長(zhǎng)江下游南京河段馬汊河口航道流態(tài)及泥沙淤積特性研究

陳長(zhǎng)英，張幸農(nóng)，方明華

（1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；2.南京市航道管理處，南京 210036）

長(zhǎng)江下游南京河段馬汊河口航道流態(tài)及泥沙淤積特性研究

陳長(zhǎng)英1，張幸農(nóng)1，方明華2

（1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；2.南京市航道管理處，南京 210036）

選擇南京八卦洲河段馬汊河入江口門，建立二維潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)入江口門航道流態(tài)、水流泥沙運(yùn)動(dòng)特征以及口門泥沙淤積特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明，中、洪水條件下，八卦洲河段內(nèi)不存在漲潮流，但口門內(nèi)仍然存在往復(fù)流。河床沖淤變形計(jì)算結(jié)果表明，口門向內(nèi)泥沙淤積呈由大到小的分布規(guī)律，口門回流區(qū)淤積厚度最大。不同水文特征年泥沙淤積程度不同，隨淤積歷時(shí)增長(zhǎng)，泥沙逐年淤積量略有減少，且淤積泥沙由口門逐漸向航道推進(jìn)。

流態(tài)；淤積特性；南京河段；馬汊河口

Biography：CHEN Zhang-ying（1974-），female，engineer.

南京沿江主河道全長(zhǎng)百余公里，其內(nèi)陸北側(cè)主要有滁河、劃子河、鴨子河、馬汊河、城南河、駟馬山河，南側(cè)有秦淮新河等支流匯入長(zhǎng)江，是溝通內(nèi)陸河網(wǎng)與長(zhǎng)江的關(guān)鍵，其河床穩(wěn)定性對(duì)航道暢通有重大作用［1-4］。因而，維護(hù)入江口門處的航道條件，保障航道暢通，對(duì)南京沿江地區(qū)水運(yùn)的發(fā)展至關(guān)重要。

本文選擇南京河段八卦洲汊道馬汊河入江口門，建立二維潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)入江口門航道流態(tài)、水流泥沙運(yùn)動(dòng)特征以及口門泥沙淤積特性進(jìn)行研究。研究結(jié)果可為入江口門的防淤減淤及航道養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 河道基本情況

馬汊河口位于長(zhǎng)江南京河段八卦洲汊道左汊（圖1），八卦洲汊道為鵝頭型分汊河道，長(zhǎng)約10.1 km，最大寬度7.5 km，左汊彎曲，為支汊；右汊順直微彎，為主汊，目前左、右兩汊分流比分別為17%和83%。

八卦洲左汊是1個(gè)長(zhǎng)約21.7 km的復(fù)合彎道，由進(jìn)口段、南化彎道、馬汊河淺灘段、皇廠彎道和出口段組成，河床呈緩慢衰退之勢(shì)。1985年八卦洲洲頭分水魚咀工程實(shí)施后，左汊淤積衰退以及分流比減小趨勢(shì)有所減緩，但分流比減小的現(xiàn)象依然存在，特別是低水位時(shí)。八卦洲右汊順直微彎，現(xiàn)長(zhǎng)約10.5 km，河寬約1.1 km。汊道內(nèi)存在4個(gè)深槽近岸段，分別位于八卦洲頭右緣、燕子磯、天河口和新生圩，20世紀(jì)80年代后對(duì)八卦洲右汊進(jìn)行河道整治工程，右汊河勢(shì)開始趨于穩(wěn)定。

圖1 八卦洲汊道河勢(shì)圖Fig.1 River regime of Baguazhou reach

馬汊河入江段位于八卦洲左汊淺灘段左岸，馬汊河西起南京市六合區(qū)小頭李與滁河相接，流經(jīng)六合、浦口兩區(qū)向東至三航預(yù)制廠入長(zhǎng)江，河道全長(zhǎng)13.6 km，馬汊河是滁河重要分洪道，滁河中游汊河集閘泄洪流量大約有90%通過馬汊河排入長(zhǎng)江。目前，按等外級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維護(hù)，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，設(shè)計(jì)流量為1 018 m3/s。馬汊河入江段基本上與長(zhǎng)江主流呈60°交角，入江口門附近河寬約185 m，長(zhǎng)江側(cè)河口上游1 km左右為南京長(zhǎng)江二橋副橋。

2 馬汊河口二維水流、泥沙數(shù)學(xué)模型

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

2.1.1 基本方程

采用貼體正交曲線網(wǎng)格系統(tǒng)，克服邊界復(fù)雜及計(jì)算域尺度懸殊所引起的困難。貼體正交曲線網(wǎng)格系統(tǒng)控制方程組如下

水流連續(xù)方程

動(dòng)量方程

ξ方向動(dòng)量方程

η方向動(dòng)量方程

式中：ξ、η分別為正交曲線坐標(biāo)系中2個(gè)正交曲線坐標(biāo)；u、v分別為沿ξ、η方向的流速；h為水位；H為水深；Cξ、Cη分別為正交曲線坐標(biāo)系中的拉梅系數(shù)；σξξ、σξη、σηξ、σηη為紊動(dòng)應(yīng)力。

懸沙不平衡輸移方程

河床變形方程

2.1.2 計(jì)算范圍確定及網(wǎng)格

模型上起長(zhǎng)江梅子洲尾，下至南京棲霞山煉油廠，中間包括八卦洲左、右汊水道，左汊寶塔水道長(zhǎng)約22 km，右汊草鞋夾水道長(zhǎng)約11 km，馬汊河口位于左汊南化彎道與皇廠彎道之間的淺灘段。本次計(jì)算采用2003年1∶10 000實(shí)測(cè)地形圖，馬汊河淺灘段以及馬汊河支流為重點(diǎn)研究區(qū)域，模型對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了局部加密，計(jì)算區(qū)域內(nèi)共布置605×261個(gè)正交曲線網(wǎng)格。

2.2 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證包括水動(dòng)力條件驗(yàn)證及河床沖淤變形驗(yàn)證。水動(dòng)力條件驗(yàn)證內(nèi)容有洪、中、枯3級(jí)流量條件下的長(zhǎng)江主江道水面線、垂線平均流速分布以及汊道分流比，驗(yàn)證試驗(yàn)依據(jù)的原型水文資料如下：（1）2003年1月5日枯水水文測(cè)量資料，大通流量22 700 m3/s；（2）2003年5月4日中水水文測(cè)量資料，大通流量30 500 m3/s；（3）2003年7月5日洪水水文測(cè)量資料，大通流量51 135 m3/s。河床沖淤變形驗(yàn)證計(jì)算起始地形采用2003年地形，計(jì)算驗(yàn)證地形為2006年實(shí)測(cè)河道地形。通過水動(dòng)力條件驗(yàn)證以及河床沖淤變形驗(yàn)證計(jì)算，模型與原體相似度較好。

3 數(shù)值計(jì)算與分析

3.1 水流特征計(jì)算與分析

入江口門水流運(yùn)動(dòng)特征復(fù)雜，受多種因素影響［5－9］，為分析研究馬汊河口口門區(qū)及航道內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)特征，選擇驗(yàn)證計(jì)算中的中水流量（Q＝30 500 m3/s）和洪水流量（Q＝51 135 m3/s）作為計(jì)算流量，下游以大潮潮位過程控制。

計(jì)算結(jié)果顯示，中洪水時(shí)，口門外長(zhǎng)江無漲潮流，但是隨長(zhǎng)江潮位變化，口門內(nèi)存在明顯往復(fù)流。在1個(gè)潮周期中，口門外長(zhǎng)江水流始終表現(xiàn)為向下游的單向流，并無漲潮流出現(xiàn)，口門內(nèi)航道則存在漲潮流，漲潮流速距離口門越近，流速值越大，口門附近漲急時(shí)流速值明顯大于落急時(shí)流速值。從斷面流速分布看，口門區(qū)附近斷面流速分布沿河寬方向變化較為明顯，表現(xiàn)出較強(qiáng)的二維水流運(yùn)動(dòng)特征，隨著水流向航道方向推進(jìn)，斷面流速分布沿河寬方向的變化逐漸減小，流速沿河寬方向基本上沒有變化，說明航道內(nèi)側(cè)基本呈一維明渠水流運(yùn)動(dòng)特征。

從口門流態(tài)特征看，口門區(qū)存在回流，且口門內(nèi)的回流范圍及強(qiáng)度隨潮位的漲落與長(zhǎng)江來流量而改變。圖2為口門回流隨潮位漲落的變化情況，由圖2可見，開始漲潮時(shí)，首先在口門中部形成回流，回流強(qiáng)度較小，為0.05 m/s（圖2-a）；隨著潮位的升高，回流產(chǎn)生位置的范圍及強(qiáng)度發(fā)生變化，中潮位附近口門回流位于口門右側(cè)，回流范圍有所減小，回流強(qiáng)度略有增強(qiáng)，為 0.06 m/s（圖2-b）；其后回流強(qiáng)度又減弱，回流的位置向口門內(nèi)側(cè)偏移，高潮位附近的口門回流見圖2-c；轉(zhuǎn)為落潮時(shí)，口門偏左側(cè)形成回流，回流強(qiáng)度為0.07 m/s（圖2-d）；落至低潮位時(shí)，又恢復(fù)為口門中部形成一個(gè)回流（圖2-e）。

圖2 馬汊河口口門水流流態(tài)（Q＝30 500 m3/s）Fig.2 Flow pattern in Nanjing Macha river mouth（Q＝30 500 m3/s）

3.2 泥沙淤積計(jì)算及分析

當(dāng)遭遇長(zhǎng)江不同水文條件時(shí)，入江口門泥沙淤積規(guī)律不同，選擇1998大水中沙年和2006小水小沙年，計(jì)算不同典型水文年條件下入江口門泥沙淤積特征。

計(jì)算結(jié)果顯示，自口門向內(nèi)泥沙淤積呈現(xiàn)由大到小的分布規(guī)律（圖3、圖4）?？陂T附近回流區(qū)泥沙淤積厚度最大，泥沙淤積較大區(qū)域主要集中在自口門向內(nèi)600 m處，口門向內(nèi)600～1 200 m泥沙淤積相對(duì)較小，1 200 m以外航道泥沙淤積很小。對(duì)比1998大水中沙年與2006小水小沙年可見，1998大水中沙年口門泥沙淤積較為嚴(yán)重，1998年全年口門區(qū)最大淤厚為0.38 m，2006年全年口門區(qū)最大淤厚為0.14 m。年內(nèi)泥沙淤積主要集中在汛期，1998年6～10月口門區(qū)最大淤厚達(dá)0.28 m，約占全年74%；2006年6～10月口門區(qū)最大淤厚達(dá)0.09 m，約占全年65%。

為分析泥沙逐年淤積的累積情況，以2006年水沙條件為基礎(chǔ)，進(jìn)行了長(zhǎng)系列水文年計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，1 a后口門區(qū)最大淤厚為0.14 m，2 a后口門區(qū)最大淤厚為0.26 m，3 a后口門區(qū)最大淤厚為0.35 m。以上數(shù)據(jù)說明，隨淤積歷時(shí)的增長(zhǎng)，泥沙逐年淤積量略有減少，并且淤積泥沙由口門逐漸向航道推進(jìn)。

圖3 1998大水中沙年馬汊河口淤積縱剖面圖Fig.3 Longitudinal profile of deposition thickness in Macha river mouth in 1998

圖4 2006小水小沙年馬汊河口淤積縱剖面圖Fig.4 Longitudinal profile of deposition thickness in Macha river mouth in 2006

4 結(jié)論

馬汊河口潮流以及泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果說明，中、洪水條件下，長(zhǎng)江八卦洲河段內(nèi)不存在漲潮流，但是由于潮位的漲落，馬汊河口口門區(qū)及口門內(nèi)航道仍然存在往復(fù)流?？陂T附近斷面流速分布沿河寬方向變化較為明顯，表現(xiàn)較強(qiáng)的二維水流運(yùn)動(dòng)特征，隨著水流向口門內(nèi)航道方向推進(jìn)，斷面流速分布沿河寬方向變化逐漸減小，說明航道內(nèi)側(cè)基本呈一維明渠水流運(yùn)動(dòng)特征?？陂T區(qū)域存在較大的回流，口門區(qū)回流隨潮位漲落和流量變化而發(fā)生變化。河床變形計(jì)算結(jié)果說明，自口門向內(nèi)泥沙淤積呈現(xiàn)由大到小的分布規(guī)律，口門附近回流區(qū)泥沙淤積厚度最大，豐水中沙年泥沙淤積較為嚴(yán)重，小水小沙年泥沙淤積較少，年內(nèi)泥沙淤積主要集中在汛期。長(zhǎng)系列年計(jì)算結(jié)果說明，隨淤積歷時(shí)的增長(zhǎng)，泥沙逐年淤積量略有減少，并且淤積泥沙由口門逐漸向航道推進(jìn)。

［1］張幸農(nóng)，陳長(zhǎng)英.南京入江口門航道流態(tài)及演變分析［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2009.

［2］張幸農(nóng)，吳濟(jì)難.張家港二線船閘下游引航道泥沙淤積及其口門布置型式的分析研究［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，1997.

［3］張幸農(nóng)，楊紅，孫波.感潮河段支流引航道泥沙淤積的研究［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2000.

［4］張幸農(nóng)，陳長(zhǎng)英.張家港船閘擴(kuò)建工程下游引航道泥沙淤積計(jì)算分析［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2004.

［5］劉青泉.盲腸回流的水流運(yùn)動(dòng)特性［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，1995，10（3）：290-301.

LIU Q Q.The Characteristics of Water Movement in Cecum Circulating Flow［J］.Journal of Hydrodynamics，1995，10（3）：290-301.

［6］岳建平.港渠口門回流淤積概化模型試驗(yàn)和研究［J］.泥沙研究，1986（2）：41-50.

YUE J P.Experimental Study on the Sediment Deposition Caused by Rotating Flow in the Closed Channel［J］.Journal of Sediment Research，1986（2）：41-50.

［7］劉青泉.盲腸河段口門摻混區(qū)的泥沙擴(kuò)散［J］.泥沙研究，1995（2）：11-17.

LIU Q Q.A study on sediment diffusion in turbulent mixing region at the mouth of cecum reach［J］.Journal of Sediment Research，1995（2）：11-17.

［8］林健，竇國(guó)仁.潮汐河口挖入式港池淤積研究［J］.水利水運(yùn)科學(xué)研究，1996（2）：22-29.

LIN J，DOU G R.Siltation study of dredged harbour basins on tidal estuaries［J］.Journal of Nanjing Hydraulic Research Institute，1996（2）：22-29.

［9］張瑞瑾.河流泥沙動(dòng)力學(xué)［M］.北京：水利電力出版社，1989.

Study on flow pattern and characteristics of sediment deposition in Nanjing Macha river mouth of the lower Yangtze River

CHEN Zhang-ying1，ZHANG Xing-nong1，F(xiàn)ANG Ming-hua2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing210029，China；2.Nanjing Municipal Waterway Administration Bureau，Nanjing210036，China）

Taking the Nanjing Macha river mouth of the lower Yangtze River as an example，a twodimensional flow and sediment mathematical model was established to study the flow pattern and characteristics of sediment deposition.The results show that there is no existence of flood current in Nanjing Baguazhou reach，but there still exists reversing tidal current inside the Macha river under the condition of flood.The calculated results of river bed deformation indicate that the deposition in Macha river mouth is more serious than that inside the Macha river，and the maximum thickness of deposition is in the recirculation region.The deposition thickness is different in different hydrological years，and the sediment deposition decreases with the increase of silting duration.

flow pattern；characteristic of sediment deposition；Nanjing reach；Macha river mouth

TV 142；U 617.5

A

1005-8443（2010）05-0496-05

陳長(zhǎng)英（1974-），女，江西省吉安人，工程師，主要從事河道港口水流、泥沙工程研究。