长江中下游马当河段和东流水道演变关联性特征探讨

车 瑞,张 玮,于 倩

(1.上海勘测设计研究院有限公司,上海 200020;2.河海大学 港口海岸与近海工程学院,南京 210098;3.上海投资咨询集团有限公司,上海 200020)

分汊河道在长江中下游大量存在,有些汊道段的河势调整后会继续传递到下游,使得下游河道演变受到上游河势调整的影响;而有些汊道段的河势调整后将不再向下游传递[1]。上游河势调整能够传递至下游或者下游河势调整能够影响上游的河段被称为具有关联性。目前,河段的关联性分析主要为定性分析[2-5],定量分析尚在探索阶段[6-7]。定性分析法指根据研究区域多年实测水文地形资料或数学模型,研究两河段间的河势演变特征,分析河段间的关联性关系;定量分析法是以实测资料或者模型计算为主要数据来源,按照某种数理方式进行加工整理,得出河段间的关联性关系。本文同时采用定性与定量分析法,基于大量的实测水文地形资料和数学模型对马当水道和东流水道之间的关联性关系进行分析。

1 河段概况

马当河段位于长江下游九江市至安庆市之间,上起小孤山,下至华阳河口,江中骨牌洲将河床分成南北两汊,主流走南汊,主航道亦位于南汊,从上至下由马当南水道、马当阻塞线水道组成,全长约30 km。东流水道位于马当河段下游,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,河道形势见图1。

图1 马当-东流河段河势Fig.1 River regime of Madang-Dongliu waterway

2 各汊道自然演变情况

2.1 马当河段汊道演变

(1)历史演变。

从马当河段的历史演变可以看到(图2),在1923年—1930年测图上,北汊中段弯顶处发生大幅度的冲刷崩退,河道进一步向北展宽,河宽由1842年—1880年的6.76 km增加到8.85 km,北汊更显弯曲。与此同时,江心洲滩发生不同程度的淤积扩大,相互之间逐渐有滩地相连,北汊整体淤浅,深泓南移,南汊转而明显优于北汊,南汊下段的马阻汊道也发生了类似的变化,瓜子洲北汊逐渐淤浅而南汊冲刷发展。

2-a 1923年—1930年 2-b 1942年 2-c 1958年—1963年 2-d 1970年图2 马当河段河势演变Fig.2 Evolution of Madang channel

1931年以后,马当河段河势无太大变化,南汊一直保持主汊地位,北汊进一步淤窄、弯曲,南北汊之间河宽继续增加,1942年增至9.25 km,1958年—1963年增至9.4 km,江心洲滩进一步淤积合并,洲滩之间的窜沟减少,1942年减至3条,1959年经人为围堵,最后一条窜沟也终于消失,江心洲完全连成一片。与此同时,南汊下段的马阻汊道北汊进一步淤浅、南汊冲刷发展,瓜子号洲有所增大。至1970年,已基本形成目前的河势,南汊稳居主汊地位,主流过小孤山直接进入南汊,始终沿南岸下行进入下游水道。

(2)近期演变。

最近几十年,马当河段的岸线总体变化较小,河势基本保持稳定。对于马阻水道,总体来说南部岸线局部崩退、北部岸线局部淤长,其中瓜子号洲体岸线在2000年以后基本保持稳定。对于马当南水道,骨牌洲自20世纪70年代至21世纪初,左岸洲头经历了淤长而又冲刷后退的过程,现在基本保持稳定;右岸洲头由于相关部门实施了护岸工程,岸线相对稳定。南北汊深槽沿程冲淤变化频繁,但总体上：南汊沿程均有所冲深,据统计深泓纵剖面10 m以下面积可知(表1),面积由1976年7.8万m2至1986年增加到10.9万m2,至2007年增加到11.7万m2,再到2009年增加到13.9万m2,根据计算,2007年1月至2008年3月南汊冲刷量为110.65万m3,2008年3月至2009年4月南汊冲刷量达224.65万m3,冲刷十分显著;而北汊的进口段逐年淤浅明显,中下段在1998年、1999年大洪水后发生大幅度淤积。

表1 马当河段两汊深泓冲淤变化统计表Tab.1 Statistics of scouring and silting changes of thalweg at two branches of Madang reach m2

2.2 东流水道汊道演变

(1)历史演变。

在1923年—1949年,莲花洲港为主汊,航道条件较好。在进口段水流动力轴线位于天心洲左侧,在中部和下部水流动力轴线位于莲花洲港内;左岸雷港口附近岸线崩退,使得左岸河道拓宽;因为玉带洲的形成,使附近河道分为两汊,河槽容易发生淤塞,东流水道滩群面积总体上呈扩大趋势。在此期间,河道左岸以及江心洲左岸的共同崩退,使得东流滩群的高滩从河道的左侧移至河道的右侧(图3)。

图3 东流水道历史演变图Fig.3 Evolution of Dongliu waterway

(2)近期演变。

①老西港为主汊(1950年—1975年)

在这个阶段,老西港经历了从发展到成熟再到衰退的过程,河道岸线明显向左侧崩退(图4)。在1950年—1955年,雷港口—娘娘树与莲花洲港一带的边滩均有所发育并向河道平行下移,这导致了水流动力轴线在枯水期向右侧偏转,莲花洲港进口段航道淤塞,航行条件变差,西港过流量增加。在1960年前后,老西港枯水期分流比达到62.2%,老西港发展至成熟期。但是受到水道内上滩群尾部发育下延的影响,老西港的过流条件持续恶化,水流又开始偏向莲花洲港。从表2可以看出,1974年4月与1960年3月相比,两者均为涨水初期,但老西港分流比减少13.2%。

表2 1960年—1982年东流水道各汊分流比变化Tab.2 Variation of diversion ratio of each branch of Dongliu channel from 1960 to 1982

图4 东流水道近期演变图(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)

在这个阶段,老西港经历了从衰退到衰亡的过程,新西港经历了从孕育到发展的过程,莲花洲港经历了从发展到成熟再到衰退的过程,与此同时,东港一直保持相对稳定的状态;在进行整治护岸工程后左岸的崩退受到控制(图5)。在1976年,水道上滩群尾部持续发育下延,最终使老西港完全堵塞。1983年之后,横流切割水道上滩群尾部形成串沟,经过不断的发展最终孕育出了新西港。在1974年—1982年,老西港的分流比持续下降,到1982年分流比仅为8%,与此同时,莲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显,莲花洲港分流比在1988年又下降到44%(表3)。

表3 1988年—2003年东流水道各汊分流比变化Tab.3 Splitting ratio statistics of each branching channel of Dongliu waterway from 1988 to 2003

图5 东流水道近期演变图(1976年—1991年)Fig.5 Recent evolution of Dongliu waterway from 1976 to 1991

③西港发展至鼎盛时期(1992年—2003年)

随着天沙洲洲头的冲刷崩退,水流向右侧偏转,莲花洲港逐渐淤积堵塞,西港进口段的河槽得到拓宽(图6),在枯水期过渡段的分流比由1988年的19.8%增加至2000年的41.6%(表3)。在1998年和1999年,老虎滩中下部和西港浅滩由于长江流域的两次大洪水发生严重淤积。洪灾后,东流水道上、下滩群形态依然相对稳定,河道岸线没有明显的变化,西港在经过短暂的调整后发展趋势依旧。与此同时,老虎滩尾部淤积下延,使主流与西港进口偏离角度增大,西港过流能力减小,天玉窜沟开始发展。

图6 东流水道近期演变图(1992年—2003年)Fig.6 Recent evolution of Dongliu waterway from 1992 to 2003

根据历年实测资料,马当河段在1923年—1930年,江心洲滩淤积扩大,相互之间逐渐有滩地相连,北汊整体淤浅,深泓南移,南汊冲刷发展;在1931年—1969年,南汊保持主汊地位,北汊进一步淤窄,江心洲逐渐连成一片,瓜子号洲有所增大;1970年至今,已基本形成目前的河势,南汊稳居主汊地位,主流过小孤山直接进入南汊,始终沿南岸下行进入下游水道(图2)。马当河段近百年来的变化体现了类似弯曲型汊道的演变特性,总体演变趋势是南兴北衰。东流水道分汊段多年来呈西港兴衰交替的交替性演变规律：1923年—1949年,莲花洲港为主汊;1950年—1975年,老西港为主汊;1976年—1991年,老西港衰亡、新西港形成;1992年—2003年,新西港发展至鼎盛时期(图7)。

7-a 左侧沿程水位变化7-b 右侧沿程水位变化图7 沿程水位验证验证Fig.7 Verification of water level along the way

对比马当河段和东流水道年际演变规律可以看出,马当河段的演变趋势一直是南兴北衰,而东流水道演变却呈交替性变化,上下游河段的演变时间并不同步,马当-东流河段过渡段阻止了马当河势调整传递至东流水道。此外,从图2和图7可以看出,长期以来马当—东流河段过渡段河道形态始终保持稳定,也表明马当河势调整没有向下游传递。

3 关联性模型计算分析

3.1 模型建立与验证

建立马当-东流河段的二维水动力模型,模型所需的控制方程、边界条件、动边界技术等原理详见文献[8-10]。计算时上游进口边界由实测流量控制,下游出口边界由实测水位控制,河段内的整治工程作为固有边界考虑。采用2013年10月、2014年2月中水、枯水流量进行了水流验证[11],限于篇幅,表4、图7、图8给出了部分水位、流速、分流比验证结果。计算的水面线、流速分布、分流比情况与实测值符合较好。

表4 马当-东流水道汊道分流比验证Tab.4 Verification of branching ratio of Madang-Dongliu channel

8-a MD1枯水断面 8-b MD3枯水断面图8 枯水断面流速分布Fig.8 Velocity distribution in low flow section

3.2 上游河势变化

利用马当-东流河段数学模型,在河道边界条件、来水来沙等其他因素相同的情况下,通过疏浚、筑坝等手段改变马当圆水道分流比,分析其在各级流量下对东流水道各汊道分流比的改变,探讨上游马当河段河势变化对东流水道的影响。枯水时地形资料采用2014年2月实测地形数据,中洪水时上游马当河段地形资料采用2014年2月实测地形数据、下游东流水道采用2013年10月实测地形数据。

(1)封堵马当圆水道。

骨牌洲右汊为主汊,左汊为支汊,即马当圆水道,左汊分流比仅为0.9%～13.6%。将马当圆水道进口布置闸门进行封堵,各级流量下均不过水,其分流比减小为0。

表5给出了洪中枯水流量下,马当圆水道封堵后,马当河段和东流水道各汊道分流比变化。由表5可见,封堵马当圆水道后,棉外洲左汊分流比改变较大,因为马当圆水道封堵后,棉外洲左汊距离马当圆水道入口最近,因此受影响最大。而对东流水道各汊道分流比基本没有影响,变化范围在-0.07%～0.08%。由此可见,当马当河段河势发生较大变化时,东流水道各汊基本保持不变,其主要原因是主流在马当河段与东流水道之间的顺直微弯段得到归顺,使得东流水道入口段边界条件始终保持稳定。

表5 封堵马当圆水道后汊道分流比变化Tab.5 Change of diversion ratio of inlet after blocking Madang circular channel

(2)疏浚马当圆水道。

采取将马当圆水道浚深10 m的办法,达到增加其分流比的目的。由表6可见,在洪中枯水流量下,马当圆水道分流比增加到17.28%～18.92%,而东流水道各汊分流比变化范围在-0.06%～0.04%,变化微小,这表明马当河段河势调整没有向下游东流水道传递,马当河段与东流水道之间的顺直微弯段起到了阻隔性作用。显而易见,若没有顺直微弯段的存在,主流得不到归顺,马当圆水道增加的分流比将直趋下游,东流水道河势将随之发生改变。

表6 疏浚马当圆水道后汊道分流比变化Tab.6 Variation of diversion ratio of inlet after dredging Madang circular channel

根据以上分析,不论上游河势如何调整,主流在马当河段与东流水道之间的顺直微弯段都得到了一定程度的归顺,有利于减小马当河段对东流水道的影响,马当河段汊道分流比的变化对东流水道影响微小,东流水道的汊道演变是在特定的边界条件下,由水道自身水沙运动规律所导致。

3.3 公式定量计算

文献[6-7]通过实测资料分析、理论研究及数学模型计算等手段,建立了水流摆动力与河道边界约束力的关系,表达式如下

(1)

式中：Fm为主流摆动力;Fc为河道边界约束力;R0为河湾水流动力轴线弯曲半径,m;R*为河湾弯曲半径,m。

从式(1)可知,Ψ值代表了河道边界对主流摆动的约束作用,显而易见,Ψ值越小,河段就越不可能具有关联性。当Ψ<1时,河段的摆动力小于约束力,河段不具有关联性;当Ψ>1时,河段的摆动力大于约束力,河段具有关联性。

利用马当-东流河段的数学模型,计算该河段在洪中枯水流量下的水流过程。计算断面选取顺直微弯段的河湾位置,断面编号为1#、2#、3#(见图9)。河湾弯曲半径采用河道左右两侧0 m等深线弯曲半径的平均值进行计算,并利用河湾弯曲半径来表示河道边界约束力。

图9 过渡段计算断面示意图Fig.9 Schematic diagram of transition section calculation section

由计算结果可知,马当河段与东流水道之间顺直微弯段的水流动力轴线枯水傍岸、洪水取直的规律较为明显,在不同流量级下的主流平面位置相差不大,即便马当河段流量发生较大变化,进入过渡段的水流动力轴线摆动也相对较小,为下游东流水道进口段提供了稳定的入流条件,不会对东流水道演变产生明显影响。马当河段与东流水道之间顺直微弯段的左岸0 m等深线在枯水期离岸较远,流量越大越贴近岸边;右岸边坡梯度较大,所以各流量级下0 m等深线之间距离较近,但是也可明显看出0 m等深线在流量小时离岸较远,流量大时贴近岸边。

由表7可知,主流摆动力与河道边界约束力的比值随着流量的增加而增大,因为流量的变化是导致主流摆动的根本原因,流量越大水流动力轴线的摆动幅度也越大,在流量大的情况下河段也就越可能具有关联性。顺直微弯段3个河湾断面的水流摆动力与边界约束力的比值始终小于1,这说明在不同的流量下,其河道均能有效约束水流动力轴线的摆动,因此不具有关联上游河势调整向下游传递的特性。

表7 过渡段关联性计算Tab.7 Transition section correlation calculation

4 结论与建议

(1)根据历年实测资料分析,马当河段河势调整没有向下游东流水道传递,两河段之间不具有关联性。

(2)通过建立马当-东流河段数学模型,通过疏浚、筑坝等手段改变马当圆水道分流比,探讨上游马当河段河势变化对东流水道的影响,结果表明马当河段汊道分流比的变化对东流水道影响微小。

(3)马当河段与东流水道之间顺直微弯段的水流摆动力与边界约束力的比值始终小于1,这说明在不同的流量下,顺直微弯段的河道均能有效约束水流动力轴线的摆动,该河段不具有关联性。