福姜沙河段輸沙、 邊灘輸移特征和動力機制研究*

劉高峰， 王統(tǒng)澤

(上海河口海岸科學(xué)研究中心， 上海201201)

福姜沙水道位于長江下游南京—瀏河口段中部的澄通河段， 上起江陰大橋， 下至九龍港， 全長約40 km。 進口鵝鼻嘴處江面寬度僅1.4 km，長江主流經(jīng)過鵝鼻嘴后， 被福姜沙分為左右兩汊，右汊為鵝頭形彎道。 福姜沙左汊寬淺順直， 后被雙澗沙分為福北水道和福中水道(圖1)。 福中、福北水道受豐枯水文年和雙澗沙頭左右擺動的影響， 兩者此消彼長； 福中水道興衰與雙澗沙頭上下、 左右移動關(guān)系密切， 具有豐興枯衰(或豐淤枯沖)的特征[1]。 福北水道后連接如皋中汊， 福中水道至福姜沙尾與福南水道合并進入瀏海沙水道；如皋中汊為左汊， 瀏海沙水道為右汊； 瀏海沙水道和如皋中汊匯合在九龍港導(dǎo)流岸壁頂沖進入通州沙水道。 因此形成長江下游典型的多級分汊多級匯流的復(fù)雜河勢格局， 故而各汊道輸沙和演變特征對于航道的演變發(fā)育意義重大。

圖1 福姜沙河段和靖江邊灘沙體斷面

福姜沙水道是南京以下河段航道治理的難點，也是長江口深水航道進一步向上延伸的關(guān)鍵控制河段之一。 在長江南京以下12.5 m 深水航道建設(shè)一期工程的雙澗沙護灘工程的基礎(chǔ)上， 交通運輸部實施了長江南京以下12.5 m 深水航道建設(shè)二期工程， 對福姜沙水道等礙航水道實施整治工程，整治工程包括雙澗沙護灘工程基礎(chǔ)上堤頭加長和兩側(cè)增加丁壩， 福姜沙左緣設(shè)置4 座護灘丁壩[2]。福姜沙水道的靖江灘下段出現(xiàn)周期性淤漲和切割下移， 易侵入福北水道， 以至于福北水道航槽淤淺導(dǎo)致水深不足， 因此， 福北水道易于淤積、 較難維護[3]。 在航道整治工程作用下， 仍需要對航槽邊緣及航槽內(nèi)淤淺部位進行疏浚， 以實現(xiàn)航道建設(shè)尺度目標(biāo)。 因此研究靖江邊灘的切割下移規(guī)律有助于對淤積規(guī)律的理解及航道維護的安排。

邊灘和心灘底沙輸移運動一直是研究上的難點。 由于缺乏比較可靠、 準確的現(xiàn)場測驗儀器和方法， 底沙輸移測量一直是水文測量難點， 往往是通過測量現(xiàn)場沙波運動等間接方式進行分析計算[4]。 韓玉芳等[5]通過局部模型底沙輸移試驗對長江口南港和南北槽分流口現(xiàn)狀情況下的底沙輸移進行了定量研究。 張世釗等[6]通過定床潮流及輸沙試驗對福姜沙深水航道整治方案引起汊道分流及分沙變化進行研究。 這些研究表明， 通過選擇合適的模型沙進行定床輸沙試驗不失為進行底沙輸移研究的一種重要手段。

鑒于靖江邊灘切割沙體的運動對于本河段航道演變存在重要影響， 本文聚焦于研究靖江邊灘沙體的運動速度、 動力機制和驅(qū)動因子的關(guān)系。本文的創(chuàng)新性在于根據(jù)試驗結(jié)果提出了靖江邊灘是以整體沖刷還是以下段切割下移方式運動的臨界流量， 總結(jié)靖江邊灘輸移速度和主要驅(qū)動因子之間的函數(shù)關(guān)系， 并通過三維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型計算含沙量和切應(yīng)力過程， 指出福北水道易于淤積、 較難維護的動力原因。

1 研究方法

1.1 實測資料分析

在靖江邊灘沙體尾部切割下移運動的路徑上截取一個斷面AB(圖1)。 切割2010—2015 年期間各地形得到各年水深隨時間變化曲線， 見圖2。

圖2 2010—2015 年水深的變化曲線

由圖2 可見， 靖江邊灘切割沙體開始是一個峰值和重心都比較高的沙波， 隨時間逐步向下游運移， 沙波的峰值和重心高度不斷降低， 明顯表現(xiàn)出切割沙體向下游運移的過程， 而且運移速度表現(xiàn)出先快后慢、 由快變慢的變化特征。

1.2 物理模型沖刷輸沙試驗

設(shè)計3 個不同流量在長江口整體物理模型上開展沖刷試驗， 以研究流量對于靖江邊灘沙體沖刷位置和幅度的影響。 3 個試驗方案的上游大通流量分別為4 萬、 5 萬和7 萬m3∕s。 模型上福姜沙河段采用2014 年7 月地形， 控制潮型采用經(jīng)過驗證的大潮。 為了便于觀測和記錄， 在物理模型中繪制鋪沙位置進行網(wǎng)格化(圖3)， 橫向每排5 個網(wǎng)格， 縱向10 排， 總50 個網(wǎng)格。 每個網(wǎng)格物理模型上的面積為0.06 m2， 共3 m2， 鋪沙厚度為2 cm， 總共鋪模型沙體積為0.06 m3。

圖3 福姜沙河段鋪沙位置

在模型上福姜沙河段的靖江邊灘沙體鋪沙，然后在試驗過程中模型運行每隔2 個潮周期(約32 min)對靖江邊灘鋪沙區(qū)域的沖刷情況進行拍照。

1.3 三維潮流泥沙模型計算

本文采用三維潮流泥沙ECOM-si 模型， 已建立了1 個福姜沙河段局部模型， 模型的邊界是從上游長江大通站—下游徐六涇河段。 模型中垂線水深分11 層，I方向節(jié)點數(shù)為337，J方向的節(jié)點數(shù)為225， 共75 825 個網(wǎng)格節(jié)點。 對福姜沙河段進行局部加密， 最小網(wǎng)格間距為55 m， 能夠較好地貼合岸線和模擬工程。 模型計算了逐時含沙量場和切應(yīng)力場， 可用于分析該河段泥沙輸移特征。

2 結(jié)果和分析

2.1 靖江邊灘切割沙體運移和驅(qū)動因子的關(guān)系

沙體運動的直接驅(qū)動因子是作用在沙體上的切應(yīng)力， 其大小和該河段徑流的大小、 潮差、 沙體迎水面高程和沙體迎水剖面傾角有關(guān)系。 潮差是周期性的物理變量， 所以從更長時間角度來看，潮差影響可以忽略。 為了研究切割沙體峰值的運移速度和驅(qū)動因子的關(guān)系， 首先定義沙體曲線斷面的最高點和最低點的起點距差定義為x， 水深之差h， 則沙體迎水面形態(tài)坡度tanα=。 沙體運動主要與徑流大小、 沙體高程和沙體迎水剖面傾角正切值有關(guān)系， 可以概括如下:

式中:Stop為切割沙體斷面的峰值移動速度；Qfz為該河段徑流量；h為沙體迎水面高程； tanα 為沙體迎水面形態(tài)坡度。 根據(jù)多年資料計算福左水道徑流量Qfz， 計算2010—2015 年間靖江邊灘下段切割下來的沙波移動速度、 寬度和高度， 以及沙波迎水面坡度tanα， 令綜合驅(qū)動因子X=Qfzh·tanα，X與Stop關(guān)系見圖4。 最后可得到沙體波峰移動速度Stop與沙體高度h， 沙體引水面坡度傾角α 和福左斷面流量Qfz之間的關(guān)系:

圖4 沙體移動速度和綜合驅(qū)動因子的關(guān)系

以上關(guān)系式是沙體移動速度的經(jīng)驗總結(jié)， 雖然還存在量綱不統(tǒng)一的問題， 但可以用做一些定性和定量分析。 對于研究靖江邊灘沙尾不斷淤漲后再一次發(fā)生切割下移， 以上關(guān)系式可以用來預(yù)測切割的沙體的運動速度。

2.2 靖江邊灘沖刷切割和上游流量的關(guān)系

2.2.1 7 萬m3∕s 流量試驗結(jié)果

在上游7 萬m3∕s 流量試驗中， 每2 個潮周期(模型運行時間約32 min)對靖江邊灘鋪沙區(qū)域進行拍照， 即對第2、 4、 6……14、 16 個潮周期后試驗沖刷情況拍照。 據(jù)觀察， 在上游流量為7 萬m3∕s的情況下靖江邊灘的沖刷非常劇烈， 鋪沙區(qū)域在16 個潮周期后基本上沖刷殆盡， 模型上殘留的模型沙見圖5， 鋪沙區(qū)域基本上沖刷殆盡，僅有個別網(wǎng)格上殘存模型沙。

圖5 模型運行16 個潮周期后沖刷情況(7 萬m3∕s 流量)

2.2.2 5 萬m3∕s 流量試驗結(jié)果

在上游5 萬m3∕s 流量試驗中每2 個潮周期對靖江邊灘鋪沙區(qū)域進行拍照， 即對第2、 4、6 ……38、 40 個潮周期后拍照， 第40 個潮周期試驗結(jié)束后模型上殘留的模型沙見圖6， 可見鋪沙區(qū)域大部分被沖掉， 僅有若干網(wǎng)格上殘存模型沙。

圖6 模型運行40 個潮周期后沖刷情況(5 萬m3∕s 流量)

2.2.3 4 萬m3∕s 流量試驗結(jié)果

在上游4 萬m3∕s 流量試驗中每4 個潮周期對靖江邊灘鋪沙區(qū)域進行拍照， 即對第4、 8、12……36、 40 潮周期后進行拍照， 第40 個潮周期試驗結(jié)束后模型上殘留的模型沙見圖7， 可見模型上段網(wǎng)格上殘留了較多模型沙， 下段網(wǎng)格大部分模型沙沖光， 部分網(wǎng)格殘留了一些模型沙。

圖7 模型運行40 個潮周期后沖刷情況(4 萬m3∕s 流量)

根據(jù)試驗中的觀察以及圖5 ～7 的對比可知:上游7 萬m3∕s 流量的情況靖江邊灘泥沙沖刷最劇烈， 在上游5 萬m3∕s 流量的情況下， 沖刷強度下要大幅弱于上游7 萬m3∕s 流量的情況， 但是沖刷發(fā)生部位基本相似， 表現(xiàn)在鋪沙區(qū)上段先沖刷較多， 然后逐步發(fā)展到下段沖刷。 在上游4 萬m3∕s流量的情況下， 靖江邊灘的沖刷強度要弱于前兩個流量的情況， 沖刷規(guī)律也有較大差異， 表現(xiàn)在上段沖刷較弱， 下段沖刷更強， 也就是說鋪沙區(qū)上段沖刷不強， 其發(fā)生沖刷的部位主要出現(xiàn)中下部， 并形成明顯的沖刷帶， 模型上最終殘留的泥沙較多。

總之， 鋪沙區(qū)的泥沙沖刷強度、 沖刷重點部位和流量關(guān)系密切， 上游5 萬和7 萬m3∕s 流量呈現(xiàn)從上往下沖刷過程， 而上游4 萬m3∕s 流量上段沖刷較弱， 下段沖刷強度更大并形成明顯的沖刷帶。 流量變大會導(dǎo)致這一帶的河床調(diào)整變化會比較劇烈， 而且流量越大這一區(qū)域河床調(diào)整力度也越大。

2.2.4 沖刷試驗結(jié)果和機理分析

統(tǒng)計3 種流量情況下在記錄的試驗周期內(nèi)鋪沙區(qū)沖刷的模型泥沙體積， 繪制出模型上沖刷的模型沙量隨著時間變化的過程見圖8。

圖8 3 種流量下泥沙沖刷隨時間變化

通過對比可知， 上游為7 萬m3∕s 流量時曲線斜率最大， 說明沖刷速率最大， 在第15、 16 個潮周期時， 模型上的泥沙已經(jīng)接近沖刷殆盡。 上游為5 萬m3∕s 流量時曲線斜率次之， 說明沖刷速率介于7 萬m3∕s 和4 萬m3∕s 流量之間， 在最后2 個潮周期沖刷量比較穩(wěn)定， 說明沖刷達到平衡。 上游為4 萬m3∕s 流量時曲線斜率最小， 說明沖刷速率最小， 最后3 個潮周期沖刷量較為穩(wěn)定， 說明沖刷達到平衡。 通過對比可知， 靖江邊灘的沖刷強度和流量關(guān)系非常緊密， 流量大沖刷強度就大，流量小則沖刷強度小。

究其原因， 上游流量越大福姜沙河段主動力軸線就越趨直， 流量越小福姜沙河段主動力軸線就會向左側(cè)偏轉(zhuǎn)， 由此導(dǎo)致了靖江邊灘沖刷位置和程度不同。 流量大時主動力軸線雖然趨直， 但是水流在邊灘灘面產(chǎn)生的切應(yīng)力非常大， 從而導(dǎo)致靖江邊灘沙體整體沖刷強度大， 從而產(chǎn)生大面積快速沖刷。 而上游流量越小的時候水流在邊灘灘面的切應(yīng)力相對減小， 但流量越小導(dǎo)致的主動力軸線越向左側(cè)偏轉(zhuǎn)， 其產(chǎn)生的頂沖點就直接對準靖江邊灘沙下段， 產(chǎn)生了下段沖刷強度大于上段的現(xiàn)象。 因此靖江邊灘的發(fā)育、 切割下移等周期性變化主要驅(qū)動因子為福姜沙左汊的主動力軸線擺動以及相應(yīng)的頂沖點移動， 上游流量大于4 萬m3∕s靖江邊灘沙會出現(xiàn)整體沖刷下移， 而上游流量等于4 萬m3∕s 時靖江邊灘沙下段會出現(xiàn)切割下移。 因此初步證明， 靖江邊灘沙是以整體沖刷下移還是以下段切割下移的方式運動的臨界流量為4 萬m3∕s左右。

總之， 因為上游流量大小直接影響動力軸線的擺動， 在新水沙條件下， 極值流量(7 萬m3∕s)持續(xù)時間減小， 而次級流量(5 萬m3∕s)持續(xù)時間延長。 次級梯級流量的持續(xù)時間延長導(dǎo)致了其動力軸線及頂沖點維持時間增加， 從而導(dǎo)致靖江邊灘下段的切割程度加劇， 從而進一步影響下游航道演變。

2.3 不同流量下福姜沙河段切應(yīng)力和含沙量關(guān)系

根據(jù)實測水文資料可知， 總體上福姜沙河段的含沙量比較小， 大潮時段垂線平均含沙量在0.1 kg∕m3以內(nèi)。 文獻[6]表明， 該河段主要是床沙以推移質(zhì)運動方式進行造床。 含沙量和推移質(zhì)運動強弱主要取決于水流動力， 含沙量的平面分布和輸移形式在一定程度上代表推移質(zhì)運動的趨勢， 因此研究含沙量輸移分布對于研究推移質(zhì)輸移有很強的指導(dǎo)意義。

水流作用于床面的切應(yīng)力是泥沙起動輸移的直接動力因子， 潮流泥沙數(shù)學(xué)模型計算了4 萬和6 萬m3∕s 流量下的底層含沙量和切應(yīng)力的分布， 見圖9。

圖9 上游4 萬和6 萬m3∕s 流量下含沙量和切應(yīng)力

由圖9 對比可知: 在上游4 萬m3∕s 流量條件下， 河床切應(yīng)力和含沙量均略有增加； 在上游6 萬m3∕s流量條件下， 河床切應(yīng)力和含沙量都大幅增加。

從平面分布上來看， 在空間上河床切應(yīng)力較大值主要集中河槽深處， 在時間上出現(xiàn)在落急前后。 在空間上含沙量較大值主要出現(xiàn)在靖江邊灘—福左水道一帶， 時間上主要出現(xiàn)在落急之后。因此， 含沙量和切應(yīng)力極大值在空間上并不呈現(xiàn)嚴格的對應(yīng)性， 切應(yīng)力增大掀起泥沙后再由潮汐動力輸移， 泥沙輸移有自身的規(guī)律特點。 在小流量時輸沙路徑靠南， 福中水道為主要輸沙通道， 而大流量時輸沙路徑靠北。 因此， 靖江邊灘—福左水道—福北水道一帶是主要的輸沙通道， 也說明是底沙的主要輸移通道。 當(dāng)大洪水持續(xù)作用下， 因為有很多泥沙進入福北水道， 所以容易出現(xiàn)大幅淤積。 因此， 上游流量大小是福姜沙河段輸沙主要的動力因子， 也是其河床調(diào)整變化的主要動力因子。

3 結(jié)論

1)切割沙體的峰值和重心移動速度及其驅(qū)動因子河段徑流、 沙體迎水面高程和沙體迎水面形態(tài)等均呈正相關(guān)性， 并且總結(jié)出相應(yīng)的關(guān)系式。

2)靖江邊灘是以整體沖刷還是以下段切割下移方式運動的臨界流量為4 萬m3∕s。 上游流量大小直接影響動力軸線的擺動， 新水沙條件下次級梯級流量持續(xù)時間延長導(dǎo)致了其動力軸線及頂沖點維持時間增加， 從而導(dǎo)致靖江邊灘下段的切割程度加劇， 進一步影響下游航道演變。

3)含沙量和切應(yīng)力在空間上并不呈現(xiàn)很好的對應(yīng)性， 靖江邊灘—福左水道一帶是主要的懸沙輸沙通道， 也是主要的底沙輸移通道， 這也是這一帶河床調(diào)整變化比較劇烈的原因。 流量越大這一區(qū)域河床調(diào)整力度也越大。 上游流量大小是福姜沙河段輸沙主要的動力因子， 也是其河床調(diào)整變化的主要動力因子。

4)在小流量時輸沙路徑靠南， 福中水道為主要輸沙通道， 而大流量時輸沙路徑靠北， 福北水道是主要輸沙通道。 當(dāng)大洪水持續(xù)作用下， 因為有很多泥沙進入福北水道， 所以容易出現(xiàn)大幅淤積。