水沙条件变化下长江下游典型江心洲汊道形态演变及趋势

，，

(长江科学院 水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

冲积平原河流在束窄段“节点”的控制下呈现出宽窄相间、河相基本有序的藕节状分布[1]，这种由一个或多个江心洲及其两侧汊道组成的分汊河道是一种常见的河流地貌形态。江心洲的存在使汊道数量成倍增加，并作为各汊道间相互联系和作用的纽带，与两岸河漫滩一起共同构成分汊河段平面形态。一方面，江心洲起控制河势的作用；另一方面受汊道形态、进出口地形、水流强度及水流动力轴线等诸多因素的影响，江心洲呈现出不稳定性和演变的复杂性[2-3]。对江心洲分汊河道演变特征和规律的研究是河流地貌研究的重要组成部分。

长江中下游普遍发育有分汊河道，特别是城陵矶以下河道，共发育有41处江心洲分汊河段，汊道段总长906.2 km，占河段全长的69.5%[2,4]。近20 a来，随着三峡水库及其上游干、支流众多水库的相继建成，水库的调蓄改变了坝下游河段年内径流分配和泥沙的时空分布，大量泥沙在水库库区淤积致使下游河道来沙量骤降，挟沙水流长期处于非饱和状态，引起下游河道发生长距离、长时期的河床冲刷[5-7]。

分汊河道在水沙变化条件下发生显著的冲淤调整，目前借助原型观测、遥感影像、理论概化模型、数学模型等多个手段开展了许多演变机理研究。张为等[8]认为水沙输移特性是汊道及洲滩演变的关键因素；陈立等[9]、王博等[10]分别对关洲和武汉天兴洲分汊河段的分析表明三峡蓄水初期汊道均以冲刷为主，且洪水对主汊冲刷幅度明显超过支汊；李志威等[11-12]基于遥感影像分析发现2003年以来长江中下游大多数江心洲呈面积减少、洲体萎缩态势，通过概化模型还分析了洲头冲淤转换的临界流量及其动力机制；朱玲玲等[13]以沙市河段为例研究发现三峡蓄水后特征流量的变化引起主流的偏转。

总结不同类型分汊河道演变规律发现，洪水水流动力轴线所经之地以及比降大的汊道冲刷更加强烈[14-15]。尽管这些变化不会造成大尺度的河型转化[16]，但河床下切和局部河段崩岸无法避免，对防洪安全、航道畅通、岸线保护和利用、沙洲湿地及土地资源等均产生重要影响。由此可见，开展水沙变异条件下江心洲汊道演变研究具有重要的理论和实际意义。

镇扬河段是长江中下游河道组成及河势演变最为复杂的分汊河段之一，见图1(2010年8月测图，1985国家高程)，两岸经济发达、水运繁忙、整治难度大，近年来受河床持续冲刷下切影响的世业洲、和畅洲崩岸频发，具有较强的代表性[17-18]。因此本文选取镇扬河段为研究对象，通过三峡蓄水以来实测水沙、地形资料的分析，着重研究江心洲汊道的形态演化和主支汊交替演变机理，探讨新水沙条件下分汊河道的重塑特征和趋势，从而为该河段的整治与管理提供技术支撑。

图1镇扬河段河势
Fig.1RiverregimeoftheZhenjiang-YangzhouReachofthelowerYangtzeRiver

2 河段概况

镇扬河段位于江苏省境内，上起三江口，下至五峰山，全长73.7 km，属长江下游感潮河段，也是典型的分汊河段(图1)。之所以“典型”，主要体现在该河段是20世纪70年代以来长江中下游河床演变最剧烈、治理难度最大的河段[3]。本文研究对象为该河段中的2个江心洲汊道段：世业洲汊道及和畅洲汊道，前者为弯曲分汊，后者为鹅头分汊，两者通过六圩弯道连接。20世纪80年代以来镇扬河段先后实施了一期、二期整治工程和2004—2013年应急护岸工程，为维护南京以下长江深水为12.5 m航道条件，实施了仪征水道世业洲头二期工程整治，和畅洲水道左汊新建2道潜坝及其护底工程。目前镇扬河段三期整治工程已开工实施，工程整治使镇扬河段急剧变化的河势得到初步控制。

以大通水文站作为镇扬河段水沙条件控制站，1951—2002年和2003—2016年分别代表三峡水库蓄水前后，对比分析结果表明来水来沙年际和年内分配均发生改变[19](表1)。径流量的变化主要表现为蓄水后年总量稍有减小，由蓄水前9 051亿m3下降到蓄水后的8 582亿m3，降幅为5.2%；受水库调度“削峰补枯”的影响，洪季径流量减小，枯季径流量增大。输沙量在蓄水后显著减少，年总量由4.21亿t锐减到1.4亿t，降幅为66.7%；输沙量的减少主要发生在洪季，枯季则稍有减少，洪枯比由15.1减小为5.3。水沙通量的变化特征决定了水体含沙量的显著下降，尤其洪季平均含沙量由0.635 kg/m3下降为0.202 kg/m3，洪季沙峰基本消失，来沙年内分配趋于均衡(图2)。新水沙条件总体表现为不饱和状态的清水下泄，势必会影响镇扬河段江心洲汊道演变。

图2三峡蓄水前后大通水文站月平均含沙量
Fig.2Monthly-averagedsedimentconcentrationatDatongstationbeforeandaftertheimpoundmentofThreeGorgesReservoir

本文收集了三峡蓄水以来镇扬河段地形数据，使用Surfer软件得到汊道典型断面变化、冲淤分布和冲淤量，结合水沙条件和汊道分流比变化，分析世业洲汊道及和畅洲汊道形态演变特征和趋势。

表1 三峡水库蓄水前后大通水文站来水来沙特征Table 1 Incoming flow and sediment characteristics at Datong Station before andafter the impoundment of Three Gorges Reservoir

注：洪季为6，7，8，9月份，枯季为12，1，2，3月份

3 结果分析

3.1 分流比变化

世业洲汊道右汊为主汊，20世纪90年代以来受长江连续大洪水的影响，左汊发展、右汊萎缩的趋势延续并有所加快(图3)。1997年6月在流量为27 000 m3/s时左汊分流比为26.4%，到2016年11月同等流量时左汊分流比增大到42.4%，右汊则相应由73.6%减小到57.6%，左右汊主次关系已较为接近。

图3世业洲及和畅洲左右汊分流比变化
Fig.3VariationsofdiversionratiosofShiyesandbarandHechangsandbar

和畅洲汊道左汊为主汊，受上游深泓线左摆、分流点下移和左汊鹅头颈切滩的影响，左汊迅猛发展，至2003年1月分流比达到76.1%(图3)。为控制左汊的迅速扩大，2002年6月实施了镇扬二期和畅洲左汊口门潜坝工程，2003年9月工程竣工后左汊分流比下降2～3个百分点，左汊发展、右汊萎缩的趋势得以控制，之后的逾10个水文年一直维持相对稳定的分汊格局。直到2013—2015年，左汊分流比再次出现缓慢回升，2015年9月达到75.1%，威胁右汊12.5 m深水航道的通航条件。为此，2015年10月开工实施和畅洲深水航道二期整治工程，左汊新建2道潜坝及其护底和护岸工程，工程竣工后的2017年8月左汊分流比为65.3%，相比2015年9月下降了9.8%，工程效果显著(图3)。

3.2 汊道冲淤变化

世业洲汊道2002—2017年4个特征时期的冲淤分布表明河床整体上以冲刷为主，见图4(a)—图4(d)。

世业洲左汊处于持续冲刷态势，尤其进口段主槽刷深明显。世业洲右汊则呈现时空变化的冲淤特征，进口段2002—2006年淤滩刷槽，2006—2010年主槽强烈淤积，2010—2004年则为刷滩淤槽，2014—2017年受深水航道整治工程的影响恢复为淤滩刷槽状态；中下段多数时期为冲刷，尤其洲尾汇流处至六圩弯道进口段主槽强烈冲刷。

图4世业洲及和畅洲汊道冲淤分布
Fig.4ErosionanddepositionpatternsofShiyeandHechangbranchingchannels

和畅洲汊道2004—2017年3个特征时期的冲淤分布表明河床呈现更加复杂的冲淤分布特征，见图4(e)—图4(g)。2004—2010年左右汊均以淤积为主，除左汊上段受到口门潜坝工程挑流作用的影响而出现冲刷；2010年后左右汊都以冲刷为主，左汊冲刷强度大于右汊，尤其2014—2017年由于和畅洲水道航道整治工程，左汊新建的2道潜坝下游均出现强烈冲刷。

江心洲左右汊历年0 m以下河槽容积的变化反映出汊道的冲淤量变化，如图5。

图5世业洲及和畅洲左右汊0m以下河槽容积
Fig.5Channelvolumesunder0mofShiyeandHechangbranchingchannels

2002年以来世业洲两侧汊道河槽容积均呈现增大趋势，仅右汊在2008—2010年期间出现净淤积。值得一提的是右汊河槽容积增大而分流比减小，这主要是由于左汊河槽容积增大的幅度超过右汊，2002年左右汊河槽容积比值为2.7∶1，到2017年比值下降为1.8∶1，左汊在2个汊道总河槽容积中的比重增大，因此左汊分流比增大，右汊分流比减小。和畅洲汊道河槽容积在2002年以前左汊迅速扩大、右汊缓慢减小，与分流比变化特征一致；2002—2010年左右汊均略有减小，2010年后左右汊均增大，尤其在2014年以后，右汊容积增大速度加快，这与左汊航道整治工程后右汊分流比增大有关。

3.3 汊道形态变化

选取世业洲及和畅洲汊道典型断面分析汊道形态变化特征。2002年以来世业洲整体保持相对稳定，但断面形态发生剧烈变化，左汊入口段断面变化表明：在2002—2014年主槽偏南且持续刷深，北侧冲刷岸坡变陡，引起十二圩岸线崩退；2014—2017年在世业洲洲头整治工程的影响下原有深槽淤浅，北侧冲刷，主流线北偏。左汊中下段则持续单向冲刷。右汊入口段断面主流北偏，洲头右缘岸坡冲刷变陡，见图6(a)。

和畅洲汊道形态变化同样以冲刷为主，左汊中上段和右汊入口段均为河槽单向冲刷下切，尤其左汊受潜坝工程的影响下游最大水深超过50 m，见图6(b)。

图6典型断面汊道形态变化
Fig.6Variationsoftypicalsectionsofbranchingchannels

世业洲及和畅洲左右汊断面特征要素统计分析结果表明世业洲左右汊宽深比不断减小，和畅洲宽深比略有减小。在低来沙量条件及整治工程的共同影响下汊道向窄深方向发展。

4 讨 论

4.1 来水来沙条件的影响

尽管镇扬河段为感潮河段，水位随涨落潮出现周期性波动，但河床冲淤演变主要还是受上游来水来沙条件的控制。三峡蓄水以来上游来水总量和年内分配变化幅度不大，但来沙量急剧减小，尤其洪季泥沙峰基本消失，洪枯季水体含沙量相差不大。因此，洪季水流处于强烈的不饱和状态，进而造成河槽冲刷下切，河道向窄深方向发展[20]。汊道的冲淤影响分流比的变化，本文分析发现江心洲汊道的冲刷引起河槽容积的增大与分流比的变化并非完全对应关系，主支汊河槽容积相对关系的变化才是引起分流比变化的根本原因。

三峡蓄水后上游来水量变化幅度远小于来沙量变化，极端洪水仍有发生。在低来沙量条件下，洪水事件对河床冲淤的影响将变得更加强烈，如2010年大洪水逐日流量超过60 000 m3，共持续了25 d(7月12日—8月6日)，洪峰流量作用下世业洲右汊可能受上游冲刷下泻泥沙的影响而发生强烈淤积，这也是2008年9月—2010年8月期间世业洲右汊河槽容积陡然减小的主要原因，洪水过后在中枯水条件下河槽延续冲刷状态，到2011年4月河槽容积就恢复到洪水前的水平(图6)，这一过程也反映了河道演变受极端条件影响后的自适应调整过程[21]。

4.2 整治工程对汊道演变的影响

近20 a来镇扬河段实施的河势控制、航道整治等工程对汊道演变产生显著影响[17]。对世业洲汊道而言，左右汊护岸工程起到了控制岸线、稳定河势的作用，近期实施的世业洲头潜坝工程引起洲头边滩淤积、深槽冲刷，最大冲深超过5 m。对和畅洲汊道而言，水利部门2002年6月—2003年9月实施了左汊口门潜坝和护底工程，航道部门2015年10月—2017年3月在已建潜坝下游新建二道潜坝及护底工程，同时左右汊实施有多处护岸工程，工程实施后引起附近河床冲淤调整，潜坝下游冲刷，右汊分流比增大，初步遏制了左汊单一发展、右汊萎缩的不利态势，达到了整治效果。总之，镇扬河段通过修建堵汊潜坝、洲头潜堤、岸线加固和守护等工程，很好地起到了阻止岸线崩退、改善航道条件、稳定分汊格局的作用。

4.3 整治工程对未来水沙条件变化的适应性

2003年三峡蓄水以来上游水沙条件明显改变，尤其在来沙量锐减的影响下镇扬河段多处迎流顶冲段岸坡冲刷，已有护岸工程年久失修，工程现状不能满足控制河势稳定的需求。此外，和畅洲左汊口门潜坝及其下游遭到一定程度的冲刷和沉陷，坝体高度降低，局部形成V型冲刷坑。潜坝工程在长期运行中受水流冲刷、人类活动干扰等综合因素影响下，不可避免地出现一定程度的损毁现象。因此，尽管河道整治工程在一定时期内取得了较好的效果，但未来随着上游水沙条件的变化，工程的稳定性和适应性值得密切关注，尤其对局部存在失稳风险的工程段需进行定期监测和必要的维护加固。

4.4 未来演变趋势分析

镇扬河段在上游水沙条件变化及整治工程的影响下将发生不断的冲淤调整。2015年前世业洲头左右缘冲刷，右汊口门右侧深槽淤积、左侧冲刷，主流明显左摆；左汊口门右侧深槽继续冲深扩大，表明世业洲头有缩小后退的可能，这种态势在世业洲头部潜坝工程的作用下得到初步控制。世业洲左汊分流比在2013年后超过38%，之后一直维持在40%以上，在洲头整治工程的影响下左汊分流比增大的趋势可能会有所缓解。2002年前和畅洲汊道的河势变化与上游六圩弯道的发展密切相关，经过多年整治，六圩弯道河势总体相对稳定，尤其在和畅洲左汊口门及其下游潜坝的作用下，和畅洲汊道进入左汊发展限制阶段，右汊分流比缓慢增大后维持相对稳定。

随着未来上游来沙量的进一步下降[6]，清水下泄条件下世业洲及和畅洲汊道的冲刷下切还将持续，直至新的冲淤平衡状态。尽管整体分汊格局不会发生改变，但局部岸滩仍有崩岸的可能，因此在河道整治和管理中应深化崩岸监测和预警，加强已护岸段河道演变的监测分析，对未进行护岸的薄弱河岸应尽快开展岸线守护论证和相关研究工作。

5 结 论

镇扬河段世业洲及和畅洲分汊河道同时受上游来水来沙条件变化和河道整治工程的影响，尤其三峡蓄水以来的清水下泄，引起江心洲汊道滩槽形态发生剧烈冲淤调整。通过分析近期演变过程，结合水沙条件变化和整治工程的影响，主要结论为：

(1)镇扬河段世业洲及和畅洲江心洲体保持相对稳定，2010年以后汊道容积均不断增大，江心洲处于全面冲刷状态，深槽单向冲刷下切。

(2)左右汊分流比变化与汊道冲淤不存在完全对应关系，低来沙量下汊道冲刷引起的主支汊过流能力的相对关系是决定分流比变化的主要因子，分析还发现低来沙量条件下的极端洪水会在短时间内引起汊道冲淤和分流比变化。

(3)河道整治工程有效抑制了主支汊的单向发展，对稳定江心洲分汊格局起到重要作用，但未来在持续清水下泄条件下汊道冲刷和深槽单向下切还将持续，建议对未守护的薄弱河段加强分析研究，尽快实施合理的岸线守护。