江蘇省車軸河感潮河段建閘調(diào)水減淤方案優(yōu)化研究

周成洋 楊嘯宇 王逸飛 繳健

摘要：

針對感潮河段擋潮閘閘下淤積問題，通過實施擋潮閘調(diào)水可以達到減淤目的。為了滿足河床不淤和生態(tài)環(huán)境需水要求，通過構建江蘇省連云港市車軸河閘二維水沙數(shù)學模型，研究了不同調(diào)水方案對于閘下淤積的影響，并進行方案比選。結果表明：保持車軸河河床不淤的日均下泄流量為1.28 m3/s，車軸河生態(tài)環(huán)境需水量為0.88 m3/s，因此保持車軸河不淤的流量可滿足生態(tài)流量要求。在洪季水量充足的情況下，可采取全天閘門常開方案，流量為3.0 m3/s時對下游河床的減淤效果提升顯著。在枯季水量較少時，可采取在漲急時段開閘方案，流量取8.0～18.0 m3/s，相對落急時段開閘方案，漲急時開閘對閘門穩(wěn)定的影響較小且減淤范圍較大。

關 鍵 詞：

擋潮閘； 數(shù)值模擬； 生態(tài)環(huán)境需水； 調(diào)水方案； 感潮河段

中圖法分類號： TV131.2

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.023

0 引 言

感潮河段位于通海河流的下游，受到徑流、潮流共同影響。為了擋鹵蓄淡［1］、防潮抗臺［2］，通常在河口位置或感潮河段修建擋潮閘。在感潮河段修建的擋潮閘由于閘下引河段較長［3］，潮波變形導致閘下淤積嚴重［4］。目前，閘下減淤手段較多，研究表明調(diào)水減淤可有效解決閘下淤積問題［5］。調(diào)水減淤是通過制定合理的閘門開閘放水時機與水量，利用有限的水源達到最佳沖淤效果，操作簡單且減淤效果顯著。技術重點在于調(diào)水方案的擬定，包括調(diào)水量、調(diào)水時段等。擋潮閘的閘下調(diào)水減淤方案大多通過現(xiàn)場試驗和管理經(jīng)驗［6］擬定，隨著近年來數(shù)學模型手段的發(fā)展與成熟，部分閘下調(diào)水減淤方案采用數(shù)學模型計算比選得到，如鞠彬等［7］采用了水動力-泥沙耦合模型對新洋港的沖淤保港需水量進行計算，研究結果為入海港道的維護治理提供依據(jù)。蔣春祥等［8］采用了一維水流泥沙數(shù)學模型對連云港鹽東控制工程以下感潮河道的非汛期沖淤流量進行了計算。

中國有關生態(tài)環(huán)境需水量的研究始于20世紀70年代末，主要圍繞河流的最小流量問題［9］。21世紀以來，關于生態(tài)環(huán)境需水量的研究趨于成熟，在南水北調(diào)水資源配置、水資源規(guī)劃等方面都將生態(tài)需水供需平衡納入必須考慮的內(nèi)容［10］。羅小勇等［11］建立了長江流域生態(tài)環(huán)境需水計算體系，為確定合適的流域生態(tài)環(huán)境需水量提供理論支持。近年來，水生態(tài)文明建設對河道生態(tài)環(huán)境需水提出更高要求，生態(tài)環(huán)境需水量已受到越來越廣泛的關注與重視［12-13］。因此，擋潮閘開閘調(diào)水不應僅滿足沖淤需要，同時需考慮閘下生態(tài)環(huán)境需水。本文以滿足車軸河河床不淤和生態(tài)環(huán)境需水為基礎，建立車軸河二維水動力-泥沙數(shù)學模型，針對車軸河閘不同的調(diào)水方案進行比選，提出用于洪枯季的調(diào)水減淤方案。研究成果將有助于為感潮河段建閘后采取的減淤措施提供借鑒。

1 研究區(qū)域概況

車軸河位于江蘇省連云港市境內(nèi)，全長44.2 km，地勢西高東低，上游在下車鄉(xiāng)大柴市西側(cè)與鹽河相接，下游在圩豐鎮(zhèn)（南五隊）小灣閘折彎分為兩支，一支從小灣閘至東陬山車軸河閘排水、經(jīng)埒子口入海，另一支從小灣閘至五圖閘和圖西閘排水、經(jīng)埒子口入海，流域面積333 km2（見圖1）。車軸河閘1952年10月至1953年7月興建，主要功能為排澇、擋潮。因閘下埒子河較長，河道斷面較小，年徑流量少，同時閘門控制運行方式不完善，導致閘下引河逐年淤積，閘門無法開啟，加上老閘局部損壞、老化嚴重，影響工程安全進行。江蘇省淮沭新河管理處于2015年啟動車軸河閘除險加固工程，目前已完成。

江蘇省淮沭新河管理處于2017年9月進行了車軸河大潮、小潮水文測驗（見圖2）。結果表明：大潮期間漲潮歷時短于落潮歷時（平均約3.75 h），落潮潮差略小于漲潮潮差。小潮漲潮歷時同樣短于落潮歷時（平均約1.25 h），但漲潮潮差略小于落潮潮差。不論大、小潮，落潮期平均流速均小于漲潮期平均流速。根據(jù)大、小潮各垂線懸移質(zhì)含沙量測定資料，各垂線平均含沙量在0.02～19.85 kg/m3之間，低低潮期附近出現(xiàn)最大值，高高潮期附近出現(xiàn)最小值。

2 調(diào)水方案擬定

2.1 平衡流量

2018～2020年車軸河閘下游3 a間斷面面積變化如表1所示。由表1可知，在目前潮汐動力條件下，各斷面整體上呈淤積減小的趨勢。

在目前閘下游斷面面積變化的情況下，為保持河床不淤，需有與之相適應的平衡流量。羅肇森提出日平均下泄的平衡流量［14］為

Q0=3.03×10－4d0.5T2T132T2LiLr13Q89（1）

式中：d為感潮河段懸移質(zhì)中值粒徑，約0.005 mm；T2為落潮歷時，T2=28 800 s；T1為漲潮歷時，T2/T1=1.88；Li為理論潮波長度，Lr為河口閘實際至?？诘拈L度，Li/Lr=12；Q為落潮平均流量，約15 m3/s。經(jīng)計算，若保持河床不淤，日平均下泄平衡流量約為1.28 m3/s。

2.2 生態(tài)環(huán)境需水量

綜合考慮車軸河排澇、灌溉作用，建立車軸河生態(tài)環(huán)境需水量模型，生態(tài)環(huán)境需水量計算公式如下：

W=Wzf+Wsl+Max（Wjl，Wzj，Wjg）（2）

式中：W為生態(tài)環(huán)境需水量，m3；Wzf為河流蒸發(fā)需水量，m3；Wsl為河流滲漏需水量，m3；Wjl為河流生態(tài)基流量，m3；Wzj為河流稀釋自凈需水量，m3；Wjg為滿足景觀效應需水量，m3。

在各分項進行計算時，由于各分項之間存在交叉，簡單加和將使計算結果存在較大誤差。為此，本文采用求最大值的方法來解決重復計算的問題［15］。

2.2.1 河流蒸發(fā)需水量

河流蒸發(fā)需水量是指為維持河流水量平衡，用于補充河流水面蒸發(fā)損失的水量，與當?shù)貧鉁亍饬鞯忍卣饔嘘P。本文結合河道水面條件、氣象特征，采用下式簡化計算：

Wzf=KzfA（3）

式中：Kzf為所在地年均蒸發(fā)系數(shù)，mm/a；A為河道水面面積，m2。

長江流域為中國蒸發(fā)量相對低值區(qū)，蒸發(fā)量在900～1 600 mm/a之間。車軸河流域水體面積約216萬m2，蒸發(fā)需水約194.4萬～345.6萬m3/a。由此得出車軸河蒸發(fā)需水量約為0.06～0.011 m3/s，本文取0.09 m3/s。

2.2.2 河流滲漏需水量

河流滲漏需水量是指為維持河流水量平衡，用于補充河流滲漏損失的水量?？紤]車軸河長期不開閘，以保持河床不淤時的日平均下泄流量1.28 m3/s作為河流多年平均流量，則車軸河全流域多年平均水量為4 031萬m3/a。按流域滲漏量取全流域多年水量的1.5％計，車軸河流域滲漏量為60.5萬m3/a，即車軸河滲漏需水量約為0.02 m3/s。

2.2.3 河流生態(tài)基流量

河流生態(tài)基流量是指保證河流生態(tài)系統(tǒng)平衡的最小流量。常用的計算河流生態(tài)基流量的方法有Tennant法［16］、濕周法［17］等，本文采用Tennant法。該方法根據(jù)河道流量和棲息地環(huán)境質(zhì)量關系提出，可通過折算年平均流量的百分比得到，在國內(nèi)外應用廣泛［18］。同樣取車軸河多年平均徑流量為日平均下泄平衡流量1.28 m3/s。由于車軸河以防洪、擋潮為主，生態(tài)風險高，按較高的標準選取平均流量百分比，豐水期取60％，枯水期取40％，得到車軸河生態(tài)基流量計算結果如表2所示。

2.2.4 河流稀釋自凈需水量

河流稀釋自凈需水量是指保證河道稀釋自凈所需的最小流量。針對一般河流，可將近10 a最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量作為河流自凈用水［19］。考慮車軸河閘現(xiàn)狀常年關閉，最枯月流量基本為0，故不考慮河流稀釋自凈需水。

2.2.5 滿足景觀效應需水量

考慮車軸河閘現(xiàn)狀常年關閉，河道附近多為農(nóng)田，故不考慮景觀效應需水。

根據(jù)以上分析，得到車軸河生態(tài)環(huán)境需水量計算結果如表3所示，最大生態(tài)環(huán)境需水量為0.88 m3/s?？梢姳３趾哟膊挥贂r的日平均下泄流量足以滿足生態(tài)環(huán)境需求。

2.3 調(diào)水方案擬定

針對車軸河閘采取徑流減淤為主的措施。根據(jù)不同的開閘流量、開閘時段，制定多種調(diào)水方案（表4），并利用構建的模型對各方案進行模擬計算。

結合保持河床不淤時日平均下泄平衡流量1.28 m3/s，分別選取流量0，0.5，1.0，2.0，3.0 m3/s和 4.0 m3/s作為全天時段開閘的不同流量方案對比。選取漲急時段和落急時段開閘，作為分時段開閘方案對比，每時段選取4 h。為保證全天下泄水量相同，流量選取為全天時段開閘時最優(yōu)調(diào)度方案流量的6倍。

大模型外海邊界條件由東中國海計算得到，為局部模型提供下游水位邊界條件。局部模型上游采用流量邊界條件，由于缺乏含沙量的測站資料，根據(jù)沿程測點測驗期間所得垂線懸移質(zhì)含沙量測定資料設置，本文按照中潮期間平均含沙量0.3 kg/m3設置。初始水位為平均水位，流速為0.1 m/s，含沙量為0.3 kg/m3。模型充分考慮閘下泥沙運動規(guī)律，建立浮泥挾沙能力公式以及浮泥層沉積、再懸浮模型模擬閘段淤積［20］。根據(jù)河道資料率定糙率，采用 n=0.020～0.045。

3.2 模型驗證

驗證資料選擇車軸河閘下游5個潮位站和1條垂線實測資料，以及車軸河閘下游斷面實測沖淤量資料（見圖4）。由圖5可以看出，潮位計算值與實測資料吻合較好，高低潮基本一致，潮位值誤差在3 cm以內(nèi)（見圖5（a）～（c））。流速、流向計算值與實測資料的偏差基本在5%以內(nèi)，最大流速偏差稍大（見圖5（d）～（e））。含沙量計算值整體與實測資料的偏差在5%以內(nèi)，部分點位偏差稍大（見圖5（f））。河床間隔和累計沖淤計算量與實測資料偏差均在8%以內(nèi)（見表5），模擬河床斷面和實測斷面符合性較好（見圖6），限于篇幅，只給部分驗證結果。驗證結果滿足JTJ/T 232-98《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術規(guī)程》要求，模型能夠較好地模擬工程河段水流傳播過程和水流運動規(guī)律。

3.3 調(diào)度方案優(yōu)化

3.3.1 全天開閘調(diào)度方案比選

通過比選車軸河閘在全天開閘的調(diào)度方案，分析開閘條件下河床淤積情況，重點研究車軸河閘下游沿特征線方向至分汊口之間350 m范圍的淤積厚度（見圖7）。

全天開閘條件下，沿特征線方向淤積厚度見圖8。由圖8可以看出，當車軸河閘呈關閉狀態(tài)時（即流量為0），整體上淤積厚度從車軸河閘沿特征線向河道分汊口逐漸增大，淤積厚度在2～8 mm之間變化，最大淤積厚度出現(xiàn)在8號點處，約為7.3 mm。閘門開啟放水時的淤厚變化規(guī)律與閘門關閉時基本相同。當流量為0.5 m3/s或1.0 m3/s時，離閘較近區(qū)域（特征點1～3）淤積厚度明顯減小，在3號點以外的區(qū)域淤積厚度變化不明顯，部分區(qū)域甚至有增加。當流量為2.0 m3/s，淤積厚度相比閘門關閉時顯著減小，且減淤效果的影響距離增大，在8號點后淤積厚度與流量為0.5 m3/s或1.0 m3/s基本一致，最大淤厚仍為7 mm左右。當流量為3.0 m3/s和4.0 m3/s時，淤積厚度沿特征線方向基本一致，相較于流量為2.0 m3/s時有明顯減小。

考慮到?jīng)_淤效率以及放水經(jīng)濟性，在洪季水量充足的情況下，選擇全天開閘保持3.0 m3/s的下泄流量為最優(yōu)調(diào)度方案。該流量大于保持河床不淤的日均下泄流量，得出的保持河床不淤流量的研究范圍為整個河段，即閘門至?？诘木嚯x，而本次方案數(shù)學模型計算的重點關注范圍是閘下游350 m內(nèi)的沖淤情況。對于河床而言，沖淤平衡考慮的河段長度不同，其上游的下泄流量也不同。

3.3.2 分時段開閘調(diào)度方案比選

進一步分析開閘時段對淤積厚度的影響，為保持1 d內(nèi)流向下游的水量一致，分時段開閘取流量為18.0 m3/s，選擇漲急時段和落急時段2種時段。

分時段開閘條件下，沿特征線方向淤積厚度見圖9。由圖9可以看出，相較于閘門關閉條件下，兩種方案開閘均顯著降低淤積厚度。但在靠近閘門（特征點1～2）處均會使閘下游發(fā)生沖刷，對閘門穩(wěn)定造成不利影響，最大淤積厚度出現(xiàn)在8號點處，分別為4.0 mm和4.7 mm。兩時段對比發(fā)現(xiàn)，漲急時段開閘時沖刷相對較小，且沿特征線方向的淤積厚度分布較為均勻，對下游河床淤積的影響范圍相對更大。落急時段開閘對閘下沖刷影響較大，在下游處更易發(fā)生淤積?？紤]到閘門穩(wěn)定性和沖刷效果，在枯季水量較少的情況下，漲急時段開閘為更優(yōu)的調(diào)度方案，此時的開閘流量建議選擇小于18.0 m3/s。同時，考慮到河床淤積問題，下泄流量應不小于保持河床不淤的日均下泄流量的6倍，近似為8.0 m3/s。

4 結 論

（1） 根據(jù)車軸河閘下游的斷面面積，計算得到的保持河床不淤的日均下泄流量為1.28 m3/s?；诖肆髁?，綜合考慮車軸河的排澇、灌溉作用，計算得到生態(tài)流量為0.88 m3/s。可見保持河床不淤的日均下泄流量即可滿足生態(tài)要求。

（2） 分析了全天不同流量開閘對車軸河閘下游淤積的影響。開閘時的淤積厚度相對閘門關閉時減小。當流量小于等于3.0 m3/s時，減淤效果和范圍隨流量增大而增加。當流量達到4.0 m3/s時，淤積厚度沿特征線方向與流量為3.0 m3/s基本一致。

（3） 分析了分時段相同流量開閘對車軸河閘下游淤積的影響。兩種方案在靠近閘門處均會對閘下造成沖刷，其中，漲急時段開閘時對閘下沖刷相對較弱，且沿特征線方向的淤積厚度分布較為均勻，減淤影響距離相對更大。

（4） 對比不同方案，為達到最佳的沖淤效果和經(jīng)濟目的，可在洪季水量充足的情況下采取全天流量為3.0 m3/s的閘門常開方案；在枯季水量較少的情況下采取在漲急時段開閘，綜合考慮閘下穩(wěn)定和河床淤積問題，枯季下泄流量應取8.0～18.0 m3/s。兩種方案均可同時滿足閘下減淤和生態(tài)環(huán)境需水的要求。

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（編輯：李 慧）

Optimization study on schemes to reduce downstream deposition by operation of sluice in tidal reach of Chezhou River，Jiangsu Province

ZHOU Chengyang1，YANG Xiaoyu2，WANG Yifei2，JIAO Jian2

（1.Jiangsu Huaishuxin River Management Office，Huai′an 223005，China； 2.Port and Navigation Channel Sediment Transport Lab.，MOT，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

Abstract：

The deposition under tidal sluice can be reduced by discharging water from the sluice.By constructing a two-dimensional hydro-sediment mathematical model for the Chezhou River in Lianyungang City of Jiangsu Province，we investigated the impact of different water diversion schemes on sediment deposition at the downstream of the sluice and conducted a comparative analysis on the proposed schemes to meet the requirements of maintaining a deposition-free riverbed and ecological flow demand.The results showed that the daily average discharge to keep the riverbed from depositing was 1.28 m3/s，and eco-environmental flow demand was 0.88m3/s.Therefore，the daily average discharge could meet the ecological demand.During the period of abundant flow in flood season，a constant gate opening scheme with a discharge rate of 3.0 m3/s significantly improved the sediment reduction effect at the downstream.During the period of low flow in the dry season，a whole day opening scheme during the tide rising stage with a discharge from 8.0 to 18.0 m3/s was recommended.Compared to the opening gate during the falling stage，the gate operation scheme in the tide rising stage exhibited minimal impact on gate stability while achieving a larger range of sediment reduction.

Key words：

tidal sluice；numerical simulation；eco-environmental water demand；water diversion scheme；tidal reach