鹅头型汊道河型属性变化研究

刘亚1，陈丽2，姚仕明1，渠庚1

(1.长江水利委员会长江科学院，湖北　武汉　430010；2.长江科学院武汉长澳大地工程有限公司，湖北　武汉　430010)

【摘　要】　河道演变在不同时间尺度上有着不同的表现形式：从长时间来看，河道演变表现为一种河型的形成与消亡；一定河型条件下短时段的河床变形则主要表现为河岸、沙洲、滩槽的冲淤变化。本文提出河型属性的概念，将不同时间尺度的河道演变形式统一归结为河型属性的调整过程。并以河型属性为切入点，在总结鹅头分汊河型属性特征的基础上，提炼出其本质属性；并以属性的调整过程将不同时间尺度的河道演变概括为河型的产生、强弱发展以及衰亡三个阶段，并分析了各个阶段的变化特点。

【关键词】　鹅头分汊河型；河床演变；河型属性

基金项目：国家自然科学基金(51609011;51379018);三峡后续规划课题3(CKSG2016874/HL)。

作者简介：刘亚(1987—　)，女，重庆人，工程师，博士，主要从事水力学及河流动力学研究。

E-mail:Newyar@live.cn

不同的河型都有着各自特殊的标识，要么具备特定的河床边界、水沙条件、平面形态或者独特的演变规律，这些特定的因素称之为河型的属性。一种河型可以具备多重属性，有的属性能从根本上将其与其他河型区分开来，称之为本质属性，有的则居于从属地位，只是其他属性另一种表现形式，称之为外在属性。由于现行河型划分大多以平面形态为依据[1，2]，因此，在很大程度上，平面形态作为了众多河型的本质属性。一个河段在特定时间内只能具备一种河型的本质属性，随着时间的推移，在流域气候或者人为因素的影响下，这种河型属性可能加强或者减弱，甚至原属性消失殆尽而具备另外一种全新的河型属性，从而发生河型的转换。对于一个具体河段来说，它的河型属性有着产生、兴盛、衰亡的发展过程。河段具备河型本质属性则标志着河型的形成，属性的充分发育表明河型处于兴盛时期，本质属性的减弱直至消失称之为河型的衰亡。因此，不同时间尺度的河道演变可统一归结为河型属性的调整过程：河型属性的产生以及衰亡通常是一个长时间尺度的缓慢过程，而相对较短时间内便能发生河型属性的强弱变化。

1　鹅头分汊河型属性特征

鹅头分汊河型通常发育在抗冲性不连续的河床上，河段进口存在单侧挑流的节点，河道进出口水流转折角较大；具有弯曲系数较大的鹅头状平面外形、洲滩众多、汊道交错；主支汊周期性交替发展[3,4]，这些都是鹅头分汊河型的属性。不同的平面形态具有较强的直观性，便于不同时间及空间尺度的比较，且鹅头分汊河型也正是因为其形如鹅头的平面外形而得名。因此，平面外形可作为鹅头分汊河型主要属性之一。

鹅头分汊河型的主支汊交替主要通过汊道平面位置的移动而实现，期间汊道经过的地方伴随着剧烈的江心洲冲蚀。如位于长江中游团风县境内的罗湖洲水道是典型的鹅头型分汊河道，在主支汊交替过程中，河道内凹岸原有洲体几乎被冲刷的荡然无存，凸岸洲滩进一步淤长，遇到合适的水文过程而被冲刷开形成江心洲(图1)。虽然此时的江心洲与前一周期的洲体平面位置、滩体大小并无较大差异，但实际上这是新一轮周期中经过凸岸边滩淤积切割形成的全新的江心洲。即鹅头分汊河型的主支汊交替表现为“主支汊的移位交替”：在主支汊交替过程中，汊道不仅有平面位置的移动、平面形态的调整；还伴随着江心洲的剧烈冲淤变形，在汊道弯曲发展的过程中，凹岸江心洲将会被冲刷殆尽，取而代之的是凸岸新淤积的江心洲。

而微弯分汊与鹅头分汊河型的区别除了平面形态的差异外，两者河势周期性变化也存在本质上的差异，即实现主支汊交替的方式不一样。长江中下游典型的微弯分汊河段如瓦口子、马家嘴、天兴洲、戴家洲等河道。此类分汊河段的河势变化虽然同样表现为伴随周期性的主支汊易位，但其主支汊易位主要通过各汊道的原地兴衰而实现，期间通常不或者很少产生汊道位置的偏移，也不会在汊道弯曲发展的过程中使得原江心洲消失殆尽(图2)。因此，微弯分汊河型的河势变化表现为“主支汊周期性易位”。

综上所述，能将鹅头分汊河型和其他类型河道区别开来的除了较为弯曲的平面形态外，实现主支汊交替的方式也是因素之一。因此，鹅头分汊河型的主要外在属性为主支汊周期性移位交替的河势变化。洲滩、汊道数目等都只是河势周期性变化强弱的一种表现形式。

但从根本上驱使河势产生周期性变化的动力应为进口单侧节点的挑流作用，见图3。进口节点的挑流作用可概述如下：入口水流以速度v0进入河道，与节点夹角为α，流经节点处，遇到深入河道中的阻碍物，流向发生改变，获得一个新速度v1。v1可分解为一沿原水流方向的速度vx和垂直于此方向的速度vy。vy的存在是河漫滩得以大幅度冲刷的根本原因，随之左岸岸线不断崩退，河床扩宽。在水流继续行进的过程中，在沿程阻力的影响下，vy逐渐减小。当水流行至距离进口节点为L的地方时，夹角β变为零，即横向速度vy衰减为零。则此距离L便是鹅头型汊道中鹅头的位置，而后水流在河谷走向的影响下逐渐归至出口节点进入下一河段。在水流的长期作用下，形成鹅头状支汊；凸岸新淤积的广阔边滩在水流作用下极易冲刷成槽，形成汊道交错的局面；过度弯曲的汊道由于阻力较大而逐渐产生河槽淤积，最终以凸岸边滩切割的形式调整此种河床与水沙条件不适应的状态，即产生了河势周期性变化的特点。

2　鹅头分汊河型属性变化过程

2.1　河型属性的产生

长江流域中下游段属于典型的冲积平原，城陵矶至江阴段主要流经于疏松沉积物之上，厚度较大，并且具有明显的二元结构特征。在长江的历史演变过程中，由于水流受科氏力的累积作用，加之第四纪以来，长江中下游受新构造运动向南倾斜的影响，使河道整体右迁，直至遇到抗冲性较强的山矶阶地。右岸许多山矶濒临江边，成为河岸的直接边界，从而构成了长江中下游右岸多山矶阶地、左岸多为冲积平原的基本地貌格局，为鹅头型分汊属性的产生提供了地质地貌基础。

河道进口单侧节点形成后，将水流挑向对岸产生冲刷，流向发生局部的急剧转折，并造成水流分散。水流分散的结果使得一部分水流遵循节点的导流方向继续向左运动，另一部分水流仍依附于发生转折的右岸边界运动。由于河道水流在运动过程中总是趋向于向右摆动，因此，当从进口单侧节点挑向左侧水流的惯性力在其冲刷河岸的过程中逐渐转向，就表现出向右发展的趋势，最终以迂回的形式回到右岸的河槽中来，从而使得水流边界表现为反S形的鹅头状形态特征。

河道进口临江节点以及弯曲平面的形成标志的鹅头分汊河型雏形的形成，即河型属性的产生。在河道具备鹅头分汊河型的基本属性后，在流域气候变化以及大规模的人类活动影响下，随着洲滩的产生与合并、岸线的崩退与淤进，鹅头分汊河道平面外形不断调整，开始主支汊周期性交替的河势演变特征。

2.2　河型属性的调整

当河段具备某种河型属性后，其河床变形规律便遵循着此种河型演变的一般特性。不同的河段因为边界条件的差异，河型属性强弱不尽一致；且同一个河段在河床边界及不恒定的水沙条件影响下，属性的强弱程度也随时间不断调整变化。进口单侧节点的挑流作用、汊道周期移位交替作为鹅头分汊的本质河型属性，因此进口节点挑流作用强、汊道周期变化短便意味着鹅头分汊河型属性较强，反之，属性较弱。

由表1统计的长江中下游鹅头分汊河道特性来看，基本不存在演变周期相同、平面外形一致的两个鹅头汊道：各汊道演变周期长短不一，有的长达上百年，而有的却只有十几年；有的鹅头汊长近30km，弯曲系数超过3；而有的鹅头汊长仅10km，弯曲系数1.4左右，即不同的鹅头分汊河道具备不同强弱的河型属性。

对于同一个鹅头汊道，在天然情况下，其平面外形和演变周期也是不断变化的。如陆溪口河段的不同的演变周期中，不仅各个周期长短不一，周期间相同的演变历程所需时间也不同；同时，在不同周期演变过程中，河床变形幅度也不一样[5]。

综上所述，鹅头分汊河型属性强弱不仅因具体汊道而异，同一个汊道也会随时间而变。但无论是不同汊道还是同一汊道不同时段间的河型属性差异均表现为演变周期长短、平面形态以及河床变形幅度的不同。

2.3　河型属性的衰亡

在河道水沙及边界条件的自然变化以及人为措施的影响下，鹅头型汊道的平面外形以及演变特征也会发生转变，河型属性逐渐减弱直至衰亡，最终导致河型的转换。

长江中游监利水道在1861年以前为单一的弯道，至1912年窑监河段下段河心出现较大沙洲，河道弯曲度逐渐加大，并发展成急弯；1928年地方当局在监利县城外采用人工护岸，修建了一些护岸工程并修建了监利矶头控制河势，弯顶的发展受到一定的控制，深泓稳定在监利左汊，但县城以下岸线仍然剧烈崩退，并逐渐发展成鹅头型分汊河段。1931年特大洪水主流切滩撇弯，凸岸边滩被水流切割成江心洲，乌龟夹(右汊)被冲开，窑监河段至此开始形成分汊河道，至1934年深泓南移至乌龟夹内，原鹅头型汊道逐渐淤积衰退。此后随着水流对乌龟洲的冲刷切割，深泓逐年北移，至1945年深泓随乌龟洲右缘的崩退和凸岸边滩的淤长而重新形成监利左汊，江心形成新的乌龟洲，原鹅头型汊道衰亡，原洲体(小乌龟洲)并岸，从而形成了近期的微弯平面外形。此后乌龟洲无论是洲体大小还是位置都比较固定，随着进口主流的摆动和年内水沙的波动而发生主支汊交替。监利河段历史变迁见图4。

综上所述，鹅头型汊道在其发育成型后，并不是一成不变的。在漫长的历史演变过程中，平面形态不断调整变化：通过沙洲合并和江心洲并岸减少分汊程度，随着支汊的淤废以及岸线的稳定鹅头型汊道会渐渐向微弯分汊河型转换，主支汊交替方式也会由“周期性移位”调整为“周期性易位”。

3　结论

本文以鹅头分汊河型属性的调整过程将不同时间尺度的河道演变概括为河型的产生、强弱发展以及衰亡三个阶段，并分析了各个阶段的变化特点，主要结论如下：

(1)鹅头分汊河型的主要属性有极为弯曲的平面形态、主支汊周期性移位交替的河势变化以及进口单侧节点的挑流作用。其中进口单侧节点的挑流作用是其本质属性。平面形态越弯曲、河势变化周期越短表明鹅头分汊的河型属性越强。

(2)鹅头分汊河型产生至衰亡过程可分为以下几个阶段：进口单侧节点的形成—对岸岸线冲刷后退，河道大幅度展宽，河道内出现零星沙洲—大规模的洲滩合并，形成较为稳定的鹅头分汊河型—发育充分的鹅头分汊河型以反复的周期性变化实现着河道的动平衡—在流域气候或者人为活动的影响下，鹅头支汊淤废，河岸岸线或者江心洲缘线的守护将极大减弱鹅头分汊河型的属性。

(3)鹅头分汊河型属性的强弱调整主要表现在平面形态以及演变周期长短的变化。不同的鹅头型汊道、同一汊道随着时间的推移都会发生河型属性强弱的调整。

参考文献：

[1]　钱宁,张仁,张志德.河床演变学[M].北京：科学出版社,1989:7-8.

[2]　方宗岱.河型分析及其在河道整治上的应用[J].水利学报,1964(1):1-12.

[3]　杨国录.鹅头型汊道首部水流、泥沙运动的探讨[J].武汉水利电力学院学报,1982(2):19-60.

[4]　罗海超.长江中下游分汊河道的演变特点及稳定性[J].水利学报,1989(6):10-19.

[5]　刘亚,李义天,卢金友.鹅头分汊河型河道演变时空差异研究[J].应用基础与工程科学学报,2015(4):705-714.

Variation of River Pattern Attributes of Anabranched Meanders

LIU Ya1，CHEN Li2，YAO Shiming1，QU Geng1

(1.Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan Hubei Province　430010；2.Wuhan Geo-Eng Yangtze Australia Co.，Ltd，Wuhan Hubei Province　430010)

Abstract:Fluvial process has different forms in different time scales.It is characterized by the formation and vanishment of a river pattern at the large time scale,while by the channel deformation of river bank,sandbars and riverbed under a certain river pattern at the short time scale.A concept of river pattern attribute is proposed in this paper,which will integrate fluvial process in different time scales.The pattern attributes of anabranched meandering river are summarized and the intrinsic attributes are revealed.River pattern attributes adjustment of anabranched meanders is classified into three phases as newborn of river pattern,evolution and decline,and characteristics of each phase are analyzed in the paper.

Key words:Anabranched Meandering River;Fluvial Process;Pattern Attributes