長江上游東溪口水道航道尺度提升可能性分析

陳 建

(長江重慶航運工程勘察設(shè)計院，重慶401147)

長江上游東溪口水道航道尺度提升可能性分析

陳 建

(長江重慶航運工程勘察設(shè)計院，重慶401147)

以重慶至宜賓河段較為典型的東溪口水道為例，利用實測資料分析東溪口水道河段提升等級中存在的問題，通過對長江東溪口水道進行航道潛能估算、初步整治方案的數(shù)學模型研究和建設(shè)外部條件分析，分析該水道提升等級的可能性。研究表明：東溪口水道穩(wěn)定航深可達到4.39 m；加高并延長廟角磧磧尾壩，開通東溪口北槽為推薦整治方案，其最不利上灘水流指標為1.45‰*3.10 m/s；整治效果顯示航道整治工程對環(huán)境、水源地以及涉河設(shè)施等方面影響不大，具備建設(shè)條件。

航道工程；長江上游；東溪口水道；航道尺度提升；航道整治

0 引 言

《國務(wù)院關(guān)于依托黃金水道推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展的指導意見》(國發(fā)〔2014〕39號)指出，充分發(fā)揮長江水運運能大、成本低、能耗少等優(yōu)勢，全面推進長江干線航道系統(tǒng)化治理。加快實施重大航道整治工程，充分利用航道自然水深條件和信息化技術(shù)，進一步提升干線航道通航能力。上游重點實施重慶至宜賓段航道整治工程。因此，有必要開展長江干線宜賓至重慶河段提升航道等級可行性研究，為上游航道建設(shè)規(guī)劃及工程實施提供有力支撐。

通過前期相關(guān)研究論證和相關(guān)規(guī)劃要求，宜賓至重慶河段長江先期航道尺度將由目前的Ⅲ級(2.7 m×50 m×560 m)提升至Ⅱ級單線(3.5 m×60 m×800 m)。

筆者對長江上游東溪口水道進行航道潛能估算，并對初步整治方案進行數(shù)值模擬，結(jié)合其外部建設(shè)條件，分析其提升航道尺度的可能性，以期為該河段航道等級的提升提供支持。

1 水道概況

東溪口水道起于雞母石(上游航道里程806.0 km)，止于三拋河(上游航道里程816.0 km)，長10.0 km，如圖1。目前，東溪口水道航道尺度為2.7 m×50 m×560 m(水深×航寬×彎曲半徑，下同)，該水道彎、窄、淺、險，航道條件復雜。該水道主要灘險有東溪口和斗笠子。東溪口灘為卵石淺灘，有卵石淤成的長條形江心磧，將河床分為兩槽，左槽順直，但枯水期水淺，不通航；右槽狹窄彎曲，為枯水主航道。斗笠子是枯水急流灘，處在一呈“S”形反灣河段的中部，中部較順直河段的長度約3 km，其上為急彎河段，中、洪水期水流受左岸阻擾轉(zhuǎn)向右側(cè)，加之順直河段河面放寬，流速減緩，卵石在順直段右側(cè)落淤形成廟角磧磧壩。當水位降到設(shè)計水位上1 m左右時成灘，水位越枯，灘勢越?jīng)?。兩灘礙航特性復雜,已成為長江上游Ⅱ級航道建設(shè)的瓶頸。

圖1 東溪口水道河勢Fig.1 River regime diagram of Dongxikou water channel

2 礙航特性分析

表1給出了東溪口灘段代表斷面附近設(shè)計航線流速、比降隨流量變化情況，下面結(jié)合表1結(jié)果，簡要分析東溪口灘的礙航特性。

表1 方案前設(shè)計航線灘段流速、比降組合

東溪口位于航道里程807.0～812.0 km，包括東溪口與斗笠子兩灘，灘段枯水期最窄水面寬度約300 m，最寬為900 m。在東溪口灘河槽中部地形高程為當?shù)厮簧? m左右，在斗笠子灘河心也有磧壩廟角磧，磧頂高程為當?shù)厮簧?.6 m左右，由于處于彎道，且河道寬窄相差較大，航道條件極為復雜。

東溪口的礙航特性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)彎曲。受河勢條件限制，航道最大彎曲半徑僅有500 m，且在上游無緩流船舶調(diào)整區(qū)，原有航槽難以滿足Ⅱ級航道彎曲半徑需要。

2)水淺。通過航道核查，設(shè)計水位的枯水期存在兩個淺區(qū)，東溪口淺區(qū)和斗笠子淺區(qū)，3.5 m等深線寬度也不足設(shè)計航寬100 m，未能滿足設(shè)計航道尺度(3.5 m×100 m×800 m)要求。

3)流急。從表1可以看出，存在兩個急流位置，東溪口和斗笠子。其中東溪口流急體現(xiàn)在流量(Q=8 520 m3/s)時，但按目前的航路，該時期主航槽已調(diào)整至北汊，北汊水流較緩，對船舶航行影響不大；斗笠子流急主要體現(xiàn)在流量為4 500 m3/s時，此時比降達到2.01 ‰，消灘指數(shù)達到0.82，超過急灘評價指標(0.8)[1-3]。

3 河段近期演變分析

3.1 洲灘變化

東溪口河段主要有兩個磧壩，雞心磧、秤桿磧；斗笠子主要是廟角磧。

2003年實測資料顯示雞心磧磧頂高程為197.6 m，2007年實測資料顯示為197.7 m，2013年實測資料顯示為197.3 m。磧頂高程總體變化不大，但受采砂影響，磧壩已經(jīng)大面積縮小，2003年雞心磧有5.92 萬m3(當?shù)厮? m等深線面積)，2013年僅剩下0.1 萬m3，并且磧壩局部被大幅挖深，最大挖深達7 m?？梢?，雞心磧受河道采砂影響，已經(jīng)基本消失。

從近幾年實測資料分析，秤桿磧變化也較大。2013年實測資料與2003年實測資料比較，秤桿磧面積有所縮小, 2003年實測資料顯示196 m等高線面積有46.95 萬m3，2013年減小至41.32 萬m3。秤桿磧橫向?qū)挾群涂v向長度均有所減小，2003年實測資料顯示秤桿磧橫向最寬為550 m，縱向最長為1 403 m；至2013年，橫向最寬減小至427 m，減小約123 m，縱向長度減小至1 338 m，減小約65 m。另外在秤桿磧原磧頂出現(xiàn)了較大的深坑，深坑深度為7 m左右。

廟角磧平面形態(tài)統(tǒng)計時，長度是廟角磧磧尾到磧首的最長距離，寬度是廟角磧磧翅的最大寬度，具體情況見表2。

表2 廟角磧平面形態(tài)變化

在枯水期，廟角磧長度在800～954 m，寬度在216～258 m。廟角磧面積最小是在1989年3月，為800 m×234 m，最大面積發(fā)生在2007年12月，為954 m×271 m。修建工程前，1978年廟角磧面積為820 m×250 m。說明廟角磧面積大小基本穩(wěn)定(880 m×240 m)，其變化與1987年修建整治建筑物關(guān)系不大，而與當年來水來沙條件有關(guān)。2013年實測資料顯示，在廟角磧有邊界向左大幅移動，可能是由采砂引起。

從1978—2013年各次實測資料來看，廟角磧的最高點的高程變化區(qū)間為199.3～200.2 m，其位置在靠近磧尾處。統(tǒng)計的最高點高程的最小值為199.3 m，發(fā)生在1990年12月和2013年12月；最高點高程的最大值為200.2 m，發(fā)生在2003年4月。而1978年2月最高點高程為199.8 m；2007年3月最高點高程為199.5 m；2008年3月最高點高程為199.5 m；說明廟角磧最高點高程基本穩(wěn)定。

隨著時間的推移，廟角磧磧首向主槽和下游方向擴展。1978—1996年磧首向下游擴展200 m，擴展速度為11 m/a，1996—2003年磧首基本不再向下游擴展，說明磧首向下游擴展已趨于穩(wěn)定。1978—2003年磧首向主槽方向擴展110 m，擴展速度為4.4 m/a。2003—2007年向上游擴展了70 m，向左移動了33 m。在2008年枯水期，向下游移動了30 m，磧壩左邊線恢復至2003年，在副槽進口段廟角磧右邊線向內(nèi)移動了30 m。受河道采砂影響，2013年磧壩發(fā)生了較大改變，從2008年和2013年看出2013年較2008年磧位置稍向主槽方向發(fā)展，但幅度較小。磧尾部分修建磧尾壩后壩上游廟角磧有縮小的趨勢，最大位置2013年較2008年向內(nèi)移動約20 m?？梢姡瑥R角磧還未穩(wěn)定，磧尾部分來回變化幅度較大，而且規(guī)律不明顯，主要與當年的來水來沙條件有關(guān)。

3.2 主航槽變化

通過分析東溪口段3 m等深線近年來變化不大，寬度能維持在100 m以上。東溪口灘主要存在兩個淺區(qū)，一個淺區(qū)位于東溪口處，另一個淺區(qū)位于橫梁子附近。2003年和2007年實測資料顯示東溪口淺區(qū)4 m等深線為貫通，淺區(qū)水深為3.6 m，2013年實測資料顯示該淺區(qū)4 m等深線寬度為61 m，該淺區(qū)有所沖刷。2003年橫梁子淺區(qū)4 m等深線寬度為80 m，2007年實測資料顯示該處淺區(qū)水深為3.8 m，2013年實測資料顯示該處水深為3.8 m,較2003年有所淤積。東溪口秤桿磧河段上淺區(qū)有所沖刷，下淺區(qū)有所淤積，但沖淤幅度均為1 m以下，沖淤變化不大。

斗笠子順壩壩頭上游的主槽范圍內(nèi)，2003年4月地形與1978年地形相比，有2～3 m的沖深，而與1990年以后的地形相比，地形變化不明顯。說明1987年斗笠子灘修建整治工程后，順壩壩頭上游的主槽范圍內(nèi)在1987—1990年出現(xiàn)2～3 m的沖刷，但1990年以來基本保持穩(wěn)定，廟角磧3 m等深線變化見表3。

表3 廟角磧水下3 m等深線寬度變化

3.3 副槽深泓線變化

東溪口副槽水深為1～2 m，東溪口副槽有沖深的跡象。從該河段水文觀測來看(測量水位為當?shù)厮?.3 m，流量為4 100 m3/s)，副槽流量分流比為41%，副槽進口段流速為2.3 m/s左右，中段流速為2.0 m/s左右，下段流速為1.8 m/s左右。

3.4 演變分析小結(jié)

通過以上分析，東溪口段沖淤變化主要體現(xiàn)在以下幾個方面：雞心磧受采砂影響，磧壩面積大幅減?。怀訔U磧磧壩有沖有淤，以淤為主，平均淤積高度為1.5 m，但局部受采砂影響，出現(xiàn)了深坑；主航槽沖淤變化為1 m以內(nèi)，變化不大；副槽受采砂影響，變深變寬，分流比有所增加。

東溪口段(含斗笠子)局部有所變化，主要為：秤桿磧、雞心磧、廟角磧等洲灘變化較為明顯；斗笠子灘口滿足3 m水深的航寬有所縮窄；東溪口主航槽沖淤變化為1 m以內(nèi)，變化不大，而副槽受采砂影響，變深變寬，分流比有所增加[4]。

4 航道潛能估算分析

“穩(wěn)定航深估算法”首先假定采取一定的工程措施，灘險整治后的枯水斷面形態(tài)與優(yōu)良河段的斷面形態(tài)相近。根據(jù)河流動力學原理，建立與整治河段類似、滿足整治要求寬度的優(yōu)良河段在某一特征流量下的河相關(guān)系。然后據(jù)此河相關(guān)系，采用水力學理論，推導出航道整治后可能達到最大穩(wěn)定航道水深的計算公式(1)：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；h為航道標準水深，m；H為斷面平均水深，m；J為枯水平均水面比降；n為枯水河床糙率；α,β,為河相關(guān)系系數(shù)。

長江上游的敘渝河段處于丘陵地帶，雖有大小灘險多處，但總體來說灘的密度并不大，各灘段間大都存在有水流條件較好，無需治理的優(yōu)良河段。從敘渝段河勢穩(wěn)定、河床演變較小的特性著眼，選取了22個優(yōu)良河段，其中包括7個順直微彎河段，9個彎曲河段和6個彎道過渡段。用敘渝段河段22個優(yōu)良河段79個優(yōu)良斷面對式(1)進行曲線擬合，相關(guān)性很好，式中α和β為待定常數(shù)。擬合結(jié)果詳見圖2、圖3。

圖2 敘渝段沿程優(yōu)良河段的河相關(guān)系(P=98%)

圖3 敘渝段沿程優(yōu)良河段H與h的關(guān)系(P=98%，Ⅱ級B=60 m)

圖2，圖3中R2是相關(guān)系數(shù)，表示擬合曲線的估算值與實際數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度，該值越接近1，相關(guān)程度越高，擬合曲線的可靠性也就越高。通過估算東溪口水道在n=0.035，J=0.000 7時穩(wěn)定航深h可達到4.39 m。

5 航道尺度提升二維數(shù)學模型分析

5.1 二維水流數(shù)學模型

采用沿水深平均的封閉淺水方程組描述二維水流運動，基本控制方程見式(2)～式(4):

水流連續(xù)方程為

(2)

x方向動量方程為

(3)

y方向動量方程為

(4)

式中：t為時間；u,v分別為沿x,y方向的流速；h為水深；η為床面高程；g是重力加速度；εxx,εxy,εyy為紊動黏性系數(shù)，取為αu*h(α=3～5,u*為摩阻流速)；n為糙率系數(shù)。

淺水方程的離散包括時間離散和空間離散，時間的離散采用差分法，空間的離散采用有限單元法：運用伽遼金加權(quán)余量法把淺水方程離散成非線性代數(shù)方程，然后采用Newton-Raphson方法求解[5]。

5.2 初步可能方案

5.2.1 治理思路

根據(jù)本灘礙航情況，要徹底解決斗笠子“急”的問題，宜采用上疏下抬的治理思路，以減小灘口流速、比降；要解決東溪口“險”“淺”的問題，宜開通左汊，同時布置整治建筑物控制河勢, 增大左汊枯水流量, 以保持挖槽穩(wěn)定[6]。

共布置了3個治理方案，見圖4。

圖4 東溪口(含斗笠子)整治方案平面布置Fig.4 Layout chart of Dongxikou regulation scheme

5.2.2 初步治理方案

通過比選(表4)，方案2最大橫流流速為0.8 m/s，挖槽區(qū)最小流速僅0.5 m/s，易回淤，較其他方案差。方案1斗笠子灘口最大流速[7]比降組合為1.52‰*3.14 m/s，方案3為1.45‰*3.10 m/s，方案3比方案1優(yōu)，推薦方案3。

表4 方案綜合比選

6 外部建設(shè)條件分析

6.1 環(huán)境保護

根據(jù)《長江上游珍稀、特有魚類國家級自然保護區(qū)總體規(guī)劃》及國家環(huán)?？偩汁h(huán)函[2005]162號《關(guān)于調(diào)整長江合江——雷波段珍稀魚類國家級自然保護區(qū)有關(guān)問題的通知》，經(jīng)調(diào)整后的保護區(qū)被劃分為三大功能區(qū)，即核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)。東溪口水道位于緩沖區(qū)，礙航灘險整治主要以疏浚、炸礁和修筑丁壩、順壩、潛壩為主。從時間角度分析，灘險整治對水環(huán)境的影響主要發(fā)生在施工期。疏浚、炸礁施工過程中，由于水下抓斗作業(yè)或水下爆破會造成局部的水體擾動，造成水體中懸浮增加，影響施工所在江段水體環(huán)境質(zhì)量。修筑丁壩、順壩、潛壩等整治建筑物，施工期對水環(huán)境的影響主要是施工船舶、施工人員廢水排放對水質(zhì)的污染影響，施工工藝和材料本身對水環(huán)境的影響很小。

本次東溪口水道整治，主要采取疏浚和筑壩的整治方式，疏浚寬度一般為30～50 m，疏浚深度一般為0.3 m，筑壩一般沿邊灘，筑壩高度一般為2 m，長度為100～200 m，僅改變局部水流條件，且作用時間較短，航道工程對自然保護區(qū)的環(huán)境影響總體不大。需與相關(guān)部門加強溝通協(xié)調(diào)，并采取優(yōu)化整治方案，盡量減小對環(huán)境的影響[8]。

6.2 水源保護

根據(jù)《四川省飲用水水源保護管理條例》和《飲用水水源保護區(qū)污染防治管理規(guī)定》，對于準水源保護區(qū)，禁止新建、擴建對水體污染嚴重的建設(shè)項目；改建建設(shè)項目，不得增加排污量。對于二級水源保護區(qū)，禁止新建、改建、擴建排放污染物的建設(shè)項目；已建成的排放污染物的建設(shè)項目，由縣級以上地方人民政府責令拆除或者關(guān)閉。對于一級水源保護區(qū)，禁止新建、改建、擴建與供水設(shè)施和保護水源無關(guān)的建設(shè)項目；已建成的與供水設(shè)施和保護水源無關(guān)的建設(shè)項目，由縣級以上地方人民政府責令拆除或者關(guān)閉。敘渝段按照Ⅱ級(單線、單船雙線、單船+船隊雙線)航道工程建設(shè)，最高僅涉及二級水源保護區(qū)，且航道工程不排放污染物，滿足相關(guān)規(guī)定，具備建設(shè)條件。東溪口水道附近取水口與整治灘段關(guān)系見表5。

表5 東溪口水道附近取水口與整治灘段關(guān)系

6.3 臨河建筑物

東溪口水道附近目前暫無建設(shè)和已建的橋梁，在航道里程806.2 km處有一朱沱過江索道，此處的設(shè)計最低通航水位為194.94(黃海)，垂點距設(shè)計最低水位的高度36.42 m。東溪口水道附近碼頭統(tǒng)計見表6。

表6 東溪口水道附近河段碼頭統(tǒng)計

通過分析總結(jié)，此處的航道建設(shè)不受涉河設(shè)施的限制；航道建設(shè)對跨河建筑物、水下過江管道(線)、臨河建筑物等涉河設(shè)施影響不大。

7 結(jié) 論

1)長江上游東溪口水道，東溪口和斗笠子灘險是上游典型的分汊枯水淺灘和枯水急流灘，尤其是斗笠子是敘渝段最著名的枯水急流灘之一。2005年～2007年實施了長江干線瀘州納溪至重慶婁溪溝航道建設(shè)工程，斗笠子灘整治方案為局部清炸河底，上部炸至設(shè)計最低通航水位下5 m，下段炸至設(shè)計最低通航水位下4 m，擴大枯水河床泄水斷面面積，以減緩流速、比降；順壩從壩根至壩頭1/3處開始將壩向左旋轉(zhuǎn)7°；在廟角磧磧尾筑島尾壩，以壅高灘口水面，減緩水面比降，同時減小流速。從整治實施及效果來看，治理方案合理。達到了當時規(guī)劃的Ⅲ級航道尺度的要求。

2)在進一步提升重慶至宜賓航道尺度的背景下，東溪口水道航道尺度有進一步挖掘的潛力。從河床演變分析和數(shù)學模型計算結(jié)果來看，該水道提升至二級單線航道尺度是可能的。

3)在外部協(xié)調(diào)上，存在的外協(xié)問題主要采取溝通協(xié)調(diào)，在相關(guān)主管部門提前介入的情況下，應(yīng)該可較好地解決外協(xié)問題，并實現(xiàn)多方共贏。

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Potential Channel Dimensions Improvement of Dongxikou Channel in Yangtze River Upstream

CHEN Jian

(Changjiang Chongqing Harbour and Waterway Engineering Investigation and Design Institute, Chongqing 401147, P.R.China)

Taking typical Dongxikou channel in Chongqing-Yibin reach as an example, the problem of potential improvement of channel was analyzed through analyzing the field data of Dongxikou channel. The possibility of improving the class of Dongxikou channel was analyzed through the estimation of its channel potentiality, the study on the mathematical model of preliminary renovation project and the analysis of external construction conditions. The research shows that the stable depth of Dongxikou channel can reach 4.39 m; heightening and lengthening the moraine tail dam of Miaojiaoqi and opening the north branch of Dongxikou is recommended program; and the most negative flow index for upper reach is 1.45‰*3.10m/s. The regulation results show that the waterway regulation project has no significant impact on the environment, water sources, the related facilities and other aspects, which is feasible to be implemented.

waterway engineering; Yangtze River upstream; Dongxikou channel; channel dimensions improvement; channel regulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.14

2015-01-20；

2015-04-02

陳 建(1970—)，男，四川眉山人，高級工程師，主要從事航道工程方面的研究。E-mail: 470458948@qq.com。

U612.3

A

1674-0696(2016)03-061-05