雷 鸣，李振宇，李延涵

（1. 岳阳市水利局，湖南 岳阳 414000； 2. 湖南省水运建设投资集团有限公司，湖南 长沙 410003；3. 广州珠科院工程勘察设计有限公司，广东 广州 510000）

引 言

图1 八卦洲汊道河势图

八卦洲汊道（图1）位于长江南京河段下关束窄段下游约5 km 处，属鹅头型分汊河道，左汊为支汊，右汊为主汊。八卦洲两汊是南京市的经济腹地，汊道沿江地区已经聚集了一批大型企业，包括扬子石化公司、扬子－巴斯夫公司、南京化学工业公司、南京钢铁集团、华能南京电厂、南京热电厂和南京化学工业园等产业集群。2009 年，左汊沿岸占南京市工业产值比例已超40%，当地发展突飞猛进，社会经济重要性日益凸显[1]。

自20 世纪30 年代开始，因上游河势的变化，八卦洲洲头受水流的冲刷，不断向下游崩退，左汊逐渐弯曲，呈淤积萎缩态势，分流比逐渐减小，逐渐从主汊演变成支汊。为了控制河势的急剧变化，近70 年来，长江南京河段实施了6 次大规模整治工程，稳定了八卦洲头和水流顶冲岸线，延缓了八卦洲左汊的衰减速度，保障了南京河段的河势稳定。然而，已实施的整治工程采用稳定现有河势的办法，没有从根本上改变八卦洲左汊不利的水沙动力条件（如进、出口河势和左右汊阻力对比等），只能延缓左汊的衰退速度，目前左汊仍呈缓慢淤积衰退趋势，左汊枯季分流比已由集资整治工程实施后的16%左右减小到2011 年的12.4%，若左汊分流比减小到10%以下，左汊衰亡的速率将会大大加快。同时，三峡工程2003 年蓄水运用后，坝下游水沙条件发生较大改变，清水下泄对南京河段河床冲刷加强，引起汊道冲刷不平衡，导致分汊河段兴衰加剧与分化[1]。鉴于八卦洲河段的重要性、演变过程的复杂性和稳定改善左汊分流比的紧迫性，迫切需要采取工程措施，遏制八卦洲左汊缓慢衰退的趋势，适当改善左汊水域条件，以支撑南京市区域经济的可持续发展。本文结合八卦洲汊道水沙特性和演变特征，建立河段数学模型，对不同类型导流堤方案进行数值模拟，研究成果为河道汊道治理提供参考。

1 汊道水沙特性与演变概况

1.1 水沙特性

八卦洲汊道左汊为弓形，其内有南化弯道段、皇厂弯道段2 个近乎90°的弯道段，且入出流边界条件差，入流段黄家洲淤涨发育、横向展宽的特征明显，使得左汊入流角度逐渐增加，出流段左汊与右汊汇流方式几乎为直角，受右汊较强水流动力的顶托作用，左汊出流受到阻碍，引起左汊出口水位雍高，阻力增大，左汊局部阻力系数远大于右汊。加上左汊河床高于右汊，左汊的河宽远小于右汊，左右汊长度比达到2.1∶1，且左汊内存在浅区和卡口，左汊河道的河床沿程阻力大于右汊。左汊内沿程各类水工设施的建设和运行，特别是沿岸群体码头工程的建设，都增大了左汊水流的沿程阻力作用。

水流进入左汊入口黄家洲弯道后，受水流离心力作用，产生横向环流，导致汊口分流区域低含沙量的表层水横向流入右汊，而底层水流中的高含量泥沙向左汊内洲滩不断淤积，从而增大了左汊进流阻力，减小了左汊流量。八卦洲洲头由于缺乏守护，逐年崩退，汊道分流点下移，左汊入流角度增大，不利的进流条件使左汊进一步加速衰退[2]。20 世纪80 年代末，为遏制八卦洲左汊加速衰退的趋势，在八卦洲洲头处，实施了分水鱼咀工程，该工程的实施有利于改善左汊的水流动力，对八卦洲汊道河势的稳定起到了重要的作用。左汊分流比减小的速度尽管有所减慢，但减小的趋势仍然存在，尤其是枯水季节低水位情况。左汊分流比历年变化见图2[1]。

图2 八卦洲左汊分流比历年变化图

1.2 汊道演变情况

汊道历史演变主要是主支汊易位：以20 世纪40年代为界，之前八卦洲的左汊河面宽，水深大，弯道平顺，为主汊。右汊水深浅，江面窄，河道弯曲，为支汊。之后，受上游河道演变影响，汊道水流动力轴线变迁，洲头崩退趋势加速，左汊水流动力减弱，弯道曲率逐渐变大，河道长度逐渐增加，河床淤浅、束窄，分流比减小，至20 世纪40 年代初，由主汊转化为支汊，50 年代初，左汊分流比减至25%左右[3～4]。与此同时，右汊相应发展，河道趋直，河长减小，河槽冲刷扩大，分流比增大，1952 年右汊河展宽为900 m 余，比1923 年增加1 倍有余，河长由1923 年的13.3 km 缩短为1952 年的11.7 km，由于阻力减小、过流量增加，右汊由支汊转化为主汊。至此，八卦洲汊道完成了主支易位的过程。

汊道近期演变特征主要是左汊逐渐衰退：1985 年以前洲头未护之前，分流点下移，洲头崩退，左右岸向江中淤积，河道朝窄深方向发展，1952—1979 年分流点平均每年下移62 m；1979—1983 年分流点平均每年下移35 m；1983 年大水后，洲头崩坍较多，分流点下移速度增加。1985 年洲头守护以后，洲头的崩势得到控制，分流点呈上提下挫变化，下移速度减缓。从1957年到80 年代中期八卦洲头鱼咀实施前，左汊汛期分流比从26.0%降到19.5%，枯水期从22.0%降到16.0%左右，年均降幅约为0.22%。从1985 年实施洲头鱼咀工程后到2003 年三峡大坝蓄水前，左汊汛期分流比从19.5%降至17.0%，枯水期分流比从16.0%降至13.9%左右，年均降幅约为0.13%。2003 年以后汛期分流比减小趋势得到有效遏制，基本稳定在15%～19%，但枯水期仍有年均0.15%的降幅。可见，实施八卦洲头鱼咀工程总体上能延缓和改善八卦洲左汊衰退，稳定当前河势。但在枯水季节低水位条件下，分流比减小的趋势依然存在。

2 整治方案的探讨

2.1 整治现状及整治方案概述

1954 年长江发生特大洪水后，下关、浦口江岸严重崩坍。汛后通过1955—1957 年沉排护岸工程和1964—1966 年沉排区的两侧及排脚进行了抛石加固，下关、浦口江岸全线基本得到了保护。70 年代初开始，继续对大胜关、燕子矶、天河口、新生圩等岸段也先后实施了平顺抛石护岸工程。1983—1993 年实施了集资整治工程，对梅子洲头及其右缘、八卦洲头分水鱼嘴及其左右缘、燕子矶等部位进行了新护和加固。1998 年大水后，2003 年南京河段开始实施系统的二期河道整治工程，共实施护岸工程62.59 km，其中八卦洲头及左右缘、燕子矶、天河口分别实施护岸工程约9.2 km、2.7 km、1.1 km。工程全部实施完成后，八卦洲洲头的稳定性得到了进一步加强，原有的崩岸险情得到了控制，左汊衰退的趋势得到了一定的遏制，两汊分流比变化趋缓，为进一步的整治奠定了较好的基础。同时，为进一步适应城市经济社会发展，近年来有关单位对八卦洲汊道提出过很多治理方案（图3），以改善或提高左汊分流比。主要有：

图3 八卦洲汊道主要整治方案分布图

1）改善左汊入流条件。在洲头原鱼嘴的基础上，往河道上游偏右的方向修建导流堤，将一部分进入右汊的水流导入左汊，增加左汊分流比；黄家洲切滩，通过扩大八卦洲左汊口门过流断面、减小左汊口门与上游主流的夹角，增加左汊分流比。

2）减小左汊局部阻力。通过疏浚打通浅区段-10 m 河槽，减小局部阻力，扩大左汊河槽容积，增加分流比；实施上坝、黄厂河和左汊出流处扩卡，以减小左汊局部阻力[7]。

3）适当限制八卦洲右汊的发展。右汊口门修建潜坝，缩小右汊进口过流断面及增加局部阻力，通过适当减小右汊分流比的方式，增加左汊分流比。

2.2 整治方案的探讨

根据多年来各方面论证，切滩和扩卡措施虽增大了过水面积，但切滩和拓卡段流速普遍降低，对左汊进出口的泥沙输移效率带来不利影响，同时黄家洲切滩部位和出口拓卡区域大部分处于回流区，将来的回淤强度可能较大，类似的如果没有其他工程给左汊提供足够的水流动力，预计疏浚的效果将很快因回淤而消退。而右汊潜坝措施由于过流面积的急剧缩减，潜坝所在断面水流流速迅速增大，加上潜坝下游形成的跌水流态，对通航将造成一定程度影响，同时潜坝上下游流态的变化易影响现有河势的稳定，增加上下游防洪保安的压力。因此，对洲头分水鱼嘴进一步研究显得尤为重要。本文通过建立数学模型，对八卦洲汊道进行模拟，主要对洲头导流堤方案实施后对汊道分流比的影响进行研究。

3 导流堤方案研究及整治效果分析

3.1 导流堤方案概况

研究表明，八卦洲左汊分流比减少的原因主要是分流区左右汊入流条件和阻力比的变化，目前八卦洲左汊长度约为右汊的2 倍，流路长、河弯多、水流阻力大的特征十分突出，造成左汊进口断面水流受阻，水位高于右汊，产生横向比降，大量水流绕过洲头自左汊进入右汊。因此，在洲头设置导流堤，可对进入左右汊的水流进行导流控制，改善左汊入流条件，增强左汊水流动力，增加左汊分流比。导流堤延伸长度的不同和方位角的不同，其分流作用也有所不同。

八卦洲头导流堤坝根考虑布置在洲头鱼嘴居中偏左的位置，该处水下岸坡相对较缓，导流坝方案考虑了不同角度、不同长度的组合。方位角方面考虑从与左汊进口水流大致平行布置（方位角约为245°）逐步向右汊主流偏转至接近洲头右侧深水槽（方位角204°）；堤坝长度方面，主要考虑位置不越过洲头-20 m槽（坝长300 m）、越过洲头深槽水域延伸至上游-20 m槽处（坝长550 m），以及延伸至接近上游-15 m 等高线处（坝长750 m）。考虑到八卦洲头导流坝主要改善左汊低水期的入流条件，为降低其负面影响，拟坝顶高程为2 m（约为枯水期平均水位），如表1 所示。

表1 导流坝方案

3.2 导流堤方案效果及分析

采用数学模型对八卦洲汊道进行模拟，采用2011年地形及同年5 月13—14 日枯水水文测验资料（实测左汊分流比12.4%），分析枯水流量条件下（Q=15 290 m3/s）导流堤的分流效果。模拟结果表明，不同方案的导流堤工程实施后，上游及汊道进口局部水位有所壅高，左汊分流比有明显增加。表2 为枯水流量下，导流堤工程实施后左汊分流比变化情况表。

表2 不同导流堤方案实施效果

分析表明，在导流堤长度相同的情况下，导流堤越偏靠洲头右侧（方位角越小），左汊分流比增加的效果越好。如方案1、4、7 长度均为300 m，方位角依次为225°、215°、204°，相应左汊分流比增加值依次为0.24%、0.4%、0.73%，550 m 导流堤方案2、5、8 和750 m 导流堤方案3、6、9 同样体现这一规律。

在导流堤方位角度相同的情况下，导流堤越长，左汊分流比增加的效果越好。如550 m 导流堤方案2、5、8 对应的左汊分流比增加值分别为0.72%、1.61%、2.64%，要分别好于300 m 导流堤方案1、4、7 对应的0.24%、0.4%、0.73%，同样750 m 导流堤方案3、6、9 亦分别好于550 m 导流堤方案2、5、8。

对比方案7 和方案2，虽然方案7 较方案2 堤长短250 m，但由于方案7 的方位角较方案2 向右作了21°的偏转，使左汊进口迎水面积相对扩大，右汊进口面积减小，因此两者的效果相近。

4 结 语

研究结果表明，洲头导流堤向上游延伸与方位角右偏均有利于增加左汊分流比。在综合考虑八卦洲汊道防洪保安、航运及水资源利用的前提下，选择合理的导流堤长度和方位角是缓解和改善八卦洲汊道左汊衰退趋势，稳定现有河势的可行方案。