崇明海塘達(dá)標(biāo)工程區(qū)域岸灘演變分析

王璐璐

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

引言

崇明位于長江入?？?，由崇明、長興、橫沙三島組成，崇明島是世界上最大的河口沖積島，也是中國第三大島。為支撐崇明建設(shè)為“世界級生態(tài)島”的規(guī)劃目標(biāo)，《上海市崇明區(qū)總體規(guī)劃暨土地利用總體規(guī)劃（2016～2035）》對沿線海塘提出新一輪防洪排澇布局原則和規(guī)劃目標(biāo)進(jìn)行達(dá)標(biāo)建設(shè)，崇明區(qū)新一輪防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇高潮位+12級風(fēng)，達(dá)標(biāo)過程中，對于沖刷嚴(yán)重的區(qū)域設(shè)置保灘措施。本文采用實測數(shù)據(jù)分析與數(shù)值模擬預(yù)測的方法對崇明島工程區(qū)域岸灘演變進(jìn)行分析，為海塘建設(shè)提供了技術(shù)支持和設(shè)計基礎(chǔ)。

本工程海塘達(dá)標(biāo)范圍北起崇219+616.2，繞過崇頭，南至崇36+910，全長約42.6 km，經(jīng)過崇西水閘、新建港南水閘、廟港南水閘、鴿龍港南水閘、老效港南水閘等結(jié)構(gòu)物[1]，具體設(shè)計范圍及位置見圖1。

圖1 海塘達(dá)標(biāo)工程位置

1 現(xiàn)狀泥沙分析

1.1 現(xiàn)狀地形

圖2 崇頭至東風(fēng)西沙水庫2011年水下地形

圖3 東風(fēng)西沙水庫至三沙洪水閘2011年水下地形

2011—2017 年期間灘涂水下地形由上海市水務(wù)局灘涂處提供，研究中統(tǒng)一采用2017年的岸線為陸地邊界，從水下地形圖 2～圖 3的分布可知：岸線前100～200 m范圍內(nèi)水下灘面較高，灘面高程在0.0 m以上；岸線前200～1 500 m處分布有順岸深溝，為新橋水道區(qū)域，可達(dá)-17.0 m；離岸方向上新橋水道外為分布有大面積淺灘為扁擔(dān)沙。

工程區(qū)域位于包括崇 219+616.2與崇 36+902之間，此岸線灘勢分析主要對于南門碼頭～鴿龍港之間區(qū)域著重分析，為碼頭岸線的改造和清淤提供一定的依據(jù)。2011—2017年期間灘涂水下地形由市水務(wù)局灘涂處提供，從水下地形圖 2～圖 3的分布可知：崇頭水位站前水下灘面較高，最高達(dá)2.8 m；岸線前100～200 m范圍均有淤積，最高達(dá)3.5 m，東風(fēng)西沙水庫灘地較高，最高達(dá)8 m。新建港南水閘前存在大片淺灘，為白茆沙；白茆沙兩側(cè)分布水道，分別為白茆沙北水道和白茆沙南水道。工程區(qū)域下游段淤積較多，灘涂較高：廟港南水閘和鴿龍港南水閘最高達(dá)7.8 m；鴿龍港南水閘前大片淺灘為扁擔(dān)沙，最高達(dá)2.2 m；三沙洪水閘前灘地最高達(dá)1.5 m。

1.2 等深線變化分析

由圖4～圖11中2011年～2017年不同等深線（-2 m、-4 m、-6 m、-8 m）的對比可知，崇頭水位站至崇西段靠近岸線處整體呈現(xiàn)淤積態(tài)勢，等深線逐年向下游推進(jìn)。崇西水閘至東風(fēng)西沙水庫之間沖淤交錯，基本維持沖淤平衡。白茆沙附近及南北水道缺乏資料，所以圖中等深線無變化。扁擔(dān)沙下游端部逐年向下游深入淤積，下游淺灘沖刷后退，扁擔(dān)沙整體向下游偏移。三沙洪水閘前沿水道下切，形成沖刷態(tài)勢。

-2 m等深線變化圖中崇頭水位站至崇西段近岸變化最為顯著，2011年～2014年間，等深線向下游淤積，平均推進(jìn)847 m，年均推進(jìn)282 m；2014年～2017年間，等深線向下游淤積，平均推進(jìn)279 m，年均推進(jìn)93 m；推進(jìn)速度有放緩趨勢。由于崇頭北側(cè)水深資料存在問題偏差以及白茆沙附近缺少實測資料，這兩部分沖淤不作分析。扁擔(dān)沙尾部向下游呈淤積態(tài)勢，2011年～2014年間，等深線向下游淤積，平均推進(jìn)576 m，年均推進(jìn)192 m；2014年～2017年間，等深線向下游淤積，平均推進(jìn)279 m，年均推進(jìn)93 m。扁擔(dān)沙下游淺灘則向下游退縮，2011年～2014年間，平均后退369 m，年均后退123 m；2014年～2017年間，平均后退253 m，年均后退 85 m。三沙洪水閘等深線向岸側(cè)沖刷，2011年～2014年間，平均后退 204 m，年均后退68 m；2014年～2017年間，平均后退51 m，年均后退17 m。-4 m深線變化圖中沖淤趨勢與-2 m深線變化圖一致，變化幅度較小，這里不贅述。

-6 m等深線變化圖中崇頭水位站至崇西段等深線下探趨勢減緩甚至停滯，側(cè)翼淤積增強(qiáng)。2011年～2014年間，等深線向下游淤積，邊側(cè)最大推進(jìn)208 m，年均推進(jìn)69 m；2014年～2017年間，等深線向下游最大推進(jìn)597 m，年均推進(jìn)199 m。扁擔(dān)沙尾部向下游呈淤積態(tài)勢，扁擔(dān)沙向下游移動。

-8 m等深線變化圖中崇頭水位站至崇西段等深線已與其他等深線圖形態(tài)有所不同，呈較大幅度的沖淤交錯態(tài)勢。扁擔(dān)沙尾部向下游呈淤積態(tài)勢，視口范圍內(nèi)工程區(qū)域已完全是扁擔(dān)沙的范圍。三沙洪水閘等深線向下游沖刷明顯，尤其2014年～2017年間，等深線向下游沖刷高達(dá)1 211 m。

圖4 2011年～2017年2 m等深線變化（一）

圖5 2011年～2017年-2 m等深線變化（二）

圖6 2011年～2017年-4 m等深線變化（一）

圖7 2011年～2017年-4 m等深線變化（二）

圖8 2011年～2017年-6 m等深線變化（一）

圖9 2011年～2017年-6 m等深線變化（二）

圖10 2011年～2017年-8 m等深線變化（一）

圖11 2011年～2017年-8 m等深線變化（二）

1.3 歷年沖淤變化分析

根據(jù)圖12～圖17灘涂沖淤近年來的變化可知：2011～2014年間崇頭水位站前100 m范圍內(nèi)水域呈少量沖刷態(tài)勢，離岸100 m向外呈全面淤積態(tài)勢。靠近崇西水閘側(cè)淤積最大深度為1.3 m。由于崇頭北側(cè)水深資料存在偏差問題、白茆沙附近缺少實測資料，這兩部分沖淤不作分析。東風(fēng)西沙水庫北側(cè)主要呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢，靠岸處存在淤積點，最大淤積深度為4.9 m。廟港南水閘呈淤積態(tài)勢，淤積最大深度為3.5 m。鴿龍港南水閘前依然為淤積，最大淤積深度為2.5 m。扁擔(dān)沙向下游沖刷，最大沖刷深度為10.4 m；三沙洪水閘也呈沖刷態(tài)勢，最大沖刷深度為6.2 m。

2014～2017 年間，工程區(qū)域岸線呈現(xiàn)全面淤積態(tài)勢：崇頭水位站前最大淤積深度為4.7 m；崇西水閘側(cè)淤積最大深度為6.6 m；新建港南水閘前最大淤積深度為7.1 m；東風(fēng)西沙水庫北側(cè)最大淤積深度為8.1 m；廟港南水閘最大淤積深度為5.9 m；鴿龍港南水閘最大淤積深度為7.3 m；三沙洪水閘前最大淤積深度為1.3 m。扁擔(dān)沙下游沖刷，最大沖刷深度為12.9 m，沖刷中心向下游移動。

2011～2017 年總體來看整個工程岸線淤積嚴(yán)重：崇頭水位站前最大淤積深度為1.7 m；崇西水閘側(cè)淤積最大深度為5.3 m；新建港南水閘前最大淤積深度為6.9 m；東風(fēng)西沙水庫北側(cè)最大淤積深度為6.8 m；廟港南水閘最大淤積深度為6.5 m；鴿龍港南水閘最大淤積深度為4.6 m；三沙洪水閘前最大淤積深度為1.8 m。工程水域只有扁擔(dān)沙和三沙洪水閘前呈沖刷態(tài)勢：扁擔(dān)沙下游最大沖刷深度為14.2 m；三沙洪水閘前最大沖刷深度為8.2 m。

圖12 2011年～2014年灘涂沖淤變化（一）

圖13 2011年～2014年灘涂沖淤變化（二）

圖14 2014年～2017年灘涂沖淤變化（一）

圖15 2014年～2017年灘涂沖淤變化（二）

圖16 2011年～2017年灘涂沖淤變化（一）

圖17 2011年～2017年灘涂沖淤變化（二）

1.4 斷面分析

斷面分析取如下三個剖面（A-A～C-C剖面），A-A斷面反映崇頭至白茆沙之間的變化，B-B剖面反映上扁擔(dān)沙剖面變化，C-C剖面反映下扁擔(dān)沙剖面變化。

1）A-A剖面

在工程區(qū)域提取典型斷面進(jìn)行河灘演變分析，A-A斷面位置如圖18，A-A典型斷面變化見圖19。2011～2017年河槽呈半“W”型，整個區(qū)域處于不斷淤積態(tài)勢；由岸側(cè)向江側(cè)，地形先下切形成局部深溝，后上抬為淺灘，隨后逐漸高程降低為白茆沙北水道。2011年～2014年間，靠近岸側(cè)少量淤積，淤積最大深度近1 m，淺灘處坐標(biāo)點4處淤積深度為1.3 m，隨著坐標(biāo)點數(shù)增加，仍成淤積態(tài)勢，最大淤積深度為1 m，斷面的形態(tài)不變。2014年～2017年間，淺灘至岸側(cè)，斷面基本不變；白茆沙北水道處淤積明顯增強(qiáng)，最大淤積深度達(dá)4 m?？傮w來說，剖面為半“W”型，整體呈淤積態(tài)勢，白茆沙北水道河底有明顯抬升，槽體南側(cè)端部有局部沖刷。

圖18 A-A剖面位置

圖19 A-A剖面分析

2）B-B剖面

圖20 B-B，C-C剖面位置

在工程區(qū)域提取典型斷面進(jìn)行河灘演變分析，B-B斷面位置如圖20，B-B典型斷面變化見圖21。2011～2017年河槽呈“U”型，整個區(qū)域處于淤積態(tài)勢，北側(cè)局部沖淤平衡，南側(cè)淤積。2011年～2014年間，靠近岸側(cè)局部沖刷，沖刷最大深度近2 m；坐標(biāo)5點為新橋水道中心處，可以看出新橋水道少量淤積，隨著坐標(biāo)點數(shù)增加，8～20坐標(biāo)點為扁擔(dān)沙處，扁擔(dān)沙整體淤積抬高2 m左右。2014年～2017年間，坐標(biāo)點1～2處，即沿岸處，淤積顯著，新橋水道南側(cè)持續(xù)淤積，扁擔(dān)沙沖淤交替。總體來說，剖面為“U型”，槽體北側(cè)沖淤平衡，南側(cè)淤積，斷面寬度逐漸減少，槽底標(biāo)高基本不變，扁擔(dān)沙主要為淤積態(tài)勢。

圖21 B-B剖面分析

3）C-C剖面

圖22 C-C剖面分析

在工程區(qū)域提取典型斷面進(jìn)行河灘演變分析，C-C斷面位置如圖20，C-C典型斷面變化見圖22。整個剖面復(fù)雜多變，由岸側(cè)至江側(cè)，高程總體趨勢為波浪式抬升，2011～2017年間剖面形狀變化復(fù)雜、沖淤交替。2011年～2014年間，沖刷以及淤積的位置完全相反，坐標(biāo)點1～2處，即沿岸處，沖刷明顯；坐標(biāo)點3～5處，為淤積態(tài)勢，最大淤積厚度為4 m；坐標(biāo)點5～12處為沖刷，最大沖刷深度為3 m；坐標(biāo)點12～20處，為淤積態(tài)勢，最大淤積厚度為4 m，淤積有逐步放緩趨勢。2014～2017年間，整個剖面處于淤積狀態(tài)，最大淤積位置為坐標(biāo)點10處，即鴿籠港串溝，淤積深度為6 m，整體剖面高程有所抬升。總體來說，剖面復(fù)雜多變，沖淤交錯，總體淤積大于沖刷，反映了此處扁擔(dān)沙移動過程中剖面的變化。

2 潮流泥沙數(shù)學(xué)模型

2.1 潮流模型控制方程

本工程采用 ADCIRC[2]模型（Advanced Circulation Model）。該模型由美國North Carolina大學(xué)的 Luettich教授和 Notre Dame大學(xué)的Westerink博士聯(lián)合開發(fā)，可以應(yīng)用于海洋、海岸、河口區(qū)域的二維水動力計算，在處理潮流動邊界、復(fù)雜工程建筑物（包括潛堤）邊界等方面具有強(qiáng)大的功能，迄今已在國際上許多工程項目研究中得到廣泛應(yīng)用。

ADCIRC模型控制方程的原始形式是二維淺水方程：

式中：x和y分別表示橫軸和縱軸坐標(biāo)，t為時間；U和V分別為沿x和y方向的深度平均流速；ζ為平均水面之上的高度，H為總水深；f為柯氏力系數(shù)；ps為表面大氣壓；0ρ為水密度；τsx與τsy為表面切應(yīng)力（如風(fēng)應(yīng)力）；τbx與τby為底部摩擦力；Dx與Dy為擴(kuò)散項；Bx與By為斜壓梯度項；(η+)γ表示牛頓潮、地球潮等作用；g為重力加速度。

2.2 泥沙模型控制方程

1）懸移質(zhì)不平衡輸沙方程

懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動采用竇國仁等（1995）[3]基于波流共同作用下挾沙力概念的平面二維泥沙數(shù)學(xué)模型，其表達(dá)式如下：

式中：h為水深；t為時間坐標(biāo)；x和y為水平坐標(biāo)；S為垂線平均的懸移質(zhì)含沙量；S*為波流共同作用下的懸移質(zhì)挾沙能力；u和v分別為沿x方向和y方向的流速；α為沉降幾率或恢復(fù)飽和系數(shù)；ω為泥沙沉速。

2）推移質(zhì)不平衡輸沙方程

推移質(zhì)計算采用竇國仁等（1995）[4,5]推移質(zhì)不平衡輸沙公式，其表達(dá)式如下：

式中：h為水深；t為時間坐標(biāo)；x和y為水平坐標(biāo)；N為單位體積內(nèi)推移質(zhì)含沙量；N*為波流共同作用下的挾沙能力；u和v分別為沿x方向和y方向的流速；αb為沉降幾率或恢復(fù)飽和系數(shù)；ωb為泥沙沉速。

3）河床變形方程式

由懸移質(zhì)引起的河床變形方程式為：

式中：ηs為懸移質(zhì)引起的沖淤厚度，γ0為750 kg/m3；α取為0.12；懸移質(zhì)沉降速度ω根據(jù)Stokes公式計算靜水沉速。

由推移質(zhì)引起的河床變形方程式為：

式中：ηb為推移質(zhì)引起的沖淤厚度，γ0為1 200 kg/m3；αb取為0.2；推移質(zhì)沉降速度ωb根據(jù)張瑞瑾公式計算。

由懸移質(zhì)和推移質(zhì)引起的河床變形方程式為：

3 潮流驗證結(jié)果

選取2002年9月22日～2002年9月23日的連續(xù)觀測大潮的全潮水文狀況。測點布置如圖 23所示。選取工程水域附近的徐六涇站（A）、楊林站（B）、南港高橋站（C）、北港堡鎮(zhèn)站（D）、橫沙站（E）和中浚站（F）進(jìn)行了潮位驗證，選取Z13和Z14號測站進(jìn)行了流速、流向驗證?，F(xiàn)利用驗潮站的實測資料對水流運(yùn)動模擬的結(jié)果進(jìn)行驗證。

由圖24～圖33計算結(jié)果可知水動力數(shù)模計算結(jié)果與實測結(jié)果有較好的一致性，可以認(rèn)為所建模型較好地反映了工程水域的水流流動規(guī)律，該模型可以進(jìn)一步用于研究工程水域流場和對水域泥沙運(yùn)動進(jìn)行模擬研究。

圖23 測點布置

圖24 徐六涇測站（A）實測與計算潮位比較

圖25 楊林測站（B）實測與計算潮位比較

圖26 高橋測站（C）實測與計算潮位比較

圖27 堡鎮(zhèn)測站（D）實測與計算潮位比較

圖28 橫沙測站（E）實測與計算潮位比較

圖29 浚測站（F）實測與計算潮位比較

圖30 測站實測與計算流速

圖31 測站實測與計算流向

圖32 Z14測站實測與計算流速

圖33 Z14測站實測與計算流向

4 泥沙計算結(jié)果

利用水動力及泥沙數(shù)值模型模擬了工程水域水流泥沙運(yùn)動和地形沖淤演變，圖34和圖35顯示了工程區(qū)域沖淤演變的年變化情況。由現(xiàn)狀計算結(jié)果可以看出：崇明島全線近岸區(qū)域總體以淤積態(tài)勢為主；崇頭存在少量局部沖刷，崇西水閘前存在淤積，新建港南水閘至東風(fēng)西沙水庫處淤積嚴(yán)重，扁擔(dān)沙下游和三沙洪水閘前依然存在局部沖刷下切趨勢；模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)分析趨勢是一致的?？傮w來說，崇明海塘達(dá)標(biāo)工程區(qū)域以淤積為主，大多范圍并不需要采用特別的保灘措施；由于三沙洪水閘前沖刷區(qū)域靠近岸線100 m以內(nèi)，建議在海塘達(dá)標(biāo)工程中增加保灘措施，設(shè)置丁壩、順壩等結(jié)構(gòu)物，并對該區(qū)域加強(qiáng)監(jiān)測，設(shè)置報警機(jī)制。

圖34 測站實測與計算流向

圖35 測站實測與計算流向

5 結(jié)語

1）本文利用2011～2017年的水深測量資料，采用數(shù)值分析技術(shù)工程區(qū)域近年來長江口岸灘演變趨勢。

2）水動力數(shù)模計算結(jié)果與實測結(jié)果有較好的一致性，所建模型較好地反映了工程水域的水流流動規(guī)律，該模型可以進(jìn)一步用于研究工程水域流場和對水域泥沙運(yùn)動進(jìn)行模擬研究。

3）崇頭存在少量局部沖刷，崇西水閘前存在淤積，新建港南水閘至東風(fēng)西沙水庫處淤積嚴(yán)重，扁擔(dān)沙下游和三沙洪水閘前依然存在局部沖刷下切趨勢，模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)分析趨勢是一致的。

4）建議在三沙洪水閘前沖刷區(qū)域，設(shè)置丁壩、順壩等保灘措施，并對該區(qū)域加強(qiáng)監(jiān)測，設(shè)置報警機(jī)制。

5）本泥沙模型未考慮波浪、鹽度等其他因素的影響，將進(jìn)一步優(yōu)化模型的泥沙模塊，在不斷的調(diào)試中，針對長江口開展懸沙驗證和在局部沖淤計算。