新洋港閘下港道適宜斷面與平衡流量

龔 瑜,陸 倩,嚴(yán) 飛,張長(zhǎng)寬

(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092; 2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

新洋港閘下港道適宜斷面與平衡流量

龔 瑜1,陸 倩1,嚴(yán) 飛1,張長(zhǎng)寬2

(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092; 2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

在總結(jié)前人關(guān)于新洋港閘沖淤平衡流量研究成果的基礎(chǔ)上,分析了自建閘至2012年新洋港閘下港道的沖淤情勢(shì)和一般規(guī)律?；?008—2012年港道沖淤和水情資料,采用相關(guān)性分析方法,重點(diǎn)分析了下泄徑流對(duì)閘下港道的沖淤效果。結(jié)果表明:為了維持港道沖淤平衡,閘門不宜長(zhǎng)期關(guān)閉,非汛期不排水天數(shù)占總天數(shù)的比例不宜高于42%;徑流和潮流對(duì)水流輸沙能力共同產(chǎn)生作用,徑流條件可以改善港道內(nèi)的漲落潮不平衡輸沙現(xiàn)象;較弱的落潮流只能攜帶泥沙下泄7～9 km,長(zhǎng)時(shí)間大流量開閘有利于港道穩(wěn)定;當(dāng)港道達(dá)到?jīng)_淤平衡時(shí),日均下泄徑流量Q與港道平均斷面積A之間符合Q=0.13A的定量關(guān)系;在目前港道形態(tài)下,港道健康運(yùn)行的適宜斷面積約為664 m2,其沖淤平衡日均下泄徑流量約為86 m3/s。

閘下淤積;港道沖淤;平衡流量;適宜斷面;入海河口;新洋港閘

20世紀(jì)50年代,我國(guó)在沿海大部分中小入海河口建立了擋潮閘。擋潮閘修建后,在發(fā)揮御鹵蓄淡、防潮抗臺(tái)、防洪排澇等功能的同時(shí),也帶來(lái)了嚴(yán)重的泥沙淤積問(wèn)題,尤其在海向來(lái)沙的淤泥質(zhì)淤長(zhǎng)型海岸,閘下港道普遍處于較嚴(yán)重的淤積狀態(tài)。雖然經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的治理,但閘下淤積問(wèn)題與防洪、航運(yùn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的矛盾仍十分突出[1-3]。

影響閘下沖淤的因素眾多,對(duì)于我國(guó)淤泥質(zhì)淤積海岸段,目前一般認(rèn)為海相來(lái)沙是閘下淤積的主要沙源,潮波變形是閘下淤積的動(dòng)力特征,漲落潮不平衡輸沙是閘下淤積的基本模式,而徑流是維持河床生命的動(dòng)力[4-7]。目前關(guān)于閘下淤積定性的研究較多,而定量的研究較少。本文以江蘇沿海北部新洋港閘下港道為例,基于2008—2012年實(shí)測(cè)地形及水文資料統(tǒng)計(jì)分析,研究閘下港道適宜斷面與平衡流量,為閘下河口治理提供依據(jù)。

關(guān)于新洋港閘的沖淤平衡徑流量,前人已有不少研究成果。羅肇森等[8]通過(guò)分析新洋港多年實(shí)測(cè)泄水量與閘下河段變化的資料,得出下泄徑流量1.9 億m3/月可以保持閘下沖淤平衡,大于此流量時(shí)河床沖刷,小于此流量時(shí)河床淤積。朱國(guó)賢等[9]根據(jù)新洋港閘下港道歷年汛期沖淤統(tǒng)計(jì)資料,提出6—9月排水量小于10億m3時(shí)閘下河段基本處于上沖下淤狀態(tài),大于10億m3時(shí)閘下河段呈全線沖刷狀態(tài)。劉建東[10]提出5月至次年4月新洋港閘下港道清淤標(biāo)準(zhǔn),下泄徑流量與汛前河床容積關(guān)系如下:①豐水年(P≤20%),年徑流量27.5億m3以上,汛前港道河床容積在570萬(wàn)m3以上;②平水年(P=50%),年徑流量20億m3,汛前港道河床容積410萬(wàn)m3;③枯水年(P≥70%),年徑流量17億m3以下,汛前港道河床容積360萬(wàn)m3以下。劉凌等[11]在輸沙水量與其影響因素關(guān)系的基礎(chǔ)上,建立了最經(jīng)濟(jì)沖淤保港生態(tài)需水量計(jì)算方程,預(yù)測(cè)新洋港年最經(jīng)濟(jì)沖淤保港生態(tài)需水量為2.33億m3。江蘇沿海閘下港道淤積綜合治理研究項(xiàng)目組[12]根據(jù)擋潮閘閘孔凈寬計(jì)算的新洋港月沖淤保港水量為1.1億m3(高值),根據(jù)管理單位的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析得出月沖淤保港水量為0.55億m3(低值)?？梢钥闯?以往研究得出的平衡流量差異較大,年平衡下泄水量最小為2.33億m3,最大近28億m3。

1 閘下港道沖淤情勢(shì)

新洋港閘工程建成于1957年5月,距離?？?7.5 km,設(shè)計(jì)日均流量485 m3/s,是蘇北里下河地區(qū)排洪澇的第二大通道,擔(dān)負(fù)著里下河地區(qū)約25%的排澇任務(wù),排澇面積2 765 km2。

新洋港閘位于蘇北鹽城市境內(nèi),地處蘇北淤長(zhǎng)型淤泥質(zhì)潮灘,周邊海相沙源豐富,泥沙顆粒細(xì)且結(jié)構(gòu)松散,易隨潮流發(fā)生懸揚(yáng)和輸移,上游流域?qū)儆谔K北濱海平原,流域來(lái)水幾乎不含泥沙。港閘工程建成后,改變了河口地區(qū)水沙動(dòng)力條件,控制了徑流下泄,阻擋了潮流上溯,加劇了港道內(nèi)潮波變形,產(chǎn)生不平衡輸沙,造成閘下淤積,使港道斷面積減小,排灌環(huán)境惡化,港道疏浚維護(hù)投入不斷增加[13-15]。

1957—2012年新洋港閘下港道汛前、汛后平均斷面積和年排水量變化如圖1所示。1957年建閘初,港道平均斷面積1 841 m2,1961年汛前急速回淤至747m2,為建閘初面積的41%,此后淤積速率逐漸趨緩;2012年汛后閘下港道平均斷面積617 m2,為建閘初面積的34%。為了治理閘下淤積,新洋港閘下港道實(shí)施了河道整治、裁彎取直、機(jī)船拖淤、水力沖淤等清淤保港措施[2,10,16]。1972—2003年間,新洋港河道歷經(jīng)了8次較大規(guī)模的河道整治工程,整治工程均在非汛期實(shí)施,累計(jì)開挖土方3 683.75萬(wàn)m3;1970年冬至1971年春、1991年冬至1992年春,閘下港道實(shí)施了兩次裁彎取直工程,港閘排水能力和港道斷面積迅速增大,但很快又恢復(fù)到裁彎前的狀態(tài);1965年新洋港閘下開展了機(jī)船拖淤試驗(yàn),此后每遇大旱或偏旱年,閘下港道即采取機(jī)船拖淤與水力沖淤相結(jié)合的清淤措施。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的沖淤演變和淤積治理,近年來(lái)閘下港道較為順直,港道斷面積隨下泄徑流的增大逐步增大,港道自身的平衡狀態(tài)逐漸形成。2008—2012年閘下港道沒有采取清淤措施[17],閘下港道平面形態(tài)見圖2。

圖1 1957—2012年新洋港閘下港道汛前、汛后平均斷面積和年排水量變化

2 下泄徑流與港道沖淤一般規(guī)律

新洋港閘修建之前,上游有水即排,建閘之后,上游下泄徑流受到控制。統(tǒng)計(jì)1960—2012年新洋港閘年排水量,進(jìn)行頻率分析,選取枯水年1995年、豐水年2003年、平水年2008年作為3個(gè)典型年,分析典型年內(nèi)新洋港閘的開閘排水過(guò)程。典型年逐月排水量和開閘排水天數(shù)見表1,可以看出,豐水年排水量大,枯水年排水量小,豐水年2003年的排水量是枯水年1995年的2.2倍;汛期(6—10月)排水量大,非汛期排水量小,1995年、2003年、2008年汛期排水量占全年排水量的比例分別為67%、72%、75%;汛期幾乎每天開閘放水,非汛期開閘排水天數(shù)少(枯水年非汛期開閘沖淤除外),某些月份幾乎不開閘。

閘下沖淤的發(fā)展過(guò)程,實(shí)際上是河道的邊界條件及來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生改變后,閘下港道河床的自身調(diào)整過(guò)程[18]。由圖1可見,新洋港閘下泄徑流與港道沖淤規(guī)律之間有著密切的聯(lián)系。豐水年和汛期,為了排澇,過(guò)閘流量大且連續(xù)開閘,港道通常表現(xiàn)為沖刷;枯水年和非汛期,為了蓄水灌溉,過(guò)閘流量小且經(jīng)常關(guān)閘,港道常表現(xiàn)為淤積。1965年、1991年、1998年、2003年、2006年等豐水年,港道平均斷面積較前一年增大;1966年、1978年、1979年、1994年、1995年、1997年等枯水年,港道平均斷面積較前一年減小;汛后港道平均斷面積較同年汛前增大,次年汛前又減小。

圖2 新洋港閘下港道平面形態(tài)及2008—2012年測(cè)量斷面布置示意圖表1 典型年逐月排水量和開閘天數(shù)

月份排水量/億m3開閘天數(shù)/d枯水年(1995年)豐水年(2003年)平水年(2008年)枯水年(1995年)豐水年(2003年)平水年(2008年)10 891 940 261217220 450 600 4188330 391 2401124040 240 8101020050 760 430 351610460 350 672 991292172 1813 432 8531312182 645 235 0829313193 314 862 72303027101 433 383 29282729110 752 822 63142727121 412 842 03242319

閘下港道整體呈現(xiàn)豐水年偏沖、枯水年偏淤,汛期沖刷、非汛期淤積的規(guī)律。但這種情況也并不絕對(duì),如果汛期下泄的徑流量小于河床的平衡流量,河床會(huì)發(fā)生淤積;如果非汛期下泄的徑流量大于河床的平衡流量,河床也會(huì)沖刷。

3 下泄徑流對(duì)閘下港道沖淤效果分析

3.1 非汛期閘門運(yùn)用與港道沖淤關(guān)系

新洋港建閘前,港道內(nèi)漲落潮流速過(guò)程基本對(duì)稱,建閘后,尤其在非汛期閘門關(guān)閉期間,近閘河段的潮波由前進(jìn)波變?yōu)轳v波,潮波變形使?jié)q潮歷時(shí)縮短,落潮歷時(shí)延長(zhǎng),漲潮流速大于落潮流速,漲潮攜帶的沙量大于落潮沖走的沙量,造成閘下淤積,且建閘后閘下港道納潮量減小,落潮平均流量(包括閘下泄徑流量)減小,港道易發(fā)生嚴(yán)重淤積[2,4]。

2008—2012年非汛期港道沖淤量與不排水天數(shù)占總天數(shù)比例的關(guān)系如圖3所示,其中負(fù)值表示淤積,正值表示沖刷。沖淤量與不排水天數(shù)占總天數(shù)比例呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(n=5,在0.01的顯著水平上,臨界相關(guān)系數(shù)r0.01=0.959)。不排水天數(shù)占總天數(shù)的比例越大,港道淤積量越大。因此,要維持非汛期新洋港閘下港道不發(fā)生淤積,不宜長(zhǎng)期關(guān)閘,不排水天數(shù)占總天數(shù)比例不應(yīng)高于42%。

圖3 2008—2012年非汛期港道沖淤量與不排水天數(shù)占總天數(shù)比例關(guān)系

3.2 閘下潮差與下泄徑流量關(guān)系

潮差的大小,可以表征河口潮汐輸沙作用的強(qiáng)弱,因此,漲潮期間進(jìn)入閘下港道的泥沙數(shù)量,主要取決于潮差的大小。影響港道潮差大小的因素有外海潮汐特性、港道形態(tài)和下泄徑流量。在河床形態(tài)變化不大的一定時(shí)期內(nèi),在一定徑流條件下,外海潮差越大,閘下潮差也越大;若下泄徑流量越大,對(duì)閘下潮差的削弱作用則越強(qiáng),漲潮流挾沙能力沿港道衰減得越快[19-25]。

2012年7—12月新洋港閘下日均潮差 ΔH與日均徑流量Qd之間的關(guān)系如圖4所示,分別擬合了大、中、小潮期間日均潮差與日均徑流量之間的關(guān)系,指數(shù)擬合相關(guān)關(guān)系良好(在0.01的顯著水平上,均大于臨界相關(guān)系數(shù))?？梢钥闯?徑流量越大,閘下潮差越小,漲潮流越受到抑制,則漲潮進(jìn)沙量越小,同時(shí),落潮流得到加強(qiáng),則落潮出沙量越大。徑流和潮流對(duì)水流輸沙能力共同產(chǎn)生作用,當(dāng)下泄徑流達(dá)到某一量值時(shí),可以使?jié)q落潮進(jìn)出沙量平衡,甚至使落潮輸沙能力大于漲潮輸沙能力。

圖4 2012年7—12月閘下日均潮差與日均徑流量相關(guān)曲線

3.3 下泄徑流量與港道沿程沖淤?gòu)?qiáng)度關(guān)系

2012年汛期對(duì)新洋港閘下港道沿程cs0～cs19共20個(gè)斷面進(jìn)行了5次測(cè)量,施測(cè)河長(zhǎng)10.54 km(圖2),測(cè)量時(shí)間段內(nèi)下泄徑流量和港道沖淤量見表2,4個(gè)測(cè)量時(shí)間段內(nèi),閘下港道沿程累計(jì)結(jié)果均為沖刷,且排水量越大,沖刷量越大。港道沿程每延米日均沖淤量如圖5所示,8月1—15日時(shí)間段內(nèi)有連續(xù)10 d關(guān)閉閘門,排水量很小,雖然港道整體統(tǒng)計(jì)結(jié)果為沖刷,但閘下3～7 km發(fā)生淤積,據(jù)此可以推測(cè),若閘門關(guān)閉的時(shí)間延長(zhǎng),淤積量將增大。

表2 2012年汛期新洋港閘下泄徑流量及港道沖淤量

圖5 2012年汛期新洋港閘下港道沿程每延米日均沖淤量

由圖5還可以得出以下結(jié)論:①新洋港閘下港道靠近河口段,沖淤量受排水量的影響較小,該段的沖淤主要受天文潮影響;②近閘河段的沖淤受閘門啟閉的影響較大,8月1—15日時(shí)間段內(nèi),閘門連續(xù)關(guān)閉10 d,但近閘段沖刷量增加,可能由于閘門關(guān)閉,避免了開閘時(shí)咸淡水混合的層化效應(yīng)抑制落潮流對(duì)底部沉積物再懸浮的現(xiàn)象[26-27];③由于泥沙在一潮中的移動(dòng)距離有限,如果懸沙向外海的移動(dòng)速度為0.5 m/s,那么開閘的4～5 h內(nèi),泥沙只能下行7～9 km[28]。8月1—15日時(shí)間段內(nèi),下泄徑流量少,落潮流得不到加強(qiáng),沒有足夠的水量將近閘河段掀起的泥沙全部帶出港道,導(dǎo)致港道中段發(fā)生淤積,因此,長(zhǎng)時(shí)間大流量開閘有利于將泥沙運(yùn)出港道。

3.4 汛前港道斷面積對(duì)汛期徑流沖淤的影響

2008—2012年汛期單位水量沖淤量與汛前港道平均斷面積相關(guān)關(guān)系如圖6所示,單位水量沖淤量與汛前港道平均斷面積基本呈負(fù)相關(guān)(n=5,在0.01的顯著水平上,臨界相關(guān)系數(shù)r0.01=0.959),汛前淤積越嚴(yán)重,港道平均斷面積越小,汛期單位水量沖淤效果越好。當(dāng)單位水量沖淤量為零時(shí),汛前港道平均斷面積約664 m2,本文稱之為港道健康運(yùn)行的適宜斷面積。

圖6 2008—2012年汛期單位水量沖淤量與汛前港道平均斷面積相關(guān)關(guān)系

4 沖淤平衡徑流量

由上文的分析可知,在閘下港道形態(tài)和口外天文潮汐作用相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)期內(nèi),港道的沖淤主要受下泄徑流量、開閘排水天數(shù)和汛前港道平均斷面積的影響。為了建立新洋港閘下港道徑流量與沖淤量之間的定量關(guān)系,尋求沖淤平衡徑流量,擬合2008—2012年汛期、非汛期日均下泄徑流量Q、港道平均斷面積A和日均沖淤量ΔV之間的關(guān)系如圖7所示,表3為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖7 2008—2012年汛期、非汛期Q/A與V相關(guān)關(guān)系

表3 2008—2012年閘下港道沖淤與水情統(tǒng)計(jì)

Q/A與V之間呈良好的二次多項(xiàng)式關(guān)系(n=9,在0.01的顯著水平上,臨界相關(guān)系數(shù)r0.01=0.798)。當(dāng)V=0時(shí),有Q=0.13A的定量關(guān)系。

2008—2012年,港道平均斷面積540 m2,為了維持沖淤平衡,日均下泄徑流量約70.20 m3/s,即年下泄徑流量約22.14億m3;要使港道達(dá)到健康運(yùn)行的適宜斷面積664 m2,并達(dá)到?jīng)_淤平衡,則日均下泄徑流量約86 m3/s,即年下泄徑流量約27.22億m3。

5 結(jié) 論

a. 為了維持港道沖淤平衡,閘門不宜長(zhǎng)期關(guān)閉,非汛期不排水天數(shù)占總天數(shù)的比例不宜高于42%。

b. 徑流和潮流對(duì)水流輸沙能力共同產(chǎn)生作用,徑流條件可以改善港道內(nèi)的漲落潮不平衡輸沙現(xiàn)象。

c. 港道沿程沖淤規(guī)律不同,較弱的落潮流只能攜帶泥沙下泄7～9 km,該段是淤積的重點(diǎn),長(zhǎng)時(shí)間大流量開閘有利于港道穩(wěn)定。

d. 當(dāng)港道達(dá)到?jīng)_淤平衡時(shí),日均下泄徑流量Q與港道平均斷面積A之間符合Q=0.13A的定量關(guān)系。

e. 在目前港道形態(tài)下,港道健康運(yùn)行的適宜斷面積約為664 m2,其沖淤平衡日均下泄徑流量約為86 m3/s。

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Study on appropriate section and balanced flow of channel downstream the Xinyanggang Sluice//

GONG Yu1, LU Qian1, YAN Fei1, ZHANG Changkuan2
(1.ShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute(Group)CompanyLimited,Shanghai200092,China; 2.CollegeofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

This paper summarizes the research achievements on erosion-siltation balanced flow of Xinyanggang Sluice,and analyzes the erosion-siltation conditions and general laws of channel downstream sluice for 2012. Based on the data related to the erosion-siltation and water regime during the period from 2008 to 2012, the effects of discharging runoff on the erosion-siltation of the channel downstream the Xinyanggang Sluice are mainly analyzed with correlation analysis method. The results show that to keep the channel stable, the floodgate is not suitable to be closed for a long time and the ratio of undrained days accounting for total days should be less than 42% in non-flood season. Runoff and tides interact on sediment transport capacity of flow, and the unbalanced sediment transportation at flood and ebb tides in channel can be improved by runoff conditions. Sediment can only be carried 7 to 9 km seaward by weaker ebb currents, so large discharges for long time will be useful for stability of the channel. When the channel reaches the equilibrium state of erosion-siltation, there is a relationship between daily average discharge(Q) and the average cross-section area(A) of the channel(i.e.,Q=0.13A). In the present channel regime, for proper functioning of the channel, the area is approximately 664 m2and the daily average discharge is approximately 86 m3/s.Key words： siltation downstream sluice; erosion-siltation of channel; balanced flow; appropriate section; estuary; Xinyanggang Sluice

國(guó)家自然科學(xué)基金(51379003,51179067);新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-12-0841)

龔瑜(1971—),男,江蘇張家港人,高級(jí)工程師,主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。E-mail:gongyu@smedi.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.04.014

TV147

A

1006-7647(2015)04-0059-06

2014-08-25 編輯：熊水斌)