李彪，黃召彪，涂琳

（1.長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430011；2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050）

長江中游新洲—九江河段河床演變分析及整治方案研究

李彪1，黃召彪1，涂琳2

（1.長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430011；2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050）

根據(jù)新洲—九江河段近幾十年來原型觀測資料，深入分析了順直分汊形過渡河段的演變特點及礙航特性，提出了“固灘守槽，穩(wěn)定主流”的治理原則，在此基礎(chǔ)上提出治理方案，并結(jié)合平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，對治理方案效果進(jìn)行了計算。結(jié)果表明：河段采取以守護(hù)為主、調(diào)整為輔，利用整治建筑物穩(wěn)定并適當(dāng)抬高已有灘體，歸順過渡淺區(qū)枯期水流的治理思路是正確的，工程方案實施后可以較好地解決本河段的礙航問題。

新洲—九江河段；河道演變；航道整治；平面二維水沙數(shù)學(xué)模型

0 引言

新洲—九江河段位于長江干線中游武漢至安慶河段的中下段，介于武穴水道和張家洲水道之間，由新洲水道和九江水道（含九江大橋） 兩個水道組成，是連接中游與下游的水運主通道。

新洲—九江河段為典型兩反向彎道間的長順直分汊河段，河床演變復(fù)雜，治理難度大。本河段包含新洲淺區(qū)、九江上淺區(qū)及九江下淺區(qū)，但目前新洲淺區(qū)及九江上淺區(qū)礙航情況嚴(yán)重，僅可勉強維持4m水深，并且有進(jìn)一步惡化的趨勢，嚴(yán)重制約了九江區(qū)段航道尺度的提高?！堕L江干線航道總體規(guī)劃綱要》[1]指 出： 到 2020 年新洲—九江河段航道尺度要達(dá)到 4.5 m × 200m × 1 050 m（水深 ×航寬 ×彎曲半徑）。因此深入研究新洲—九江河段河道演變規(guī)律并提出相應(yīng)的治理對策意義十分重大。

1 河段概況

新洲—九江河段上起葫蘆山，下迄九江港客運碼頭，全長約 35 km，平面形態(tài)呈現(xiàn)反“S”形（見圖 1）。上段為向左彎曲的新洲鵝頭型分汊河段，左汊為支汊，僅通行地方小輪，右汊為主汊，稱為新洲水道；中間段為上下彎道間長順直分汊段，分布有徐家灣邊灘及鳊魚灘江心洲，鳊魚灘將河道分為左右兩汊，主航槽一直穩(wěn)定于右汊，近年來左汊略有發(fā)展。河段內(nèi)沒有大支流匯入，比降較緩，枯水期最大比降僅為萬分之 0.5；下段則為向右彎曲的九江彎道。

圖1 新洲—九江河段河勢示意圖Fig.1 River regime of X inzhou-Jiujiang reach

2 河道演變及礙航特性

2.1 新洲水道

新洲汊道遵循鵝頭型分汊河段的演變特點，總體表現(xiàn)彎曲的支汊衰退，主汊逐漸發(fā)展。上世紀(jì)90年代前，新洲左汊分流比相對較大，最大時分流比達(dá) 30%以上，在新洲尾部對右汊形成明顯的入?yún)R頂托之勢，這一時期右岸徐家灣邊灘位置偏上，主流較早過渡到右岸，上下深槽平順銜接，新洲淺區(qū)航道條件較好。

但上世紀(jì) 90年代以后，隨著支汊進(jìn)口的縮窄，河道的淤淺，左汊分流比 （見圖 2） 逐漸減小，新洲左汊衰退，右汊相應(yīng)發(fā)展，匯流效應(yīng)減弱。由此新洲水道主流水動力增強，徐家灣邊灘不斷沖刷后退，河道趨于寬淺，新洲過渡淺區(qū)范圍增加，上下深槽交錯，造成新洲過渡段5m線斷開，尤其是 1998 年、1999 年大洪水年，淺區(qū)大范圍淤積，5m 等深線斷開最小距離達(dá) 1 200 m，雖在 2003 年以后 5m 線開始貫通，但航槽緊貼新洲洲尾，寬度明顯不足 （見圖 3）；同時受上深槽右偏的影響，右岸沿岸槽發(fā)展，造成徐家灣邊灘被沖刷、切割，邊灘向心灘轉(zhuǎn)化，航道格局趨于不利。

2.2 九江水道

圖2 新洲左汊分流比變化圖Fig.2 Changeof the sp lit ratio in Xinzhou leftbranch

上世紀(jì) 90年代以前，新洲汊道匯流作用強，造成長順直段主流提前由左向右過渡。同時受左岸白沙邊灘及鳊魚灘的約束，九江水道上淺區(qū)水流集中，5m深槽上、下平順銜接，寬度基本保持在 450～600m 之間 （見圖 4），九江上淺區(qū)表現(xiàn)為正常型，航道條件尚好。

近年來，隨著上游新洲汊道交匯作用減弱，主流逐漸左擺，造成左岸白沙邊灘沖刷、崩退、縮小，主流過渡段下移，同時鳊魚灘左汊也逐漸沖刷發(fā)展。受主流左擺的影響，左岸深槽左偏，而右岸深槽相對穩(wěn)定，左右深槽形成交錯，造成九江上淺區(qū)形成交錯淺灘，5m等深線寬度持續(xù)變窄，甚至斷開，航道條件急劇惡化，并且隨著鳊魚灘洲頭沖刷萎縮，九江上淺區(qū)河床斷面展寬，水流更為分散，礙航程度加劇。

圖3 新洲5m等深線變化圖Fig.3 Change in 5m isobathic line in Xinzhou

圖4 九江水道5m等深線變化圖Fig.4 Change in 5m isobathic line in JiujiangW aterway

2.3 河段內(nèi)水流條件及洲灘演變關(guān)系

河段內(nèi)上下游水道演變關(guān)系密切，灘槽變化具有連鎖反應(yīng)關(guān)系。

新洲水道灘槽的變化主要受新洲汊道興衰的影響而發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整。隨著新洲水道分流量的不斷增大，新洲水道水動力增強，對河床的塑造能力也隨之增加，水道內(nèi)上深槽持續(xù)右偏，上、下深槽交錯加大，邊灘沖刷下移，灘面刷低，淺灘范圍增加，航道條件變差，同時，沿岸槽發(fā)展，近兩年，徐家灣邊灘逐漸演變?yōu)樾臑?，造成多槽分流，航道形勢也趨于不利?/p>

九江水道承接新洲水道，且為順直河型，水流一脈相承，上游灘槽沖淤直接引起下游灘槽變化。2000 年之前，當(dāng)新洲汊道匯流作用較強時，主流提前由左向右過渡，九江上淺區(qū)表現(xiàn)為正常型，航道條件良好。但近年來隨著新洲汊道交匯作用減弱，再加上彎道水流所固有之特性，主流趨直、左擺，白沙邊灘沖蝕退縮，徐家灣邊灘左擺、下移，九江順直段深槽左擺，從而加大了鳊魚灘頭部沖刷，引起了鳊魚灘左汊發(fā)展，2005 年以后九江上淺區(qū)淺灘形態(tài)由正常型轉(zhuǎn)為交錯型，淺區(qū)出淺礙航，并且隨著鳊魚灘洲頭的沖刷，航道條件進(jìn)一步惡化。

2.4 礙航特性

對于新洲淺區(qū)：當(dāng)徐家灣邊灘發(fā)育完整，灘體高大時，過渡槽居左，航道條件較好；當(dāng)徐家灣邊灘沖刷萎縮，灘體低平，過渡槽右擺居中，航槽不穩(wěn)，枯季需要調(diào)標(biāo)、改泓，航道維護(hù)較為困難；當(dāng)淺區(qū)形成雙槽時，水流難以集中，多槽分流，雖然5m等深線勉強貫通，但是寬度較窄，近年來徐家灣邊灘頭部持續(xù)刷低，淺區(qū)范圍增大，過渡航槽趨于寬淺，航道條件較差。

對于九江上淺區(qū)：當(dāng)九江上淺區(qū)主流提前由左岸向右岸過渡，淺灘表現(xiàn)為正常型，航道條件較好；當(dāng)主流左擺，上下深槽交錯，上淺區(qū)表現(xiàn)為交錯型，汛后水位快速回落，淺灘上淤積的泥沙來不及沖刷而造成水深不足。2005 年后，九江水道上淺區(qū)淺灘形態(tài)由正常型演變?yōu)榻诲e型，淺灘形態(tài)惡化，加之鳊魚灘洲頭沖蝕后退，灘脊展寬，枯水期水流分散，造成九江上淺區(qū)出淺礙航，近幾屆枯水期已有多艘船舶在此擱淺。

3 航道治理思路

鑒于新洲—九江河段內(nèi)水道間的連鎖變化，上下淺灘存在內(nèi)在的演變關(guān)系，單灘整治尚不能解決河段內(nèi)的根本問題，需要采取長河段系統(tǒng)治理。故針對新洲水道由單一河槽演變?yōu)殡p槽分流，淺區(qū)斷面向?qū)挏\方向發(fā)展；九江水道淺灘形態(tài)惡化的不利變化，新洲—九江河段的航道治理思路[2]確定為：

1） 對于新洲水道，以守護(hù)為主、調(diào)整為輔，采用整治建筑物限制上深槽的發(fā)展，穩(wěn)定邊灘，歸順過渡淺區(qū)枯期水流，遏制其不利變化；

2） 對于九江上淺區(qū)，攻守并重，采用整治建筑物抑制深槽左擺，恢復(fù)并抬高左岸 （心灘）灘體，防止繼續(xù)向不利方向（交錯淺灘） 發(fā)展，適當(dāng)縮窄枯水河寬，集中水流，加大淺區(qū)沖刷能力，提高水深，使之達(dá)到《規(guī)劃》航道尺度標(biāo)準(zhǔn)。

4 整治工程效果及數(shù)模研究

4.1 數(shù)學(xué)模型介紹

運用平面二維水沙數(shù)學(xué)模型[3]，對航道整治工程方案進(jìn)行了分析研究。模型計算區(qū)域上起鯉魚山水道出口處的王家灣，下至九江長江大橋上游3 km 處，全長約 56 km。模型采用 SIMPLE 算法，計算區(qū)域曲線網(wǎng)格根據(jù)橢圓型微分方程生成，進(jìn)口至出口的區(qū)域劃分為 396 × 151 個網(wǎng)格，其中：ξ方向網(wǎng)格數(shù)共 396 個，網(wǎng)格長度約為 40～150m，η 方向網(wǎng)格數(shù)共 151 個，網(wǎng)格寬度約為 10～50m。模型進(jìn)口邊界條件采用九江站的流量資料，出口邊界采用九江站實測水位與模型出口進(jìn)行相關(guān)計算的水位過程，起始地形采用 2009 年 2 月河床地形。

4.2 定床方案試驗

4.2.1 方案介紹

根據(jù)本河段航道整治思路，提出了兩組定床方案。方案1：在右岸徐家灣邊灘布置兩道潛丁壩 （壩頂高程 5.73m，黃海高程，下同） 和兩道護(hù)灘帶，在左岸新洲尾部及蔡家渡實施護(hù)岸；在白沙邊灘布置兩道淺丁壩 （壩頂高程 5.73m），在鳊魚灘灘頭布置 1縱 3橫 4道護(hù)灘帶；方案 2：在新洲水道出口處布置7橫1縱的魚骨壩（魚骨壩脊壩頭部高程為 5.73m，尾部高程為 8.73m，刺壩高程與相接處脊壩高程相同）；在白沙邊灘布置兩道潛丁壩，在鳊魚灘灘頭布置“1縱3橫”4道護(hù)灘帶。然后對方案進(jìn)行定床水流效果試驗。

4.2.2 工程效果

4.2.2.1 分流比變化

2個方案的實施均使得鳊魚灘北汊分流比減小，但在方案1實施后新洲水道分流比有所減小，而方案2的實施對新洲水道分流改變不大，且隨著流量的增加，工程對鳊魚灘汊道的影響越來越小。

4.2.2.2 水流流態(tài)、流速變化

方案 1 實施后，在整治流量下 （10 090m3/s）新洲淺區(qū)流速增加，增加約 0.02～0.05m/s；九江上淺區(qū)內(nèi)流速增加，增加值約 0.08m/s 左右。徐家灣邊灘潛丁壩壩頭流速增加較大，增幅達(dá)0.1 m/s， 對 建 筑 物 的 穩(wěn) 定 有 一 定 影 響 （見 圖 5（a））；方案 2 實施后，在整治流量級下，新洲淺區(qū)流速增加，增加約 0.05m/s，魚骨壩右側(cè)沿岸槽內(nèi)流速也有所增加，流速增加幅度約為 0.02 m/s。九江上淺區(qū)流速增加，淺區(qū)內(nèi)流速增加約0.07m/s 左右 （見圖 5 （b））。兩方案實施后隨著流量的增加，工程對流態(tài)流速的影響將逐漸減小。

4.2.2.3 水位變化

兩方案的實施均使得工程上游水位有所雍高，工程下游水位略有下降。水位最大雍高值為0.033m，水位最大下降值為 0.006m。在洪水流量下，工程對水位影響不大，不會對防洪造成影響。

圖5 流速變化等值線分布圖Fig.5 Distribution diagram of velocity isoclines in regulation discharge

綜上所述，方案1與方案2屬不同類型的方案，兩方案的差異在于新洲水道工程部位以及措施不同，從工程效果來看，方案1能夠起到穩(wěn)定徐家灣邊灘，加強新洲淺區(qū)沖刷的目的，航道條件有所改善；而方案2實施魚骨壩后，雖然能守護(hù)徐家灣心灘，對淺區(qū)沖刷有一定改善，并考慮了右岸岸線的利用問題，但工程實施后會加速右岸沿岸槽的發(fā)展，形成雙槽分流，若沿岸槽持續(xù)發(fā)展，可能會對新洲水道淺區(qū)形成不利影響，存在一定的工程風(fēng)險。因此，綜合比較來看，方案1略優(yōu)于方案2，動床階段可在方案1的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步優(yōu)化。

4.3 動床方案試驗

4.3.1 方案優(yōu)化

根據(jù)定床試驗效果，對方案1加以優(yōu)化。徐家灣邊灘工程優(yōu)化：鑒于1號潛丁壩位于深水區(qū)，且潛丁壩頭部流速較大，對壩體穩(wěn)定不利，故取消1號潛壩，同時對2號潛壩高程適當(dāng)減低，將3號護(hù)灘帶的位置實施調(diào)整，4號護(hù)灘帶位置不變，最終在徐家灣邊灘布置3道護(hù)灘帶工程。護(hù)岸工程優(yōu)化：考慮徐家灣邊灘工程仍可能會對左岸產(chǎn)生一定影響，因此，新洲洲尾、蔡家渡護(hù)岸工程仍將保留，只不過守護(hù)范圍調(diào)整；白沙邊灘以及鳊魚灘頭部工程優(yōu)化：考慮左岸黃梅港的規(guī)劃和發(fā)展，取消白沙邊灘2道潛丁壩，同時為保證九江上淺區(qū)的沖刷效果，故將鳊魚灘頭護(hù)灘帶調(diào)整為壩體，即鳊魚灘頭“一脊三齒”的梳齒壩。優(yōu)化后的工程方案平面布置見圖6。

4.3.2 工程效果

選取 2005—2009 年＋1998 年＋2005 年+2007—2009 年共 10 個代表水文年的水沙條件進(jìn)行動床工程效果研究，動床效果如下：

圖6 工程方案平面布置圖Fig.6 Layoutof projectscheme

1） 地形變化

方案實施后，經(jīng)過 10個水文年后，新洲淺區(qū)受工程作用淺情逐年好轉(zhuǎn)，同時新洲水道右岸沿岸槽的發(fā)展趨勢也受到遏制。較無工程情況下，10 年末，新洲淺區(qū)沖刷幅度約 2～3m，丁壩及護(hù)底帶工程區(qū)域泥沙落淤，10 年末，泥沙淤積約 2～3m。沿岸槽進(jìn)口淤積約2m左右，中下段沖刷約2m。在九江水道，由于梳齒壩工程作用，同樣保護(hù)了白沙邊灘與鳊魚灘頭部，起到了抑制鳊魚灘左汊發(fā)展的趨勢，但由于取消了白沙邊灘的淺丁壩，較無工程情況下白沙邊灘淤積程度有所減少，由于鳊魚灘左汊的護(hù)底帶工程的作用，較無工程情況下鳊魚灘左汊淤積2m左右。由于梳齒壩的作用，鳊魚灘頭部大幅淤積，逐漸與白沙邊灘連為一體，10年末淤積幅度約 3m，同時鳊魚灘灘頭右緣也大幅淤積，右緣竄溝的發(fā)展也得到控制。九江上淺區(qū)的航道條件也逐年好轉(zhuǎn)。

2） 航槽變化

方案實施后，河道內(nèi)低灘保持穩(wěn)定，徐家灣右槽與鳊魚灘左汊的發(fā)展趨勢受到遏制，河道水流歸槽，10 年內(nèi)，新洲淺區(qū)處 4.5m 深槽航寬始終能夠保持在 200m 以上，10 年末最小寬度保持在 250m 以上，形成穩(wěn)定的枯水期航槽。九江上淺區(qū)，由于徐家灣邊灘尾部的淤積下移與白沙邊灘沖刷趨勢得到抑制，使得九江水道上下深槽交錯加大的趨勢得到改善，至試驗第 5 年末，4.5m航槽能夠滿足通航要求，最窄處航寬約為 400m，之后隨著鳊魚灘灘頭的進(jìn)一步淤積展寬以及鳊魚灘左汊的逐漸淤積，航道條件進(jìn)一步好轉(zhuǎn)，至10年末，九江水道上下深槽航槽內(nèi)6m水深線貫通。

3） 分流比變化

10年后較初始地形，新洲右汊分流比增加約4.3%，新洲水道沿岸槽與鳊魚灘左汊的發(fā)展趨勢受到抑制，經(jīng)過 10個水文年后，沿岸槽小幅萎縮，分流比減小約 0.3%，鳊魚灘左汊分流比減小約 6.3%。

總體而言，工程實施后，新洲淺區(qū)整治線內(nèi)流速略有增加，淺區(qū)有所改善，4.5m 槽始終保持貫通，在目前的地形條件下經(jīng)代表水文年后，九江上淺區(qū)沖刷效果明顯，4.5m 等深線貫通，且4.5 m 等深線寬度達(dá) 380 m，滿足 4.5m × 200 m（水深×航寬）規(guī)劃航線標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 主要結(jié)論

1） 新洲—九江河段河勢總體穩(wěn)定，但隨著新洲汊道左汊衰退，右汊發(fā)展，新洲水道主流水動力增強，徐家灣邊灘不斷沖刷后退，河道趨于寬淺，新洲淺區(qū)范圍增大。同時右岸沿岸槽沖刷發(fā)展，造成徐家灣邊灘由邊灘向心灘轉(zhuǎn)化，航道格局向不利方向發(fā)展。受新洲汊道的變化，順直段的九江水道主流逐漸左擺，鳊魚灘左汊逐漸發(fā)展，由此造成九江水道上下深槽交錯程度加劇，九江上淺區(qū)形態(tài)惡化，航道出淺礙航，同時鳊魚灘洲頭受水流沖刷而變散，淺區(qū)水流更為分散，礙航情況嚴(yán)重。因此，有必要盡快實施新洲—九江河段的航道整治工程。

2） 結(jié)合本河段河床演變特點的認(rèn)識，新洲—九江河段的治理思路確定為：對于新洲水道，以守護(hù)為主、調(diào)整為輔，采用整治建筑物限制上深槽的發(fā)展，穩(wěn)定邊灘，歸順過渡淺區(qū)枯期水流，遏制其不利變化；對于九江上淺區(qū)，攻守并重，采用整治建筑物抑制深槽左擺，恢復(fù)并抬高左岸（心灘）灘體，防止繼續(xù)向不利方向（交錯淺灘）發(fā)展，適當(dāng)縮窄枯水河寬，集中水流，加大淺區(qū)沖刷能力，提高水深，使之達(dá)到《規(guī)劃》航道尺度標(biāo)準(zhǔn)。

3） 運用平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，對航道整治工程方案進(jìn)行了計算研究，計算結(jié)果表明，通過修建徐家灣邊灘護(hù)灘帶、新洲尾和蔡家渡護(hù)岸、鳊魚灘頭“一脊三齒”的梳齒壩等一系列工程措施，可以很好地解決本河段的礙航問題。

[1]交通運輸部.長江干線航道總體規(guī)劃綱要[R].北京：交通運輸部，2009. Ministry of Transportof the People＇s Republic of China.Planning outline of the main line of Yangtze River[R].Beijing：Ministry of Transportof the People＇sRepublic ofChina，2009.

[2]黃召彪，李彪.長江中游新洲—九江河段航道整治工程工程可行性研究報告[R].武漢：長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，2010. HUANG Zhao-biao，LIBiao.Feasibility study report on regulation projectof Xinzhou-Jiujiang river reach in themiddle of the Yangtze River[R].Wuhan：Changjiang Waterway Planning Design and Research Institute，2010.

[3]劉林，張明.長江中游新洲至九江河段航道整治工程二維水沙數(shù)值模擬研究[R].武漢：長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，2010. LIU Lin，ZHANGMing.Two-dimension numericalsimulation study on regulation projectof Xinzhou-Jiujiang river reach in themiddle of the Yangtze River[R].Wuhan：Changjiang Waterway Planning Design and Research Institute，2010.

Analysis on channel evolution of Xinzhou—Jiujiang river reach in them idd le of the Yangtze River and the regulation scheme research

LIBiao1，HUANGZhao-biao1，TU Lin2
（1.ChangjiangWaterway Planning Design and Research Institute，Wuhan，Hubei 430011，China；2.Wuhan Instituteof Shipbuilding Technology，Wuhan，Hubei 430050，China）

Based on the prototype observation data for Xinzhou-Jiujiang river reach in recent decades，the paperanalyzes the corresponding fluvialevolution and navigation-failure characteristics，and puts forward the following guidelines for regulation：strengthening bars，protecting riverbed and stabilizingmain stream.At the same time，a horizontal two-dimensionalmodel is developed to check the effectivenessofundergoing regulation projects.The results indicate that the regulation of Xinzhou-Jiujiang reachmainly focuses on protection rather than adjustmentand the detail lies on appropriately adjusting themain flow of shoalareas in transitional reach tomaintain enough navigating depth in dry season by using regulating structures to stabilize and elevate the bars.Themodeling results prove the validity of the proposed regulation which aims at solving the navigation failure problems.

Xingzhou-Jiujiang river reach；channel evolution；channel regulation；2Dmathematicalmodel

U617.3

A

1003-3688（2014）01-0039-06

10.7640/zggw js201401007

2013-05-13

2013-07-01

李彪 （1979 — ），男，湖北荊州市人，高級工程師，碩士，港口、航道及近海工程專業(yè)。E-mail：libiaohao308@163.com