冲积型河流中存在大量的边心滩, 其演变过程受来水来沙条件、河道边界、河床组成及人类活动等影响, 在潮汐河段受双向来水来沙的影响。长江中下游航道演变分析表明, 边心滩冲刷及周期性变化, 决定着航道条件的优劣。在流域来沙量减少的条件下, 边心滩低滩部分的冲刷增加了枯水河宽, 使得边滩头部及汊道进口的水动力减弱, 进而出浅碍航^[1-2]。但是, 也存在部分边滩, 在来沙量减少条件下仍为淤涨(长)态势, 逐渐挤压设计航槽或改变下游汊道分流的稳定性等, 如东流水道娘娘树边滩^[3]、江心洲水道牛屯河边滩^[4]及福姜沙水道靖江边滩^[5-6]等。因此, 进一步开展边滩与浅滩演变的驱动机制, 明确其演变过程对航道条件及航道疏浚维护均具有重要科学价值及工程实践意义。

落成洲河段处于长江枯季潮流界变动段, 三峡工程运行后来沙量减少引起的冲刷已达到该河段^[7]。近年来左岸三益桥边滩发育明显, 航槽逐渐偏移至河道中部或偏右岸侧。2010年以来, 落成洲河段维护性疏浚量较大, 南京—天生港河段中仅次于福北水道^[8]。2015年8月以来, 落成洲河段洲头守护工程的实施, 显著改善了三益桥下浅区12.5 m水深的航道条件。一般而言, 大水年份浅滩的碍航程度大, 维护性疏浚量也越大, 如沙市河段、东流水道、福姜沙水道等^[9]。分析1976—2009年资料可知, 落成洲河段进口段主流右摆, 同时落成洲洲头低滩冲刷, 使得过渡段主航槽水流动力相对减弱是三益桥浅区航道条件趋差的主要诱因^[10-11]；分析1976—2007年资料可知, 三益桥浅滩段与上下游河段相比较, 过渡段水流分散, 且浅滩段洪水水流偏离航槽, 加上淮河入江水流顶托的影响, 输沙能力骤然下降, 泥沙易于落淤, 是这一时期三益桥浅滩形成的主要原因^[12]。长江中下游径流段, 洪水期淤积作用在过渡段形成局部沙埂或零星沙包, 汛后退水期持续时间短, 浅滩未得到有效冲刷, 影响枯水期的航道条件^[1], 如沙市河段、东流水道等。在径流河段, 大水年的航道疏浚维护量高于中枯水年份^[9]。2016年为三峡工程运行以来的大水年份, 2017年为中水年份, 但2017年落成洲河段的维护性疏浚量高于2016年^[8], 与径流河段的研究认识不一致。目前, 南京以下12.5 m深水航道二期工程已进入运行维护期, 其维护性疏浚量大小与三益桥边滩的演变密切相关。仍需进一步阐明三益桥边滩、浅滩演变的驱动机制, 支撑航道维护及后续航道工程规划。

本研究利用1976—2017年落成洲河段实测水文、地形资料, 在汊道分流比与流量关系、河床冲淤分布、边滩及浅滩演变过程等分析基础上, 结合上游汊道分流比、河势及汊道分流比调整等传递作用, 考虑来流条件、供沙来源、淮河入江等因素, 研究枯季潮流界变动段三益桥边滩、浅滩演变驱动机制。

1   研究区域及资料处理

1.1   研究区域

落成洲河段位于长江下游潮汐河段内(图 1(a)), 为弯曲分汊河型(图 1(b)), 其上游为和畅洲汊道, 中间由五峰山弯道连接。三益桥边滩位于落成洲河段进口段的左岸(图 1(c)), 与落成洲心滩形成对峙的边心滩格局。落成洲河段已实施了两期的航道整治工程:一期工程内容为落成洲洲头护滩工程(实施年份为2011—2012年)；南京以下12.5 m深水航道二期工程内容为落成洲头部潜堤(长度为1 700 m)、潜堤左侧和右侧各2条丁坝、落成洲左缘3条丁坝。二期工程落成洲河段的工程于2015年6月开始施工, 2016年1月铺排施工完成, 2016年3月头部潜堤施工完成, 2016年9月右汊丁坝及护底带施工完成, 至2017年5月工程全部竣工, 并进入运行维护期。

图  1  长江下游落成洲河段地理位置及河势

Fig.  1  Geographical location and river regime map of the Luochengzhou reach in the lower reaches of the Yangtze River

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1.2   资料来源及分析内容

本研究收集了1976—2009年期间落成洲河段12.5 m等深线数据以及2011—2018年期间13套实测水深数据, 分析三益桥边滩12.5 m等深线及以浅滩体形态的变化；以2016年5月、2016年8月、2017年5月和2017年8月地形为基础, 分析三益桥边滩及浅滩区域代表断面冲淤分布；收集1980—2017年大通水文站流量数据, 2016—2017年淮河入江流量, 分析边滩及浅滩演变与流量大小及过程的关系；以2016年2月、2016年8月、2017年2月及2017年8月水文测验资料, 分析不同流量条件下三益桥边滩区域的流速及流向变化特征。本文研究采用的地形数据来源于长江南京以下深水航道建设工程指挥部, 水文泥沙资料来源于长江水利委员会长江水文局。

1.3   来水来沙条件

以三峡工程运行年份划分, 1980—2002年、2003—2017年的年均径流量为9 266亿m³、8 624亿m³, 输沙量为3.77亿t、1.37亿t；与1980—2002年相比, 2003—2017年年均径流量和输沙量分别减少6.93%和63.54%(图 2), 含沙量减少60.95%。大通站含沙量与潮汐河段悬沙浓度存在单调函数关系^[13], 表明近年来流域来沙量的减少, 已引起潮汐河段的悬沙浓度出现同步性减少态势。

图  2  长江流域来水来沙条件

Fig.  2  Incoming water and sediment conditions in the Yangtze River basin

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2   落成洲河段汊道分流比、边滩及浅滩演变特点

潮流界位置为涨潮流速为0的断面^[14], 这一断面位置的上下游一定范围内为低流速区。实测资料计算表明, 长江枯季潮流界变动范围为南京—江阴段, 中枯水流量时期活动在落成洲河段^[14]。

2.1   汊道分流比变化

2003—2018年期间, 落成洲左汊分流比表现出先减小后增大的变化特点(图 3(a))。2012—2018年期间, 落成洲河段实施了两期的航道整治工程, 工程的目标之一是稳定分流格局, 2015年以来落成洲左汊分流比较2011—2015年期间为增大态势, 与模拟计算结果一致^[15], 说明工程基本实现了预期。2003—2018年期间, 当大通站流量小于28 000 m³/s时, 随着流量增加落成洲左汊分流比减少, 流量大于28 000 m³/s时, 随着流量的增加落成洲左汊分流比增大。在长江中下游径流控制的分汊河段, 在人类活动干扰较小或是自然状态的分汊河段, 某一汊道的分流比与来流流量表现为单调函数关系, 即随着流量增加分流比增大或减小态势^[16]。在潮汐河段, 当流量大于某一流量级时, 汊道分流比受河道形态、边心滩等影响^[17]。对于落成洲河段, 汊道分流比与流量关系与径流控制段不同, 这与本河段的径潮流水动力强度、河道形态等有关。

图  3  落成洲河段右汊分流比与大通站流量关系

Fig.  3  Relationship between the diversion ratio of the right branching channel in the Luochengzhou reach and the discharge at Datong station

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2.2   三益桥浅滩与边滩演变关系

2.2.1   三益桥边滩与浅滩演变过程

1976—2002年期间, 三益桥浅滩段12.5 m槽以上下交错的形式断开, 大水年份断开距离较大, 1998年和1999年断开距离分别为1 800 m和4 680 m。2003—2009年期间, 三益桥边滩12.5 m以浅滩体与落成洲左缘分离, 12.5 m槽贯通。2007年以来, 三益桥边滩尾部形态变化较大, 落成洲心滩头部12.5 m槽为后退态势, 如2008年在河道中部出现水深不足12.5 m的浅包。从航道水深条件上看, 三峡工程运行后三益桥浅滩段的航道条件改善。主要原因有两个:径流条件上, 三峡工程运行后的2003—2009年期间未出现大洪水, 碍航程度较1998—1999年有所减弱；输沙条件上, 三峡工程运行后大通站输沙量大幅减少, 落成洲河段悬沙浓度为同步减少态势, 在河道冲刷发展的同时也一定程度改善了航道水深条件。2009年以来, 三益桥边滩12.5 m水深以浅滩体与落成洲左缘分离, 变化集中在三益桥边滩尾部, 以淤宽下延为主, 即下浅区航道水深条件较差。2016年5月以来, 三益桥边滩尾部冲刷上提, 下浅区12.5 m水深航道条件改善(图 4)。

图  4  三益桥边滩与浅滩演变年际变化(12.5 m等深线)

Fig.  4  Inter-annual change of the evolution of Sanyiqiao point bars and shoals (depth contour is 12.5 m)

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2.2.2   三益桥边滩体积变化

2012年12月以来, 三益桥边滩10.0 m和12.5 m以浅滩体体积为增大态势(图 5)；2012年12月—2017年8月期间, 三益桥边滩10.0 m和12.5 m以浅滩体体积分别增加了667万m³和987万m³；2015年8月—2017年8月期间, 三益桥边滩10.0 m和12.5 m以浅滩体体积分别增加了460万m³和640万m³。2016年5—8月三益桥边滩10.0 m、12.5 m以浅滩体体积分别增加了346万m³和467万m³, 2017年5月—2017年8月三益桥边滩10.0 m、12.5 m以浅滩体体积分别增加了143万m³和255万m³, 表明大水年份的洪季三益桥边滩显著淤积。

图  5  三益桥边滩及浅滩体积变化

Fig.  5  Volume change of Sanyiqiao point bars and shoals

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2.3   三益桥浅滩与边滩演变关系

2.3.1   三益桥边滩航道条件变化

图 6(a)为1976—2017年期间三益桥浅滩段12.5 m水深航道条件变化, 分析表明: 1976—2002年期间, 三益桥浅区12.5 m水深的航道条件变幅较大, 大水年份碍航程度大, 12.5 m槽以断开为主, 如1998年和1999年。三峡工程运行初期, 三益桥浅区的航道条件显著改善, 12.5 m槽逐渐贯通, 最大宽度达500 m以上。2012—2014年期间, 三益桥浅区航道条件相对较差, 主要与2012年大水有关。随着二期工程效果的逐步发挥, 三益桥边滩尾部冲刷上提, 下浅区的航道条件显著改善, 航宽不足的区域已上提至三益桥边滩的中上段(称为上浅区), 航道宽度小于350 m(航道规划宽度为350 m)。2017年8月三益桥边滩上浅区设计航槽内12.5 m槽有效宽度仅7 m, 需进行疏浚维持航道畅通, 2017年的年疏浚量为102.3万m³(图 6(b))。

图  6  三益桥浅滩段12.5 m水深航道条件变化

Fig.  6  Change in the conditions of the 12.5 m-deep waterway in the shallow area of Sanyiqiao shoals

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2.3.2   三益桥边滩与浅滩演变关系

2016年5月、2016年8月、2017年5月和2017年8月水深测图显示(图 7), 三益桥上浅区设计航槽内均存在水深不足12.5 m沙体。2016年8月与5月比较, 上浅区设计航槽内水深不足12.5 m的长度、最大宽度分别增加了2 610 m和132 m, 2017年8月与5月比较, 分别增加了1 110 m和130 m。2012年以来, 三益桥边滩为淤涨(长)态势, 边滩逐渐挤压设计航槽, 2016年5—8月、2017年5—8月期间12.5 m水深航道条件趋差。两时段内三益桥下浅区设计航槽均以冲刷为主, 2016年8月和2017年8月三益桥下浅区12.5 m槽均贯通, 且宽度大于350 m。从断面变化上看(图 7) : 2016年8月与5月比较, 三益桥边滩大幅淤积, 对应设计航槽冲刷; 2017年8月与2017年5月比较, 三益桥边滩淤积幅度小于设计航槽。

图  7  2016年5月和8月、2017年5月和8月落成洲浅区12.5 m水深条件变化

Fig.  7  Change in the conditions of the 12.5 m-deep waterway in the Luochengzhou shallow area in May and August during 2016 and 2017

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3   落成洲河段边滩、浅滩演变的驱动成因

南京以下12.5 m深水航道二期工程设计阶段, 开展了口岸直水道航道整治工程数学模型计算和物理模型试验, 从工程效果上看, 落成洲河段航道整治工程目的之一是改善下浅区航道条件, 对三益桥边滩中上段(上浅区)影响不大^[18], 表明三益桥边滩中上段的演变与二期工程的关系不显著。依据阻隔性河流理论^[19-20], 弯曲河段在满足一定条件时, 具有阻隔上下游分汊河段河势调整的长河段传递作用。落成洲河段与和畅洲汊道由五峰山弯道连接, 识别五峰山弯道是否具有阻隔上游河势调整的传递作用, 可进一步明确三益桥边滩、浅滩演变的主控因素。

3.1   汊道分流变化的影响

上下游长河段河势调整的关联性, 首先是水动力的关联性, 汊道分流比的联动关系最为直接。2002年以前和畅洲左汊分流比增大态势, 由1971年27%增加至2002年76.1%, 下游太平洲左汊分流比在87.1%~91.5%之间(平均值为89.3%), 在分流比对应上, 和畅洲汊道分流比变化与太平口汊道分流比关系不显著(图 8)；和畅洲左汊二期工程实施后, 2002—2014年期间左汊分流比增幅显著小于2002年以前, 同时太平洲、落成洲左汊分流比与和畅洲左汊分流比关系不显著。2014—2017年期间和畅洲左汊分流比减少, 太平洲左汊分流比较为稳定, 落成洲左汊分流比增加, 从数值上看上下游汊道分流比对应关系较好。2015年以来, 南京以下实施了12.5 m深水航道二期工程, 工程的目的之一是限制和畅洲左汊、增加落成洲左汊分流比, 分流比变化主要是工程影响。综合航道整治工程影响, 分析认为上游和畅洲汊道分流比调整对下游汊道分流比的影响较小。

图  8  和畅洲汊道与落成洲汊道分流比的对应关系

Fig.  8  Corresponding relationship between the diversion ratios of the Hechangzhou branching channels and Luochengzhou branching channels

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3.2   上游河势调整传递的影响

对于长江中下游径流控制河段, 充分考虑来流流量大小及过程、河岸组成、河相系数、水面比降等参数, 建立了识别弯曲河段阻隔性强弱的计算公式^[19-20] :

式中: R₀/R_*为河湾曲率半径对水流动力轴线弯曲半径的约束作用, 该值越小, 表明河湾曲率半径对水流动力轴线弯曲半径约束作用越大, 主流相对摆幅越小, 河段的阻隔性增强；Q、Q_max和Q_min为大通站年均、最大和最小流量, 万m³/s；B和h₀为平均河宽和水深, m；λ为节点挑流强度；L为节点突出河岸的程度，m; g为重力加速度；φ为河流的弯曲度；ρ为水体的密度；J为比降；ζ为河相系数；M为岸滩地质综合评分；d为床沙中值粒径, mm。

利用长河段二维潮流泥沙数学模型, 以2017年8月为起始地形, 计算不同流量条件下五峰山弯道的阻隔性强弱, 计算结果表明(图 9) :当大通站流量大于60 000 m³/s时, 五峰山弯道阻隔性减弱, 上下游河道的河势变化具有一定的联动关系；大通站流量小于60 000 m³/s时, 五峰山弯道具有阻隔上游和畅洲汊道河势调整的传递作用。2003年以来, 大通站流量大于60 000 m³/s以上天数显著减少, 2003—2017年期间该流量级天数占全年比例约为3%。综上, 五峰山弯道具有阻隔上游河势调整的传递作用, 上游和畅洲汊道河势调整对落成洲河段的影响较小。

图  9  五峰山弯道阻隔性强弱变化

Fig.  9  Change in barrier strength of the Wufeng Mountain bend

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3.3   上游河床冲刷供沙的影响

统计2015年8月—2017年期间和畅洲水道进口—五峰山段、三益桥边滩的冲淤量(表 1, 统计范围见图 1), 上游和畅洲汊道的河床冲刷量越大, 三益桥边滩10.0 m和12.5 m以浅滩体的淤积量越大。从供沙关系看, 上游河道的河床冲刷为三益桥边滩及浅滩淤积提供大量沙源。

表  1  和畅洲水道河床冲淤量与三益桥边滩淤积量关系

Table  1  Relationship between the amounts of deposition and erosion of the Hechangzhou waterway and the amount of erosion of the Sanyiqiao point bars

统计时段	和畅洲水道河床 冲刷量/万m3	三益桥边滩体积/万m3		三益桥边滩12.5 m以浅滩体淤积量/ 和畅洲水道河床冲刷量/%
		10.0 m	12.5 m
2015年8月—2016年5月	293	56	69	23.55
2016年5月—2016年8月	1 745	346	472	27.05
2016年8月—2017年2月	480	186	251	52.50
2017年2月—2017年8月	727	223	334	45.94

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3.4   来流过程的影响

在三益桥边滩12.5 m等深线附近选取特征点, 利用2016年2月、2016年8月、2017年2月和2017年8月实测断面及潮周期内流速测验资料, 分析不同流量条件下潮周期内断面及代表点位底层流速及流向变化(图 10, 采样断面及特征点位置见图 1), 结果表明:小流量时落潮流向偏向于深槽, 有利于增强设计航槽内的水动力, 底沙沿深槽方向输移, 即枯水期航道条件相对较好；大流量时期, 涨潮和落潮时期底层流向均指向三益桥边滩, 即三益桥边滩淤积, 如2016年5—8月；在中水流量时, 涨潮和落潮时期的流向集中在12.5 m等深线边缘附近。当潮流界活动在落成洲河段时, 水动力减弱易于泥沙淤积, 即中水流量作用天数长, 三益桥浅滩段的碍航程度大, 如2017年5—8月。在断面流速分布上, 2017年与2016年比较, 三益桥边滩区域的流速增大, 使得边滩的淤积幅度相对较小。

图  10  不同流量条件下三益桥边滩区域潮周期内底层流速及流向特征

Fig.  10  Variation in the tidal cycle flow direction in the Sanyiqiao point bar area under different discharge conditions

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河床冲淤分布上, 2016年5—8月落成洲河段淤积集中在三益桥边滩区域, 2017年5—8月淤积集中在设计航槽内。12.5 m水深条件上, 2016年5—8月、2017年5—8月设计航槽内12.5 m等深线宽度小于350 m, 但2017年5—8月碍航宽度高于2016年5—8月。2016年汛期大通站流量大于45 000 m³/s天数高于2017年(图 11), 对应三益桥边滩10.0 m和12.5 m水深以浅滩体淤积量2016年大于2017年, 表明汛期流量大是三益桥边滩淤积量大的主要驱动因素。2017年5—8月期间大通站流量在26 000~34 000 m³/s之间的天数为81 d, 明显高于2016年(20 d)及2003—2015年期间(平均值为13 d, 最大值为33 d, 最小值为5 d), 即中水年份且中水流量持续天数长是三益桥浅滩段碍航的主要驱动因素。

图  11  大通站流量过程变化

Fig.  11  Change in discharge at Datong station

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3.5   淮河入江和下游河道演变的影响

(1) 淮河入江的影响  淮河入江口位于嘶马弯道进口段北岸, 从平面形态来看, 正对落成洲洲头, 几乎与长江正交。2016年淮河入江径流量集中在6月、7月、10月下旬及11月, 年内流量为3 600 m³/s, 占总流量比例为5.17%；2017年集中在9月—11月上旬, 年内最大半月流量为4 610 m³/s, 占总流量比例为12.32%(图 12)。

图  12  淮河入江流量与长江大通站流量关系

Fig.  12  Relationship between the inflow of Huaihe River and the discarge of Datong station

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物理模型试验表明^[21], 淮河入流造成长江水域局部水位壅高较多, 对长江行洪不利；入流口以上流速减小会加剧洪水期泥沙落淤, 特别会影响三益桥航道畅通；入流口以下流速增大, 近岸流速的增大对护岸工程不利。数学模型计算表明^[22], 淮河大流量入汇, 淮河入江口以上三益桥边滩、左汊12.5 m设计航槽内淤积幅度和范围均有所增加, 使得落成洲左汊设计航槽内水深不满足12.5 m的最小宽度较不考虑淮河入汇时有所增加。数学模型和物理模型试验中, 基于单一的淮河入江流量与大通站流量组合, 考虑的是最不利工况。实际上, 淮河入江流量受蚌埠闸控制, 入江流量大小对落成洲河段的影响需注重累积效应。从2016年和2017年淮河入江与大通站流量总和上看, 2016年淮河入江流量偏大时期, 潮流界位置并不在落成洲河段, 对泥沙淤积的影响偏小；2017年淮河入江流量较大时期, 汛前和汛后的总流量均长时间处于中水流量附近, 使得落成洲河段浅滩淤积量大, 进而维护疏浚量增大。

淮河入江流量变化对落成洲河段边滩及浅滩演变产生一定的影响。无论入江流量大小, 对入汇口上游的三益桥边滩及浅滩的演变均会产生一定影响；淮河入江增加了长江干流的流量, 抑制下游涨潮流的顶托, 减少潮流界活动在落成洲河段的时间, 可减缓落成洲河段由于潮流界低流速产生淤积的影响。

(2) 下游河道演变的影响  三益桥边滩下游为嘶马弯道, 历史时期这一弯道是落成洲河段重点的崩岸区域。20世纪70年代以前, 河道处于自然状态, 嘶马弯道岸线的崩退较为剧烈; 经过护岸整治后, 岸线崩退有所控制, 但由于护岸工程标准偏低, 崩岸险情时有发生。具体影响为:下游受嘶马弯道发生大幅崩岸时, 主流顶冲点下移, 使得洪水主流右摆趋中、深泓向中右侧发展, 这一时期加速了三益桥边滩尾部的淤积延伸。1976—2001年期间, 嘶马弯道段共完成护岸长度10 km, 累计兴建护岸丁坝10座、沉柴排7.33万m³、沉软体排10.89万m³, 抛石261万t^[23], 2006年以来嘶马弯道的岸线崩退得到控制, 对上游三益桥边滩及浅滩的影响逐渐减弱。

上游和畅洲汊道分流比、河势调整对下游落成洲河段进口的水动力影响较小, 流量大小及年内过程、河道内水动力的综合作用是三益桥边滩及浅滩演变的主要驱动因子。其中, 流量过程决定了滩槽的冲淤分布, 中水流量持续时间及供沙量决定了三益桥边滩淤积量及浅滩碍航程度, 淮河入江的影响程度需与淮河入江流量及大通站流量组合进行关联分析。

4   结论

(1) 落成洲河段处于枯季潮流界变动范围内, 左汊分流比随来流量增加表现为先减小后增加的变化特点, 临界转换流量约为28 000 m³/s(大通站)；在来沙减少的条件下, 三益桥边滩10.0 m和12.5 m水深以浅滩体体积为增大态势, 大水年份三益桥边滩淤积, 设计航槽及深槽冲刷, 中水年份滩面淤积厚度小于深槽。上游河道的冲刷, 为三益桥边滩的淤积提供了丰富的沙源。

(2) 三益桥上浅区的碍航程度与年内径流过程相关, 整体上洪季碍航程度大于枯季, 在中水流量(26 000 m³/s < 大通站流量 < 34 000 m³/s)作用天数长的年份碍航程度高于大洪水年份同时期。上游五峰山弯道对水流的约束能力强, 使得上下游汊道分流比关联性弱, 具有阻隔上游和畅洲河势及汊道分流比调整的传递作用, 三益桥边滩及浅滩的演变主要受来流流量大小及过程、上游河道冲刷供沙等影响, 其中流量过程决定边滩及浅滩的冲淤分布, 中水流量持续时间及供沙量大小决定三益桥边滩及浅滩的淤积量。淮河入江对三益桥边滩及浅滩演变存在一定影响, 其影响程度与淮河入江流量及大通站流量组合有关。