李彥偉，潘冬子，張伯虎，郭巨海

（1. 溫州市水利局，浙江 溫州 325000；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

甌江河口屬于山溪性強潮河口[1]。甌江干流梅岙以上河床主要由徑流塑造而成，相對穩(wěn)定；從梅岙至龍灣為河口過渡段，河流進入海相平原，河床展寬，沙洲發(fā)育，水流分汊，河床沖淤多變；龍灣至口門為河口潮流段，河床拓寬且基本受潮流控制，河道穩(wěn)定[2]。甌江干流梅岙以下在江心嶼、七都和靈昆都有南北變化的汊道（見圖1）。江心嶼位于溫州市鹿城區(qū)北面的甌江中部，呈東西長、南北狹的形狀，其中東西長度約2.70 km，南北寬度約0.25 km。

汊道分流特性分析是汊道演變研究的基本問題之一[3]，可以用分流比表示。江心嶼兩側(cè)的南、北汊道，20世紀50年代至60年代初，主流在江北，南北汊道分流比為3∶7，導致溫州港碼頭嚴重淤積；20世紀60年代中期開始拋石治理，主流逐漸導向江南，南汊水道加深，至1982年溫州港航道整治共完成4期工程，在不減少河床容積的前提下，穩(wěn)定流向，束水歸槽[4]。自20世紀70年代以來，江心嶼河段分流比大致可劃分為劇變期、緩變期和穩(wěn)定期3個階段。2000年以后，南北汊道漲落潮分流較為穩(wěn)定，南汊漲潮分流比約為82%、落潮分流比約為88%[5]。

林炳東等對江心嶼汊道分流比測量的方法與計算方式進行分析與討論[6]；林統(tǒng)結(jié)合江心嶼近年江道地形和航道整治工程的布局，分析人類活動對河勢的影響[7]；趙渭軍等利用歷年水文泥沙資料和水下地形測圖資料，研究甌江河口江心嶼分汊河段主支汊變遷、南北汊分流比變化和河段深泓線變化，分析江心嶼分汊河段的河勢演變規(guī)律[8]。本文對江心嶼汊道水流概況進行分析，提出汊道分流比的簡化計算方法，并與實測數(shù)據(jù)進行對比，進而探討江心嶼汊道分流比的變化特性。

1 江心嶼汊道特性

河道的形態(tài)因素以及與其相應的水動力條件、阻力因素和輸沙因素，共同組成分汊河道的綜合特性，造成不同流量或不同水位下的分流比。分汊河道水流運動的一個重要特征是主流動力軸線的分汊[9-10]，其水流運動特征受汊道節(jié)點的控制。節(jié)點是對河勢變化起控制作用，具有某種固定邊界而平面位置相對穩(wěn)定的窄段，如瀕臨河岸的山體、石磯、護岸和橋梁等人工建筑物，甚至相對穩(wěn)定的河漫灘等[11-12]（見圖2）。江心嶼汊道河段受山體地質(zhì)構(gòu)造影響，自上而下右岸有臥旗山、翠微山、郭公山、海坦山等山體瀕臨江道，控制河段的平面形態(tài)。甬臺溫鐵路甌江大橋、東甌大橋及汊道兩岸的航道整治建筑也起到穩(wěn)定流向從而控制下游河勢的作用。

圖2 江心嶼汊道概況圖

目前江心嶼南汊道河床窄深，平均寬度約440 m，-10 m（1985國家高程基準，下同）等高程線全線貫通，最深處可達 -23 m，主槽緊貼甌江南岸防洪堤。北汊道寬淺，平均寬度約720 m，平均河床在 -2 m以上，嫩灘有所發(fā)育。節(jié)點是分汊河道特定的邊界條件，江心嶼汊道局部受自然山體和人工建筑的控制作用，形成典型的節(jié)點斷面見圖2中1 - 1、2 - 2、3 - 3和4 - 4斷面。1 - 1節(jié)點是控制汊道洪水期、落潮流的進口以及漲潮流的出口；4 - 4節(jié)點是控制汊道洪水期、落潮流的出口以及漲潮流的進口，在進口段和出口段都有穩(wěn)定的深槽。分流區(qū)和匯流區(qū)分布于江心嶼的兩側(cè)，發(fā)育有較大的邊灘。節(jié)點在深槽普遍過水時所起的作用比較大；如果水位充分降落，在縮窄段內(nèi)出現(xiàn)嫩灘，節(jié)點對河勢的控制作用就會減弱。

2 江心嶼汊道分流比簡化計算

分流比是指分流進入某汊道的水量占流經(jīng)所有汊道總水量的百分比（見圖3）。假定江心嶼南、北汊的斷面流量分別為QS、QN，則南汊的分流比定義為：

圖3 汊道分流比計算簡圖

不考慮灘槽水流的速度差異，采用單一斷面曼寧公式計算流量：

式中：A為過流斷面面積，m2；R為水力半徑，m；n為糙率，s/m1/3；i為比降。

曼寧公式反映水流與河床之間的部分關(guān)系以及河床內(nèi)部各因素間的相互關(guān)系。當實際工程中不知道河道水位流量關(guān)系曲線時，可以采用曼寧公式進行推求。但是，曼寧公式本質(zhì)是一個接近于均勻流的恒定條件下推導出來的公式，其要求一個簡單的前提條件，即斷面必須是矩形或接近矩形的單一河槽。圖3中經(jīng)過2 - 2、3 - 3控制斷面的水流受橋梁基樁的縮窄理直作用，局部河勢得到控制。河道局部斷面可以認為是接近矩形的，可以用平均水深計算流量；但其他區(qū)域的寬淺河段或嫩灘發(fā)育河段，水深在橫斷面上分布不均勻，采用基于單一河槽法的曼寧公式計算的誤差較大。圖3中2 - 2、3 - 3斷面的實測形態(tài)見圖4?？刂茢嗝嫣幍膶捝畋葹?5 ～ 50，采用斷面平均水深H代替水力半徑R計算誤差較小，取R ≈ H。

圖4 控制斷面2-2、3-3附近的實測斷面形態(tài)圖

從水力學的角度分析，天然河道糙率指的是河床底床及岸壁的粗糙程度對水流產(chǎn)生的阻力大小，其數(shù)值可以與床沙的粒徑建立關(guān)系，主要的經(jīng)驗公式如下：

（1）Strickler公式[13]：n = 0.041d501/6（3）

式中：d50為中值粒徑，m。

（2）Henderson公式[14]：n = 0.034d501/6（4）

分別選取節(jié)點斷面2 - 2、3 - 3作為江心嶼南、北汊的代表斷面。假定分流點至匯流點沿兩汊的深泓線長度為L，水位落差為ΔH，則汊道平均水面比降：i = ΔH / L （5）

控制斷面按近似矩形考慮，則南北兩汊平均水深可以表示為：

式中： BS、BN為南北汊道特定水位下的等效河寬，m。

綜上所述，江心嶼南汊分流比簡化計算公式可以表示為：

式中：N代表北汊道；S代表南汊道。

3 結(jié)果分析

3.1 公式驗證

為了保障甌江兩岸堤防及涉水建筑物的安全，溫州市水文站組織多次甌江河口水下地形斷面測量和水文測驗。2012年6月在甌江江心嶼南北兩汊分別布置1條斷面，進行大中小潮全潮同步流量觀測[7]。在圖2的節(jié)點控制斷面2 - 2和3 - 3附近區(qū)域分別布置有地形測量斷面和流量測量斷面。東甌大橋可行性研究階段地質(zhì)勘測資料表明，江心嶼南北兩汊主槽的床沙粒徑組成相差不大。簡化計算時，可忽略兩汊糙率的差異。分流比和各計算參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表1，江心嶼汊道南汊分流比計算值與測量值誤差在2%以內(nèi)，結(jié)果表明式（7）具有較高的效率和精度，可以應用于江心嶼南北汊分流比特性的分析。

表1 南汊分流比測量與計算結(jié)果統(tǒng)計表

3.2 分流比變化特性分析

南汊漲潮分流比與節(jié)點控制斷面過水面積比的關(guān)系見圖5。在其他參數(shù)不變的情況下，隨著過水面積比AN/ AS的增加，南汊分流比減小，即北汊的過流量增加。當南、北兩汊過水面積相等，即AN/ AS= 1時，南汊分流比為約為47%。

南汊漲潮分流比與分流點至匯流點沿兩汊深泓線長度比LS/ LN的關(guān)系見圖6。在其他參數(shù)不變的情況下，隨著LS/ LN的減小，南汊分流比增大，即北汊的過流量減少。在南汊深泓線穩(wěn)定的情況下，LS/ LN的減小表示LN增大，即北汊嫩灘發(fā)育，導致深泓線增長。假定LS不變，當LS/ LN= 2，即北汊深泓線長度增加2倍，南汊漲潮分流比的增大在5%左右。

圖5 分流比與過水面積比的關(guān)系圖

圖6 分流比與深泓線長度比的關(guān)系圖

現(xiàn)狀情況下，江心嶼分流形成的過大流量使南汊刷深、河岸沖蝕，對沿岸的江堤、碼頭、水閘等構(gòu)筑物帶來嚴重的不利影響，直接威脅江堤穩(wěn)定和南岸溫州主城區(qū)的城市防洪安全。根據(jù)《溫州市江心嶼景區(qū)整合與提升規(guī)劃》[15]，為進一步挖掘和保護江心嶼的旅游觀光資源，北汊將開辟新的碼頭和航道功能，現(xiàn)狀河勢條件無法滿足航線的水深要求，有必要采取整治措施，減小南汊的分流比。通過上文的分析，可行的方案是：①增大過水面積比AN/ AS，可以通過拆除上村順壩和北岸潛壩來實現(xiàn)；②增大深泓線長度比LS/ LN，可以通過北汊挖槽，控制嫩灘發(fā)育來實現(xiàn)。

4 結(jié) 論

（1）江心嶼汊道河段受自然山體地質(zhì)構(gòu)造和人工建筑物的影響，河段的平面形態(tài)受主要節(jié)點斷面的控制，本文選取甬臺溫鐵路甌江大橋、東甌大橋和海坦山斷面作為分流比分析的節(jié)點控制斷面。

（2）東甌大橋控制斷面受橋梁基樁的縮窄理直作用，可以采用矩形近似用單一斷面的曼寧公式計算流量，推導江心嶼汊道分流比的簡化計算公式。

（3）利用水下地形斷面測量和水文測驗資料，對分流比的簡化計算公式進行驗證，結(jié)果表明該公式具有較高的效率和精度。

（4）在其他參數(shù)不變的情況下，南汊漲潮分流比隨著兩汊過水面積比AN/ AS和深泓線長度比LS/ LN的增大而減小。