长江小黄洲演变对下游汊道分流特性的影响

徐锡荣，钟 凯，白金霞

(1.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098;2.湖北水利水电职业技术学院，湖北武汉 430070)

长江小黄洲位于长江中下游的安徽省马鞍山市境内，与江苏省南京市交界，是连接长江马鞍山河段与长江南京河段的重要汊道。小黄洲汊道段上接马鞍山河段的江心洲与何家洲，下接南京河段的新济洲汊道段。南京新济洲汊道段分布有新生洲、新济洲、新沙洲、子母洲、新潜洲等河道，属于典型的多汊河道，水流条件复杂(图1)。

从古至今，受上游马鞍山河段及其他因素的影响，长江小黄洲汊道河势一直处在变化之中。由于小黄洲是长江河道重要的节点和控制汊道之一，受小黄洲汊道河势变化的影响，其下游新济洲河段的河势也变化剧烈，给新济洲河段的稳定治理带来了不确定因素。随着南京城市区域的发展，长江南京河段岸线的开发利用已从下游往上游、从江南往江北推进。对于长江南京河段上游的新济洲河段而言，南岸正着手开发铜井段岸线，而北岸下段的10 km多岸线规划为船舶工业园区，并已开始实施。沿江两岸经济发展迫切需要稳定目前的新济洲汊道段河势，为沿江经济发展提供保证。综上所述，进行小黄洲演变对下游南京新济洲汊道段影响研究具有重要意义［1-2］。本文通过建立二维水流数学模型来研究小黄洲演变对下游新济洲汊道分流特性的影响。

图1 长江小黄洲汊道分布Fig.1 Distribution of Xiaohuangzhou bifurcated reach of Yangtze River

1 小黄洲水流特性分析

表1 小黄洲左汊分流比历年变化Table 1 Yearly flow diversion ratio of left branch of Xiaohuangzhou bifurcated reach

河道形态是水沙与河床相互作用的反映，水流冲刷河床，河床约束水流，两者相互制约，相互依存［3］。对于汊道河流，汊道分流比是汊道演变的直接反映。受汊道河势影响，小黄洲左、右汊分流一直处在变化之中。资料显示［4］，近几十年来小黄洲汊道水流变化大体经历了以下几个时段: (a)1959—1973年，小黄洲洲头及右缘的岸线尚未稳定，随着洲头的后退，左汊也处于衰退之中，左汊分流比逐年减小(表1)，右汊分流比逐年增加，其中，洪、枯水分流比分别从16.0%、9.6%左右减小至6.4%、2.0%左右。1959年7月高水左汊分流比在13.0%左右;到1973年6月高水左汊分流比在7.1%，12月低水左汊分流比为2.2%。在此期间，右汊分流比逐年增大，表明右汊发展左汊衰退。(b)20世纪80年代后，小黄洲洲头岸线稳定后，左汊分流比逐年增加，特别是1983年长江大洪水后，左汊分流比急剧增加，至1988年5月，左汊分流比已达23.1%，这一时期是左汊的发展期。1998年9月左汊分流比为23.6%，并逐年缓慢增加，至2008年5月，左汊分流比达26.1%。

图2为小黄洲左汊汛期与枯水期分流比历年变化图。从图2可以看出，虽然小黄洲左汊分流比处在2%～30%之间，但是一般汛期在7%～30%之间变化，枯水期在2%～20%之间变化，枯水期分流比小于洪水期分流比。分析表明，近几十年来，无论是枯水期还是汛期，小黄洲左汊分流经历了从减小到增大再到趋于平稳的变化过程［5］。

图2 小黄洲左汊分流比历年变化Fig.2 Yearly flow diversion ratio of left branch of Xiaohuangzhou bifurcated reach during dry and flood seasons

2 小黄洲演变特性分析

历史上小黄洲所处的马鞍山河段水域宽广，江面辽阔，有许多大大小小的沙洲(图3)，经河道变迁，到20世纪50年代该河段大小沙洲合并为江心洲和小黄洲2个洲。1865年，马鞍山河段的分汊形势已经形成; 1933年，江心洲右汊进口段大，小泰兴洲淤长上伸，江心洲左汊则因左岸崩退而展宽。黄洲边滩淤展下延，渐趋并岸，在该边滩上游又出现黄洲新滩，靠右岸采石边滩下游淤积了一个小新洲。到1946年，黄洲老滩与左岸并接，黄洲新滩则继续淤长，其后经过围垦，成为小黄洲［6］。进入20世纪50年代，恒兴洲一带江岸崩退，小黄洲洲头由新河口冲刷下移到金河口稍上。近几十年来，小黄洲右汊一直保持主汊地位，其主要演变特征表现为小黄洲洲头及左、右缘的强烈崩退，同时，右缘深槽随着大黄洲的崩退和小黄洲洲尾的向下淤展而同步下移。小黄洲左汊是支汊，其主要演变特征是:1959—1973年呈衰退期，分流比减少，河床抬高，断面特征值呈减小趋势，左汊淤积;1973—1986年为快速发展期，分流比从6.8%增大到19.4%，深槽扩大、刷深，断面特征值及河长增大;1986年后呈相对平稳期，分流比持续在20%左右;1998年大水，随着大黄洲江岸岸线的崩退，洲尾仍有所下延，左汊略趋发展。因此，从近几十年来的演变看，小黄洲右汊保持主汊地位，左汊保持支汊地位，目前变化幅度趋于减小［7］。

图3 小黄洲汊道演变Fig.3 Evolution of Xiaohuangzhou bifurcated reach

3 小黄洲演变对下游汊道影响

总体来看，小黄洲汊道河势一直处在变化之中，1999年以后大黄洲江岸实施隐蔽工程和护岸整治工程，有效地遏制了大黄洲江岸的崩退，目前小黄洲汊道段河势相对稳定，但是也存在着一些问题［8-9］，主要表现在:(a)小黄洲汊道两岸在洪水期经常发生崩岸和险工，威胁沿岸工矿企业安全;(b)近期小黄洲左汊仍呈现小幅变化，严重影响左岸下游新济洲汊道河势的稳定，对沿岸码头和取水口造成危害;(c)右汊逐渐发展，主流摆动，滩槽下移，极易导致下游七坝顶冲点上提，加大林山圩至七坝岸线的防洪压力，威胁下游汊道河势的稳定［10］。鉴于小黄洲汊道河势变化可能直接影响下游新济洲汊道段左右岸的稳定，本文结合二维水流数学模型计算结果，进行小黄洲汊道演变对下游新济洲汊道段分流影响研究。

3.1 数学模型的建立

考虑模拟河段的河型特点，本文采用Delft-3D软件建立数学模型。上入口边界选取为小黄洲左右两汊，下出口边界选为研究河段的末端。结合模型的实际情况，二维水流计算的时间步长选为1 min，枯水平均糙率为0.025，洪水平均糙率为0.022。经过验证试验表明，该模型可以满足水位、流速、汊道分流等方面的模拟需要。对天然河道河床特性及河槽基本尺寸起支配作用的是造床流量，结合小黄洲汊道河段的实测资料，取造床流量为45000 m3/s。模型试验选取造床流量下的3个计算方案:(a)现状河道水流特性;(b)小黄洲衰退对下游汊道的影响;(c)小黄洲左汊发展对下游汊道的影响。通过3个计算方案分析小黄洲的演变对下游汊道分流特性的影响。

3.2 小黄洲及其下游汊道水流关系

表2 造床流量下现状河道各汊道分流比Table 2 Flow diversion ratios of current river reaches with channel-forming discharge

小黄洲下游新济洲河段包括新生洲、新济洲、新沙洲、子母洲、新潜洲等汊道，其中，新生洲从20世纪90年代前一直保持左汊为主汊演变为目前以右汊为主汊，左汊分流比从60%多一直减小到现在的30%多，变化范围在35%～70%之间。新济洲左右汊兴衰变化趋势和新生洲一致，但新济洲和新生洲之间有一中汊，部分水流由新生洲左汊流向新济洲右汊，中汊的兴衰对于新济洲左右汊分流比有一定的影响，历年来新济洲左汊的分流比由55%左右降为30%。新潜洲的左汊一直为主汊，分流比在不断的小幅度增加，从68%增大为80%左右。在现状河道水流条件下的造床流量各汊道分流比模型计算成果见表2。

由表2可见，在现状河道条件下，新生洲左汊的分流比为39.05%，而小黄洲左汊的分流比为26.74%，所以，新生洲左汊12.31%的水流来自小黄洲右汊;新生洲左汊分流比为39.05%，新济洲左汊分流比为35.55%，新生洲与新济洲之间有个中汊，可见有3.50%的水流从新生洲左汊经中汊流向新生洲右汊，剩余35.55%的水流流向下游新济洲左汊;由新潜洲左汊78.52%的分流比可知有42.96%的水流是由新济洲右汊流向新潜洲左汊的。

从汊道分流看，小黄洲左汊的水流全部流向下游新生洲，而小黄洲右汊的水流分为两部分:一部分流向新生洲左汊，一部分流向新生洲右汊;新生洲左汊水流大部分流向下游的新济洲左汊，小部分通过中汊流向新济洲右汊;新潜洲左汊的水流来自新济洲左汊的全部水流和新济洲右汊的部分水流。因此，小黄洲左右汊分流比的变化直接影响下游各汊道的分流变化。

3.3 小黄洲汊道演变影响

根据河流动力学理论，冲积河流在其自调整过程中，河道有与之相匹配的水流条件和与河道状态相适应的输沙条件，如果上游水流条件发生变化，下游河床将为适应上游水流条件的变化而演变［5］。因此，汊道分流变化是汊道演变的直接表现。为研究小黄洲汊道演变对下游汊道的影响，本文在现状河道的基础上，分别模拟小黄洲左右汊发生衰退、发展引起分流比变化导致对下游汊道的影响情况［11-13］。表3为小黄洲左汊发生衰退、导致分流比减小至15.00%的计算结果。

由表3分析表明，在小黄洲左汊分流比减小至15.00%条件下，由小黄洲右汊流向新生洲左汊的分流比为19.69%，与衰退后的分流比相比增大7.38%。可见由小黄洲右汊流向新生洲左汊的水流增大的幅度小于小黄洲左汊分流比减小的幅度，因此，引起新生洲左汊分流比的减小。当小黄洲左汊分流比减小至15.00%时，中汊的分流比为1.62%，对比衰退前分流比为3.50%，中汊分流比明显减小。另外，由于新济洲右汊流向新潜洲左汊的分流比为49.61%，对比衰退前的42.97%增大了6.64%，可见由新济洲右汊流向新潜洲左汊的水流增大幅度大于新济洲左汊分流比减小的幅度，因此，引起新潜洲左汊分流比的增大。

表3 小黄洲左汊衰退前后各汊道分流比对比Table 3 Comparison of flow diversion ratios of reaches before and after recession of left branch of Xiaohuangzhou bifurcated reach

通过上述分析可知，若小黄洲左汊衰退，由小黄洲右汊流向新生洲左汊的流量增大，但增大的幅度小于小黄洲左汊衰退的幅度，会影响小黄洲洲尾与新生洲洲头的演变，新生洲、新济洲左汊依然会随着小黄洲左汊的衰退而衰退;随着新生洲左汊的衰退，中汊也有所衰退;此外，随着小黄洲左汊的衰退，由新济洲右汊流向新潜洲左汊的流量也在增大，其增大的幅度大于新济洲左汊衰退的幅度，所以小黄洲左汊不仅影响新济洲洲尾与新潜洲洲头的演变，还使新潜洲左汊有所发展。

表4为小黄洲左汊发生发展、导致分流比增大至30.00%的计算结果。

表4 小黄洲左汊发展前后各汊道分流比对比Table 4 Comparison of flow diversion ratios of reaches before and after development of left branch of Xiaohuangzhou bifurcated reach

由表4分析表明，在小黄洲左汊分流比增大至30.00%条件下，由小黄洲右汊流向新生洲左汊的分流比为9.61%，与左汊发展后的分流比相比减小2.70%。可见由小黄洲右汊流向新生洲左汊的水流减小的幅度小于小黄洲左汊分流比增大的幅度，因此，引起新生洲左汊分流比的增大。当小黄洲左汊分流比发展至30.00%时，中汊的分流比为3.59%，对比衰退前分流比3.50%，中汊分流比稍有增大。同样，由于新济洲右汊流向新潜洲左汊的分流比为42.53%，对比衰退前的42.97%减小了0.44%，可见由新济洲右汊流向新潜洲左汊的水流的减小幅度与新济洲左汊分流比减小的幅度相差较小，新潜洲左汊分流比变化不大。

因此，若小黄洲左汊发展，可导致新生洲、新济洲左汊发展;随着新生洲左汊的发展，中汊分流增大，中汊也有所发展;此外，随着小黄洲左汊的发展，由新济洲右汊流向新潜洲左汊的流量有所减小，新济洲洲尾与新潜洲洲头之间河床会有所发展，但是，对新潜洲左汊影响不大。

4 结 语

长江小黄洲汊道历来多变，受小黄洲汊道河势变化的影响，其下游新济洲河段的河势也随之变化，给新济洲河段的稳定治理增添了不确定因素。采用二维水流数学模型进行小黄洲演变对下游汊道分流特性影响模拟，结果表明，现状河道条件下，小黄洲汊道无论发生衰退还是发展，仍会对下游新济洲河段各汊道产生影响，因此，小黄洲汊道的稳定是进行下游新济洲河段治理的基础。

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