長江澄通河段通州沙西水道整治工程對分流比影響研究

張 瑋，倪 兵，陳乾陽

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院, 南京210098）

為充分利用長江澄通河段通州沙西水道岸線資源，擬進(jìn)行通州沙西水道整治工程。鑒于工程規(guī)模較大，將在一定程度上改變通州沙水道的汊道分流比，進(jìn)而影響本河段的河勢穩(wěn)定和深水航道的正常維護(hù)，需要進(jìn)行科學(xué)的研究和論證。

通州沙水道位于長江潮汐河口段，其水沙運動、河床演變歷來受到人們的關(guān)注，先后開展了大量的研究工作。譚倫武等采用二維數(shù)學(xué)模型研究了通州沙水道洲灘關(guān)鍵控制工程的方案，并預(yù)測了工程后的演變規(guī)律［1］；夏云峰等結(jié)合水流泥沙運動特性，探討了三沙（福姜沙、通州沙、白茆沙）河床演變的主要影響因素以及對航道的影響［2］；姜寧林等利用實測資料，探討了通州沙河床演變的基本規(guī)律，為通州沙河段的治理提供了理論依據(jù)［3］。對于分汊河道來說，分流比是反映汊道興衰變化的重要水動力學(xué)指標(biāo)［4］。影響汊道分流比變化的主要因素有上游主泓的擺動、汊道形態(tài)、汊道阻力和河槽容積等［5-6］。規(guī)劃中的通州沙西水道整治工程包括邊灘圈圍工程、通州沙潛堤工程、西水道疏浚工程等，工程實施后將改變通州沙水道的汊道形態(tài)、汊道阻力、河槽容積等，影響汊道分流比，進(jìn)而影響本河段的河床演變。因此，開展通州沙西水道整治工程對于分流比影響的研究是非常必要的。

本文在掌握澄通河段多年水文、河床地形資料的基礎(chǔ)上，通過建立大范圍一、二維耦合潮流數(shù)學(xué)模型，針對不同的徑流條件和工程方案，就通州沙西水道整治工程對汊道分流比的影響進(jìn)行深入研究，研究結(jié)果可供類似工程參考。

1 河段概況及工程方案介紹

澄通河段地處長江下游河口段（圖1），上起鵝鼻咀，下至徐六涇，全長87 km。既受上游徑流的影響，又受長江口潮流上溯的作用，水動力條件復(fù)雜，河道形態(tài)呈現(xiàn)多樣性。從平面形態(tài)可分為福姜沙汊道段、如皋沙群段、通州沙水道段。通州沙河段分為東西水道，兩汊長度相近。自1948 年通州沙東水道成為主汊以來，過水?dāng)嗝娌粩鄶U(kuò)大，分流比也不斷增加，到1995 年時達(dá)到最大，約為96.1%，以后有所減小，特別是1998 年大洪水以后，分流比呈下降趨勢，2005 年至今落潮分流比基本穩(wěn)定在90%左右［7］。

為增加長江沿岸深水岸線資源，擬進(jìn)行通州沙西水道整治工程建設(shè)，工程主要分為3 個部分（圖2）。

（1）南岸邊灘圈圍工程，共有7 個圍區(qū)，總長度31.57 km，整治線沿-2.0 m（85 國家高程基面，下同）等深線布置。

（2）通州沙潛堤工程，潛堤頂高程1.0 m，總長13.132 km，其中，通州沙頭部左緣潛堤長約3.0 km；沙體右緣潛堤長10.132 km。

（3）西水道中上段航道疏浚工程，范圍為通沙汽渡至七干河口，長約20 km，正常維護(hù)底高-12.4 m，竣工時底高為-15.0 m，邊坡1：10。

2 潮流數(shù)學(xué)模型建立及驗證

為盡量減小整治工程對模型邊界的影響，同時滿足不同水文條件的計算要求，特建立大范圍潮流數(shù)學(xué)模型，模型范圍上起安徽大通，下至南支楊林、北支青龍港。采用一維和二維耦合技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型，安徽大通至江蘇祿安洲洲尾河段采用一維模型，以下河段采用二維模型。

2.1 一維潮流數(shù)學(xué)模型

在一維模型中，采用Saint-Venant 方程組作為控制方程，其連續(xù)方程和運動方程為

式中：x、t 分別為距離和時間的坐標(biāo)；A 為過水?dāng)嗝婷娣e；Q 為流量；h 為水位；q 為旁側(cè)入流的流量；C 為謝才系數(shù)；R 為水力半徑；α 為動量校正系數(shù)；g 為重力加速度。

2.2 二維潮流數(shù)學(xué)模型

2.2.1 基本控制方程

（1）連續(xù)方程

（2）運動方程

式中：x、y 為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；t 為時間變量；η 為波面高程；d 為靜水水深；h=η+d 為總水深；u、v 為x、y 方向上的流速；pa為大氣壓強(qiáng)；ρ 為水流密度；ρ0為水密度的參考；S 為點源處流量的大小；g 為重力加速度；us、vs為點源的流速；τsx、τsy、τbx、τby為x、y 方向上的表面風(fēng)速和底部應(yīng)力；f 為科氏參數(shù)（f=2ωsinφ，ω 為地球旋轉(zhuǎn)角速度，φ 為緯度）；Txy、Tyy為橫向應(yīng)力。

2.2.2 定解條件

（1）邊界條件

數(shù)學(xué)模型通常使用開邊界（水邊）和閉邊界（岸邊）兩種邊界條件。對于開邊界，采用潮位過程

進(jìn)行控制。對于閉邊界則根據(jù)不可入原理，取法向流速為0，即

擬建工程河段岸灘條件復(fù)雜，邊灘淹沒和露灘頻繁，為了合理模擬水流運動，模型閉邊界采用干濕判別的動邊界。

（2）初始條件

計算開始時，整個計算區(qū)域內(nèi)各點的水位、流速值就是計算的初始條件，即

一般情況下初值都是通過估算給出的，與實際值并不一致，不過，經(jīng)過一定時間以后，即使初值有一定的誤差，在計算過程中也將會隨著時間而逐漸消失。

2.3 模型驗證

為使所建立的耦合潮流數(shù)學(xué)模型能較好地模擬水流的實際運動情況，需對模型進(jìn)行率定和驗證，確定其中的計算參數(shù)。以往，曾分別利用2004～2008 年多次實測水文資料對于該模型進(jìn)行率定，本次研究中，結(jié)合最新地形和實測資料，選用長江下游三沙河段2011 年10 月進(jìn)行的最新水文測驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證［8］，經(jīng)驗證，計算結(jié)果與實測資料吻合較好。

3 整治工程影響分析

3.1 方案計算情況

考慮到工程河段位于長江口潮流區(qū)，受上游徑流和下游潮汐的共同作用，動力條件復(fù)雜［9］，為了更全面的研究分析西水道整治工程的影響，本文選擇3 種徑流條件所對應(yīng)的大潮進(jìn)行研究［10］，分別為中水大潮（大通流量為21 000 m3/s）、枯季大潮（大通流量為14 000 m3/s）、洪季大潮（大通流量為51 500 m3/s），同時考慮5種整治工程方案組合，詳見（表1）。

表1 計算方案Tab.1 Calculation cases

在進(jìn)行通州沙西水道整治工程前后分流比變化分析時，主要設(shè)置兩個分流比計算斷面，任港—五干河斷面和狼山沙東水道—狼山沙西水道斷面，分別代表通州沙河段的上游進(jìn)口斷面和下游出口斷面，其中，任港代表通州沙東水道進(jìn)口斷面，五干河代表通州沙西水道進(jìn)口斷面，斷面布置詳見圖1。

3.2 計算結(jié)果及分析

根據(jù)本河段歷年潮流實測資料［11］，一個月中，潮流對本河段河床演變作用較大的時間是在大潮漲落急期間，而漲急歷時僅占全月總歷時5.5%，落急歷時則占50%左右，落潮流對河床演變起主要作用，因此，以下將著重分析落潮分流比變化情況。

不同徑流條件下，通州沙西水道整治工程前后落潮分流比計算結(jié)果詳見表2。結(jié)果表明，影響通州沙東西水道分流比的主要因素包括：南岸圈圍工程和潛堤工程、西水道航道疏浚工程、上游徑流流量、不同斷面位置等。具體分析如下。

（1）邊灘圈圍和潛堤工程影響。

如果僅僅實施南岸邊灘圈圍和通州沙潛堤工程，將增加西水道的阻力，減少西水道落潮分流比。表3 給出了不同徑流條件下進(jìn)口斷面圈圍和潛堤工程前后落潮分流比結(jié)果，可以看出，3 種徑流條件下，五干河斷面的落潮分流比將有所減少，減幅達(dá)到7.4%～9.5%。

（2）西水道航道疏浚工程影響。

表2 不同徑流量下各方案落潮分流比Tab.2 Ebb tidal diversion ratios for different runoffs %

西水道疏浚工程將增加其過水?dāng)嗝?，進(jìn)而導(dǎo)致西水道落潮分流比隨著疏浚深度的增加而不斷增加。由表4 可以看出，3 種徑流條件下，方案5（浚深至-15 m 方案）實施后，五干河斷面落潮分流比增幅達(dá)4.2%～8.0%。而方案3（浚深至-8 m 方案）較工程前分流比改變幅度最小。

（3）不同徑流條件影響。

不同大通流量條件下，整治工程對于工程河段分流比影響程度不同，總體呈現(xiàn)上游徑流量越小整治工程對東西水道分流比影響程度越明顯，上游流量增大時整治工程影響程度有減小趨勢。以五干河斷面為例，由表4 可以看出，枯、中、洪大潮情況下，工程前的落潮分流比分別為8.8%、10.0%、13.5%，方案5（浚深至-15 m 方案）則依次為16.8%、17.0%、17.7%，工程前后增幅分別為8.0%、7.0%、4.2%。可見，隨著上游徑流量的增大，工程前后的變幅不斷減少。說明，中枯水時工程對于通州沙水道分流比的影響相對較大。

表3 不同徑流量下進(jìn)口斷面圈圍和潛堤工程前后落潮分流比Tab.3 Diversion ratios for ebb tide at entrance section before and after reclamation and submerged breakwaters under different runoffs %

表4 不同徑流量下進(jìn)口斷面疏浚方案工程后落潮分流比Tab.4 Diversion ratios for ebb tide at entrance section after dredging engineering under different runoffs %

（4）不同斷面的影響。

通州沙西水道整治工程對不同斷面落潮分流比的影響不同，總體而言，對于進(jìn)口斷面影響較大，而對于出口斷面影響則相對較小（表5）。以枯季大潮方案5（浚深至-15 m 方案）為例，五干河斷面由工程前8.8%增加至16.8%，增加了8.0%，出口處狼山沙西水道由26.3%增加至26.8%，僅增加0.5%。經(jīng)過仔細(xì)分析［11］，五干河斷面經(jīng)邊灘圈圍和疏浚至-15 m 后，0 m 以下過水面積較工程前增幅達(dá)68%，而狼山沙西水道過水?dāng)嗝娌⑽锤淖?，這種變化造成通州沙西水道整治工程對上游分流比影響較大，但對下游影響相對較小。

表5 不同徑流量下各斷面落潮分流比Tab.5 Ebb tidal diversion ratios for cross sections under different runoffs %

4 結(jié)語

（1）應(yīng)用一二維耦合數(shù)學(xué)潮流模型，模擬計算了不同徑流條件下通州沙西水道整治工程方案實施后工程河段分流比的變化，計算結(jié)果表明：邊灘圈圍和潛堤工程、西水道航道疏浚工程、上游徑流條件等是影響通州沙河段東西水道分流比變化的主要因素。

（2）南岸邊灘圈圍和通州沙潛堤工程將減少西水道過水?dāng)嗝?，增加西水道的阻力，減少其落潮分流比。綜合3 種徑流條件可以看出，邊灘圈圍和潛堤工程后，五干河斷面的落潮分流比減幅達(dá)7.4%～9.5%。

（3）西水道疏浚工程將增加過水?dāng)嗝妫瑢?dǎo)致其落潮分流比隨著浚深的增加而有所提高。與工程前相比，航道底高程浚深至-15 m 方案實施后，五干河斷面落潮分流比增幅達(dá)4.2%～8.0%。而航道底高程浚深至-8 m方案較工程前分流比改變幅度最小。

（4）就不同徑流條件來說，上游徑流量越小整治工程對東西水道分流比影響程度越明顯，也就是說，中枯水時整治工程對于通州沙水道分流比的影響相對較大。

（5）整治工程對通州沙水道進(jìn)口斷面分流比影響較大，對出口斷面影響則相對較小，航道底高程浚深至-15 m 方案實施后，五干河斷面由工程前8.8%增加至16.8%，增加了8.0%，出口處狼山沙西水道由26.3%增加至26.8%，僅增加0.5%，與進(jìn)口端西水道過水?dāng)嗝嬖黾虞^多、狼山沙水道斷面則未改變有關(guān)。

（6）綜合以上結(jié)果，可以看出：整治工程后通州沙河段分流比的改變程度主要取決于西水道的疏浚深度，因此，為維持本河段河勢穩(wěn)定，應(yīng)慎重選擇西水道的疏浚尺度。

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