长江下游仪征河段汊道分流属性及航道滩槽演变机制*

方娟娟,付 菁,杨云平,许 慧,贾梦琳,王建军,熊 慧

(1:武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室, 武汉 430072)(2:长江水利水电开发集团(湖北)有限公司，武汉 430010)(3:工程泥沙交通运输行业重点实验室交通运输部天津水运工程科学研究所, 天津 300456)(4:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院, 南京 210029)

分汊型河道广泛分布在大型冲积型河流的下游及感潮河段[1-3]，如长江下游至河口段以连续的藕节型分汊河段为主.由于初始汊道长度[4-5]、汊道分流分沙关系不协调[6-8]、河道比降[9]、流量过程[10]等要素的综合影响，引起汊道冲淤不均衡发育，进而引起汊道交替发展，使得河势及滩槽形态不稳定，进而影响汊道的通航条件[11-14].因此，研究汊道分流属性及航道滩槽演变机制，一直是河道治理与航道整治关系的焦点.

长江下游南京-浏河口段为潮流界变动区域[15]，其边心滩演变规律极为复杂，航道条件多变且碍航程度大，为充分利用深水资源，已实施了南京以下12.5 m深水航道一期和二期工程.对于长江潮流界变动段的落成洲河段，依据汊道分流比与流量关系，揭示了年内流量过程差异对三益桥边滩及浅滩联动关系的影响[7]；福姜沙河段开展了汊道分流比与流量变化敏感性关系[16]、靖江边滩切割与特征流量级持续天数关系等研究，解释了靖江边滩演变对福北水道航道条件的影响关系与程度[17-18].仪征河段为南京-浏河口段重点碍航河段之一，随着12.5 m深水航道后续完善工程的开展，亟需进一步揭示仪征河段汊道分流属性及滩槽演变联动机制.仪征河段为微弯分汊河段，世业洲分为左右两汊，其中左汊为支汊，右汊为主汊.在河势格局上，近百年来仪征河段的河势格局稳定少变，与进口段有双向节点控制、微弯形凹岸有良好的导流岸壁等密切有关[19-20].1970年以来，世业洲右汊分流比为持续减少态势，伴随世业洲右汊进口段“冲滩淤槽”，使得航槽淤积萎缩，航道条件向不利方向发展[21].同时，世业洲洲头及右缘高大完整，是右汊进口航道条件优良的必要条件[22].二期工程实施以后，整治建筑物掩护区内滩体淤积，右汊分流比增加2%～3%，进口段航道水深由10.5 m 提升至12.5 m[23].流域来沙量减少背景下，世业洲两汊道冲刷不均衡引起的主支汊过流能力相对关系变化是汊道分流比关系调增的主要因子，同时极端洪水会在短时间内引起汊道冲淤和分流比变化[24].综上，已有研究集中在汊道分流比、滩槽演变过程及航道条件等方面，对于汊道分流属性、滩槽演变联动机制等研究仍有待深入，以期为12.5 m深水航道后续完善工程提供参考.

本研究收集了长江下游仪征河段近60年的实测水文、河床地形等资料，分析仪征河段汊道分流属性及阶段性趋向性调整的动力成因，进一步研究汊道间及上游河段的滩槽联动演变机制，厘清航道工程实施对滩槽演变的影响模式.

1 研究区域概况及水沙条件

1.1 研究区域

仪征河段处于枯季潮流界变动范围内，河道全长约17 km，河道形态为微弯分汊型，大型洲滩为世业洲，10.5 m和12.5 m水深的主航道均位于世业洲右汊(图1a).2015-2018年期间，南京至天生港河段实施了12.5 m深水航道二期工程，仪征河段工程建设内容为：世业洲头部潜堤、头部潜堤两侧丁坝、世业洲右缘丁坝及左汊护底带(图1b)，目的是稳定滩槽形态、增加枯水期主通航汊道水动力，实现改善右汊航道水深条件的目标.

图1 研究区域位置及河势图

1.2 数据资料及处理

收集了1955-2020年大通水文站日均流量及输沙率数据，用于分析特征流量级变化、汊道分流比与流量关系.收集了1959-2021年期间世业洲汊道分流比数据，结合分流比与流量关系，用于判别汊道分流属性；收集了1959-2021年期间间隔年份的河道地形资料，测验比例尺一般为1∶10000，用于分析河道冲淤分布、河槽容积及冲淤量、河相系数、航道条件变化等.以上数据来源见表1.

表1 研究数据类型及来源

1.3 流域来水来沙条件

1950-2020年期间，大通站年径流量无显著的单向趋势性变化，年输沙量为阶段性减少态势，2003-2020年与1950-2002年比较，年径流量和年输沙量的减幅分别为2.57%和68.49%.在径流量特征上，1973、1983、1998-1999、2010、2012、2016和2020年均为典型的大水年份.在输沙量特征上，1964年输沙量最大，2011年输沙量最小(图2).

图2 大通站水沙特征变化

2 世业洲汊道分流属性及发展趋势

在仪征河段汊道分流比调整过程研究的基础上，研究汊道与流域来流流量的属性关系，分析汊道分流比与阶段性重要人类活动(河势控制工程、航道整治工程等)的响应关系.

2.1 1959年以来汊道分流比变化

1959-1971年期间，世业洲汊道的分流关系相对较为稳定，且右汊为主汊，时段内左汊和右汊分流比平均值的比值约为1∶4(图3).1972-2014年期间，世业洲右汊分流比为减少态势，累计减幅20.0%，年均减幅0.48%.2015-2021年期间，世业洲右汊分流比为小幅增加，枯水期累计增幅6.7%，年均增幅1.22%.一般而言，遇大水年世业洲右汊分流比出现一个较为明显的阶段性变化特征，如1973、1983及1998-1999年.

图3 世业洲汊道分流比变化

2.2 1959年以来汊道分流属性及近年航道工程影响

仪征河段处于长江枯季潮流界的上边界，其年内仅在低流量-大潮时出现涨潮负向水流，即可参考径流河段汊道-流量的倾向性分析世业洲汊道属性[12].1959-1971年和1972-1985年的两个时段仪征水道右汊分流比与大通站流量呈负相关关系，依据径流控制段的汊道属性划分，世业洲右汊为枯水倾向型，即左汊为洪水倾向汊道.1986-2011年期间各时段世业洲右汊分流比与流量关系不显著，相同流量条件下右汊分流比较1959-1985年期间为整体性的减少态势(图4a).深水航道整治工程平面布置与汊道属性关系上，仪征河段的通航主汊道选取原则与径流河段基本一致，宜选取枯水倾向汊道为通航主汊道.历史时期的 1959-1985年、2012-2017年期间的世业洲右汊均表现出一定的枯水倾向型特性，即南京以下12.5 m深水航道整治二期工程中仪征河段选取世业洲右汊为枯水期主航道是基本合适的.从同流量-世业洲右汊分流比关系上看，受深水航道工程滩槽调控作用的影响，2018-2021年期间右汊的枯水倾向性不显著，但其各流量时期右汊分流比均高于2012-2017年期间，表明南京以下12.5 m深水航道整治二期工程实现了调控分流关系的功能(图4b).

图4 汊道分流比与大通站流量的关系

依据中国科学院地理研究所的分析研究[25]，支汊的长期稳定与维持需要满足如下条件：

(1)

近60年来，从世业洲河段汊道分流比、分沙比变化上看(图4)，1959-1985年期间左汊分沙比低于分流比，高水分流比大于低水分流比，即世业洲左汊处于发展阶段；1986-2011年期间，世业洲左汊分沙比和分流比的比值小于1.0，而高水分流比与低水分流比的比值大于1.0，且出现减小态势，即左汊洪水倾向性程度略有减弱(表2).2012-2021年期间，世业洲左汊分沙比和分流比的比值大于1.0，高水分流比与低水分流比的比值接近1.0，说明河势控制工程及航道整治工程已发挥了调控分流关系的功能.

表2 世业洲左汊发展态势

2.3 汊道分流调整的驱动成因

影响世业洲汊道分流关系调整的驱动因子主要有：来流流量过程、汊道滩槽形态、河段内典型人类活动等要素.

2.3.1 来流过程的驱动 前述分析表明，在人类活动干扰比较小的准自然时期(1959-1985年)，世业洲右汊为枯水倾向型汊道(低流量时期的右汊分流比高于高流量时期).1959-2020年期间的各时段流量级特征进行比较，大通站Q<15000 m3/s持续天数为减少趋势，累计减幅为21.2%，15000 m3/s

图5 大通站特征流量级持续时间

2.3.2 上游河势调整的驱动 1970s中期以前，因上游河道的河势条件基本稳定，世业洲汊道入流条件和平面形态调整不大，即汊道整体保持相对稳定的状态；1970s中期至1990s中期，受上游河段右岸三江口凸嘴崩退导致陡山节点失控的影响，使得对岸小河口以下主流顶冲点下移动，主流左移及洲头分流点大幅下移，世业洲左汊进入快速的发展时期；1990s以来，经历了连续几次大水的影响，上游左岸胥浦河口-泗源沟河口段的蚀退较为严重，主流逐渐左移贴岸，左汊进入了快速发展阶段.从世业洲上游河段宽度与汊道段进口断面宽度关系上看，伴随分汊口上游河道的逐渐展宽，世业洲左汊宽度为增加态势，右汊相应束窄(图6).

图6 上游河势变化与世业洲汊道0 m槽宽度的关系

2.3.3 滩槽形态调整的反馈驱动 从仪征河段河床冲淤分布上看(图7a)，1981-2004年期间仪征水道进口左岸侧冲刷，右岸侧以淤积为主，最大淤积厚度为6.2 m；2004-2016年期间世业洲左汊以整体冲刷为主，右汊进口右岸测、中段及尾部为淤积态势；世业洲左汊整体冲刷态势，仅中部土桥附近略有淤积；世业洲右汊冲淤交替变化，下段深槽内淤积厚度大于上段.在河槽容积上，2004-2016年期间世业洲左汊、右汊0 m以下河槽容积分别增加0.45×108和0.17×108m3，较2004年河槽容积的增幅为39.1%和6.5%.整体上，在流域来沙量减少的环境下，世业洲左汊发育程度高于右汊，且两汊河槽容积与分流比存在较好的一致性关系(图7c).已有研究证实[26]，三峡工程运行后长江中下游汊道段的两汊交替均为冲刷，同时洪水主汊冲刷大于枯水主汊，其调整将引起河段水流运动和各汊分流比的变化.从世业洲汊道分流关系与河槽冲淤关系来看，洪水倾向性的左汊冲刷强度高于右汊，因此汊道间河床冲淤不均衡与汊道分流比关系形成了反馈驱动关系.

图7 河床冲淤分布与汊道分流比的关系

3 “水沙条件+航道工程”驱动下仪征河段滩槽形态演变机制

3.1 水沙条件驱动下的滩槽形态演变

选取1964-2012年期间仪征河段0 m和10.0 m等深线分析滩槽演变过程，进一步明确水沙条件驱动下滩槽形态的变化特征.

1982-2012年期间，仪征河段0 m洲滩形态变化较大的区域集中在世业洲右缘中下段和世业洲左缘中上段，其中1982-2003年期间面积呈增加态势(增幅为3.90%)，2003-2012年期间面积变化较小(图8a).1982-1999年期间，世业洲左汊进口10.0 m槽未贯通，右汊为贯通状态，1999年进口段10.0 m槽左边线明显左摆，右汊进口为上段冲刷下段淤积的特点；至2004年，世业洲左汊和右汊10.0 m槽均贯通，左汊宽度显著增加；2004-2012年期间，右汊进口段世业洲右缘10.0 m线冲刷后退，尤其是2010年大水时期的后退距离最大，对应这一时期世业洲右汊进口段的航道条件相对较差.

图8 世业洲汊道0 m和10 m等深线变化

1992-2018年期间大通站输沙量为持续性减少态势(1992年大通沙量为3.09×108t，至2018年沙量为0.83×108t，累计减少约2.26×108t)，对应世业洲左汊0 m以下河槽累计扩容约0.85×108m3(图9a).其中，1992-2000年期间世业洲右汊0 m以下河槽容积为减小态势；2000-2018年期间河槽容积略有增大；2014-2018年期间上游河段0 m以下河槽容积变化不大.整体上，1992-2018年期间，随着长江流域来沙量的持续减少，仪征河段0 m以下河槽容积为增大态势(图9b)，即流域来沙量减少为河槽整体冲刷主控因素.

3.2 1959年以来仪征河段滩槽形态演变的关联性

河相系数(ξ)可表征河道横向宽度及垂向深度的关系，一般以平滩水位时的水面宽度(B，单位为m)与 平滩水位的平均水深(H，单位为m)的比值来表示，具体公式如下：

(2)

世业洲汊道段的滩槽演变对分汊口上游河段滩槽形态调整的响应较为迅速，1959-2018年期间的河相关系变化特点(图10a)：1959-1976年期间，世业洲左汊河相系数呈增大态势，1976-2018年期间为减小态势，河槽形态经历了宽浅向窄深过渡；1959-1998年期间世业洲右汊河相系数增加；1998-2018年期间为阶段性减小态势，河槽形态同样经历了由宽浅向窄深趋势过渡.1982-1998年期间仪征河段上游河段的河相系数呈增大态势；1998-2018年期间呈减小态势，河槽形态同样经历了由宽浅向窄深趋势过渡.从河槽形态调整的联动关系上，若仪征河段上游河段的河道展宽，对应世业洲左汊展宽程度大于右汊，有利于左汊分流的增加.以整个汊道为分析单元(图10b)，1994-2018年期间仪征河段上游河段、世业洲左汊和右汊的河相系数均为减少态势，左汊窄深化程度更大.从河相系数关系上看，上游河段-世业洲左汊河槽形态的关系高于分流区域-世业洲右汊.

图10 仪征河段河相系数的关系

3.3 航道工程作用下的滩槽演变

2015年8月-2019年4月期间，世业洲洲头区域显著淤积，即深水航道工程具有较好的促淤功能(图11a～c)；世业洲右汊上段(大年河口至马家港之间)航槽内冲刷较明显，最大冲深达3.0 m以上，左汊中段(高资港至七摆渡逐渐)以淤积为主，初步实现了航道水深改善的功能；同时，世业洲10.0 m以浅的面积和容积均为增大态势(图11d)，滩体的完整性得到提升，同时需关注右汊高资港附近滩槽冲淤及对航道水深条件的影响.

图11 航道工程实施以来仪征河段河床冲淤分布及河槽容积变化

南京以下12.5 m深水航道二期工程实施前，世业洲左汊10 m槽容积与面积均为增大态势，工程实施阶段为减少态势，实施后为增大态势，完工后略有减少(图12a).南京以下12.5 m深水航道二期工程实施前，世业洲右汊10 m槽容积和面积变化不大，工程实施过程中经历了2016年大水年份，右汊进口出现一定幅度的淤积，使得右汊深槽容积和面积呈减少态势，实施后转为增大态势，完工后相对较稳定(图12b).

图12 世业洲汊道10 m槽容积与面积变化

3.4 深水航道二期工程对12.5 m水深航道条件的影响

从世业洲右汊12.5 m槽容积与分流比的关系上看，随着分流比的增加，12.5 m深槽容积显著增加，即右汊分流比每增加1.0%，12.5 m深槽的容积增加约554×104m3(图13).

图13 世业洲右汊12.5 m槽容积与分流比的关系

三峡工程运行前，遇大洪水年份世业洲右汊的航道条件趋差，如1998-1999年连续的大洪水后右汊12.5 m 等深线断开，并持续到2003年右汊航道条件趋于改善.三峡工程运行后，2010年长江大水年后世业洲右汊12.5 m等深线虽贯通，但是12.5 m等深线的宽度出现减低态势，至2012年航道条件仍延续恶化态势.南京以下12.5 m深水航道整治工程实施期间(2015-2018年)，遭遇2016年大洪水年份后世业洲右汊12.5 m等深线处于断开态势，同期2016年的疏浚维护量为2015-2018年期间的最大值.2018-2019年期间，世业洲右汊12.5 m等深线贯通，且最小宽度显著增加，并满足南京以下12.5 m深水航道仪征水道工程的航道宽度要求(图14).

图14 世业洲右汊12.5 m水深航道条件变化

4 结论

本文收集了1955-2021年期间长江下游仪征水道水文泥沙及地形等资料，深入研究世业洲汊道分流属性及滩槽演变联动机制，主要结论为：

1)世业洲右汊即低流量时期分流比大于高流量，表现为枯水倾向型汊道；1959-2021年期间世业洲右汊分流比经历为“稳定-下降-上升”的调整过程，深水航道工程实施后累计增幅为6.7%；上游滩槽格局调整及流域来沙量减少引起的汊道不均衡冲刷是分流关系调整的主因，同时特征流量级(大通站Q<15000 m3/s和15000 m3/s

2)滩槽演变联动关系上，仪征河段上游河段以展宽为主，世业洲左汊的展宽程度大于右汊，世业洲左汊河床形态变化与进口段滩槽形态的一致性关系优于右汊，即在上游河势调整、流域来沙量减少综合条件促进左汊的进一步发展；深水航道整治二期工程作用下，世业洲右汊分流比增加，工程区域显著淤积且洲滩的完整性增强，工程影响区域深槽冲刷且河槽容积增大，航道工程基本实现了调控汊道分流关系、调整滩槽形态及改善航道水深条件的目标.