2020年汛期长江下游镇扬河段水位异变分析

马月华，吴 艳，渠 庚，陈羿名，方娟娟，尹大聪

（1.扬州市城市河道管理处，江苏 扬州 225899；2.长江水利委员会长江科学院，武汉430010；3.长江水利委员会河湖保护与建安中心，武汉 430010）

1 引言

2020年，受厄尔尼诺现象等不利气候因子影响，长江流域入梅早，降雨持续时间长、强度大、雨区重叠[1-2]，长江下游发生了自新中国成立以来仅次于1954年和1998年大洪水，引起国内外普遍关注[3-7]。镇扬河段上承接长江中上游大面积来水，下受东海大潮的顶托，承受着巨大的防洪压力[8]。在此次大洪水中，泗源沟闸、瓜洲闸最高潮位分别达7.58 m、6.92 m，超历史最高潮位0.32 m、0.03 m，其余测站均低于历史最高潮位[9]。2020年安徽铜陵大通站年径流量为11 180亿m3，汛期径流量7 777亿m3；1998年大通站年径流量为12 440亿m3，汛期径流量8 814亿m3，均大于2020年，且自2003年三峡水库兴建以来，常年向中下游下泄不饱和水流，各个河段均发生了不同程度的冲刷[10]，其中长江下游世业洲汊道2020年相较1998年河道冲刷量为1.17亿m3，镇扬河段平均过流面积增加了约7%。在径流量小而过流面积大于1998年的条件下，2020年泗源沟闸、瓜洲闸两站的最高水位分别相较1998年最高水位反而高出0.37 m、0.24 m[11]，这一反常的水位异变过程及其出现原因非常值得深入研究。

2 研究河段水位异变过程

2.1 河段概况

镇扬河段世业洲汊道自泗源沟至瓜洲（见图1），长约24.7 km，分左右两汊。右汊是主汊，长约15.8 km，是曲率比较适度的弯曲河道，平均河宽1 450 m；左汊为支汊，长约13.5 km，呈顺直型，汊内有鹰膀子洲和新冒洲交错依附于两岸，平均河宽约880 m。

图1 研究河段示意图

2.2 水位异变过程

2020年汛期，世业洲汊道水位不断刷新历史记录。受长江上中游持续来水影响，长江干流大通来水量上涨迅猛，7月1日超过50 000 m3/s，7月6日达到60 000 m3/s，7月9日突破70 000 m3/s，7月11日突破80 000 m3/s，于7月13日达最大流量83 400 m3/s，其中维持70 000 m3/s以上大流量共27 d，维持80 000 m3/s大流量以上4 d。期间适逢天文大潮，泗源沟闸、瓜洲闸、三江营最高潮位全面上涨，7月21日泗源沟闸、瓜洲闸最高潮位分别达7.58 m、6.92 m，超历史最高潮位0.32 m、0.03 m；三江营最高潮位6.01 m，比历史最高潮位低0.26 m。图2为2020年5—9月大通站的流量过程与泗源沟闸、瓜州闸、三江营站（以下简称“泗瓜三”）三站的水位过程。可以看出6月10日前，流量小于36 800 m3/s，“泗瓜三”三站的水位差距不大，泗源沟闸与三江营站的最大水位差不超过0.5 m；6月10日后，随着流量的增大，“泗瓜三”三站的水位差随之增大，且水位差与流量呈正相关，尤其是6月30日后，流量超过47 900 m3/s，“泗瓜三”三站出现了很大的水位差，最大超过2 m。表明世业洲汊道内可能随着流量增加，水位出现了不同程度的壅高。

图2 2020年汛期大通站流量与“泗瓜三”三站水位变化

图3给出了1998年和2020年汛期大通站的流量过程与泗源沟闸和瓜洲闸的水位过程。图4则为同流量下2020年相较1998年泗源沟闸与瓜州闸的水位差值。结合图3、图4可以看出泗源沟闸和瓜州闸分别在流量小于57 100 m3/s、59 700 m3/s时，2020年同流量下水位略低于1998年；两站流量分别大于57 100m3/s、59 700 m3/s时，2020年同流量下水位超过1998年。当流量大于50 000 m3/s时，两站2020年与1998年水位差值开始增加，且随着流量增大，水位差的增速也随之增大。

图3 泗源沟闸、瓜州闸流量-水位关系

图4 同流量下2020年相较1998年水位差值

3 水位异变过程原因分析

河道水位特征的影响因素主要包括水文气象条件、河流自身演变情况与人类活动影响等，以下从水文条件、河道演变、涉河工程3个方面系统地分析镇扬河段世业洲汊道水位异变的原因。

3.1 水文条件对水位异变的影响

世业洲汊道是典型的感潮型河道，水位的变化受径流和潮汐的双重影响[12-13]。图5为2020年和1998年大通站逐日流量过程，虽然2020年汛期径流量小于1998年，但2020年洪水更集中，最大洪峰流量达83 400 m3/s，7月12日至7月14日流量均超1998年的洪峰流量。为了提升沿江城市的水安全保障能力，1998年至今兴建了大量排涝站，排涝能力大大提升，根据《扬州市城市防洪规划（2021—2035年）》，仅扬州市2015—2022年间就新（扩）建了排涝泵站59座，排涝流量提高313.6 m3/s。2020年汛期洪峰流量大以及沿江城市排涝能力的提升是导致2020年汛期间世业洲汊道水位超历史最高的原因之一。

图5 1998年、2020年大通站逐日流量过程

潮差是反映潮汐强度的重要指标之一，图6为1998年、2020年泗源沟闸、瓜州闸潮差过程，1998年泗源沟闸的潮差在0.13～1.12 m之间，平均潮差0.569 m，瓜州闸潮差在0.18～1.4 m之间，平均潮差0.683 m，6月28日至7月14日（流量大于70 000 m3/s）泗源沟闸的潮差在0.13～0.76 m之间，平均潮差为0.492 m，瓜州闸潮差在0.18～0.92 m之间，平均潮差为0.592 m。2020年汛期泗源沟闸的潮差在0.29～1.77 m，平均潮差0.814 m，相比1998年大0.245 m，瓜州闸潮差在0.34～2.01 m之间，平均潮差0.980 m，相比1998年大0.297 m；7月9日至8月4日（流量大于70 000 m3/s）泗源沟闸的潮差在0.37～0.82 m之间，平均潮差为0.564 m，相比1998年大0.072 m，瓜州闸潮差在0.35～1.06 m之间，平均潮差为0.667 m，相比1998年大0.075 m。表明2020年世业洲汊道整体受潮汐作用的影响大于1998年，强潮流的顶托作用是此次洪水中世业洲汊道水位异常增高的原因之一。

图6 1998年、2020年汛期世业洲汊道潮差

为了研究不同洪水流量下潮流汐对于最高潮位的影响，近似将潮波振幅的大小看作潮汐对最高潮位的抬高值。将2020年的潮波振幅与1998年作差，近似地估算潮汐作用造成的此次汛期水位壅高的大小（见图7）。整体看，2020年潮波振幅大于1998年，瓜州闸受潮汐的影响更大，两站均表现为随着流量增大，水位变化受潮流的影响逐渐减弱，在30 000 m3/s流量下潮波振幅差值达到最大，在60 000 m3/s流量下潮波振幅差值达到最小。如果将潮波振幅差值近似看作潮流作用下2020年相对于1998年最高潮位的抬高值，其中泗源沟闸在流量小于42 000 m3/s时，最高潮位抬高较大，平均在0.23 m左右，流量在42 000～56 000 m3/s之间时最高潮位抬高值随流量的增大而迅速减小，流量大于52 000 m3/s时平均最高潮位抬高值小于0.1 m，当流量大于56 000 m3/s后，平均最高潮位抬高值变化不大，在0.031 m左右；瓜州闸在流量小于56 000 m3/s时，最高潮位抬高值随流量的增大而减小，流量大于38 000 m3/s后，平均最高潮位抬高值开始小于0.2 m，流量大于46 000 m3/s时平均最高潮位抬高值开始小于0.1 m，流量大于52 000 m3/s后平均最高潮位抬高值变化不大，在0.037 m左右。

图7 2020年相较1998年潮波振幅差值-流量关系

3.2 河流演变对水位异变的影响

由于气候变化和人类活动的影响，1998年—2020年世业洲汊道的河势发生了较大的变化[14-15]。从图8可以看出，1998—2019年河势发生了较大的变化，世业洲汊道进口和出口等高线变化不大，左汊0 m等高线以冲刷崩退为主，最大崩退340 m，河宽增大，冲刷最强烈断面河宽展宽约500 m；右汊右岸0 m岸线变化不大，左岸世业洲右缘淤涨，0 m岸线大幅度向河道中心摆动，最大移动距离达690 m，河宽以束窄为主，最大束窄710 m。深泓线变化表现为左汊向河道中心摆动，右汊向右岸摆动，最大摆幅分别为260 m和880 m。

图8 1998—2019年世业洲汊道河势演变

在世业洲汊道进口（泗源沟闸）、出口（瓜州闸）、左右汊选取4个典型断面，分析1998—2019年河道冲淤变化情况（见图9）。世业洲汊道进口断面-10 m以下出现较大的冲刷下切，左岸-10 m以上出现了较大的淤积；CS2断面-5 m以下冲刷剧烈，河槽形态发生了明显的变化，1998年的“V型”河槽在冲刷作用下演变为2006年的“U型”河槽，并在2006—2019年深槽不断冲刷下切；CS3断面1998—2006年深槽淤积抬高，2006—2019年深槽变化不大，2020年相对1998年深泓点抬高约3.5 m；CS4断面河槽整体形态变化不大，-5 m以下河槽以冲刷为主，左岸-5 m以上河槽以淤积为主。

图9 典型断面演变过程

为了更直观地研究世业洲汊道河槽的冲淤变化，将河道以5 m为间隔按高程区间划分，计算各个高程区间的冲淤量（见图10）。可以看出河段整体冲淤特性表现为冲槽淤滩，-2 m以下的河槽表现为冲刷，且冲刷量随着深度的增加而增大，-2 m以上的河槽出现了淤积，且在5～10 m的高程区间淤积量最大。这样的冲槽淤滩的冲淤特性导致河槽形态朝着窄深方向发展，从而使水位随流量变化的速率加大。

图10 世业洲汊道各高程区间冲淤量（淤积为正，冲刷为负）

将河道概化成高程方向上多梯形明渠的组合体，估算各流量下河槽冲淤演变造成的水位变化，结果如图11所示，由于镇扬河段1998—2019年以冲刷为主，河道演变特性导致同流量下2020年水位相比1998年有所降低，且水位降低幅度随流量增大而减小，多年平均流量（28 500 m3/s）下水位降低0.362 m，平滩流量（48 000 m3/s）下水位降低0.206 m，防洪设计流量（85 400 m3/s）下水位降低0.072 m。

图 11 河道演变造成水位变化

3.3 工程对水位异变的影响

3.3.1 航道及河道整治工程对水位的影响

世业洲汊道地处长江下游，航运发达，2016年为了改善航道条件，稳定汊道分流比，在世业洲洲头开展了一系列航道整治工程[16-17]，主要包括一道潜堤和7道丁坝，潜堤全长1 175 m，顶部高程-8.5 m，丁坝长度在191～625 m之间，顶部高程-10～-8 m之间，工程规模较大；河道整治工程主要为在世业洲左汊下段新建潜坝工程一座，坝顶高程为-10 m，坝长为959 m。航道及河道整治工程建成后，对局部的水流特征与河势造成了较大的影响，并造成一定范围的水位壅高。余广年等[18]通过理论分析结合水槽实验总结了潜坝壅水计算式

式中：Δh为壅水高度，v0平均流速，g为重力加速度，为天然河流有效阻水面积修正系数，ΔA为阻水面积，A1为坝上游过水面积。

根据式（1）计算世业洲洲头航道及河道整治工程对附近水域造成的水位壅高大小，结果见图12，航道整治工程造成的水位壅高随流量的增大而增加，流量大于50 000 m3/s后，壅水高度随流量增加的增速放缓，在78 000 m3/s流量下，达到最大壅水高度0.12 m；流量大于78 000 m3/s后，壅水高度随流量增大而略有减小。

图12 航道整治工程壅水高度与流量关系曲线

3.3.2 涉河工程对水位的影响

为了沿江地区的经济社会发展，1998年至今，沿江兴建了众多码头与船厂。据不完全统计，该河段内有环球造船码头、句容电厂码头、镇江中船码头等25个以上码头，主要分布在右岸；有沙河船厂、镇江市长航造船厂、镇江船业等20个以上船厂，主要分布在左岸。世业洲汊道的岸线开发利用率非常高，各类码头占用岸线累计长度达27 km，各类船厂占用岸线累计长度达9 km，各类取、排水口占用岸线累计长度达4 km。2020年世业洲汊道各类涉河工程总计占用岸线长度已达总岸线长度的80%，属于高度开发的河段，而1998年岸线占用率还不到30%。

一般来说，单个涉河工程对河流的影响范围有限，一般影响范围在250～1 100 m，造成的局部水位壅高在0.01～0.03 m。但由于世业洲汊道岸线涉河工程分布密度非常高，各类涉河工程的阻水影响叠加会造成河段内水位整体的壅高。

为了详细研究世业洲汊道涉河工程群对水位的影响，长江科学院进行了河工模型实验[19-20]。实验结果表明，平滩流量、多年平均洪峰流量、防洪设计流量条件下，涉河工程群导致世业洲汊道水位最大壅高值分别为0.11 m、0.13 m和0.17 m。

4 水位异变综合分析

根据上述分析，影响镇扬河段水位变化的因素主要有潮汐顶托作用、河道冲淤演变、河道内涉河工程的兴建等3个方面。其中，由于2020年汛期恰逢天文大潮，强潮汐的顶托作用导致水位上升，且上升幅度随流量的增大而减小；1998—2020年河道以冲刷为主，河道的冲淤演变导致水位下降，且下降幅度随流量增大而减小；航道及河道整治工程与高密度分布的涉河工程群的阻水作用导致河段内水位壅高，且壅高幅度随流量增大而增大。在三种因素的综合影响下，导致流量小于58 000 m3/s时，世业洲汊道2020年水位低于1998年；流量大于58 000 m3/s时，世业洲汊道2020年水位反超1998年，这与图4中水位差值曲线基本吻合。

2020年汛期长江下游镇扬河段世业洲汊道的泗源沟闸和瓜州闸水位站超历史最高水位，长江下游其余测站均低于历史最高水位，导致世业洲汊道水位异常增高的原因有强径流和强潮流的挤压作用、大型航道及河道整治工程与沿江涉河工程的阻水作用。其中，大型航道及河道整治工程和沿江高密度分布的涉河工程群导致的水位壅高，是此次汛期泗源沟闸和瓜州闸水位站超历史最高水位的主要原因。

5 结论

2020年汛期，长江下游镇扬河段世业洲汊道水位出现超历史最高水位。针对这一河段的水位异变过程，从水文条件、河道演变与涉河工程三个方面进行了系统的原因分析，主要结论如下。

（1）虽然1998年的汛期径流量大于2020年，但2020年洪水过程表现为短时间内暴涨，大通站洪峰流量超过1998年，再加上1998年以来沿江城市排涝能力大大提升导致2020年汛期世业洲汊道的流量超过了1998年。2020年汛期恰逢天文大潮，水流受强径流与强潮流的挤压作用，是导致世业洲水位异常增高的原因之一。潮流对水位造成的壅高作用随着流量增大而减小，根据潮波振幅的变化情况，流量小于50 000 m3/s左右时，2020年潮流对水位的抬高幅度较大（超过0.1 m）。

（2）1998—2019年世业洲汊道以冲刷为主，且表现为深槽冲刷，岸坡淤积。冲槽淤滩的河道演变特性导致同流量下2020年的水位相对于1998年有所下降，且水位下降的幅度随流量的增大而减小。

（3）世业洲洲头2016年兴建的大型航道及河道整治工程对附近流场造成了较大的影响，利用潜坝壅水计算公式，计算出航道及河道整治工程对水位的影响，78 000 m3/s的流量条件下，航道及河道整治工程造成的水位壅高幅度最大，局部水位最大壅高约0.12 m。

（4）沿江码头、船厂等涉河工程的高密度分布也导致了世业洲汊道水位壅高，世业洲汊道的岸线利用率目前已达80%。防洪设计流量下，涉河工程群的叠加效应导致世业洲汊道水位最大壅高0.17 m。

综上所述，河道的冲淤演变导致河道水位的降低，潮汐顶托作用、航道及河道整治工程、涉河工程阻水作用导致世业洲汊道的水位壅高，4种因素的共同影响下，导致了2020年汛期世业洲汊道出现水位异变。大型的航道及河道整治工程与沿江高密度分布的涉河工程群是导致世业洲汊道2020年汛期超历史最高水位的主要原因。