風(fēng)浪對引江濟(jì)淮工程馬尾河口航道影響研究初探

沈保根，徐 華，肖子平，閆杰超，楊 志，趙澤亞

(1.安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，合肥 230000; 2.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029; 3.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098; 4.安徽省合肥水文水資源勘測局，合肥 230001)

2015年3月引江濟(jì)淮工程項目建議書已獲國務(wù)院立項批復(fù)。根據(jù)批復(fù)，引江濟(jì)巢段、江淮溝通段總體按Ⅲ級航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，其中江淮溝通段派河口至東淝河段按Ⅱ級航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。馬尾河口口門航道是“引江濟(jì)淮”工程的重要組成部分。胡飛等[1]從航道穩(wěn)定及維護(hù)量對馬尾河口航道的線路優(yōu)化進(jìn)行了比選。同時，巢湖作為半封閉淺水湖泊，主要由風(fēng)浪引起的泥沙懸浮常影響湖區(qū)航道的穩(wěn)定與正常通航。歷史上巢湖由于入湖河流的來沙大量輸入以及部分岸灘的崩塌，造成東西湖區(qū)淤積嚴(yán)重，湖盆水位也明顯抬高[2-4]。目前，國內(nèi)對淺水湖泊水沙動力研究較多。許遐禎等[5]通過SWAN模型對太湖湖區(qū)風(fēng)生浪的波普頻率及對風(fēng)場的敏感性進(jìn)行了分析，研究也說明淺水湖流的水沙運(yùn)動與風(fēng)生浪密切相關(guān)。宋平等[6]分析了三峽水庫運(yùn)行前后洞庭湖的泥沙入湖量與淤積分布變化特性。但對于巢湖水動力特性分析及口門航道淤積分析的研究較少。顧成軍等[7]定性分析了巢湖古今泥沙淤積狀況及泥沙的主要來源。王良華[8]則對巢湖杭埠河口門航道淤積特性展開研究，研究認(rèn)為湖區(qū)水體懸沙含量直接與風(fēng)況相關(guān)，尤其對近岸淺水區(qū)的泥沙掀動起到關(guān)鍵作用。胡立雙與苗世勇[9]通過實測資料探討了黃驊港航道泥沙運(yùn)移形態(tài)、回淤機(jī)理和回淤泥沙來源。

結(jié)合上述分析，風(fēng)浪作為湖區(qū)泥沙起動的主要動力，其水沙運(yùn)動與馬尾河口航道的穩(wěn)定密切相關(guān)。因此，本文通過Mike3建立的三維水沙模型分析實測風(fēng)速與強(qiáng)風(fēng)向條件下對巢湖馬尾河口航道附近水沙特性的影響，同時，并結(jié)合現(xiàn)場實測水沙資料驗證與分析了風(fēng)浪對泥沙運(yùn)動的影響。

1 研究區(qū)域概況

1.1 馬尾河口航道演變概況

兆河是巢湖的一級支流，上游與西河及黃陂湖相通，下游注入巢湖的口門稱為馬尾河口。兆河自1955年開挖以來，從河口至兆河閘，除沐集附近兩岸有部分水土流失外，其他河段均尚完好，兆河閘上、白湖農(nóng)場、塘串河，自開挖成河道以來，至今均未發(fā)現(xiàn)明顯的沖淤現(xiàn)象。兆河主流線、岸線較為穩(wěn)定，一般情況下由于河道流速比較小，河道內(nèi)以緩慢淤積趨勢為主，但是大洪水情況下，主泓流速比較大，河道內(nèi)以微幅沖刷趨勢為主。近年來兆河主槽斷面形狀無明顯變化，河槽邊界基本穩(wěn)定，深泓線未發(fā)生偏移，河槽呈微沖狀態(tài)，平均沖刷深度約0.1 m。

圖1 巢湖湖區(qū)航道口門位置示意圖Fig.1 Sketch of location of the navigation entrance in Chaohu

巢湖航道部門分別于 1957、1959年疏浚兆河入湖口門形成馬尾河口門航道，由于沒有其他整治措施，不久又復(fù)淤塞。1964年再次疏浚，并在兩側(cè)各拋300 m長石壩，觀其效果，壩內(nèi)航槽雖有一定回淤，但能夠保持航道水深，回淤量較未筑壩前明顯減小，而筑壩范圍以外地段已全部淤平。1970年繼續(xù)治理，將口門拋石壩延長到2 000 m，口門航道得以穩(wěn)定，以后每隔3～4 a維護(hù)疏浚一次，持續(xù)至1986年。之后由于壩體損壞嚴(yán)重，年久失修，逐步削弱了壩體的攔沙作用，在較為強(qiáng)烈風(fēng)浪作用下，航槽泥沙淤積問題突出。

馬尾河口航道巢湖湖區(qū)段自馬尾河口至中廟，長約17 km，現(xiàn)為Ⅴ級航道，現(xiàn)狀口門寬度110 m，口門段湖底高程5.9～4.3 m(85黃海高程，下同)，馬尾河口門航道經(jīng)常淤積，每2～3 a須疏浚維護(hù)一次；過口門段后進(jìn)入湖盆段，高程逐漸走低，從4.3 m漸變至3.4 m；由于常年受風(fēng)浪影響，兩側(cè)石堤部分塊石滑脫、被盜，現(xiàn)石堤頂高程由原實施的8.5 m降至7.5 m，馬尾河口門現(xiàn)狀拋石堤頂距110 m，石堤內(nèi)淤積土方的高程與石堤外相差無幾，不能有效地阻止航道兩側(cè)湖灘大量泥沙淤積到航道內(nèi)，現(xiàn)航道基本淤平(圖1)。

1.2 水文泥沙條件

1.2.1 水位變化

根據(jù)巢湖多年實測水文資料，如圖 2巢湖忠廟站2008～2014年實測水位變化可知，巢湖正常蓄水位為6.5～7.1 m，湖底高程一般為3～6 m，湖底較為平順，湖岸約以1/1 200的緩坡傾向湖底。多年平均水位7.1 m條件下，湖區(qū)面積約為729 km2，湖區(qū)容積約為24.15億m3，平均水深約3.3 m，可見巢湖為典型的淺水湖泊。水文分析計算表明，巢湖20 a一遇最高通航水位10.6 m、最低通航水位5.8 m。

1.2.2 泥沙特性分析

為分析馬尾河口附近底沙特性，本文對馬尾河口湖區(qū)航道底質(zhì)進(jìn)行取樣分析。如圖 3所示，馬尾河河口附近水域布置了10個底質(zhì)取樣點M1～M10，并在巢湖派河口、白石天河口及馬尾河口近岸處布置了3個坐底系統(tǒng)觀測站，以便對數(shù)值模型進(jìn)行驗證。其中，測站處波浪、垂向分層水流流速、水體含沙量分別采用波高儀RBR、聲學(xué)多普勒流速剖面測量儀闊龍Aquadopp Profiler、濁度儀OBS-3A等進(jìn)行測量。

以測點M3、M5、M7與M8的泥沙取樣結(jié)果進(jìn)行粒徑級配分析。如圖所示，測點M3、M5、M7與M8處底沙平均粒徑D50分別為0.03 mm、0.009 mm、0.01 mm與0.009 mm。由圖可知，M2測點在航道口門處，水深較淺，此處泥沙顆粒相對較粗。隨著測點位置移向湖中深水區(qū)，由于此處泥沙起動多受湖流影響，泥沙起動環(huán)境較弱，M5、M7與M8處湖底泥沙粒徑相對較細(xì)。根據(jù)現(xiàn)場底沙取樣分析研究表明，巢湖湖區(qū)底沙粒徑較細(xì)，底沙中值粒徑為0.01～0.03 mm，平均中值粒徑約0.02 mm。

1.2.3 氣象條件

根據(jù)距離巢湖湖區(qū)最近的廬江氣象站1986～2015年共30 a實測風(fēng)速資料，工程區(qū)常風(fēng)向為NNW-N，出現(xiàn)頻率達(dá)到22%，如圖 4所示；強(qiáng)風(fēng)向主要為SSW向和NNW向，最大風(fēng)速可達(dá)26 m/s左右。結(jié)合風(fēng)向頻率分布來看，巢湖湖區(qū)主要受NNW向風(fēng)浪作用為主，該方向風(fēng)作用下由于風(fēng)區(qū)長、風(fēng)速大，形成風(fēng)浪大,因此，本文采用NNW風(fēng)向?qū)︸R尾河口航道水沙影響進(jìn)行模擬研究。

圖2 巢湖忠廟站近年水位變化Fig.2 Changes of water level at Zhongmiao station of Chaohu in recent years圖3 現(xiàn)場測點布置示意圖Fig.3 Layout of measured points圖4 廬江站風(fēng)向玫瑰圖Fig.4 Wind rose map in Lujiang station

2 數(shù)學(xué)模型建立及驗證

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

本文采用垂向分為5層的三維水沙輸移模型研究巢湖風(fēng)浪作用下的馬尾河口區(qū)域的水沙特性，模型包含Mike3中的水動力模塊、波浪模塊及泥沙模塊，其中水動力模型(HDM)主要設(shè)置風(fēng)速與水位；波浪模塊(SWM)主要考慮輻射應(yīng)力對湖流水沙動力產(chǎn)生影響；泥沙模塊(MTM)主要考慮波流作用下泥沙的運(yùn)動，其中泥沙沉降速度根據(jù)Stokes公式計算并取值為0.000 4 m/s。其基本控制方程本文將不作詳述[10-11]。為復(fù)雜的湖岸貼合邊界，本文數(shù)值模擬網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格整體網(wǎng)格尺寸△G=150 m，局部網(wǎng)格尺寸△L=25 m。具體如圖5所示。

5-a 巢湖 5-b 馬尾河口圖5 網(wǎng)格示意圖Fig.5 Sketch of mesh

6-a 派河口 6-b 白石天河口 6-c 馬尾河口圖6 流速驗證Fig.6 Flow velocity verification

2.2 模型驗證

2016年10月21日中午12點～10月23日中午12點，對巢湖馬尾河口附近的湖流流速、波浪、水體含沙量、底質(zhì)進(jìn)行了2 d現(xiàn)場連續(xù)觀測工作?，F(xiàn)場觀測期間，巢湖平均水位約7.3 m，略高于正常蓄水位。測驗期間廬江氣象站實測最大風(fēng)速約為6.2 m/s，方向為N偏E向3°，風(fēng)力相當(dāng)于四級左右。根據(jù)《堤壩防浪護(hù)坡設(shè)計》，由于氣象站所獲得的風(fēng)速資料為陸地數(shù)據(jù)，因此需要進(jìn)行風(fēng)速的高度和陸—水訂正，換算到湖面以上10 m高度的最大風(fēng)速約為12 m/s(湖面風(fēng)力相當(dāng)于五至六級左右)。數(shù)學(xué)模型則通過上述實測資料進(jìn)行驗證。根據(jù)文獻(xiàn)[12]對巢湖湖區(qū)糙率取值為0.025。模擬條件水深為7.28 m，風(fēng)速為12 m/s與風(fēng)向為N偏E向3°。驗證點位為坐底系統(tǒng)拋投點位，分別位于派河口、白石天河口與馬尾河口，具體如圖 3所示。

如圖 6所示，白石天河口與馬尾河口的平均流速為0.07～0.09 m/s，而派河口平均流速約為0.04 m/s。由于白石天河與馬尾河口位于湖流縮窄處，且受風(fēng)向影響較大，因此，湖流流速較大。而派河口受風(fēng)區(qū)吹程小，則受風(fēng)向影響較小，故湖流流速較小。3個測點流速基本呈底部小，上部大的規(guī)律，符合流速分布。同時，從驗證結(jié)果可知，模擬值與實測值符合良好。同時，根據(jù)塘西、忠廟、槐林實測水位為7.18 m、7.32 m、7.37 m(站點見圖3)，模型計算水位為7.15 m、7.31 m、7.39 m來看，模擬結(jié)果良好，說明模型建立科學(xué)合理，可用于以下研究。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

本文以風(fēng)向N偏E向3°、風(fēng)速12 m/s及水位為7.28 m與風(fēng)向N偏W向337.5°、風(fēng)速26 m/s及水位10.6 m為例，分析巢湖馬尾河口區(qū)域泥沙的運(yùn)動特性。其中，模擬時間為3 d，其中大風(fēng)作用1 d、風(fēng)后2 d。

如圖 7所示，在風(fēng)向N偏E向3°、風(fēng)速12 m/s及水位為7.28 m條件下巢湖有效波高分布呈自北向南逐漸增大的趨勢，最大有效波高位于湖區(qū)南側(cè)深水區(qū)，最大有效波高達(dá)到0.6 m。馬尾河口區(qū)域有效波高基本在0.2～0.5 m。同時，如圖 8 相應(yīng)泥沙濃度分布可知，湖區(qū)泥沙濃度較低，基本在0～0.1 kg/m3，湖區(qū)南側(cè)近岸區(qū)泥沙濃度在1.25～2.5 kg/m3，其中，尤其馬尾河口近岸處泥沙濃度增大尤為明顯。湖區(qū)深水區(qū)有效波高較大，泥沙濃度較低，近岸區(qū)有效波高較小，而泥沙濃度則較大。根據(jù)前人研究以及本文分析可知，近岸區(qū)泥沙濃度較大的原因是波浪在近岸淺水區(qū)變形破碎，造成近岸區(qū)泥沙快速擾動，泥沙濃度急劇增加。

圖7 馬尾河口有效波高示意圖Fig.7 Sketch of significant wave height in Mawei estuary圖8 馬尾河口平均懸沙濃度分布示意圖Fig.8 Sketch of distribution of average suspended sediment concentration in Mawei estuary

如圖9所示，在風(fēng)向N偏W向337.5°、風(fēng)速26 m/s及最高通航水位10.6 m條件作用下巢湖流速分布呈沿岸大，湖區(qū)小的分布規(guī)律，其中在白石天河與馬尾河口之間流速較大，最大達(dá)到0.5 m/s，但在馬尾河口處流速并不大，為0.2～0.4 m/s。從流速矢量可知，近岸處水流從西沿著白石天河流向馬尾河口，由此可預(yù)測，在強(qiáng)風(fēng)向極端風(fēng)浪條件作用下，馬尾河口航道將會發(fā)生淤積，其淤積原因則是在波浪作用造成的近岸區(qū)泥沙起動，由沿岸流輸運(yùn)及淤積至馬尾河口航道區(qū)域。

圖9 馬尾河口流速及矢量分布示意圖Fig.9 Sketch of distribution of velocity and vector in Mawei estuary

3.2 現(xiàn)場觀測結(jié)果

從觀測波浪數(shù)據(jù)來分析，觀測期間測站的最大有效波高為0.46 m，測量時段有效波高平均值為0.27 m，波周期為2.33～3.04 s。從觀測流速數(shù)據(jù)上來分析，測站的表層最大流速為0.26 m/s，測量時段表層最大流速平均值為0.07 m/s，垂線平均最大流速為0.14 m/s。

從觀測水體含沙量來分析，測站表層0.3 h處的含沙量在1.29～1.61 kg/m3之間，測量時段平均值為1.42 kg/m3；中層0.7 h處的含沙量在1.30～1.68 kg/m3之間，測量時段平均值為1.45 kg/m3；底層0.9 h處的含沙量在1.31～1.77 kg/m3之間，測量時段平均值為1.50 kg/m3。從含沙量垂向分布來看，由于測站的湖流流速相對較小，含沙量主要受到波浪作用影響，垂向分布較為均勻。

圖10給出了馬尾河口測站的有效波高、湖流表層流速、底層0.9 h處含沙量與風(fēng)速同步過程對比關(guān)系，由圖可見波高、流速、含沙量過程與風(fēng)速過程總體響應(yīng)關(guān)系良好，含沙量過程稍有一定的滯后效應(yīng)。

3.3 湖床泥沙運(yùn)動分析探討

根據(jù)現(xiàn)場底沙取樣分析研究表明，巢湖湖區(qū)底沙粒徑較細(xì)，底沙中值粒徑為0.01～0.03 mm，平均中值粒徑為0.02 mm。此處計算采用武漢水利電力學(xué)院泥沙起動公式與泥沙起動波高計算公式[13-14]，波浪作用下馬尾河口口門航道區(qū)域泥沙起動波高為0.2～0.5 m，湖流作用下泥沙起動流速為0.2～0.4 m/s。計算分析表明，在廬江氣象站四級以上風(fēng)力條件下，風(fēng)浪可引起湖底床面泥沙起動懸揚(yáng)，特別是風(fēng)浪對巢湖近岸水域床面泥沙作用強(qiáng)，引起床面泥沙大量懸浮，水體含沙量短期內(nèi)急劇增大。

綜合上述研究認(rèn)為，大風(fēng)天巢湖泥沙運(yùn)動機(jī)制主要表現(xiàn)為“風(fēng)浪掀沙、湖流輸沙”，運(yùn)動方式主要以懸浮運(yùn)動為主。大風(fēng)天期間，近底泥沙在湖流輸運(yùn)作用下跨越開挖航槽時，受航道內(nèi)水深增大、流速減弱的影響，導(dǎo)致部分泥沙在航槽內(nèi)落淤；大風(fēng)天后，隨著開挖航槽內(nèi)水動力的快速減弱，水中懸浮泥沙不斷落淤，從而引起開挖航槽不斷淤積。

4 結(jié)論

馬尾河口口門航道治理實踐表明，大風(fēng)天條件下，在近岸風(fēng)浪和風(fēng)生湖流作用下，口門段附近泥沙運(yùn)動活躍，開挖航槽內(nèi)泥沙淤積較為嚴(yán)重，航道運(yùn)行維護(hù)困難，然而修筑攔沙壩體后，航道內(nèi)泥沙淤積得到了有效減緩。本文通過現(xiàn)場觀測與建立的Mike3水沙動力模型分析研究了風(fēng)浪作用下馬尾河口泥沙特性，并得到如下結(jié)論。

(1)通過Mike3建立的三維水沙動力模型模擬了湖區(qū)波浪以及懸沙濃度場，研究發(fā)現(xiàn)離岸區(qū)有效波高較大，近岸區(qū)有效波高較小，而離岸區(qū)泥沙濃度較低，近岸區(qū)泥沙濃度則較大。其原因是近岸區(qū)水深變淺，其波流觸底，床面切應(yīng)力增大明顯，造成近岸區(qū)泥沙快速起動，泥沙濃度急劇增加。

(2)通過對巢湖湖區(qū)基礎(chǔ)資料分析表明，巢湖為典型淺水湖泊，湖區(qū)水深一般為2～4 m，主要受NNW向風(fēng)浪作用，最大風(fēng)速可達(dá)26 m/s。在NNW風(fēng)向作用下，沿岸流可將派河及白石天河近岸泥沙輸移至馬尾河口區(qū)域，可能對馬尾河口航道造成大量的淤積。

(3)現(xiàn)場觀測研究表明，馬尾河口口門底沙主要為淤泥質(zhì)細(xì)顆粒泥沙，風(fēng)浪容易引起湖底泥沙起動懸揚(yáng)，波高、流速、含沙量過程與風(fēng)速過程總體響應(yīng)關(guān)系良好，水體含沙量較大且垂向分布較為均勻。大風(fēng)天巢湖泥沙運(yùn)動機(jī)制主要表現(xiàn)為“風(fēng)浪掀沙、湖流輸沙”，開挖航槽泥沙淤積問題需引起重視，加強(qiáng)科學(xué)研究。