長江口白茆沙河段航道整治方案初步研究

孔令雙，王 巍，顧峰峰，戚定滿，趙德招

（上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海201201）

長江口白茆沙河段為江心洲分汊河型。歷史上該河段河床演變以老白茆沙北移并靠崇明島，新白茆沙再次產(chǎn)生為主要變化特征。經(jīng)歷了百余年的變遷，1990年后的十多年間，白茆沙南、北水道10 m深槽均全線暢通，南支上段形成兩汊并存的江心洲優(yōu)良河勢(shì)格局。但自1998年和1999年長江大洪水之后，白茆沙河段發(fā)生了一系列不利變化，如白茆沙沙頭持續(xù)后退、沙尾上提、沙體縮小，沙體總體穩(wěn)定性較差；北水道進(jìn)口段淤淺，南水道沖刷發(fā)展，白茆沙南、北水道“南強(qiáng)北弱”態(tài)勢(shì)仍在持續(xù)發(fā)展等。這些不利變化已經(jīng)影響到深水航道的穩(wěn)定。有必要采取有效的工程治理措施，穩(wěn)定并改善白茆沙河段現(xiàn)狀條件。本文從長江口白茆沙河段河勢(shì)分析入手，提出工程治理方案，利用數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算方案前后該河段動(dòng)力變化，分析整治方案的有效性。

1 長江口白茆沙河段河勢(shì)分析

1.1 河勢(shì)特點(diǎn)

白茆沙河段上起白茆口，下至七丫口，河段全長23 km。該河段屬于江心洲分汊河型，長期保持兩汊并存、白茆沙南北水道“南強(qiáng)北弱”的相對(duì)穩(wěn)定局面。白茆沙南水道順直，與南支下段主槽順直連接，且漲落潮流路基本一致，水流較為順暢。白茆沙北水道呈微彎河型，現(xiàn)彎頂處于崇頭至新建閘之間，流路相對(duì)較長。

白茆沙河段河寬較大，受漲、落潮流路分歧的影響，江中發(fā)育有白茆沙。1998年和1999年長江大洪水以后，該河段局部河勢(shì)出現(xiàn)了一系列的不利變化，即白茆沙沙頭沖刷后退、沙尾上提、沙體縮?。话总馍潮彼肋M(jìn)口段淤淺，白茆沙南水道沖刷發(fā)展，白茆沙南、北水道“南強(qiáng)北弱”態(tài)勢(shì)仍在持續(xù)發(fā)展等。這些變化既在一定程度上影響了白茆沙南、北水道的水量分配格局，也影響了下游河勢(shì)的穩(wěn)定。

1998年和1999年大洪水以后，進(jìn)入白茆沙南水道的水流增強(qiáng)，南水道上口沖深擴(kuò)大，此后進(jìn)口段不斷展寬沖深，南水道由此得到發(fā)展。加之北支水沙倒灌及北水道出口漲潮流的影響，北水道進(jìn)、出口水深變淺，呈逐步萎縮態(tài)勢(shì)。

近十年來，白茆沙北水道總體處于淤積狀態(tài)，其中進(jìn)口段明顯淤淺，其上、下口10 m深槽已經(jīng)出現(xiàn)中斷；南水道則明顯沖刷發(fā)展，其10 m深槽總體有所展寬，但12.5 m深槽的平面形態(tài)總體變化不大。

綜上所述，近十年來，白茆沙沙頭沖刷后退，沙尾上提，沙體縮小，灘面漫灘水流有所發(fā)展。可見，白茆沙總體仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，由此也影響了白茆沙南、北水道的深槽穩(wěn)定性［1-4］。

1.2 存在的問題

對(duì)白茆沙河段河勢(shì)進(jìn)行分析，總結(jié)出該河段不利航道發(fā)展的問題如下［4］：（1）水道寬度：南水道12.5 m深槽緊貼南岸，沿岸碼頭與規(guī)劃航道水域共用，航寬略顯不足；（2）沙體穩(wěn)定性：白茆沙沙頭沖刷后退、沙尾上提、沙體縮??；（3）水道進(jìn)口條件：北支泥沙倒灌，白茆沙北水道進(jìn)口段淤淺；（4）白茆沙下沙體受沖，南北水道“南強(qiáng)北弱”態(tài)勢(shì)仍在持續(xù)發(fā)展；（5）南水道進(jìn)口段河寬較大，主流仍有擺幅空間，航道水深不夠穩(wěn)定。

1.3 解決問題的思路和目標(biāo)

通過前面的河勢(shì)分析，得到該河段的整治目標(biāo)為［4］：（1）維持白茆沙南北水道兩汊并存、南水道為主汊的江心洲分汊河勢(shì)格局，穩(wěn)定和改善白茆沙南水道航道條件；（2）適當(dāng)調(diào)整白茆沙南、北水道的分流條件，遏制其“南強(qiáng)北弱”態(tài)勢(shì)，以免對(duì)下游河段河勢(shì)的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

整治思路為穩(wěn)固白茆沙河段江心洲分汊河型，穩(wěn)定和改善白茆沙南、北水道航道條件。采用護(hù)灘工程，固守沙頭，穩(wěn)定沙體，適當(dāng)增強(qiáng)南北水道動(dòng)力條件；依靠南側(cè)落潮動(dòng)力的增強(qiáng)沖刷沙體南側(cè)沙包，適當(dāng)增加沙包處航道寬度，解決南水道深泓緊貼南岸的問題；增加北水道落潮量，對(duì)解決南支中段“南淤北沖”有利。

根據(jù)長江口區(qū)域河床演變特點(diǎn)和航道治理工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，護(hù)灘工程平面布置建議采用魚嘴形式，方案平面布置見圖1。

圖1 方案平面布置Fig.1 Plane layout of engineering scheme

2 潮流數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型作為非常有效的手段被廣泛地應(yīng)用于河口動(dòng)力場(chǎng)的研究［5-6］。本文采用了上海河口海岸科學(xué)研究中心自主研發(fā)的“長江口航道維護(hù)管理核心計(jì)算平臺(tái)SWEM2D/3D”中的二維潮流數(shù)學(xué)模型（國家版權(quán)局軟著登字第120629號(hào)，登記號(hào)2008SR33450）。該模型能較好地模擬長江口復(fù)雜岸線，且具有物理量守恒、精度和計(jì)算效率高等特點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用于多項(xiàng)長江口工程，較為成熟［7］。

2.1 控制方程

式中：CS=0.01～0.2；Δ=（da）1/2，da 為網(wǎng)格控制體面積。

2.2 數(shù)值求解方法

采用有限體積法求解上述控制方程，離散方法采用Casulli半隱格式，連續(xù)方程中流速梯度項(xiàng)和動(dòng)量方程中水位梯度項(xiàng)采用θ法，0.5≤θ≤1，本文取θ=0.5；對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和柯氏力項(xiàng)采用顯格式；摩阻項(xiàng)采用隱格式。

2.3 計(jì)算網(wǎng)格和范圍

計(jì)算范圍主要包括長江大通至徐六涇段及南北支、南北港和南北槽至外海域等較大范圍，東西長約600 km，南北寬約600 km（圖2）。計(jì)算采用的三角形網(wǎng)格約10萬個(gè)，白茆沙段局部加密網(wǎng)格見圖3，其中網(wǎng)格完全貼合建筑物、固壁邊界走向。

圖2 模型計(jì)算范圍Fig.2 Computation scope

2.4 計(jì)算地形

江陰至通州沙采用2009年3月地形資料，通州沙河段采用2009年5月地形資料，南支、南港和北槽采用2010年2月份地形資料，北支地形采用2007年地形資料，北港上段采用2009年8月地形資料，其余采用2007年8月長江口大范圍實(shí)測(cè)地形資料。

2.5 計(jì)算水文條件

上游邊界采用大通洪季概化流量40 000 m3/s；下游開邊界條件采用2007年8月洪季大潮時(shí)水文測(cè)驗(yàn)期間的外海潮汐資料；外海邊界采用16 個(gè)主要分潮的天文潮調(diào)和常數(shù)（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、U2、V2、T2、L2、2N2、J1、M1、001），天文潮調(diào)和常數(shù)由東中國海大洋潮波模型計(jì)算求得。

2.6 工程邊界條件

本方案包括上游新通海沙護(hù)灘工程、太倉邊灘圈圍、新瀏河沙護(hù)灘及南沙頭通道潛堤工程（含護(hù)灘南堤延長）、中央沙圈圍工程及青草沙水庫、長興島北沿圈圍工程、長興島南岸相關(guān)企業(yè)的圈圍（如中船）、長興潛堤、橫沙東灘圈圍工程（含五期促淤潛堤）、浦東機(jī)場(chǎng)圈圍工程、瑞豐沙護(hù)灘工程推薦方案、北支整治現(xiàn)狀、長江口深水航道治理工程（包括YH101方案、南導(dǎo)堤局部加高等減淤工程）等。上述工程在數(shù)學(xué)模型計(jì)算中作為背景工程考慮。

2.7 計(jì)算參數(shù)

模型計(jì)算步長取5 s，紊動(dòng)粘滯系數(shù)為10 m2/s；曼寧系數(shù)隨水深的變化而變化，取值函數(shù)為0.01+0.01/h，其中h為水深，局部取0.01～0.015。

圖3 白茆沙河段局部加密Fig.3 Local mesh encryption of Baimaosha reach

圖4 潮位和流速驗(yàn)證點(diǎn)位置Fig.4 Verification points of current velocity and tidal level

圖5 洪季大潮潮位驗(yàn)證Fig.5 Tidal level verification of spring tide in flood season

圖6 潮位和流速驗(yàn)證Fig.6 Verification of tidal level and current velocity

2.8 模型驗(yàn)證

由于模型計(jì)算范圍較大，驗(yàn)證點(diǎn)遍布整個(gè)計(jì)算域，本文僅列出白茆沙河段幾個(gè)點(diǎn)的驗(yàn)證結(jié)果。驗(yàn)證點(diǎn)位置見圖4，潮位和流速驗(yàn)證結(jié)果見圖5和圖6。由圖5和圖6可以看出，白茆沙河段流速和水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的工程方案后動(dòng)力計(jì)算結(jié)果是可信的。

圖7 方案前后落急流速矢量圖Fig.7 Velocity vector diagram of ebb tide before and after the project

3 白茆沙方案潮流場(chǎng)計(jì)算

應(yīng)用二維潮流數(shù)學(xué)模型，對(duì)白茆沙整治方案進(jìn)行計(jì)算，并分析工程方案的實(shí)施效果。長江口南支河段落潮流是泥沙搬運(yùn)的主要?jiǎng)恿Γ▓D7）。由圖7可以看出，白茆沙護(hù)灘堤有效地護(hù)住了沙體，在落潮動(dòng)力強(qiáng)的時(shí)刻，沙體灘頂流速大幅減小，不僅保護(hù)了沙體的完整性，還有所淤漲。由于落潮時(shí)漫灘流被阻隔，水流向白茆沙南北水道分流，使得白茆沙南北水道的落潮動(dòng)力有所增強(qiáng)，增幅為5～20 cm/s。南水道增強(qiáng)的動(dòng)力可沖蝕南側(cè)沙包，達(dá)到工程的預(yù)期效果。

本文只對(duì)白茆沙方案進(jìn)行了初步探討，具體方案的確定還需要對(duì)平面布置、高程等做詳盡地研究。

4 結(jié)論

對(duì)長江口白茆沙河段近期河勢(shì)進(jìn)行了分析，針對(duì)不利于航道發(fā)展的幾個(gè)方面，提出了采用護(hù)灘工程，固守白茆沙沙頭，穩(wěn)定白茆沙沙體，適當(dāng)增強(qiáng)南北水道動(dòng)力條件的整治方法。利用潮流數(shù)學(xué)模型，針對(duì)提出的整治方案進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明，白茆沙護(hù)灘堤能夠有效地護(hù)住沙體，保護(hù)沙體的完整性，還有望沙體有所淤漲。且使得兩水道的落潮動(dòng)力有所增強(qiáng)，以達(dá)到工程的治理效果。

［1］惲才興.長江河口近期演變基本規(guī)律［M］.北京：海洋出版社，2004.

［2］華東師范大學(xué)河口海岸研究所，上海河口海岸科學(xué)研究中心.長江口南支、南港河段河床演變分析報(bào)告［R］.上海：華東師范大學(xué)，2007.

［3］徐照明，陳前海.徐六涇節(jié)點(diǎn)及白茆沙河段整治方案研究［J］.人民長江，2009，40（13）：3-5.XU Z M，CHEN Q H.Research for Xu Liujing Node and Regulation Scheme of Baimaosha［J］.Yangtze River，2009，40（13）：3-5.

［4］上海河口海岸科學(xué)研究中心.長江口南支河床演變分析［R］.上海：上海河口海岸科學(xué)研究中心，2010.

［5］許朋柱，毛銳.長江口南支潮流的一個(gè)數(shù)值模擬［J］.海洋與湖沼，1993，24（1）：109-113.XU P Z，MAO R.One Numerical Simulation of Tidal Flow in the South Channel of the Changjiang Estuary［J］.Oceanologia Et Limnologia Sinica，1993，24（1）：109-113.

［6］于風(fēng)香，宋志堯，李瑞杰.長江口三維潮流數(shù)值計(jì)算及動(dòng)力分析［J］.海洋湖沼通報(bào)，2003（3）：14-23.YU F X，SONG Z R，LI R J.A 3-D Hydrodynamical Model for Tidal Current Field of the Yangtze River Estuary［J］.Transactions of Oceanology and Limnology，2003（3）：14-23.

［7］上海河口海岸科學(xué)研究中心.長江口航道維護(hù)管理核心計(jì)算平臺(tái)報(bào)告［R］.上海：上海河口海岸科學(xué)研究中心，2007.