长江中游城陵矶-湖口分汊河道洲滩演变及碍航成因探析

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汉 江
湖广水道 武汉
罗湖洲水道
武桥水道
天兴洲水道
牯牛沙水道
陆溪口水道
戴家洲水道 燕子窝水道
武穴水道 九江水道
嘉鱼水道 界牌水道 城陵矶
新洲水道
湖口
张家洲南水道
图 1 城陵矶-湖口河段碍航水道分布情况
收 稿 日 期 ： 2009-08-31 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目（50609018） 作 者 简 介 ： 孙 昭 华（1976-）， 男 ， 河 南 洛 阳 人 ， 博 士 ， 副 教 授 ， 主 要 从 事 水 力 学 与 河 流 动 力 学 研 究 。E-mail：lnszh@126.com
（4）河 势 周 期 调 整 。 冲 积 河 流 的 几 类 河 型 中 ， 游 荡 河 型 最 不 稳 定 ， 除 此 之 外 的 蜿 蜒 、 分 汊 、 顺 直 各类河型，尽管稳定性的排序存在争议，但曲率半径适当且凹岸顶冲点受到控制的弯道是治河工程 中 最 为 稳 定 的 理 想 形 态 ， 却 是 不 争 的 事 实［11］。 如 果 不 加 控 制 ， 以 上 任 一 类 河 型 中 的 滩 、 槽 格 局 均 会 发 生 周 期 调 整［10］。 而 城 陵 矶-湖 口 河 段 的 实 际 情 况 是 ， 河 道 轮 廓 受 边 界 条 件 制 约 而 形 成 了 顺 直 、 弯 曲 、 放 宽 的 各 种 形 态 ， 江 中 的 洲 滩 岸 线 则 基 本 处 于 自 然 状 态 ， 顺 直 段 滩 槽 缓 慢 纵 向 下 移［9］， 弯 曲 分 汊 段 主 支 交 替 发 展［2］， 鹅 头 分 汊 段 汊 道 频 繁 地 蜿 蜒 和 取 直［5］。 这 些 现 象 ， 固 然 是 各 种 河 型 自 身 调 整 的 内 在规律性使然，但大量存在的节点，随着年际之间来流量波动而产生不同的挑流作用，也是造成年 际 之 间 洲 滩 不 断 冲 淤 ， 甚 至 节 点 下 游 一 定 距 离 内 河 势 发 生 明 显 变 化 的 重 要 原 因［6］。
（1）来 水 来 沙 条 件 。 既 存 在 一 定 的 流 量 变 幅 ， 使 得 支 汊 能 够 周 期 性 冲Biblioteka Baidu刷 而 长 期 维 持 ， 同 时 流 量 变 幅又不过大，避免流路频繁移位和江心洲的冲刷破坏，是分汊河型存在和维持的来流条件 ； ［8-9］ 不大 的含沙量，既使江心洲能够缓慢淤高，同时又不造成汊道的过分淤积，是维持分汊河型稳定的来沙 条 件 。 ［4，8-9］ 这 些 认 识 已 经 被 多 条 河 流 上 的 实 测 资 料 以 及 室 内 模 型 小 河 的 试 验 现 象 所 证 实 。 ［7-9］ 而 长 江 干流在城陵矶以下不断承纳洞庭湖、鄱阳湖水系的低含沙水流，使得流量过程缓涨缓落、沙量得以 稀释，也是事实。城陵矶以上能够发育边滩高大完整的弯曲河型，而城陵矶以下即使是弯曲的鹅头 分汊，凸岸也难以形成高大边滩，沙量较小、边滩不能及时而充分地淤长是主要原因之一 。 ［4-5］
的影响，主流频繁移位，以上因素造成一些河段内河势周期调整并伴随浅滩条件恶化，一些河段对来水来沙适应
性差而频繁出浅。从本质上而讲，本河段内浅滩碍航的深层次原因是由于河床演变具有多重河型属性，低矮洲滩
难以稳定，水沙输移在时间和空间上难以平稳衔接，对浅滩的治理需要注意以上特征。
关键词： 长江中游；分汊河道；洲滩演变；碍航浅滩
（2）地 质 地 貌 条 件 。 历 史 上 ， 长 江 河 道 受 地 球 自 转 柯 氏 力 影 响 而 不 断 南 移 ， 形 成 南 岸 傍 山 矶 而 北 岸为抗冲性适中二元沉积物的边界条件格局 ， ［4，7］ 而长江中下游河谷地貌本身为宽窄相间，沿江分布 有大量耐冲节点，狭段河宽仅 1~2km。受这种特殊地质地貌条件的制约，长期的造床过程形成了多 种特殊的河道平面形态 ： ［5-7］ 在对峙节点纵向距离不大的河段，河床的横向摆幅受到约束，形成宽度 不大、河道顺直的平面形态，江中即使存在心滩也比较狭长低矮；在节点纵向距离较大的河段，由 于一侧仍有可冲的河岸，河道有一定的横向摆幅，但由于两端节点的制约，其摆动空间受限难以形 成蜿蜓河型，常出现弯曲放宽的形态特征，江中存在单个或纵向排列的多个高大江心洲；在仅存单 侧节点，且上下节点纵向排列呈一定角度时，节点挑流作用使水流向北冲刷河岸，而柯氏力则在水
摘要： 在 归 纳 总 结 分 汊 河 道 演 变 特 征 的 基 础 上 ， 结 合 长 江 中 游 城 陵 矶-湖 口 分 汊 河 道 洲 滩 演 变 及 航 道 条 件 变 化 的
观测资料，对碍航问题的成因进行了分类剖析。结果表明：由于边界条件的制约，顺直或顺直分汊河道的长度、
宽度的变化受到限制，边滩缓慢下移、心滩左右摆动；弯曲分汊河道受到进口挑流作用和弯曲汊道不断蜿蜒摆动
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长江中下游分布有大量中枯水期出露的洲滩淤积体，滩槽格局显著影响水流、泥沙的纵向和横 向 输 移 ， 使 得 浅 滩 演 变 与 洲 滩 变 形 紧 密 联 系 ， 这 一 点 已 得 到 了 大 量 研 究 和 观 测 资 料 的 证 实［1］。 对 于 长 江中游城陵矶-湖口分汊河道的演变规律，长期以来得到了水利和地学界的广泛关注，多位学者从来 水来沙、边界条件、能耗分配等不同角度深入探讨了分汊河道形成和维持的原因 ， ［2~5］ 对汊道内节点 挑流作用、主支汊地形与阻力特点、分汊口门的水沙输移特性、主支汊交替的周期也都开展了广泛 的研究 。 ［6-7］ 这些工作从较为宏观的角度归纳了分汊河段的地质地貌属性和水沙输移特征，有助于认 识分汊河段江心洲稳定性、支汊兴衰等大尺度地貌形态的长周期变形规律以及洪水造床特征。然 而，对于分汊河段的浅滩演变而言，很大程度上还取决于局部边滩、心滩等尺度较小地貌形态的短 周期交替变化，这是地学和水利界关注较少的问题。例如水利学者的研究成果认为城陵矶-湖口河段 内 新 堤 汊 道 、 嘉 鱼 汊 道 都 是 非 常 稳 定 的 汊 道［2］， 但 航 道 部 门 的 统 计 资 料 却 显 示 以 上 两 汊 道 内 低 矮 的 边 滩、心滩频繁冲淤，主流分别以 10 年及 5 年左右的周期不断摆动，航道条件非常不稳定，这显然是 由于从两种视角分析问题所导致。因此，对城陵矶-湖口分汊河段的浅滩演变规律，特别是洲滩交替 冲淤、主流不断摆动的机理，需要从更加微观的角度补充更为细致的研究工作。本文结合城陵矶-湖 口河段内洲滩变形和浅滩演变方面的实测资料，对河段内各种碍航问题的成因开展初步探析，并对 浅滩治理的思路进行归类。
以上各种因素之间的作用规律，揭示了分汊河道洲滩演变所依存的宏观外部环境及其变化特 征，浅滩演变虽然是一种局部的小尺度河床演变现象，但对各种碍航现象成因机理的剖析，必须纳 入到这个宏观体系中，才能得到较为清晰的认识。
3 典型浅滩河段演变特征
3.1 碍航水道基本情况 城陵矶-湖口河段内共有水道 38 个，其中武汉以上 22 个，武汉以下 16 个。 根据近些年来的航道维护情况，除了少数碍航水道是由于存在礁石之外，大部分碍航问题是由泥沙 冲淤、洲滩变形所造成，主要表现在界牌、陆溪口、嘉鱼、燕子窝、武桥、天兴洲、湖广、罗湖 洲、戴家洲、牯牛沙、武穴、新洲、九江、张家洲南水道等 14 个重点浅滩碍航河段（水道）。从碍航 水道的形态特征来看（表 1），尽管存在弯曲率方面差异，但主要以放宽、分汊河段为主，碍航区域主 要集中在汊道进出口上下深槽之间的过渡段。一些河段河势较为稳定，仅在不利水沙年份因浅滩淤 积量过大，汛后冲刷不及而碍航，一些河段河势周期性变化，变化过程中形成不利的滩槽格局，导 致浅滩难以冲刷而碍航，后一类还伴随着航槽的频繁移位。 3.2 典型水道的近期演变 本河段内的碍航水道有的是长期存在的著名浅水道，如界牌、嘉鱼、燕 子窝、陆溪口、罗湖洲、武穴等，有的却是近期洲滩变化导致的碍航水道，如天兴洲、湖广、牯牛 沙等。以下以天兴洲、湖广、牯牛沙 3 个水道为典型，对近期演变及伴随的碍航问题开展分析。下文 所用的地形图皆为相对于当地航行基面的等深线图。
中图分类号：TV147
文献标识码：A
1 研究背景
江心洲分汊河型是长江干流城陵矶以下广泛存在的一种河道形态，以宽窄相间的藕节状外形为 主要特点，窄段一般由滨临江边的山丘和基岩构成控制节点，宽段则由江心洲分为两支或多支分 汊。由于河道内汊道、洲滩众多，一方面枯期水流分散，汊道进出口的过渡段易因泥沙淤积而形成 碍航浅区；另一方面主流摆动频繁，洲滩不断冲淤变形，造成航槽上下、左右移位，航道稳定性 差，两者交织在一起形成了多处碍航水道，仅城陵矶-湖口长为 540km 的区间内就分布有界牌、陆溪 口、嘉鱼等 14 个重点碍航河段（图 1）。近期，长江干流“黄金水道”航运发展已经受到了越来越多的 重视，深入认识浅滩碍航的成因，及时开展中游航道系统治理，是亟需开展的工作。
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流惯性消失之后，使其重新回到南岸，由此形成了弯曲和放宽程度均较高的鹅头型分汊，江中存在 横向排列的多个宽大江心洲滩。
（3）水 沙 输 移 特 征 。 冲 积 河 流 中 ， 水 流 和 形 态 以 泥 沙 为 纽 带 相 互 适 应 。 长 江 城 陵 矶 以 下 河 道 的 造 床过程显著受到地质地貌条件的制约，河道形态既是长期冲积作用的结果，又明显带有特殊边界条 件的痕迹，河道中的纵向、横向水沙输移也具有一些独特之处：从纵向水沙输移来看，为适应宽窄 相间的藕节状分布，宽段和窄段的比降、流速、挟沙能力等水力要素随流量的变化呈现了截然相反 的 特 征［4］， 在 汛 期 放 宽 段 水 流 漫 滩 ， 比 降 、 流 速 、 挟 沙 力 小 于 束 窄 段 ， 泥 沙 易 淤 积 ， 而 枯 期 放 宽 段 水 流归槽，比降、流速、挟沙力大于束窄段，汛期淤积泥沙得以冲走，河流通过这种方式适应年内来 水来沙的涨落，并维持上下游之间的能量和输沙平衡；从水流条件的平面分布来看，除了受到汊道 形 态 对 分 汇 流 区 主 流 轴 线 的 影 响 之 外［2］， 节 点 挑 流 作 用 也 是 造 成 洪 枯 不 同 流 量 级 下 流 速 场 差 异 较 大 的 重要原因［6］；从河道中的环流结构来看 ， ［7，9-10］ 城陵矶-湖口河段内发育了顺直单一、顺直（微弯）放宽 分汊、弯曲分汊等多种形态，弯曲程度不同造成了环流和横向输沙强度的差别，而主、支汊进出口 壅水或降水现象也伴随着局部的横向水沙输移，流量涨落造成洲滩淹没和出露更会造成汛枯期环流 结构、泥沙冲淤的显著变化。
2 分汊河道演变规律的已有认识
2.1 浅滩演变与河道演变的关系 虽然航道部门对浅滩形态的关注主要集中于中枯水期，但浅滩作 为冲积河流各种成型淤积体的一部分，其动态特性本身就是所在河段固有河型、河势演变特征的一 部分，例如弯曲段凸岸边滩淤长和突发性的切滩撇弯显著影响浅滩的稳定性；顺直段边滩、深槽的 缓慢下移也是造成不同时期浅滩以正常、交错、复式、散乱等形式不断出现的重要原因；分汊段则 存在缓慢的主支汊交换，甚至顺直微弯分汊和明显弯曲的鹅头分汊，由于平面形态的明显差别，主 支汊交换的速度及汊道口门附近浅滩的成因与演变特性也差异较大。因此浅滩演变只是附属于河 型、河势等宏观背景环境的小尺度地貌变化，对河型塑造起着重要作用的地质地貌及来水来沙等条 件，以及不同河型条件下的水沙输移特征、河势周期调整规律，也同样影响着其演变特性。 2.2 分汊河道演变规律及影响因素 对河道演变宏观规律的把握，是认识浅滩演变特性的基础。围 绕着分汊河型的成因及演变规律，特别是长江干流城陵矶以下分汊河道的演变特点，前人已开展了 较为系统的研究，可将其主要认识归结为以下几点。
2011 年 12 月 文章编号：0559-9350（2011）12-1398-09
水利 SHUILI
学报 XUEBAO
第 42 卷 第 12 期
长江中游城陵矶-湖口分汊河道洲滩演变及碍航成因探析
孙昭华 1，李义天 1，黄 颖 2，高凯春 2
（1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2. 长江航道局，湖北 武汉 430010）