长江如皋沙群河段近期河道演变及其影响因素
2022-04-16尹大聪卢金友渠庚柴朝晖
尹大聪 卢金友 渠庚 柴朝晖
摘要:如皋沙群河段位于长江下游澄通河段,其河道宽阔多汊,滩槽冲淤演变规律复杂,开展河道演变及其影响因素分析对该河段治理和保护具有重要意义。利用1977~2018年实测资料对如皋沙群河段的冲淤、深泓、滩槽以及典型断面的近期变化进行了系统分析,并在此基础上对河道演变的主要影响因素进行了探讨。结果表明:如皋沙群河段近年来河床总体呈冲刷发展趋势,深泓总体向左侧偏移,其中在如皋右汊最大偏移幅度达900 m;双涧沙防护部分左右缘小幅淤积,民主沙沙尾小幅下移,横港沙滩面淤积明显,2011~2018年横港沙在九圩港以上-5 m等高线以上河床平均淤积抬高0.62 m,深槽和典型横断面变化幅度趋小,总体呈缓慢刷深的态势,平面上表现为深槽的上提下挫;如皋沙群河段整体稳定性受河道边界条件、大洪水、来水来沙及人类活动的影响,其中人类活动影响较大,相关整治工程的实施使得该段总体河势趋于稳定。
关 键 词:分汊河道; 河床演变; 河势; 如皋沙群河段
中图法分类号: TV147
文献标志码: A
DOI: 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.003
0 引 言
如皋沙群河段所在的澄通河段属于近河口段,河道形态宽阔多汊,洲滩众多,滩槽分布交错,受径流和潮汐动力共同作用,涨、落潮水流泥沙运动和河床冲淤变化较复杂,加之近年来在气候条件变化及人类活动双重影响下,长江中下游水沙条件发生了明显变化 [1] ,而如皋沙群河段介于福姜沙和通州沙之间,洲滩、汊道相互交错,河床演变十分复杂。因此,加强对如皋沙群河段演变状况的分析和研究工作,为澄通河段的保护和治理工作打下坚实的理论基础是十分必要的。
前期众多学者对该河段河床演变及整治措施等开展了较为丰富的研究。邹德森 [2] 从历史资料着手,阐述了整个南通河段河势的演变过程;曹民雄等 [3] 结合水沙和地质条件,对如皋沙河段进行河床演变分析,总结出河段演变规律,并对演变趋势进行了预测。杜德军等 [4] 研究了双涧沙守护工程水动力特性,认为工程实施后,双涧沙及其滩槽格局趋于稳定。吴志钢等 [5] 对如皋沙群河段河流演变的动力进行了分析。乔红杰 [6] 、杜永红 [7] 等分别对双涧沙整治工程、如皋沙群近期相关工程实施造成的河道演变进行分析并提出尽快建设左岸出口导流工程,以便控制河势向有利方向发展。栾华龙等 [8] 针对九龙港节点对下游河势的控制作用呈趋弱态势提出尽快实施民主沙滩岸守护工程形成弯段控制顶冲点下移的建议。徐华 [9] 、姜宁林 [10] 等也对如皋沙群河段的河势演变进行了相关分析,并对该河道的航道整治等相关问题提出了建议。
综上可知,现有研究对如皋沙群河段演变过程、治理经验的总结较为丰富,但随着三峡水库及上游干支流控制性水库群的投入使用,长江次饱和的水沙条件对坝下游河段产生较大的影响,且影响已向长江下游发展。但目前对三峡工程运用后如皋沙群河段河道演变特征及其影响因素的认识还不够深入,且对如皋沙群河段这种洲滩耦合、边界复杂河段的汊道演变分析研究较少。因此,本文基于1977~2018年实测水文资料,系统分析了如皋沙群河段河道演变新特征、影响因素及其汊道演变特性,以期为长江中下游类似复杂分汊河段洲滩演变提供参考借鉴。
1 研究区域
1.1 基本概况
如皋沙群河段位于澄通河段,上起护漕港,下至十三圩港,全长约23 km(见图1虚线框部分)。该汊道段沙洲罗列,水流分散,目前分布有双涧沙、民主沙、长青沙、泓北沙及横港沙。该河段既受上游径流的影响,又受河口外潮流的影响,但潮流作用相对较弱,塑造该河段河床的主要動力为径流占主要部分的落潮流(2005~2018年间天生港站年均落潮潮量是涨潮潮量的3.44倍)。该河段床沙主要是细沙,颗粒级配分布为:主槽床沙较粗,中值粒径 d 50 为0.13~0.25 mm,江心沙滩上底沙较细, d 50 一般在0.10 mm左右。近年来,为保障河势稳定和防洪安全等要求,该河段实施了双涧沙护滩工程、横港沙护滩固沙一期工程等整治工程。
1.2 水文泥沙概况
如皋沙群河段位于大通水文站以下约400 km,该河段与大通水文站之间支流入汇流量较小,约占4%~5%,且大通水文站 是长江下游最后一个水文站,故 采用大通站的径流和输沙资料代表该河段的径流和泥沙特性。
三峡工程运用前(1950~2002年)大通站年平均径流量为9 052亿m 3 ,历年最大流量为92 600 m 3 /s,最小流量为4 620 m 3 /s,年内水量汛期(5~10月)占全年的70.80%。多年平均输沙量为4.30亿t,历年最大6.78亿t,最小2.39亿t,其中5~10月输沙量占全年87.41%,如图2所示。
三峡工程运用后(2003~2018年)大通站年平均径流量为8 577亿m 3 ,历年最大流量为70 800 m 3 /s,历年最小流量为7 900 m 3 /s,年内水量汛期(5~10月)占全年的62.32%,与蓄水前均值相比,来水略偏枯5%。年平均输沙量为1.40亿t,历年最大输沙量为2.16亿t,最小0.718亿t,其中5~10月输沙量占全年80.30%,与蓄水前均值相比,来沙减少了67%。
2 近期演变特征
如皋沙群河段在20世纪50~70年代时,沙洲频繁冲淤分合、主流大幅摆动。随着沙洲的并岸,河道宽度逐渐缩窄,在护岸工程控制下,北岸岸线后退的趋势基本受到遏制。江中分散的沙洲逐渐合并(跃进沙与又来沙相继并岸,双涧沙与民主沙水下连为一体;长青沙、薛案沙和开沙合并,泓北沙并入长青沙形成大长青沙),围垦工程使沙洲平面形态基本稳定,民主沙和长青沙两大江心沙上下交错分布的现代河势格局形成,河道分汊逐渐减少,总体河势逐渐趋向稳定。
2.1 冲淤变化
1983~2003年,澄通河段总体表现为淤积,0 m(文中所用地形数据均为1985国家高程基准)以下河槽淤积泥沙2 190万m 3 ,-5 m等高线以下深槽冲刷泥沙 1 390 万m 3 。
三峡水库蓄水运用以后,如皋沙群河段转为冲刷。2003~2018年,澄通河段0 m高程以下河槽冲刷量为5.33亿m 3 ,如皋沙群河段冲刷量为1.45亿m 3 (见表1)。
2.2 深泓变化
如图3所示,河段内深泓线平面位置基本稳定,仅在民主沙左右岸平面摆幅较大。1977~1998年,如皋中汊深泓线左移,幅度达1 215 m,浏海沙水道深泓线先逐年左移再右移,最大幅度约1 000 m。
1998~2006年,如皋中汊先右移再左移,总体右移约370 m。浏海沙水道深泓线总体表现为左移约650 m。2006~2018年,如皋中汊深泓线最大摆幅约305 m,总体表现为左移,幅度约290 m。浏海沙水道深泓线总体左移约287 m。
总之,近年来河段内深泓整体变化幅度呈逐年减小的趋势,平面位置逐年稳定,如皋右汊深泓及如皋中汊主泓出流都有逐年左偏且呈趋直的走向。
2.3 洲滩变化
分析河段内主要洲滩包括双涧沙、民主沙及横港沙。1993年以后,受护岸工程的控制作用,双涧沙左右岸边界基本固定下来,涨潮流携带的泥沙转而在沙头落淤,使沙头不断向上游延伸,至2004年,双涧沙与福姜沙左缘边滩水下相连,2006年沙体继续上延发展,如图4所示,沙头的宽度往上逐渐减小。这一现象主要原因是越往上,随着河道宽度的减小,水流集中,泥沙落淤受到限制,沙体宽度自然收缩变窄。自2004年开始,双涧沙滩面产生横向串沟。2011年实施了双涧沙守护工程措施。2011~2018年双涧沙防护部分左右缘以小幅淤积为主。
1998年,民主沙上建筑洲堤,堤顶高程在6.80~7.40 m之间,洲堤约束水流,对民主沙的演变起到明显作用。如表2所列,民主沙尾部(-5 m)变化相对较小,1998年之前沙尾持续上提,1998年之后沙尾持续小幅下移,1998~2003年仅下延了78 m,2003年后则逐渐上提,先快后慢,2011年后,沙尾略有上移。
横港沙由段山沙尾下移而成,其演变主要受上游海北港沙及通州沙水道演变的影响,由于通州沙东水道分流增加,1958年后 [11] ,横港沙沙尾不断上缩,同时由于长江主流走浏海沙水道以后,右岸段山港至十一圩的江岸不断崩退,由原来的凸岸逐渐演变为向右微弯的凹岸,主流过十一圩以后向左岸过渡,顶冲横港沙尾,导致其右缘受冲,沙尾变窄,但1993年后,由于上游河势变化幅度逐渐趋缓,横港沙右缘及尾部逐渐稳定下来。2010年实施了横港沙护滩固沙一期工程,截断了滩面上的漫滩流,横港沙滩面淤积明显,2011~2018年横港沙九圩港以上-5 m以上河床平均淤积抬高0.62 m。
2.4 深槽变化
以-10 m和-20 m槽为例分析如皋沙群河段河槽平面变化(见图5)。
1977~1998年,-10 m槽面积呈扩大趋势,双涧沙头部深槽向上延伸。1998~2006年,-10 m深槽总体逐渐趋于稳定,局部位置变化较大,民主沙沙尾-10 m深槽向下游移动,幅度达1 400 m。1998年后双涧沙北汊-10 m深槽连通。2006~2018年,民主沙左侧如皋中汊-10 m深槽平面位置基本稳定,平面摆动幅度较小,与下游-10 m深槽平顺贯通;右侧浏海沙水道深槽上段-10 m深槽变窄,并向民主沙发展,该段深槽有作弯的趋势。
1977~1998年,民主沙左侧如皋中汊-20 m深槽处在发展阶段,分上下两个深槽,随着主流左移贴岸发展,深槽左移并向下游发展,左移幅度约930 m。民主沙右侧浏海沙水道深槽随着主流摆动,平面位置变幅较大,总体呈现向下游发展的趋势。受如皋中汊和浏海沙水道的冲刷作用,-20 m深槽在该部位形成分汊,左汊深槽逐年上提及北偏,北偏约300 m,上提约 1 200 m 。右汊深槽则逐年向下挫及南偏,南偏约300 m,上提约1 850 m,岔口角度增大。1998~2006年,民主沙南侧-20 m深槽向下游延伸,2006~2018年,深槽小幅左移,民主沙左侧如皋中汊上、下深槽贯通,平面位置相对稳定,总体呈现展宽并向下游发展的趋势。
综上,如皋沙群河段河槽近期位置变化幅度较小,以冲刷为主,平面上主要表现为河槽的上提下挫,深槽面积逐渐增大。
2.5 典型横断面变化
选择民主沙左侧如皋中汊断面(CS1)、右侧浏海沙水道断面(CS2)、长青沙右侧如皋中汊断面(CS3)、横港沙左侧天生港水道断面(CS5)以及右侧浏海沙水道断面(CS4)5个典型断面分析河槽的变化情况,断面位置如图3所示。
如图6所示,CS1断面在1998~2001年时呈“V”形,且最深点向右移动幅度超过500 m,2011年之后,呈“U”形,断面形态变化不大且位置基本稳定,摆动幅度较小。CS2断面左侧深槽2001年时向右侧移动约300 m,至2011年时向左侧移动约1 000 m,2011~2018年该深槽位置基本稳定,左右两侧深槽均表现为逐年小幅度冲刷,冲深约5 m。CS3和CS4断面整体上变化较小,CS4左侧边滩在2018年时出现小幅度冲刷,冲深约4 m。CS5断面最深点整体表现为右移,幅度约500 m。
综上,如皋沙群河段2011年之前河槽出现较大幅度的冲淤变化,2011年以后,河槽冲淤变化趋缓,河槽横断面剖面形态基本稳定,但是河床底部呈缓慢刷深的趋势。
3 汊道演变分析
自21世纪以来,一系列工程措施使得如皋沙群河段两岸岸线基本稳定,河床变化较大位置大都发生在汊道分流点及汇流点处,稳定的岸线对河槽内水流的运动起着十分重要的约束作用。但是河槽内的冲淤变化同样会造成水流运动特性的改變,不利于岸线稳定。因此,对如皋沙群河段汊道进行河床演变分析是十分必要的。
(1) 如皋右汊。
如皋右汊即浏海沙水道,为顺直型主汊,水流主要源于上游双涧沙潜沙以及如皋沙中汊的导流,是如皋沙群河段近期滩、槽冲淤变化最大的部位。1970~1980年间,在福姜沙右汊出口弯曲水流和双涧沙水道共同作用下,进入如皋中汊的落潮流在老海坝一带造成顶冲,使右岸造成崩岸线长达14 km的严重冲刷,形成向右微弯的凹岸形态,后实施了长达10 km的保滩护岸工程 [12] 。双涧沙水道的萎缩使得一股自左向右进入如皋右汊的落潮流逐渐趋弱并使得段山港处顶冲点及原-10 m边滩沙嘴下移,1977~1998年,沙嘴自段山港口门下游侧逐渐下移至渡泾港下游3.3 km(见图5)。段山港原-10 m边滩沙嘴的下移与相对应的双涧沙和民主沙的滩岸不完全一致,右侧-10 m潜边滩和沙嘴的下移较民主沙一侧-20 m深槽的下移稍提前。2001年以前,由于护漕港边滩对岸的掩护,民主沙头部河岸还处在淤积状态,但在2001年之后,滩体冲刷后退较为明显,民主沙头部至沙尾段变化十分复杂,水流总体上有向左偏移的趋势(见图3)。此外,自2001年起,护漕港边滩右淤转为冲刷,而对岸则由冲刷转为淤积,如皋右汊发生滩、槽易位,护漕港边滩上端原先是有一定约束水流能力的,如今产生了逐渐向下游发展的冲刷,使如皋右汊水流趋直,从而使得原顶冲点从老海坝下移至九龙港附近。
(2) 如皋中汊。
近30 a,如皋中汊发展趋势较明显,1977年,如皋中汊-10 m和-20 m深槽还是零星的冲刷坑,之后深槽呈现展宽、上提下挫的态势。1983年,-10 m深槽向下与浏海沙水道贯通,向上与福北水道深槽贯通。至2011年,-20 m深槽仅相隔1100 m,2011~2018年相隔深槽位置相对稳定,-20 m深槽相隔约950 m [13] 。随着如皋中汊的发展,主流顶冲点又逐渐下移至九龙港一带,并逐渐稳定下来。从图3可以看出:近30 a以来,如皋中汊与浏海沙水道上段两股水流汇合后,顶冲右岸九龙港附近,然后贴右岸下行,基本在十一圩附近离开右岸向左过渡,顶冲横港沙右缘,贴沙尾进入通州沙东水道。
(3) 如皋左汊。
1948年左右,如皋左汊(天生港水道)-5 m深槽贯通全河道 [14] 。后来随着海北港沙、又来沙并岸,天生港水道的进流条件恶化,天生港水道逐渐演变为涨潮流占优势的水道,碾砣港以上逐渐淤积萎缩。同时新跃涵洞与对岸的薛案沙头形成“卡口”,涨潮时在其附近产生涌潮,形成高含沙区域,1985年实测最大含沙量达20 kg/m 3 [15] ,由于涨潮流占优势的水道泥沙呈向上搬运的特征,天生港水道的上段河床逐渐淤积、抬高,河床容积逐渐减小,如图4所示,目前碾砣港以上河床平均高程约-1.0~0 m,仅残留局部的冲刷坑。2001~2013年,天生港水道中下段-5 m深槽有所上提,河槽容积有所增加,水域条件有所好转;2013~2018年全段河槽容积减小,如表3所列。
综上可知,护漕港边滩转淤为冲,造成如皋中汊滩槽易位,使如皋右汊水流趋直,加之如皋中汊的发展,使得如皋右汊和如皋中汊汇流后的主流顶冲点下移至九龙港附近,因此控制主流顶冲点继续下移,继续加固九龙港至十一圩的护岸是近期如皋沙群河段急需解决的重大问题。
4 影响因素分析
三峡工程运用以来,长江中下游河段水文泥沙状况发生较大变化,诸多因素影响着如皋沙群河段的演变,其中河道边界条件、来水来沙条件改变、大洪水、人类活动等因素对近期长江中下游河道演变的影响尤显突出。
4.1 河道边界条件
历史上如皋沙群水道沙洲多变,主流反复裁弯取直,南北摆动。随着1980~1987年长青沙洲头抛护,使其形成了一个人工节点,以及1995~1999年如皋中汊护岸工程的实施,基本控制了中汊的走向,并趋于稳定。浏海沙水道南岸自20世纪70年代初至80年代末在老海坝至九龙港长达8 km范围内修建丁坝和进行平顺抛石护岸,基本控制了江岸坍塌 [16] ,20世纪90年代起又连续实施九龙港至十一圩段的江岸抛石护岸工程,初步控制了崩坍强度。这些工程的实施,使如皋沙群汊道段边界基本稳定,但由于河床粒径和组成不同(如民主沙沙头和沙尾附近存在淤泥质黏土层,使得床沙难以起动),局部河床形态仍可能出现小幅度调整。
4.2 来水来沙条件改变
受上游水土保持减沙和三峡水库等控制性水库蓄水拦沙等因素的共同影响,近年来进入澄通河段的泥沙明显减少,河床冲刷加剧。如2003年以来大通站径流量偏少7%左右,多年平均输沙量仅约2003年以前的32.5%。由冲淤变化分析可知,三峡水库蓄水后,下游河道冲刷强度明显大于水库蓄水前。上游来沙的锐减,打破了长江下游河道长期保持的冲淤基本平衡态势,因此,如皋沙群河段将发生长河段、长时期的冲淤调整,河床将以冲刷下切为主。
4.3 大洪水
大洪水对河道河床造床作用强,主要是指大洪水对河床的冲淤作用强,即河床局部冲刷强度和幅度均较大,对平滩以上或平滩以下河床均会造成剧烈的冲淤影响,甚至引起河势发生较大的變化。大洪水对河道演变的影响主要体现在3个方面:① 大洪水对河漫滩滩面的冲刷破坏;② 大洪水引起河道强烈的崩岸;③ 大洪水引起河势发生较大的变化。
三峡水库蓄水前长江发生1998年特大洪水,三峡水库蓄水后2016,2017年以及2020年,长江下游连续发生较大洪水,其中2016年最大流量70 700 m 3 /s ,平均流量为33 100 m 3 /s,年径流量为10 450亿m 3 ,位于1998年以来的首位,大于45 000 m 3 /s(河段平滩流量)的时间达到120 d,输沙量为1.52亿t [17] 。2017年来水也相对偏丰,大通站实测最大流量也达到 70 600 m 3 /s。2020年最大流量达74 000 m 3 /s。2016,2017年以及2020年这3 a来水量均较大,而输沙量与前几年相比变化不大,大水的造床作用显著,在一定程度上起到了加快近期河道冲刷下切的作用。
4.4 人类活动
河道的演变很大程度上受到人类以及护岸工程、码头建设及相关整治工程的影响。如皋沙群河段沿岸深水岸线基本均建有码头,沿岸码头工程有如皋中汊如皋港区沿岸码头,九龙港下沿岸建有多座码头,十二圩附近有沙洲电厂、中东石化、越洋等码头,形成约7 km长的导流岸壁,控制主流出浏海沙水道进入南通水道和通州沙东水道。这些码头工程的实施,对岸线稳定起着重要的作用。
另外,整治工程主要包括河道整治工程、航道整治工程、边滩围垦工程等工程的建设。例如海北港沙和又来沙的两次较大规模并岸及人为整治工程干预,使得如皋沙群汊道由多分汊河型演变为如今的微弯分汊河型。2010年以来又相继实施了双涧沙护滩工程、横港沙护滩固沙一期工程以及南京以下 12.5 m深水航道一期工程、二期工程等。人类活动对该段河势控制起到了一定的积极作用,河势稳定性在逐步增强。
5 结 论
(1) 2011年之前如皋沙群河段出现较大幅度的冲淤变化,随着相关整治工程的实施,近年来河床总体呈冲刷发展趋势,深泓总体向左侧偏移,其中如皋右汊最大偏移幅度达900 m。双涧沙防护部分左右缘小幅淤积,民主沙沙尾小幅下移,横港沙滩面淤积明显,2011~2018年横港沙在九圩港以上-5 m以上河床平均淤积抬高0.62 m。深槽变化幅度趋小,以冲刷为主,平面上表现为深槽的上提下挫。典型断面平面位置基本稳定,总体呈缓慢刷深之势。
(2) 对于主流顶冲点下移至九龙港一带,建议首先对护漕港边滩上段以及双涧沙、民主沙南侧进行防护控制,加强边滩对水流的约束作用,同时控制如皋中汊的发展,减缓如皋右汊水流走直的趋势;其次继续加固对九龙港至十一圩的护岸工程;最后还需要加强对如皋沙群河段主流走势的监测和研究工作,尤其是大水年份下。
(3) 如皋沙群河段整体稳定性受河道边界条件、上游来水来沙、大洪水及人类活动的影响。来水来沙条件的改变及大洪水的作用将使如皋沙群河段发生长时期的冲淤调整,河床将以冲刷下切为主。如皋沙群河段近半个世纪以来,以护岸工程和码头建设为主的岸线整治及开发利用使该河段边界大部分得以稳定,从而大大限制了河道横向演变的空间,岸线基本稳定,总体河势相对稳定。但部分河段冲淤变化仍存在不稳定因素,如浏海沙水道上段护漕港边滩冲刷,双涧沙、民主沙南侧崩岸后退,该段存在继续作弯的隐患,导致九龙港至十一圩港一带水流顶冲点有所下移,影响下游的河势稳定。
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(编辑:谢玲娴)
Analysis on recent river channel evolution and its influencing factors in Rugao sand shoals reach of Changjiang River
YIN Dacong 1,LU Jinyou 2,QU Geng 1,CHAI Chaohui 1
( 1.River Research Department,Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China; 2.Changjiang River Scientific Research Institute,Changjiang Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources,Wuhan 430010,China )
Abstract:
Rugao sand shoals reach is located in Jiangyin-Nantong reach of Changjiang River.The channel is wide and multi-branched,and the scouring and silting law in the shoal is complex.It is of great significance to study the channel evolution and its influencing factors for the treatment and protection of this reach.Based on the measured data from 1977 to 2018,we systematically analyzed the recent changes of erosion and deposition,thalweg,shoal channel and typical cross-sections of Rugao sand shoals reach and discussed the main factors of the channel evolution in the reach.The results showed that in recent years,the river bed of Rugao sand shoals reach had shown a general trend of scouring development,and the thalweg had shifted to the left generally,especially the maximum deviation range in the right branch of Rugao reach had reached 900 m.The left and right edges of Shuangjian shoal protection part were slightly silted,the end of Minzhu shoal slightly moved down,and the beach surface of Henggang shoal was obvious silted.From 2011 to 2018,the average siltation elevation of Henggang shoal in the riverbed above-5 m of Jiuweigang increased by 0.62 m,the variation range of deep grooves and typical cross-sections tended to be smaller,showing a trend of slowly scouring deep,and rise and deepening of deep grooves in plain view.The overall stability of Rugao sand shoals reach was affected by river boundary conditions,flood,incoming water and sediment,and human activities,among which human activities had a greater impact.The implementation of relevant regulation projects made the overall river regime of the section stable.
Key words:
braided channel;riverbed evolution;river regime;Rugao sand shoals reach