劉 亞，姚仕明，李義天

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 a.水利部江湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.河流研究所，武漢 430010;2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

1 研究背景

對(duì)于沖積河流來(lái)說(shuō)，上下游河段的演變是相互聯(lián)系、相互影響的。下荊江蜿蜒型河段“一彎變、彎彎變”的特征已為人熟知［1－2］，在實(shí)施河道治理工程時(shí)也充分考慮到了上下游河勢(shì)變化可能帶來(lái)的影響［3－4］。長(zhǎng)江中下游眾多的鵝頭型分汊河道進(jìn)口一般有節(jié)點(diǎn)控制，且通過(guò)狹長(zhǎng)的過(guò)渡段與上游河段相連，多數(shù)研究認(rèn)為在此過(guò)渡段與節(jié)點(diǎn)的控制作用下，上游河勢(shì)變化對(duì)其河道演變影響較?。?－6］。雖然節(jié)點(diǎn)斷面的歸順調(diào)整作用只是在一定程度上削弱了上游河勢(shì)的影響，但依然不可忽視。在上游河段發(fā)生較大的河勢(shì)變化時(shí)，鵝頭型分汊河道會(huì)相應(yīng)作出一定的調(diào)整來(lái)適應(yīng)進(jìn)口水流條件的改變。本文以長(zhǎng)江中游典型的鵝頭型汊道陸溪口河段為例(圖1)，分析了上游界牌河段河勢(shì)變化對(duì)鵝頭型汊道演變的影響。

圖1 界牌、陸溪口河段2006年5月河勢(shì)圖Fig.1 River regime of the reach from Jiepai to Luxikou in May 2006

2 陸溪口河段演變特征

陸溪口河段位于長(zhǎng)江中游洪湖市和嘉魚(yú)縣交界處，上起赤壁山，下至石磯頭，長(zhǎng)約24.6 km，屬鵝頭型分汊河道。河道內(nèi)有新洲和中洲將水流分為左中右3汊(又稱(chēng)園港、中港、直港)，左汊自20世紀(jì)70年代開(kāi)始逐漸趨于萎縮，目前枯水季節(jié)基本斷流。陸溪口河段自發(fā)展成鵝頭分汊河型以來(lái)，以中汊(中港)的形成、發(fā)展、衰退為主線，進(jìn)行著河勢(shì)的周期性變化(圖2)，各特征時(shí)間見(jiàn)表1。關(guān)于陸溪口河段的周期演變現(xiàn)象已有較多研究［7－8］，但是各個(gè)周期演變都具有獨(dú)特性:該河段自形成鵝頭分汊河段以來(lái)，共經(jīng)歷了3個(gè)完整的演變周期，周期長(zhǎng)短在11～20 a之間;不僅各個(gè)周期長(zhǎng)短不同，周期間河床變形速率也存在差異，如新中港發(fā)展自3 m等深線貫通至出口與老中港合并的時(shí)間從5 a至9 a不等。

表1 陸溪口河段周期演變進(jìn)程Table 1 Process of periodic evolution of Luxikou Segment

圖2 陸溪口河段河勢(shì)周期性變化示意圖Fig.2 Sketch of the periodic evolution of Luxikou segment

3 界牌河段演變特征

界牌河段上起楊林山，下至赤壁山，長(zhǎng)約38 km，為順直分汊河道。通常情況下深泓緊貼左岸螺山而下，逐漸過(guò)渡到南門(mén)洲右汊。界牌河段以邊灘的不斷下移以及周期性切割為主要演變特征，伴隨著左右深槽間過(guò)渡段周期性上提下移:螺山以下右岸有一長(zhǎng)約10 km的邊灘(俗稱(chēng)為上邊灘)，在河道演變進(jìn)程中，上邊灘不斷下移、同時(shí)灘尾拓寬，向河心淤長(zhǎng)，過(guò)渡段深槽不斷下移彎曲。當(dāng)主流彎曲至一定程度后，切割上邊灘尾部，切割下來(lái)的灘體逐漸與下游南門(mén)洲并為一體;同時(shí)過(guò)渡段上提，上邊灘開(kāi)始重新發(fā)育，河道進(jìn)入新一輪演變周期。過(guò)渡段深槽周期性的上提下移直接影響著左汊進(jìn)流條件:大部分時(shí)間主流由螺山附近靠左岸而下，在伍家墩—下蔑洲一帶過(guò)渡到右岸，沿南門(mén)洲右汊而下;當(dāng)右岸上邊灘下移淤積深入江中過(guò)寬時(shí)，擠壓過(guò)渡段主流至河道左側(cè)，使得左汊進(jìn)流條件良好，左汊成為主汊，但很快水流切灘，過(guò)渡段主流上提，左汊進(jìn)口淤積，右汊復(fù)為主汊。隨著河道邊灘的周期性切割，左汊分流比也呈現(xiàn)周期性變化。圖3為中枯水時(shí)期實(shí)測(cè)左汊分流比變化，可見(jiàn)在1982年、2001年左汊分流比超過(guò)50%而成為主汊道(1972年之前無(wú)實(shí)測(cè)分流比資料)。

與此相對(duì)應(yīng)的河勢(shì)格局見(jiàn)圖4，左汊發(fā)展成為主汊道的時(shí)間與上邊灘灘尾充分發(fā)育的時(shí)間一致。同時(shí)由圖4可知，在1967年前后上邊灘灘尾深入江中寬度與其余2次類(lèi)似，因此可以推斷在此期間，左汊也曾短暫發(fā)育為主汊道。結(jié)合實(shí)測(cè)分流比資料以及歷史測(cè)圖，可以推斷20世紀(jì)50年代以來(lái)界牌河段左汊曾3次發(fā)展成為主汊道，其分流高峰期分別約為1968年、1982年、2001年。

圖3 界牌河段南陽(yáng)洲左汊分流比變化Fig.3 Split ratio of the left branch of Nanyang sandbar in Jiepai segment

圖4 界牌河段上邊灘切灘前后河勢(shì)變化示意圖Fig.4 Sketch of river regime before and after bar cutoff in Jiepai segment

4 陸溪口與界牌河段河勢(shì)變化及其影響分析

界牌河段在演變進(jìn)程中，左汊曾3次發(fā)展成為主汊道。界牌河段這一主支汊河勢(shì)格局的變化，對(duì)下游陸溪口河段的灘槽沖淤特性及河勢(shì)演變周期也帶來(lái)了明顯影響。

4.1 對(duì)灘槽沖淤特性的影響

4.1.1 影響左右汊進(jìn)口河床形態(tài)

圖5 陸溪口汊道進(jìn)口橫斷面變化Fig.5 Cross section variation of the inlet of Luxikou braided channel

統(tǒng)計(jì)陸溪口河段近10年直港及中港斷面變化(圖5):相對(duì)于其他年份，2001年直港、中港各斷面(斷面位置見(jiàn)圖1)特征均達(dá)到極值;直港進(jìn)口斷面深泓高程最低、過(guò)流面積最大;中港進(jìn)口斷面深泓處于偏右的極限位置，中港右側(cè)的新洲灘面沖刷后退。結(jié)合前文界牌河段變化特征，1998年之后界牌河段南門(mén)洲左汊分流量逐漸增加，至2001年已超過(guò)50%再次發(fā)展成為主汊。即在左汊發(fā)展期間，陸溪口河道右汊(直港)進(jìn)口沖刷發(fā)展、中汊(中港)深泓右移、進(jìn)口淤積抬升。

同時(shí)據(jù)陸溪口水道航道整治工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［9］記載，在1990年之前，陸溪口河段直港進(jìn)口通常存在淺區(qū)礙航，而在1981—1983年間，直港(右汊)進(jìn)口淺區(qū)不再，可維護(hù)3.5 m設(shè)標(biāo)水深，沒(méi)有清障挖淤，航行條件良好;中港(中汊)進(jìn)口牛頭埠—吳王廟一帶0 m淺灘橫貫河槽，中港(中汊)幾乎淤?gòu)U。無(wú)獨(dú)有偶，1982年左右也正是界牌河段左汊發(fā)展的高峰期。綜上所述，上游界牌河段左汊為主的河勢(shì)格局利于陸溪口河段右汊(直港)的沖刷發(fā)展。

4.1.2 影響汊道分流區(qū)的位置

2005年后界牌河段主流重新移至右汊，相對(duì)于2001年上游主流走左汊來(lái)講，陸溪口河段新洲頭部高灘大幅度沖刷后退(圖6(a))。陸溪口河段進(jìn)口4m航槽覆蓋整個(gè)斷面，之后進(jìn)入分流段隨著流量的不斷分泄，進(jìn)入中港的流量不斷減少;航槽寬度不斷減小，直至基本恒定。航槽寬度逐漸減小的范圍即為枯水時(shí)期的分流區(qū)域(圖6(b)):2001年上游主流走左汊，分流段在牛頭埠附近;2005年上游主流走右汊，分流段總體下移至吳王廟附近，且分流區(qū)域大大增加。分流區(qū)域的斜向漫灘水流對(duì)新洲頭部高灘的沖刷較為劇烈，新洲頭吳王廟以上0 m線低灘被沖刷萎縮約400 m，同時(shí)由于分流段的下移，使得直港進(jìn)口分流大為減少，最終造成直港進(jìn)口4 m深槽寬度減小近100 m。

圖6 陸溪口河段灘槽變化特征Fig.6 Variations of the shoal and trough of Luxikou segment

綜上所述，當(dāng)上游界牌河段主支汊交替變化使得陸溪口河段河勢(shì)調(diào)整及灘槽沖淤呈現(xiàn)明顯的變化:界牌河段左汊為主的時(shí)候，直港進(jìn)口河床沖刷降低、中港進(jìn)口河床淤積抬升;右汊為主的時(shí)候，分流段下移，新洲頭部灘體沖刷萎縮劇烈，同時(shí)直港進(jìn)口分流減小，航寬縮窄。

4.2 對(duì)演變周期的影響

陸溪口河段及界牌河段河勢(shì)均呈現(xiàn)周期性變化特征，比較兩河段演變周期開(kāi)始時(shí)間如表2所示:兩者演變周期長(zhǎng)短相差不大，陸溪口河段竄溝出現(xiàn)在界牌河段上邊灘充分發(fā)育、過(guò)渡段主流下挫使得南門(mén)洲左汊為主汊后的1～2 a間。這說(shuō)明界牌河段主流走向?qū)﹃懴诤拥肋M(jìn)口新洲頭竄溝的出現(xiàn)起著決定性的作用。

表2 界牌與陸溪口河段河勢(shì)周期性變化時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)照Table 2 Comparison between the time nodes of periodic regime variation of Jiepai segment and Luxikou segment

一般情況下，陸溪口河段新老港完全重合后繼續(xù)發(fā)展1～3 a新洲頭便會(huì)沖刷發(fā)展形成竄溝(表1)，但最近一個(gè)周期1995年新老中港已完全重合，2001年左右洲頭竄溝才得以發(fā)展。究其原因，由于上游界牌河段整治工程的控制作用，使得邊灘切割延緩，界牌河段左汊沒(méi)能及時(shí)成為主汊，從而延緩了陸溪口河段洲頭竄溝出現(xiàn)的時(shí)間。直至2001年左右左汊分流過(guò)半，成為主汊，陸溪口河段竄溝才得以再次發(fā)展。這也是最近一輪周期演變中陸溪口河段周期延長(zhǎng)的最主要原因。

綜上所述，界牌河段與陸溪口河段演變密切相關(guān):陸溪口河段洲頭竄溝的出現(xiàn)標(biāo)志著新一輪演變周期的開(kāi)始，在演變中具有舉足輕重的地位。河段進(jìn)口水流的沖刷、中港的鵝頭化發(fā)展是竄溝出現(xiàn)的必要條件，上游界牌河段左汊為主的河勢(shì)格局將會(huì)影響竄溝產(chǎn)生的速率，是陸溪口河勢(shì)交替的誘因。而竄溝的出現(xiàn)通常標(biāo)志著新一輪周期的開(kāi)始，因此上游界牌河段的河勢(shì)變化最終影響了陸溪口汊道演變周期的長(zhǎng)短。

4.3 對(duì)節(jié)點(diǎn)挑流作用影響

界牌河段下段為順直微彎的石頭關(guān)水道，連接南門(mén)洲汊道與陸溪口汊道。石頭關(guān)水道較為順直，斷面窄深，右岸有白沙洲邊灘，左岸分布有葉家洲和腰口邊灘。石頭關(guān)水道河勢(shì)受界牌水道影響較大:當(dāng)南門(mén)洲左汊充分發(fā)展甚至成為主汊后(如1981年)，主流在石頭關(guān)水道內(nèi)貼走左岸、順直而下，過(guò)葉家洲邊灘后斜流向陸溪口進(jìn)口右岸;當(dāng)右汊發(fā)展并成為主汊時(shí)(如2006年)，主流將頂沖石頭關(guān)水道右岸邊灘，之后直接緊貼右岸頂沖赤壁山節(jié)點(diǎn)進(jìn)入陸溪口水道(圖7)。

圖7 石頭關(guān)水道5 m深槽位置變化Fig.7 Variation of the location of deep trough(5m depth)in Shitouguan waterway

如前所述，石頭關(guān)水道主要在2種不同河勢(shì)之間轉(zhuǎn)換調(diào)整。當(dāng)石頭關(guān)主流在太平口以下走右岸時(shí)，主流將順岸頂沖陸溪口河段進(jìn)口右岸赤壁山節(jié)點(diǎn)。在此條件下，節(jié)點(diǎn)挑流作用較強(qiáng)，水流被挑至節(jié)點(diǎn)對(duì)岸，使得水流動(dòng)力方向與中港夾角較小，有利于中港進(jìn)流。當(dāng)石頭關(guān)水道主流貼走左岸時(shí)，陸溪口河段進(jìn)口腰口邊灘將受沖刷后退，此時(shí)進(jìn)口主流遠(yuǎn)離赤壁山，節(jié)點(diǎn)挑流作用較小，同流量下進(jìn)口水流方向改變較小，從而水流動(dòng)力方向與直港夾角減小，有利于直港發(fā)展。如1981年11月上游河勢(shì)改變，石頭關(guān)水道內(nèi)左岸崩塌，腰口邊灘刷低下移，石頭關(guān)一帶的右邊灘逐漸增長(zhǎng)，主流不再由赤壁山上方坐落，磯頭挑流作用有所減弱，中高水期進(jìn)入直港的流量也相應(yīng)增多，利于直港沖刷。據(jù)記載，1982—1984年幾屆枯水航槽均穩(wěn)定在直港，維護(hù)水深3.5m，沒(méi)有清障挖淤，沒(méi)有出淺阻航。

綜上所述，上游河勢(shì)通過(guò)調(diào)整進(jìn)口主流走向改變節(jié)點(diǎn)挑流作用，對(duì)下游汊道的演變產(chǎn)生影響。節(jié)點(diǎn)挑流作用的強(qiáng)弱可通過(guò)附近河道斷面流速分布特征反映:當(dāng)進(jìn)口深泓沿右岸而下、緊貼赤壁山時(shí)，節(jié)點(diǎn)下游斷面流速分布如圖8(a);15 000 m3/s以下流量時(shí)，大流速明顯偏右;當(dāng)流量增至15 000 m3/s左右時(shí)，大流速已偏靠左岸，隨著流量的增加主流逐漸左移;當(dāng)流量大于30 000 m3/s后，主流幾乎緊貼左岸而行。因此在此種河勢(shì)條件下，節(jié)點(diǎn)在流量15 000 m3/s左右開(kāi)始發(fā)揮挑流作用，而當(dāng)上游深泓從左岸而下遠(yuǎn)離赤壁山節(jié)點(diǎn)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)下游在15 000～20 000 m3/s流量下主流還位于河道中央(圖8(b))。因此可以推測(cè)，在此種河勢(shì)作用下，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生挑流作用的臨界流量大于20 000 m3/s。

圖8 陸溪口河道進(jìn)口斷面流速分布Fig.8 Velocity distribution in the cross section of the inlet of Luxikou segment

總體說(shuō)來(lái)，界牌河段河勢(shì)變化通過(guò)改變陸溪口河段進(jìn)口赤壁山節(jié)點(diǎn)的挑流作用而影響其周期演變進(jìn)程:界牌河段南門(mén)洲汊道右汊為主時(shí)，水流緊貼主流直接頂沖赤壁山，挑流作用較強(qiáng)，有利于陸溪口河段中港沖刷發(fā)展;反之，水流遠(yuǎn)離赤壁山，挑流作用較弱，有利于陸溪口河段直港的發(fā)展。節(jié)點(diǎn)挑流作用的強(qiáng)弱主要表現(xiàn)為挑流臨界流量的大小:水流直接頂沖節(jié)點(diǎn)時(shí)，挑流臨界流量較小，一個(gè)水文年內(nèi)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生挑流作用的時(shí)間較長(zhǎng)，從而水流橫向沖刷動(dòng)力較強(qiáng)，有利于凹岸汊道的發(fā)展以及河勢(shì)的頻繁變化;反之，臨界流量較大，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生挑流作用的時(shí)間較短，有利于凸岸汊道的發(fā)展，鵝頭分汊河型周期性河勢(shì)變化相對(duì)較為緩慢。

5 結(jié)論

本文分析了長(zhǎng)江中游陸溪口河段演變對(duì)上游界牌河段河勢(shì)變化的響應(yīng)過(guò)程:陸溪口河段進(jìn)口主流位置隨著界牌河段南門(mén)洲汊道主支汊交替而發(fā)生調(diào)整，赤壁山節(jié)點(diǎn)的挑流作用也隨之發(fā)生強(qiáng)弱變化，進(jìn)而改變進(jìn)入陸溪口河段水流的水動(dòng)力條件，影響其洲灘沖淤變化幅度，最終影響其周期演變進(jìn)程。節(jié)點(diǎn)挑流作用的強(qiáng)弱主要表現(xiàn)為挑流臨界流量的大小:當(dāng)水流直接頂沖節(jié)點(diǎn)時(shí)，挑流臨界流量較小，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生挑流作用的時(shí)間較長(zhǎng)，有利于凹岸汊道的發(fā)展以及河勢(shì)的頻繁變化;反之，臨界流量較大，有利于凸岸汊道的發(fā)展，同時(shí)凹岸汊道河床沖刷變形速率減緩，最終影響鵝頭型汊道周期演變進(jìn)程。

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