北兩支,形成二級分汊。其中,北支為蓮花洲港水道;南支又被天沙洲分為天玉串溝和西港,河道形勢見圖1。

圖1 馬當-東流河段河勢Fig.1 River regime of Madang-Dongliu waterway

2 各汊道自然演變情況

2.1 馬當河段汊道演變

(1)歷史演變。

從馬當河段的歷史演變可以看到(圖2),在1923年—1930年測圖上,北汊中段彎頂處發生大幅度的沖刷崩退,河道進一步向北展寬,河寬由1842年—1880年的6.76 km增加到8.85 km,北汊更顯彎曲。與此同時,江心洲灘發生不同程度的淤積擴大,相互之間逐漸有灘地相連,北汊整體淤淺,深泓南移,南汊轉而明顯優于北汊,南汊下段的馬阻汊道也發生了類似的變化,瓜子洲北汊逐漸淤淺而南汊沖刷發展。

2-a 1923年—1930年 2-b 1942年 2-c 1958年—1963年 2-d 1970年圖2 馬當河段河勢演變Fig.2 Evolution of Madang channel

1931年以后,馬當河段河勢無太大變化,南汊一直保持主汊地位,北汊進一步淤窄、彎曲,南北汊之間河寬繼續增加,1942年增至9.25 km,1958年—1963年增至9.4 km,江心洲灘進一步淤積合并,洲灘之間的竄溝減少,1942年減至3條,1959年經人為圍堵,最后一條竄溝也終于消失,江心洲完全連成一片。與此同時,南汊下段的馬阻汊道北汊進一步淤淺、南汊沖刷發展,瓜子號洲有所增大。至1970年,已基本形成目前的河勢,南汊穩居主汊地位,主流過小孤山直接進入南汊,始終沿南岸下行進入下游水道。

(2)近期演變。

最近幾十年,馬當河段的岸線總體變化較小,河勢基本保持穩定。對于馬阻水道,總體來說南部岸線局部崩退、北部岸線局部淤長,其中瓜子號洲體岸線在2000年以后基本保持穩定。對于馬當南水道,骨牌洲自20世紀70年代至21世紀初,左岸洲頭經歷了淤長而又沖刷后退的過程,現在基本保持穩定;右岸洲頭由于相關部門實施了護岸工程,岸線相對穩定。南北汊深槽沿程沖淤變化頻繁,但總體上：南汊沿程均有所沖深,據統計深泓縱剖面10 m以下面積可知(表1),面積由1976年7.8萬m2至1986年增加到10.9萬m2,至2007年增加到11.7萬m2,再到2009年增加到13.9萬m2,根據計算,2007年1月至2008年3月南汊沖刷量為110.65萬m3,2008年3月至2009年4月南汊沖刷量達224.65萬m3,沖刷十分顯著;而北汊的進口段逐年淤淺明顯,中下段在1998年、1999年大洪水后發生大幅度淤積。

表1 馬當河段兩汊深泓沖淤變化統計表Tab.1 Statistics of scouring and silting changes of thalweg at two branches of Madang reach m2

2.2 東流水道汊道演變

(1)歷史演變。

在1923年—1949年,蓮花洲港為主汊,航道條件較好。在進口段水流動力軸線位于天心洲左側,在中部和下部水流動力軸線位于蓮花洲港內;左岸雷港口附近岸線崩退,使得左岸河道拓寬;因為玉帶洲的形成,使附近河道分為兩汊,河槽容易發生淤塞,東流水道灘群面積總體上呈擴大趨勢。在此期間,河道左岸以及江心洲左岸的共同崩退,使得東流灘群的高灘從河道的左側移至河道的右側(圖3)。

圖3 東流水道歷史演變圖Fig.3 Evolution of Dongliu waterway

(2)近期演變。

①老西港為主汊(1950年—1975年)

在這個階段,老西港經歷了從發展到成熟再到衰退的過程,河道岸線明顯向左側崩退(圖4)。在1950年—1955年,雷港口—娘娘樹與蓮花洲港一帶的邊灘均有所發育并向河道平行下移,這導致了水流動力軸線在枯水期向右側偏轉,蓮花洲港進口段航道淤塞,航行條件變差,西港過流量增加。在1960年前后,老西港枯水期分流比達到62.2%,老西港發展至成熟期。但是受到水道內上灘群尾部發育下延的影響,老西港的過流條件持續惡化,水流又開始偏向蓮花洲港。從表2可以看出,1974年4月與1960年3月相比,兩者均為漲水初期,但老西港分流比減少13.2%。

表2 1960年—1982年東流水道各汊分流比變化Tab.2 Variation of diversion ratio of each branch of Dongliu channel from 1960 to 1982

圖4 東流水道近期演變圖(1950年—1975年)Fig.4 Recent evolution of Dongliu waterway from 1950 to 1975

②老西港衰亡、新的西港形成(1976年—1991年)

在這個階段,老西港經歷了從衰退到衰亡的過程,新西港經歷了從孕育到發展的過程,蓮花洲港經歷了從發展到成熟再到衰退的過程,與此同時,東港一直保持相對穩定的狀態;在進行整治護岸工程后左岸的崩退受到控制(圖5)。在1976年,水道上灘群尾部持續發育下延,最終使老西港完全堵塞。1983年之后,橫流切割水道上灘群尾部形成串溝,經過不斷的發展最終孕育出了新西港。在1974年—1982年,老西港的分流比持續下降,到1982年分流比僅為8%,與此同時,蓮花洲港分流大幅度增加至54.9%(表2)。新西港形成后分流效果明顯,蓮花洲港分流比在1988年又下降到44%(表3)。

表3 1988年—2003年東流水道各汊分流比變化Tab.3 Splitting ratio statistics of each branching channel of Dongliu waterway from 1988 to 2003

圖5 東流水道近期演變圖(1976年—1991年)Fig.5 Recent evolution of Dongliu waterway from 1976 to 1991

③西港發展至鼎盛時期(1992年—2003年)

隨著天沙洲洲頭的沖刷崩退,水流向右側偏轉,蓮花洲港逐漸淤積堵塞,西港進口段的河槽得到拓寬(圖6),在枯水期過渡段的分流比由1988年的19.8%增加至2000年的41.6%(表3)。在1998年和1999年,老虎灘中下部和西港淺灘由于長江流域的兩次大洪水發生嚴重淤積。洪災后,東流水道上、下灘群形態依然相對穩定,河道岸線沒有明顯的變化,西港在經過短暫的調整后發展趨勢依舊。與此同時,老虎灘尾部淤積下延,使主流與西港進口偏離角度增大,西港過流能力減小,天玉竄溝開始發展。

圖6 東流水道近期演變圖(1992年—2003年)Fig.6 Recent evolution of Dongliu waterway from 1992 to 2003

根據歷年實測資料,馬當河段在1923年—1930年,江心洲灘淤積擴大,相互之間逐漸有灘地相連,北汊整體淤淺,深泓南移,南汊沖刷發展;在1931年—1969年,南汊保持主汊地位,北汊進一步淤窄,江心洲逐漸連成一片,瓜子號洲有所增大;1970年至今,已基本形成目前的河勢,南汊穩居主汊地位,主流過小孤山直接進入南汊,始終沿南岸下行進入下游水道(圖2)。馬當河段近百年來的變化體現了類似彎曲型汊道的演變特性,總體演變趨勢是南興北衰。東流水道分汊段多年來呈西港興衰交替的交替性演變規律：1923年—1949年,蓮花洲港為主汊;1950年—1975年,老西港為主汊;1976年—1991年,老西港衰亡、新西港形成;1992年—2003年,新西港發展至鼎盛時期(圖7)。

7-a 左側沿程水位變化7-b 右側沿程水位變化圖7 沿程水位驗證驗證Fig.7 Verification of water level along the way

對比馬當河段和東流水道年際演變規律可以看出,馬當河段的演變趨勢一直是南興北衰,而東流水道演變卻呈交替性變化,上下游河段的演變時間并不同步,馬當-東流河段過渡段阻止了馬當河勢調整傳遞至東流水道。此外,從圖2和圖7可以看出,長期以來馬當—東流河段過渡段河道形態始終保持穩定,也表明馬當河勢調整沒有向下游傳遞。

3 關聯性模型計算分析

3.1 模型建立與驗證

建立馬當-東流河段的二維水動力模型,模型所需的控制方程、邊界條件、動邊界技術等原理詳見文獻[8-10]。計算時上游進口邊界由實測流量控制,下游出口邊界由實測水位控制,河段內的整治工程作為固有邊界考慮。采用2013年10月、2014年2月中水、枯水流量進行了水流驗證[11],限于篇幅,表4、圖7、圖8給出了部分水位、流速、分流比驗證結果。計算的水面線、流速分布、分流比情況與實測值符合較好。

表4 馬當-東流水道汊道分流比驗證Tab.4 Verification of branching ratio of Madang-Dongliu channel

8-a MD1枯水斷面 8-b MD3枯水斷面圖8 枯水斷面流速分布Fig.8 Velocity distribution in low flow section

3.2 上游河勢變化

利用馬當-東流河段數學模型,在河道邊界條件、來水來沙等其他因素相同的情況下,通過疏浚、筑壩等手段改變馬當圓水道分流比,分析其在各級流量下對東流水道各汊道分流比的改變,探討上游馬當河段河勢變化對東流水道的影響?？菟畷r地形資料采用2014年2月實測地形數據,中洪水時上游馬當河段地形資料采用2014年2月實測地形數據、下游東流水道采用2013年10月實測地形數據。

(1)封堵馬當圓水道。

骨牌洲右汊為主汊,左汊為支汊,即馬當圓水道,左汊分流比僅為0.9%～13.6%。將馬當圓水道進口布置閘門進行封堵,各級流量下均不過水,其分流比減小為0。

表5給出了洪中枯水流量下,馬當圓水道封堵后,馬當河段和東流水道各汊道分流比變化。由表5可見,封堵馬當圓水道后,棉外洲左汊分流比改變較大,因為馬當圓水道封堵后,棉外洲左汊距離馬當圓水道入口最近,因此受影響最大。而對東流水道各汊道分流比基本沒有影響,變化范圍在-0.07%～0.08%。由此可見,當馬當河段河勢發生較大變化時,東流水道各汊基本保持不變,其主要原因是主流在馬當河段與東流水道之間的順直微彎段得到歸順,使得東流水道入口段邊界條件始終保持穩定。

表5 封堵馬當圓水道后汊道分流比變化Tab.5 Change of diversion ratio of inlet after blocking Madang circular channel

(2)疏浚馬當圓水道。

采取將馬當圓水道浚深10 m的辦法,達到增加其分流比的目的。由表6可見,在洪中枯水流量下,馬當圓水道分流比增加到17.28%～18.92%,而東流水道各汊分流比變化范圍在-0.06%～0.04%,變化微小,這表明馬當河段河勢調整沒有向下游東流水道傳遞,馬當河段與東流水道之間的順直微彎段起到了阻隔性作用。顯而易見,若沒有順直微彎段的存在,主流得不到歸順,馬當圓水道增加的分流比將直趨下游,東流水道河勢將隨之發生改變。

表6 疏浚馬當圓水道后汊道分流比變化Tab.6 Variation of diversion ratio of inlet after dredging Madang circular channel

根據以上分析,不論上游河勢如何調整,主流在馬當河段與東流水道之間的順直微彎段都得到了一定程度的歸順,有利于減小馬當河段對東流水道的影響,馬當河段汊道分流比的變化對東流水道影響微小,東流水道的汊道演變是在特定的邊界條件下,由水道自身水沙運動規律所導致。

3.3 公式定量計算

文獻[6-7]通過實測資料分析、理論研究及數學模型計算等手段,建立了水流擺動力與河道邊界約束力的關系,表達式如下

(1)

式中：Fm為主流擺動力;Fc為河道邊界約束力;R0為河灣水流動力軸線彎曲半徑,m;R*為河灣彎曲半徑,m。

從式(1)可知,Ψ值代表了河道邊界對主流擺動的約束作用,顯而易見,Ψ值越小,河段就越不可能具有關聯性。當Ψ<1時,河段的擺動力小于約束力,河段不具有關聯性;當Ψ>1時,河段的擺動力大于約束力,河段具有關聯性。

利用馬當-東流河段的數學模型,計算該河段在洪中枯水流量下的水流過程。計算斷面選取順直微彎段的河灣位置,斷面編號為1#、2#、3#(見圖9)。河灣彎曲半徑采用河道左右兩側0 m等深線彎曲半徑的平均值進行計算,并利用河灣彎曲半徑來表示河道邊界約束力。

圖9 過渡段計算斷面示意圖Fig.9 Schematic diagram of transition section calculation section

由計算結果可知,馬當河段與東流水道之間順直微彎段的水流動力軸線枯水傍岸、洪水取直的規律較為明顯,在不同流量級下的主流平面位置相差不大,即便馬當河段流量發生較大變化,進入過渡段的水流動力軸線擺動也相對較小,為下游東流水道進口段提供了穩定的入流條件,不會對東流水道演變產生明顯影響。馬當河段與東流水道之間順直微彎段的左岸0 m等深線在枯水期離岸較遠,流量越大越貼近岸邊;右岸邊坡梯度較大,所以各流量級下0 m等深線之間距離較近,但是也可明顯看出0 m等深線在流量小時離岸較遠,流量大時貼近岸邊。

由表7可知,主流擺動力與河道邊界約束力的比值隨著流量的增加而增大,因為流量的變化是導致主流擺動的根本原因,流量越大水流動力軸線的擺動幅度也越大,在流量大的情況下河段也就越可能具有關聯性。順直微彎段3個河灣斷面的水流擺動力與邊界約束力的比值始終小于1,這說明在不同的流量下,其河道均能有效約束水流動力軸線的擺動,因此不具有關聯上游河勢調整向下游傳遞的特性。

表7 過渡段關聯性計算Tab.7 Transition section correlation calculation

4 結論與建議

(1)根據歷年實測資料分析,馬當河段河勢調整沒有向下游東流水道傳遞,兩河段之間不具有關聯性。

(2)通過建立馬當-東流河段數學模型,通過疏浚、筑壩等手段改變馬當圓水道分流比,探討上游馬當河段河勢變化對東流水道的影響,結果表明馬當河段汊道分流比的變化對東流水道影響微小。

(3)馬當河段與東流水道之間順直微彎段的水流擺動力與邊界約束力的比值始終小于1,這說明在不同的流量下,順直微彎段的河道均能有效約束水流動力軸線的擺動,該河段不具有關聯性。