瓯江江心屿河段动力演变机制概览
发布时间：2020-03-23
摘要：本文通过近年来温州江心屿河段的动力、边界条件介绍、分析，探寻该河段的动力演变机制，以期以史为鉴，为未来相关单位研究，决策提供参考。
关键词：瓯江;江心屿河段;动力;演变;机制
一、背景
自上世纪50年代以来，江心屿河段在经历了以1952年为代表的大洪水后，河道格局发生了重大调整，江心屿北江分流比从1953年的约50%逐渐调整到1970年的约80%，致使温州港航道淤浅，直接影响到交通航运的发展，期间进行过数次疏浚，效果不佳，由此展开了历时10余年的“四期工程”整治工作。通过方案科学论证、有效实施及后评估工作，四期工程的建设稳定了江心屿段河势，温州港区及航道水深得以保证，近30多年来河势稳定，主槽紧贴瓯江南岸。但是，自1970年开始，四期工程及围垦等人类活动造成边界条件的重大变化，江心屿南北分流比变化分三个阶段，第一阶段是1970~1976年剧变期，北汊分流比由79.5%降至37.5%，第二阶段是1976~2000年调整期，北汊分流比继续降至15.0%，第三阶段是2000年至今的稳定期，河势稳定后始终在20%以内波动。本文从动力及边界条件变化解析江心屿河段的动力演变情况，该河段区位如图1。
二、动力条件
1.潮汐潮流
瓯江河口属正规半日潮，但浅海分潮明显，越向口内浅海分潮作用越大，黄华、龙湾、温州、梅岙的HM4/HM2分别为0.04，0.07，0.15，0.18，潮波越向内传播变形越大，江心屿河段的温州站平均潮差约3.91m，最大潮差6.06m。
江心屿河段流态呈往复流，流向基本与等深线走向吻合，2011年11月在江心屿附近水域布置全潮同步综合水文测验站位江心屿北汊道流速相对较弱，垂线平均的最大涨潮流流速介于0.64~0.91m/s;而落潮流江心屿南汊道相对较强，垂线平均的最大落潮流流速介于1.02~1.31m/s。
2.径流
瓯江口平均涨潮流量约为8,700m3/s，平均大潮流量在13,000m3/s，潮量至温州河段时，由此可对比山潮动力此消彼长界限。
鹤城(圩仁)水文站是瓯江干流的控制站，集水面积13,500km2，控制流域面积75%。该站实测多年平均年径流量约140亿方，多年平均流量为443m3/s，最大年平均流量为725m3/s，最小年平均流量为213m3/s，实测最大洪峰流量为23,800m3/s(1952年7月20日)，最小流量仅9.05m3/s，洪枯比大，径流年际和年内变化特征明显。瓯江大洪水的成因，主要为梅雨和台风暴雨，梅雨形成的洪水过程线形状较胖，且复峰较多，台风雨形成的洪水过程稍瘦，单峰居多。根据瓯江流域防洪规划(2017，征求意见稿)，瓯江上游圩仁计洪水频率见表1。
三、边界条件变化与四期工程历史
1.江心屿河段演变概况
(1)岸线
近几十年来，江心屿河段岸线变化剧烈，主要在以下几个区域，①鱼旗山往北3个入江岬角间凹岸被拉平;②上村浅滩从无到有，岸线向江内推移近800m，南北长度达3,500m;③鱼旗山东南侧中央涂消失，岸线拉直;④江心寺由江中一隅变为江心屿;⑤龟山浅滩形成，向江心推进最远近500m。北汊原宽窄较为匀一的河岸变为口小腹大，如图2。
(2)深泓线
深泓线即代表地形和主动力线，70年整治前，江心屿河段的深泓线摆动是整个瓯江最剧烈的，每一次的大洪水都会跟随着深泓线摆动变迁，图3为自1843~今代表性深泓线变化，1843~1878年，深泓线位于南汊，1916年南汊，1932年北汊，1960年贯穿南北，1966年北汊，1979年南汊，1986年至今稳定在南汊。
摘录部分温州大水记载，依稀可见对应深泓线影响。
清嘉庆十一年(1806)七月十一日，温州府五县大水„
清嘉庆二十三年(1818)三月十八日，瑞、平、水、乐大雨水。延至二十二十日晨，平地水深三尺，西山崩陷里许。八月十三，永嘉又大雨十昼夜。
清道光二十三年(1843)闰七月温州大水。
清光绪十五年(1889)秋，温处俱有水灾。
民国11年(1922)夏秋，温属各县大水为灾。
民国16年(1927)温属各县大雨，田禾尽没。
1952年15号台风在福鼎登陆，温州各县水灾。
1958年7月16日10号台风在夏门登陆，温州大水。
1959年7月16日1号台风，8月30日4号台风，9月4日5号台风分别在福建省福鼎、莆田和三都澳登陆，温州三次大水。
1980年8月27~28日受福州登陆的12号台风影响，温州地区晚稻受淹45,000亩，死亡20人，压伤41人。
(3)分流比
受制于上游径流动力，1953~1970年，江心屿河段的自然演变导致北汊分流比由49%增加至79.5%，1970年后四期整治工程开始后，北汊分流比逐年降低至现在的18.6%，详见表2。
2.四期工程概况
从1958年起，航道淤浅逐年严重。1970年开始，整治工程分四期进行：
第一期，1970年在瓯江北岸上村附近，抛筑一条3,525m的石块顺坝至新涂，南端为潜坝，高程吴淞0m，另筑一条350m长的北江潜锁坝，迫瓯江主流向南江。1971年抛石35.3万m3，向北延伸筑长1,300m的西滩顺坝，至此上村丁顺坝形成，顶高程吴淞2.5m。同时，对南江和码头前沿挖泥119万方，疏浚进口喇叭口及新涂至朔门港区的南江航道，挖槽全长4,150m，进口底宽450m，底面标高-4.5m，航槽宽60m，底部标高-3.0m，边坡1：4。使西门和朔门港区航道逐年加深。
第二期，1972年4月开始，在瓯江北岸楠溪江口龟山脚下，修筑东丁坝长600m，西丁坝长400m，两坝间距850m，平均坝高2.5~3m。对上游凹岸中央涂、新涂护坡700m，抛石15.6万m3，航道及港池挖泥161.4万m3。1973年4月，在振华码头至港区各码头前沿挖深槽1条，长2,525m，宽120m，底标高吴淞-4m。此后，老港区的港池逐渐加深到5m以上。
第三期，1975年对杨府山港区的水深进行测量，由南京水科所开展物理模型试验研究。1976年，为消除南极桥浅滩改善航道水深，在七都南汊修建南板桥丁坝400m。1977年8~12月，在杨府山对岸的老虎岩附近，抛石筑1条长1,300m的东丁坝，顶标高吴淞0m，引瓯江北侧梅园一带深槽落潮水流，冲刷七都嘴附近浅滩航道和七都南水道西口。同时，在七都涂嘴岸边，抛石10.78万m3筑成护坡。1979年5、6月间，又在灰桥挖一条720m长的深槽，挖泥13万m3。
第四期，1982年2~10月，在楠溪江口东侧三六家水域，抛石6.03万m3，筑1条长1,600m、坝顶髙平均为吴淞0m的丁顺坝。把瓯江北侧和楠溪江落潮的水流，引向南岸灰桥一带。同时挖槽，长730m，底宽120m，深1.5m，使灰桥过渡浅滩水深达3m以上，航道得到改菩。
以上4期工程主要是采取中低水位治理、以低水整治为主在不减少河床容积前提下，稳定流向，束水归槽。
四、动力演变机制
1.动力
江心屿河段受制于河流动力、海洋动力及边界条件三大因素，梅岙至龙湾河段为径流与潮汐动力相互消长的过渡段。瓯江洪枯水之比达2,000倍，近年来曾观察到径流达5,000m3/s时，梅岙无涨潮流，超过12,000m3/s时，温州无涨潮流。这一现象充分说明了径流作用在该河段的作用，但外海潮汐动力和径流的叠加作用导致无潮点上下移动，并非一固定区域。
2.岸线与硬边界岸线
与硬边界对河流起到直接的约束作用，硬边界除岬头，岩质岸壁外，还包括人工修建建筑物。在江心屿河段岸线发生过巨大的变化，由图4历史卫片关注4个关键位置，江心屿，鱼旗山，上村、中央涂。60年代，江心孤屿，鱼旗山指入江中，中央涂尚在，上村浅滩未形成;70年代整治后初期，上村丁顺坝建成后，江心屿、上村、中央涂淤浅，范围扩大但未连续成片;80年代，江心屿岛型显著，鱼旗山下游中央涂消失变为陆地，上村浅滩形成;90年代，与80年代差别不大，但陆地近岸人类活动较多;2009年，江心屿岛型清晰，上村浅滩完全出露;现状，上村浅滩范围较2009年变大。
整体岸线变化为2点，(1)上村与中央涂淤长导致该河段不断束窄、河湾曲度变大;(2)河湾凹岸多个岬角间凹入岸线被拉直，鱼旗山等岬角挑流作用消失，1953年50年一遇特大洪水导致的主槽北偏将再不可能发生。上村顺坝建成后河湾主流更被牢牢固定在凹岸一侧。
3.水深
主流线确定后，深槽基本确定，但由于该河段底质为砂质，浅滩深槽交错，无大径流时相对稳定，但在大洪水和落潮流共同作用下，浅滩则会向下游运动，造成主流摆动、水深条件改变，史称“东门深，西门浅”、“西门深，东门浅”。
4.决定性过流断面
决定性过流断面一般为断面积最小的过流断面，根据对江心屿南北汊地形扫描，南北汊决定性过流断面均集中在江心屿西侧，北汊为上村顺坝断面，85高程以下过水断面积为1,355m2，南汊为4,510m2，约束性断面积之比为23：77。
5.河床容积
江心屿北、南汊河床容积分别为456万m3、1,250万m3，河床容积同样决定分流比，北、南汊河床容积之比约为27：73，北汊河床中低潮位部分露滩。
根据图5，2017年10月南北汊潮量与潮差关系可知北汊流动阻力较大。
综上，在自然河道的条件下，大径流可以使河道发生滩槽格局改变从而改变分流比;岸线、硬边界和水深可以约束主流线，也可以影响分流比;在当前岸线、水深相对稳定的条件下，决定性约束断面和河床容积决定了分流比。
6.历史分流比及对应边界条件
图6为历史年最大洪峰流量与北汊分流比关系，不难看出：(1)在50年代初，江心屿南北汊分流比相当，但在1952年大洪水后，北汊分流比逐年增加直至70年整治后发生急剧逆转，可见人类活动影响程度在某些条件下大于自然力量;(2)涨落潮比例变化，北汊涨潮流量比例大于落潮表明主汊位于江心屿南汊，由图可见2次反转节点，一次是1958年，另一次是1971年，基本可以间接反映主汊变迁;(3)岸线、水深边界条件确定的前提下，分流比也随动力条件变化而变化，不同潮差条件下分流比不同，不同径流大小分流比不同，不同潮型叠加不同流量也不同，因此每次测量不能完全代表分流比的精确变化，但可以反映分流比变化的趋势。
五、结语
1.江心屿河段动力条件复杂，为感潮河段，山潮水动力此消彼长;
2.上游洪水对江心屿段河道造床作用显著，四期整治前，大洪水对河势格局起决定性作用，同时，洪峰来临时叠加的外海潮型，潮期也至关重要，如果洪峰叠加外海大潮涨潮流顶托，江心屿河段几无流速则造床作用甚小，反之则最大;
3.江心屿河段底质为砂质，动力对河床塑造性强，70年前自然河道状态下的深泓线变迁对应洪水流量基本可见大动力对该段河势格局的决定性塑造作用;
4.比较70年前后分流比改变斜率，江心屿河段自然演变力量小于近年人类活动影响;
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