基于通州灣潮流泥沙物理模型試驗(yàn)的網(wǎng)倉洪航道等級(jí)提升探索

范從軍 施超

摘 要：依托通州灣潮流泥沙物理模型，分析了10萬噸級(jí)提升至20萬噸級(jí)的網(wǎng)倉洪規(guī)劃航道流場和泥沙沖淤，以及該航道建設(shè)對(duì)通州灣港區(qū)流場和泥沙沖淤的影響，并專門利用數(shù)學(xué)模型對(duì)該港區(qū)物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證，其結(jié)果表明：10萬噸級(jí)與20萬噸級(jí)網(wǎng)倉洪航道引起的港區(qū)泥沙淤積強(qiáng)度基本相同，僅港池口門附近區(qū)域差異較大，建議了采用減輕腰沙歸槽刷灘水流攜沙的影響解決港池口門的淤積情況。研究結(jié)果為航道等級(jí)提升提供依據(jù)，可滿足長江沿江產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移升級(jí)以及江蘇新出?？诮ㄔO(shè)要求。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)倉洪航道;通州灣;物理模型試驗(yàn)

0 引言

網(wǎng)倉洪航道是通州灣港區(qū)的重要航道，它途徑三沙洪和網(wǎng)倉洪深槽，以及兩深槽之間的淺段水域。前期的一些研究表明，網(wǎng)倉洪深槽尾端北淤南沖、深槽南擺的趨勢明顯;網(wǎng)倉洪與三沙洪兩深槽之間水深不足10 m的淺段處于多水道水流交匯的影響區(qū)域，淺段長度雖逐年縮短但沖淤變化相對(duì)活躍，網(wǎng)倉洪與三沙洪兩深槽的對(duì)接尚不平順;通州灣規(guī)劃港池的建設(shè)將一定程度改變?nèi)澈橥舛渭皽\段區(qū)的動(dòng)力泥沙環(huán)境;腰沙、冷家沙淺灘區(qū)泥沙活動(dòng)對(duì)港池口門區(qū)航道存在重要影響;通州灣港區(qū)及航道建設(shè)對(duì)通州灣“兩沙三槽”沖淤演變和穩(wěn)定性的影響不容忽視。為適應(yīng)長江沿江產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移升級(jí)和江蘇新出?？诮ㄔO(shè)需要，該航道由現(xiàn)有10萬噸級(jí)提升至20萬噸級(jí)是其中重要舉措之一。目前，對(duì)于該航道新的規(guī)劃方案，現(xiàn)階段尚無工作能驗(yàn)證其可行性，或者指出該方案的一些不合理之處以便及時(shí)改正。

本文擬在合理的通州灣潮流泥沙物理模型基礎(chǔ)上，分析了網(wǎng)倉洪航道提升至20萬噸級(jí)后港區(qū)流場和泥沙沖淤問題，對(duì)該區(qū)域內(nèi)潮流泥沙物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證，進(jìn)而論證網(wǎng)倉洪航道提升的可行性。

1 通州灣潮流泥沙物理模型試驗(yàn)概述

本次物理模型試驗(yàn)分析采用的潮流泥沙物理模型試驗(yàn)是考慮潮汐、海域?yàn)┎蹧_淤受懸沙和海床底沙局部運(yùn)移等因素的影響，改造原通洲灣物理模型建立的。它屬于變態(tài)模型，要求模型床面糙率大于原型床面糙率，研究的區(qū)域主要包括小廟洪-大灣洪水道、腰沙-烏龍沙、三沙洪-網(wǎng)倉洪、冷家沙、冷家沙前緣深槽等“兩沙三槽”海域以及爛沙洋南水道部分海域，模擬的海域面積約4 000 km2。值得注意的是，通州灣港區(qū)潮流泥沙物理模型試驗(yàn)結(jié)果，已與現(xiàn)有一些流速、淤積監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該模型的合理性。

2 航道布置方案

圖1為通州灣港區(qū)及網(wǎng)倉洪規(guī)劃航道的模型布置，旨在用于分析網(wǎng)倉洪10萬噸級(jí)規(guī)劃航道以及等級(jí)提升至20萬噸級(jí)時(shí)港區(qū)以及網(wǎng)倉洪航道流場和泥沙沖淤情況?，F(xiàn)有網(wǎng)倉洪10萬噸級(jí)規(guī)劃航道的設(shè)計(jì)水深-13.4 m，航道寬度200 m，外航道全長31.8 km;而20萬噸級(jí)航道設(shè)計(jì)水深-19.0 m，航道寬度為236 m，外航道全長60.2 km。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 航道等級(jí)提升對(duì)港區(qū)整體流場和泥沙沖淤的影響分析

網(wǎng)倉洪10萬噸級(jí)時(shí)的通州灣港區(qū)泥沙物理模型試驗(yàn)結(jié)果表明：漲潮中后期由三沙洪水道向腰沙的漫灘水流受匡圍及導(dǎo)堤的阻擋后，繞過南堤頭漫入腰沙沙體，并沿南堤外側(cè)漫灘至已建一港池匡圍區(qū)東側(cè)，并與南部小廟洪水道的漫灘流交匯;港區(qū)及匡圍區(qū)的存在阻斷了自三沙洪水道尾部向腰沙的漫灘水流，致使腰沙南、北兩側(cè)漫灘流交匯區(qū)域較現(xiàn)狀北移，腰沙南側(cè)的漫灘流有所增強(qiáng);落潮初期，腰沙沙脊線與南堤之間的水體主要呈東西向流動(dòng)，但落潮中、后期該區(qū)域水體向三沙洪歸槽的流路受南堤阻擋后沿堤?hào)|流并繞過堤頭匯入三沙洪水道，在此期間，南堤外側(cè)出現(xiàn)明顯沿堤水流、堤頭挑流效應(yīng)較顯著，堤頭區(qū)流速較現(xiàn)狀增大30 cm/s～40 cm/s;位于冷家沙沙體中段的北堤對(duì)冷家沙漲潮越脊水流有一定阻水作用，落潮時(shí)由三沙洪越過冷家沙沙脊北流的越脊水也受北堤阻擋，致使北堤外側(cè)流速減小20 cm/s～30 cm/s，整個(gè)漲落潮過程中，北堤堤頭均存在水流繞堤北流現(xiàn)象，堤頭區(qū)流速也有所增大。

當(dāng)網(wǎng)倉洪航道等級(jí)升至20萬噸級(jí)時(shí)，網(wǎng)倉洪水道、小廟洪水道斷面流量在漲潮期的變化很小，三沙洪水道的斷面漲潮流量減小2%;落潮期間，由于腰沙北部歸槽水流路和水量的變化，規(guī)劃港區(qū)口門外段的三沙洪水道斷面落潮量減小約5%～8%;網(wǎng)倉洪與三沙洪之間淺區(qū)的斷面落潮流減小2%～5%;小廟洪北水道的斷面落潮量增大約3%。

當(dāng)配套20萬噸級(jí)的網(wǎng)倉洪航道時(shí)，港區(qū)泥沙沖淤主要發(fā)生在匡圍與導(dǎo)堤工程局部和腰沙、冷家沙沙體等區(qū)域。其中腰沙根部和中部沙體總體淤高約1 m;北堤北側(cè)的冷家沙沙體因堤頭挑流影響，有小型沖溝發(fā)育，但未改變冷家沙整體形態(tài)。南堤外側(cè)在沿堤水流作用下有所沖刷，南堤和北堤堤頭因挑流影響產(chǎn)生較明顯局部沖刷。規(guī)劃港區(qū)口門外側(cè)的三沙洪外段深槽及與網(wǎng)倉洪交匯的淺段區(qū)有所淤淺。上述變化均屬通洲灣“兩沙三槽”地形格局下的局部沖淤調(diào)整。

綜上可知，與網(wǎng)倉洪原10萬噸級(jí)航道相比，新規(guī)劃的20萬噸級(jí)航道僅增深拓寬，航道等級(jí)提升后的整體性流場和泥沙沖淤影響基本相同。

3.2 航道等級(jí)提升對(duì)港區(qū)局部流場和泥沙沖淤變化

當(dāng)網(wǎng)倉洪航道由10萬噸級(jí)提升至20萬噸級(jí)時(shí)，港區(qū)北堤中段北側(cè)2 km～3 km區(qū)域，平均流速減小10 cm/s～15cm/s，北堤堤頭外側(cè)1 km區(qū)域流速明顯增大，局部最大增大可達(dá)50 cm/s。南堤外側(cè)淺灘由于沿堤水流作用流速顯著增大，最大可達(dá)40 cm/s，堤頭附近落急時(shí)流速可增大僅1.0 m/s。港池口門以外三沙洪深槽段由于歸槽水量減小，平均流速減小20 cm/s～40 cm/s。

20萬噸級(jí)的網(wǎng)倉洪航道規(guī)劃方案導(dǎo)致港區(qū)周邊淤積主要為北堤外側(cè)根部及中段略有淤積，其中北堤外側(cè)500 m范圍平均淤積1.5 m～2.0 m，1 km～2 km范圍平均淤積厚度約0.5 m;南堤南側(cè)的腰沙淺灘區(qū)普遍淤高約1 m，其中三港池與目前一港池之間區(qū)域淤高近2 m。

如圖2分別為20萬噸級(jí)網(wǎng)倉洪航道引起的港區(qū)各部位的沖刷圖，從圖中可看出：航道等級(jí)提升后引起的沖刷主要發(fā)生在堤頭挑流和沿堤水流增大的區(qū)域;北堤拐角段外側(cè)局部沖深2 m～3 m，沖刷影響范圍100 m～200 m;北堤堤頭因挑流效應(yīng)明顯而產(chǎn)生較強(qiáng)沖刷，沖刷坑最大沖深可達(dá)6 m～8 m，沖刷超過1 m的影響范圍約300 m～400 m;南堤外側(cè)的沿堤沖刷范圍在距堤腳100 m～200 m范圍內(nèi)，沖刷深度約2 m～3 m;南堤堤頭附近局部最大沖刷深度約4 m～5 m，沖刷超過1 m的范圍約200 m～300 m。

3.3 航道等級(jí)提升對(duì)網(wǎng)倉洪航道區(qū)流場和泥沙淤積分析

依據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)網(wǎng)倉洪航道提升至20萬噸級(jí)后，網(wǎng)倉洪、三沙洪水道內(nèi)往復(fù)流特征沒有發(fā)生改變，潮流主軸向與航道走向基本一致;深槽區(qū)水流流速較大，大潮平均流速接近1.0 m/s，最大流速可達(dá)1.5 m/s;航道走向順應(yīng)深槽，與水流夾角較小，航道沿程橫流并不明顯，口外航道段以淺段區(qū)橫流相對(duì)略大，但最大橫流流速亦小于0.5 m/s;港池口門附近受落潮歸槽水流集中影響，橫流相對(duì)較大，大潮期橫流流速為0.6 m/s～0.7 m/s左右，港池內(nèi)碼頭區(qū)域最大橫流不足0.2 m/s;二、三港池均為有掩護(hù)港域，其泥沙淤積主要以懸沙落淤為主;規(guī)劃港區(qū)口門附近則受淺灘落潮歸槽流攜沙和堤頭局部沖刷泥沙的直接影響;淺區(qū)段航道由于相對(duì)挖深大，且受腰沙淺灘落潮歸槽水?dāng)y沙的影響;網(wǎng)倉洪水道內(nèi)因自然水深較大，海床泥沙活動(dòng)性弱，航道淤積主要為懸沙落淤。

圖3專門給出了10萬噸級(jí)與20萬噸級(jí)網(wǎng)倉洪航道回淤沿程分布圖，從中可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)網(wǎng)倉洪航道由10萬噸級(jí)升至20萬噸級(jí)時(shí)，港內(nèi)淤積強(qiáng)度自港池根部向口門區(qū)附近逐步增大，二港池內(nèi)淤積強(qiáng)度0.1 m/a～0.4 m/a，港內(nèi)淤積強(qiáng)度在三港池近口門區(qū)段迅速增加，口門內(nèi)外兩側(cè)共4 km范圍內(nèi)淤積強(qiáng)度超過2.5 m/a，局部最大淤積強(qiáng)度近3.5 m/a，淺段區(qū)航道淤積強(qiáng)度1.4 m/a～1.6 m/a，網(wǎng)倉洪深槽的外航道段年淤積強(qiáng)度僅0.1 m/a～0.2 m/a;雖然二港池淤積強(qiáng)度并不大，但港內(nèi)開挖面積寬闊，年淤積總量也可達(dá)240萬m3，三港池是港池航道沿程淤積最為嚴(yán)重的部位，淤積強(qiáng)度和淤積總量均較大，年淤積總量近1 260萬m3，港池段內(nèi)航道年淤積量約290萬m3;口外航道開挖區(qū)范圍相對(duì)較小，淤積總量小于港內(nèi)，外航道淤積量約580萬m3;網(wǎng)倉洪10萬噸級(jí)航道的港池航道年淤積總量近2 080萬m3;網(wǎng)倉洪20萬噸級(jí)航道的淤積分布與10萬噸級(jí)航道一致，沿程淤積強(qiáng)度較10萬噸級(jí)航道大0.1 m～0.3 m;網(wǎng)倉洪20萬噸級(jí)航道的外航道年淤積量1 050萬方，三港池段內(nèi)航道年淤積量約350萬m3，港池航道年淤積總量近2 800萬m3。

4 數(shù)值驗(yàn)證

為了驗(yàn)證10萬噸級(jí)與20萬噸級(jí)網(wǎng)倉洪航道引起的泥沙淤積變化準(zhǔn)確性，專門利用數(shù)學(xué)模型對(duì)該港區(qū)進(jìn)行數(shù)值仿真。圖4給出了依據(jù)數(shù)學(xué)模型與物理模型的港區(qū)泥沙淤積強(qiáng)度沿程分布結(jié)果，從中可看出：相較于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，物理模型得出的港池航道淤積總量大250～300萬m3;兩者確定的港內(nèi)淤積量差異較小，物模試驗(yàn)中近口門段的港內(nèi)淤積較集中，港池根部淤積強(qiáng)度較小，這主要是歸槽水流攜沙及堤頭沖刷泥沙影響的敏感性差異造成的;物模試驗(yàn)得出的規(guī)劃港池口門外三沙洪及淺段區(qū)航道的淤積大于相應(yīng)的數(shù)模結(jié)果，這主要是因?yàn)槲锬Ｔ囼?yàn)?zāi)芨娴胤从碀q潮期落淤于南堤外側(cè)腰沙淺灘的泥沙隨落潮沿堤水流歸槽的持續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)過程對(duì)航道淤積的影響。

5 航道等級(jí)提升可行性評(píng)價(jià)

通過上述物理試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析可知，10萬噸級(jí)與20萬噸級(jí)網(wǎng)倉洪航道引起的泥沙淤積強(qiáng)度大部分區(qū)域基本相同，僅港池口門附近區(qū)域差異較大，即20萬噸級(jí)規(guī)劃航道淤積強(qiáng)度遠(yuǎn)大于10萬噸級(jí)規(guī)劃航道。由于規(guī)劃港區(qū)口門僅及腰沙中部，受腰沙落潮歸槽尤其是沿堤刷灘水流攜沙歸槽的影響，港口口門附近淤積強(qiáng)度明顯較大，而冷家沙中段的北堤雖也存在阻水挑流影響，但挑流方向均由三沙洪向北，堤頭沖刷的泥沙也主要向北運(yùn)移，對(duì)口門區(qū)航道淤積無直接影響。綜上所述，建議以解決刷灘水流攜沙問題優(yōu)化規(guī)劃港區(qū)口門。

6 結(jié)論

（1）本次模型試驗(yàn)?zāi)康氖菑牧鲌雠c泥沙淤積角度出發(fā)探索等級(jí)提升后的網(wǎng)倉洪航道分布，以及其對(duì)港區(qū)流場與淤積的影響。

（2）網(wǎng)倉洪20萬噸級(jí)航道僅是在原規(guī)劃10萬噸級(jí)航道基礎(chǔ)上拓寬增深，對(duì)通洲灣“兩沙三槽”及工程附近海域流場和泥沙沖淤的影響與規(guī)劃10萬噸級(jí)航道基本一致，僅港口口門附近淤積強(qiáng)度較大，建議優(yōu)化規(guī)劃港區(qū)口門的淤積問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸培東.南通港通州灣港區(qū)網(wǎng)倉洪20萬噸級(jí)航道規(guī)劃方案專題研究[R].南京水利科學(xué)研究院，2019，10.

[2]章志，宋曉村，邱宇，等.江蘇沿海灘涂資源開發(fā)利用研究[J].海洋開發(fā)與管理，2015，32（3）：45-49.

[3]羅鋒，常曼，宋曉村，等.江蘇沿海灘涂開發(fā)利用對(duì)策研究[J].水利經(jīng)濟(jì)，2016，34（4）：1-4.

[4]常曼，羅鋒，章志，等.通州灣港口戰(zhàn)略開發(fā)需求[J].中國港灣建設(shè)，2017，37（4）：20-24.