多個(gè)大型采砂工程對長江下游局部河段水流條件的影響*

趙 鋼，徐 毅，朱 昊，王茂枚，姜 果

(江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017)

河道砂石作為建筑原料，廣泛用于建筑基礎(chǔ)、吹填造地、堤壩加固等工程。長江中下游江段多為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，對砂石原料的需求較大，因而造就了其間隔短、方量大的采砂特點(diǎn)[1]。大規(guī)模的采砂可能會改變原有河床結(jié)構(gòu)和水流走勢，從而對采砂區(qū)所在河道的水流條件、河勢穩(wěn)定及通航安全等產(chǎn)生較大的影響[2]。

為此，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了河道采砂影響的研究，早期研究主要通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行定性計(jì)算，如采用推移質(zhì)輸沙率公式計(jì)算采砂后河床演變情況[3]，原型觀測[4-5]以及物理模型試驗(yàn)[6-7]等常用的研究手段。近年來，水沙數(shù)學(xué)模型在采砂工程中應(yīng)用較為成熟，成為采砂影響的主要研究手段之一[8]。陳甫源等[9]采用一維水流數(shù)學(xué)模型研究錢塘江進(jìn)口段采砂對沿程洪水位的影響，結(jié)果表明在河口采砂會使上游段洪水位下降，下游段洪水位抬升；李文丹等[10]建立了二維水沙數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)甌江口采砂工程實(shí)施后，在水流作用下河床做出了相應(yīng)的調(diào)整；Kim等[11]建立了海域內(nèi)的三維泥沙輸運(yùn)模型，對濱海區(qū)采砂后泥沙的擴(kuò)散和沉積過程開展了研究。

可見，目前對單一采砂工程的影響研究較多[12-14]，但是對于同一河段多個(gè)大型采砂區(qū)[15]疊加影響還鮮有報(bào)道。然而，近年來長江中下游常在同一河段同時(shí)進(jìn)行多個(gè)大型采砂工程，相對單個(gè)采砂工程，其影響的范圍和程度可能更大。此外，由于采砂區(qū)之間的相互影響以及疊加效應(yīng)，工程河段水流條件的變化將更為復(fù)雜。本文以長江下游局部河段為例，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，探討多個(gè)大型采砂工程對局部河段水流條件的影響。

1 研究區(qū)域概況

1.1 河道概況

為探討多個(gè)大型采砂工程實(shí)施后對水流條件的影響，研究河段上起江陰鵝鼻嘴，下至長江口北支連興港以及南支楊林站，由福姜沙汊道、如皋沙群段、通州沙汊道和白茆沙汊道等組成，見圖1。福姜沙汊道為穩(wěn)定性較好的雙分汊河道，河道上段順直單一、下段為向南彎曲，其主流位于北汊。如皋沙群段內(nèi)沙洲羅列、水流分散，雙澗沙及民主沙將福江沙北汊分為如皋沙中汊及瀏海沙水道上段，兩股水流匯合為瀏海沙水道下段。通州沙汊道為多灘分汊河道，營船港以上為通州沙東水道上段、通州沙西水道上段兩汊分流的格局，以下為新開沙夾槽、東水道下段、西水道下段及福山水道四汊分流的格局，四股水流匯合后，偏靠南岸進(jìn)入長江口河段，即北支河段和南支白茆沙河段。北支河段為長江出海的一級汊道，分流比約為5%，是一條以漲潮流占優(yōu)的河道；白茆沙河段內(nèi)主流貼南岸經(jīng)徐六徑節(jié)點(diǎn)，過白茆小沙后北偏進(jìn)入白茆沙汊道段，白茆沙南水道一直為主汊。

圖1 工程河段河勢

1.2 工程概況

近年來，澄通河段及北支進(jìn)口段實(shí)施了一系列河道整治工程，其中鐵黃沙整治工程、通州沙西水道整治工程以及新通海沙整治工程采砂方量均達(dá)到千萬立方以上。本文主要研究采砂對河道水流條件的影響，將整治工程中涉及的采砂工程分為4個(gè)采砂區(qū)，見圖2。采砂區(qū)1位于通州沙西水道上中段，長約3.3 km，平均寬約470 m，面積約156萬m2，控制開采高程-10 m，平均采深約4.5 m，開采量約568.4萬m3；采砂區(qū)2位于福山水道，采砂區(qū)呈“呂”字形布置，上游段為較寬的矩形，下游段由4個(gè)矩形組成，上游疏浚區(qū)寬約580 m，長度2.9 km，下游疏浚區(qū)寬度約350 m，總長度5.4 km，并微彎向外側(cè)，采砂區(qū)面積約372萬m2，控制開采高程-12 m，平均采深約6.6 m；采砂區(qū)3位于鐵黃沙下游左側(cè)，采砂區(qū)為不規(guī)則多邊形，順?biāo)飨蜷L約4.9 km，垂直水流方向平均寬約967 m，采砂區(qū)面積約474萬m2，控制開采高程-14 m，平均采深約1.7 m；采砂區(qū)4位于北支進(jìn)口段，采砂區(qū)呈矩形布置，面積約為260 m2，控制開采高程-9 m，平均采深4.0 m，開采量約1 200萬m3。

圖2 采砂區(qū)及監(jiān)測點(diǎn)位置

2 模型的建立及驗(yàn)證

2.1 模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

模型計(jì)算進(jìn)口斷面為江陰，出口斷面北支為連興港、南支為楊林站。模型采用貼體正交曲線網(wǎng)格，網(wǎng)格布置為873×238，水流方向網(wǎng)格間距40～250 m，垂直水流方向網(wǎng)格間距20～50 m，計(jì)算區(qū)域范圍、監(jiān)測點(diǎn)位置見圖2。

2.2 模型驗(yàn)證

本次模型水動(dòng)力驗(yàn)證采用洪水期2014-07-28—2014-07-31日和枯水期2014-02-09—2014-02-11共6 d的實(shí)測水位、流速、流向資料。潮位驗(yàn)證選定天生港、營船港、望虞河、徐六涇、白茆，崇頭、青龍港等7個(gè)潮位站的實(shí)測潮位過程，流速驗(yàn)證采用計(jì)算區(qū)域內(nèi)4條垂線(垂線位置見圖2)的實(shí)測垂線平均流速過程。驗(yàn)證結(jié)果見圖3、4，可見模型計(jì)算所得潮位以及流速和流向均與實(shí)測值吻合較好。

圖3 潮位驗(yàn)證

圖4 流速、流向驗(yàn)證

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 研究方案

采用多個(gè)采砂工程實(shí)施方案分析河勢影響的疊加效應(yīng)，方案見表1。工程前為采砂工程均未實(shí)施前實(shí)測水下地形，采砂實(shí)施后的地形為在工程前地形基礎(chǔ)上，考慮采砂區(qū)開采至各采砂區(qū)控制開采高程。為綜合分析多個(gè)大型采砂工程實(shí)施對長江局部河段水流條件的影響，選用2016-08-04—2016-08-06的實(shí)測大潮潮位變化過程進(jìn)行工程影響計(jì)算。

表1 計(jì)算方案

3.2 對水流條件的影響

3.2.1潮位的變化

潮位變化主要體現(xiàn)的是采砂工程對河段防洪、排澇的影響。為此，本文選取了20個(gè)取樣點(diǎn)代表采砂區(qū)、工程河段近岸及通江口門位置(圖5)，進(jìn)行多個(gè)采砂工程前后最高、最低潮位變化分析。

圖5 采樣點(diǎn)位置

為分析工程潮位變化對河段防洪、排澇的影響，選取模擬期內(nèi)漲憩和落憩的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行工程前后的水位變化分析。不同方案下漲憩和落憩時(shí)的水位變化見表2。由表2可見，單一采砂工程實(shí)施后，潮位變化主要集中在采砂區(qū)附近區(qū)域，采砂對工程河段水位影響較小，最大變幅在5 cm以內(nèi)。方案2實(shí)施后，漲憩時(shí)刻監(jiān)測點(diǎn)潮位均有所降低，其中靠近左岸監(jiān)測點(diǎn)潮位降幅最大，落憩時(shí)采砂區(qū)附近潮位則有所升高，北支采砂區(qū)下游監(jiān)測點(diǎn)潮位增幅最大；方案3實(shí)施后對潮位變化的影響規(guī)律與方案2相反，漲憩時(shí)潮位增大，落憩減??；方案4采砂量及采砂范圍較廣，因此工程實(shí)施后不論漲憩還是落憩潮位均有所下降。從多個(gè)采砂工程實(shí)施的疊加影響看，由于工程后漲落潮流路歸順，原分流比較小汊道進(jìn)流改善，以及節(jié)點(diǎn)段前沿浚深后導(dǎo)控作用增強(qiáng)，多個(gè)采砂工程的實(shí)施并未引起高、低潮位的疊加，而是相互影響起到了削減高、低潮位變幅的作用，因此對工程河段的防洪影響是偏有利的。

表2 各采砂方案下工程前潮位及工程后潮位變化 m

3.2.2流速的變化

選取各水文條件下不同采砂方案實(shí)施后工程河段落急時(shí)刻垂向平均流速進(jìn)行分析，流速變化按照v2-v1進(jìn)行計(jì)算(v1表示工程前流速、v2代表工程后流速)。

方案2實(shí)施后對流速的影響主要集中在采砂區(qū)附近和北支進(jìn)口段(圖6)，對澄通河段流速影響很小。方案2實(shí)施對改善北支進(jìn)口段水流動(dòng)力條件相對有利，由于采砂后流量變化很小，采砂區(qū)附近過水?dāng)嗝婷娣e增加，所以采砂區(qū)內(nèi)流速以減小為主，變幅為-0.20～-0.02 m/s；采砂區(qū)下游北支進(jìn)口段左側(cè)較大范圍落急流速增大明顯。

圖6 落急時(shí)刻方案2實(shí)施后流速變化分布

方案3采砂后流速變化分布見圖7。模擬結(jié)果表明，工程實(shí)施后漲落急流速變化的總體情況為：鐵黃沙下游采砂區(qū)和福山水道采砂區(qū)內(nèi)流速均以減小為主，變化范圍為-0.20～-0.05 m/s；鐵黃沙下游采砂區(qū)附近局部流速有小幅增加。總體來看方案3實(shí)施后，采砂區(qū)附近漲落潮流速均有所減小，對其他河段流速影響很小。

圖7 落急時(shí)刻方案3實(shí)施后流速變化分布

方案4實(shí)施后模擬結(jié)果表明(圖8)，工程實(shí)施后西水道采砂區(qū)內(nèi)及附近流速變化較為明顯，采砂后瀏海沙水道中段右緣老海壩險(xiǎn)工段流速變化很小。橫港沙右緣枯季大潮流速有所減小，變化范圍-0.02～-0.01 m/s，變化幅度很小，對橫港沙沙尾穩(wěn)定及通州沙汊道進(jìn)流條件影響很小。此外，通州沙左緣流速有一定幅度減小，右緣流速有一定幅度增加，灘面流速以減小為主，但變化幅度均很小，總體來看有利于保持通州沙左緣和灘面的穩(wěn)定。狼山沙左緣附近流速增加約0.01～0.02 m/s，增加幅度很小，方案4實(shí)施對其穩(wěn)定影響很小。

圖8 落急時(shí)刻方案4實(shí)施后流速變化分布

方案5實(shí)施后，即多個(gè)采砂工程同時(shí)實(shí)施后流速變化較單一，工程實(shí)施方案影響范圍變大，但變化幅度無明顯變化，瀏海沙中段右緣老海壩險(xiǎn)工段漲急流速影響很小，橫港沙右緣及沙尾漲急流速以減小為主，通州沙西水道漲急流速仍有所增大，變化范圍為-0.05～-0.01 m/s，總體上與方案4一致，見圖9。通州沙下段左緣及狼山沙附近流速有所增大，增大幅度為0.01～0.02 m/s，鐵黃沙下游采砂區(qū)內(nèi)局部流速增大較為明顯，增大0.02～0.05 m/s。新開沙夾槽附近流速無明顯變化，福山水道流速仍以減小為主，北支進(jìn)口段變化趨勢與單一工程基本一致?？梢?，多項(xiàng)采砂工程同時(shí)實(shí)施對研究河段流速變化疊加影響較小。

圖9 落急時(shí)刻方案5實(shí)施后流速變化分布

3.2.3分流比變化

對于分汊河道來說，分流比是反映汊道興衰變化的重要水動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，為分析工程的實(shí)施對河道分流比的影響，在河道各汊道段共布設(shè)12個(gè)斷面(圖10)。

圖10 采樣斷面位置

工程實(shí)施前后各汊道分流比變化量為各方案下工程后分流比減去工程前分流比的差，結(jié)果見表3。由表3可知，如皋沙群汊道段主流走瀏海沙水道，如皋中汊分流比約為28%，瀏海沙水道分流比約為70%。營船港以上為通州沙東水道上段、通州沙西水道上段兩汊分流的格局，通州沙東水道分流比約為90%，為主汊；營船港以下為新開沙夾槽、狼山沙東水道、狼山沙西水道及福山水道四汊分流的格局，狼山沙東水道分流比約為60%。白茆沙汊道段為白茆沙南、北兩汊分流格局，白茆沙南水道為主汊，分流比約為70%。北支西起崇明島頭，為漲潮流占優(yōu)勢的河段，落潮分流比不足5%。不同方案工程后分流比總體變化幅度較小，分流比變化最大值發(fā)生在落潮時(shí)刻，分流比變化較為明顯的主要是通州沙汊道段。

表3 各采砂方案下工程前分流比及工程后分流比變化 %

為與單一工程實(shí)施方案相比，分析多項(xiàng)采砂工程同時(shí)實(shí)施對汊道分流比的疊加效應(yīng)，本文定義分流比疊加影響指數(shù)SI，用對數(shù)相對差異率表示，計(jì)算公式[16]如下：

SI=ln(Cm/Ci)×100%

(1)

式中：SI為疊加影響指數(shù)；Ci為第i種單一工程方案斷面分流比；Cm為多項(xiàng)工程同時(shí)實(shí)施方案斷面分流比。

SI>0，表示多個(gè)采砂工程同時(shí)實(shí)施后相對單一工程斷面分流比增加；SI<0，表示多個(gè)采砂工程同時(shí)實(shí)施后相對單一工程斷面分流比減小。SI的絕對值越大，表明與單一工程相比，多項(xiàng)工程同時(shí)實(shí)施對汊道分流比的疊加影響越大；反之，多項(xiàng)工程同時(shí)實(shí)施對汊道分流比的疊加影響越小。

對比方案4，方案5對通州沙東水道漲潮分流比的疊加影響指數(shù)為0.3%，落潮分流比疊加影響指數(shù)為0.05%，說明與方案4相比，多項(xiàng)工程同時(shí)實(shí)施后分流比變化略有增大，但變化幅度較小，對通州沙東水道分流比的疊加影響很小，也表明方案2和方案3的實(shí)施對方案4造成分流比變化的附加影響很小。方案5對通州沙西水道漲潮分流比的疊加影響指數(shù)為-0.5%，落潮分流比疊加影響指數(shù)為0.3%，說明與方案4相比，多項(xiàng)工程同時(shí)實(shí)施時(shí)通州沙西水道漲潮分流比有所減小，但變化幅度較小，對通州沙西水道分流比的疊加影響較小。方案5對通州沙灘面漲潮分流比的疊加影響指數(shù)為-1.8%，可見相比方案4，多個(gè)采砂工程同時(shí)實(shí)施反而有利于減小通州沙灘面漲潮分流比，對通州沙沙體穩(wěn)定較為有利。

與方案2、3、4相比，方案5實(shí)施后狼山沙西水道漲潮分流比疊加影響指數(shù)分別為3.9%、4.3%、-0.1%，可以看出狼山沙西水道受多個(gè)采砂工程的疊加影響較大，其中方案4和方案5工程后狼山沙西水道分流比之間的相對差異較小，說明方案4通州沙西水道采砂工程的實(shí)施是引起狼山沙西水道分流比變化的決定性因素，方案2和方案3對狼山沙西水道分流比的附加影響相對較小。對比方案5對狼山沙東水道的疊加影響指數(shù)均很小，表明多個(gè)采砂工程同時(shí)實(shí)施對狼山沙東水道分流比的疊加影響很小。

4 結(jié)語

1)基于平面二維水流數(shù)學(xué)模型針對長江下游局部河段多個(gè)采砂工程對水流條件疊加影響開展研究，經(jīng)過實(shí)測潮位、流速以及流向的驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型能可靠應(yīng)用于模擬采砂河段水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2)單一采砂工程對流速的影響主要在采砂區(qū)附近，其中通州沙西水道采砂工程對流速影響最大；多個(gè)采砂工程同時(shí)實(shí)施反而削減了單個(gè)工程導(dǎo)致的潮位及流速變幅，對工程沿線河段的防洪排澇沒有明顯不利影響。

3)單個(gè)工程實(shí)施后，落潮分流比變化大于漲潮分流比變化，多個(gè)采砂工程的實(shí)施對河段分流格局的疊加影響較小。通州沙汊道進(jìn)口段分流比受疊加效應(yīng)影響最大。

4)本文研究了多個(gè)采砂工程對長江局部河段水流條件影響的疊加效應(yīng)，為工程后續(xù)河勢監(jiān)測提供了指導(dǎo)。