對(duì)長江口深水航道治理工程中若干問題的思考

金 ，虞志英，張志林，錢 峰

對(duì)長江口深水航道治理工程中若干問題的思考

（1．華東師范大學(xué)河口海岸科學(xué)研究院，上海 200062；2．長江水利委員會(huì)長江口水文水資源勘測(cè)局，上海 200136）

長江口深水航道治理工程對(duì)南北槽分流口及北槽進(jìn)行大規(guī)模河口整治，至2010年已分別完成了一期、二期和三期工程，使長江口航道水深分別達(dá)到8．5，10．0，12．5 m的治理目標(biāo)。但從二期10 m水深的維護(hù)開始，尤其是2006年三期工程開工以來，航道的維護(hù)疏浚量（包括三期施工期回淤量）急速上升，且回淤沿航道的分布極不均勻；2009年加長了大部分丁壩，意圖提高回淤集中航段的落潮流速，刷低灘面，減輕回淤，但效果不顯著。為此，總結(jié)長江河口深水航道治理工程實(shí)施過程中出現(xiàn)的河口河槽演變?nèi)舾蓡栴}，研究整治建筑物對(duì)北槽河槽形態(tài)、沿程水沙條件和地形的影響，初步分析造成高回淤量的原因，并從理論和方法上對(duì)河口治理工程進(jìn)行了初步歸納，對(duì)長江口綜合整治開發(fā)具有借鑒意義。

長江口深水航道；中水河槽；河勢(shì)控制；整治；放寬率；疏浚

1 概 述

長江河口是我國最大河流入海口，水豐沙多為其主要水文特征；三級(jí)分汊、四口通海和口門處巨大攔門沙沉積淺灘為其主要地貌特征［1］。目前，長江口潮區(qū)界在安徽大通站附近，距口門約600 km；潮流界在江陰附近，距口門約200 km。該段也是長江口河口段所在。長江入海徑流多年平均達(dá)8 974億m3，與口門潮量相比約占40%，因此洪水的造床作用不可小視。歷史上，長江口河勢(shì)的重大變化事件均與當(dāng)年洪水作用相關(guān)，如1860年和1870年2次大洪水作用下形成了北港，1949年和1954年大洪水形成了北槽［2］。

長江口又是咸、淡水交匯區(qū)，外海入侵的咸水鋒面在垂線分布上顯示了密度環(huán)流形態(tài)，并受徑流影響，形成了有利于泥沙淤積的環(huán)境，促使了河口攔門沙的發(fā)育，形成河口淺灘區(qū)，此處灘槽泥沙交換頻繁，底部泥沙再懸浮，形成河口最大渾濁帶所在的高含沙區(qū)域，不僅河道寬淺、沙洲汊道交替、河勢(shì)復(fù)雜多變，更是淤積強(qiáng)烈、疏浚困難，成為長江河口入海通道的瓶頸所在。

上世紀(jì)末，國家為開發(fā)利用和保護(hù)長江口水土資源開展科研攻關(guān)，1998年長江口深水航道整治工程開始實(shí)施（見圖1），由此開啟了長江口大規(guī)模治理的序幕。工程采用了“疏浚、整治和固基”相結(jié)合的治理方針。工程分三期，其中一、二期工程以略低于設(shè)計(jì)工程量如期完成建設(shè)項(xiàng)目并穩(wěn)定維持了通航水深，但從二期10 m水深的維護(hù)開始，尤其是2006年三期工程開工以來，航道的維護(hù)疏浚量（包括三期施工期回淤量）急速上升，且回淤沿航道的分布極不均勻。為了改善這種不利狀況，2009年上半年加長了大部分丁壩，意圖提高回淤集中航段的落潮流速、刷低灘面、減輕回淤，但效果不顯著。鑒于此，通過河口治理工程的實(shí)踐，認(rèn)真研究本項(xiàng)工程的經(jīng)驗(yàn)并從理論上進(jìn)行探討。加深了對(duì)長江河口區(qū)河勢(shì)演變規(guī)律的認(rèn)識(shí)，從而使長江口的治理目標(biāo)逐漸成為現(xiàn)實(shí)。

2 潮汐河口河槽容積和寬深尺度

潮汐河口的河槽容積和寬深尺度主要取決于潮量，而能否維持長期穩(wěn)定，徑流起著關(guān)鍵的作用，流域來沙的狀況也有重要影響。在天然情況下，通常海域的水文、地形、泥沙條件變化相對(duì)較小，而河口流域來水來沙條件的變化較為明顯，因此河口河槽容積和河床形態(tài)較多地受流域來水來沙的影響。徑流減少、流域來沙增加或流域來沙細(xì)化，均會(huì)導(dǎo)致河口河槽斷面積的減小及寬深比的增加。

（1）長江流域來水，從長歷時(shí)看年徑流量在某一均值上下波動(dòng)，但遭遇連續(xù)枯水年，河口河槽容積會(huì)出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，例如2004，2005，2006年，相當(dāng)于一組枯水年，其平均徑流流量Q0＝25 100 m3／s，為多年平均流量28 500 m3／s的88．1%。按竇國仁平原潮汐河口河相關(guān)系［3］以及長江口年平均流量Q0與年平均落潮流量 Qe之間存在大致穩(wěn)定的比例關(guān)系（Q0／Qe≈0．4），可以估算2004－2006年枯水年造成的河槽容積的減小約為11．3%。查閱此期間長江口水深地形測(cè)圖，南港主槽10 m以下河槽容積2005年11月至2006年11月間縮小了1．38×107m3，減小7．6%；2004年5月至2006年5月期間北槽5 m以下容積減少22%，而南槽增大13%，合計(jì)容積減少10%。這與河相關(guān)系的估算值似有一致性。

圖1 長江口深水航道治理工程所在位置Fig．1 The location of deepwater channel regulation project at Yangtze estuary

（2）河口處流域來沙減少和粒徑細(xì)化導(dǎo)致河口河槽容積的沖刷擴(kuò)大以及濱海岸線的侵蝕內(nèi)移。2001－2007年大通站年均輸沙量為1．92億t，為1953－2000年年均輸沙量4．34億t的44．2%；1987－2005年懸沙平均d50＝0．009 mm，而1976－1985年平均d50為0．026 mm，亦有明顯細(xì)化趨勢(shì)。三峽水庫蓄水之后，庫下游河床沖刷并向下游傳遞。2004年、2005年、2006年3年宜昌－大通累計(jì)（輸沙率法）沖刷2．35億t。

河口內(nèi)的沖刷主要反映在河口上段，包括主槽沖刷和江中沙洲的沖刷，據(jù)華東師大河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室調(diào)查，1984年8月至2003年3月，徐六涇－瀏河段（河槽面積約400 km2）年均沖刷0．14×108m3／a，其中1999年12月至2003年3月為0．36× 108m3／a，而1978年8月至1984年8月僅為0．03× 108m3／a。江中沙洲的沖刷，例如白茆沙－5 m以上面積，1999－2004年縮小9．1 km2，減少約24．9%；新瀏河沙（以及新瀏河沙包）5 m以上體積，1991－2000年縮小3 409．6萬m3，減少約41．9%；中央沙、青草沙、瑞豐沙等亦有縮減。濱海沙洲雖大多仍有向海淤漲，但低潮位以下岸灘已有侵蝕內(nèi)移［4］。

（3）河口成對(duì)汊道，隨著進(jìn)流進(jìn)沙條件的變化，一支可能發(fā)展而另一支可能萎縮，趨于萎縮的具體標(biāo)志是落潮流分流比減小，使河槽從落潮槽轉(zhuǎn)化為漲潮槽。北槽河性轉(zhuǎn)化的落潮流分流比閾值，參照1949－1954年北槽開始成形時(shí)的分流比，可認(rèn)為約35%。

從長遠(yuǎn)看，海域水文泥沙條件也會(huì)有變化，例如海平面上升以及海岸帶人類活動(dòng)等，將影響到河口潮量及海域來沙量的變化，從而影響河口河槽容積及寬深尺度。在河口整治和深水航道建設(shè)中，需要考慮流域和海域宏觀水、沙變化對(duì)河口的影響，我們可以把河口這一方面的規(guī)劃和設(shè)計(jì)稱之為“河相規(guī)劃或河相設(shè)計(jì)”。

3 河道平面和斷面形態(tài)設(shè)計(jì)

長江口最大渾濁帶具有明顯的潮致余流特性，咸淡水摻混的斜壓效應(yīng)不起主要作用。因此，長江口整治仍可適用平原沖積河流中水河槽整治的一般原則。長江口的造床流量約為多年平均落潮流量即40 000 m3／s。中水河槽整治的具體要求，包括主流線和斷面形態(tài)2個(gè)方面，即河型要求和斷面尺度要求我們可以把河口這一方面的規(guī)劃設(shè)計(jì)，稱之為“河道的平面及斷面形態(tài)設(shè)計(jì)”。

（1）中水河槽的河型要求，即平面形態(tài)有3個(gè)主要內(nèi)容：一是要求形成的中水河槽的主流線（或稱“動(dòng)力軸線”）順直微彎，與上下游主流線順暢連接，形成穩(wěn)定的彎直相間的蜿蜒河型；通過建筑物將容易擺動(dòng)的直段流路導(dǎo)入彎道使之穩(wěn)定并導(dǎo)入下一直段，起到“以壩固沙護(hù)彎，以彎導(dǎo)流”的作用。二是潮波推進(jìn)有沿程損失，要使單寬流量沿程分布較為均勻，中水河槽在平面上向下游需有一定的放寬率。三是為了容納彎直相間的中水河槽并滿足高水行洪的要求，當(dāng)采用雙導(dǎo)堤約束河槽穩(wěn)定邊界時(shí)，應(yīng)采用寬間距導(dǎo)堤以提供蜿蜒形中水河槽所需的橫向空間并確保足夠的行洪能力，即所謂的“寬河行洪”。

長江口北槽整治，放寬率外形的形成乃依靠一系列丁壩，丁壩頭部水深0 m。以丁壩頭部連線形成導(dǎo)治線，導(dǎo)治線寬度B的變化符合以下式表示的放寬形態(tài)，即

式中：α為放寬率（10－5·m－1）；x為向下游延伸距離（m）。

不同的放寬率，北槽的流場(chǎng)調(diào)整結(jié)果不同，系列的數(shù)值模擬結(jié)果與一期工程完成時(shí)的流場(chǎng)相比，二期工程不同丁壩長度或放寬率下的北槽航道內(nèi)外流速增量見圖2。顯然，對(duì)北槽上段（1＃－5＃區(qū)段）而言，導(dǎo)治線放寬率的減小導(dǎo)致流速的降低，而對(duì)北槽下段（5＃－11＃區(qū)段），作用相反。

圖2 北槽放寬率與平均落急流速增幅之間的關(guān)系Fig．2 The relationship between the w idening rate of the North Passage and the am plification of the averagemaximum ebb velocity

（2）中水河槽斷面形態(tài)的要求，是希望通過整治形成較小的斷面寬深比。一系列丁壩的布置，不免會(huì)增加河槽阻力，但通過減小寬深比仍能在一定的丁壩布置狀況下保持所需的輸水輸沙能力，而河槽總?cè)莘e維持不變。二期整治建筑物工程實(shí)施前，一期（包括完善段）丁壩使北槽落潮分流比下降約10%，但北槽寬深比（－5 m以下）得以減小，N1， N6，N9丁壩斷面（示意位置見圖1）的值分別從117，24，50，降低為27，21，20，中水位河槽容積基本維持在（3 000～3 100）×106m3。而二期整治建筑物實(shí)施后，河槽容積持續(xù)下降至目前不足2 800× 106m3，河槽的輸水輸沙能力下降［5］。

4 河道整治建筑物和疏浚的控制

為了控制深水航道的疏浚維護(hù)量，必須通過整治建筑物實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：①穩(wěn)定航道所在河段的河勢(shì)和主流流路；②調(diào)整航道所在汊道的流場(chǎng)，達(dá)到較為均勻的縱向潮動(dòng)力分布，避免出現(xiàn)局部高含沙量區(qū)段；③調(diào)整航道所在汊道的地形，形成穩(wěn)定、寬深尺度較為理想的覆蓋航道的連續(xù)深泓，減少航槽與附近淺灘的高差；④阻擋淺灘對(duì)主槽的泥沙供給，減少橫向?yàn)┎勰嗌辰粨Q對(duì)航道回淤的影響。

我們可以把圍繞深水航道建設(shè)這一方面的規(guī)劃設(shè)計(jì)稱之為“航道減淤設(shè)計(jì)”。

（1）穩(wěn)定所在河段的河勢(shì)和主流流路，是確保深水航道疏浚能在平面上穩(wěn)定的自然深泓中進(jìn)行的必要條件。造成北槽河勢(shì)和主流流路變易的主要因素為：一是南北槽分流沙洲（江亞南沙）沖刷后退，引起北槽上口進(jìn)流進(jìn)沙條件的變化；二是北港與北槽、北槽與南槽通過越灘水流和串溝的水沙交換引起北槽地形發(fā)生變化。建造北槽的分流魚嘴和南、北導(dǎo)堤，主要目的也在于固定江亞南沙和北槽南北邊界，堵塞串溝、削弱支汊間的水沙交換以及淺灘風(fēng)浪掀沙對(duì)北槽的泥沙補(bǔ)給。

（2）整治建筑物調(diào)整北槽流場(chǎng)，包括兩個(gè)方面：一方面使北槽從以旋轉(zhuǎn)流為主的流場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)流，主流流向與航道走向基本一致；另一方面，使水流動(dòng)力的縱向分布相對(duì)均勻化，以避免局部區(qū)段泥沙的再懸浮過于活躍，從而出現(xiàn)高含沙量尤其是近底高含沙量。關(guān)于第二方面，二期工程后情況并不理想，圖3至圖5為2007年8月大潮實(shí)測(cè)近底流速和垂線平均含沙量及床沙粒徑的縱向（沿程）分布（測(cè)驗(yàn)點(diǎn)位見圖1），在北槽中段出現(xiàn)了含沙量明顯偏大的現(xiàn)象，床沙粒徑顯著變粗，這對(duì)于人工挖槽減淤十分不利。

圖3 北槽近底流速沿程分布（2007年8月大潮）Fig．3 The distribution of the velocity near the bottom along the North Passage（Aug．2007，spring tide）

圖4 北槽垂線平均含沙量沿程分布（2007年8月大潮）Fig．4 The distribution of the average vertical sediment concentration along the North Passage（Aug．2007，spring tide）

圖5 北槽床沙及懸沙d50縱向分布（2008年8月14－17日）Fig．5 The longitudinal distribution ofmedian particle diameter（d50）of the bed material and the suspended sediment（Aug．14 to 17，2008）

（3）一期（包括完善段）工程后，北槽地形得到很大調(diào)整，出現(xiàn)了上下貫通、寬深尺度較為均勻且覆蓋航道的自然深泓，灘槽高差（以航道邊線外100 m處最小水深與航道水深之差代表）較小。在丁壩位置和放寬率一定的情況下，隨著丁壩總長度增加，落潮分流比減小，河槽斷面形態(tài)調(diào)整，寬深比減小，主槽容積仍維持不變，而自然深泓擴(kuò)展；但當(dāng)丁壩總長度達(dá)到某一量值后，主槽容積和自然深泓均趨于減小。由數(shù)值模擬給出的關(guān)系見圖6和圖7，可知出現(xiàn)整治效果（以整個(gè)北槽自然深泓平均寬度代表）發(fā)生轉(zhuǎn)折的丁壩總長度約30 km，即二期工程完成時(shí)的丁壩總長度，其相應(yīng)的落潮分流比約為43%?？梢酝ㄟ^自然深泓的尺度定義第二種落潮分流比閾值，即整治效果從好向差轉(zhuǎn)化的臨界分流比。

圖6 北槽落潮潮量及分流比與丁壩總長度關(guān)系Fig．6 The relationship among ebb tidal volume，diversion ratio and the total length of the groins

圖7 北槽等深線平均寬度與丁壩總長度關(guān)系Fig．7 The relationship between themean w idth of the fathom lines and the total length of the groins

圖8為二期工程前后灘槽高差的變化，可知在航道中段，灘槽高差顯著增加。W2，W3，W4在航道中的位置見圖1。

圖8 二期工程前后北槽航道灘槽高差沿程變化Fig．8 The variation of height difference between the shoal and trough along the waterway of the North Passage before and after the second stage of the project

（4）同一汊道內(nèi)，灘槽組成水沙交換的平面環(huán)流系統(tǒng)，使人工航槽獲得橫向的泥沙補(bǔ)給來源。文獻(xiàn)［5］曾指出過這種橫向的灘槽泥沙交換對(duì)航道回淤可能產(chǎn)生重要影響，但以往缺少定量的計(jì)算。近期有一些針對(duì)北槽航道開挖后的泥沙通量的計(jì)算，例如二維數(shù)模，以及三維泥沙數(shù)模的初步工作，表明無論是常態(tài)條件還是風(fēng)暴條件下，灘槽泥沙交換導(dǎo)致的北槽中段人工航槽的橫向泥沙凈通量都不容忽視。

在二期工程完成全部整治建筑物后，開工建設(shè)的三期工程進(jìn)展不快，主要問題是航道中段疏浚回淤嚴(yán)重，航道加深困難，造成這一局面的因素有：該段灘槽高差大、含沙量尤其是近底含沙量高，以及航道軸線與自然深泓軸線有一定偏離。這些都說明二期丁壩對(duì)流場(chǎng)和地形的調(diào)整尚不理想，綜合表現(xiàn)為常態(tài)和風(fēng)暴條件下進(jìn)入該段航道的泥沙凈通量較大。除了整治建筑物因素外，北槽上口的來沙條件的變化也是重要原因之一。由于流域來沙減少，河口內(nèi)河床演變趨于活躍，加之人工取沙，沖刷下移進(jìn)入北槽的底沙在2000－2004年期間顯著增多，造成北槽進(jìn)口段和上段灘面抬高，河床阻力加大。2006年起，河口內(nèi)河床沖刷趨于緩和，北槽上口底沙進(jìn)沙減少，進(jìn)口段和上段地形有所沖刷恢復(fù)，這一趨勢(shì)仍將繼續(xù)，對(duì)航道減淤有利。

為了減輕北槽中段航道的回淤，對(duì)丁壩布置和南堤高程等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整是必要的。調(diào)整丁壩布置和南堤高程等，將引起流場(chǎng)、灘槽高差、含沙量分布的變化。但對(duì)航槽回淤的影響并不都是一致的，例如束窄丁壩段導(dǎo)治線寬度，可以增加流速，降低灘面，但也會(huì)帶來含沙量的增加，因此要進(jìn)行綜合分析。比較可信的是結(jié)合動(dòng)力地貌調(diào)查進(jìn)行航槽內(nèi)的三維泥沙通量計(jì)算，綜合考慮調(diào)整工程對(duì)河勢(shì)的影響以及流場(chǎng)、地形、含沙量等對(duì)航槽回淤的影響，而不是簡單化地從所謂“優(yōu)勢(shì)流”來判斷流場(chǎng)調(diào)整效果和在工程措施上簡單化地采用加長丁壩、“束水攻沙”的減淤辦法。

5 結(jié) 語

要對(duì)長江口大的分汊河段進(jìn)行整治解決河口河床演變和水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律等重大問題，技術(shù)上十分復(fù)雜。本文通過對(duì)長江口深水航道治理工程中若干問題的探討，對(duì)河口整治的理論、方法取得一定的認(rèn)識(shí)，歸納如下：

（1）通過整治建筑物及北槽，引起北槽分流比和分沙比明顯減少。整治工程要注意防止北槽河槽性質(zhì)向漲潮槽轉(zhuǎn)變，為此，應(yīng)維持其落潮分流比不低于35%。

（2）整治工程應(yīng)采用寬間距導(dǎo)堤的布置形式，這是維持北槽落潮槽性質(zhì)不變的需要，也是提供彎直相間＂蜿蜒＂型中水河槽形態(tài)橫向空間的需要。

（3）通過疏浚維護(hù)的人工河道，要求所在河槽主流穩(wěn)定上下貫通，有一定寬深尺度的深泓以減小灘槽之間的高差。二期工程的丁壩布置，已使這一自然深泓的寬深尺度達(dá)到最大，進(jìn)一步加長丁壩，將使深泓尺度變小。

（4）整治工程的重要目的之一是調(diào)整流場(chǎng)，丁壩布置應(yīng)形成合理的放寬率以維持北槽縱向較為均勻的水流強(qiáng)度和含沙量，避免對(duì)局部區(qū)段實(shí)施過度“束窄”以提高流速，按照平衡河槽縱向凈輸沙均勻分布的要求，局部過高的流速會(huì)造成相應(yīng)較高的含沙量和較小的水深，從而增加人工開挖航槽的回淤強(qiáng)度。

（5）在一定的流場(chǎng)、泥沙和地形條件下，航道回淤強(qiáng)度還與疏浚強(qiáng)度有關(guān)。加大疏浚強(qiáng)度，有助于降低回淤強(qiáng)度，對(duì)航道的風(fēng)暴驟淤及時(shí)進(jìn)行疏浚擾動(dòng)驅(qū)趕是必須的。一、二期工程的經(jīng)驗(yàn)表明，施工期回淤量低于建成后的維護(hù)強(qiáng)度，疏浚強(qiáng)度的差異是重要原因之一。

［1］ 陳吉余，朱慧芳，董永發(fā)，等．長江河口及其水下三角洲的發(fā)育［C］∥陳吉余，沈煥庭，惲才興．長江河口動(dòng)力過程和地貌演變．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1989：48－62．（CHEN Ji-yu，ZHU Hui-fang，DONG Yong-fa，et al．The Development of the Yangtze Estuary and Its Subaqueous Delta［C］∥CHEN Ji-yu，SHEN Huan-ting，YUN Cai-xing．The Estuary Dynamics and Geomorpholog-ical Evolution．Shanghai：Shanghai Scientific＆Techni-cal Publishers，1989：48－62．（in Chinese））

［2］ 陳吉余．長江河口的自然適應(yīng)和人工控制［J］．華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)——長江河口最大渾濁帶和河口鋒研究論文選集，1995，（增刊）：1－14．（CHEN Ji-yu．The Natural Adaptation and Manual Control of the Yangtze Es-tuary［J］．Journal of East China Normal University（Nat-ural Science）——The Selected Papers of the Study on the Maximum Turibidity Zone and the Estuarine Front Zone，1995，（Sup．）：1－14．（in Chinese））

［3］ 竇國仁．平原沖積河流及潮汐河口的河床形態(tài)［J］．水利學(xué)報(bào)，1964，（2）：1－13．（DOU Guo-ren．The Bed Form of the Alluvial Streams and the Tidal Delta［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1964，（2）：1－13．（in Chinese））

［4］ 劉 杰．長江口深水航道河床演變與航道回淤研究［D］．上海：華東師范大學(xué)，2008．（LIU Jie．The Study of the Bed Evolution and Back Silting in the Yangtze Es-tuary Deepwater Channel［D］．Shanghai：East China Nor-mal University，2008．（in Chinese））

［5］ 張國安，虞志英，何 青，等．長江口深水航道治理一期工程前后泥沙運(yùn)動(dòng)特性初步分析［J］．泥沙研究，2003，（6）：33－40．（ZHANG Guo-an，YU Zhi-ying，HE Qing，et al．The Preliminary Analysis of the Sediment Movement Before and After the First Phase of the Yangtze Estuary Deepwater Channel Regulation［J］．Journal of Sediment Research．2003，（6）：33－40．（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

TV14；TV698

A

1001－5485（2011）04－0005－05

2010-01-22

金（1941-），男，江蘇蘇州人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事河口海岸工程方面的研究，（電話）021-50381563（電子信箱）jinl＠cjkhd．com。