基于分流特征的汊道分类及其在东流水道航道治理中的应用研究

张 玮，车 瑞，柴跃跃

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098；2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，合肥 230000)

分汊河道在冲积河流中大量存在，长江中下游自宜昌至河口段共有分汊河段55个，汊道总长约1 080 km，约占全部河长的57%。因此，分汊河道历来是人们关注的热点。Taylor[1]研究分汊明渠的水流结构，认为分汊明渠两汊分流比的大小取决于支流的回流特性和汊道进口的水动力条件。李义天等[2]通过实测资料分析荆江三口分流比的变化，认为分流比减少使输沙能力大幅下降，进一步加剧三口口门的淤积，抬高河床高程，使分流比进一步减少。余文钧等[3]基于主流摆动理论，分析了长江下游土桥分汊水道分流比的影响因素，结果表明，流量过程变化是土桥水道分流比变化的主要因素。韩剑桥等[4]根据三峡水库下游的实测水文和地形资料，基于动态分流比对分汊河道进行了类别划分，在此基础上研究了主汊、支汊与洲头心滩的调整规律及其对水文过程的响应。李青云等[5]通过对东流水道工程建成后实际的工程效果分析，认为航道整治应顺应河势发展，把握有利的工程整治时期。陶桂兰等[6]通过建立河道二维水沙数学模型，分析东流水道维护方案的效果，认为应尽早对东流水道东港航道进口段浅点和礁石进行定点清除，适时开通东港航槽，以满足长江航道通航要求。以上研究中，更多的只是单独探讨了汊道的分流比特性或者是航道的演变特征，而对于航道条件的好坏与分流比的动态变化特征，特别是年内的变化特征之间的关系却鲜有研究。

本文以长江东流水道为对象，根据分流比的动态特征对于汊道进行分类，研究航道条件与分流比的动态变化特征之间的关系，分析得出航道条件的定性判别方法，并初步尝试应用于判断东流水道最新一期整治工程方案的工程效果，期望对工程实践具有一定的参考作用。

1 基于分流比特征的汊道分类

长江中下游许多分汊河道之所以能够保持相对稳定的状态，就在于高水期支汊能够获得较大的分流比，使得各汊进入的水量相对平衡[7]。因此分流比的变化特征是决定汊河发展的重要因素，不过，由于以往的技术条件和财力限制，分流比的实测资料较少，很难深入研究分流比的年内变化特征。随着科学技术的进步，以及对长江的深入开发利用，现场的实测数据逐渐丰富起来，为研究分流比的变化特征提供了条件。有鉴于此，韩剑桥等[4]提出了一种基于分流比变化特征的汊道属性分类方法。具体步骤如下：

(1)收集研究河段内不同流量下的分流比资料，将汊道编号1、2。由于汊道的划分注重了分汊段左右侧的差异，对于三级汊道，可将最小支汊与相邻汊道作为一个整体来分析。

(2)分别绘制汊道1、汊道2的分流比θ1、θ2随流量Q的变化图，并进行线性拟合，得到：

θ1=k1Q+b1

(1)

θ2=k2Q+b2

(2)

式中：k1、k2分别为对应公式的斜率；b1、b2分别为对应公式的截距。

(3)根据分流比变化特征对分汊河道进行分类：若k1>0，或k1=0且b1≥b2，则定义汊道1为洪水倾向汊道，相应地，汊道2就为枯水倾向汊道；若k1<0，或k1=0且b1

图1 基于动态分流比的分汊河道类别划分Fig.1 A branching channel classification based on dynamic flow diversion ratio

2 航道条件与汊道分流特征

2.1 东流水道及整治工程概况

东流水道位于长江下游九江市—安庆市之间，上起华阳河口，下迄吉阳矶，全长约31 km，属顺直分汊河道。该河道在老虎滩洲头形成一级分汊，被江心老虎滩分为南、北两汊。南汊为东港水道，北汊为老虎滩北槽。老虎滩北槽在娘娘树下游水域被玉带洲分为南北两支，形成二级分汊。其中，北支为莲花洲港水道；南支又被天沙洲分为天玉串沟和西港(图2)。

东流水道由于主流不稳定，航道被迫多次改槽，给船舶航行及航道管理带来诸多不便，成为长江下游重点浅险水道之一。航道整治一期工程在“稳定洲滩、控制分流”原则指导下，通过工程措施稳定上、下滩群，形成较稳定的分汊格局，并适当改善西港的分流条件。工程主要包括老虎滩守护工程、左岸丁坝群工程及玉带洲头鱼骨坝工程(图2)。该工程于2004年2月开始施工，2010年3月竣工。

图2 东流水道河势Fig.2 Diagram of Dongliu waterway

2010年大水过后，东港分流比明显增加，老虎滩左侧航槽淤浅；同时老虎滩尾部淤积下延使得西港航宽有所减小。针对以上情况有关部门实施了东流水道航道整治二期工程。该工程于2012年11月开工建设，2014年4月主体工程基本完成。工程平面布置由老虎滩头部鱼骨坝工程、老虎滩左缘护滩带加固工程、天玉串沟守护工程、七里湖护岸工程及老虎岗护岸加固工程四部分组成(图2)。

2.2 近期航道条件与汊道性质

按照东流水道整治工程的时间节点将近期划分为四个时间段。第一阶段(1999～2003年)：一期整治工程实施前；第二阶段(2004～2009年)：一期整治工程实施期间；第三阶段(2010～2014年)：一期整治工程竣工后至二期整治工程主体工程完工前；第四阶段(2014～2016年)：二期整治工程主体工程完工后。分别对四个时间段的航道条件和汊道性质展开研究。

2.2.1 航道条件变化

图3 东流水道演变Fig.3 Evolution of Dongliu waterway

(1)第一阶段(1999～2003年)：1998、1999年长江流域二年洪水使老虎滩下部淤积较为严重。大洪水过后，老虎滩上、下滩群依然高大完整，河道边界没有明显变化，汛后老虎滩北槽的发展趋势很快恢复。2002年老虎滩北槽4 m等深线贯通(图3)。2001～2002年及2002～2003年枯季老虎滩北槽的航道条件都是20世纪50年代以来较好的时期。这一阶段老虎滩北槽发展至鼎盛时期，航道条件很好。

(2)第二阶段(2004～2009年)：在一期工程实施后，基本遏制住了老虎滩冲刷后退、滩体变形的趋势，使得老虎滩多年来保持完整、高大的滩形。由于一期工程未对东港采取限制措施，且受到东港出口段采砂的影响，东港河道产生较为明显的溯源冲刷，导致在此期间东港发展较快。在这几年间，呈现出老虎滩北槽淤积、东港冲刷的趋势，总体而言老虎滩北槽的航道条件依然较好。

(3)第三阶段(2010～2014年)：2010年时老虎滩北槽2 m等深线基本全线贯通，至2013年时，2 m等深线已经中断，断开距离达802 m(图4)。老虎滩北槽左侧桃树滩至娘娘树的0 m等深线在2010～2013年这段时间内向江中淤涨，2013年时的0 m等深线相较于2010年向江中淤涨了约422 m，滩体面积明显增大，桃树滩至娘娘树一带边滩淤积明显(图4)。观察2010～2013年滩槽冲淤变化图发现(图5)，东港不断冲刷，内部冲深加剧，在2010年，东港5 m等深线并未全线贯通，在东港尾部断开距离达402 m，至2013年时，东港5 m等深线已全线贯通(图4)。在这一阶段，老虎滩北槽的航道条件恶劣，而东港的航道条件较好。

4-a 2 m等深线比较图4-b 0 m等深线比较图4-c 5 m等深线比较图图4 东流水道等深线Fig.4 Bathymetric chart of Dongliu waterway

(4)第四阶段(2014～2016年)：老虎滩北槽在2012～2013年间的淤积量达到了1 033万m3，在2013～2014年的冲刷量为280万m3(图6)，老虎滩北槽在这一年内整体变为冲刷，航道条件有转好的趋势。在2014～2015年，老虎滩左汊继续冲刷，雷港口一带边滩淤积，但相比于上一阶段，无论是淤积范围，还是淤积幅度都出现明显的缩小(图5)。在2015～2016年，老虎滩左汊延续了冲刷的趋势。这一阶段老虎滩北槽航道条件开始转好，但相对仍较为一般。

5-a 2010～2013滩槽冲淤变化5-b 2014～2015滩槽冲淤变化 图5 东流水道冲淤变化Fig.5 Erosion and siltation of Dongliu waterway图6 老虎滩北槽和东港冲淤比Fig.6 Erosion and siltation of the north channel branch of Tiger Beach and East port

2.2.2 汊道分流特征

东流水道老虎滩北槽与东港分流比如表1所示，根据分流比的变化特征，可以判断不同时间段老虎滩北槽的汊道性质，绘制老虎滩北槽分流比与流量关系图(图7)。

表1 东流水道各汊分流比统计Tab.1 Splitting ratio statistics of each branching channel of Dongliu waterway

由表1和图7可知：第一阶段(1999～2003年)：老虎滩北槽分流比随着流量的增大而减小，属枯水倾向汊道，东港属洪水倾向汊道，此时老虎滩北槽的分流比稳定在80%以上，其主汊地位稳固；第二阶段(2004～2009年)：这段时期正在实施东流水道一期航道整治工程，老虎滩北槽分流比随着流量的增大而增大，属洪水倾向汊道，东港为枯水倾向汊道，这说明老虎滩北槽已经由枯水倾向汊道转变为洪水倾向汊道，此时老虎滩北槽分流比不断减少，东港分流比则逐步增加；第三阶段(2010～2014年)：一期航道整治工程竣工后，老虎滩北槽分流比随着流量的增大而增大，属洪水倾向汊道，东港为枯水倾向汊道，此时老虎滩北槽分流比在中枯水期进一步减少，2014年2月份老虎滩北槽分流比由2012年同期的56.2%减至49.3%，东港分流比则由43.8%增加至50.7%；第四阶段(2014～2016年)：二期航道整治工程主体工程完工后，老虎滩北槽分流比随着流量的增大而增大，属洪水倾向汊道，东港为枯水倾向汊道，枯水期时，工程实施后的东港分流比在2015年首次出现了下降，老虎滩北槽分流比开始逐步增加。

2.3 航道条件与汊道分流比变化特征

图7 老虎滩北槽分流比与流量关系Fig.7 Relationship between diversion ratio and flow rate of the north channel branch of Tiger Beach

通过以上的分析可以发现，东流水道老虎滩北槽的航道条件与汊道分流比变化特征有着密切关系。在第一阶段(1999～2003年)，老虎滩北槽属枯水倾向汊道，此时的航道条件很好；在第二阶段(2004～2009年)，老虎滩北槽属洪水倾向汊道，其分流比随流量变化的斜率相对较小，此时的航道条件也相对较好；在第三阶段(2010～2014年)，老虎滩北槽属洪水倾向汊道，分流比随流量变化的斜率相对较大，此时的航道条件恶劣；在第四阶段(2014～2016年)，老虎滩北槽属洪水倾向汊道，分流比随流量变化的斜率开始减小，老虎滩北槽的航道条件出现转好的趋势，但仍然一般(表2)。

2.4 航道条件的定性判别方法

表2 老虎滩北槽汊道性质与航道条件统计Tab.2 Statistics of branching channel properties and channel conditions of the north channel branch of Tiger Beach

基于以上分析，提出航道条件的定性判别方法，即汊道为枯水倾向汊道时，航道条件最好；对于洪水倾向汊道，分流比随流量变化的斜率大小决定了航道条件的好坏，如果分流比随流量变化的斜率相对较小，则航道条件相对较好，如果分流比随流量变化的斜率相对较大，则航道条件较差。

近年来老虎滩北槽的分流比具有两个特点：一个是左右汊分流比相差不大，另一个就是，枯水期老虎滩北槽分流比甚至低于50%，也就是洪枯水主支汊易位。老虎滩北槽自2004年以来一直属于洪水倾向汊道，所以在改善东流水道航道条件的问题上，不仅要关注分流比大小，同时也要关注分流比随流量变化情况，应尽量减小老虎滩北槽分流比随流量变化的斜率，斜率的大小主要取决于枯水期分流比和洪水期分流比。对于平原河流来说，水深不足是碍航的主要原因，枯水期水深最小，也就是说，航道条件能否满足通航要求，往往取决于该河道枯水期航道条件的好坏。所以提高老虎滩北槽枯水期的分流比，由此减少斜率是最合理且有效的方式。这也与航道整治重点在于枯水治理的原则是一致的。

表3 工程布置Tab.3 Layout of the project

3 应用与分析

基于提出的航道条件的定性判别方法，本文将其应用于东流水道拟开展的整治工程效果评价上。有关部门针对东流水道目前的现状，在二期工程的基础上，提出了最新一期整治工程措施[8]，航道整治建筑物如表3所示。

根据东流水道二维水沙模型试验结果，最新一期工程方案实施后，分流比的变化情况如表4所示[8]。依据整治后的分流比和流量数据，绘制老虎滩北槽分流比和流量关系图(图8)。

由此可见：(1)最新一期整治工程后的分流比流量关系线整体上移。说明老虎滩北槽的整体分流比是有所提高的，其中枯水期最低分流比由整治前的49.3%提高到整治后的60.2%，这对于改善老虎滩北槽的航道条件是极为有利的。

(2)最新一期整治工程后老虎滩北槽分流比随流量变化的斜率有了明显的降低。根据航道条件的定性判别方法，由图9可知，最新一期整治工程实施后，老虎滩北槽分流比随流量变化的斜率小于2014～2016年的斜率，斜率变的相对较小，说明最新一期整治工程后的航道条件相比于上一阶段将会得到改善。而且，本次整治工程后的斜率接近于2004～2009年的斜率，在2004～2009年内老虎滩北槽的航行条件是较好的，由此可以预期本次整治工程后的航道条件将会得到相对可观的改善。

表4 整治工程实施后分流比变化情况Tab.4 Change of splitting ratio after implementation of remediation project

通过对最新一期整治工程的方案研究显示，本次整治工程后，老虎滩北槽的航道条件将会得到改善，但是从现状航道条件及近期趋势预测看，老虎滩北槽航道条件与东港相比仍然较为一般，选取东港作为近期的通航主汊道是合适的。未来东流水道的整治方向应该与前几期工程保持一致性，选择处于发展周期的老虎滩北槽作为远期主航道，整治重点放在提高老虎滩北槽的枯水期分流比；同时尽量维持东港的航道条件，遇不利水文年可将东港作为备选航道。

图8 工程后老虎滩北槽分流比与流量关系Fig.8 Relationship between diversion ratio and flow rate of the north channel branch of Tiger Beach after implementation of the engineering图9 各时期斜率变化Fig.9 Slope changes in different periods

4 结语

(1)基于分流比的变化特征，可以区分汊道的性质，如果汊道的分流比随着流量的增大而增大，则此汊道为洪水倾向汊道，另一汊道为枯水倾向汊道；反之，如果汊道的分流比随着流量的增大而减小，则此汊道为枯水倾向汊道，另一汊道为洪水倾向汊道。

(2)老虎滩北槽为枯水倾向汊道时，航道条件最好；北槽为洪水倾向汊道时，如果分流比随流量变化的斜率相对较小，则航道条件相对较好，如斜率相对较大，则航道条件相对较差。因此，对于洪水倾向汊道来说，除了分流比本身的大小以外，分流比随流量变化的斜率可以作为航道条件好坏的一个定性参考判据。

(3)对于洪水倾向汊道而言，在进行航道整治时，不仅要关注分流比本身的大小，同时也要关注分流比随流量的变化情况，应尽量减少分流比随流量变化的斜率，为此，提高枯水期分流比应该是减小斜率的最有效措施，这也与重在枯水治理的航道整治原则是一致的。

(4)最新一期整治工程模拟结果表明，整治工程实施后，老虎滩北槽分流比整体呈现上升的特点，其中枯水期分流比上升明显，使得分流比随流量变化的斜率相对减少，由此预期，航道条件将会得到一定程度的改善。

(5)本文虽将航道条件的好坏与分流比的动态变化特征进行了统一，但仅从定性上进行了分析，定量上仍需研究，如分流比随流量变化的斜率相对较小，则航道条件相对较好，但具体临界斜率值为多少尚有待进一步研究。