叶志伟

(长江航道局，武汉 430010)

长江中游天兴洲河段位于武汉主城区，左临江岸区、右靠青山区，上起余家头、下迄罗家咀，全长约14 km。河段为微弯分汊河型，两头窄中间宽，天兴洲将河道分为左右两汊[1]：左汊为沙口水道，已淤浅多年；右汊为青山夹水道，自1958年开辟为主航道以来一直为主航道所在。本河段左岸存在汉江入汇，在汉江发生秋汛时，两江交汇口出现超常淤积，影响汊道进口的航道条件好坏[2-3]。随着武汉市主城区河段综合治理的加快，河势控制工程逐渐完善，贴靠主流的岸线以及天兴洲洲头均已实施守护工程。目前本河段的河势已基本稳定，右汊为绝对主汊，为航道所在。长江主流过长江大桥后沿右岸武昌深槽下行，至徐家棚附近平顺进入天兴洲右汊，在水口附近左右汊汇流后沿左岸出本河段。该水道示意图见图1。

图1 长江中游天兴洲河段河势图Fig.1 Sketch of Tianxingzhou reach at the midstream of the Yangtze River

1 河道及航道概况

天兴洲右汊进口多年来一直存在口门浅区，影响航道条件的稳定。目前该河段所在的武汉至安庆河段枯水期航道维护水深为4.5 m，在“十三五”期武汉至安庆段航道水深得到6.0 m。

2 河床演变分析

20世纪70年代以来，随着近代以来护岸工程强度的加大，该河段顺直微弯分汊的河道形态在节点以及护岸工程的约束下，一直保持稳定[4]。河道中洲滩数量、位置等也基本保持了稳定，新一轮的主泓调整在1970年以后逐渐进入稳定期，汊道格局至今未发生变化，但局部冲淤调整依然存在，天兴洲洲头及洲头低滩的变化成为了天兴洲河段近期演变的主要特点。

2.1 汊道演变

图2 天兴洲汊道分流比与汉口站流量关系Fig.2 Relation between the branching ratio of branch channel of Tianxingzhou reach and the flow rate of Hankou station

20世纪60年代末，左右汊河床深泓高程相近，右汊汛期的分流比超过50%、分沙比大于45%，枯水期分流分沙比则大于65%，右汊基本占据了主汊地位。20世纪70年代末，汛期右汊分流分沙比在60%左右；而枯水期右汊分流分沙比已达到85%。根据1998～2012年天兴洲汊道分流分沙观测资料，当断面总流量小于40 000 m3/s时，右汊分沙比略大于分流比，其分流分沙比一般在65%以上；当断面总流量大于40 000 m3/s时，右汊分沙比则略小于分流比，其分流分沙比一般在65%以下。天兴洲汊道左汊分流比随流量增大而增大的现象，是与该河段平面形态特点相对应的[5]。天兴洲上游河道顺直，天兴洲处于长江东北流向折往东南流向的转折位置，左汊与上游平顺衔接，汛期流量增大，水流动力轴线左移，使得左汊处于迎流状态，不仅分流比增大，而且水流挟带更多的泥沙进入左汊；枯水期流量减小，主流南移归槽，水流动力轴线右移，左汊分流比减小，分沙比略小于分流比。三峡水库蓄水后，水库调蓄作用使径流过程发生变化，洪峰出现频率和洪峰量值均减小，这种变化减小了左汊过流几率，不利于左汊过流能力的维持。从近些年来天兴洲汊道分流比观测资料来看(图1)，2008年后天兴洲左汊分流比已明显减小，中枯水流量下分流比减小值约为5%(图2)。

图3 天兴洲河段深泓线变化(2004～2014)Fig.3 Thalweg change of Tianxingzhou reach(2004～2014)

2.2 洲体及滩槽变化

2.2.1 汉口边滩变化

天兴洲河段上游的武昌深槽深泓常年保持稳定(图3)，天兴洲右汊进口区域深泓受天兴洲洲头低滩年际、年内冲淤调整而频繁左右摆动或上提下移，天兴洲右汊进口碍航浅区正是位于该位置。

套绘历年汉口边滩2 m等深线(图4)可以看出，汉口边滩不同年代之间的变化主要表现为滩宽的缩涨变化，以及主滩体的上下移动。汉口边滩在汉江入汇口武汉关附近生成后，在长顺直河道水沙条件的作用下，逐年平行下移，形态也发生改变，当滩体移至长江二桥以下时，汉口边滩与天兴洲洲头低滩连为一体，随后，随着天兴洲洲头低滩的逐渐冲失，新一轮的汉口边滩滩体在武汉关附近再次形成。

图4 汉口边滩2 m等深线变化Fig.4 Change of 2 m isobath of Hankou beach

2.2.2 天兴洲洲体变化

自20世纪70年代天兴洲汊道完成主支汊转换以来，天兴洲洲头、洲尾均呈下移趋势，洲头下移幅度更大，洲体中部呈左移趋势，即左缘淤长，右缘崩退；天兴洲洲头和洲尾的年内变化，一般汛期洲头冲刷洲尾淤积，枯季洲头淤积洲尾冲刷。从20世纪80年代以来天兴洲高滩的变化来看，至20世纪80年代末期，天兴洲洲体的横向移动已逐渐减小，而洲头持续崩退，特别是20世纪90年代连续遭遇1996、1998、1999年大洪水以后，天兴洲洲头崩退速度有所加快。至2003年12月，洲头右缘崩岸部位已到达正在建设的天心洲大桥桥址上游约180 m处。天兴洲洲头守护工程于2004年实施后，天兴洲洲头及其右缘岸线保持了稳定，崩退现象得到遏制[6]。

图5 天兴洲洲头10.0 m等深线变化(85高程)Fig.5 Change of 10 m isobath about head of Tianxingzhou (85 elevation)

2.2.3 天兴洲洲头低滩变化

天兴洲洲头低滩的形成，与天兴洲洲头高滩的大幅后退息息相关。20世纪60年代，天兴洲洲头低滩不明显，由于80年代、90年代连续出现较大洪峰，汛期天兴洲洲头附近强烈的由左向右的横流切割洲头而形成心滩。在天兴洲洲头高滩持续大幅向下游退缩的过程中，中枯水河宽增大，导致洲头附近出现大片淤积区，洲头心滩逐渐淤高长大。2004年实施天兴洲洲头守护工程的同时，洲头心滩与高滩之间的窜沟被封堵，心滩与天兴洲洲头相连而形成大片低滩[6-7]。近些年来，该低滩年内、年际均表现出不稳定的特点(图5)。

2.2.4 滩槽演变的关联性

(1)汉口边滩滩形低矮狭长，其滩尾与天兴洲洲头低滩冲淤同步。

分析洲头低滩变化过程中其上游汉口边滩尾部的形态可以发现，2007年洲头低滩退缩严重的时候，也正是汉口边滩尾部萎缩严重的时期，而2008～2009年汉口边滩淤积体下移至尾部时，也正是洲头低滩大幅淤积的时期，汉口边滩尾部直至低滩头部淤积成为一体。从洲头低滩的形态来看，低滩滩脊始终指向上游左侧的汉口边滩尾部，而洲头低滩尾部偏于天兴洲洲头右侧指向右汊深槽。此滩脊走向与洲头水沙输移自左向右的方向极为吻合。同时，实测资料显示，当汉口边滩尾部宽度较大时，汉口边滩有较多的沙量向下游的天兴洲洲头低滩补充，天兴洲洲头低滩滩脊与汉口边滩尾部滩脊线相连，当汉口边滩尾部宽度较窄时，能够向洲头低滩补充的沙量较少，枯期汉口边滩滩脊与洲头低滩滩脊断开。由此可见，汉口边滩尾部滩地的大小，对洲头低滩的年际冲淤影响甚大。当汉口边滩尾部滩地宽度较大时，洲头低滩形态也比较完整，两者枯期甚至连为一片；当汉口边滩尾部滩地宽度较小时，洲头低滩冲刷后退、形态矮小，说明以汉口边滩形态为代表的上游河势对于天兴洲洲头低滩的完整性有较为明显的影响。

(2)天兴洲河段上游单一放宽段内武昌深槽常年保持稳定，其右汊进口区域受天兴洲洲头低滩年际、年内冲淤调整而使得深槽头部稳定性较差。

天兴洲河段进口受龟山、蛇山节点控制，河道断面形态长期保持稳定，深泓也稳定居于河道右侧。汉江入汇口至徐家棚一带，河宽较小、汉口边滩高大完整，深泓也长期稳定居于右侧武昌深槽内。部分年份随着汉口边滩的冲淤，武汉关附近深泓虽有一定幅度的摆动，但摆幅不大，最大摆幅在200 m以内。徐家棚以下逐渐进入天兴洲分汊段，深泓分为左右两支，深泓分汊位置及深泓走向均变化较大。受天兴洲洲头低滩冲淤调整影响，汉口水道至天兴洲河段过渡区域内深泓摆动幅度较大，当天兴洲洲头低滩高大完整时，深泓自长江二桥以下直接进入天兴洲右汊，上下深泓衔接平顺，天兴洲右汊进口10 m等深线大幅上提至丹水池附近，航道条件较好，4 m等深线宽度可达400 m以上；当洲头低滩冲刷后退时，右汊进口10 m线相应后退至堤角一带，深泓走向弯曲，过渡区域较长，航道条件有所恶化。

(3)天兴洲洲头低滩的冲淤变化与河段内水流动力条件的分布特点和年内、年际变化息息相关，与本河段附近支流入汇、涉水桥梁工程建设等关系不大。

根据以往实测流速资料，武汉河段内上段顺直段随着流量的增大，断面流速趋向均匀，河道左侧流速明显增加，主流有向河道左侧摆动趋势，且流量越大趋势越强；下段分汊段武昌深槽及天兴洲汊道右汊的吸流作用趋向于使主流位置居于河道右侧，且流量越小，这种作用越强。由此使得长江大桥直至天兴洲洲头低滩附近的长河段内主流位置在汛枯期之间左右摆动，且主流位置由左向右的过渡段随着流量的增减而上提下移，当流量处于25 000～40 000 m3/s的中洪水期时，洲头低滩附近正是主流由左向右的过渡区，此水流条件的长期持续作用将直接影响天兴洲洲头低滩的稳定性。由此决定了天兴洲洲头低滩的完整性，将随着各年内中、洪水流量级的持续时间而发生明显调整。

通过数学模型计算分析汉江与长江洪、中、枯在内的不同流量以及不同来流组合条件下的河道水流特性表明：天兴洲汊道分流比主要决定于干支流汇合后的总流量，组合的比例对分流比影响不大，分流比仅有约0.2%的差别。同时，数学模型计算分析了紧邻天兴洲汊道上方的二七长江大桥桥墩阻水引起水流条件变化所能达到的量级和范围表明：桥墩对天兴洲汊道的分流比影响较小，中枯水流量下几乎无影响，即使50 000 m3/s流量下桥墩引起的右汊分流比增幅也仅0.3%。

因此，造成天兴洲洲头低滩冲淤的水动力条件主要是由该河段河道形态所决定的，支流入汇以及涉水桥梁工程对其影响甚小，由于年际之间不同流量级持续时间发生变化，引起了洲头低滩冲淤调整。

2.3 河床演变趋势分析

武汉城区河段两岸已被天然矶头和护岸工程所限制，天兴洲河段顺直微弯分汊的平面形态稳定少变。天兴洲河段主支悬殊的总体分汊河势格局将长期保持稳定，天兴洲洲头以上放宽段内的低滩演变会造成局部中枯水河势不稳定，可能导致此河段出现浅滩碍航问题，因而天兴洲洲头以上的放宽段是航道整治关注的重点位置，该位置的水沙输移和滩槽调整主要受到上游河势、天兴洲洲头位置、来水来沙条件、洲头低滩完整性等4个方面的影响。天兴洲洲头低滩的总体趋向萎缩，青山夹进口浅区将出现不能满足规划目标尺度的不利局面，成为本河段最主要的航道问题。

2.4 碍航特性

天兴洲右汊进口浅区的航道条件主要受天兴洲洲头低滩大小制约，当天兴洲洲头低滩高大完整时，右汊进口冲深展宽，航道条件较为良好；洲头低滩大幅度冲刷后退时，右汊进口大幅度淤浅，航道条件急剧恶化。2010年后，天兴洲洲头低滩进入新一轮的蚀退期，受2011年汛后长江流量偏枯、汉江发生特大秋汛的特殊影响，汉口边滩急剧淤高涨大。2010～2012年间天兴洲右汊进口4.5 m航宽缩窄110 m，结合三峡蓄水后的水沙变化趋势，短期内，天兴洲洲头低滩冲刷后退的趋势将持续存在，天兴洲河段将极有可能出现更为不利的碍航局面。

3 治理措施

3.1 治理思路

1998年大洪水后，天兴洲洲头加速崩退，青山夹进口明显展宽，虽然2004年实施了洲头守护工程后遏止了这一不利趋势，但洲体崩退的不利影响已经产生，河道展宽，洲头区域水流不稳定，加上上游输沙补给的间歇性，洲头低滩亦不稳定，呈现冲淤交替的演变特点，成为了影响右汊进口航道条件好坏的关键。洲头低滩的总体萎缩将更易出现碍航的不利局面。因此，本河段总体治理思路为：通过实施守护工程，稳定目前较好的滩槽形态，依托当前较好的洲头低滩形态，约束漫滩水流，引导水流较平顺进入青山夹的作用，从而达到稳定目前较好航道条件的目的，实现4.5 m航道水深贯通，宽度达到200 m。

3.2 整治工程方案研究

为了实现本工程的治理目标，在定床模型试验及推荐方案的基础上[8-9]，提出了两组试验方案：方案一采用一纵两横组成鱼骨型护滩守护天兴洲洲头低滩，纵向护滩带头部为扇形集中守护，两道条型护滩带守护洲头右缘滩体；方案二采用一纵四道横向护滩带组成鱼骨型护滩守护天兴洲洲头低滩；两道条型护滩带守护洲头右缘滩体。以2012年1月实测河道地形为初始地形，对两方案分别进行了典型年及系列年试验研究[9]。研究结果表明：两方案的主体均是采用护滩带对天兴洲洲头低滩进行守护，整治建筑物高程均较低，工程实施后，对试验河段的沿程水位、近岸流速、分流比等影响均较小，两个方案均能满足规划目标尺度。两个方案实施后，天兴洲洲头低滩-5 m线上提约700 m左右， 0 m线基本与左侧边滩连成一片，有效的维持了洲头低滩的完整形态。由于方案一壅水促淤效果明显，扇形区回淤明显，对洲头低滩的守护效果较方案二略强，方案一在设置加糙促淤栅格之后，加糙促淤栅格对减缓工程前沿滩面流速，促进滩体淤积，对扇形区的稳定、扇形头部前沿低滩的保护效果以及冲刷坑的抑制均略优于方案二。分析工程稳定性以及工程规模等因素，综合考虑，确定方案一作为工程的推荐方案(图6)。

图6 天兴洲河段整治工程推荐方案布置图Fig.6 Arrangement diagram of recommended solution on waterway regulation of Tianxingzhou reach

4 结语

通过实测资料和演变分析表明，天兴洲洲头低滩的形态是影响河段航道条件好坏的关键。目前虽然洲头低滩有所回淤，河段内航道条件能满足规划尺度，但从趋势来看，洲头低滩难以维持稳定，航道条件将随着低滩的逐渐萎缩而变差。通过对长江中游天兴洲河段河床演变特点的分析，提出了一纵两横组成鱼骨型护滩守护天兴洲洲头低滩，两道条型护滩带守护洲头右缘滩体的工程措施，稳定洲头低滩，控制关键部位，防止洲头低滩冲刷萎缩引起航道条件恶化，维持较好航道条件，实现规划目标。