長江南京至瀏河口深水航道航行基面及理論基面初步分析

夏云峰，聞云呈，張世釗，徐 華

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

長江干流是世界上運(yùn)量最大，運(yùn)輸最繁忙的通航河流.長江南京以下河段位于長江三角洲地區(qū)，自然條件優(yōu)越，區(qū)位優(yōu)勢明顯，是長江流域重要的國際門戶，其戰(zhàn)略地位和開發(fā)利用價值十分顯著.隨著長江口12.5 m深水航道開通，深水航道上延至南京迫在眉睫.南京以下河道現(xiàn)行的基面從1970年開始啟用，江陰—南京采用航行基面、江陰以下采用理論基面.隨著人類活動以及海平面上升等因素的影響，南京以下沿程潮波發(fā)生變形，為確保船舶航行安全以及測圖的準(zhǔn)確性，現(xiàn)行的基面需重新計(jì)算與復(fù)核.

1 南瀏段自然條件

1.1 南瀏段概況

長江下游黃金水道南京至瀏河口河段(以下簡稱南瀏段)全長約320 km，總體上以分汊河型為主，河道平面形態(tài)呈寬窄相間的藕節(jié)狀.本河段河道寬闊，流路曲折，洲灘眾多，河道寬度除局部較窄外，一般都在1 km以上，局部寬闊河段，由于水流分散，江中多灘，常形成多支分汊河道.南京河段，即和尚港至三江口河段，長85.1 km，其中龍?zhí)端篱L22 km;鎮(zhèn)揚(yáng)河段，即三江口至五峰山河段，長73.3 km;揚(yáng)中河段，即五峰山至鵝鼻嘴河段，長87.7 km;澄通河段，即鵝鼻嘴至徐六涇河段，長88.2 km;長江口南支河段，河段長70 km.南京—瀏河口河段示意圖見圖1.

圖1 南京—瀏河口河段Fig.1 Sketch of Nanjing-Liuhe river reach

1.2 南瀏段潮汐、潮流

長江口為中等強(qiáng)度潮汐河口，本河段潮汐為非正規(guī)半日淺海潮，每日兩漲兩落，且有日潮不等現(xiàn)象，在徑流與河床邊界條件阻滯下，潮波變形明顯，漲落潮歷時不對稱，漲潮歷時短，落潮歷時長，潮差沿程遞減，落潮歷時沿程遞增，漲潮歷時沿程遞減.南瀏段自上而下以鎮(zhèn)江、三江營、江陰、天生港、徐六涇和楊林的潮汐特征為代表，其潮汐統(tǒng)計(jì)特征值如表1.

表1 南瀏段沿程各站的潮汐統(tǒng)計(jì)特征(85高程)Tab.1 Tide statistical characteristics of stations along Nanjing-Liuhe river reach(85 datum)m

長江下游南京至吳淞口潮位特征見圖2，可以看出最高潮位通常出現(xiàn)在臺風(fēng)、天文潮和大徑流三者或兩者遭遇之時，其中臺風(fēng)影響較大.1997年8月19日(農(nóng)歷七月十七日)，11#臺風(fēng)和特大天文大潮遭遇，江陰站至長江口沿程各潮位站出現(xiàn)建站以來最高潮位;1996年八號臺風(fēng)，正值農(nóng)歷六月十七天文大潮，遭遇上游大洪水(長江大通站流量達(dá)72 000 m3/s)，江陰以上三江營，鎮(zhèn)江站出現(xiàn)歷史上最高潮位.江陰以下臺風(fēng)占主要因素，江陰以上出現(xiàn)的最高潮位則是以上游徑流加上下游的天文大潮所產(chǎn)生的效應(yīng).

長江口潮流界隨徑流強(qiáng)弱和潮差大小等因素的變化而變動，枯季潮流界可上溯到鎮(zhèn)江附近，洪季潮流界可下移至西界港附近.據(jù)實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)分析可知，當(dāng)大通徑流在10 000 m3/s左右時，潮流界在江陰以上;當(dāng)大通徑流在40 000 m3/s左右時，潮流界在如皋沙群一帶;大通徑流在60 000 m3/s左右時，潮流界將下移到蘆涇港—西界港一線附近.

圖2 南瀏段各潮位站潮位特征Fig.2 Tide statistical characteristics of stations along Nanjing-Liuhe river reach

2 南瀏段基面計(jì)算

本次研究收集了沿程南京、鎮(zhèn)江、江陰、天生港、徐六涇、高橋以及堡鎮(zhèn)各站的實(shí)測高、低潮位［1］，同時還收集了大通實(shí)測逐日流量、水位以及白茆河口2000—2005年實(shí)測逐時潮位資料.由于沿程各站的資料基本上都為實(shí)測高、低潮位，且年份不一，同時各實(shí)測潮位站之間間隔較遠(yuǎn)，有必要增加相鄰站點(diǎn)間的潮位資料，為此本次研究利用大通—白茆河口的一維非恒定流數(shù)學(xué)模型對沿程各站的資料進(jìn)行插補(bǔ)［2］.

2.1 綜合歷時曲線法、保證率頻率曲線法簡介

歷時曲線又稱保證率曲線、累積頻率曲線，取每年的逐日平均水位或流量資料，分級統(tǒng)計(jì)各級天數(shù)累積的曲線，根據(jù)保證率要求，求出相應(yīng)水位即保證率水位值;綜合歷時曲線則以多年的日平均水位或流量分級統(tǒng)計(jì)各級天數(shù)累積曲線，根據(jù)保證率要求，求出相應(yīng)水位即為保證率水位值.

保證率頻率法是由歷時曲線及頻率分析兩部分構(gòu)成，即首先在每年的歷時曲線上獲得與保證率相對應(yīng)的水位，再將該水位系列點(diǎn)繪成經(jīng)驗(yàn)頻率曲線，并配線為理論頻率曲線，按照規(guī)定的頻率獲得設(shè)計(jì)水位.其含義為:如果水位設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為95%，頻率為80%，則表示在所選水文系列年中年保證率95%對應(yīng)的水位值低于設(shè)計(jì)最低通航水位的情況，平均5 a出現(xiàn)1次.

2.2 南京至江陰航行基面的推求

航行基面不同于吳淞基面或黃?；娴龋皇且粋€平面，而是一個由若干個相互銜接的不同斜率的斜面構(gòu)成的相對基面.對于通航的天然河流而言，大體相當(dāng)于最枯流量時的水面線或表征略低于低潮面;對于通航渠道或湖泊、水庫而言，大體相當(dāng)于航線上各個部位可能出現(xiàn)的略低于最低水位的連線.因此，以航行基面為準(zhǔn)，低于基面地形點(diǎn)的數(shù)值所反映的是該點(diǎn)的枯水水深，高于基面地形點(diǎn)的數(shù)值所反映的是該點(diǎn)枯水時的干出高度［3－7］.

現(xiàn)行的南瀏河段南京至江陰航行基面于1970年開始啟用，是各站設(shè)計(jì)最低通航水位的連線，航行基面的計(jì)算是根據(jù)1970年以前工程段沿江布置的潮位站所測量的歷時資料，以漢口站約41 a的資料為依據(jù)，采用最低水位頻率法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算其通航保證率為99.5%，相當(dāng)于5年一遇最低水位，南京以下各站通過和漢口站相關(guān)分析，并經(jīng)過各地水位保證率曲線和最低水位頻率進(jìn)行校核，經(jīng)計(jì)算南京站保證率為99.5%，相當(dāng)于5年一遇最低水位，鎮(zhèn)江站保證率為99.9%，相當(dāng)于5.1年一遇最低水位［8］，江陰站保證率為99.9%，相當(dāng)于5年一遇最低水位，南瀏河段現(xiàn)行航行基面與理論基面銜接及各基面轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖3.

圖3 南瀏河段現(xiàn)行航行基面與理論基面銜接及各基面的轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.3 The existing navigation datum of Nanjing-Liuhe river reach connected to theoretical datum and the transfer relation of the datum planes

南京至江陰河段航行基面由1970年以前資料計(jì)算確定，1970年前，南京至江陰河段基本上處于自然狀態(tài).隨著河勢的變化及一系列護(hù)岸工程整治工程的實(shí)施，以及其他人類活動因素的影響，其水位特征將有所變化.總體來說，工程河段潮波發(fā)生變形，表現(xiàn)為潮差減小，潮汐影響程度和范圍有所減弱，徑流作用進(jìn)一步加強(qiáng)，沿程潮位特征將有所調(diào)整，水文系列的調(diào)整將影響到最低通航水位的確定.本次研究利用南瀏河段各站近年的實(shí)測低潮位資料計(jì)算分析南京站保證率為99.5%、鎮(zhèn)江站保證率為99.9%、江陰、天生港、徐六涇、堡鎮(zhèn)以及高橋站保證率為99.9%的設(shè)計(jì)最低通航水位，計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 南瀏河段各站最低通航水位Tab.2 The lowest navigation water level of hydrology stations along Nanjing-Liuhe river reach m

從表2可見，南京至江陰各站航行基面計(jì)算值較現(xiàn)行航行基面數(shù)值有所增加且一般都約為0.10 m，沿程總體變化趨勢與現(xiàn)行航行基面一致.

2.3 江陰以下理論基面的推求

海平面指在某一時刻假設(shè)沒有潮汐、波浪、海涌或其他擾動因素引起的海面波動，海洋所能保持的水平面.其高度系利用人工水尺和驗(yàn)潮儀長期觀測而得.它是確定山高水深的起算面，高度向上計(jì)算，深度向下計(jì)算.對于計(jì)算的深度來說，由于海洋潮位的升降，海面大約有一半的時間是低于平均海平面，因此以海平面向下計(jì)算的深度約有一半時間事實(shí)上沒有那么深［8］.為了保證航海的安全和便于船只航行的計(jì)劃安排，海圖上標(biāo)明的深度是從所謂“海圖深度基面”向下計(jì)算，關(guān)于海圖深度基準(zhǔn)面的確定主要有可能的最低低潮面、大潮平均潮面、略最低潮面、平均大潮低潮面、英國海軍軍部海圖深度基準(zhǔn)面以及美國海圖深度基準(zhǔn)面等幾種計(jì)算方法.1956年以后，我國主要采用“理論深度基準(zhǔn)面”，它主要是8個主要分潮(M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1)組合的最低天文潮面［9］.

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設(shè)以平均海面作為起算的潮高公式為:

上式取 M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1等 8 個分潮，求其最高、低潮面，很明顯它與交點(diǎn)因子 f的選取有密切關(guān)系.為了書寫方便，令

把式(1)改寫成:

根據(jù)平衡潮相角展開式:

因?yàn)?

式(3)后6項(xiàng)可分為3組，其中每1組可組合成1個風(fēng)潮的形式，即

其中，令A(yù)+Bcosτ=Rcosε，Bsinτ =Rsinε，所以，這樣可將式(3)改寫成

欲使得 ζ為極值，必須使 cos(φM2- ε1)=±1，cos(φS2- ε2)=±1，cos(φN2- ε3)=±1，亦即最低值為:L=

本次研究利用南瀏河段沿程各站的實(shí)測高低潮位進(jìn)行調(diào)和分析，然后利用調(diào)和常數(shù)進(jìn)行理論基面的計(jì)算，各站數(shù)值為(采用吳淞基面):南京2.81 m，鎮(zhèn)江2.09 m，江陰1.32 m，天生港0.94 m，徐六徑0.84 m，白茆河口 0.72 m.

2.4 現(xiàn)行基面與計(jì)算基面比較分析

計(jì)算基面與現(xiàn)行基面比較見表3(其中現(xiàn)行的基面江陰以上是航行基面，江陰以下為理論基面)，沿程變化見圖4.從表、圖可以看出，各站航行基面值有所抬高，但抬高值一般都在0.10 m左右;理論基面計(jì)算表明，各站理論基面計(jì)算值較現(xiàn)行理論基面值高約0.20～0.30 m，而理論基面和航行基面銜接處(江陰站)兩者的計(jì)算值較為接近，相差在0.10 m以內(nèi).

表3 計(jì)算基面與現(xiàn)行基面的比較(吳淞基面)Tab.3 Comparison between the calculated and existing datum planes(Wusong datum)m

圖4 計(jì)算基面與現(xiàn)行基面沿程變化比較Fig.4 Comparison of variations between the calculated and existing datum planes along distance

江陰以上航行基面以及江陰以下理論基面的計(jì)算值較現(xiàn)行基面值高，究其原因，主要是隨著河勢的變化及一系列護(hù)岸工程整治工程的實(shí)施，以及其他人類活動因素的影響，其水位特征將有所變化;總體來說，工程河段潮波發(fā)生變形，表現(xiàn)為潮差減小，潮汐影響程度和范圍有所減弱，徑流作用進(jìn)一步加強(qiáng)，沿程潮位特征將有所調(diào)整，從而使得沿程各站的平均海面(潮面)也有所變化.南瀏河段南京、鎮(zhèn)江、江陰以及天生港各站1954—1970年(A時段)、1971—1987(B時段)年以及2002—2005(C時段)年3個階段平均潮面(85國家基面)的變化進(jìn)行分析，各階段變化見圖5.從各站平均潮位的變化可以看出，第2階段各站平均潮位較第1階段有所增加，第3階段較第2階段平均潮位值又有所增加，而且增加的幅度較第2階段的增加幅度大.

圖5 各站不同階段平均潮面變化Fig.5 The average tide level variations of every station in different periods

3 結(jié)語

現(xiàn)狀條件下計(jì)算得出的航行基面、理論基面較現(xiàn)行的航行基面、理論基面都有所抬升，但沿程抬升的趨勢是一致的，計(jì)算航行基面和計(jì)算理論基面在江陰處相差0.1 m以內(nèi)，說明航行基面和理論基面在江陰處能平順相接，進(jìn)而說明南瀏河段現(xiàn)行的基面是可行的、對船舶航行是偏安全的.以上說明利用現(xiàn)行的基面所測量的海圖、地形圖以及研究成果是可信的，能用于航道整治工程的應(yīng)用研究.

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