通州沙河段西水道航道疏浚尺度選擇研究

倪兵，何瑞，張瑋

（1.安徽省交通科學(xué)研究院，合肥210040；2.河海大學(xué)土木大禹班，南京210098；3.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

通州沙河段西水道航道疏浚尺度選擇研究

倪兵1，何瑞2，張瑋3

（1.安徽省交通科學(xué)研究院，合肥210040；2.河海大學(xué)土木大禹班，南京210098；3.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

通州沙河道分為東西兩水道，是長江下游典型的分汊河道。東水道岸線資源利用幾近飽和，擬通過疏浚等工程措施開發(fā)西水道以增加深水岸線資源，需研究西水道疏浚尺度。首先計(jì)算原工程方案實(shí)施前后河道分流比；其次，研究在西水道布置單向航道的可行性，計(jì)算不同單、雙向航道尺度對(duì)于西水道河槽容積和分流比的影響。研究結(jié)果表明：原工程航寬356 m方案對(duì)東水道分流比減幅較大；在工程河段布置單向航道辦法可行，航寬180 m時(shí)東水道分流比減少0.5%以內(nèi)，可以較好地平衡西水道開發(fā)和東水道保護(hù)的矛盾。

潮流數(shù)學(xué)模型；分汊河道整治；航道疏浚；河槽容積；分流比

通州沙西水道是張家港市境內(nèi)長江河道的重要組成部分，近年來，長江主流整體上靠近通州沙東水道，西水道分流比僅在10%左右，對(duì)西水道航運(yùn)發(fā)展造成制約，岸線資源無法開發(fā)利用，擬通過通州沙西水道整治工程改善西水道通航條件。由于整治工程規(guī)模大、涉及內(nèi)容多、施工周期長，其實(shí)施是否會(huì)削弱通州沙東水道深水航道工程的治理效果，是否會(huì)對(duì)南通港各港區(qū)和進(jìn)港航道產(chǎn)生負(fù)面影響，均需要經(jīng)過研究后給出答案。分汊河段整治研究歷來較多。張?jiān)霭l(fā)等分析世業(yè)洲汊道近期河床演變情況，提出世業(yè)洲汊道整治對(duì)策［1］，通過工程措施限制支汊的分流發(fā)展，進(jìn)而維護(hù)主汊主流地位和主汊長江主航道航行安全。杭建國等分析長江鎮(zhèn)揚(yáng)河段河勢(shì)演變，在采取拋石護(hù)岸、潛壩束流等工程治理措施后，改善了暢洲汊道變化劇烈、洲頭崩退、汊道內(nèi)部崩岸現(xiàn)象，和暢洲支汊河勢(shì)趨于穩(wěn)定［2］，保障了位于支汊的長江下游主航道的運(yùn)營安全，通過整治開發(fā)也可以在支汊河道布置深水航道。類似整治工程多在分汊河道其中一汊開發(fā)深水航道，并對(duì)未布置航道的一汊進(jìn)行限流，兩汊同時(shí)開發(fā)深水岸線的研究較少，因此，對(duì)在主汊已布置深水航道、岸線開發(fā)利用趨于飽和的通州沙河段開展西水道航道開發(fā)研究具有十分重要的意義。

本文首先建立大范圍一二維耦合潮流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算原工程方案前后斷面分流比，再根據(jù)5萬t級(jí)散貨船計(jì)算不同通航方式所需航道尺度，通過系列性的對(duì)比來分析航道尺度對(duì)于工程河段河槽容積和汊道分流比的影響情況，研究結(jié)果可為類似長江下游分汊河段整治提供參考。

1 河段概況

通州沙河段位于長江澄通河道下段，上起西界港，接南通水道，下至徐六涇，連徐六涇節(jié)點(diǎn)河道，河段總長約39 km。地處長江河口潮流界以下，受上游徑流的影響和長江口潮流上溯雙重作用，水動(dòng)力條件復(fù)雜。河道形態(tài)為暗沙型分汊河道，江中通州沙、狼山沙、新開沙等沙體發(fā)育，將河道分為東、西兩大主要泄水通道。長江主流出瀏海沙水道，貼南岸而下由南通水道進(jìn)入通州沙東水道。通州沙水道與上下游形成一個(gè)“S”型彎道，東西水道長度相差不大，上游主流由向東轉(zhuǎn)向東南進(jìn)入通州沙東水道，下游則由東南向轉(zhuǎn)向東進(jìn)入徐六涇河段。東水道落潮分流比基本穩(wěn)定在90%左右。同時(shí)，通州沙西水道成為支汊以來，由于上游進(jìn)流不暢，導(dǎo)致西水道呈萎縮趨勢(shì)［3］。

圖1 耦合模型示意圖Fig.1Sketch of coupling model

2 潮流數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介

為盡量減小整治工程對(duì)模型邊界的影響，特建立大范圍潮流數(shù)學(xué)模型，模型范圍上起安徽大通，下至南支楊林站、北支青龍港［4］。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，模型范圍見圖1，模型中的地形選取2010年9月實(shí)測(cè)地形資料。

分別利用2004～2008年多次實(shí)測(cè)水文資料對(duì)一維、二維及耦合模型進(jìn)行了率定，本次研究選用長江下游三沙河段2011年10月最新水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所建模型進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料吻合較好，模型可以較好地反應(yīng)河道中水流實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。

3 原工程方案分流比計(jì)算結(jié)果

3.1 工程概況

通州沙西水道整治工程平面布置詳見圖2，工程主要分為3個(gè)部分（以下稱“原工程方案”）：南岸邊灘圈圍工程，共有7個(gè)圍區(qū)，總長度31.57 km，沿-2.0 m等深線布置外堤線；通州沙潛堤工程，潛堤頂部高程1.0 m，總長13.132 km；西水道中上段航道疏浚工程，范圍自通沙汽渡至七干河口，長約20 km，竣工底高程-15 m，航道寬度356 m，邊坡1：10。

3.2 分流比計(jì)算結(jié)果

分流比是反映分汊河段興衰變化的重要水動(dòng)力學(xué)指標(biāo)［5］。影響汊道分流比變化的主要因素有上游主泓的擺動(dòng)、汊道形態(tài)、河道阻力和河槽容積等［6］，由于通州沙潛堤工程發(fā)揮的引流作用，上游主泓并未發(fā)生擺動(dòng)。西水道整治工程將改變通州沙水道的汊道形態(tài)、汊道阻力、河槽容積等，進(jìn)而改變現(xiàn)有河道分流情況。在進(jìn)行工程前后分流比變化分析時(shí)，設(shè)置了通州沙河段的上游進(jìn)口斷面（任港～五干河）和下游出口斷面（狼山沙東水道～狼山沙西水道～福山水道），分流比斷面布置詳見圖3，原工程方案計(jì)算組次見表1，工程前后落潮分流比見表2，可以看出：

（1）通州沙圈圍和潛堤工程實(shí)施后，東水道斷面落潮分流比增加0.3%～7.4%，西水道落潮分流比相應(yīng)減少。一方面，圈圍工程大幅減小西水道河道容積，束窄過水?dāng)嗝?，增加西水道斷面落潮阻力；另一方面，潛堤將封堵通州沙西竄溝。從-5 m等深線可以看出（圖1），潛堤工程將阻斷落潮流由西水道進(jìn)入東水道的通道，減少通州沙落潮漫灘流，工程后將減少西水道分流比。

圖2 西水道整治工程及河槽容積統(tǒng)計(jì)分段示意圖Fig.2Layout of regulation work and statistics subsection of volume of west channel

表1 原工程方案計(jì)算組次表Tab.1Calculation groups for original project

表2 原工程方案落潮分流比Tab.2 Ebb diversion ratio after original project implemented %

（2）航道疏浚后，東水道斷面落潮分流比減少0.6%～8.0%，西水道落潮分流比相應(yīng)增加。航道疏浚減少東水道分流比，且對(duì)于通州沙進(jìn)口斷面（任港斷面）的影響很大，減幅達(dá)8.0%，勢(shì)必影響通州沙河道河勢(shì)穩(wěn)定，進(jìn)而影響東水道深水航道工程、南通港各港區(qū)和進(jìn)港航道的運(yùn)營安全。

圖3 分流比斷面布置示意圖Fig.3Distribution of cross section for diversion ratio calculation

表3 滿載船舶漂移倍數(shù)n和風(fēng)、流壓偏角γ值Tab.3Drifting multiples n and wind,current pressure deflection angle γ of fully loaded ship

表4 船舶與航道底邊間的富裕寬度cTab.4Additional width c between ship and bottom edges of channel

表5 航道寬度計(jì)算結(jié)果Tab.5Channel width calculation resultsm

4 修改方案研究

4.1 不同航行方式所需航道尺度計(jì)算

原工程方案對(duì)于工程河段分流比有較大不利影響，東水道進(jìn)口斷面分流比減幅達(dá)8.0%，在西水道布置雙向航道，雖然方便船舶航行，但由于開挖量大，對(duì)河勢(shì)不利影響較大，不宜采用。研究表明，在西水道布置單向航道是可行的，單向航道的航行不便問題可通過主航道上行、西水道下行等辦法予以解決。由此，本文通過計(jì)算船舶單向、雙向航行方式所需不同航道尺度，通過系列性的對(duì)比研究，尋求最佳方案。

航道尺度是航道水深、航道寬度、航道彎曲半徑3個(gè)尺度的合成，對(duì)通航船舶（隊(duì)）的吃水和長寬尺度直接起限制作用，確定航道尺度時(shí)，需同時(shí)考慮河流的自然特性，貨運(yùn)量的要求及投資成本等多方面綜合比較確定。考慮到本項(xiàng)研究的特點(diǎn)，這里的航道尺度更多地以航道寬度為主。以下將采用《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦公式

式中：W為航道有效寬度，m；A為航跡帶寬度，m A=n(Lsinγ+B)；n為船舶漂移倍數(shù)；γ為風(fēng)、流壓偏角，（°），采用表3中的數(shù)值；b為船舶間富裕寬度，m，取設(shè)計(jì)船寬B；c為船舶與航道底邊間的富裕寬度，m，采用表4中的數(shù)值。

結(jié)合本河段潮流流速特點(diǎn)及出于航行安全的考慮，本文取橫流V≤0.75 m/s，航速＞6 kn，代入規(guī)范推薦公式，計(jì)算得到設(shè)計(jì)船型（隊(duì)）5萬t級(jí)散貨船航道有效寬度（表5）。另根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算出單向（雙向）航道寬度為125 m（250 m），結(jié)合模型，計(jì)算方便，采用表6所列航道尺度研究對(duì)工程河段的影響。

4.2 西水道河槽容積影響分析

綜合潛堤布置和圈圍工程范圍考慮，將西水道分為四段，河槽容積統(tǒng)計(jì)分段示意圖見圖2，計(jì)算結(jié)果見表7，可以看出：

（1）航道疏浚將增加西水道容積。西水道為通州沙河段的支汊，自下而上水深逐漸減小，其中12.5 m深槽僅上溯至七干河附近，深槽最大寬度基本不足800 m；10 m深槽上溯至長沙河附近，深槽最大寬度不足1 km；5 m深槽上溯至農(nóng)場(chǎng)河附近。六干河以上，水深基本小于5 m，僅局部小區(qū)段存在5～7 m的深槽。挖槽后，西水道總?cè)莘e不同程度增加，且寬度選擇越大，西水道容積增加越多。

表6 不同航道寬度一覽表Tab.6List of different channel width

（2）西水道不同計(jì)算段航道疏浚后河槽容積增加程度相差較大，1段、2段增加較多，3段、4段則增加很少（圖4）。第3段、4段疏浚后增加較少，甚至于第4段疏浚至380 m寬時(shí)，西水道相對(duì)于工程前仍為減少，航道疏浚仍未能完全抵消圈圍工程引起河槽容積的減小。

圖4 西水道整治工程前后河槽容積變化Fig.4Volume change of west channel before and after regulation

表7 整治工程前后西水道容積計(jì)算Tab.7Volume calculation of west channel before and after regulation

4.3 不同航道尺度分流比分析

不同航道尺度整治工程實(shí)施后，2個(gè)計(jì)算斷面的分流比計(jì)算結(jié)果詳見表8，由表8可知，航道疏浚對(duì)東水道分流比影響較大，以任港斷面為例，當(dāng)航道寬度為140 m時(shí)，落潮分流比增加1.0%；此后隨著航道寬度的增加，落潮分流比不斷減小，且航道尺度越大，東水道分流比減小越多；當(dāng)航道寬度為380 m時(shí)，任港斷面落潮分流比減幅達(dá)-6.6%，變化趨勢(shì)見圖5。研究結(jié)果還表明，西水道整治工程對(duì)進(jìn)口斷面分流比影響較大、出口斷面則影響較小，影響主要集中在進(jìn)口斷面處。

4.4 各方案綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)上述討論，西水道整治工程將影響工程河段原有河槽形態(tài)和潮流特性，不同航道寬度對(duì)西水道河槽容積、汊道分流比影響程度差別較大。航道尺度越大，工程后西水道河槽容積增加越多、東水道分流比減少越多。研究結(jié)果表明，航道寬度選擇180 m時(shí)，西水道總河槽容積減少0.7%，改變幅度為最?。粬|水道進(jìn)口處任港斷面分流比減少最小，為0.5%，方案對(duì)東水道分流比影響已經(jīng)很小。因此建議西水道疏浚工程航道寬度采用180 m單向航行的方式設(shè)計(jì)。單向航線帶來的航行不便問題可以通過船舶調(diào)度予以解決，如利用分汊河段特點(diǎn)，規(guī)定船舶利用主航道上行，西水道下行等辦法予以解決，可以較好地實(shí)現(xiàn)支汊開發(fā)與主汊保護(hù)雙贏的目標(biāo)。

圖5 任港斷面整治工程前后落潮分流比變化Fig.5 Ebb diversion ratio of Rengang section before and after regulation

表8 枯水浚深-15 m各工程方案落潮分流比計(jì)算結(jié)果Tab.8Ebb diversion ratio after different projects during drought period(dredging depth-15 m)

5 結(jié)論

（1）圈圍和潛堤工程實(shí)施后，東水道斷面落潮分流比增加0.3%～7.4%。圈圍工程大幅減小西水道河道容積，束窄過水?dāng)嗝?；潛堤將封堵通州沙西竄溝，阻斷落潮流由西水道進(jìn)入東水道的通道，減少通州沙落潮漫灘流，減少西水道分流比。（2）原方案航道疏浚后，東水道斷面落潮分流比減少0.6%～8.0%，且對(duì)于通州沙進(jìn)口斷面（任港斷面）的影響較大，將影響通州沙河道河勢(shì)穩(wěn)定，進(jìn)而影響東水道深水航道工程、南通港各港區(qū)和進(jìn)港航道運(yùn)營安全。（3）航道疏浚將增加西水道容積，不同計(jì)算段航道疏浚后河槽容積增加程度相差較大，1段、2段增加較多，3段、4段則增加很少。（4）西水道整治工程將影響工程河段原有河槽形態(tài)和潮流特性，對(duì)東水道分流比影響較大。航道寬度選擇180 m時(shí)，西水道河槽容積、東水道分流比減少幅度均最少，方案對(duì)東水道分流比影響已經(jīng)很小，可以較好地達(dá)到支汊開發(fā)與主汊保護(hù)雙贏的目標(biāo)。

［1］張?jiān)霭l(fā).長江鎮(zhèn)揚(yáng)河段世業(yè)洲汊道近期演變與整治對(duì)策［J］.中國水利，2011（4）:32-34. ZHANG Z F.Recent Evolution and regulation of branch channels of Shiye Bar in Zhenyang，Yangtze River［J］.China water conser?vancy，2011（4）:32-34.

［2］杭建國.長江下游和暢洲汊道整治工程研究［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2010（9）:6-13. HANG J G.On regulation work of Changzhou Channel and downstream Yangtze River［J］.Yangtze Scientific Academy Transaction, 2010（9）:6-13.

［3］胡鳳彬，張宗德.通州沙西水道整治工程水域水文測(cè)驗(yàn)報(bào)告［R］.南京:河海大學(xué)，2011.

［4］張瑋，陳乾陽，倪兵.通州沙西水道整治工程對(duì)通州沙河段潮流量影響研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013（6）:1 520-1 525. ZHANG W，CHEN Q Y，NI B.On effect of regulation work on tidal discharge of Tongzhousha west channel［J］.Scientific technolo?gy and engineering，2013（6）:1 520-1 525.

［5］仲志余，王永忠.論長江澄通河段的綜合治理與開發(fā)［J］.人民長江，2009（6）:1-5. ZHONG Z Y，WANG Y Z.On comprehensive regulation and development of Chengtong channel in Yangtze River［J］.Yangtze Riv?er，2009（6）:1-5.

［6］陳曉云.長江太倉—南通河段河道演變特性與航道治理思路分析［J］.水運(yùn)工程，2012（4）:102-110. CHEN X Y.Analysis on evolution and regulation of Taicang-Nantong Reach in Yangtze River［J］.Por&Waterway Engineering，2012（4）:102-110.

Study on dredging scale of Tongzhousha west channel

NI Bing1,HE Rui2,ZHANG Wei3
（1.Anhui Province Transportation Research Institute,Hefei 210040,China;2.Dayu College,Hohai University, Nanjing 210098,China;3.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098, China）

Tongzhousha is a typical branch channel in the downstream of Yangtze River.Due to the saturated usage of the waterfront resources along east channel,exploitations of deep waterfront resources in west channel were planned.It was needed to research the dredging scale of west channel.Firstly,diversion ratio of the channel before and after regulation was calculated.Secondly,the feasibility of one?way channel was analyzed,as well as the influ?ence of one?way and two?way channel scale on the channel volume and diversion ratio.Results indicate that the scheme of 356 m channel width reduces the diversion ratio of east channel significantly.The one?way channel scheme is feasible and the scheme of 180 m channel width reduces the diversion ratio within 0.5%,which balances the exploitation of west channel and the preservation of the east channel.

tidal current numerical model；branch channel regulation；channel dredging；channel volume；di?version ratio

TV 142；U 617

A

1005-8443（2014）06-0608-05

2013-10-08；

2013-11-13

倪兵（1986-），男，安徽省舒城人，碩士研究生，主要從事港口航道工程研究。

Biography：NI Bing（1986-），male，master student.