長江口橫沙通道近期演變及水動力特性分析

萬遠揚 ，孔令雙 ，戚定滿 ，顧峰峰 ，王 巍

（1.上海河口海岸科學研究中心，上海 201201；2.聯(lián)合國教科文組織－水教育學院，代爾夫特2601DA）

長江口橫沙通道近期演變及水動力特性分析

萬遠揚1，2，孔令雙1，戚定滿1，顧峰峰1，王 巍1

（1.上海河口海岸科學研究中心，上海 201201；2.聯(lián)合國教科文組織－水教育學院，代爾夫特2601DA）

基于近十年來的實測水文地形資料，分析了橫沙通道河床演變基本特性和水、沙變化情況，初步揭示了橫沙通道的基本演變趨勢和動力特性。同時利用數學模型（SWEM），統(tǒng)一邊界條件后，詳細比較多年來橫沙通道水動力因子變化過程，包括潮位、流速、流向、優(yōu)勢流等；通過長系列統(tǒng)一邊界的潮流數模計算比較，分析了橫沙通道水動力特性。最后結合實測資料及數模計算結果，分析了橫沙通道的變化情況與北槽和北港變化情況的基本關系以及基本發(fā)展趨勢。

SWEM；地形演變；數值模擬；長江口；橫沙通道

Biography：WAN Yuan-yang（1981-），male，assistant professor.

橫沙通道（北緯31.3度，東經121.8度，圖1）位于長江口長興島和橫沙島之間，兩側分別連接長江三角洲最大的2個入海通道——北港與北槽，是北港與北槽之間水量、泥沙交換的重要通道。目前該通道平均寬約1.2 km，長約8 km，貫通水深約10 m（本文中高程系統(tǒng)均為吳淞基面）。橫沙通道也是長江口水域唯一一條獨立的、南北向連通通道，是北港和北槽入海前的勾通交換渠道。由于該通道相對整個長江口而言尺度甚小，且目前狀況良好［1］，所以一直以來對該通道的研究較少。

隨著長江口航道的持續(xù)開發(fā)以及崇明三島戰(zhàn)略地位的不斷升級［2］，有必要深入研究橫沙通道的演變規(guī)律與發(fā)展趨勢，以便為附近水域的航道、港區(qū)開發(fā)提供科學參考。最重要的是，通過橫沙通道演變規(guī)律的研究，能從側面反映現今長江口北槽和北港2個主通道的動力特性及演變趨勢。本文將基于長江口橫沙通道近十多年來的實測地形演變和水動力變化資料，結合大小嵌套的二維水動力數值模擬［3］，詳細比較多年來橫沙通道水動力因子變異過程，并著重分析橫沙通道的發(fā)育過程與北槽和北港演變之間的響應關系。

圖1 橫沙通道位置圖Fig.1 Position of Hengsha Watercourse

1 近期演變概要

橫沙通道是北港與北槽之間水量交換的重要通道，隨著長江口深水航道一、二期工程的建設和北港河勢的變化（橫沙島西北端的沖刷），近十年來大致經歷5個發(fā)展階段：（1）1998年9月～1999年11月，隨著一期工程的實施，橫沙通道呈發(fā)展態(tài)勢，平均水深小于9 m。（2）1999年11月～2000年5月，尤其是2000年3月橫沙東灘竄溝基本封堵以后，一部分經橫沙東灘竄溝主通道進行交換的水量改由橫沙通道進行交換，橫沙通道5 m以下河槽容積迅速增加，平均水深超過10.0 m。（3）2000年5月～2002年5月，槽內平均水深為10.02～10.31 m。（4）2002年5月～2003年11月，河槽容積緩慢增加，平均水深為10.90 m。（5）2003年11月～2006年2月，略有淤積，平均水深約為10.74 m。

由此可見，2003年11月以來，橫沙通道較為穩(wěn)定。

從橫沙通道河槽的近期演變過程看，2004年8月以來，橫沙通道河槽容積和平均水深均呈規(guī)律性變化，即5～11月洪季期間，以沖刷為主，河槽容積和平均水深逐漸增加；11月至次年5月枯季，以淤積為主，河槽容積和平均水深不斷減??；并且各年同期的河槽容積大小基本相仿。

綜上所述，橫沙通道目前總體格局較為穩(wěn)定，通道內10 m深槽基本貫通。

2 實測水動力變化分析

2.1 橫沙通道南北側潮位變化

根據1998～2009年橫沙通道兩側實測潮位資料［4-8］（表1），整理大潮情況下，共青圩和橫沙站（潮位站位置如圖1）的潮位過程線（圖2）。由圖2可見，2005年、2007年和2009年的南北側潮位基本吻合，高低潮位差異在0.1～0.2 m，僅1998年表現出共青圩站比橫沙站低潮位時高約0.45 m，高潮位時高約0.15 m。

表1 選取的實測資料基本情況表Tab.1 General information about measurement data

圖2 橫沙通道大潮期南北側實測潮位過程線Fig.2 Comparison of water level process between south and north side of the Hengsha Watercourse

由橫沙通道的河床演變分析可知，1998～2002年是橫沙通道的發(fā)展期，2005年以后橫沙通道基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。發(fā)展期南北側潮位差異較大，而穩(wěn)定期后，基本無差異，僅通過實測資料還難以說明該性質是由北港還是北槽的潮位變化造成的。

2.2 橫沙通道測點流速分析

由于橫沙通道整體走向為南北向，與其他汊道流向（東西向）基本正交（傳統(tǒng)的漲落定義是根據流速在X方向的分量來判斷），需謹慎定義流速的正負號。其流向的定義需要結合潮位變化，水位降低的過程為落潮，反之則為漲潮。因此，180°左右方向為落潮方向（正號），水流從北港匯入北槽；0°左右方向為漲潮方向（負號），即水流方向為從南往北。

由橫沙通道內測點HS0（缺少1998年、2002年橫沙通道測點流速資料，測點位置見圖1）多年來的水文測驗資料可知（圖3和表2）：（1）2005～2009年，橫沙通道流速過程變化差異不大，流速過程線相似度較高；（2）雖然水文條件不盡一致（表1），但大致可以看出，近年來，橫沙通道落潮優(yōu)勢逐漸減弱，即北港匯入北槽的含沙水量相對減少，尤其是2007年長興潛堤建成后，工程效果明顯。

2.3 小結

由上述實測資料分析，提出以下問題：南北側潮位差的減少是否導致了橫沙通道刷深過程的停滯；該過程是否是一個連續(xù)發(fā)展過程；橫沙通道優(yōu)勢流是否也相應發(fā)生變化；該變化的發(fā)展對北港和北槽主流有何影響；諸如此類問題值得深入分析。但由于實測資料不夠全面，另一方面，資料所處的水文氣象環(huán)境不盡一致，無法在相同條件下進行對比，因此本文將利用數學模型，詳細分析造成橫沙通道發(fā)展的動因及該趨勢對長江口河勢的影響。

圖3 橫沙通道實測流速、水深過程線Fig.3 Measured process of velocity and water height at HS0

表2 橫沙通道HS0點流速特征值統(tǒng)計表Tab.2 Statistical typical velocity at HS0m/s

3 數值模擬計算

同化對比分析研究采用上海河口海岸科學研究中心自主開發(fā)的“長江口航道維護管理核心計算平臺系統(tǒng)SWEM2D/3D”［3］（國家計算機軟件著作權登記號2008SR33450）中的平面二維潮流模塊進行數值模擬計算。該模型具有以下特點［9］：（1）應用無結構化混合計算網格（三角形＋四邊形），計算域能更好模擬長江口的復雜岸線。整體模型上游邊界可以直接延伸到長江口的枯季潮區(qū)界（潮差為零的地方）大通；（2）采用有限體積法作為離散格式的基礎，比有限差分法更貼近物理量守恒定律，能有效保證計算的總體精度；（3）采用半隱半顯格式［10-11］，計算穩(wěn)定性好。同時克服ADI計算格式中不能考慮不同方向流動之間相互作用的不足，且采用變時間步長計算，計算效率有所提高；（4）計算基于Linux系統(tǒng)，較Windows系統(tǒng)而言，能較好地兼顧模型的計算精度（最小網格尺度）和計算效率；（5）經多次應用于長江口的動態(tài)率定和驗證，且和商業(yè)軟件MIKE21/3的對照，模擬結果與長江口實測數據吻合良好，并已成功應用于長江口多項工程。

在各自年份地形和不同的工程邊界的基礎上（1998～2009年），給定統(tǒng)一的上下游水文邊界條件后，模擬并統(tǒng)計不同年份的橫沙通道水流特性，看其水動力變化過程是否和實測資料反映的一致，是否也能反映一定的演變發(fā)育規(guī)律。

圖4 SWEM大模型計算網格Fig.4 Sketch of computational domain

3.1 計算域

本次計算大模型的范圍為：西起上游的大通，東至外海-40 m等深線，北邊界接近渤海灣，南邊界包括杭州灣整個區(qū)域，其中東西向長約600 km，南北向寬約600 km。采用無結構化計算網格覆蓋整個計算域，計算網格完全貼合工程建筑物的形狀及走向，且對橫沙通道水域附近局部加密，大模型計算網格見圖4。本次數學模型小模型的范圍為：上起徐六涇進口，下至口外（南匯咀、綠華、連興港），包含整個傳統(tǒng)描述的“三級分汊，四口入?！保?3］長江口格局（圖 5）。

3.2 邊界條件

3.2.1 地形及陸域邊界條件

圖5 小模型計算網格Fig.5 Refined mesh of the study area

1998年至今，整個長江口水域經歷了一番高密度的涉水建筑物（碼頭、港口、橋梁、防洪排澇工程、管道、纜線、閘壩、航道整治、取排水口工程、采砂等）及海洋工程（圈圍造地、濕地保育、深水碼頭、水庫、疏浚工程等）的建設大潮，岸線及地形邊界差異很大，因此必須詳細調查各個不同年份的陸域邊界條件和控導工程的具體布置。本文所考慮的背景工程主要包括：中央沙圈圍工程及青草沙水庫工程，長江口深水航道工程（包括一、二、三期工程布置、長興潛堤、南導堤隔堤、分流魚嘴工程），橫沙東灘圈圍，浦東機場圈圍（含外側圈圍），南匯邊灘圈圍，洋山港及東海大橋工程，上海長江大橋，新通海沙圈圍，北支中、下河段灘涂圈圍，崇明東灘圈圍，橫沙大道工程，長興島北沿圈圍工程及南支南港部分大型碼頭工程和相關企業(yè)的圈圍等。

地形邊界采用1998年、2002年、2005年、2007年、2009年5個不同年份的、統(tǒng)一高程系統(tǒng)后的實測地形資料。

3.2.2 上下游條件

上游進口給定大通流量為40 000 m3/s（洪季概化流量）；大模型下游邊界由外海潮波條件給定。模型的外海邊界采用 16 個分潮的天文潮波調和常數（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、U2、V2、T2、L2、2N2、J1、M1、OO1），天文潮調和常數由東中國海海洋潮波模型計算求得。小模型進口（徐六涇）的邊界條件為從大模型中獲取的水位過程線，下邊界條件的潮位過程也由大模型給出的連興港、綠華山、南匯咀3點的潮位來控制，其他點線性插值。

3.3 計算結果及分析

限于篇幅，在此不列出模型率定驗證結果。本次分析的驗證包括不同年限，水文條件和地形組合條件下的潮位、流速、流向驗證部分［3］。

根據計算，不同年份下的橫沙通道特征潮位、流速統(tǒng)計如圖6（測點布置見圖1）。

圖6 同水文條件下不同年份橫沙通道潮位過程線對比（HS0）Fig.6 Comparison of water process at HS0

圖7 同水文條件下不同年份橫沙通道流速過程線對比（HS0）Fig.7 Comparison of velocity process at HS0

由圖6、圖7及表3可知：（1）橫沙通道內，高潮位整體呈一定抬高趨勢，但差異不大，最大抬升約0.05 m；低潮位也是逐年（1998～2007年）抬升，2007年后，低潮位變化不大，低潮位最大抬升約0.2 m；可見低潮位抬升的效果更為突出，整體顯示潮差有所減小。（2）從流速過程線來看，最明顯的特征是落潮期時間大幅減少。（3）1998～2009 年，HS0 平均潮位逐年升高，10 a間抬高接近0.1 m。（4）除2002年外，橫沙通道優(yōu)勢流遞減，到2009年，橫沙通道基本已處于漲落潮平衡狀態(tài)。

造成上述現象的主要原因在于，北槽航道整治建筑物、長興潛堤以及長興島南北側圈圍的實施，橫沙通道落潮流（北港向北槽入匯）被阻擋，使得橫沙通道的前期持續(xù)刷深過程中止；此外，由于橫沙通道阻止了部分由北向南的水流的溝通，會減少北港上段的泥沙泄入北槽，這種發(fā)育趨勢對北槽航道的發(fā)展有利，同時也可能加強北港下段的落潮流。

表3 橫沙通道HS0平均潮位及優(yōu)勢流統(tǒng)計表Tab.3 Comparison of average water level and ebb dominance

4 結論

本文根據實測資料結合數值模擬計算結果分析，得出以下結論：（1）橫沙通道落潮流為北港匯入北槽方向；漲潮流為北槽流入北港方向。（2）近十多年來，橫沙通道低潮位的抬升大大高于高潮位的升高值。（3）橫沙通道已經由原先的落潮優(yōu)勢變成現在的漲落平衡狀態(tài)；如隨著北槽的持續(xù)開發(fā)，橫沙通道可能會變成漲潮占優(yōu)的漲潮溝。（4）橫沙通道南北側潮位差的減小以及長興潛堤的作用，使得橫沙通道流速有所降低，這可能減弱維護通道的自然疏浚能力。

［1］劉杰.橫沙通道河床演變分析報告［R］.上海：上海河口海岸科學研究中心，2009.

［2］許衛(wèi)東.橫沙通道演變與建港條件分析［D］.上海：華東師范大學，2000.

［3］戚定滿.長江口航道核心計算平臺開發(fā)研究及成果應用［R］.上海：上海河口海岸科學研究中心，2007.

［4］田淳.長江口深水航道治理工程全潮水文測驗技術報告［R］.上海：長江口水文水資源勘測局，1998.

［5］曹平.長江口深水航道治理二期工程水文測驗技術報告［R］.上海：長江委水文局長江口水文水資源勘測局，2002.

［6］高健，胡國棟.2005年8月長江口深水航道治理二期工程水文監(jiān)測技術報告［R］.上海：長江委水文局長江口水文水資源勘測局，2005.

［7］周才揚，高健，胡國棟.長江口深水航道治理三期工程2007年8月水文監(jiān)測技術報告［R］.上海：長江委水文局長江口水文水資源勘測局，2007.

［8］胡國棟.2009年8月長江口深水航道治理三期減淤工程水文測驗技術報告［R］.上海：長江委水文局長江口水文水資源勘測局，2009.

［9］Wan yuanyang，Qi Dingman.Preliminary Analysis on the Impact of Different Stages of Yangtze Estuary Deepwater Channel Regulation Project［C］//Department of Civil Engineering Tohoku University.Proceedings of the third international conference on estuaries and coasts.Dendai：Tohoku University，2009.

［10］Casulli V.A Semi-implicit Finite Difference Method for Non-hydrostatic，Free-surface Flows［J］.International Journal for Numerical Methods in Fluids，1999，30：425-440.

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Study on characteristics of hydrodynamic and morphological evolution at Hengsha Watercourse of the Yangtze Estuary，China

WAN Yuan-yang1，2，KONG Lin-shuang1，QI Ding-man1，GU Feng-feng1，WANG Wei1
（1.Estuarine and Coastal Scientific Research Center，Shanghai 201201，China；2.UNESCO-IHE Institute for Water Education，Delft 2601 DA，The Netherlands）

Over the past decade，the Hengsha Watercourse of Yangtze Estuary witnessed an unprecedented scale of human interventions and extensively utilization and development，and the river itself also suffered a series of slowly changes and variations.After full analyzing a long series of hydrological and topographic data，some hydrodynamic parameters and fluvial processes were chosen to analyze and research the response mechanism among the South Passage，the North Passage，the North Channel and Hengsha Watercourse in this paper.The specific causes and processes and the future growth pattern of Hengsha Watercourse were also preliminary discussed and researched.In turn，those conclusions would be used to explain many other phenomenons，such as deposition or erosion in some reaches，evolution of riverbed，velocity and water level changes，watercourse backfilling and so on.

SWEM；morphological evolution；numerical simulation；Yangtze Estuary；Hengsha Watercourse

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2010）05-0373-06

萬遠揚（1981-），男，湖北省人，助理研究員，主要從事河口數值模擬研究。