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地理学报 >

2024 , Vol. 79 >Issue 9: 2246 - 2260

DOI: https://doi.org/10.11821/dlxb202409006

地表过程

长江下游崩岸段动力分区特征与地貌适应机制

  • 陈锦锋 , 1 ,
  • 滕立志 1 ,
  • 刘瑞清 1 ,
  • 程和琴 , 1, 2 ,
  • 任仲达 1 ,
  • 金阳 3 ,
  • 张鸿 3 ,
  • 贾正阳 3 ,
  • 周权平 3 ,
  • 邢海斌 4
展开
  • 1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062
  • 2.崇明生态研究院，上海 202150
  • 3.中国地质调查局南京地质调查中心，南京 210016
  • 4.上海绘耀仪器设备有限公司，上海 201803
程和琴(1962-), 女, 安徽绩溪人, 博士, 教授, 主要从事河口海岸工程地貌与环境研究。E-mail:

陈锦锋(1998-), 男, 福建省宁德人, 硕士生, 主要从事河口海岸工程地貌方面研究。E-mail:

收稿日期: 2024-02-28

  修回日期: 2024-08-24

  网络出版日期: 2024-09-27

基金资助

国家自然科学基金项目(42271009)

中国地质调查局项目(DD20221728)

收起

Characteristics of hydrodynamic zone and microgeomorphic adaptation mechanism of the bank failure section in the lower reaches of the Yangtze River

  • CHEN Jinfeng , 1 ,
  • TENG Lizhi 1 ,
  • LIU Ruiqing 1 ,
  • CHENG Heqin , 1, 2 ,
  • REN Zhongda 1 ,
  • JIN Yang 3 ,
  • ZHANG Hong 3 ,
  • JIA Zhengyang 3 ,
  • ZHOU Quanping 3 ,
  • XING Haibin 4
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China
  • 2. Institute of Eco-Chongming, Shanghai 202150, China
  • 3. Nanjing Center of the China Geological Survey, Nanjing 210016, China
  • 4. Shanghai Huiyao Instrument Equipment Co., Ltd., Shanghai 201803, China

Received date: 2024-02-28

  Revised date: 2024-08-24

  Online published: 2024-09-27

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42271009)

China Geological Survey(DD20221728)

Fold

摘要

近年来长江下游潮区界上移、涉水工程建设增多，河道崩岸灾害强度增大。前人通过现场观测、物理模型、数值模拟发现崩岸段存在强烈竖轴回流，但未探讨滩槽交互带水动力分区特征及地貌的微观适应机制。本文基于频繁窝崩岸段多普勒声学流速剖面仪（ADCP）、多波束测深系统获得的高分辨率动力、地貌同步观测数据，结合以往高分辨水下地形资料，研究发现：滩槽交互带流速、流向具有显著分区特性，根据纵向流速u及其与横向流速v的比值|u/v|，即回流强度α，自槽向岸分为主流区（α<1，u>0）、掺混区（ α≥1）和贴岸回流区（α<1，u≤0）；主流区发育大中型沙波、冲刷槽、冲刷坑，掺混区发育堆积体、小型沙波，回流区发育有窝脊、小型沙波；主流区主流顶冲、回流区回流侧蚀是冲刷地貌发育、崩岸拓展的主要动力，掺混区近主流区一侧的高流速梯度产生冲刷地貌、其余部分低流速使泥沙落淤形成堆积体。本文可为崩岸灾害整治和近岸工程设计监测提供重要参考。

关键词： 滩槽交互带; 切变灾害; 水动力分区; 微地貌; 地貌演变

本文引用格式

陈锦锋 , 滕立志 , 刘瑞清 , 程和琴 , 任仲达 , 金阳 , 张鸿 , 贾正阳 , 周权平 , 邢海斌 . 长江下游崩岸段动力分区特征与地貌适应机制[J]. 地理学报, 2024 , 79(9) : 2246 -2260 . DOI: 10.11821/dlxb202409006

Abstract

In recent years, the tidal limit of the lower reaches of the Yangtze River has shifted upward, the construction of water-related projects has increased, and the intensity of river bank failure disasters has been on the rise. Previous researchers have found the existence of strong vertical-axial backflow in the bank failure section through field surveys, physical modeling, and numerical simulation, and that there is a strong vertical-axial backflow in the bank failure section; however, the hydrodynamic zone characteristics of the bank-channel interactive zone and the microgeomorphic adaptation mechanism have not been explored. Based on the Doppler acoustic current profiler (ADCP) in the frequent bank failure sections, multibeam system, combined with previous high-resolution underwater topographic data, it is found that the flow velocity and flow direction in the interactive zone of the bank-channel have significant zone characteristics, and according to the backflow strength α, i.e., the longitudinal flow velocity u and its ratio to the transverse flow velocity v, |u/v|, the zone from the channel to the bank is identified into the main stream zone (α<1, u>0), the mixing zone (α≥1), and the near-bank backflow zone (α<1, u<0). The mainstream zone develops large and medium-sized dunes, scour grooves, and scour pits, the mixing zone develops accumulators and small dunes, and the backflow zone develops spines and small dunes; the main stream direct flushing in the mainstream zone and the backflow lateral erosion in the backflow zone are the main driving forces for the development of scouring microgeomorphic type and the development of bank failures, and the high flow velocity gradient in the mixing zone near the main stream zone generates scouring geomorphology, and the remaining part of mixing zone remains a low flow-velocity to make the sediment fall and silt to form the accumulation body. The findings can provide important references for the disaster remediation and near-shore engineering design and monitoring.

Key words： bank-channel interactive zone; shear-changed hazards; hydrodynamic zone; microgeomorphology; geomorphic evolution

1 引言

崩岸是指滩槽交互带岸滩与深槽之间土体在水流冲蚀作用下失稳崩塌，进而引起滩地塌陷、局部岸线后退的现象[1-2]。崩岸的发生及发展直接威胁涉水工程运行维护和人民生命财产安全，并深刻影响该区域河槽形态变化与沿岸生态环境。近年来，海平面上升与流域工程叠加导致长江下游河段潮动力增强，潮区界上界上移至九江附近[3-4]；随着大坝建设、人工采砂、围滩造地、深水航道等重大工程日益增多，长江下游河槽冲刷加剧，崩岸的强度与频率明显增大[5]，因此研究长江下游崩岸段动力地貌演变机制可为灾害整治和近岸工程设计、监测提供重要参考。
传统观点认为水流冲刷坡脚或局部深槽楔入导致水下岸坡坡度增大、超过稳定限值是崩岸形成的基本原因[6⇓-8]。窝崩区流场结构精细观测、物理模型及数值模拟结果则表明，窝塘内“竖直回流”在坡面引起的涡流负压与切向冲刷是窝崩形成的主要影响因素[9-10]。如冷傀[11]、张家豪等[12]、张幸农等[13]、余文畴[14]分别分析了长江下游芜湖新大圩、马鞍山陈家洲、南京三江口、镇江嘶马弯道等区域崩岸段水动力现场观测资料，均认为“强烈的局部紊动”与“竖直回流”是崩岸形成的重要原因。假冬冬等[15]针对长江下游扬中河段构建的窝崩三维水沙数值模型模拟结果表明，窝崩发展的各阶段窝塘内均存在明显的回流结构，窝崩初期较高的近底流速引起了窝塘底部的快速淘刷。孙启航等[16]进行了概化物理模型试验，发现窝塘内的竖轴回流是由主流分离出的一股水流不断顶冲窝塘边界形成的，并将水槽内观测到的回流结构定性描述为回流区、掺混区和主流区。总体而言，上述崩岸发展机制的研究多基于崩岸段大尺度的流场结构，滩槽交互带水动力空间差异及分区特征仍有待进一步研究。
崩岸快速、剧烈改变局部流场和动力沉积过程，进而引起地貌形态的调整适应。窝塘内回流冲刷边壁、使崩岸范围拓宽拓长，同时不断地将崩塌土体分解并搬运至下游形成堆积[17-18]。应强等[19]在和畅洲“父子崩岸”的观测结果表明，强烈的回流冲刷会在原有的窝塘岸线引起“二次崩岸”并形成子窝塘。Hackney等[20]通过湄公河现场实测流速及水下地形，认为窝塘内的堆积体能够降低其临坡面上下游附近的壁面剪切力。随着多波束测深系统等高分辨率水下地形地貌测量技术的发展，前人对崩岸段的微地貌形态及分布特征进行了更为深入的研究。石盛玉等[21]根据坡面上堆积体、冲刷槽等不同类型地貌单元将岸坡分为堆积型、侵蚀型。Zheng等[22]利用长江下游水下地形数据，发现河岸破损后易在坡脚形成冲刷坑、冲刷槽、沙波等伴生微地貌，这些增大岸坡坡度的地貌单元会降低河岸的稳定性。但是，上述研究未考虑到崩岸段滩槽交互带水动力、沉积物粒径空间差异对微地貌适应过程的影响。
本文选取长江下游典型崩岸段，基于高分辨率流速断面观测数据定量划分滩槽交互带水动力区范围，结合沉积物粒度数据和同步观测的高分辨率水下地形，分析地貌对流速区之间水动力突变的微观适应过程和机制。

2 研究区概况和数据获取与处理

2.1 研究区域概况

鹅头型分汊河道相比顺直河道河势演变剧烈，弯曲河槽产生的横向环流与近岸主流叠加使岸滩冲刷加剧，极易形成崩岸[23⇓-25]。本文选取长江下游潮区界内的铜陵河段（30°52′N~31°13′N, 117°31′E~118°03′E）、镇江河段（32°04′N~32°23′N, 119°22′E~119°58′E）作为研究区域（图1），以上两个河段平面形态均为典型的鹅头型分汊河道，主、支汊冲淤交替，平面变化十分频繁，是崩岸频发河段[26]。其中，铜陵河段选取凤凰颈（图1c）和太阳洲（图1d）2个崩岸段，镇江河段选取和畅洲北汊（图1e）、落成洲（图1f）、嘶马港（图1g）和指南村（图1h）共4个崩岸段。
图1 研究区域和崩岸段多波束全覆盖测量范围、ADCP断面、表层沉积物采集样点分布

Fig. 1 Distribution of study area and full multibeam coverage measurements, ADCP transects, and surface sediment collection sample points in bank failure sections

2.2 数据采集

2.2.1 水动力

2022年10月和2023年8月，利用Teledyne RDI公司的船载声学多普勒流速剖面仪（ADCP）获取各测区滩槽交互带断面流速、流向数据。该设备工作频率为600 kHz，理论流速量程±5 m/s；利用配套钢架将该探头固定在船体左侧并用缆绳兜底加固，探头入水深度为0.8 m；测船位置及方向信息由GNSS同步输入。

2.2.2 表层沉积物

2022年10月和2023年8月，水动力测量时同步采集不同位置表层沉积物样品共14个（图1）。采集沉积物厚度约在3~10 cm，均用密封袋保存。室内分析时依次加入浓度为10%的双氧水和稀盐酸去除有机质和碳酸盐类，静置24 h后加入六偏磷酸钠分散，震荡后利用Beckman Coulter LS13320激光粒度仪测定粒度。

2.2.3 微地貌

2016年采用有人测量船搭载RESON Seabeat 7125多波束测深系统获取太阳洲崩岸段高精度水下地形数据；2019年采用无人船搭载RESON Seabeat T50多波束测深系统获取和畅洲北汊、落成洲、指南村共3个崩岸段水下地形数据；2022年10月和2023年8月，采用无人船搭载Norbit多波束测深系统在凤凰颈、太阳洲、和畅洲北汊、落成洲、嘶马港和指南村6个崩岸段的滩槽交互带开展无验潮模式水下地形全覆盖测量；以上3个多波束测深系统的作业频率均为400 kHz，波束的作业开角均控制为120°，采集模式均为等距模型。对上述数据进行了吃水改正、声速改正以及姿态矫正并剔除了异常波束，最后生成分辨率为0.5 m×0.5 m的三维格网模型。

2.3 研究方法

2.3.1 水动力区的划分

ADCP获取的流速数据分解为平行主流方向的纵向流速及垂直河槽方向的横向流速：
u = w c o s ( θ - θ 0 ) v = w s i n ( θ - θ 0 )
式中：u、v分别为纵向、横向流速（m/s），u与主流流向相同时为正值，v垂直于主流流向为正值；w为实测瞬时流速（m/s）； θ和 θ0分别为实测流速与真北方向的夹角（°）、主流流速与真北方向的夹角（°）。
崩岸段滩槽交互带存在靠近主槽的主流区、靠近岸边、流向与主流区相反的回流区以及二者之间流速过渡的掺混区[27-28]。因此，根据前人定义将u < 0，即纵向流速与主流相反的区域划定为回流区，将滩槽交互带横向流速与纵向流速的比值定义为回流强度：
$\alpha=\left|\frac{v}{u}\right|$
用于定量描述滩槽交互带内掺混区与主流区的界限，以回流区以外α ≥ 1，即横向流速大于等于纵向流速的区域定义为掺混区。

2.3.2 壁面剪切力

壁面剪切力是水下岸坡表面水流对泥沙的拖曳力，其反映了近岸水流的冲刷力的大小，是研究泥沙输移、岸坡稳定性等问题的重要参数[29-30]。
τ = ρ u * 2
式中： τ为壁面剪切力（N/m²）； ρ为水密度，取1028 kg/m3； u *为摩阻流速（m/s）。
滩槽交互带水深较浅，床面摩擦使得部分测点流速偏离了对数流速分布规律，但对底床冲刷主要取决于近底流速强度[31]。因此，本文借鉴Hackney等[20]、向暖等[32]方法，取贴近对数流速分布的部分测点数据进行实测流速与床底距离的关系图拟合，通过最小二乘法进行回归，以得到的流速梯度作为摩阻流速。
u ( z ) = u * κ l n z z 0
式中： u ( z )为距壁的实测流速（m/s）； κ为卡门常数，取0.4； z为测点距床底的距离（m）； z 0为粗糙高度，取对应滩槽交互带沉积物的中值粒径 d 50。

2.3.3 沉积物粒径

由于长江中下游各河段水沙过程及河道边界条件的不同，导致泥沙在长江中下游空间分布上具有明显的差异性[33⇓-35]，基于不同河段的表层沉积物样品的中值粒径与分选系数，计算相对中值粒径、相对分选系数，作为泥沙量纲一化的参数代表：
d 50 z = d 50 / d 50 *
式中： d 50 z为相对中值粒径； d 50为滩槽交互带样品的中值粒径（μm）； d 50 *为对应滩槽交互带主槽的中值粒径（μm）；相对分选系数同理可得。

3 结果分析

3.1 水动力分区特征

通过ADCP获取的滩槽交互带水流结构为旋转轴呈铅直方向、与主流垂直的竖直回流（图2）。和畅洲北汊崩岸段断面1~3垂线平均纵向流速 u -分别为-0.12~1.01 m/s、0.37~0.75 m/s、-0.35~0.94 m/s；垂线平均横向流速 v -为-0.23~0.28 m/s、-0.16~0.16 m/s、-0.06~0.19 m/s（图3a~3c）。指南村崩岸段测线4~6的 u -为-0.15~0.61 m/s、-0.18~0.65 m/s、-0.11~0.60 m/s； v -为-0.12~0.07 m/s、-0.12~0.08 m/s、-0.23~0.16 m/s（图4a~4c）。整个滩槽交互带纵向流速变幅大于横向流速，由浅滩向深槽纵向流速逐渐增大，靠近主槽区域的纵向流速显著大于横向流速。
图2 长江镇江河段和畅洲北汊与指南村崩岸段滩槽交互带流速结构

Fig. 2 Flow structure of the bank-channel interactive zone between the north branch of Hechang Island and Zhinancun in the Zhenjiang section of Yangtze River

图3 长江和畅洲北汊崩岸段滩槽交互带垂线平均流速、纵向流速和回流强度断面

Fig. 3 Mean vertical line flow velocity, longitudinal flow velocity, and backflow strength in the bank-channel interactive zone of the north branch of Hechang Island bank failure section of Yangtze River

图4 长江指南村崩岸段滩槽交互带垂线平均流速、纵向流速和回流强度断面

Fig. 4 Mean vertical line flow velocity, longitudinal flow velocity, and backflow strength in the bank-channel interactive zone of Zhinancun bank failure section, Yangtze River

滩槽交互带水动力具有明显的分区特征。根据回流强度α是否≥ 1，纵向流速u是否≤ 0，可分为主流区、掺混区和回流区3个区域。主流区靠近深槽，α < 1，该区域纵向流速较大且分布均匀。掺混区位于深槽向岸的过渡区域内，α ≥ 1，该区域流向紊乱，分为向主流区过渡的“高流速梯度区”和向回流区过渡的“低流速区”两个部分。其中，“高流速梯度区”内纵向流速向岸快速衰减，“低流速区”内纵向流速数值较低。回流区虽部分水流顶冲岸坡，但流向以逆主流方向为主，即u ≤ 0。
以断面5为例，其主流区为距岸195 m以外的区域，α < 1、 u介于0.29~0.67 m/s；掺混区位于距岸80~195 m，α介于0~0.65，在距岸150~250 m为“高流速梯度区”， u -由0.61 m/s降低到0.02 m/s，其平均流速梯度为0.006，在距岸80~150 m之间为“低流速区”， u在-0.04~0.08 m/s之间，流速在0附近震荡；回流区外边界在距岸80 m处，该区域 u -在-0.18~-0.08 m/s之间，方向与主流相反（图4b、4e和4h）。

3.2 壁面剪切力横向变化

根据3.1确定的水动力区范围，和畅洲北汊崩岸段滩槽交互带回流区、掺混区、主流区的壁面剪切力 τ范围分别为0.003~0.252 N/m2、0.002~0.145 N/m2、0.072~0.260 N/m2（图5a），指南村崩岸段对应的各水动力区内 τ值为0.080~0.303 N/m2、0.001~0.221 N/m2、0.012~0.297 N/m2（图5b），两个崩岸段各断面回流区和主流区 τ均大于掺混区。
图5 滩槽交互带壁面剪切力横向变化

注：虚线为水动力区的平均壁面剪切力。

Fig. 5 Variation of boundary shear stress characteristics of bank-channel interactive zone

3.3 表层沉积物粒度空间分布

指南村、嘶马港、和畅洲北汊、凤凰颈崩岸段滩槽交互带样品分析结果表明，表层沉积物（介于11.2~113.2 μm）的中值粒径远小于主槽（介于89~250 μm）（表1）。不同水动力区的表层沉积物粒径级配差异显著，回流区沉积物中值粒径较大，组份在粉砂至极细砂之间，以极细砂为主；掺混区沉积物中值粒径较小，组份在粉砂至极细砂之间，以粉砂为主。
表1 崩岸段河床表层沉积物粒度参数

Tab. 1 Grain size parameters of surface sediments in the riverbed of the bank failure sections

采样点 序号 沉积物体积(%) 中值粒径
(μm)		 u -(cm/s) α 位置 主槽中值粒径(μm)
沉积物粒度参数(μm)
≤ 4 4~63 > 63
凤凰颈崩岸段 1 16.3 39.4 44.3 48.5 -28.6 0.1 回流区 89
2 24.3 50.9 24.8 13.5 4.3 2.1 掺混区
和畅洲北汊崩岸段 3 16.5 42.2 41.3 40.8 -18.7 0.5 回流区 163
4 14.9 32.2 52.9 74.7 -37.8 0.2 回流区
5 15.7 38.8 45.5 49.7 -25.2 0.8 回流区
6 22.4 50.7 26.9 18.5 4.7 2.4 掺混区
7 23.1 50.5 26.4 16.8 -10.5 1.9 掺混区
嘶马港崩岸段
 8 6.5 21.1 72.5 113.2 -23.3 0.3 回流区 250
9 15.4 37.4 47.2 53.1 -2.3 2.2 掺混区
指南村崩岸段 10 21.9 59.5 18.6 18.0 -6.9 1.3 掺混区 162
11 24.5 58.6 16.9 13.6 8.3 1.6 掺混区
12 25.0 63.5 11.5 12.4 6.7 1.6 掺混区
13 27.2 62.7 10.2 11.2 -3.3 3.2 掺混区
14 26.5 61.2 12.3 11.2 -3.9 1.5 掺混区

注：主槽表层沉积物中值粒径来自文献[33]。

回流区相对中值粒径和相对分选系数分别为0.25~0.54和0.35~0.59，掺混区的相对中值粒径和相对分选系数分别为0.07~0.21和0.18~0.34（图6）；相较于掺混区，回流区沉积物粒径较粗且组分分布更均匀。中值粒径和相对分选系数与α具有一定的线性关系，中值粒径和相对分选系数均随α增大而减小，这一现象在回流区更加明显。
图6 滩槽交互带表层沉积物粒度特征

Fig. 6 Changes in surface sediment grain size characteristics in the bank-channel interactive zone

3.4 地貌形态与分布特征

根据多波束测深系统获取的各崩岸段高分辨率水下地形，凤凰颈崩岸段滩槽交互带发育有长度分别为130 m和175 m的两处窝塘，下游侧窝塘内发育有条状窝脊，且存在一道长约150 m，深约25 m的冲刷槽（图7a）。窝塘下游坡脚发育有沙波和堆积体，区域以波高1.2 m的中大型直脊状沙波为主，迎流倾角和背流倾角分别为4.8°和9.6°（图8a）。
图7 长江下游典型崩岸段滩槽交互带水下地形及微地貌特征

Fig. 7 Characteristics of underwater topography and microgeomorphic type in the typical bank failure sections of the bank-channel interactive zones in the lower reaches of the Yangtze River

图8 长江下游典型崩岸段滩槽交互带沙波特征

Fig. 8 Characteristics of dunes in the typical bank failure sections of the bank-channel interactive zone in the lower reaches of the Yangtze River

太阳洲崩岸段分布有两处典型窝崩地貌，两窝塘长度分别为150 m和200 m，窝塘内均存在窝脊。下游处的窝塘发育有长约300 m、深约40 m的冲刷槽（图7b）。和畅洲北汊崩岸段窝塘长度为550 m，内部发育有窝脊、沙波以及侵蚀岸坡；下游长87 m、宽50 m的大尺度堆积体导致岸坡整体抬升、坡度变缓（图7c）。其中，窝塘内部发育鳞状沙波，为波高0.6 m的中小型沙波，迎流倾角和背流倾角基本相等，分别为4.3°和3.7°（图8b）。
落成洲洲头整治工程潜坝后缘出现明显冲刷，滩槽交互带形成上部有沟、水下有坑的复合型侵蚀地貌。坡脚圆形冲刷坑直径约180 m，内部坡度较陡，呈V型，最大深度为32 m，坡度介于0.22~0.76（图7d）。发育于岸坡坡脚的沙波以波高为1.8 m的中大型链珠状沙波为主，迎流倾角和背流倾角为4.5°和10.2°（图8c）。
嘶马港崩岸段滩槽交互带丁坝下游侧发育有侵蚀岸坡，边坡坡度介于0.17~0.84；窝塘中心发育有冲刷形成月牙形冲刷坑，冲刷坑长为100 m，深约为21 m（图7e）。
指南村崩岸段窝崩地貌窝塘长度为300 m，窝塘内未发现高粗糙度微地貌。窝塘外靠近主槽发育有长约460 m，深约42 m的冲刷槽（图7f）。
结合各崩岸段纵向垂线平均流速 u -和垂线平均回流强度 α -断面分布（图9），窝脊发育处的 u -介于-0.266~-0.089 m/s。窝塘内部堆积体发育处 u -介于0.36~1.02 m/s， α -介于0.027~0.826；窝塘外的堆积体主要分布在下游口门处，水流仍以主流为主，即流速远大于0。冲刷槽主要发育在主流区的区域， u -介于0.05~1.1 m/s，纵向流速的横向梯度介于0.005至0.015之间， α -不超过0.826。回流区、主流区均出现沙波，但回流区的小型沙波较为对称的形态，主流区则相反（图8~9）。
图9 长江下游典型崩岸段滩槽交互带垂线平均纵向流速、垂线平均回流强度断面及微地貌分布范围

注：流速断面位置及序号见图7，断面起点为上游侧（或近岸侧）。

Fig. 9 Mean vertical line flow velocity u -, mean vertical line backflow intensity   α - and microgeomorphic distribution ranges in the typical bank failure sections of the bank-channel interactive zone in the lower reaches of the Yangtze River

总体来说，主流区发育大中型沙波、冲刷槽、冲刷坑；掺混区发育堆积体、小型沙波；回流区发育有窝脊、小型沙波。

4 讨论

4.1 崩岸段地貌对水动力分区的适应机制

根据上述分析结果提出崩岸段滩槽交互带动力地貌微观适应机制的概念模型。
第一阶段，堤岸崩塌初期形成单一窝塘，窝塘内竖轴回流导致滩槽交互带水流流速和流向分布重新调整。从深槽向岸边，依次分为出主流区、掺混区和回流区（图10a）。主流区靠近深槽，水流速度大且方向稳定；掺混区则是水流方向开始紊乱的区域，流速逐渐减小；而回流区则靠近岸边，水流方向与主流相反。
图10 崩岸段滩槽交互带地貌对水动力分区的适应机制概念模型

注：红线代表流线，虚线代表流速结构分区。

Fig. 10 Conceptual model of adaptation mechanism of microgeomorphology to hydrodynamic zone in a typical bank failure section of the bank-channel interactive zone

第二阶段，不同的水流流速及回流强度在各水动力区驱动不同的地貌适应过程（图10b）。在回流区，窝塘内部较大壁面剪切力会侧蚀边壁土体，加速它的破碎和输移，使崩岸继续扩张，而剥离不完全的边壁会形成窝脊地貌，较强水动力冲刷使表层沉积物粒径较粗、分选程度较好；在回流区向掺混区过渡的区域，流出窝塘的水流与上游主流方向相反，一部分泥沙被带出窝塘在下游落淤；掺混区内“低流速区”会使一部分泥沙沉积为岸坡提供覆盖保护，此处表层沉积物粒径较细、分选程度较差，易形成堆积体；在掺混区向主流区过渡的区域，水流不断顶冲窝塘口门并改变流向进入窝塘，同时较大的流速梯度导致小尺度涡体产生与破碎，产生强烈紊动，进而形成冲刷槽、侵蚀岸坡等冲刷地貌[16,36 -37]；在主流区，较大流速产生的强壁面剪切力使河槽冲刷加剧，驱动冲刷槽、冲刷坑等冲刷地貌的发育。
第三阶段，掺混区内形成的堆积体使岸上游主流区水流提前转向，加速上游岸坡的侵蚀；同时堆积体的不断发育使回流区水流束窄，加剧窝塘侧蚀；窝塘下游泥沙落淤使床面抬高、坡度变缓（图10c）。
例如，和畅洲北汊崩岸带，靠岸部分受掺混区“低流速区”低速水流的作用与堆积体阻流作用，泥沙淤积、表层沉积物变细，中值粒径为16.8 μm，低于回流区的40.8 μm（表1），岸坡2019—2022年最大淤积高度5.2 m（图11a）。掺混区“高流速梯度区”流速梯度达0.007，远高于崩岸段内的平均值0.003（图3a~3c）；主流区高流速产生的壁面剪切力平均值为0.159 N/m²，远高于崩岸段内的平均值0.113 N/m²（图5a）；高流速梯度和高流速水流冲刷下，靠近深槽的区域处于冲刷状态，最大冲深3.4 m（图11a）。
图11 2016—2023年崩岸段滩槽交互带微地貌演变

注：I为断面起点。

Fig. 11 Microgeomorphic evolution in the typical bank failure sections of the bank-channel interactive zone from 2016 to 2023

指南村崩岸段，冲刷槽横跨掺混区“高流速梯度区”与主流区，区域内流速梯度与平均切应力分别为0.007 N/m2和0.159 N/m2，远大于指南村崩岸段内平均值0.003 N/m2和0.113 N/m2（图4a~4c、5b），2019—2023年冲刷槽最大冲深达15.6 m（图11b）。
凤凰颈崩岸段回流区平均切应力0.126 N/m2，远高于掺混区平均切应力0.067 N/m2，窝脊侧壁受回流的冲蚀，2016—2022年窝脊最大冲刷可达3.2 m（图11c）；回流区表层沉积物粗化，中值粒径为48.5 μm，高于掺混区的13.5 μm（表1）。
落成洲崩岸段冲刷坑范围变化较小，但呈现冲刷坑冲刷加深的现象，2019—2022年最深点加深约3.4 m（图11d）。
此外，窝塘口门外侧靠近主槽发育有中大型沙波，且上游坡度较下游平缓，如凤凰颈崩岸段和落成洲崩岸段（图8a和8c），主要原因是主流区流速较大，且流向指向下游。窝塘内发育有形态较为对称的小型沙波，如和畅洲北汊崩岸段（图8b），这是由于回流区向掺混区过渡区域内水流流速小且流向不稳定造成的[38-39]。

4.2 洪枯季滩槽交互带动力区变化

河流水位和流量的季节性变化改变滩槽交互带流速及水动力区的范围，是影响岸坡稳定性的关键因素之一。以指南村崩岸段为例，与枯季（大通流量9926 m3/s）相比（图4b、4e和4h），断面5洪季（大通流量26538 m3/s）回流区最大逆向流速为-0.3 m/s（图12a），大于枯季的-0.2 m/s；回流区及掺混区范围向主槽扩张（图12b~12c），以上现象主要由主流区高流速水流的补偿产生。更重要的是，洪季回流流速增大会加强窝塘边壁侧蚀，其与主流间更高的流速梯度（枯季为0.006，洪季为0.008）在窝塘内引起更强的紊动[16,36 -37]，加之回流区与掺混区的离岸扩展，崩岸段局部冲刷范围增大。
图12 洪季指南村水动力特征

Fig. 12 Hydrodynamic characteristics of Zhinancun in the flood season

4.3 河道整治工程对动力分区及地貌的影响

一般而言，受丁坝的掩护作用，掩映区内通常产生泥沙淤积，然而丁坝束水、挑流产生的回流、螺旋流等次生流易在坝头前沿及掩映区外产生局部冲刷，影响未护段岸线的稳定和水工建筑物自身的安全[40]。受主流顶冲作用，嘶马港崩岸段丁坝坝头及掩映区下游发现高陡边坡（图7e）。落成洲洲头整治工程虽引导主流左移、限制右汊发展，但其使右汊束窄、水动力增大，水流越过潜坝后对河床掏刷进而在坡脚附近形成大型冲刷坑（图7d），极易诱发崩岸。

5 结论

本文选取长江下游潮区界内的铜陵、镇江河段典型崩岸段作为研究区域，基于多普勒声速剖面仪和多波束测深系统获取的滩槽交互带高分辨率水动力、水下地形同步观测数据，结合沉积物粒度数据，定量划分了水动力区范围，分析了地貌对水动力区的微观适应机制。获得以下结果：
（1）定义纵向流速与横向流速的比值|u/v|为回流强度 α，该参数能够较好地反映崩岸段滩槽交互带水动力的分区特性。可将水流的流速、流向自槽向岸分为主流区（α < 1，u > 0）、掺混区（α ≥ 1）和贴岸回流区（α < 1，u ≤ 0）；主流区流速大且方向稳定，掺混区流速逐渐减小、方向紊乱；回流区水流方向与主流相反，流速为主流区的0~0.3倍。
（2）滩槽交互带回流区和主流区的壁面剪切力τ均大于掺混区，回流区沉积物与掺混区相比粒径较粗且组分分布更不均匀。主流区发育大中型沙波、冲刷槽、冲刷坑，掺混区发育堆积体、小型沙波，回流区发育有窝脊、小型沙波。
（3）主流区较大的流速产生的强壁面剪切力驱动冲刷槽、侵蚀岸坡等冲刷地貌发育；掺混区近主流区一侧的高流速梯度产生冲刷地貌，其余部分低流速使泥沙落淤形成堆积体；回流区较大壁面剪切力会侧蚀边壁土体，使崩岸继续扩张，剥离不完全的边壁形成窝脊。

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