长江武汉河段汉阳边滩河床演变及航道条件分析

张佳妮

(辽宁省大伙房水库管理局有限责任公司，辽宁 抚顺 110300)

自改革开放以来，长江水道航运飞速发展，通航里程长、运量大、运输繁忙，被誉为中国的“黄金水道”[1]。近年来，因经济发展的迫切需求，长江河道上修建了大量的跨河桥梁。《内河通航标准》要求桥梁选址建在河床稳定、水深充裕、水流条件良好的平顺河段上,尽可能避开分汊河道、游荡河段和支流入汇河段,并充分考虑建桥后对上下游河道的影响[2]。但是由于区域发展、地形地貌等因素的限制，不得不在河段条件较差的地方选址建桥。这会使得桥梁附近的水流状态发生急剧的变化，影响河势，导致水道碍航现象频繁。武汉长江大桥所处河段为顺直分汊河道，在大桥建成以前，河道通航条件好，碍航现象少有发生，自建成以后，该河段经常发生碍航现象，且已发生了70余起船撞桥事故，其中直接经济损失超过百万元的就有十余起[3]，对经济和社会效益造成了严重影响。

导致武桥水道碍航现象发生的原因并不是航行所需的宽度和深度不够，而是汉阳边滩在枯水期过度淤长，突入江心，使得航线过于弯曲，不能够通过设计的通航孔。针对这一问题，已采取了许多航道整治工程，但效果不是特别显著。可见，对汉阳边滩河床演变及航道条件的深入探究迫在眉睫。

1 河床演变规律分析

1.1 近期演变现象及特点

近年来，在武桥水道两岸修建了大量的堤防工程，使得岸线较为稳定。白沙洲和潜洲年内有冲有淤，年际间变化不大，总体来说较为稳定。据近年来实测资料可得：在汛期，主流线较为顺直，水动力条件较好，携带大量的泥沙进入到武桥水道，而由潜洲头断面2和洲尾断面3测得的水流动力轴线均向右侧摆动，使得左侧汉阳边滩处于缓流区，水流动力条件较差，大量泥沙落淤。在汛后的中水期，潜洲洲头与洲尾附近的主流向左侧摆动，故冲刷潜洲左叉附近淤积较为严重的汉阳边滩。因受到武昌深槽吸流作用和桥墩雍水作用影响，主流在潜洲洲尾与武汉长江大桥坐弯，使得桥址附近汉阳边滩的水流动力条件较差，故冲刷下来的泥沙在桥址附近落淤，汉阳边滩迅速淤长，突入江心。但因中水期的水流相对枯水期的大，武桥水道仍然可满足通航要求，进入到枯水期后水流减小、水深降低，碍航问题逐渐凸显。此外，枯水季节，在武昌深槽吸流作用下，使得水流动力轴线在其附近做弯，流速减小，泥沙落淤。但因枯季来沙量较小，故汉阳边滩整体形态变化不大。

1.1.1水动力轴线变化

水流动力轴线又称之为主流线，是各个断面最大垂线平均流速点的连线，其摆动变化会对边滩冲淤、航运、行洪等方面造成重大影响[4]。影响水流动力轴线摆动变化的主要因素是流量大小，故根据不同流量用各个断面实测流速来分析水流动力轴线的变化规律。

白沙洲水道上设立了2个实测断面，分别在距离白沙洲大桥约1 970 m的上游处和约2 335 m的下游处布设，即断面1和断面1-1。武桥水道上也设立了2个实测断面，分别在距离白沙洲大桥下游约3 910、5 890 m处布设，即断面2和断面3。在汉口水道上，距离武汉长江大桥下游约2 950 m处设立了1个实测断面，即断面4。对于以上5个断面，分别实测了其不同起点距处的流速(图1)。

图1 流速实测断面位置

流速分布图中起点距0的位置为起测点(左岸)，2 500 m的位置为右岸。由断面1的流速分布可得(图2)，流速自起点距500 m以外至右岸间出现递减的趋势，主要受到下游靠近右岸处白沙洲的碍流作用，而左岸起至起点距500 m处，逐渐摆脱边岸对水流的控制作用,使得流速呈现递增趋势。当流量在9 000 ～40 000 m3/s之间时，该断面的最大流速均在起点距约为600 m的位置，而当流量为6 050 m3/s时，最大流速所在位置的起点距小于500 m。可见，水流动力轴线在较大流量下向右岸摆动，但由于受到白沙洲阻碍水流的影响，水流动力轴线向右摆动的幅度不大，一般情况下，其距离左岸仍然小于800 m。此外,当流量为39 835 m3/s(大水)时，向右摆动幅度最大；当流量为17 400(中水)、12 500、9 070 m3/s(流量15 000 m3/s以下均为小水)时，水流动力轴线向左摆动幅度微小；而当流量为6 050 m3/s时，水流动力轴线向左急剧摆动，摆动幅度约为300 m。在汛期，水流流量大，水流动力轴线向右大幅度摆动，左侧荒五里边滩处于缓流区，使得泥沙在东风闸至白沙洲大桥之间落淤，促进了荒五里边滩的淤长。因中水期的水流动力轴线摆动幅度微小，故冲淤变化不大，而在枯水期，流量较小时，因水流动力轴线大幅度向左摆动，故此段边滩受到冲刷而下移，下移的泥沙在荒五里附近淤积，到了汛期又被冲刷下移。所以荒五里年内演变规律为：东风闸至白沙洲大桥间的荒五里边滩遵循“汛淤枯冲”的规律，而白沙洲大桥至杨泗庙之间则遵循“汛冲枯淤”的演变规律。

施测断面1-1和断面2位于白沙洲洲尾和潜洲洲头之间(图1)，其水流动力轴线均靠近左岸。对于断面1-1，当流量为39 835(大水)、17 400(中水)、12 500 m3/s(小水)时，水流动力轴线所在位置摆动幅度小，当流量为9 070 m3/s时，其向左大幅度摆动。断面2的施测结果见图4，其水流动力轴线有着“大水向右摆，中水和小水向左摆，中水的摆动幅度大于小水的摆动幅度”的规律。断面3位于潜洲洲尾(图5)，水流动力轴线在潜洲的左汊通过，也遵循“大水右摆，中水和小水左摆”的变化规律，但是其在相同流量下的摆动幅度最小，主要是因为主流受到潜洲的排挤作用。可见，在2004年7月的汛期，流量为39 835 m3/s，泥沙在断面2和3处落淤，促进了汉阳边滩的淤长，使得水流动力轴线向右侧偏移。当流量为17 400 m3/s时，水流动力轴线大幅度向左侧偏移，可见此时断面2和3处的汉阳边滩受到了冲刷而萎缩。当流量为12 500、9 070、6 050 m3/s时，水流动力轴线相对中水期摆动幅度小，故此处汉阳边滩冲淤变化较小。故有：潜洲左汊附近的汉阳边滩遵循“汛期淤积，中水冲刷下移，枯季较为稳定”的演变规律。断面4的实测结果见图6，当流量为6 050、9 070 m3/s时，水流动力轴线分别在距离起点距约1 100、1 450 m处，靠近右岸。当流量为12 500 m时，水流动力轴线靠近江心。而流量为39 835、17 400 m3/s时，水流动力轴线靠近左岸。由此可见，其摆动幅度最大。造成这一结果的原因主要是：在枯水季节，汉江水流的汇入，对长江的水流会产生一定的顶托作用，再加上汉口边滩位于左岸，对主流具有较强的控制作用，从而使得水流动力轴线靠近右岸。在汛期和中水期时，由于流量大，水动力条件较好，故上述影响因素的作用减小，使得水动力轴线逐渐向右岸摆动。

图2 武桥断面1流速分布

图3 武桥断面1-1流速分布

图4 武桥断面2流速分布

图5 武桥断面3流速分布

图6 武桥断面4流速分布

1.1.2洲滩变化

武桥水道内碍航现象频频发生，其与该水道内汉阳边滩、潜洲的冲淤变化紧密相关。故通过4.5 m(恒基面以下4.5 m)等深线的实测资料来分析武桥水道的航道条件，并通过对2 m(恒基面以下2 m)等深线的实测资料进行分析，来揭示汉阳边滩和潜洲的演变规律。

表1 汉阳边滩和潜洲在4.5 m 等深线下的面积和周长

武桥水道的原航深标准为3.7 m，难以满足地区发展的需要。为此，中国于2014年颁发了《国家发展改革委办公厅关于印发长江宜昌至安庆段航道整治模型试验研究工作方案》，方案规划了船舶的通航要求，即以4.5 m等深线作为武桥水道通航的下线水深。武汉长江大桥桥址附近的河宽约为1 100 m，其设计通航孔为上水4号孔,下水6号孔，其中上水4号孔距离右岸边线约为510 m(表1)。在4 a实测资料中有4 a汉阳边滩的“距岸线向外延伸最长距离”大于510 m，其中2010、2014年枯季分别为775、636 m，远大于510 m，使得航线过于弯曲，船只不能够从设计通航孔通过，对河道航运造成了重大影响。2010年汛后实施了河道整治工程，抑制了汉阳边滩淤长，这使得2011、2012年枯季汉阳边滩的“距左岸岸线向外延伸长最长距离”较2010年分别减少了196.5、238 m。此外，2011年汛期汉阳边滩的“距左岸岸线向外延伸最长距离”仅为282 m，不妨碍航运，主要是因为在汛期，潜洲洲尾至武汉长江大桥之间的汉阳边滩受到来水的冲刷作用，使得汉阳边滩逐渐变为狭长形态。除此之外，汉阳边滩在2011年7月汛期的4.5 m等深线处的面积为854 095 m2，是实测资料中边滩面积最小的年份，与多年平均值比较，偏小了25.7%。确实改善了2011、2012年的通航条件，但是随着时间的推移，整治工程效果降低，碍航现象又频繁出现。

2011年7月汛期的4.5 m等深线较为顺直、狭窄且靠近左岸，船只可以顺利通过设计通航孔。2011年4月枯季，在距离武汉长江大桥约230 m上游4.5 m等深线较为顺直且靠近左岸，但在此后，等深线向右岸急剧弯曲延伸，沿程230 m的长度内就向右岸弯曲延伸了约370 m，基本封堵了5号桥孔，使得无法从设计桥孔通过，产生碍航现象。2010年汛期和枯季的4.5 m等深线和2011年有着类似的变化规律，可见汉阳边滩年内冲淤变化较大。

2010、2011、2014年枯季在武汉长江大桥处的4.5 m等深线均突入到了5号桥孔附近，无法从设计通航桥孔通过，阻碍航运。对于潜洲至大桥之间的4.5 m等深线，2010、2014年较宽，突入江心。而2010年的则较窄，靠近左岸。2012年枯季在武汉长江大桥处的4.5 m等深线仅封堵了3号桥孔，通航条件好，可见年际间变化较大。

图7 4.5 m等深线实测地形

图8 2 m等深线实测地形

此外，2010年8月汛期，汉阳边滩在潜洲左叉附近大量淤积，其滩体展宽并与潜洲相接，汉阳边滩的下半段仍较为顺直、狭窄。在枯季，边滩形态与汛期的形态刚好相反，即潜洲左叉附近边滩狭窄，武汉长江大桥附近边滩突入江心，符合“汛期淤积，中水期冲刷，枯季冲淤变化较小的演变规律”。

1.2 主要存在的航道问题

自武汉长江大桥建成以来，武桥水道碍航现象频频发生，至今已经发生70余起船撞桥事故。导致该航道问题的主要原因是“汉阳边滩在枯季过度淤长，突入江心，边滩突嘴挤压航道，使得航线过于弯曲，来往船只无法从设计通航孔通过。碍航现象严重时，汉阳边滩甚至会直接封堵4号桥孔。荒五里边滩枯水期的大小对下游汉阳边滩的大小影响较大，当荒五里边滩枯水期大时，汉阳边滩就小，航道条件就好。反之，汉阳边滩就大，枯季航道条件就差[5]。此外，白沙洲洲头在年际间受到冲刷，未来将引发右侧发展，不利于左侧航槽的维持。潜洲右汊冲刷(图8)，洲头左摆，使得该处航宽展宽，潜洲洲头左偏，易与荒五里边滩相连，导致左汊主槽碍航现象的出现。

2 河床演变及航道条件趋势

2.1 来水来沙条件趋势

三峡工程建成后，在上游来沙减少作用下，长江中下游来沙明显减小[6]，水沙条件显著改变，搜集2000年以后的水沙资料(2000—2002年的资料用于与蓄水后的水沙资料进行对比)，取K值为2来进行滑动平均，使序列高频震荡(水沙特别年份)对水沙变化趋势分析的影响得以弱化[7]。皇庄水文站的年径流量和年输沙量变化幅度较大，近年来均有减小的趋势(图9)。汉口站年输沙量与皇庄站和汉口站年输沙量差值在2000—2007年间均呈现明显的下降趋势(表2)，于2007年之后较为稳定。此外，两者的年径流量有略显减小的趋势，但并不明显。由此可见，汉江水沙条件的变化对长江水沙变化的趋势影响甚微。

2.2 河床演变趋势

河床演变规律受到诸多因素的影响，但最主要的影响因素是来水来沙条件和河道边界情况，故本文以近4 a的实测地形资料(图7—8)、来水来沙条件规律(图9—11)及地址地貌特征来对武桥水道进行河床演变和航道条件的近期趋势分析。

表2 汉口站与皇庄站年输沙量与年径流量

图9 皇庄站年径流量与年输沙量滑动平均

图10 汉口站年径流量与年输沙量滑动平均

图11 汉口站、皇庄站年径流量与年输沙量差值滑动平均

2.2.1白沙洲水道仍然维持顺直分汊河型

近年来，在两岸修建了大量堤防工程，使得岸线年际间变化甚微，故白沙洲水道和武桥水道将长期保持顺直型。此外，由图2可知，水流动力轴线在大水时向右摆动，小水时急剧向左摆动，摆动幅度较大，但其仍居于白沙洲左侧且距白沙洲有较长距离，故白沙洲右汊一直处于缓流区，水流动力条件差，泥沙易落淤，从而导致右汊淤积萎缩。但三峡水库调节程序计算模拟可得，蓄水后Q>35 000 m3/s、来流天数大于40 d的来水过程依然存在，白沙洲洲头还将继续冲低，右汊依旧会被冲刷展宽，故较长时间内不会发生并岸现象，仍然维持顺直分汊河型。

2.2.2潜洲洲体形态变化

近期：2010年汛后，在潜州上实施了长顺坝结合单侧鱼骨坝的河道整治工程，该工程对潜洲洲体形态起到较强的控制作用且对主流的流向也有一定的引导作用，再加之上游近期的来水来沙条件趋于稳定，年际间变化较小，故潜洲在近期不会发生大的形态变化。

远期：大水时，有利于潜洲的淤长，在小水年时会被冲刷萎缩。而由三峡水库调节程序计算模拟可得，小于15 000 m3/s(小水)的来流天数有所提升，使得潜洲头部冲刷后退，引发该处航槽展宽，潜洲右汊发展，潜洲洲头左摆的现象。

2.2.3武昌深槽冲淤状态变化

武昌深槽形成年代久远，在近30 a呈现较为稳定的状态。因武昌深槽上游处的潜洲洲头形态变化不大且近期来水来沙条件趋于稳定，使得武昌深槽近期依旧遵循“汛期槽首淤积，槽体展宽，枯季槽首冲刷，槽体冲刷还原”的演变规律。即汛期主流居中趋直，武昌深槽的吸流作用相对较弱，随着流量减小，武昌深槽吸流作用增强，枯水时主流由左岸向右岸过渡，在汉阳边滩处流速减小，水流挟沙力减弱，造成汉阳边滩淤积[8]。但随着近年来白沙洲右汊的萎缩，进入到潜洲右汊的水流相应的减少，使得其出口水流顶托作用降低，不利于武昌深槽槽首在汛期的淤长上延，但总体变化较小。

因模拟结果得出：Q>35 000 m3/s的来流天数明显减少，故武昌深槽淤积程度减小，促进了槽首的冲刷上延。

2.2.4汉阳边滩年内与年际间依然变化较大

汉阳边滩右侧的武昌深槽和潜洲在较长的时间内将维持现有的状态和演变规律，武桥水道内的洲滩深槽格局相对稳定[9]。所以，水流动力轴线在施测断面2和3处依然遵循“大水右摆，中水左摆，小水摆幅较小”的规律，使得潜洲左汊附近的汉阳边滩在汛期迅速淤长，武昌深槽对岸的汉阳边滩受到冲刷而成狭长型，中水期则恰好相反，即上半段边滩冲刷下移，下半段边滩泥沙落淤，突入江心，至枯水期时，边滩凸显，所以年内变化在较长的时间内依旧较大。但随着近年来汉江年径流量有着减小的趋势，使得其水流汇入长江时所产生的顶托作用降低，不利于中水期泥沙在汉阳边滩上的淤积，但因汉江年径流量相对长江而言较小，故总体来说对武桥水道内的边滩演变的影响不大。此外，随着三峡工程的投入运行，大量的泥沙在库中淤积，使得下游年输沙量大幅度减小，但塑造边滩的泥沙量并未减小[10]。

此外，大水时，汉阳边滩淤积，中水时，冲刷下移并在武汉长江大桥附近落淤，而由模拟结果得出15 000～35 000 m3/s之间(中水)的来流天数和大于35 000 m3/s(大水)的来流天数均明显下降，故汉阳边滩年内的淤积程度有所降低，滩体宽度小于400 m(5号封堵)的频率将有所上升。

2.3 航道条件变化趋势

武桥水道内洲滩槽年内和年际间的演变规律基本维持不变，再加之上游来水来沙条件和岸线也趋于稳定。所以，主流线在汛期较为顺直且潜洲与武汉长江大桥之间的汉阳边滩受到冲刷而呈狭长型，通航条件好。在中水期，潜洲左汊附近的汉阳边滩受到冲刷而下移，在武桥水道附近落淤并突入江心，并随着枯水期的到来，水位降低，从而发生碍航现象。所以在自然条件下，武桥水道的碍航现象在一定年份内不会有所改变。

3 结语

本论文是对汉阳边滩演变规律的初步研究，根据实测的来水来沙条件、地形资料，以及从参考文献中的历史资料，进行了武桥水道碍航问题的初步探讨。主要研究成果大致包括以下内容。

a)通过4.5 m等深线图的分析得出：在年内，汛期通航条件好。在枯季，因汉阳边滩突入江心，突嘴挤压航道，使得航线过于弯曲，来往船只无法从设计通航孔通过，严重时，甚至封堵设计通航孔，导致碍航现象发生。

b)通过三峡水库调节程序计算模拟和近期来水来沙条件趋势分析，对河床演变和航道条件变化趋势做了初步研究。结果表明：武桥水道内洲滩槽的演变规律总体变化不大，汉阳边滩年内的淤积程度有所降低，碍航现象依旧持续存在。