2.5 结语和建议

2.5.1 河床地貌划分方法研究进展

作者曾在《长江河道认识与实践》一书中对长江中下游河道演变与整治中的河床地貌进行了系统研究,包括河床地貌的分类、形成条件与过程、各种河床地貌的稳定性,不同河型的地貌结构、地貌形态转化与河型的关系,以及洪水河床、平滩(中水)河床和枯水河床整治中地貌的变化与调整等方面的问题进行了初步探讨。其中,就河床地貌特征的划分方法是凭作者对长江河道的认识,在实践经验的基础上提出的,即依据特征水位进一步确定其特征等高线对河床地貌进行划分。至于这一划分的合理性是需要通过实践检验的。本章对这一遗留问题进一步做了分析。通过对九江河段(上半段)、大通河段、芜裕河段、南京河段(七坝以下)和扬中河段在自然条件下统计的特征水位值和20世纪60年代中期的河道地形图进行分析,表明:

(1)根据特征水位选取河床地貌特征等高线能够很好地刻画各种河床地貌形态,并在河床演变分析中能清楚地表达各河床地貌的变化及其原因和影响。这一方法能用于长江下游九江河段直至大通河段的非感潮河段,还可向下游延用于芜裕河段、马鞍山河段等感潮河段。

(2)南京河段至扬中河段可直接采用特征等高线法,即与长江口河段采用相同等高线的方法对河床地貌进行划分。

因此,本章是对长江中下游河床地貌研究的一个补充和进展。遗憾的是,由于作者精力有限,长江中游河床地貌划分的检验工作没能完成,在这方面的继续研究是作者的一个期盼。

2.5.2 河床地貌研究方法在河床演变分析中的初步运用

作者运用河床地貌研究方法对上述五个河段自1986—2006年河床演变中的地貌变化进行了概要分析,综合出其演变有以下共同特性:

(1)枯水河槽或基本河槽在这段期间受到一定的冲刷。作者虽然没有对枯水河槽的宽度和容积作进一步的统计,但从深槽之间浅滩受到明显的冲刷可以定性地感受到这一变化特点。例如,九江河段二套口附近的浅滩受到冲刷而使-3m深槽贯通,南京河段九袱洲上、下两-15m深槽之间的浅滩也被冲刷而使深槽贯通。浅滩的冲刷,意味着枯水河槽和深槽也一定会有所冲刷。

(2)在诸汊道的演变中,较多支汊表现为冲刷发展。例如,九江河段的人民洲左汊、张家洲右汊内官洲右泓,大通河段和悦洲与铁板洲之间的小汊,南京河段潜洲右汊、八卦洲左汊口门段,扬中河段太平洲右汊进口段、落成洲右汊、天星洲左汊和录安洲右汊等,都有发展的态势;也有主汊内受到冲刷的情况,如九江河段张家洲右汊内和扬中河段落成洲左汊内因枯水河槽或基本河槽冲刷拓宽使上、下深槽呈交错状态,它们之间出现的沙埂对浅区通航不利,南京河段八卦洲右汊内燕子矶边滩也被完全冲刷。以上变化固然与河势变化有关,但也可能与这期间来水来沙条件的变化有一定的关联。资料表明,从20世纪80年代后期开始,长江中下游含沙量就有一定幅度的减小,加之2003年三峡水库蓄水后,长江中下游含沙量更加明显地减小,这有可能是枯水河槽和基本河槽受到冲刷和较多支汊受冲刷来自水沙方面的因素。

(3)芜裕河段上、下段两个汊道是否将分别沿袭原鲫鱼洲和原曹姑洲演变的规律而仍将保持原周期冲淤变化的特性值得研究。由于2006年以后中下游河道含沙量还将显著减小,上段小江心洲发育和左、右汊冲淤很有可能会改变其变化速率和变化特征,汊道段可能会维持比以前相对较宽的形态;下段曹姑洲以上小江心洲的淤积和新汊的冲刷位移以及其周期变化特性都有可能受到含沙量显著减小的影响。

2.5.3 采用河床地貌研究途径进行河床演变分析的建议

(1)确定特征水位和特征等高线。在邻近上述水文站或水位站的河段,可以直接引用表中的特征水位,其他河段的特征水位可以插补。据此,再按地形图确定其特征等高线。为以后经常分析之需,建议结合某专题研究,将中下游各河段代表各河床地貌的特征等高线通过分析固定下来。南京河段以下河道采用的特征等高线(0m、-5m和-15m)基本是既定的,只有平滩等高线有所不同,南京河段、扬中河段和长江口河段分别为4m、3m和2m。

(2)河漫滩与江心洲是河床地貌中最稳定的形态。这二者表达了河道的平面形态,它们总体上发生变化就意味着河势的变化,局部变化意味着局部河势不够稳定。河床演变分析中可用平均水位相应的特征等高线分析河漫滩和江心洲滩的变化(该等高线的存在就意味着滩面上存在河漫滩相泥沙的堆积),以评价河岸和洲滩以及河道平面形态的稳定性。河道两岸和江心洲的特征等高线基本无变化,表明河道的平面形态基本稳定。当弯道凹岸该特征等高线后退时则说明发生了崩岸,持续的崩岸表明河流对河岸的侧蚀,即河道的平面变形,其原因肯定是水流动力作用的横向移动,导致了河道的平面形态发生变化;如凹岸该特征等高线前移则说明原本处于水流冲刷的河岸整体发生了淤积,这只有在河势发生变化,至少局部河势有变化时(如撇弯)才有可能。当凸岸该特征等高线向前推移或后退,则表明河宽束窄或拓宽及其可能会产生的相关影响。江心洲也一样,在河势基本稳定下该特征等高线变化不大,而滩面会有极为缓慢的单向淤积抬高之势;特征等高线有较大后退时则说明江心洲受到冲刷而形态不稳定。以上二者特征等高线的变化都影响着河势的稳定,变化愈大,意味着河床冲淤对河势稳定的影响愈大。另外,当遇到河漫滩和江心洲的滩面受到水流冲刷切割形成冲沟、倒套并发展的特殊情况时,河道平面形态将产生大的变化甚至可能发生质的变化(如下荆江的自然裁弯、镇扬河段20世纪70年代中期和畅洲左汊凸岸鹅头切滩裁直等)。因此,不可忽视滩面地形这一特殊的局部变化。补充说明一点,在河道分析中,平均水位与平滩水位之间任一等高线也都可表示河岸和江心洲的形态,但不宜用比平均水位更低的等高线,更不宜用枯水期施测的水边线表示。总之,岸线和平面形态的变化表征着河势的稳定情况,是河床演变分析中首先要阐述的问题。

(3)边滩和心滩也属于成型淤积体,它位于河漫滩相与枯水河槽之间,其冲淤变化有可能表达枯水河槽的冲淤变化对它的连带影响,也有可能直接表达中、洪水来水来沙条件的变化对它产生的冲淤变形。用枯水河槽特征等高线或稍高一点的等高线可表示河岸和江心洲向枯水河槽伸展的边滩,当其自身封闭且圈内无平均水位特征等高线时则为心滩。在平面上分析其形态上的冲淤变化,可以了解这一堆积地貌的稳定性和是否有向冲刷或淤积转化的趋势。在河势较为稳定情况下,水流动力轴线也较稳定,边滩和心滩特征等高线一般变化不大,滩面可能会有缓慢地持续淤积;如该特征等高线表明边滩或心滩年际间受到明显的单向冲刷或淤积时,即堆积地貌转为明显的冲刷或较大幅度的淤积时则表明河势发生了一定的变化,如边滩受到水流切割形成心滩则表明河势将发生较大的变化。这都要通过边滩和心滩的变化,进一步分析对河道平面形态的演变趋势。

(4)枯水河槽与深槽的变化。枯水河槽是承受洪水、中水、枯水期全部来水来沙作用时都可能发生冲淤变化的河床部分,也是水流动量最集中和输沙率最大的部位。在河道演变分析中对于枯水河槽首先要分析其平面的变形及枯水河槽河宽的变化,对枯水河槽处于的冲淤发展状态有一个基本评估。在相对平衡的情况下,枯水河槽年内、年际冲淤交替也将保持一个相对平衡的态势。当年际间枯水河槽整体呈现不断拓宽并有趋直走向时,就有可能影响河道平面形态的变化:如其局部有向岸坡坡脚摆动时,就需采取防护和加固措施,确保岸坡的稳定和有关涉水工程的安全;如枯水河槽向相反的方向即凸岸边滩一侧拓宽摆动时则说明局部河势开始有变化。当枯水河槽年际间呈现不断淤积变窄的趋势,就必须从各方面分析淤积的原因及对河势的影响。分析深槽的变化,可按前面阐述的,在单一段和分汊段的主汊内取低于平均枯水位10m、分汊段支汊以低于平均枯水位5m的等高线,作为深槽的特征等高线较为合适。根据深槽的冲淤变化,可以分析年际和年内水流的顶冲作用是否下移或上提,是否近岸或离岸,以及其走向的变化。局部深槽的变化可以更集中反映弯顶以下深槽年内和年际的冲淤变化和水流对护岸险工、水工建筑物局部冲淤的影响。对于深泓线的变化,要分析它在平面上摆动的幅度。目前,河床演变分析中用深泓线来表达水流动力轴线与河岸的相互关系,以及年际间主流的摆动,这是一种简便常用的分析方法。但在河势变化情况下还要结合河床冲淤变化分析其平面摆动的意义。综合以上枯水河槽、深槽、深泓线等三方面的分析,再根据以上对岸滩变化所做的分析,可以评价水流动力与河道形态的相互关系和河势的稳定性。

(5)河道纵剖面的变化。在来水来沙条件改变的情况下有必要对平滩河槽、中水河槽和枯水河槽平均河底高程的纵剖面变化进行较长距离的分析;在实施河道整治工程时有必要对中水河槽和枯水河槽平均河底高程的纵剖面,在实施航道整治工程时有必要对枯水河槽平均河底高程纵剖面和深泓纵剖面,进行工程影响河段河道纵剖面的年际和年内变化分析。对一般的局部岸段岸线利用问题(如码头港区、取排水工程、穿越工程等),不必进行河道纵剖面变化分析。在绘制河道纵剖面图时,要注意到河道实际长度的变化,而不是两固定断面连线的长度,更不能仅仅以固定断面平均河底高程和最深点高程的连线就作为纵剖面。就是说,深泓纵剖面既要表现高程的变化又要反映长度的变化。在不需要做长河段的深泓纵剖面变化分析时,如有必要,可根据不同地貌的冲淤变化特性和工程实际要求,绘制局部的深泓纵剖面图,如弯道和护岸险工段、航道整治中的浅滩段、分汊河段分流区至主、支汊口门段等。在现有的一般河床演变泛泛分析的深泓纵剖面变化没有实际意义。更不要将河道的纵剖面说成是“锯齿形”。

(6)河道横断面变化。河道演变分析中可绘制必要的有代表性的断面图,如在分汊河段的节点段、汊道分流段、汇流段,主、支汊内和单一河段的不同地貌特征段,崩岸与护岸险工段,冲淤变化较大部位,以及拟建和已建专项工程等处的断面,结合上述平面变化进一步分析河床地貌的冲淤变化。

(7)河床冲淤的计算分析。计算平滩河槽形态特征变化是必要的,可以分析整个河段河床冲淤量和冲淤强度以及形态变化。关于河相关系img值在单一河段中可按其平面形态的变化分2~5段统计,如在分汊河段中可分为节点束窄段、进口展宽段、主汊与支汊、汇流段(也可能就是下一河段的节点束窄段),在单一顺直段可按宽、窄段或上、下两段进行统计,分别计算各段的平均河宽B、平均断面面积A,平均水深H=A/B和平均宽深比img。但不必计算许多代表性不强的断面img值,混淆的分析反而不能说明什么问题。

计算平均枯水位至平均水位之间河床冲淤量值,可以定量分析河床演变中在洪、中水期来水来沙作用下,边滩与心滩等河床相堆积地貌产生的冲淤变化量。

计算枯水河槽的面积和容积,以分析枯水河槽的冲淤量和平均冲淤厚度以及冲淤变化特性,这对深入了解来水来沙条件变化对枯水河槽产生的影响和评价河道、航道整治工程实施的效果十分必要。

(8)在专题研究和河道整治、航道整治中,有必要对枯水河槽中的地貌变化进行深入研究。枯水河槽内深槽、浅滩、潜边滩、潜心滩、沙埂、沙嘴和洲头滩都是平均枯水位以下属于同一范畴的地貌。其中深槽与浅滩是核心,要分析它们在纵剖面上的起伏和平面形态的变化;它们在动力轴线必经之处,是年际、年内冲淤变化最敏感且冲淤幅度最大的部位。浅滩(无论是正常浅滩还是深槽交错的浅滩)的特征等高线可在深槽等高线和平均枯水位之间根据需要(如通航水深)选取,由于浅滩地形为马鞍形,所以浅滩特征等高线在平面图上不闭合,浅滩的纵剖面则呈隆起状态。周围的潜边滩、潜心滩、沙埂、沙嘴、洲头低滩都是深槽与浅滩的直接边界,它们之间存在相互依存、相互影响的密切关系;它们上层的地貌都是堆积地貌,也都是其宏观的边界条件。支汊口门处与洲头低滩之间为冲淤关系十分密切的浅滩,随着分流比的减小而淤积,当滩脊高程达到平均枯水位以上支汊枯水期断流时,称为拦门沙浅滩;当其高程达平均水位以上时称为拦门沙,意味着河床已具备悬移质细颗粒泥沙淤积的条件,该江心洲将逐步完成其并岸(或并洲)过程。

(9)在以上分析基础上概括河床演变特点与趋势,包括河床地貌冲淤特性、变化的规律性、河床演变存在的主要问题和河床演变趋势,最后对研究的河段作河势稳定性评价。长江上游山区性河段的河势一般都处于稳定或基本稳定状态,长江中下游河道河势评价,建议分为河势基本稳定、总体河势相对稳定、河势稳定性较差和河势尚不稳定等4种情况。