長江口北支下段平面形態(tài)探討

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司 江河整治公司，湖北 武漢 430010；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

長江口北支下段平面形態(tài)探討

陳正兵1陳前海1侯衛(wèi)國1聞云呈2陳黎明2

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司江河整治公司，湖北武漢430010；2.南京水利科學研究院，江蘇南京210029)

基于潮汐河口河相關(guān)系理論與北支近期河道演變分析結(jié)果，在長江口綜合整治開發(fā)規(guī)劃成果基礎(chǔ)上，針對北支下段擬定了3種平面形態(tài)改善方案；基于長江口平面二維水沙鹽數(shù)學模型，分析了3種方案減緩北支河道淤積與控制咸潮倒灌南支的效果。結(jié)果表明，方案一對減緩北支淤積萎縮較為有利，方案三對控制北支咸潮倒灌效果最明顯。研究成果可為長江口綜合整治提供參考。

河道演變；平面形態(tài)；河道淤積；咸潮倒灌；方案研究；長江口北支

1 研究背景

20世紀50年代以來，長江口北支已演變?yōu)闈q潮流占優(yōu)勢的河道，總體呈現(xiàn)緩慢淤積萎縮態(tài)勢[1]?？菁敬蟪逼?，漲潮時潮波劇烈變形，高鹽度、高含沙的潮流倒灌南支，對南支水源地產(chǎn)生不利影響。為延緩北支淤積萎縮速率，減輕咸潮倒灌南支，國務院2008年批準的《長江口綜合整治開發(fā)規(guī)劃》提出了北支上段疏浚、中下段縮窄的近期整治工程措施，并建議遠期在中縮窄工程基礎(chǔ)上，繼續(xù)深入研究北支建閘以及顧園沙潛堤等口門攔沙措施的工程效果及相關(guān)影響[2]。

近年來，長江口地區(qū)實施了大量的岸線調(diào)整工程、河勢控制工程及航道整治工程，北支岸線明顯縮窄，河道邊界條件發(fā)生顯著改變[3]，北支喇叭口平面形態(tài)進一步加劇(見圖1)。咸潮倒灌南支呈加劇趨勢。2014年，陳行水庫受咸潮影響長達13 d 23 h，創(chuàng)歷史之最。因此，為尋找進一步延緩北支淤積萎縮速率和減輕咸潮倒灌南支的治理方案[1]，在長江口綜合整治規(guī)劃基礎(chǔ)上，深入研究來水來沙和河道邊界條件變化下長江口北支改善平面形態(tài)治理方案是十分必要的。

2 治導線研究

治導線為河勢控制工程實施后河道穩(wěn)定平面形態(tài)輪廓線，其確定多以合理河寬為基礎(chǔ)。合理河寬作為河道斷面特征的一個重要要素，可通過反映多年平均的平衡河道斷面特征與動力因素(徑流、潮量及含沙量等)的河相關(guān)系來確定。竇國仁在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，從流域、河流和河口的整體觀點出發(fā)，應用河流動力學的基本規(guī)律和方法，基于河床最小活動性假說，從理論上建立了潮汐河口的河相關(guān)系式，并利用包括錢塘江、射陽江、長江和黃河等在內(nèi)的無潮河流和潮汐河口實測資料進行驗證，公式具有廣泛的適用性。竇國仁河相關(guān)系包括水深和河寬兩個獨立關(guān)系式[4]：

(1)

(2)

圖1 長江口北支河勢(基于2013年地形數(shù)據(jù))(上段：進口至大新河 中段：大新河至三條港 下段：三條港至顧園沙)

根據(jù)近年來北支實測水文資料，連興港斷面大潮落潮平均流量為32 000～37 000 m3/s；大潮落潮平均含沙量為1.4～2.1 kg/m3，懸沙中值粒徑為0.007～0.008 mm，床沙中值粒徑為0.01～0.02 mm?；诟]國仁河相關(guān)系式，不同含沙量條件下連興港斷面河寬隨流量變化關(guān)系見圖2。

圖2 不同含沙量條件下連興港河寬隨漲落潮流量變化

從圖2可以看出，連興港斷面現(xiàn)狀河寬(約7.85 km)遠大于計算河寬。考慮連興港所在斷面崇明北緣不斷淤積、斷面整體萎縮的事實，可推斷連興港斷面實際河寬大于現(xiàn)狀水沙條件所需河寬，該斷面存在進一步縮小的空間。斷面縮窄后，河道水沙條件隨之發(fā)生變化，進而影響斷面的河寬和水深。根據(jù)數(shù)值模型和物理模型相關(guān)結(jié)果[5]，連興港河寬縮窄至6.5 km，落潮平均流量減少約13%。圖2所示為連興港斷面河寬與落潮平均流量關(guān)系(假定河寬縮窄與漲潮量減少呈線性關(guān)系)。隨著斷面河寬縮窄，落潮平均流量減少；落潮平均流量減小則斷面所需的河寬減小，河寬減小進一步導致落潮平均流量減小，落潮平均流量與河寬相互作用。黑粗實線與4條虛線的交點即為連興港縮窄后的合理河寬，為5.8～6.3 km。

基于連興港合理河寬與啟東港河寬，計算得出連興港至啟東港放寬率為2.6%～2.9%。以此放寬率為基礎(chǔ)，推求顧園沙頭部所在斷面合理河寬約為6.3～6.9 km。

圖3 治導線布置方案

根據(jù)上文合理河寬研究結(jié)果，考慮北支下段河道演變趨勢，提出了3種治導線布置方案，見圖3。

(1)方案一。顧園沙成島。目前顧園沙南北兩側(cè)河槽較深且呈現(xiàn)沖刷趨勢，中縮窄工程后顧園沙南側(cè)進一步?jīng)_刷，顧園沙沙體略有淤積，呈現(xiàn)單獨圈圍成島的可能。該方案基本沿-2 m等高線布置治導線、修建圍堤。方案實施后顧園沙斷面河寬為12.0 km，0 m以下過流斷面面積減小5.9%。

(2)方案二。顧園沙并北岸?；陬檲@沙成島方案，在顧園沙北側(cè)深槽修建阻水壩，阻斷北側(cè)水流，阻水壩軸線沿顧園沙頭部與連興港外堤線的連線，同時沿崇明島北緣-4 m等高線布置治導線，修建導堤，導堤長約16.8 km；方案實施后顧園沙斷面河寬為6.5 km，0 m以下過流斷面面積減小44%。

(3)方案三。顧園沙并南岸?；陬檲@沙成島方案，在顧園沙南側(cè)深槽修建阻水壩，阻斷南側(cè)水流，阻水壩軸線走向與北岸岸線保持一致，北岸連興港外修建導堤，長約6.0 km；方案實施后顧園沙斷面河寬為5.5 km，0 m以下過流斷面面積減小60%。

3 河道淤積減緩效果

本次采用的數(shù)學模型多次應用于長江口整治研究，在此對模型原理、計算方法及率定驗證過程等不再作詳細介紹。模型范圍上游為江陰，口外至東經(jīng)124°。模型上游邊界為根據(jù)長江上游以三峽水庫為核心的控制性水庫運用后的水沙條件，采用三峽水庫至長江口徐六涇一維水沙數(shù)學模型，計算出1991～2000年(三峽水庫及上游水庫群聯(lián)合調(diào)度)長時間系列的江陰水沙過程。外海邊界采用調(diào)和常數(shù)法給定與上游邊界同時期的外海潮位過程。運用模型來計算基礎(chǔ)方案(考慮北支中縮窄工程)和3種治導線布置方案下北支河床演變。

為便于分析不同方案實施后河床沖淤量的變化，在北支河段選取6個區(qū)域進行系列年后河床沖淤分析。

表1 系列水沙年條件下各區(qū)域河床沖淤量統(tǒng)計 萬m3

注：“+”表示淤積，“-”表示沖刷。

現(xiàn)狀條件系列水沙年后北支戤滧港以上河段河床沖淤變化較小，其中上段總體淤積，中段沖刷，下段淤積，戤滧港以下沖刷。方案一實施后北支河道沖淤變化主要表現(xiàn)為顧園沙附近有明顯沖刷，其他各段沖淤變化不大。方案二實施后北支河道沖淤量的變化主要表現(xiàn)為北支上段淤積量有所減小，中下段因漲落潮流速的大幅減小，河床淤積明顯，戤滧港以下沖刷較明顯。方案三實施后北支上段淤積量有所減小，中下段因漲落潮流速的大幅減小，河床總體有所淤積；戤滧港以下沖刷較明顯，但沖刷明顯小于方案二。

圖4 系列水沙年條件下3種方案引起的河床沖淤情況

系列水沙年下不同方案引起的沖淤變化見圖4。方案一引起的沖淤變化主要集中在顧園沙附近。方案一實施后，北支沿程漲落潮流量及流速變化較小，引起的沖淤變化也較小。顧園沙圈圍邊緣總體有所沖刷，北側(cè)通道內(nèi)略有淤積，南側(cè)變化較小。方案二實施后，靈甸港以上河床略有沖刷；燈桿港-崇啟大橋附近工程引起的沖淤交替分布；崇啟大橋-連興港附近總體呈現(xiàn)淤積的態(tài)勢；兩導流堤間呈現(xiàn)沖刷趨勢，北側(cè)掩護區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)較大的淤積。方案三實施后，隨著北支出口漲潮量攜帶進入泥沙的減少，青龍港以上河床略有沖刷；青龍港-崇啟大橋附近工程引起的沖淤交替分布，總體略有淤積；崇啟大橋-連興港附近總體呈現(xiàn)淤積的態(tài)勢；北支口外，兩導流堤間呈現(xiàn)沖刷的趨勢，掩護區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)較大的淤積。

總體看來，方案一對北支河床沖淤影響不大；方案二、三對北支下段影響較大，特別是兩導流堤內(nèi)沖刷明顯，三條港至連興港明顯淤積，對北支下段河道明顯不利。

4 咸潮倒灌控制效果

2014年2月長江口發(fā)生了較為嚴重的咸潮入侵。利用此次測驗資料對不同方案下南、北支的鹽度變化情況進行對比分析。

表2給出了3種方案下北支崇頭、青龍港、三條港、連興港，南支青草沙、陳行和東風西沙等主要水源地及典型站點在2014年2月鹽度的最大值與平均值?？梢钥闯?，①方案一北支4個站點鹽水濃度與現(xiàn)狀比較一致；②方案二北支三條港、連興港受南支低濃度鹽水的影響，低于現(xiàn)狀工況，此時南支鹽水濃度情況與現(xiàn)狀工況最為接近；③方案三北支受到北部高濃度鹽水的影響，高于現(xiàn)狀工況。從南支主要水源地的鹽度變化看，方案三北支鹽水濃度較高，但受潮動力減弱的影響，南支水源地的鹽水濃度下降明顯。

表2 主要水源地及站點鹽度變化比較

表3 北支進口鹽度通量變化比較

表3為在2014年2月小潮、中潮、大潮期間，3種方案下北支進口鹽度通量的變化情況。北支倒灌南支的鹽度通量大潮最大，中潮其次，小潮最小。3種方案下，北支進口斷面咸潮倒灌的鹽度通量均有所降低，其中方案二的鹽度通量與現(xiàn)狀工況最為接近，其次方案一和方案三鹽度通量減少最多，小潮減少最多在36%左右，與3種方案下南支各站點的鹽度變化趨勢一致。

5 方案比較

從減緩河道淤積效果來看，方案一北支進口段處于淤積狀態(tài)；方案二、三，北支進口段仍處于淤積狀態(tài)，但淤積量有所減小。基礎(chǔ)方案條件下，北支中段處于沖刷狀態(tài)，方案一、二、三下北支中段仍處于沖刷，且變化幅度不大；北支三條港-戤效港受不同方案影響明顯，方案一該段略有沖刷，但方案二、三該段明顯淤積，且方案三淤積量大于方案二；戤滧港以下段，方案一與基礎(chǔ)方案比較一致，方案二、三在導流堤作用下河床明顯沖刷，導流堤掩護區(qū)明顯淤積。

從控制咸潮倒灌效果來看，3種方案實施后，北支進口咸潮倒灌的鹽度通量均有所減小，其中，方案三鹽度倒灌通量減小最多，約為21.9%，方案一鹽度倒灌通量減小約12.6%，方案二鹽度倒灌通量減小約6.6%。從南支重要水源地鹽度變化情況來看，方案三南支各水源地鹽度平均值降低最多，約為24.48%。方案一南支各水源地鹽度平均值降低約16.5%，方案二南支各水源地鹽度平均值略有增大，約增加5.1%。南支各水源地鹽度變化規(guī)律與北支進口咸潮倒灌鹽度通量密切相關(guān)，鹽度倒灌通量越大，南支水源地鹽度值越高?？梢钥闯?，方案三對控制咸潮倒灌和降低南支各水源地鹽度值最為有利。

6 結(jié) 語

本文基于北支河道演變分析與河相關(guān)系理論提出針對北支3種平面形態(tài)改善方案，并以水沙鹽數(shù)學模型為手段，對比分析了3種方案對減輕河道淤積與控制咸潮倒灌的效果。分析結(jié)果表明，方案一對北支河床沖淤變化影響不大，方案二、三北支下段淤積加重，導流堤間明顯沖刷。方案三控制咸潮倒灌效果最好，南支水源地鹽度值明顯降低，但受連興港北沿高鹽度潮流影響，北支鹽度值較高。

[1] 王俊, 田淳, 張志林. 長江口河道演變規(guī)律與治理研究[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2013.

[2] 長江水利委員會.長江口綜合整治開發(fā)規(guī)劃報告[R].武漢,長江水利委員會，2008.

[3] 陳正兵,陳前海,謝作濤.長江口北支近期水沙特性及河道演變特征[J].人民長江, 2016,47(23):5-9.

[4] 竇國仁.平原沖積性河流及潮汐河口的河床形態(tài)[J] .水利學報, 1964(2):1-13.

[5] 長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司.長江口北支近期河道綜合整治工程可行性研究報告[R].武漢：長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司,2016.

(編輯：李曉濛)

2017-09-15

長江口重大工程安全風險評估及調(diào)控技術(shù)(2017YFC0405404);變化環(huán)境下長江江蘇段河道演變規(guī)律及綜合治理關(guān)鍵技術(shù)研究(2015004)

陳正兵,男,長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司江河整治公司，高級工程師.

1006-0081(2017)11-0064-05

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