长江中游藕池口水道河床演变及航道条件分析

1462No. 1 Serial No. 462长江中游藕池口水道河床演变及航道条件分析闫军1, 2，付中敏2，陈婧2，刘奇峰2，耿嘉良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. 长江航道规划设计研究院，湖北 武汉 430011）摘要：藕池口水道位于长江中游下荆江首端，河床演变十分复杂，揭示其演变机理并针对性地提出相应的治理措施十分必要。藕池口水道在下荆江具有一定的代表性。从实测资料出发，分析藕池口水道的河床演变特点，揭示其滩、槽演变 规律，并通过重点分析航道条件，提出治理措施，可为后续深入研究荆江河段河床演变、碍航特性及航道治理提供参考。关键字：长江中游；河床演变；航道条件；治理措施文章编号：1002-4972(2012)01-0099-06中图分类号：U 612.21文献标志码： ARiver-bed evolution and navigation condition of Ouchikou waterwayin the middleYangtze River1,22222YAN Jun , FU Zhong-min , CHEN Jing , LIU Qi-feng , GENG Jia-liang(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan 430072, China;2. Changjiang Waterway Planning and Research Institute, Wuhan 430011, China)Abstract: The upstream reach of the lower Jingjiang stretch of the middle Yangtze River (from Guchangdi to Beimenkou), alternatively the Ouchikou wterway is analyzed based on the field data. Because of the complicated fluvial process, it is necessary to reveal the process mechanisms and present regulation methods. Based on themeasured data, this paper analyses the characteristics of fluvial process and reveals the process mechanisms of bars and pools. Through the analysis of waterway condition, the regulation methods are suggested. The results may serve as a reference for future study of the Jingjiang stretch.Key words: middle reach of the Yangtze River; river bed evolution; navigation condition; regulation measure1概述藕池口水道位于长江中游下荆江首端，地处 湖北省石首市境内，上起古长堤，下止北门口， 全长约10 km，介于周天河段和碾子湾水道之间， 由上、下2个顺直段和1个弯道段组成，是长江中 游重点碍航水道之一（图1 ）。水道自古长堤以 下逐渐放宽，在其放宽段存在心滩。由于洲滩抗 冲性差，河道演变复杂，1999年以前，水道放宽 段只有藕池口心滩，将该段分为左右两汊，主流及主航道在两汊间交替，大部分年份主航道走左汊。2000年以后，放宽段由于泥沙淤积形成倒口窑 心滩，又将左汊分为左槽和右槽，左槽宽深，位置 较为稳定，右槽不稳定，摆动幅度较大。从多年来 航槽位置分析来看，枯水期主航道一般情况下走左 槽，部分年份临时改走右槽。当主流走左槽时，浅 区位于进口段，一般在古长堤至沙埠矶之间；当主 流走右槽时，进、出口的过渡段均存在浅区。浅区 在洪水期淤积，退水期冲刷。若退水期较长，浅收稿日期：2011-06-24作者简介：闫军（1980），男，博士研究生，工程师，主要从事航道整治科研与设计。区冲刷幅度大，则枯水期航道条件较好，若退水期较短，浅区冲刷不力，则枯水期航道条件较差。藕 池口水道处于长江中游宜昌城陵矶航段，现行的 维护尺度为2.9 m80 m750 m(水深航宽弯曲 半径)，保证率为95%。根据国务院批准的长江 干线航道总体规划纲要要求，2015年前重点实施 包含藕池口水道在内的航道整治工程，到2020年宜 昌城陵矶段最小水深要达到3.5 m1。右汊周而复始地经历着分流比增加深泓挫弯右摆下移流路弯曲增长淤积衰亡的演变周期； 而左汊则相对稳定，始终存在，并且作为主汊的 持续时间较长（图2）。0 m3 m0 m3 ma1978 b1991 -3 m0 m3 m5 m0 m3 mO N3 Nc 1995 E 2OOO 图2 藕池口水道近期演变图12河床演变分析22.1 历史演变藕池口水道河势2.3 近期演变1994年6月藕池口水道发生切滩撇弯之后，河 床演变较历史演变时期有较大的不同，本文将重 点针对切滩撇弯以来的河床演变进行分析。2.3.1 分流分沙比变化在1994 年6 月藕池口水道发生切滩撇弯后， 右汊曾短暂地作为主汊存在，分流比一度达到近90%，分沙比也远远大于左汊，此后，左汊迅速 成为主汊，枯水期分流比超过90%，并作为主汊 一直存在至今，而右汊则分流比不断减小，枯 水期断流流量不断增大，逐渐趋于衰亡。根据 19972001年的分流比变化情况，19982000年 连续3 个大水年，左汊迅速发展，右汊进一步衰 退，尤其是1997年11月1998年11月，在流量相 当的情况，右汊分流比由33.53%急剧减至9.05%， 至2001年初在枯水流量下右汊已基本断流。2.3.2 汊道的变化 藕池口水道汊道的变化主要反映在左、右汊的交替变化以及左汊内左、右槽的交替变化，自从有记载的1860年以来，藕池口水道的河势变化非常活跃，先后发生过古长堤（1887年）、 河口（ 1910 年）、碾子湾（ 1949 年）和沙滩子 （1972年）4处自然裁弯。而且每次自然裁弯后， 河道又朝蜿蜒的方向发展，并逐渐变得更加弯曲。2.2 河道演变特点 自20世纪60年代中期以来，藕池口水道演变主要表现为左右汊的周期性兴衰交替，伴随着左岸 的持续崩退以及藕池口心滩生成、淤长、向右并岸 的变化过程。演变周期为：左汊（19651976年）12年右汊（19771980年）4年左汊（19811984年）4年右汊（19841988年）4年左汊（19881994年）6年右汊（19941997年）3年左汊（1997至今）11年。目前该演变周期是历史 上主流在左汊时间较长的，且尚未完成。从上述演变过程可以看出本河段的演变特点 主要表现为左、右汊呈现不同的发展变化规律： 第 1 期 闫 军，等：长江中游藕池口水道河床演变及航道条件分析 1011999年以来，左汊内左、右槽的交替变化已逐渐演化成本段汊道变化的主要特征。 石首弯道切滩撇弯后，河道发生剧烈调整，河道长度减小，水流比降增大，上深槽迅速下 窜，切割藕池口心滩形成新右汊，并且右汊进口 段纵比降大于左汊纵比降（图3），右汊取代左汊 居于主汊地位（图4）。1995 1997 年，进口主流不断顶冲右岸边 滩，右汊弯顶挫弯大幅度右偏下移，右汊分流比 逐渐减小，至1998年汛后，主流摆回左汊。从图5、图6中可以看出， 1995，1996年右汊深泓沙埠 矶至熊家码头的过渡段开始逐年淤高，直接影响 到右汊的持续发展。至1998年11月右汊进口已淤 -3 m-3 N O N3 N0 m3 mc1994 10 E) 1995 J 图4 石首弯道切滩撇弯过程变化浅至航行基面上1.4 m，仅在出口段存在深潭。而2008年实测资料表明右汊进口已淤浅至航行基面 上2 m以上，出口段深潭逐渐淤平。353433323130292827262595.100.6101.6100.4220.3371.023 N0.921 97.1195.3000.5450.485240 1995-0220/km30101996-101997-031998-111999-112008-08a图5 藕池口水道右汊深泓近年平面变化353433323130292827262524-10-5 05101520250.314 0.232 0.843 0.3462.4 3.2/km0.3700.51597.700.81.64.0 4.8 5.6 6.4 7.2 8.00.196 0.2550.4590.30695.100.363 1.384 0.9450.891 0.733 0.3070.4900.8601998-111995-020.4000.941 96.100.448 0.6081.3600.320 1996-10 1999-100.77497.110.779 0.519 0.4230.261 2.2211997-032008-080.37898.1195.300.2970.88797.3001020/km30图6藕池口水道右汊深泓近年纵剖面变化从图7可见，在1999年10月右槽刚生成时，呈直线自沙埠矶对开河心向左岸向家台上900 m过渡 进入下深槽，此后逐年挫弯右摆下移，至2000年11月已右摆约600 m，同时左岸顶冲点下移至向家 台，到2002年倒口窑心滩并入藕池口心滩前，右 汊最大右摆幅度达1 300 m，而左岸顶冲点则变化 较小，此时右槽深泓线较1999年增长约1 200 m。2003年新的倒口窑心滩生成，新右槽的深泓线大 幅度上提，在1999年10月的老右槽之上，此后，右 槽再次逐年挫弯右摆下移，从典型横断面的变化也 可以看出，近期主流位于左槽内（图8），随着倒b 藕池口水道切滩撇弯后纵比降变化图3 -3 N -3 m O N 0 m3 N3 mB1993 5 b1993 9 /m/m/m1996 10 00.297 1.044 0.706 0.386 0.256 0.34797.70.481 0.267 0.3600.2890.8850.417 0.3620.772 0.3940.489 96.100.6761.0500.483 0.410 0.382 1.09398.112.9850.2740.84097.3口窑心滩的不断右移，右槽也随之不断右摆。65432007-10211999-102003-08 2000-11 2001-082002-09 2004-100142356789102005-102006-11/m图9 藕池口段左槽浅区水位-水深关系2003-082007-092008-09图7藕池口水道右槽深泓近年平面变化弯曲淤浅衰退消亡的周期性变化，其水深在不同的演变阶段差别较大。从图 10 中可以看 出，在20072008届枯水期，右槽中段浅区在退 水初期冲刷不明显，到退水中后期时，中段冲刷 幅度加大，最大幅度达6 m ，但下段同时发生淤 积，最大淤积幅度亦超过5 m，而右槽的进口浅区 整个退水过程中均没有发生明显的冲刷，其高程 始终在航行基面0 m左右，其演变主要受倒口窑心 滩变化的制约。-15-10-5 0510152007-092008-092009-01图8 藕池口水道典型横断面近期变化2.4 航道条件分析2.4.1 碍航浅区分析1997年9月17日，藕池口水道上段主航道由右 汊改为左汊，此后，航道一直位于左汊。倒口窑 心滩将左汊分为左槽和右槽。当主流走左槽时， 藕池口水道浅区位于左槽进口段，一般位于古长 堤至沙埠矶之间；当主流走右槽时，进、出口均 存在浅区，由于右槽的平面位置变动较大，浅区 位置不稳定，一般位于沙埠矶熊家码头之间。图9 为藕池口水道左槽浅区水位与水深关系 图。由图中可以看出，该浅区具有典型的“涨淤 落冲”的演变规律，且退水期浅滩水深有一个从 缓慢冲刷到明显冲刷的变化过程，临界冲刷水位 约为航行基准面以上3 m 左右，一般出现在10 月 底、11 月初左右。从图中2 个系列的对比可以看 出，虽然浅滩的年内演变规律一致，但在倒口窑 心滩的不同演变阶段，浅滩的水深明显不同， 2003年汛后倒口窑心滩滩体矮小而2007年汛后倒 口窑心滩高大完整，在枯水期相同水位情况下，2007年浅滩水深比2003年大1.8 m。 年际间，由于倒口窑心滩有着生成长大、下移并入藕池口心滩再生成的周期性变化， 右槽发生相应的变化，即生成发展，下挫右摆 88O1 82O1-1O-5O51O152O253O 2OOO-O 2OOO-O2OOO-1O 2OOO-112OO8-O1图10 藕池口水道右槽深泓纵剖面年内变化2.4.2 碍航特性 当倒口窑心滩与藕池口心滩相连时，水流在藕池口水道进口放宽段受沙滩束水作用比较集中， 基本不会形成两槽争流的局面，在此滩槽条件下， 该水道仅通过调标即可完成枯水期航道维护工作。 当该水道出现两槽争流的情况时，航道维护 工作比较困难。汛期藕池口水道的航道一般位于 左槽，退水初期和中期，由于两槽争流，深槽冲 刷发展速度较慢，容易出现航槽泥沙冲刷不及、 水位退落过快造成的航道水深不足的局面，此时 需根据深槽发展方向，选择合适的槽口，辅以清 障或疏浚手段进行维护，待时机成熟后，进行调 标改槽。在退水中后期仍要根据左、右两槽河床 冲刷变化情况，通过清障及疏浚加大航道维护力度，才能确保该水道枯水期航道畅通。/m/m/m/LNO.8 1.6 2.4 3.2 4.O 4.8 5.6 6.4 O.2 8.O88/m 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.21999-102003-08 2005-09200180 N200790 N2008-012008-062004-022007-112004-042003-122004-092007-092003-08 第 1 期 闫 军，等：长江中游藕池口水道河床演变及航道条件分析 103由于江中洲滩的周期性变化，藕池口水道的航道维护交替出现上述两种情况，航道条件相应 地时好时坏。2.4.3 演变趋势预测综合分析河道近期变化特点及本河段演变 特性，预测在自然条件下，受河道边界条件的限 制，藕池口水道的分汊格局不会改变，将继续维 持两汊并存、左汊为主的局面。近期来看，陀阳树边滩将持续冲刷下移，将 在古长堤至沙埠矶附近淤积成滩体，并不断下延 右移；倒口窑心滩滩头及左缘持续冲刷后退，滩 体下移、右偏，有与藕池口心滩并拢的趋势；藕 池口心滩头部及左缘不断冲刷后退，河道放宽， 水流分散，河道向宽浅方向发展。三峡水库蓄水以后，来水来沙条件改变， “清水下泄”导致坝下河道发生沿程冲刷，虽 然河势基本格局不会有大的变动，但必将加剧河 床的演变进程，使演变过程变得更加复杂，藕池 口航道存在不稳定性，变坏的可能性增大，可能 出现心滩（倒口窑心滩）和低矮边滩（陀阳树边 滩）发生冲刷，河床向宽浅方向发展，过渡段水 流进一步趋向扇形发散，航道条件出现不利变 化；或者出现江中滩体冲蚀（如藕池口心滩左缘 冲刷后退），放宽段出现多槽争流，各槽均不通 畅的不利局面。3 治理措施3.1 航槽选择 藕池口水道在古长堤以下为喇叭型放宽段，河段内藕池口心滩将水道分成左汊和右汊2 个汊 道，选择其中的左汊作为通航主汊道。首先，历 史上主汊在左、右汊道间曾频繁发生转换，但总 体看来，左汊作为主汊的时间较右汊作为主汊的 时间要长得多。其次，20世纪90年代中期左汊发 展成为主汊以来，其主汊地位保持至今，而右汊 在三峡水库蓄水运用后衰退明显，故从目前河势 及航道维护的角度来看，左汊作为通航主汊道也 比右汊要好。另外，左汊的航线距离要远比右汊 近，因此，从航槽布置合理性和经济角度考虑， 通航主汊道也应确定为左汊。从目前的两槽分流情况来看，左槽的分流远远高于右槽；从航道条件及航道维护的角度来看，目前左槽的航道条件要远远优于右槽；而从近5年来航道维护情况来看，航道布置也一直位于左槽。 综合考虑这些因素，选取左航槽为主航槽。3.2 治理思路没有稳定的洲滩及航道边界就没有稳定的 航槽，当前引起藕池口水道航道条件存在不稳定 性的主要原因是江中滩体尤其是藕池口心滩的冲 刷后退，航道边界稳定性差，导致该水道滩槽格 局出现连锁性反应。要想从根本上解决藕池口水 道的碍航问题，进一步提高航道尺度，必须通过 工程措施，稳定基本的河道格局，形成有利的滩 槽形态。即藕池口水道航道整治的总体目标为： 在已建工程的基础上，通过实施一定的工程措 施，形成并稳定良好的滩槽格局，消除航道向不 利方向转化的因素（避免因心滩滩体冲刷降低、 滩头后退造成的主流摆动频繁、多槽争流等不利 局面）；稳定航道边界，促进主航道的稳定和发 展；达到3.5 m150 m1 000 m的航道尺度，改 善船舶航行条件。目前由于三峡水库蓄水运用导致荆江河段河 势进一步调整，藕池口水道的河势也在不断的调 整过程中。并且由分析可知，藕池口水道洲滩演 变复杂，可动性强，洲滩演变受到多方面因素的 影响，特别是三峡水库蓄水运用后局部洲滩的调 整变化更为剧烈，因此，其航道整治工程方案不 宜一步到位。近期应该从稳定河道边界，使河道 河势不发生大的变化着手，即通过工程措施对河 道内关键部位进行控制，稳定基本的滩槽格局， 避免三峡水库正常蓄水运用后不利局面的出现， 维持目前较为有利的滩槽形态和较好的航道条 件。后期工程则可以根据三峡水库蓄水运用后的 实际影响及下阶段河势控制规划的确定，充分考 虑局部河势调整的变化趋势，选择有利于防洪和 航道的发展方向，适时采取后续工程，促使河道 及航道向有利的方向发展，从根本上解决本河段的航道问题，使之达到规划确定的尺度要求3。3.3 整治工程方案及效果4一期工程方案主要是通过守护天星洲洲尾、 陀阳树边滩、藕池口心滩左缘中段以及沙埠矶至 夹河口岸线，初步稳定水道左汊进口的滩槽格局和航道边界。一期工程推荐方案具体布置如下：在陀阳树边滩上布置四道护滩带；对对岸天星洲洲尾左缘下段进行守护；对藕池口心滩左缘中段 进行守护；稳定主航道右边界，阻止河道进一步 向宽浅方向发展；并为后期航道整治工程的实施 奠定基础；左岸沙埠矶至夹河口岸线实行护岸守 护，方案平面布置见图11。O N3 N#51# #O N3 N图12 一期工程实施后工程效果图河道向宽浅方向发展，航道条件出现不利变化趋 势，若不加以控制守护，进口放宽段将出现多槽 争流，各槽均不通畅的不利局面。结合藕池口水道的碍航特性，提出了航道总 体治理思路，但考虑到藕池口水道演变的复杂性 等因素，工程不宜一步到位，应分期实施。一期 工程重点以控制藕池口水道进口段航道边界为重 点，初步稳定水道左汊进口的滩槽格局，抑制航 道条件的不利趋势，维持和巩固现有较为有利的 滩槽格局，确保2.9 m航道安全畅通，并为后续工 程的逐步实施奠定基础。试验效果表明，工程实 施后可达到预期的目标。图11 一期工程推荐方案平面布置工程实施前，经过典型年（2002年）的水沙过程，由于陀阳树边滩的头部和滩面冲刷，以及 倒口窑心滩的冲刷，使得倒口窑心滩进口处，水 流从右岸向左岸的过渡段的水流分散程度增加， 从而使陀阳树边滩和倒口窑心滩之间的航槽（目 前的主航槽）略有淤积。航道条件变差，虽然 2.9 m线能够贯通但是航宽减小。工程实施后，由 于陀阳树边滩的冲刷后退得到控制，天星洲洲尾 也得到守护，倒口窑心滩进口处在中枯水条件下 的水流分散得到了限制。从而起到了束水冲槽的 作用。尽管工程实施后倒口窑心滩也有一定的冲 刷，但深槽在中枯水时也得到了较好的冲刷，因 此工程实施后航道条件明显优于工程实施前的航 道条件。工程实施后2.9 m线能够贯通，与工程实 施前相比航宽明显变宽，工程效果见图12。参考文献：交通运输部. 长江干线航道总体规划纲要R. 北京: 交通运输部, 2008.付中敏, 刘奇峰, 陈婧, 等. 长江中游藕池口水道航道整 治一期工程工程可行性研究报告R. 武汉: 长江航道 规划设计研究院, 2009.付中敏, 闫军, 刘奇峰, 等. 长江中游藕池口水道航道整 治一期工程初步设计报告R. 武汉: 长江航道规划设 计研究院, 2010.王家生, 姚仕明, 谷利华, 等. 长江中游藕池口水道航道 整治一期工程动床模型试验报告R. 武汉: 长江科学 院, 2009.（本文编辑 郭雪珍）1234结论通过实测资料分析，揭示了下荆江藕池口 水道的演变特点，重点分析了河道的主要演变过 程、汊道变化特点、航道条件以及碍航特性。分 析认为，尽管藕池口水道目前可以满足最小航道 维护尺度，但由于进口段河道放宽，水流分散，4#5J#53#54#