馬月華，吳 艷，渠 庚，陳羿名，方娟娟，尹大聰

（1.揚(yáng)州市城市河道管理處，江蘇 揚(yáng)州 225899；2.長江水利委員會長江科學(xué)院，武漢430010；3.長江水利委員會河湖保護(hù)與建安中心，武漢 430010）

1 引言

2020年，受厄爾尼諾現(xiàn)象等不利氣候因子影響，長江流域入梅早，降雨持續(xù)時(shí)間長、強(qiáng)度大、雨區(qū)重疊[1-2]，長江下游發(fā)生了自新中國成立以來僅次于1954年和1998年大洪水，引起國內(nèi)外普遍關(guān)注[3-7]。鎮(zhèn)揚(yáng)河段上承接長江中上游大面積來水，下受東海大潮的頂托，承受著巨大的防洪壓力[8]。在此次大洪水中，泗源溝閘、瓜洲閘最高潮位分別達(dá)7.58 m、6.92 m，超歷史最高潮位0.32 m、0.03 m，其余測站均低于歷史最高潮位[9]。2020年安徽銅陵大通站年徑流量為11 180億m3，汛期徑流量7 777億m3；1998年大通站年徑流量為12 440億m3，汛期徑流量8 814億m3，均大于2020年，且自2003年三峽水庫興建以來，常年向中下游下泄不飽和水流，各個(gè)河段均發(fā)生了不同程度的沖刷[10]，其中長江下游世業(yè)洲汊道2020年相較1998年河道沖刷量為1.17億m3，鎮(zhèn)揚(yáng)河段平均過流面積增加了約7%。在徑流量小而過流面積大于1998年的條件下，2020年泗源溝閘、瓜洲閘兩站的最高水位分別相較1998年最高水位反而高出0.37 m、0.24 m[11]，這一反常的水位異變過程及其出現(xiàn)原因非常值得深入研究。

2 研究河段水位異變過程

2.1 河段概況

鎮(zhèn)揚(yáng)河段世業(yè)洲汊道自泗源溝至瓜洲（見圖1），長約24.7 km，分左右兩汊。右汊是主汊，長約15.8 km，是曲率比較適度的彎曲河道，平均河寬1 450 m；左汊為支汊，長約13.5 km，呈順直型，汊內(nèi)有鷹膀子洲和新冒洲交錯(cuò)依附于兩岸，平均河寬約880 m。

圖1 研究河段示意圖

2.2 水位異變過程

2020年汛期，世業(yè)洲汊道水位不斷刷新歷史記錄。受長江上中游持續(xù)來水影響，長江干流大通來水量上漲迅猛，7月1日超過50 000 m3/s，7月6日達(dá)到60 000 m3/s，7月9日突破70 000 m3/s，7月11日突破80 000 m3/s，于7月13日達(dá)最大流量83 400 m3/s，其中維持70 000 m3/s以上大流量共27 d，維持80 000 m3/s大流量以上4 d。期間適逢天文大潮，泗源溝閘、瓜洲閘、三江營最高潮位全面上漲，7月21日泗源溝閘、瓜洲閘最高潮位分別達(dá)7.58 m、6.92 m，超歷史最高潮位0.32 m、0.03 m；三江營最高潮位6.01 m，比歷史最高潮位低0.26 m。圖2為2020年5—9月大通站的流量過程與泗源溝閘、瓜州閘、三江營站（以下簡稱“泗瓜三”）三站的水位過程?？梢钥闯?月10日前，流量小于36 800 m3/s，“泗瓜三”三站的水位差距不大，泗源溝閘與三江營站的最大水位差不超過0.5 m；6月10日后，隨著流量的增大，“泗瓜三”三站的水位差隨之增大，且水位差與流量呈正相關(guān)，尤其是6月30日后，流量超過47 900 m3/s，“泗瓜三”三站出現(xiàn)了很大的水位差，最大超過2 m。表明世業(yè)洲汊道內(nèi)可能隨著流量增加，水位出現(xiàn)了不同程度的壅高。

圖2 2020年汛期大通站流量與“泗瓜三”三站水位變化

圖3給出了1998年和2020年汛期大通站的流量過程與泗源溝閘和瓜洲閘的水位過程。圖4則為同流量下2020年相較1998年泗源溝閘與瓜州閘的水位差值。結(jié)合圖3、圖4可以看出泗源溝閘和瓜州閘分別在流量小于57 100 m3/s、59 700 m3/s時(shí)，2020年同流量下水位略低于1998年；兩站流量分別大于57 100m3/s、59 700 m3/s時(shí)，2020年同流量下水位超過1998年。當(dāng)流量大于50 000 m3/s時(shí)，兩站2020年與1998年水位差值開始增加，且隨著流量增大，水位差的增速也隨之增大。

圖3 泗源溝閘、瓜州閘流量-水位關(guān)系

圖4 同流量下2020年相較1998年水位差值

3 水位異變過程原因分析

河道水位特征的影響因素主要包括水文氣象條件、河流自身演變情況與人類活動影響等，以下從水文條件、河道演變、涉河工程3個(gè)方面系統(tǒng)地分析鎮(zhèn)揚(yáng)河段世業(yè)洲汊道水位異變的原因。

3.1 水文條件對水位異變的影響

世業(yè)洲汊道是典型的感潮型河道，水位的變化受徑流和潮汐的雙重影響[12-13]。圖5為2020年和1998年大通站逐日流量過程，雖然2020年汛期徑流量小于1998年，但2020年洪水更集中，最大洪峰流量達(dá)83 400 m3/s，7月12日至7月14日流量均超1998年的洪峰流量。為了提升沿江城市的水安全保障能力，1998年至今興建了大量排澇站，排澇能力大大提升，根據(jù)《揚(yáng)州市城市防洪規(guī)劃（2021—2035年）》，僅揚(yáng)州市2015—2022年間就新（擴(kuò)）建了排澇泵站59座，排澇流量提高313.6 m3/s。2020年汛期洪峰流量大以及沿江城市排澇能力的提升是導(dǎo)致2020年汛期間世業(yè)洲汊道水位超歷史最高的原因之一。

圖5 1998年、2020年大通站逐日流量過程

潮差是反映潮汐強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一，圖6為1998年、2020年泗源溝閘、瓜州閘潮差過程，1998年泗源溝閘的潮差在0.13～1.12 m之間，平均潮差0.569 m，瓜州閘潮差在0.18～1.4 m之間，平均潮差0.683 m，6月28日至7月14日（流量大于70 000 m3/s）泗源溝閘的潮差在0.13～0.76 m之間，平均潮差為0.492 m，瓜州閘潮差在0.18～0.92 m之間，平均潮差為0.592 m。2020年汛期泗源溝閘的潮差在0.29～1.77 m，平均潮差0.814 m，相比1998年大0.245 m，瓜州閘潮差在0.34～2.01 m之間，平均潮差0.980 m，相比1998年大0.297 m；7月9日至8月4日（流量大于70 000 m3/s）泗源溝閘的潮差在0.37～0.82 m之間，平均潮差為0.564 m，相比1998年大0.072 m，瓜州閘潮差在0.35～1.06 m之間，平均潮差為0.667 m，相比1998年大0.075 m。表明2020年世業(yè)洲汊道整體受潮汐作用的影響大于1998年，強(qiáng)潮流的頂托作用是此次洪水中世業(yè)洲汊道水位異常增高的原因之一。

圖6 1998年、2020年汛期世業(yè)洲汊道潮差

為了研究不同洪水流量下潮流汐對于最高潮位的影響，近似將潮波振幅的大小看作潮汐對最高潮位的抬高值。將2020年的潮波振幅與1998年作差，近似地估算潮汐作用造成的此次汛期水位壅高的大?。ㄒ妶D7）。整體看，2020年潮波振幅大于1998年，瓜州閘受潮汐的影響更大，兩站均表現(xiàn)為隨著流量增大，水位變化受潮流的影響逐漸減弱，在30 000 m3/s流量下潮波振幅差值達(dá)到最大，在60 000 m3/s流量下潮波振幅差值達(dá)到最小。如果將潮波振幅差值近似看作潮流作用下2020年相對于1998年最高潮位的抬高值，其中泗源溝閘在流量小于42 000 m3/s時(shí)，最高潮位抬高較大，平均在0.23 m左右，流量在42 000～56 000 m3/s之間時(shí)最高潮位抬高值隨流量的增大而迅速減小，流量大于52 000 m3/s時(shí)平均最高潮位抬高值小于0.1 m，當(dāng)流量大于56 000 m3/s后，平均最高潮位抬高值變化不大，在0.031 m左右；瓜州閘在流量小于56 000 m3/s時(shí)，最高潮位抬高值隨流量的增大而減小，流量大于38 000 m3/s后，平均最高潮位抬高值開始小于0.2 m，流量大于46 000 m3/s時(shí)平均最高潮位抬高值開始小于0.1 m，流量大于52 000 m3/s后平均最高潮位抬高值變化不大，在0.037 m左右。

圖7 2020年相較1998年潮波振幅差值-流量關(guān)系

3.2 河流演變對水位異變的影響

由于氣候變化和人類活動的影響，1998年—2020年世業(yè)洲汊道的河勢發(fā)生了較大的變化[14-15]。從圖8可以看出，1998—2019年河勢發(fā)生了較大的變化，世業(yè)洲汊道進(jìn)口和出口等高線變化不大，左汊0 m等高線以沖刷崩退為主，最大崩退340 m，河寬增大，沖刷最強(qiáng)烈斷面河寬展寬約500 m；右汊右岸0 m岸線變化不大，左岸世業(yè)洲右緣淤漲，0 m岸線大幅度向河道中心擺動，最大移動距離達(dá)690 m，河寬以束窄為主，最大束窄710 m。深泓線變化表現(xiàn)為左汊向河道中心擺動，右汊向右岸擺動，最大擺幅分別為260 m和880 m。

圖8 1998—2019年世業(yè)洲汊道河勢演變

在世業(yè)洲汊道進(jìn)口（泗源溝閘）、出口（瓜州閘）、左右汊選取4個(gè)典型斷面，分析1998—2019年河道沖淤變化情況（見圖9）。世業(yè)洲汊道進(jìn)口斷面-10 m以下出現(xiàn)較大的沖刷下切，左岸-10 m以上出現(xiàn)了較大的淤積；CS2斷面-5 m以下沖刷劇烈，河槽形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，1998年的“V型”河槽在沖刷作用下演變?yōu)?006年的“U型”河槽，并在2006—2019年深槽不斷沖刷下切；CS3斷面1998—2006年深槽淤積抬高，2006—2019年深槽變化不大，2020年相對1998年深泓點(diǎn)抬高約3.5 m；CS4斷面河槽整體形態(tài)變化不大，-5 m以下河槽以沖刷為主，左岸-5 m以上河槽以淤積為主。

圖9 典型斷面演變過程

為了更直觀地研究世業(yè)洲汊道河槽的沖淤變化，將河道以5 m為間隔按高程區(qū)間劃分，計(jì)算各個(gè)高程區(qū)間的沖淤量（見圖10）?？梢钥闯龊佣握w沖淤特性表現(xiàn)為沖槽淤灘，-2 m以下的河槽表現(xiàn)為沖刷，且沖刷量隨著深度的增加而增大，-2 m以上的河槽出現(xiàn)了淤積，且在5～10 m的高程區(qū)間淤積量最大。這樣的沖槽淤灘的沖淤特性導(dǎo)致河槽形態(tài)朝著窄深方向發(fā)展，從而使水位隨流量變化的速率加大。

圖10 世業(yè)洲汊道各高程區(qū)間沖淤量（淤積為正，沖刷為負(fù)）

將河道概化成高程方向上多梯形明渠的組合體，估算各流量下河槽沖淤演變造成的水位變化，結(jié)果如圖11所示，由于鎮(zhèn)揚(yáng)河段1998—2019年以沖刷為主，河道演變特性導(dǎo)致同流量下2020年水位相比1998年有所降低，且水位降低幅度隨流量增大而減小，多年平均流量（28 500 m3/s）下水位降低0.362 m，平灘流量（48 000 m3/s）下水位降低0.206 m，防洪設(shè)計(jì)流量（85 400 m3/s）下水位降低0.072 m。

圖 11 河道演變造成水位變化

3.3 工程對水位異變的影響

3.3.1 航道及河道整治工程對水位的影響

世業(yè)洲汊道地處長江下游，航運(yùn)發(fā)達(dá)，2016年為了改善航道條件，穩(wěn)定汊道分流比，在世業(yè)洲洲頭開展了一系列航道整治工程[16-17]，主要包括一道潛堤和7道丁壩，潛堤全長1 175 m，頂部高程-8.5 m，丁壩長度在191～625 m之間，頂部高程-10～-8 m之間，工程規(guī)模較大；河道整治工程主要為在世業(yè)洲左汊下段新建潛壩工程一座，壩頂高程為-10 m，壩長為959 m。航道及河道整治工程建成后，對局部的水流特征與河勢造成了較大的影響，并造成一定范圍的水位壅高。余廣年等[18]通過理論分析結(jié)合水槽實(shí)驗(yàn)總結(jié)了潛壩壅水計(jì)算式

式中：Δh為壅水高度，v0平均流速，g為重力加速度，為天然河流有效阻水面積修正系數(shù)，ΔA為阻水面積，A1為壩上游過水面積。

根據(jù)式（1）計(jì)算世業(yè)洲洲頭航道及河道整治工程對附近水域造成的水位壅高大小，結(jié)果見圖12，航道整治工程造成的水位壅高隨流量的增大而增加，流量大于50 000 m3/s后，壅水高度隨流量增加的增速放緩，在78 000 m3/s流量下，達(dá)到最大壅水高度0.12 m；流量大于78 000 m3/s后，壅水高度隨流量增大而略有減小。

圖12 航道整治工程壅水高度與流量關(guān)系曲線

3.3.2 涉河工程對水位的影響

為了沿江地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，1998年至今，沿江興建了眾多碼頭與船廠。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該河段內(nèi)有環(huán)球造船碼頭、句容電廠碼頭、鎮(zhèn)江中船碼頭等25個(gè)以上碼頭，主要分布在右岸；有沙河船廠、鎮(zhèn)江市長航造船廠、鎮(zhèn)江船業(yè)等20個(gè)以上船廠，主要分布在左岸。世業(yè)洲汊道的岸線開發(fā)利用率非常高，各類碼頭占用岸線累計(jì)長度達(dá)27 km，各類船廠占用岸線累計(jì)長度達(dá)9 km，各類取、排水口占用岸線累計(jì)長度達(dá)4 km。2020年世業(yè)洲汊道各類涉河工程總計(jì)占用岸線長度已達(dá)總岸線長度的80%，屬于高度開發(fā)的河段，而1998年岸線占用率還不到30%。

一般來說，單個(gè)涉河工程對河流的影響范圍有限，一般影響范圍在250～1 100 m，造成的局部水位壅高在0.01～0.03 m。但由于世業(yè)洲汊道岸線涉河工程分布密度非常高，各類涉河工程的阻水影響疊加會造成河段內(nèi)水位整體的壅高。

為了詳細(xì)研究世業(yè)洲汊道涉河工程群對水位的影響，長江科學(xué)院進(jìn)行了河工模型實(shí)驗(yàn)[19-20]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，平灘流量、多年平均洪峰流量、防洪設(shè)計(jì)流量條件下，涉河工程群導(dǎo)致世業(yè)洲汊道水位最大壅高值分別為0.11 m、0.13 m和0.17 m。

4 水位異變綜合分析

根據(jù)上述分析，影響鎮(zhèn)揚(yáng)河段水位變化的因素主要有潮汐頂托作用、河道沖淤演變、河道內(nèi)涉河工程的興建等3個(gè)方面。其中，由于2020年汛期恰逢天文大潮，強(qiáng)潮汐的頂托作用導(dǎo)致水位上升，且上升幅度隨流量的增大而減?。?998—2020年河道以沖刷為主，河道的沖淤演變導(dǎo)致水位下降，且下降幅度隨流量增大而減??；航道及河道整治工程與高密度分布的涉河工程群的阻水作用導(dǎo)致河段內(nèi)水位壅高，且壅高幅度隨流量增大而增大。在三種因素的綜合影響下，導(dǎo)致流量小于58 000 m3/s時(shí)，世業(yè)洲汊道2020年水位低于1998年；流量大于58 000 m3/s時(shí)，世業(yè)洲汊道2020年水位反超1998年，這與圖4中水位差值曲線基本吻合。

2020年汛期長江下游鎮(zhèn)揚(yáng)河段世業(yè)洲汊道的泗源溝閘和瓜州閘水位站超歷史最高水位，長江下游其余測站均低于歷史最高水位，導(dǎo)致世業(yè)洲汊道水位異常增高的原因有強(qiáng)徑流和強(qiáng)潮流的擠壓作用、大型航道及河道整治工程與沿江涉河工程的阻水作用。其中，大型航道及河道整治工程和沿江高密度分布的涉河工程群導(dǎo)致的水位壅高，是此次汛期泗源溝閘和瓜州閘水位站超歷史最高水位的主要原因。

5 結(jié)論

2020年汛期，長江下游鎮(zhèn)揚(yáng)河段世業(yè)洲汊道水位出現(xiàn)超歷史最高水位。針對這一河段的水位異變過程，從水文條件、河道演變與涉河工程三個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的原因分析，主要結(jié)論如下。

（1）雖然1998年的汛期徑流量大于2020年，但2020年洪水過程表現(xiàn)為短時(shí)間內(nèi)暴漲，大通站洪峰流量超過1998年，再加上1998年以來沿江城市排澇能力大大提升導(dǎo)致2020年汛期世業(yè)洲汊道的流量超過了1998年。2020年汛期恰逢天文大潮，水流受強(qiáng)徑流與強(qiáng)潮流的擠壓作用，是導(dǎo)致世業(yè)洲水位異常增高的原因之一。潮流對水位造成的壅高作用隨著流量增大而減小，根據(jù)潮波振幅的變化情況，流量小于50 000 m3/s左右時(shí)，2020年潮流對水位的抬高幅度較大（超過0.1 m）。

（2）1998—2019年世業(yè)洲汊道以沖刷為主，且表現(xiàn)為深槽沖刷，岸坡淤積。沖槽淤灘的河道演變特性導(dǎo)致同流量下2020年的水位相對于1998年有所下降，且水位下降的幅度隨流量的增大而減小。

（3）世業(yè)洲洲頭2016年興建的大型航道及河道整治工程對附近流場造成了較大的影響，利用潛壩壅水計(jì)算公式，計(jì)算出航道及河道整治工程對水位的影響，78 000 m3/s的流量條件下，航道及河道整治工程造成的水位壅高幅度最大，局部水位最大壅高約0.12 m。

（4）沿江碼頭、船廠等涉河工程的高密度分布也導(dǎo)致了世業(yè)洲汊道水位壅高，世業(yè)洲汊道的岸線利用率目前已達(dá)80%。防洪設(shè)計(jì)流量下，涉河工程群的疊加效應(yīng)導(dǎo)致世業(yè)洲汊道水位最大壅高0.17 m。

綜上所述，河道的沖淤演變導(dǎo)致河道水位的降低，潮汐頂托作用、航道及河道整治工程、涉河工程阻水作用導(dǎo)致世業(yè)洲汊道的水位壅高，4種因素的共同影響下，導(dǎo)致了2020年汛期世業(yè)洲汊道出現(xiàn)水位異變。大型的航道及河道整治工程與沿江高密度分布的涉河工程群是導(dǎo)致世業(yè)洲汊道2020年汛期超歷史最高水位的主要原因。