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2025 , Vol. 42 >Issue 4: 10 - 18

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240095

河湖保护与治理

长江下游芜裕河段近期演变规律及其影响因素分析

  • 渠庚 , 1, 2 ,
  • 孙天印 , 1, 3 ,
  • 何子灿 1, 2 ,
  • 栾华龙 1, 2 ,
  • 郝婕妤 1, 2
展开
  • 1 长江科学院 河流研究所,武汉 430010
  • 2 长江科学院 水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验,武汉 430010
  • 3 河海大学 水利水电学院,南京 210098
孙天印(2000-),男,湖南长沙人,硕士研究生,主要研究方向为水力学及河流动力学。E-mail:

渠 庚(1980-),男,江苏徐州人,正高级工程师,博士,主要从事江湖演变与治理研究。E-mail:

Office editor: 刘运飞

收稿日期: 2024-01-29

  修回日期: 2024-05-07

  网络出版日期: 2024-12-26

基金资助

长江水科学研究联合基金项目(U2240224)

长江水科学研究联合基金项目(U2240206)

中央级公益性院所长基金项目(CKSF2023328/HL)

中央级公益性院所长基金项目(CKSF2023343/HL)

湖北省自然科学基金项目(2021CFB146)

收起

Recent Evolutionary Process and Influencing Factors in Wuhu-Yuxi Reach of Lower Yangtze River

  • QU Geng , 1, 2 ,
  • SUN Tian-yin , 1, 3 ,
  • HE Zi-can 1, 2 ,
  • LUAN Hua-long 1, 2 ,
  • HAO Jie-yu 1, 2
Expand
  • 1 River Research Department, Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China
  • 2 Key Laboratory of River and Lake Regulation and Flood Control in the Middle and Lower Reaches of the Changjiang River of Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
  • 3 College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China

Received date: 2024-01-29

  Revised date: 2024-05-07

  Online published: 2024-12-26

Fold

摘要

芜裕河段位于长江下游,是连接长三角城市群的重要纽带。三峡水库蓄水运行后该河段河床冲刷剧烈,洲滩格局相应调整,研究新水沙条件下芜裕河段的河势演变规律,对长江下游河段的保护与治理具有重要的理论和实践意义。基于芜裕河段多年实测数据,分析了三峡工程蓄水前后该河段河道演变的基本规律,并对其影响因素进行了探讨分析。结果表明:近期芜裕河段河势总体稳定,河床以冲刷为主,洲滩头部冲刷后退,急弯段和多汊段分别出现“凸冲凹淤”和“短支汊发展”的新特征;上游潜洲右汊发展、分流量增大以及中枯水历时增加导致的主流撇弯是急弯段“凸冲凹淤”的主要原因;“短支汊发展”的驱动因素则可归因于陈家洲多汊段左汊分流比增加,进而加剧陈捷水道、曹捷水道两短汊道冲刷。

关键词： 河床演变; 凸冲凹淤; 短支汊发展; 因素分析; 三峡水库运行; 分流比; 长江下游河段; 芜裕河段

本文引用格式

渠庚 , 孙天印 , 何子灿 , 栾华龙 , 郝婕妤 . 长江下游芜裕河段近期演变规律及其影响因素分析[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(4) : 10 -18 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240095

Abstract

The Wuhu-Yuxi reach, one of the vital links between cities in the Yangtze River Delta urban area, is located in the lower reaches of Yangtze River. Understanding the evolution of the Wuhu-Yuxi reach under new hydro-sedimentary conditions provides theoretical support for future flood control and river regulation. Observed field data for the Wuhu-Yuxi reach was analyzed to understand the altered flow-sediment regime and erosion-deposition features after the operation of the Three Gorges Reservoir (TGR). Results reveal that the Wuhu-Yuxi reach has remained generally stable. The riverbed is mainly subject to scouring, with the heads of sandbars eroded and retreating. Erosion on convex banks and deposition on concave banks have emerged in the sharp-bend section and the multi-braided section due to the development of the right sub-branch of upstream Qianzhou bar upstream which leads to an increased diversion ratio, and the mainstream chute cutoff resulted from the prolonged duration of medium-low water levels. Short sub-branches have also developed in the multi-braided section because the diversion ratio of the left sub-branch in the multi-braided section of Chenjiazhou bar has increased, which in turn intensifies the scouring of the Chenjie and Caojie waterways.

Key words： bed evolution; erosion on convex bank and deposition on concave bank; development of sub-branches; factor analysis; operation of TGR; diversion ratio; river channel of lower Yangtze River; Wuhu-Yuxi reach

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

芜裕河段位于长江下游安徽省境内,全长约46 km,上接黑沙洲河段,下迄马鞍山河段,属长江下游感潮河段,是《长江中下游干流河道治理规划(2016年修订)》确定的16个重点河段之一。该河段涵盖顺直、弯曲及分汊河型,河床冲淤调整复杂,主支汊易位频繁,对当地生产生活带来较大影响。研究三峡水库蓄水运行后芜裕河段河道演变规律及其影响因素,可为大江大河综合治理提供案例支撑,并保障长江经济带、长江大保护等国家战略的顺利实施[1-2]。
目前针对芜裕河段已开展了较多研究,孙毓飞等[3]结合1957—1973年芜裕河段水沙过程和冲淤调整特征,认为陈家洲左汊泥沙淤积基本原因是进入左汊的分沙比大于分流比。李雪峰[4]和武荣[5]基于1989—2010年实测地形资料,对三峡工程蓄水初期芜裕河段河势演变特征进行分析和预测,认为蓄水后曹姑洲头冲刷后退幅度较大,陈捷水道、曹捷水道发展以及陈家洲右缘下段继续冲刷后退态势明显,此外提出了相应整治工程措施。程小兵等[6]基于数学模型对陈家洲多汊段未来演变趋势进行研判,结果显示未来该河段多分汊河型仍将维持,河段内洲滩将以冲刷为主,四褐山挑流减弱与短支汊出流下压作用将不利于维持陈家洲多汊段主汊航道条件的稳定。陈尚林[7]认为芜湖大桥建成后,陈家洲、曹姑洲等洲滩调整依然剧烈、汊道冲淤反复,据此建议加固大拐护岸段、加强关注黄山寺—张家湾一带岸线变化以及实施曹姑洲分汊段整治工程。谷霄鹏[8-9]针对新大圩大拐崩岸段的凸岸崩退现象,从局部河势演变、岸坡土体组成等角度对崩岸河段进行分析,指出河势变化、清水下泄、地质条件与岸线参差不顺是引起崩岸现象的主要因素。唐金武等[10]则认为马鞍山河段左汊深泓平面位置与上游陈家洲汊道河势演变密切相关,当陈家洲左汊发展、西梁山挑流作用较强时,江心洲左汊深泓呈二次过渡,当陈家洲右汊发展、西梁山挑流作用较弱时,江心洲左汊深泓呈一次过渡。
综上可见,现有研究主要关注陈家洲多汊段的洲滩格局变化,上游潜洲冲淤及其对下游河势演变的联动性研究尚不充分。此外,对芜裕河段河势演变的研究还存在时间序列较短、研究区域局限等问题。本文基于实测资料,研究分析了三峡水库蓄水运行后芜裕河段的冲淤响应特征,上、下游河势联动调整规律及其影响因素,旨在为今后芜裕河段河势演变相关研究提供思路,为防洪安全、河航整治工程的规划设计提供理论依据。

1 研究区域概况

1.1 河道概况

芜裕河段全长约46 km,由潜洲段、芜湖顺直段和陈家洲多汊段(下称多汊段)组成,上起三山河口,下迄东西梁山(图1)。潜洲段(左汊为主汊)长约30 km,左岸有无为大堤,右岸与龙窝湖隔闸相连,沿岸分布有大白茆沙滩、外龙窝湖滩地等,自上接收黑沙洲河段来流来沙,向下与芜湖顺直段相连。连接潜洲段与多汊段的芜湖顺直段河道上起弋矶山,下至广福矶,全长约3.8 km,右岸为芜湖市、繁昌区和湾沚区所在地,其下游多汊段长约12.5 km,两头束窄,中间放宽,形似鹅头。
图1 2016年芜裕河段河势

Fig.1 Regime of Wuhu-Yuxi reach in 2016

多汊段存在三处江心洲,分别为曹姑洲、新洲和陈家洲,新洲与上下游两洲之间有窜沟存在,其中曹姑洲与新洲间为曹捷水道,新洲与陈家洲间为陈捷水道,其长度分别约1.5 km和2 km。相比于陈家洲左汊,陈捷水道和曹捷水道虽然流量与流速较小,但具有长度短、过水面积小、比降大的特点。其在历史上冲淤调整频繁,近年来冲刷发展显著。多汊段右汊是通航主汊,又称西华水道;裕溪河从多汊段左岸裕溪口处汇入,故多汊段左汊上游段又称裕溪口水道,裕溪口水道部分水流经陈捷水道和曹捷水道(短支汊)分流进入西华水道[10]。

1.2 水沙条件

大通站位于芜裕河段上游约100 km,是长江下游水沙代表测站。图2显示,三峡水库蓄水前(1951—2003年)大通站多年平均径流量为9.0×103亿 m3/a,多年平均输沙量为4.25亿 t/a。三峡水库蓄水后(2003—2022年)多年平均径流量为8.7×103亿 m3/a,多年平均输沙量为1.29亿 t/a。相比于三峡水库运行前,2003年后多年平均径流量变化不大,仅下降3.3%,多年平均输沙量则减幅69.6%。图3显示了大通站1991—2022年间4个时间段各流量级持续时间变化情况。相比于1998—2002年,三峡水库蓄水初期(2003—2015年),枯水期持续时间显著增加,增幅约30 d。2016年以后,受水库补水以及降雨充沛影响,枯水持续时间略微减少约10 d。与枯水持续时间类似,2003—2022年各持续时间先增加后减少。
图2 大通站历年水沙条件变化情况

Fig.2 Changes in flow-sediment regime at Datong hydrological Station

图3 流量级持续时间变化

Fig.3 Changes in the duration of flow discharges

1.3 河道冲淤

近20 a来,芜裕河段长期保持冲刷态势,1998—2023年均冲淤量变化显示(表1),2006年后芜裕河段整体由淤转冲且冲刷程度逐年增大,年累计冲刷量由2006—2016年的4 333.95万 m3增加到2016—2023年的10 404.30万 m3。冲淤空间分布特征显示,自2003年三峡水库蓄水运行以来,芜裕河段的多汊段率先由淤转冲,且冲刷强度逐年增大;潜洲段与多汊段的冲刷调整趋势类似,2016—2023年间的冲刷量较2006—2016年分别增加了3 250.62万 m3和2 819.73万 m3。
表1 芜裕河段历年平滩河槽冲淤量对比

Table 1 Changes of deposition and erosion volumes in Wuhu-Yuxi reach over years

年限 历年平滩河槽冲淤量/(万m3) 年均冲淤量/
(万m3)
潜洲段 多汊段 芜裕河段
1998—2002 774.06 3 354.91 4 128.97 1 032.24
2002—2006 1 806.76 -985.35 821.41 205.35
2006—2016 -1 402.58 -2 931.37 -4 333.95 -433.39
2016—2023 -4 653.20 -5 751.11 -10 404.30 -1 486.33
1998—2023 -3 474.95 -6 312.92 -9 787.87 -391.51

注:-为冲刷、+为淤积。

2 芜裕河段近期演变特征

2.1 潜洲段

三峡水库蓄水运行后,芜裕河段潜洲右汊冲刷发展,左、右汊汇流点下移。潜洲下游主流线位置向左偏移,导致下游急弯段左岸(凸岸)近岸河床冲刷强度增大。急弯段凸岸边滩冲刷下切、凹岸近岸河床冲淤往复的现象与自然状态下弯道段“凸淤凹冲”的冲淤特征相异,而与长江中游荆江河段近期的“凸冲凹淤”[11]现象相似。

2.1.1 岸线变化

近30 a来,潜洲段左岸矶头山—大白茆沙滩段岸线变化主要集中在大白茆沙滩外缘和潜洲[12],急弯段的岸线变化主要表现为“凸冲凹淤”的特点。
如图4所示,1998年前潜洲右汊尚未贯通,潜洲与大白茆沙滩相连。之后9 a间水流切滩,潜洲右汊冲刷发展。2007年右汊内0 m线几乎贯通,2011—2016年间潜洲已经脱离边滩,同时潜洲右汊保持冲刷发展的态势。
图4 潜洲段历年0 m岸线变化

Fig.4 Change of the bank line (0 m) of Qianzhou bar region over years

大拐急弯段凸岸有一定规模的边滩分布,自1998年以来芜裕急弯段河道滩槽形态相对稳定,青戈江以上岸线变化主要表现为凸岸崩退和凹岸微淤;青弋江以下岸线较为稳定,变幅较小。1998—2016年间,大拐急弯两岸冲淤往复,整体表现为凸岸逐渐崩退,凹岸缓慢淤积;2016—2023年间,凸岸冲刷崩退速度明显加快,其中0 m线累计崩退50~100 m;同时期内凹岸淤积,0 m岸线位置累计向江心移动50~80 m(图4)。

2.1.2 深泓变化

潜洲段分、汇流点的平面位置与左右汊道内深泓线平面位置在年际间变化均较为频繁。潜洲上游深泓线(矶头山—头棚)紧贴右岸,潜洲下游大拐段(张梗—弋矶山)的深泓线先紧贴凸岸河槽,后经弯心过渡至右岸。这两处深泓线历年摆动幅度<150 m,近期变化趋于稳定。深泓平面位置调整主要有2个特征,其一为潜洲分流点的上提与汇流点的下移,其二为急弯段深泓线位置左摆以及曲率减小。
如图5所示,2007—2016年潜洲分流点在上下游1.2 km范围内变动,整体累计上提约800 m,2016—2023年分流点位置变化较小。2007—2023年间汇流点位置稳定,累计下移约1.05 km,其中2016—2023年下移距离近2.0 km;潜洲右汊0 m线在2007年后贯通。急弯段深泓线1998—2023年间左右摆动频繁,整体累计左摆50~100 m。在此期间,急弯段凸岸冲刷,弯道曲率在1998年为0.692,随后逐年减小,到2016年达到最低的0.661,随后略增长到2023年的0.674,但弯道曲率整体呈减小趋势。
图5 潜洲段历年深泓线变化

Fig.5 Change of the thalweg of Qianzhou bar region over years

2.1.3 潜洲平面形态变化

图6显示了1998—2023年潜洲面积变化情况,三峡水库蓄水后潜洲面积先大幅增加,2007年潜洲面积达到了4.82 km2。2007年后潜洲完全脱离右岸,之后潜洲面积变化呈快速减小趋势。
图6 历年潜洲面积变化(0 m线)

Fig.6 Change in the area of Qianzhou bar over years (0 m bankline)

潜洲与右岸边滩在1998—2002年间逐渐由相连转为分离状态,2002—2006年间潜洲与右岸边滩0 m线曾短暂断开(图7),2006年以后则实现完全断开。
图7 历年潜洲平面形态变化

Fig.7 Morphological change of Qianzhou bar over years

2.1.4 典型断面变化

在历史上,位于右岸的保定圩一线冲刷崩退比较剧烈,1963年护岸工程[12]实施后崩岸情势逐渐趋缓,近期趋于稳定。但随着保定圩一带持续冲刷发展,水流的顶冲部位也在逐渐下移[12]。
图8中1#断面显示,原本紧靠左岸的-35 m深槽淤积,断面中部潜洲洲头冲刷下移,2#断面显示左汊内主流左摆幅度较大,靠近左岸的河床下切现象明显。如3#断面所示,此处-30 m深槽抬升,深泓位置左移且右侧岸线崩退,呈现左淤右冲的调整特征。
图8 潜洲段历年典型断面变化

Fig.8 Changes of typical cross-sections in Qianzhou bar region over years

弯道进口位置4#断面形态变化显示,1998—2023年间凸岸(左岸)附近-20~-35 m深槽呈下切态势,累计下切幅度为13~15 m,凹岸(右岸)则处于微淤状态;1998—2016年间,弯顶段位置5#断面凸岸附近河床剧烈下切,下切幅度超10 m,凹岸河床则相对稳定;6#断面位于弯道出口段,1998—2016年间凸岸0 m岸线的向后崩退近100 m,凹岸侧-5 m高程浅滩边缘线同样向后崩退约100 m。由此可见,1998—2023年间大拐急弯段冲淤特征表现为凸岸附近河床冲刷下切,而凹岸附近河床冲淤往复(图8)。

2.2 多汊段

大拐急弯段的主流左摆导致下游顺直段主流线位置左移,致使下游陈家湾多汊段左汊分流比增加。在“清水”冲刷的背景下,分流比的增加导致陈捷水道和曹捷水道冲刷发展更加剧烈。

2.2.1 滩槽平面变化

多汊段从上游到下游依次分布曹姑洲、新洲、陈家洲。水流冲刷作用下,曹姑洲与新洲均呈洲头崩退,洲尾下延的趋势,陈家洲面积逐年萎缩。强冲刷的背景下陈捷水道和曹捷水道在频繁调整中冲深、下移。
多汊段历年河势变化见图9。1998—2002年,陈捷水道、裕溪口水道上段淤积,陈家洲右汊-35 m深槽冲刷发展。2002—2006年间,左汊裕溪口水道、陈捷水道和曹捷水道均呈冲刷发展趋势,新洲大面积冲退,曹姑洲洲头淤积。2006年后新洲整体向下游迁移,面积萎缩,曹姑洲洲头崩退,洲尾向下游淤涨延伸,陈捷水道和曹捷水道位置随之下移。已有资料显示,曹捷水道位置在2012—2016年间曾短暂向上游移动200~400 m。在此期间,曹捷水道河道束窄,原位置河床淤积,原-5 m河槽消失[12];2016—2023年期间,曹捷水道位置累计向下游移动300 ~ 400 m并伴随-5 m河槽展宽。在此期间,曹捷水道-5 m线贯通,曹姑洲左汊-5 m河槽向上游延伸约450 m。
图9 多汊段历年河势变化

Fig.9 Change of river regime in multi-braided region over years

相比于曹捷水道的冲刷发展迅速,陈捷水道的冲刷强度增幅较小,分流比增加较慢。根据地形资料,陈捷水道0 m线在1998—2023年反复冲开淤并,其位置整体呈下移态势。

2.2.2 典型断面变化

为了解陈家洲多汊段历年河床冲淤调整过程,选取曹捷水道、陈捷水道及其相邻汊道(7#、8#断面)、多汊段最大展宽处(9#断面)以及东西梁山节点处(10#断面)典型断面开展分析(图10)。
图10 多汊段典型断面历年变化

Fig.10 Changes of typical cross-sections in multi-braided region over years

7#断面显示,自1998年以来,新洲洲头受冲刷不断下移,曹姑洲洲尾向下游逐渐淤涨延伸。曹捷水道近年来冲刷下移明显,汊内-5 m河槽逐渐展宽。其右汊年际冲淤调整频繁,整体以冲刷为主,该汊道内-30 m以下深槽在1998—2023年间冲深了约3 m。
新洲洲尾下移,陈家洲洲头冲退的趋势如8#断面显示,1998—2023年间,伴随各汊道的冲刷发展,陈捷水道位置不断向下游移动。相较于曹捷水道河床逐年下切,陈捷水道逐年展宽且汊内的冲淤往复情况更加频繁,但整体呈冲刷态势。8#断面左右两汊近年来变化集中于河道展宽和河槽冲深,其中左汊-5 m以下河床冲深约5 m,右汊-34 m以下深槽冲深2 m左右且整体位置出现250 m的左移。
历史上陈家洲多汊段右汊一直维持主汊地位。9#断面显示,1998年右汊深泓线紧贴陈家洲右缘。1998—2006年间陈家洲右汊-22 m以下深槽冲深了约6 m,其深泓位置基本稳定。相较于2006年,2016年9#断面右汊深泓位置右移约450 m,-20 m以下河床淤高约8 m,右岸河槽同时向外拓宽120 m。2016—2023年间陈家洲右汊由淤积转为冲刷,-20 m以下河床下切约5 m,右岸近岸河床则持续冲刷。
10#断面位于芜裕河段东西梁山节点处,其断面呈W型,右岸-35 m深槽在1998—2023年间冲淤反复,整体呈淤积趋势,到2023年槽深为-27 m;左岸-35 m以下深槽除在2016—2023年出现约4 m的河床下切外,其余年份变化不大。

2.2.3 汊道分流比变化

分流比年际变化特征显示(表2),流量位于枯水区间(10 000~15 000 m3/s)时,陈捷、曹捷水道不过流。当来流量持续增加至20 000 m3/s流量级时,陈捷、曹捷水道分流比均较往年有所增加,其中:陈捷水道枯水期分流比由2013年3月6.8%增至2016年2月的8.83%,汛期分流比由2014年的11.68%减至2015年的10.43%;曹捷水道枯水期分流比由2013年3月1.25%增加至为2016年2月的7.35%,洪水流量下分流比由2014年7月的8.06%增至2015年7月的14.89%。同流量级相比,陈捷、曹捷水道分流比均有逐年增加趋势。
表2 芜裕河段近期分流比统计

Table 2 Recent flow diversion ratios in the Wuhu-Yuxi reach

测量日期 流量/(m3·s-1) 流量级 分流比/%
曹姑洲左汊 曹姑洲右汊 陈捷水道 曹捷水道 陈家洲左汊 陈家洲右汊
2006-02 11 500 — — — — 9.50 90.50
2008-03 13 000 枯水 — — — — 8.53 91.47
2023-03 12 973 27.90 72.10 — — 12.00 88.00
2013-03 18 900
中枯水		 18.26 81.74 6.80 1.25 10.21 89.79
2016-02 18 670 30.30 69.70 8.83 7.35 14.12 85.88
2014-07 45 300
洪水		 44.40 55.60 11.68 8.06 24.66 75.34
2015-07 48 000 44.92 55.08 10.43 14.89 19.60 80.40

3 近期演变影响因素分析

3.1 水沙条件变化

2003年三峡水库蓄水运行后,大通站多年平均输沙量锐减69.6%(图2),水流长时期处于不平衡输沙状态。同时,受上游水库群的调蓄作用影响,中枯水历时延长,其中,枯水期增长约30 d(图3)。近年来芜裕河段整体呈冲刷态势(表1),洲滩调整剧烈,具体表现为潜洲右汊冲刷发展,潜洲脱离边滩且面积逐年减小(图6和图7);大拐急弯处凸岸冲刷,凹岸淤积,主流线左摆;陈家洲多汊段左汊分流比增加,陈捷水道、曹捷水道冲刷发展。
三峡水库蓄水运行后,潜洲段右汊河槽自1998年来逐年展宽,深泓下切(图8)。河段内潜洲原与右岸边滩相连,2007年后潜洲脱离边滩(图7),右汊0 m河槽完全贯通。在次饱和水流持续冲刷下,潜洲面积呈现逐年萎缩趋势(图6)。随着潜洲右汊持续冲刷发展,分流比逐年增大。汊道出口主流受到潜洲右汊出流顶冲作用增强影响,水动力轴线左摆导致进入大拐段的主流撇弯。受水流冲刷影响,大拐段凸岸近岸河床冲深、岸线崩退,靠近凹岸的河床则呈微淤态势,形成“凸冲凹淤”的新特征。
受上游大拐段主流位置左摆影响,陈家洲多汊段进口处主流左偏(图1、图5),多汊段左汊分流比增加(图9)。同时,陈家洲右汊深泓右摆,-24 m以下深槽淤高约4 m。此外,受陈家洲左汊北水道弯曲束窄影响,其产生的雍水作用导致陈家洲多汊段横比降增大,陈捷水道和曹捷水道分流比增大,两短支汊在蓄水后虽然冲淤调整频繁,但整体呈冲刷趋势。

3.2 节点控制影响

在河床演变中,节点指的是对河道变化起控制作用,作为具有固定边界且平面位置相对稳定的窄段[13],芜裕河段内分布着矶头山、四褐山以及东西梁山3个控制节点,分别对应芜裕河段进口、陈家洲多汊段(下称多汊段)以及出口3个位置。
矶头山与四褐山属于单侧节点,分别对黑沙洲来流和芜湖顺直水道来流起挑流作用。其中矶头山节点挑流作用较弱,主流贴右岸行进,导致边滩持续冲刷,下游潜洲右汊不断冲刷发展,潜洲逐渐脱离边滩(图7)。四褐山位于多汊段右岸,主流受其挑流作用左摆顶冲陈家洲右缘。三峡水库蓄水运行后水沙情势改变,在此背景下,一方面多汊段左汊分流比增大,四褐山挑流减弱,另一方面陈捷水道和曹捷水道出流增大导致主流右摆。陈家洲右缘受到的冲刷减弱,而西华水道右岸所受冲刷加剧。
东西梁山位于芜裕河段陈家洲多汊段出口段两侧,该位置河宽仅为多汊段最宽处的2/3(图9),过水面积缩小约1/4(图10),致使水流流速增加,水位雍高。考虑到北水道出流受限,陈家洲多汊段左汊水位高于右汊,两汊间横比降增大,导致陈捷水道和曹捷水道两个短支汊冲刷发展。

3.3 河势变化影响

受上游黑沙洲河段河势变化影响,芜裕河段进口主流右摆并在保定圩下段(矶头山—头棚段)长期保持贴右岸冲刷的状态[14]。三峡水库蓄水运行后,受主流冲刷作用影响,潜洲右汊进口展宽(图4),入流条件改善,加快了潜洲右汊的发展,同时新大圩段岸坡抗冲刷能力弱[12],导致该段崩岸频发,河道一定程度展宽。在多因素综合影响下,潜洲右汊分流比增大,汇流点向下游移动(图5),潜洲左汊出流受右汊出流顶冲作用增强,水动力主轴左摆导致水流进入大拐急弯段后对凸岸的冲刷加剧(图8)。随着顶冲作用的逐年增强,急弯段主流流线曲率减小,空间位置同样呈左摆态势。
三峡水库运行后,大拐段主流撇弯致使出弯水流左摆,进而导致多汊段左汊分流比增加。随着大拐段主流撇弯程度加剧,同流量级下陈家洲多汊段(曹姑洲去汊)左汊分流比由2013年的18.26%增加至2016年的30.3%(表2),陈捷水道和曹捷水道两个短支汊分流比也出现明显增加(表2),河槽冲刷发展(图9、图10),这种“短支汊发展”的现象与传统的“塞支强干”的演变特征相异。
北水道与西华水道在芜裕河段出口处呈冲刷态势(图9),其中北水道由于分流比增大,冲刷量增幅更大。受东西梁山两侧节点的控制,主流受到北水道来流下压右摆,对下游马鞍山河段的牛屯河边滩冲刷减弱,对江心洲左缘冲刷增强。

3.4 人类活动影响

20世纪60年代以来,芜裕河段陆续建设的河航道整治工程及其他相关涉水工程,起到了稳定河岸和控导河势的重要作用。
在芜裕河段潜洲段,建有高安圩—保定圩护岸区、新大圩护岸区和大拐护岸区。高安圩—保定圩护岸区和新大圩护岸区建于1963年,虽然此处崩岸频发,但常年加固与维护。受工程影响,潜洲段主流位置自2002年起至今仍保持相对稳定(图4)。大拐段护岸工程实施于20世纪70年代,实际护岸长度约13 km,截至2010年前后有效抵御了水流的冲刷,但近年来潜洲右汊分流增大,主流受顶冲影响加剧,大拐段已护工程区河槽冲刷,局部出现新的崩岸。芜湖市政府于2014年、2015年汛期前对护岸区进行局部加固,一定程度上缓解了大拐段的崩岸趋势,但就目前的冲刷趋势而言,仍需对崩岸段进行护岸加固和新护。
在陈家洲多汊段,2002年长江水利委员会对黄山寺—张家湾段(北水道)实施了护岸工程。截至2012年其岸坡相对稳定,工程实施效果良好[6],较好地控制了北水道弯曲发育(图9)。近年来,陈家洲左汊冲刷,北水道-20 m以下深槽冲深约5 m。为防止其进一步向弯曲发展,需要加强观测,并适时采取工程措施。为了缓解主流贴岸冲刷陈家洲右缘,2002—2004年长江隐蔽工程对陈家洲尾右缘实施护岸2.577 km[7],其有效控制了洲尾冲刷,护岸效果较好。近年来,受陈捷水道和曹捷水道出流下压作用与四褐山挑流作用减弱的影响,右汊主流对陈家洲右缘的顶冲减弱,陈家洲右缘岸坡保持稳定。2022年,陈捷水道修建2条丁坝带,有效缓解了短支汊冲刷态势。就目前多汊段的冲淤情势而言(图9),陈捷水道和曹捷水道2个短支汊仍在冲刷发展。

4 结论与建议

(1)三峡水库蓄水后,芜裕河段水沙条件变化显著。蓄水后多年平均径流量相比于三峡水库运行之前下降3.3%,多年平均输沙量减小69.6%,枯水(流量<30 000 m3/s)历时显著增加。芜裕河段整体受“清水”冲刷下泄影响呈冲刷态势,表现为洲滩洲头崩退,洲尾向下游延伸,洲滩面积不断萎缩;河床冲深,岸线后退,陈捷水道和曹捷水道冲刷发展。局部河段出现“凸冲凹淤”和“短支汊发展”的新特征。
(2)水沙条件变化背景下,潜洲右汊发展导致主流左摆,主流贴凸岸入弯形成了“凸冲凹淤”的现象,加之上游梯级水库调蓄作用,中枯水时间延长,形成了大拐急弯段枯水河槽冲刷为主的“凸冲凹淤”新特征。
(3)北水道弯曲型河道的分流能力受限加之东西梁山节点的控制作用使得北水道水位雍高,陈捷、曹捷水道分流比增加。左汊分流比增大加之中枯水期延长导致陈捷水道和曹捷水道的持续冲刷下移,河床不断冲深发展,形成“短支汊发展”的现象。
(4)芜裕河段近期河势基本稳定,但局部区域滩槽调整剧烈,急弯段的主流撇弯和多汊段的短支汊发展趋势势必对河道行洪、通航、取水等可能产生不利影响。基于河段近期演变规律,建议加强对陈捷水道、曹捷水道以及黄山寺—张家湾段护岸的监测;必要时采取工程措施,控制潜洲右汊发展、维持左汊主汊地位和抑制曹姑洲洲头崩退、控制分流比。

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