晉江下游中蕓洲二島圍固工程模型試驗(yàn)研究

張思和，陳長(zhǎng)英，張幸農(nóng)，袁勝英

（南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

晉江下游中蕓洲二島圍固工程模型試驗(yàn)研究

張思和，陳長(zhǎng)英，張幸農(nóng)，袁勝英

（南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

基于潮汐河工模型試驗(yàn)，在分析晉江下游河段水流泥沙運(yùn)動(dòng)特征及河床演變的基礎(chǔ)上，針對(duì)中蕓洲二島圍固工程，系統(tǒng)地研究了二島圍固工程興建后，防洪擋潮、圍堤安全影響等問(wèn)題，論證了工程建設(shè)對(duì)晉江下游河道行洪的影響，提出了圍固工程平面布置的優(yōu)化方案及河道治理措施的建議，為圍固工程的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。

模型試驗(yàn)；晉江下游；中蕓洲二島

Biography：ZHANG Si-he（1951-），male，senior engineer.

中蕓洲二島是晉江河口處的江心洲，受上游洪水和外海的潮汐影響均較為明顯，隨著主島海景花園城和二島海峽渡假村的開(kāi)發(fā)，必須建設(shè)一個(gè)完善且防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)較高的防洪、擋潮工程體系。本文基于潮汐河工模型試驗(yàn)，針對(duì)中蕓洲二島圍固工程，系統(tǒng)地研究了工程興建后，防洪擋潮、圍堤安全影響等問(wèn)題，為圍固工程的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 晉江下游河道特性

晉江位于福建省東南部，為福建省主要河流之一，全長(zhǎng)182 km。晉江下游河段長(zhǎng)約20 km，起于泉州西郊的金雞攔河閘，穿越市區(qū)，由前埔流入泉州海灣。受徑流和潮流雙重作用，下游為感潮河段。流域內(nèi)徑流隨降水而變化，洪水主要集中在4～9月，多年平均洪峰流量為3 950 m3/s，實(shí)測(cè)最大洪峰流量為8 020 m3/s。河口泉州灣海域潮汐為非規(guī)則半日潮，動(dòng)力作用較強(qiáng)，平均潮差在4 m左右，潮流可上溯至15 km左右。河道中多年平均輸沙量為214萬(wàn)t，年平均含沙量為0.544 kg/m3，汛期上游河道泥沙的下泄是河口泥沙主要來(lái)源，非汛期，淺灘上的泥沙也可能隨漲潮流進(jìn)入下游河段。

河道中河床質(zhì)基本為沙質(zhì)，20世紀(jì)50年代前河道基本上處于自然狀態(tài)，河道寬淺，灘槽多變；幾十年來(lái)，兩岸興建防洪堤工程、上游金雞攔河閘壩工程和多個(gè)橋梁工程，限制了河道的平面擺動(dòng)，河寬大幅度縮窄，洪水歸槽，河道比降增大，目前整體河勢(shì)已經(jīng)基本穩(wěn)定，河道內(nèi)灘槽分明，平面形態(tài)穩(wěn)定少變，自然狀態(tài)下河床處于微沖刷狀態(tài)。

2 模型概況及工程方案介紹

2.1 模型概況

依據(jù)2005年7月和2005年8～9月實(shí)測(cè)的地形圖以及相應(yīng)的水文測(cè)量資料，建立了數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了驗(yàn)證，模型范圍為晉江下游段金雞閘至?xí)x江河口天然河段，長(zhǎng)約6.5 km，為保證模型水流運(yùn)動(dòng)與天然水流運(yùn)動(dòng)相似，考慮水深、糙率的限制條件，并考慮試驗(yàn)場(chǎng)地大小及供水設(shè)備能力，采用模型平面比尺λL=300，垂直比尺λh=80，根據(jù)水流相似條件確定的模型各項(xiàng)比尺見(jiàn)表1。

表1 模型比尺表Tab.1 Model scales

采用2000年6月18～19日洪水期（Q＝6 180 m3/s）水文資料和2005年8月30～31日和9月6～7日枯水期（Q＝200～300 m3/s）水文資料，對(duì)模型進(jìn)行了潮位、潮流速過(guò)程以及汊道分流比的驗(yàn)證，模型基本復(fù)演了晉江下游河道潮流運(yùn)動(dòng)特征，與天然原體水流運(yùn)動(dòng)特征相似，驗(yàn)證結(jié)果較好。因此，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的工程方案定床水流試驗(yàn)是可靠的。

圖1 晉江下游河段平面示意圖Fig.1 Sketch of the lower reach of Jinjiang River

2.2 工程方案概況

對(duì)3個(gè)工程方案進(jìn)行了試驗(yàn)研究，1996年福建省水電廳批準(zhǔn)了二島圍固工程原方案（以下簡(jiǎn)稱(chēng)原方案），結(jié)合原方案試驗(yàn)資料及近年來(lái)河床地形變化特征，在不改變二島圍固工程面積的前提下，最大限度地利用二島洲灘地形，減少?lài)坦こ塘浚瑫r(shí)減少對(duì)河道行洪和航道影響，提出2個(gè)修改方案，稱(chēng)修改方案1和修改方案2。

原方案圍堤輪廓線平面布置見(jiàn)圖2。平面上總體呈兩頭尖中間寬的梭形狀，上游頭部輪廓為尖形，向南偏移，下游尾部為圓弧形，向北往主槽偏移，形成陸域總面積約0.24 km2。其中左堤線由直線段和圓弧段連接而成，上段距一島南堤280～320 m，尾段距北岸邊約190 m，已至河道中-5.0 m深槽；右堤線為順直型。二島頭部河道由原兩汊變?yōu)閮蓫u三汊，其中一島尾段與二島上段形成的中汊至下段北汊河寬逐漸縮窄，南汊從二島頭至島尾河寬逐漸擴(kuò)大。因二島下段南側(cè)為以往航道整治而形成的枯水邊灘，南汊主槽仍偏離南岸靠向二島右堤線。

修改方案平面布置見(jiàn)圖2，保持圍堤輪廓線平面形態(tài)不變，只對(duì)位置和方向進(jìn)行移動(dòng)調(diào)整，并保持各汊道上下斷面基本一致。二島圍堤頭部上提約97 m，并略向北偏移，使左圍堤與中蕓洲南堤之間寬度在250～270 m，圍堤尾段同時(shí)上提向南偏移，使左堤線堤腳高程在-3.0m以上，尾段左堤線距北岸約300 m。修改方案2在修改方案1的基礎(chǔ)上，切割二島圍堤洲頭上側(cè)及左側(cè)較高地形，其范圍見(jiàn)圖2中的陰影部分，底高程控制在-1.0 m，挖方量約5萬(wàn)m3，同時(shí)將南岸側(cè)枯水邊灘上最上游的一條丁壩截短約120 m，擴(kuò)大南側(cè)主槽寬度，以維持二島南汊分流和擴(kuò)大二島下端行洪斷面。

圖2 工程方案平面布置圖Fig.2 Layout plan of the engineering scheme

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)水文條件

試驗(yàn)內(nèi)容主要包括二島圍固工程防洪擋潮試驗(yàn)和安全影響試驗(yàn)。二島圍固工程防洪擋潮試驗(yàn)主要研究晉江不同設(shè)計(jì)頻率洪水遭遇河口前埔多年平均最高潮位情況下，以及晉江多年平均洪水遭遇河口前埔不同設(shè)計(jì)頻率高潮位情況下，工程河段洪水水面線以及工程前后洪水水面線變化。二島圍固工程圍堤安全影響試驗(yàn)主要研究晉江洪峰流量遭遇河口前埔極低潮位時(shí)河道流速最大的極限情況。

二島圍固工程防洪擋潮試驗(yàn)的水文條件如下：（1）晉江多年平均洪水（Q＝3 950 m3/s）遭遇河口前埔50 a一遇高潮位5.04 m；（2）晉江2%設(shè)計(jì)洪水（Q＝9 760 m3/s）遭遇河口前埔多年平均高潮位4.21 m。

二島圍固工程圍堤安全影響試驗(yàn)的水文條件如下：（1）晉江2%設(shè)計(jì)洪水（Q＝9 760 m3/s），河口前埔極低潮位1.53 m；（2）晉江5%設(shè)計(jì)洪水（Q＝8 060 m3/s），河口前埔極低潮位1.23 m；（3）晉江20%設(shè)計(jì)洪水（Q＝5 370 m3/s），河口前埔極低潮位0.70 m；（4）晉江多年平均洪水（Q＝39 50 m3/s），河口前埔極低潮位0.33 m。

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 二島圍固工程防洪擋潮試驗(yàn)

根據(jù)防洪擋潮試驗(yàn)結(jié)果，二島圍固（原方案）工程建成前后河段沿程洪水位的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，二島圍固工程（2組修改方案）建成后，多年平均洪水（3 950 m3/s）遭遇河口前埔50 a一遇高潮位（5.04 m）情況下，其周?chē)暮樗辉?.10～5.18 m；2%設(shè)計(jì)洪水（9 760 m3/s）遭遇河口前埔多年平均高潮位（4.21 m）情況下，其周?chē)暮樗辉?.80～5.20 m。

工程前后水位變化表明，晉江下游河段沿程洪水位也均有所壅高，主要的壅水區(qū)段在東海漁村以上至泉州大橋段，其中法石處壅水最高。原方案工程后洪水位壅高較為明顯，多年平均洪水（3 950 m3/s）和2%設(shè)計(jì)洪水（9 760 m3/s）時(shí)最大壅水高度分別為6 cm、23 cm。原因是二島壓縮了北側(cè)主江道的行洪斷面，原方案尾段向北往主槽偏移，左堤線已至深槽-5.0 m處，尾段洪水河寬已縮窄至不到200 m，形成阻水卡口，造成洪水下泄不暢。修改方案工程前后洪水位雖仍略有壅高，但數(shù)值已較小，多年平均洪水（3 950 m3/s）情況下分別僅為4 cm和3 cm；2%設(shè)計(jì)洪水（9 760 m3/s）情況下分別為9 cm和7 cm；因此在2組修改方案建成后，因圍固工程而形成河道行洪阻水卡口不復(fù)存在，洪水下泄暢通，雖然圍固工程下段占河道橫斷面仍有一定比例，但處于高灘后部的緩流區(qū)，因而引起的壅水高度較小，對(duì)晉江下游河段行洪影響較小。

表2 工程前后河段沿程洪水位表Tab.2 Flood levels along the river before and after project m

3.2 圍堤安全影響試驗(yàn)

試驗(yàn)重點(diǎn)觀測(cè)工程附近河道斷面的流速分布以及圍堤堤腳流速，觀測(cè)斷面1位置見(jiàn)圖2。

原方案二島圍固工程建成后，在距離較遠(yuǎn)的上下游區(qū)域，洪水期水流流場(chǎng)變化很小，斷面上各測(cè)點(diǎn)流速值與方向幾乎未發(fā)生改變；二島圍固工程附近兩側(cè)主槽水流上緩下急的現(xiàn)象十分明顯，具體來(lái)說(shuō)，二島圍固工程上半段（斷面3?！?＃）流速增大不明顯，只是島頭附近流向偏向左右兩側(cè)；二島圍固工程下半段（斷面5?！?＃）河道主槽流速值增大明顯，尤其島尾（斷面6＃）北汊，由于斷面過(guò)水面積縮小過(guò)多，流速急劇增大，四級(jí)洪水流量時(shí)，最大流速增值幅度為0.6～0.87 m/s（表3）。

表3 原方案流速統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistics of flow velocity in original scheme

修改方案二島圍固工程建成前后，以修改方案2為例說(shuō)明與原方案的變化，二島圍固工程附近兩側(cè)主槽水流上緩下急的現(xiàn)象得到明顯改善（表4），尤其是中汊至二島下段北汊上下斷面流速較為接近，與工程前相比變化也不大；但南汊流速分布有一定變化，主流靠近圍固工程右圍堤，流速值增大明顯，流量越大越明顯，其主要原因是圍固工程向南偏移，右圍堤已處于原南汊的主槽邊緣，水流受到擠壓，南岸側(cè)又為大邊灘，主流則向北靠攏而接近圍固工程右圍堤。洪水期圍堤的堤腳流速數(shù)值同樣很大，在二島頭部左右兩側(cè)圍堤近岸10 m處，流量為3 950 m3/s時(shí)，流速值在1.4～1.8 m/s，流量為9 760 m3/s時(shí)，流速值已達(dá)3.0 m/s左右；二島右圍堤下段近岸10 m處，流量為3 950 m3/s時(shí)，流速值在1.8～2.0 m/s，流量為9 760 m3/s時(shí)，流速值已達(dá)2.4～2.9 m/s；左圍堤中部近岸10 m處，流量為9 760 m3/s時(shí)，流速值也在2.5 m/s左右。引起這種現(xiàn)象的原因主要是修改方案中，圍固工程頭部的上提以及下段的向南偏移，使圍堤已處于原洪水主流位置，使得堤腳流速較大。同樣說(shuō)明，在遭遇不利的洪水期間，整個(gè)右圍堤及圍堤頭部均受到水流強(qiáng)烈沖刷的威脅，需要進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。

表4 修改方案2流速統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistics of flow velocity in amendment scheme 2

4 結(jié)論

（1）防洪擋潮試驗(yàn)結(jié)果表明，二島圍固工程原方案與目前河道現(xiàn)狀不適應(yīng)，現(xiàn)二島頭部沙洲上較高的地形未利用，尾段左堤線已落入河道-5.0 m深槽，工程后島尾段形成行洪阻水卡口，上游河段洪水位明顯壅高，對(duì)河道防洪帶來(lái)不利影響。修改方案充分利用二島沙洲目前地形，消除了島尾段的阻水卡口，有利于洪水下泄暢通，河段洪水位壅高現(xiàn)象已不明顯。

（2）圍堤安全影響試驗(yàn)結(jié)果表明，原方案兩側(cè)河道主槽水流上緩下急的現(xiàn)象十分明顯，修改方案情況下得到明顯改善；試驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)明，因圍固工程位于河道中部，洪水期水流取直，無(wú)論其輪廓線平面布置采取何種方案，洪水水流頂沖現(xiàn)象不可避免，遇多年平均以上洪水，圍堤兩側(cè)水流較急，堤腳流速在1.0 m/s以上，最大流速可達(dá)3 m/s左右。

（3）綜合防洪擋潮試驗(yàn)和圍堤安全影響試驗(yàn)的結(jié)果，推薦修改方案2。建議對(duì)圍堤頭部左右兩側(cè)、左圍堤上段和右圍堤下段進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。

［1］洪理健，林國(guó)聰.福建省泉州市晉江下游防洪岸線整治一期工程初步設(shè)計(jì)［R］.福州：福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2001.

［2］何光同，吳秋華.福建省泉州市金雞攔河閘重建工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.福州：福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2004.

［3］洪理健.福建省泉州市中蕓洲海景花園駁岸圍固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.福州：福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2002.

［4］葉燕貽，林金裕.晉江下游中蕓洲河段北港治理二維潮流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究［R］.福州：福建省港航勘測(cè)設(shè)計(jì)中心，福建省港航勘察設(shè)計(jì)院，2005.

［5］陳麗玉，許東明.晉江下游河工模型試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告［R］.福州：福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，1994.

［6］廖松，張保平.晉江下游河道水文特性分析［R］.北京：清華大學(xué)水利水電工程系，1995.

Study on physical model test of Zhongyunzhou Second islands reclamation project in lower reach of Jinjiang River

ZHANG Si-he，CHEN Zhang-ying，ZHANG Xing-nong，YUAN Sheng-ying
（Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing210029，China）

In accordance with the tidal river model experiment，the effects of reclamation project in Zhongyunzhou islands on flood control，tide protection and border dike safety were studied based on the analysis of flow and sediment transport characteristics and fluvial process.Meanwhile，an argumentation on the effect of draining flood in lower reach of Jinjiang River was given，and the optimization scheme as well as regulation measures were put forward，which can provide a scientific basis for the reclamation project.

model experiment；lower reach of Jinjiang River；Zhongyunzhou islands

TV 148；TV 149.2

A

1005-8443（2010）05-0506-05

張思和（1951-），男，江蘇省南京人，高級(jí)工程師，主要從事水流、泥沙工程研究。