节点对长江下游马当河段汊道演变影响的研究

，

(南京水利科学研究院 a.河流海岸研究所；b.水文水资源及水利工程科学国家重点实验室，南京 210029)

1 研究背景

在河床演变研究中，把对河道变化起控制作用，具有某种固定边界而平面位置相对稳定的窄段，叫做节点[1]。这里所说的节点并非传统意义上的河岸边界，而是指河道内的边界条件，由两侧不易冲蚀的山矶或冲积物或人工护岸形成的束窄段。钱宁曾指出，由控制物形成的窄深河段对游荡型河流的河势变化具有不可忽视的节制作用，因此可以将这些窄深河段统称为河流的节点[2]。在宽窄相间的分汊性河道和游荡性河道中，节点宛如莲藕的藕节[1]。节点广泛存在于分汊河道和游荡性河道，对河势发展至关重要，许多学者对节点的形成和分类进行了研究[1-3]。分汊河段是冲积平原河流中常见的一种河型。例如长江中下游城陵矶—江阴河段(长约1 120 km)，有分汊河道41处，长817 km，占总河长的78%[4]，自张家洲段开始起控制作用的节点就有48个[1]。汊道的演变对分汊河段的河势发展至关重要，直接影响到防洪形势、河道治理等，分析节点在汊道演变中的作用，对于指导该河道的维护和治理思路具有重要的战略意义。长江下游马当河段为微弯分汊河型，河道多级分汊，有彭郎矶-小孤山、马当矶-马当嘴、牛矶等一系列山体边界束窄河道形成的节点(图1)。在河道治理工程中，某一汊道的治理是否会对其他汊道产生影响，在河道治理过程中应遵循怎样的顺序，这是工程技术人员非常关心的问题。而目前对分汊河段及其节点的研究主要集中在水沙运动特性及演变规律方面[5-10]，对汊道之间相互影响的定量研究较少。开展汊道之间的影响研究，不仅具有理论意义，更具有重要的工程应用价值。本文的研究意义在于采用数学模型和河床演变分析相结合的方法，探索汊道之间演变的相互影响，分析节点的控制作用，为河道的治理提供指导意见。

2 河道概况及水沙特征

马当河段位于长江下游九江与安庆之间，上起小孤山，下至华阳河口，全长约30 km(图1)。

图1 马当河段概况

骨牌洲将本水道分为南北两汊：北汊为支汊，称为马当圆水道(简称圆水道)；南汊以马当矶为界，上下段分别为马当南水道(简称南水道)和马当阻塞线水道(简称马阻水道)。南、北两汊于娘娘庙处交汇，娘娘庙以下至华阳河口称为东流直水道。马当南水道江心有棉外洲，将河道分为左右2槽，右槽较窄深，左槽相对宽浅。马阻水道被瓜子号洲分为2汊，右汊为主汊。马当水道河床质系沙质，中值粒径集中在0.12～0.25 mm之间；河床冲淤变化以悬移质输移为主，悬移质中值粒径范围为0.008 7～0.020 5 mm。马当河段右岸为起伏连绵的山丘，自上而下主要有小孤山、彭郎矶、矶后山、马当矶、马当嘴、娘娘庙、牛矶等，这些矶头使右岸岸线在总体上得到控制。小孤山与彭郎矶隔江相望形成节点，江面宽约650 m，控制了马当河段的进口。马当矶突出江中，使江面急剧缩窄，与马当嘴相峙，形成“卡口”，最窄处河宽仅约650 m，对河势影响较为显著。

马当河段位于大通水文站上游约130 km，中间无较大支流入汇，故大通站的水沙统计资料可以代表本河段的水沙特征。据大通站1950—2009年资料统计，多年平均流量为28 300 m3/s，年均径流总量9 019×108m3。多年平均含沙量为0.44 kg/m3，年平均输沙量为3.97亿t。径流和输沙量年内分配不均，5—10月为汛期，水量占70.6%，输沙量占87.2%，枯季12月至次年3月水量及沙量最小，4月和11月一般为中水期。自20世纪90年代以来，由于长江上游水土保持以及多个大型水利工程的建设，使得来沙量总体呈减少的趋势。大通站20世纪50—80年代平均输沙量为4.68亿t/a，而90年代年均值为3.52亿t/a，减少了约25%。三峡蓄水后，坝下游来沙进一步减少，与多年平均输沙量相比，2003—2009年大通站年输沙量减幅为50%～80%。

图2 马当河段历史演变示意图

3 各汊道自然演变情况

19世纪中叶，马当河段已是分汊河型(图2)，洲滩众多，汊道纵横，流路复杂，北汊为主汊。此后北汊逐渐弯曲，并经历了洲滩合并的过程，逐渐形成相对稳定的汊道。20世纪三四十年代至今，南汊一直保持主汊地位，并且分流比逐渐增大。马当河段一百多年来的总体演变趋势是南兴北衰。其原因一方面在于北汊即马当圆水道弯曲流路较长，比降较小，总阻力较大，淤积严重，南水道短而顺直，导致多年来分汊口门主流逐渐向南偏转；另一方面，右岸的山矶形成节点，抗冲性强，限制了河道往南迁移，右岸岸线较为稳定，在历史演变过程中起到了控制作用。

图3 马当河段汊道分流比演变情况

从分流比变化来看(图3)，20世纪50年代末,左汊马当圆水道分流比可达到36%～40%；至80年代初，洪、枯季分流比分别减小了约18.4%和13.0%；80年代初至90年代相对稳定；2007—2008年北汊分流比枯水时减小至仅2.4%～4.5%，洪水时减小至12.6%。随着北汊衰退、南水道分流比的增加，南水道内部的滩槽形势也进行了调整。20世纪70年代，马当南水道为单一顺直河型，主流居右，进口段有与骨牌洲洲头相连的高滩，受水流的切割作用，江心出现棉外洲的雏形；90年代期间，棉外洲逐渐长大并略有下移，目前洲体枯季已出露水面，中洪水时被淹没。南水道因此被分成左、右两槽，其中以右槽为主槽。近年来，棉外洲左槽呈不断发展趋势，造成棉外洲的南移，不断压缩右槽，致使右槽5 m水深平均宽度已由2000年的570 m减小至2007年的460 m；马当南水道出现两槽争流的格局，左槽分流比为46.3%～55.9%(2007—2010年数据)。

马阻水道下段被瓜子号洲分为左、右2汊，右汊为主汊，20世纪60年代之前一直处于相对稳定状态。近年来，瓜子号洲左汊的分流比有所增加(图3)，20世纪80年代初左汊分流比为10%～14%，至2002年前后增加到25%左右，至2007—2008年保持在21%～23%。瓜子号洲左汊分流比的增加使得洲尾浅滩下移时发生右偏，不断压缩东流直水道进口处的深槽。

汊道的发展与衰退与多种因素相关，如来水来沙条件、河床边界条件、人类活动等。自然情况下的演变只能从总体上分析汊道之间相互牵制关系，较难理清某一汊道分流比改变后对其他汊道的影响程度。若定量研究汊道之间的相互影响需借助数学模型的手段。

表1 马当河段不同流量级分流比实测与计算的比较

4 二维水沙数学模型的建立与验证

马当河段二维水沙数学模型的基本原理，包括控制方程、边界条件、初始条件、动边界技术等详见文献[11-12]。计算域进口位于东北直水道的三洲圩，下游出口位于华阳河口，全长约58 km。计算域内沿河宽方向布置73个节点，网格间距大部分为20～60 m，沿水流方向布置378个断面，网格间距80～250 m。采用2007-01,2007-07,2007-10,2008-03,2009-04,2010-01枯水、中洪水流量进行了水流验证[13]。验证计算时，模型中的地形采用水文测验时的同步地形测图。限于篇幅，图4、图5给出了部分水位、流速验证结果。计算的水面线、流速分布与实测值吻合较好，计算的骨牌洲左右汊、棉外洲左右槽、瓜子号洲左右汊分流比与实测比较接近，较好地模拟了马当河段的分流情况(表1)。通过实测及计算的分流比数据可以看到，随着流量的增大骨牌洲左汊分流比逐渐增大，这与一般的分汊河段支汊分流比变化规律是一致的。而棉外洲左槽分流比及瓜子号洲左汊分流比则反映了“枯水坐弯，洪水趋直”的变化规律：棉外洲左槽为相对偏直的河道，2007—2009年数据比较来看，流量越大，棉外洲左槽分流比增大，洪水时左槽占优，枯水时右槽占优，而2010年枯水分流比左槽也占优，不排除左槽河道冲刷发展的可能性；瓜子号洲右汊为相对偏直的河道，左汊偏弯，洪水时左汊分流比比枯水时的分流比进一步减小。数学模型较好地模拟了分汊河段分流比的变化规律。马当河段2005年5月至2008年3月冲淤计算表明(图6，表2)，计算的冲淤量和冲淤分布总体上与实测比较接近，较好地模拟了马当河段的冲淤规律。马当河段年内表现为涨淤落冲的变化规律，经过完整的水文年后，马当南水道棉外洲左槽及其进口段呈冲刷发展趋势，右槽淤积萎缩，棉外洲洲尾淤涨，但淤涨区位于右槽，左槽出口冲刷；马阻水道中上段微冲微淤，瓜子号洲右汊略有冲刷发展。瓜子号洲洲尾存在一条淤积带，年淤厚可达1～2 m，直接阻止马阻水道下延深槽与东流直左侧深槽的连通。

图4 不同流量级下的水面线验证

图5 枯水、洪水时流速分布验证

表2 2005年5月至2008年3月马当河段底床冲淤计算与实测的比较

图6 马当河段2005年5月至2008年3月冲淤分布计算与实测的比较

5 汊道演变的相互影响与节点的控制作用

为了探索汊道之间的相互影响，在来水来沙条件、河道边界条件等其他影响因素不变的基础上，通过修改地形、筑坝、疏浚等人为措施改变某一汊道分流比后，采用二维水沙数学模型计算分析了对其他汊道的影响，分析了节点对汊道演变的控制作用。

5.1 上游河段分流比变化对马当河段的影响

马当河段上游为东北直水道，下三号洲将其分为左右2汊，左汊为主汊，右汊为支汊，右汊分流比仅为3.1%～13.4%。将下三号洲右汊封堵，其分流比减小为0时，对马当河段汊道分流比基本没有影响，彭郎矶下游流速变化仅0.01～0.02 m/s(图7(a))；将下三号洲右汊浚深10 m，其分流比增加到18%～21%，则马当圆水道和棉外洲左槽分流比仅微增0.01%～0.02%以内，骨牌洲洲头一带流速仅微增0.01%～0.03 m/s以内(图7(b))。由此可见，下三号洲河势发生较大变化时，马当河段河势变化微小，其原因主要是水流经过小孤山与彭郎矶的调整，马当河段进口边界条件较为稳定(图8)。泥沙冲淤计算结果表明：鉴于上游分流比改变后水流变化甚小，从而基本不对马当河段汊道泥沙冲淤产生影响；在来水来沙条件不变的情况下，马当河段的汊道演变受上游汊道的影响较小。

表3 棉外洲左槽全堵马当河段分流比的变化

图7 下三号洲右汊改变后引起的流速变化

图8 彭郎矶和马当矶附近流场图(Q=28 400 m3/s)

5.2 马当南水道分流比变化对周边汊道的影响

通过修改局部地形改变棉外洲左右槽分流比，研究其变化对上下游河段的影响，分析马当矶-马当嘴节点在汊道演变中的控制作用。马当南水道整体过流能力对周边河道的影响较大，因此通过修改局部地形只调整棉外洲分流比，而尽量不改变马当南水道整体过流面积。左槽填高地形条件时整治流量(12 200 m3/s)以下左槽不过流，相应右槽进行挖深，保证总的过水断面不变；右槽填高地形条件时整治流量以下右槽不过流，相应左槽进行挖深。

表3、表4为调整棉外洲分流比后周边汊道分流比变化。棉外洲左右槽分流比在现状基础上变化23.3%～58.1%后，下三号洲分流比变化在0.06%以内，马当圆水道分流比变化0.3%～1.2%，瓜子号洲分流比变化0.1%～0.7%。其中马当圆水道分流比变化相当程度上是因为改变棉外洲地形后，或多或少影响了马当南水道总体过流能力引起的。由此可见，棉外洲左右槽分流比大幅改变后，对下三号洲、马当圆、瓜子号洲分流比影响微小。

表4 棉外洲右槽全堵马当河段分流比的变化

在现状条件下(2007年地形)，棉外洲左右槽基本均衡，从洲头至洲尾，流速沿河宽分布呈“双峰”特征，小水时流路坐弯右槽略占优，大水时流路趋直左槽略占优(图9)。棉外洲左槽填高时，枯水流量(6 300 m3/s和12 200 m3/s)时左槽不过流，随着流量的增加左槽流速逐渐增加，至洪水流量时(58 600 m3/s)左槽流速已相对占优；而棉外洲右槽填高时，枯水至洪水流量时左槽流速均相对较大。左槽填高时(图9(a))，棉外洲进口段水流向右槽偏转，右槽分流比增加，在棉外洲尾，左槽入汇水流明显减小；至马当矶，矶头前沿流速增加，马当矶后方回流略有增强，马当嘴后方回流略有减小，在马当矶挑流作用下，主流流向较现状左偏10°左右，经矶头调整，至马当矶下游约660 m(断面5#)，主流流向开始恢复性右偏，最大影响可至马当矶下游约2 km处，至沉船打捞区(断面7#)变化趋微，流向变化不足0.5°，这反映了马当矶对流路的控制作用。显而易见，若无马当矶和马当嘴的存在，流路得不到调整，右槽增加的分流将直趋下游，增加下游右侧河道的动力。右槽填高时(图9(b))，水流变化与左槽填高时基本相反，棉外洲进口段水流向左槽偏转，在棉外洲尾，左槽入汇水流明显增加，主流直趋马当矶头，主流流向较现状右偏10°左右，主流趋于江心，至马当矶下游约660 m，主流流向开始恢复性左偏。可见，棉外洲分流比调整后，最大影响可至马当矶下游约2 km处。

图9 棉外洲左、右槽填高时断面流速分布变化(Q=28 400 m3/s)

图10 棉外洲左、右槽填高引起的河床冲淤变形

地形与特定的水沙条件相适应。棉外洲左右槽地形被人为改变后，为了适应现有的水沙条件，必定朝着逆势方向发展，即被填高的左槽将冲刷，被浚深的右槽将淤积。因此，人为修改棉外洲左右槽地形后，将出现大幅度冲淤，本文着重研究其相对冲淤变化对下游的影响情况，以反映汊道之间的影响。计算条件采用10 a水沙系列过程，即2004—2007年及1998年(含大洪水)实测流量、含沙量过程，在此基础上循环1次，其中考虑到三峡工程2003年蓄水运用后的拦沙作用，以1998年来沙过程的1/3作为进口控制条件。计算表明，棉外洲左槽冲刷发展、右槽萎缩幅度达2～5 m以上时(图10(a))，马阻水道左侧河道相对冲刷，右侧河道相对淤积，但仅影响马当矶下游2.5 km以内河道，相对冲淤幅度为0.5～1.5 m，至沉船区，河床仅微淤0.1～0.2 m。右槽冲刷发展、左槽萎缩幅度达2～5 m时(图10(b))，马阻水道左侧河道相对淤积，右侧河道相对冲刷，马当矶下游约2.5 km以内河道相对冲淤幅度为0.5～1.5 m，沉船区左侧河床微淤、右侧微冲，但幅度较小，在0.5 m以内。

由此可见，马当矶与马当嘴隔江相望，形成节点，限制了马阻水道的进流条件，有利于减小马当南水道与马阻水道的相互影响，马当南水道较大的冲淤变化对马阻水道影响范围有限。图8流场图和图9流速分布图从水动力角度反映了节点的控导作用。在小孤山—彭郎矶、马当矶—马当嘴形成的节点段，河道均呈现微S形，上游经过此处的水流得以控导，减小主流摆动，即使在上游主流较大摆动的情况下，经过节点后的主流发生恢复性偏转，反向调节到现有主流流向。这也说明，相邻2个河段由于中间节点的调节作用，上游河段的演变不可能立即对下游河段产生影响，节点使分汊河道的演变具有相对的独立性[1]，但这种独立性是相对的，与节点的调节作用强弱有关。

6 结语与建议

马当河段为长江下游典型的微弯分汊河型，被江心的岛屿、洲滩多级分汊，汊道进出口依次有小孤山、彭郎矶、马当嘴、马当矶等束窄河道形成控制节点。数学模型结合河床演变分析研究表明，下三号洲右汊的分流比由现状的3.1%～13.4%封堵至0或扩大到18%～21%时，马当圆水道和棉外洲左槽分流比仅微增0.00%～0.02%，骨牌洲头部流速变化仅0.01%～0.03 m/s，对汊道段泥沙冲淤基本不产生影响。因此，经过小孤山与彭郎矶节点的调整，马当河段进口边界条件较为稳定，上游的下三号洲河势发生较大变化时，马当河段河势变化微小。

马当矶—马当嘴形成的控制节点在马当南水道和马阻水道的演变中起到控制作用。棉外洲左右槽分流比变化23.3%～58.1%后，瓜子号洲分流比仅变化0.1%～0.7%。棉外洲分流比改变引起的主流变化在马当矶下游约660 m开始恢复性偏转，最大影响仅可至马当矶下游约2 km处。棉外洲左、右槽冲淤幅度达2～5 m以上时，马当矶下游约2.5 km以内河道相对冲淤幅度为0.5～1.5 m，往下游变化渐微，影响幅度有限。

小孤山与彭郎矶、马当矶与马当嘴隔江相望，形成节点，有利于减小上游河段对马当河段的影响及马南水道与马阻水道的相互影响，节点使分汊河道的演变具有相对的独立性。因此，在类似马当河段的治理中，对于有节点控制的汊道，某一汊道的整治对其他汊道的影响是有限的，不会对总体河势造成颠覆性的影响。节点是控制分汊河段稳定的重要条件，在河道治理过程中，应从战略角度上加以保护利用。

参考文献：

[1] 余文畴.长江下游分汊河道节点在河床演变中的作用[J].泥沙研究, 1987, (4): 12-21.(YU Wen-chou.Action of Nodes of the Braided Channel at the Lower Yangtze River in the Fluvial Processes [J].Journal of Sediment Research, 1987, (4): 12-21.(in Chinese))

[2] 钱 宁, 张 仁, 周志德.河床演变学[M].北京: 科学出版社, 1987.(QIAN Ning, ZHANG Ren, ZHOU Zhi-de.Riverbed Evolution [M].Beijing: Science Press, 1987.(in Chinese))

[3] 夏修杰, 张林忠, 王恺忱.河道中的节点[C]∥第七届全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集, 2008: 451-454.(XIA Xiu-jie, ZHANG Lin-zhong, WANG Kai-chen.Nodes in Rivers [C]∥Proceedings of the 7th National Academic Conference on Sediment Basic Theory Research, 2008: 451-454.(in Chinese))

[4] 王昌杰, 陈国祥．河流动力学[M]．北京: 人民交通出版社, 2001.(WANG Chang-jie, CHEN Guo-xiang.River Dynamics [M].Beijing: China Communications Press, 2001.(in Chinese))

[5] 夏细禾, 颜国红．长江中下游分汊河道稳定性研究[J]．长江科学院院报, 2000, 17(5):9-18.(XIA Xi-he, YAN Guo-hong.Study on Stability of Branch Channels on Middle and Lower Reaches of Yangtze River [J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2000, 17(5):9-18.(in Chinese))

[6] 姚仕明, 张 超, 王 龙，等．分汊河道水流运动特性研究[J]．水力发电学报，2006, 25(3): 49-57.(YAO Shi-ming, ZHANG Chao, WANG Long,etal.Study on the Characteristics of Flow Movement in Branching River [J].Journal of Hydroelectric Engineering, 2006, 25(3): 49-57.(in Chinese))

[7] 潘庆燊，胡向阳．长江中下游分汊河段的整治[J]．长江科学院院报, 2005, 22(3): 13-17.(PAN Qing-shen, HU Xiang-yang.Bifurcated Channel Stretches Regulation in Middle and Lower Yangtze River [J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2005, 22(3): 13-17.(in Chinese))

[8] 窦 臻, 张增发．长江和畅洲左汊潜坝工程对汊道演变的影响[J]．长江科学院院报, 2012, 29(10): 21-27.(DOU Zhen, ZHANG Zeng-fa.Effect of Submerged Dike in the Left Branch at Hechang Sandbar on the Evolution of River Branches [J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2012, 29(10): 21-27.(in Chinese))

[9] 顾 莉, 华祖林, 褚克坚, 等．顺直微弯型分汊河道水流的紊动特性试验研究[J]．河海大学学报, 2011, 39(5): 475-481.(GU Li, HUA Zu-lin, CHU Ke-jian,etal.Experimental Study on Turbulence Characteristics of Flow in Straight or Slightly Curved Braided Rivers [J].Journal of Hohai University, 2011, 39(5): 475-481.(in Chinese))

[10] 张 为, 李义天, 江 凌.三峡水库蓄水后长江中下游典型分汊浅滩河段演变趋势预测[J].四川大学学报: 工程科学版, 2008, 40(4): 17-24.(ZHANG Wei, LI Yi-tian, JIANG Ling.Fluvial Process Change of the Typical Multi-Branched Meandering Reach in the Mid-Down Yangtze River After Three Gorges Dam Impoundment[J].Journal of Sichuan University (Engineering Science), 2008, 40(4): 17-24.(in Chinese))

[11] LU Yong-jun, WANG Zhao-yin， ZUO Li-qin.2D Numerical Simulation of Flood and Fluvial Process in the Meandering and Island-braided Middle Yangtze River[J].International Journal of Sediment Research，2005, 20(4): 333-349.

[12] 陆永军, 陈国祥.航道工程泥沙数学模型的研究(I)——模型的建立[J].河海大学学报, 1997, 25(6): 8-14.(LU Yong-jun, CHEN Guo-xiang.Study on Sediment Mathematic Model for Waterway Engineering (I)-Development of the Model [J].Journal of Hohai University, 1997, 25(6): 8-14.(in Chinese))

[13] 南京水利科学研究院.长江下游马当河段航道整治工程平面二维水沙数值模拟研究[R].南京: 南京水利科学研究院, 2008.(Nanjing Hydraulic Research Institute.Study on 2D Mathematic Model for Flow and Sediment Transport in Madang Reach Downstream Yangtze River [R].Nanjing: Nanjing Hydraulic Research Institute, 2008.(in Chinese))