柴朝暉，王 茜，渠 庚，黃衛(wèi)東

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所, 武漢 430010; 2.水利部長(zhǎng)江中下游河湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

長(zhǎng)江口是我國(guó)第一大河口，其在流域減沙及人類活動(dòng)的雙重影響下的演變過程和變化趨勢(shì)是目前研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)之一[1-4]。徐六涇節(jié)點(diǎn)段作為長(zhǎng)江河口區(qū)的起點(diǎn)段，控制著長(zhǎng)江口的物質(zhì)通量和南北支的分流分沙，其演變過程和趨勢(shì)對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江口的演變有著重要的作用。眾多學(xué)者對(duì)此河段的沖淤演變機(jī)制進(jìn)行了研究：李鍵庸[5]提出徐六涇節(jié)點(diǎn)段整治工程的實(shí)施能穩(wěn)定其節(jié)點(diǎn)作用；余文疇和張志林[6]利用1984—2006年的資料分析了徐六涇節(jié)點(diǎn)附近的河勢(shì)變化；朱慶元等[7]根據(jù)1970—2014年的實(shí)測(cè)資料分析了長(zhǎng)江徐六涇河段白茆小沙近期演變特征；欒華龍等[8-9]采用1997—2015年的資料通過大尺度的沖淤計(jì)算發(fā)現(xiàn)徐六涇—橫港沙之間的河段自20世紀(jì)80年代起已呈現(xiàn)凈沖刷態(tài)勢(shì)。然而，目前對(duì)該河段河槽穩(wěn)定性及未來趨勢(shì)的定量預(yù)測(cè)還不夠深入。因此，筆者采用實(shí)測(cè)資料分析和物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了長(zhǎng)江口徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽的穩(wěn)定性、變化趨勢(shì)及影響因素，以期能為該河段的綜合整治、保護(hù)和可持續(xù)開發(fā)利用提供基礎(chǔ)支撐。

2 研究區(qū)域及方法

2.1 研究區(qū)域

徐六涇節(jié)點(diǎn)段自徐六涇至白茆河口，是長(zhǎng)江口近口段到河口段的一個(gè)節(jié)點(diǎn)性過渡段，上接狼山沙水道，下連白茆沙水道。

該河段受徑流和潮流雙重影響，但潮流作用相對(duì)較弱，塑造本河段河床的主要?jiǎng)恿閺搅髡贾饕糠值穆涑绷?2005—2016年間徐六涇站年均落潮潮量是漲潮潮量的3.1倍)。河段床沙主要是細(xì)沙，床沙粒徑分布為：主槽床沙較粗，中值粒徑d50為0.13～0.25 mm，江心沙灘上底沙較細(xì)，d50一般在0.1 mm左右。近年來，為穩(wěn)定徐六涇節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)徐六涇河段的束流、導(dǎo)流作用，該河段實(shí)施了新通海沙圍墾工程、南側(cè)的白茆小沙圍墾堤工程和白茆沙頭部整治工程等整治工程。

2.2 研究方法

基于水文、泥沙和地形實(shí)測(cè)資料，通過提取特征等高線、繪制典型橫斷面年際變化圖分析近年來河槽變化，并利用物理模型試驗(yàn)對(duì)河槽穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

物理模型試驗(yàn)動(dòng)床部分模擬范圍上起常滸河口，下至白茆沙洲頭整治工程頭部(圖1)，由于試驗(yàn)主要研究工程河道河槽的變化趨勢(shì)，根據(jù)水流近岸流線形狀在0～-5 m之間選擇一條相對(duì)平滑的線作為定、動(dòng)床的分界線。根據(jù)該河段床沙實(shí)測(cè)資料，工程河段原型床沙中值粒徑約為0.102 mm，在基本滿足沉降相似、起動(dòng)相似和揚(yáng)動(dòng)相似的條件下，模型采用中值粒徑為0.14 mm、干重度為7 kN/m3的塑料沙作為模型用沙；對(duì)于懸移質(zhì)床沙質(zhì)，選用粒徑為0.17 mm的塑料沙作為床沙質(zhì)予以模型加沙控制(限于篇幅，模型比尺和模型沙只給出了結(jié)果，具體推算過程略去，具體可參考文獻(xiàn)[10])，徐六涇節(jié)點(diǎn)段物理模型比尺詳見表1。

圖1 徐六涇節(jié)點(diǎn)段物理模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of physical model ofXuliujing node reach

表1 徐六涇節(jié)點(diǎn)段物理模型比尺Table 1 Scale used for physical model of Xuliujingnode reach

為模擬長(zhǎng)期水沙系列下該河段河槽的變化趨勢(shì)和大洪水的影響，水沙系列年采用三峽蓄水以后的2009—2018年系列水文年+百年一遇水文年，其中，2009—2018年系列水文年根據(jù)大通站流量和含沙量變化特征概化為93級(jí)；百年一遇水文年進(jìn)口流量過程按百年一遇洪峰流量與1998年最大洪峰的比值關(guān)系(放大系數(shù)為95 300/81 200)放大1998年汛期(主要是25 000 m3/s流量以上洪水時(shí)段)來水過程得到，含沙量則根據(jù)大通站流量-含沙量關(guān)系的下包線獲得。下游潮位邊界條件則在各典型年內(nèi)選取了不同時(shí)段(洪、中、枯期)的大、中、小潮作為代表潮型，選取過程中還考慮了最高潮差和月份分布的影響。

3 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證試驗(yàn)起始地形采用2016年10月份測(cè)量的1∶10 000的水下地形圖制作，驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)口水文條件采用大通站實(shí)測(cè)流量和輸沙率資料，出口采用相應(yīng)控制站的實(shí)測(cè)潮位資料。

3.1 潮水位和流速驗(yàn)證

對(duì)模型2018年8月份徐六涇站潮位過程、2019年11月份新江海河斷面(圖1中2#斷面)SW6測(cè)點(diǎn)流速過程同步驗(yàn)證，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，徐六涇站模型與原型的潮位過程吻合程度較好，通過分析比較，差值一般在0.03 m內(nèi)，SW6測(cè)點(diǎn)模型和實(shí)測(cè)流速相差不大，漲落潮過程基本吻合，平均流速偏差在10%以內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)程要求。

圖2 典型測(cè)點(diǎn)潮位和流速實(shí)測(cè)和模型值對(duì)比Fig.2 Comparison of tide level and flow velocitybetween measured and modeled values at typicalmeasuring points

3.2 河床沖淤驗(yàn)證

河床沖淤驗(yàn)證終結(jié)地形采用2018年11月份最新實(shí)測(cè)1∶10 000的水下地形。圖3為典型斷面原型和模型沖淤變化對(duì)比(典型斷面位置見圖1)。由圖3可知，在河槽部位的模型沖淤變化與原型基本相似，邊灘部位模型淤積量偏小，特別是高灘部位，主要原因是水沙條件的概化造成模型中的洪峰流量變小，但沖淤幅度誤差一般都在0.50 m以內(nèi)。從分段沖淤量來看，常滸河口—蘇通大橋段模型沖淤量與原型的偏差為-4.01%，蘇通大橋—新江海河段模型沖淤量與原型的偏差為9.40%；新江海河—白茆沙頭部段模型沖淤量與原型的偏差為3.51%。綜上，模型沖淤部位基本與原型相似，沖淤幅度和沖淤量的幅度誤差符合相關(guān)規(guī)范的要求。

圖3 典型斷面實(shí)測(cè)和模型值對(duì)比Fig.3 Comparison of topography of typical sectionsbetween measurement and modelling

4 結(jié)果與討論

4.1 河槽近期平面變化

以-10、-20、-30、-40、-50、-60 m槽深為例分析徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽平面變化(受限于篇幅，圖4和表2中僅展示了部分河槽年際變化)，具體如下：

(a) -30 m槽

表2 徐六涇節(jié)點(diǎn)段-20～-60 m槽特征值統(tǒng)計(jì)Table 2 Characteristic values of - 20-60 m channelin Xuliujing node reach

1997年以后-10 m槽基本穩(wěn)定，僅進(jìn)口段和出口段存在局部的沖淤變化。2006年后，-10 m槽進(jìn)口段隨著上游新開沙夾槽的發(fā)展向北沖刷，南側(cè)-10 m深槽相對(duì)穩(wěn)定，而新開沙沙尾延伸而下的-10 m等高線相對(duì)活躍，存在局部的南北擺動(dòng)。徐六涇出口段-10 m槽與下游連通。1997年后白茆小沙夾槽進(jìn)一步刷深，開始出現(xiàn)-10 m槽，且不斷向上游發(fā)展；2006年后，其深槽向下沖刷發(fā)展，2016年與下游-10 m槽連通；2016—2018年間，-10 m深槽位置基本穩(wěn)定，僅有小幅度的左右擺動(dòng)。

2001年前-20 m槽金涇塘以上平面形態(tài)及位置較為穩(wěn)定，金涇塘以下的槽尾段變化較為顯著，總體表現(xiàn)為槽尾的南偏及上提(1983—2001年間，-20 m槽槽尾南偏約1.2 km，上提約3.3 km)。2001年后，槽尾呈逐年下挫的趨勢(shì)，2001—2018年間累計(jì)下挫約2.3 km。

2003年-30 m槽貫通，2003—2006年間，該槽北側(cè)沖刷，槽寬由240 m增至510 m左右；2006年以后，隨著蘇通大橋建設(shè)和運(yùn)行，-30 m槽出現(xiàn)一定的沖刷，幅度在250 m以內(nèi)；2006—2018年間，槽尾略有下挫，幅度在350 m左右。

2001年前-40 m槽只出現(xiàn)在蘇通大橋橋位斷面以上，受狼山沙東水道主流線擺動(dòng)的影響，該槽頭部年際間變幅較大，有逐年上提的趨勢(shì)，1998—2019年間，槽頭部上提約2.5 km，槽尾位置相對(duì)穩(wěn)定，下距蘇通大橋橋位斷面420—780 m之間。隨著蘇通大橋建成(2005年8月份主橋橋墩建成)，2006年蘇通大橋下游開始出現(xiàn)-40 m槽。該槽上邊緣距離蘇通大橋約850 m，分為上下2個(gè)部分，2006—2018年間位置和面積相對(duì)穩(wěn)定，變化不大。

與-40 m槽類似，2006年后蘇通大橋下游開始出現(xiàn)-50 m槽，距離蘇通大橋橋址斷面約1.2 km，面積僅約0.012 km2；至2016年，該槽位置下移約200 m，面積增加至0.046 km2；2018年，原槽面積增加至0.16 km2，且在其下游約1.8 km處形成一個(gè)新的-50 m槽，面積約0.045 km2。同時(shí)，自2016年開始在蘇通大橋下游出現(xiàn)了-60 m槽，深槽面積約0.008 km2，2018年該深槽面積增大至0.040 km2，主要表現(xiàn)是深槽頭部向上游延伸。

綜上，徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽近期以沖刷為主，平面上主要表現(xiàn)為河槽的上提下挫，深槽最深點(diǎn)呈下降趨勢(shì)。

4.2 典型斷面近期變化

選取徐六涇斷面(進(jìn)口段)、金涇塘斷面(中段)和白茆河斷面(出口段)3個(gè)斷面分析徐六涇節(jié)點(diǎn)段典型斷面的變化，如圖5所示。

圖5 徐六涇節(jié)點(diǎn)段典型斷面變化Fig.5 Changes of typical sections of Xuliujingnode reach

徐六涇斷面河槽位置較為穩(wěn)定，歷年最深點(diǎn)擺動(dòng)幅度不超過300 m；河槽右側(cè)的邊灘較為穩(wěn)定，沖淤幅度較小，而河槽左側(cè)邊灘則相對(duì)變化頻繁，沖淤交替，幅度在7 m左右。1992年前金涇塘斷面河槽略向右移動(dòng)，1992后斷面形態(tài)整體變化不大，右側(cè)次深槽有所刷深，2016年達(dá)到最深(高程約-33.2 m)，2016—2018年間出現(xiàn)回淤；1998—2006年右側(cè)白茆小沙夾槽出現(xiàn)較大幅度的沖刷，2006年以后仍以沖刷為主，但沖幅在2 m以內(nèi)。白茆河斷面呈復(fù)式斷面形態(tài)，根據(jù)斷面沖淤變化特征可分2個(gè)階段：1992年前為“沖淤劇烈”階段，1978—1992年間，斷面最深點(diǎn)右移約2 140 m。1992年后為“緩慢沖淤”階段，斷面沖淤幅度在5 m以內(nèi)，2007 年后，隨著新通海沙圍墾工程的實(shí)施，河寬縮窄1.2 km左右；南側(cè)邊灘、主槽、白茆小沙尾部沖刷明顯，與2006年相比，平均沖深約1.5 m，且2016—2018年主槽最深點(diǎn)沖深約2.6 m。

綜上，1992年前徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽總體向右移動(dòng)，1992年以后，河槽平面位置基本穩(wěn)定，演變趨緩，近期河床斷面呈緩慢刷深之勢(shì)。

4.3 河槽變化趨勢(shì)

圖6為不同水文年作用后的徐六涇節(jié)點(diǎn)段河床平面沖淤變化。從圖6可以看出，2009—2018年水文年作用后，工程河段河床沖淤交替，河槽以沖刷為主，幅度在6.3 m左右，白茆河出口端河槽最大沖深約5.1 m；白茆沙南水道進(jìn)口呈沖刷態(tài)勢(shì)，幅度在1.5～2 m之間，北支進(jìn)口表現(xiàn)為淤積態(tài)勢(shì)；2009—2018年+百年一遇水文年作用后，河床總體呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢(shì)，河床變化幅度較平常水沙年明顯增大，其中，徐六涇主槽左側(cè)、蘇通大橋下游主槽、白茆沙南水道進(jìn)口段沖刷幅度較大，白茆河斷面主槽沖刷幅度約為14.7 m，白茆沙頭部上游河床淤積明顯，幅度在1～2.8 m之間。

圖6 不同水文年作用后的徐六涇節(jié)點(diǎn)段河床平面沖淤變化Fig.6 Changes of riverbed plane erosion and deposition in Xuliujing node reach before and after the action ofdifferent hydrological years

圖7為不同水文年作用后的徐六涇節(jié)點(diǎn)段-20～-50 m河槽變化。由圖7可知，2009—2018年水文年作用后，-20 m槽持續(xù)擴(kuò)大，尤其是金涇塘口以下河段-20 m槽更加平順且寬度增大，槽尾向下游延伸約756 m，槽寬增加約632 m；-30 m上下深槽沖刷貫通，深槽寬度變化不大，槽尾有所拓寬下延；主流進(jìn)口段的-40 m深槽平面變化不大，蘇通大橋下游2個(gè)-40 m深槽有所發(fā)展，深槽面積分別增加約34.8%和45.4%； -50 m槽整體沖刷發(fā)展，但平面位置變化不大。2009—2018年+百年一遇水文年作用后，-20～-50 m槽的變化與2009—2018年水文年條件下的變化相似，只是沖刷幅度有所增加，但值得注意的是，在現(xiàn)有-30 m深槽下游約910 m 處出現(xiàn)一個(gè)新的-30 m槽，面積約0.71 km2。

圖7不同水文年作用后的徐六涇節(jié)點(diǎn)段典型等高線變化Fig.7 Typical contour changes of Xuliujing node reachbefore and after the action of different hydrological years

綜上，徐六涇節(jié)點(diǎn)段未來灘槽格局基本穩(wěn)定，河槽仍以沖刷為主，且有向下游緩慢發(fā)展趨勢(shì)。需注意的是，大洪水作用下局部河床仍會(huì)出現(xiàn)較大的調(diào)整。

4.4 影響因素分析

4.4.1 河道邊界條件

徐六涇節(jié)點(diǎn)段歷史上主流頂沖常熟岸線，致使江岸崩坍，18世紀(jì)開始常熟岸線先后修建海塘及一系列樁石工程，南岸地質(zhì)條件較好，長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1954年通海沙圍墾成陸，1957年通海沙并北岸，1958年北岸開始進(jìn)行了一系列圍墾工程，1965年江心沙圍墾成陸，1973年江心沙并北岸，江面由原來的15.7 km縮窄至5.7 km。2007年南岸進(jìn)行了常熟邊灘圍墾，2008—2013年實(shí)施新通海沙圍墾工程，蘇通大橋下游附近江面寬縮窄到4.5 km左右。這些工程的實(shí)施，使徐六涇節(jié)點(diǎn)段河道邊界趨于穩(wěn)定。

4.4.2 大洪水

大洪水造床能力強(qiáng)，甚至引起河勢(shì)發(fā)生較大的變化。對(duì)徐六涇節(jié)點(diǎn)段而言，受1983年大洪水主流趨直的作用，進(jìn)入徐六涇河段主流的頂沖點(diǎn)由徐六涇附近下移至徐六涇下游，造成徐六涇至白茆河口的大片水下邊灘被切割，最終導(dǎo)致白茆沙南水道上口出現(xiàn)大幅度淤塞，主流集中沖刷白茆沙北水道上口。2016年和2017年，長(zhǎng)江下游連續(xù)發(fā)生較大洪水，其中2016年大通站實(shí)測(cè)最大流量70 700 m3/s，平均流量為33 100 m3/s，年徑流量為10 450億m3，為1998年以來的首位，日均流量>45 000 m3/s(河段平灘流量)的時(shí)間達(dá)到120 d，2017年來水也相對(duì)偏豐，大通站實(shí)測(cè)最大流量也達(dá)到70 600 m3/s。這兩年來水量均較大，大水的造床作用顯著，2018年在現(xiàn)有-50 m深槽下游出現(xiàn)新的-50 m深槽與這2場(chǎng)洪水有直接的關(guān)系，并且大洪水作用下河床局部會(huì)出現(xiàn)較大調(diào)整。這在我們的模型試驗(yàn)中也有體現(xiàn)(2009—2018年+百年一遇水文年作用后，現(xiàn)有-30 m深槽下游約910 m 處出現(xiàn)一個(gè)新的-30 m槽)。

4.4.3 上、下游河勢(shì)

徐六涇上游通州沙東水道目前全潮平均分流比為90%左右，東水道為主汊的河勢(shì)格局將得以長(zhǎng)期維持，下游白茆沙河段隨著深水航道一期工程的實(shí)施，白茆沙沙頭后退得到有效守護(hù)，也將長(zhǎng)期維持主流偏靠南岸的河勢(shì)格局。因此，上、下游對(duì)工程河段河勢(shì)的影響將逐漸減少。

4.4.4 流域減沙

長(zhǎng)江上游控制性水庫(kù)建成后，工程河段來沙顯著減小，年平均輸沙量降幅約為68.6%。來沙量的減少，使工程河段水體的含沙量也明顯下降，水流處于不飽和輸沙狀態(tài)，河床以沖刷下切為主。

4.4.5 人類活動(dòng)

工程河段人類活動(dòng)主要包括港口、碼頭工程建設(shè)，河道整治工程，航道整治工程、邊灘圍墾工程、蘇通大橋、蘇通GIL綜合管廊工程等工程的建設(shè)。

涉水工程對(duì)河道的影響主要表現(xiàn)為局部河床的沖淤變化，如：橋墩(塔基)可改變河流水動(dòng)力條件，引起局部河床出現(xiàn)較大幅度的沖淤。徐六涇節(jié)點(diǎn)段的蘇通大橋雖然在南北主橋墩均采用了防護(hù)措施，但在橋墩下游仍形成局部沖刷坑(2005年蘇通大橋主橋墩建成后，2006年蘇通大橋下游開始出現(xiàn)-40 m和-50 m深槽)。

綜上所述可知，徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽整體穩(wěn)定性前期主要受兩岸圈圍工程、上下游河勢(shì)、大洪水等影響，近年來，河槽整體穩(wěn)定性主要受流域減沙的影響；局部河床穩(wěn)定性的主要影響因素是大洪水和人類活動(dòng)。

5 結(jié) 論

采用實(shí)測(cè)資料分析和物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了長(zhǎng)江口徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽的穩(wěn)定性、變化趨勢(shì)及影響因素，主要結(jié)論如下：

(1)徐六涇節(jié)點(diǎn)段1992年前河槽呈右移態(tài)勢(shì)；1992—2019年間，河槽演變趨緩，平面上主要表現(xiàn)為小幅度的上提下挫，垂向上呈緩慢刷深之勢(shì)，同時(shí)，可能受2016年和2017年大水的影響，局部河槽出現(xiàn)沖刷坑。

(2)試驗(yàn)條件下，徐六涇節(jié)點(diǎn)段-20～-50 m深槽均有不同程度的發(fā)展，且有向下游緩慢發(fā)展趨勢(shì)，并且在2009—2018年+百年一遇水文年作用下，現(xiàn)有-30 m深槽下游約910 m 處出現(xiàn)一個(gè)新的-30 m槽，局部河床出現(xiàn)較大的調(diào)整。

(3)徐六涇節(jié)點(diǎn)段河槽整體穩(wěn)定性前期主要受兩岸圈圍工程、上下游河勢(shì)、大洪水等的影響，近年來主要受流域減沙的影響，局部河床穩(wěn)定性的主要影響因素是大洪水和人類活動(dòng)。