黃浦江上游河床演變分析研究

摘要：黃浦江作為感潮和通航河道，河床演變受到徑流、潮汐和人為因素等多方面影響。為研究黃浦江上游岸灘保護(hù)方案，避免防洪岸線遭受侵蝕，通過(guò)2012年、2015年、2018年和2021年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了河床現(xiàn)狀深槽分布以及歷史平面沖淤、等深線和斷面變化，并基于數(shù)據(jù)分析提出保灘方案。利用三維水動(dòng)力模型計(jì)算分析了歷史洪水工況下的保灘效果。結(jié)果表明：黃浦江上游河床具有一定沖刷趨勢(shì)，最大沖深發(fā)生在2015～2018年間，沖深達(dá)5～6 m；適當(dāng)?shù)谋┛梢宰柚股钽觿?，維持水面高程差不超過(guò)0.1 m，對(duì)航運(yùn)影響較小。研究成果可為黃浦江上游河床岸灘的保護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞：河床演變； 水流動(dòng)力特性； 深泓； 黃浦江

中圖法分類號(hào)：P642.22""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.08.003

文章編號(hào)：1006-0081（2024）08-0021-07

0 引 言

近年來(lái)，黃浦江上游堤防滑坡事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)防洪岸線的完整性存在威脅。為此，專家學(xué)者開(kāi)展了監(jiān)測(cè)和研究。田愛(ài)平［1］對(duì)黃浦江堤防演變及近年水情開(kāi)展了分析，結(jié)果表明黃浦江上游防洪岸線較為薄弱，存在安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。除了對(duì)防汛墻進(jìn)行安全評(píng)估，亟需開(kāi)展水下地形測(cè)量工作，綜合河床演變分析研究岸線防洪能力提升方案。王超等［2］開(kāi)展了宜昌至螺山站河段的河床形態(tài)演變分析，渠庚等［3］則對(duì)長(zhǎng)江下游段鎮(zhèn)揚(yáng)河段演變規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了三峽工程運(yùn)行后長(zhǎng)江中下游河道的深泓產(chǎn)生、甚至凹凸岸互換的演變機(jī)制。除了對(duì)長(zhǎng)江的研究，也有不少學(xué)者對(duì)松花江、黃河口等所處不同地理位置的河床開(kāi)展研究，均表明人類活動(dòng)成為了影響河床演變的主要因素［4-5］。陳維儉等［6］、鄭金海等［7］、駱登強(qiáng)等［8］分別對(duì)黃浦江陸家嘴彎道、吳淞口河段、高橋嘴彎道等開(kāi)展研究，提出航運(yùn)是影響黃浦江河床演變的重要因素。李潔［9］研究認(rèn)為游蕩型河流會(huì)對(duì)河勢(shì)控制與兩岸堤防穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，從而對(duì)防洪體系造成危害，有必要開(kāi)展河床穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。河床穩(wěn)定性評(píng)價(jià)不應(yīng)僅局限于理論，更需要結(jié)合歷史數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)。關(guān)向瓊等［10］研究

認(rèn)為河床沖刷深度的計(jì)算關(guān)系到兩岸堤防基礎(chǔ)埋深的確定，提前預(yù)測(cè)并做好防護(hù)工作，能有效避免堤防滑坡的發(fā)生。練偉航等［11］對(duì)西江下游沙口河段的岸坡塌方進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明出險(xiǎn)源自土體自重和坡內(nèi)滲流。綜上所述，不少學(xué)者從航運(yùn)影響角度開(kāi)展了黃浦江中下游河床演變的研究，而對(duì)于黃浦江上游河床演變?nèi)匀狈ο到y(tǒng)性的分析與研究。借鑒前人的研究成果，可通過(guò)收集歷史數(shù)據(jù)、開(kāi)展現(xiàn)狀測(cè)量等方式分析河床演變趨勢(shì)并開(kāi)展預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)堤岸采取一定的防護(hù)措施來(lái)解決安全隱患。

對(duì)于堤岸沖刷的防護(hù)通常采取保灘措施。保灘工程常見(jiàn)于海塘堤前灘涂，由于徑流與風(fēng)潮作用導(dǎo)致灘涂后退，從而導(dǎo)致海塘存在危險(xiǎn)隱患，危及防汛安全。施震余等［12］基于上海海塘護(hù)岸機(jī)理，總結(jié)了挑流式、緩流式、覆蓋保護(hù)式等保灘類型。浦慶等［13］以鹽城市濱?？h為例，綜合考慮壩身穩(wěn)定和消浪促淤效果，分析不同類型的保灘結(jié)構(gòu)，提出了增加壩腳防護(hù)的方案以提升壩前穩(wěn)定性的建議。海塘岸坡的保護(hù)也對(duì)河床保灘提供了一定的技術(shù)參考。

黃浦江水下地形復(fù)雜多變，一般的理論計(jì)算難以計(jì)算及預(yù)測(cè)其河勢(shì)演變，目前尚缺乏對(duì)河床歷史演變數(shù)據(jù)的分析。本文將基于歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從多維度開(kāi)展黃浦江上游近年河床演變的分析，并設(shè)計(jì)河床岸坡坡腳防護(hù)作為保灘方案，利用三維模型進(jìn)一步分析保灘后的水動(dòng)力情況。

1 黃浦江概況

1.1 歷史背景

黃浦江作為上海的中心河流，承擔(dān)著行洪、排澇、供水等功能，兼具航運(yùn)、旅游、景觀、生態(tài)等綜合性功能。黃浦江水系匯集了太湖、淀泖、杭嘉湖平原河網(wǎng)等來(lái)水，是太湖流域的重要排水通道，見(jiàn)圖1。

歷史上，黃浦江是最早人工修鑿疏浚的河流之一，自上而下由三泖、橫潦涇、瓜涇塘、黃浦江、上海浦、范家浜和吳淞江河口段共同發(fā)育，加之疏浚形成。自戰(zhàn)國(guó)時(shí)期楚令尹黃歇疏浚治理“斷頭河”開(kāi)始，初步形成直通長(zhǎng)江口的黃歇江，也稱黃浦、春申江；到明初時(shí)期夏元吉疏浚范家浜，黃歇江于今復(fù)興島之處轉(zhuǎn)向西北，從吳淞口流入長(zhǎng)江；后經(jīng)數(shù)次疏浚，橫潦涇水北流，河面不斷拓寬，成為了今日的黃浦江。黃浦江原為松江（吳淞江）的支流，隨著時(shí)間推移、河勢(shì)演變，使吳淞江逐漸淤淺，變成黃浦江支流，經(jīng)歷了黃浦奪淞，黃浦江代替吳淞江成為太湖水系的入海干流［14-15］。

1.2 流域背景

黃浦江河床發(fā)生變化與所在流域上下游息息相關(guān)，主要取決于河床特性、水流作用和人為因素。河床特性包括河床質(zhì)組成、河流平面形態(tài)、縱向底坡的斷面形態(tài)、岸壁特性等。水流作用包括徑流、潮汐等。人為因素包括開(kāi)河、疏浚、口門(mén)建閘、通航等多重影響［16］。根據(jù)黃浦江歷史演變規(guī)律和相關(guān)資料，黃浦江水深變化的主要原因如下。

（1） 上游來(lái)水。作為湖源型河流，黃浦江上游來(lái)沙量極少，徑流量近40 a來(lái)一直呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，米市渡水文站實(shí)測(cè)年平均流量約324 m3/s。

（2） 下游來(lái)潮。地處平原趕潮河網(wǎng)，下游來(lái)沙量受長(zhǎng)江口含沙量影響。由于近年來(lái)長(zhǎng)江含沙量減少，黃浦江含沙量亦隨之減少。

（3） 河床特性。黃浦江河床地質(zhì)條件為易沖土質(zhì)。

強(qiáng)勁的落潮流動(dòng)力，含沙量減少的水流，使河床不斷沖刷，黃浦江水深整體呈增加趨勢(shì)。

2 黃浦江上游河床近期演變分析

黃浦江上游干流段河道西起斜塘、園泄涇匯流處的三角渡，東至西荷涇（北岸）、千步?jīng)埽习叮?，除西荷涇至女兒涇段為閔行區(qū)，其余均位于松江區(qū)境內(nèi)。河道全長(zhǎng)約23 km，河面寬251～390 m，河道豎潦涇處呈接近90°的急彎形態(tài)。兩岸共有支流35條，其中北岸21條，南岸14條，支流已全部建閘控制。黃浦江歷史上經(jīng)過(guò)多次流向變遷，直到2000年前后兩岸堤防建成，河道流向逐漸穩(wěn)定［16］。

近年來(lái)，黃浦江上游堤防時(shí)有滑坡事故。2015年，黃浦江上游干流左岸在施工過(guò)程中堤防出現(xiàn)滑坡，墻前泥面線在短期時(shí)間段內(nèi)發(fā)生3～5 m的沖刷變化。2016年，黃浦江上游干流右岸因岸坡沖刷發(fā)生傾倒，傾倒長(zhǎng)度11 m、傾倒高度2 m。2017年，太浦河左岸多處護(hù)岸墻體出現(xiàn)約2～20 cm外傾，堤防底板前覆土被嚴(yán)重淘刷，底板局部脫空。

2.1 深槽分布

根據(jù)2021年黃浦江上游干流段實(shí)測(cè)水下地形資料，黃浦江上游干流段水深地形如圖2所示。由圖2可以看出，上游干流段整體水深約為10 m，局部如三角渡至油墩港段存在長(zhǎng)約1 km、寬約200 m的深槽，最深處河底高程達(dá)-21 m。大泖港處存在長(zhǎng)約1 km、寬約180 m的深槽，深槽靠近南岸，最深處達(dá)-20 m。小橫潦涇和毛竹港附近存在長(zhǎng)約800 m、寬約200 m的深槽，深槽靠近北岸，最深處達(dá)-34 m。紫石涇至南泖涇段存在長(zhǎng)約1 km、寬約100 m的深槽，深槽靠近南岸，最深處達(dá)-20 m。女兒涇附近存在長(zhǎng)約2 km、寬約200 m的深槽，深槽向北岸發(fā)展，最深處達(dá)-20 m。

黃浦江上游河段范圍內(nèi)高程低于-18 m的5處深泓主要分布于河道彎曲處，位置如圖3所示，分別為分水龍王廟泓、三里灣彎道泓、毛竹港彎道泓、楊家角彎道泓、女兒涇泓。5處深弘典型地形斷面見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，深弘處兩岸墻前坡度較陡，墻前泥面高程較低，墻前泥面平臺(tái)較窄，楊家角彎道深弘和女兒涇深弘處，深槽逼岸。

2.2 平面沖淤分析

根據(jù)2012年、2015年、2018年和2021年的實(shí)測(cè)水下地形資料，分析黃浦江上游干流段近10 a平面沖淤變化情況，各年間平面沖淤變化如圖5所示。

（1） 2012～2015年，黃浦江上游干流的上段（三角渡—毛竹港）和下段（北泖涇—千步?jīng)埽┢珱_刷，中段（毛竹港—北泖涇）偏淤積，上段的沖淤幅度大于中段，下段沖淤幅度最小。上段的彎道泓處最大沖刷達(dá)5 m，相對(duì)順直段沖刷幅度基本為1～2 m。中段近岸邊灘的淤積大于河道深槽，近岸淤積幅度為1～4 m。下段在女兒涇彎道深泓處沖深達(dá)3 m，其余沖刷幅度為0～2 m。

（2） 2015～2018年，全段河道偏沖刷。近岸邊灘沖淤幅度大于河道深槽，河道深槽的沖淤變幅為0～2 m，近岸邊灘的沖刷幅度可達(dá)4～5 m，彎道岸段沖刷幅度大于相對(duì)順直岸段，尤其在彎道凹岸邊灘沖刷明顯，最大沖深達(dá)5～6 m。

（3） 2018～2021年，全段河道深槽微淤，淤高基本在0～0.5 m，局部近岸邊灘有沿岸沖刷現(xiàn)象，沖深為1～3 m，女兒涇彎道凹岸有一沖刷坑，沖深可達(dá)4 m。

從近10 a黃浦江上游段平面沖淤變化分析看，2012～2021年，黃浦江上游干流段有沖有淤，上游干流段上段偏微沖，中段和下段基本沖淤平衡，從斷面看邊灘以沖刷為主。上段偏沖刷，河槽沖刷深度在1～2 m，近岸邊灘沖刷深度達(dá)3～5 m；中段有沖有淤，深槽沖淤變幅在-0.5～1.5 m，近岸邊灘沖刷深度在1～2 m，北泖涇附近有約1 km的沖刷坑，沖刷深度達(dá)4 m；下段有沖有淤，深槽沖淤變幅在-0.5～1.5 m，近岸邊灘沖刷深度在1～2 m，局部達(dá)到3～4 m。

總體來(lái)看，近10 a間黃浦江上游干流段總體有沖有淤，其中，彎道段泓處近岸沖刷幅度較大，最大沖深達(dá)6 m，有深槽逼岸趨勢(shì)；相對(duì)順直岸段局部也存在近岸泥面沖刷現(xiàn)象，最大沖深達(dá)5 m，使墻前泥面高程降低，平臺(tái)變窄，存在沖刷失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 等深線變化分析

根據(jù)2012年、2015年、2018年和2021年的實(shí)測(cè)水下地形資料，分析黃浦江上游干流段近10 a的-2 m、-5 m和-10 m等深線變化情況，各年等深線包絡(luò)面積統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

由表1可知，-2 m和-5 m等深線總體呈現(xiàn)包絡(luò)面積波動(dòng)變大趨勢(shì)，說(shuō)明上游干流段近岸邊灘有沖刷變窄、等深線逼岸的趨勢(shì)。-10 m等深線包絡(luò)面積變大，可以判斷-10 m深槽總體上呈現(xiàn)貫通擴(kuò)大趨勢(shì)。由-2 m、-5 m和-10 m等深線分析可知，2012～2021年近10 a間黃浦江上游干流段河道總體穩(wěn)定，有一定的沖刷趨勢(shì)。

近岸泥面等深線總體穩(wěn)定，存在沖刷后退和淤積外移等小幅橫向擺動(dòng)。其中，-2 m和-5 m等深線的相對(duì)順直岸段擺動(dòng)幅度基本不超過(guò)10 m，彎道深泓段擺幅可達(dá)20 m。-10 m等深線存在沖刷后退和淤積外移等小幅橫向擺動(dòng)，相對(duì)順直岸段擺動(dòng)幅度基本不超過(guò)10 m，彎道深泓段擺幅可達(dá)30 m。

2.4 斷面變化分析

為進(jìn)一步分析黃浦江上游干流段河床斷面形態(tài)，沿黃浦江上游河段布設(shè)13個(gè)固定斷面，斷面間距約2 km，斷面分布如圖6所示。13個(gè)斷面（CS1～CS13）變化見(jiàn)圖6～7。這些斷面基本覆蓋了整個(gè)黃浦江上游干流段，能夠反應(yīng)出黃浦江上游干流段河床斷面的大體輪廓。選取若干典型斷面進(jìn)行分析。

（1） 斷面1。斷面呈窄深的“U”形，位于分水龍王廟泓附近，左右邊灘坡度較陡，深槽偏北岸，深槽最深處接近-18 m。斷面北岸略有淤積，南岸及深槽略有沖刷，2012～2021年最大沖深達(dá)2 m（圖7（a））。

（2） 斷面2，3，4。斷面位于分水龍王廟和三里灣彎道泓之間，呈相對(duì)寬淺型，深槽基本維持在-10 m。斷面2北岸最大沖深約1 m（圖7（b）），斷面3南岸最大沖深約0.5 m，斷面4北岸沖深約0.5 m。這3個(gè)斷面深槽略有淤積，兩側(cè)灘坡略有沖刷。

（3） 斷面5。斷面5位于毛竹灣彎道泓兩側(cè)。深槽逼近南岸，兩側(cè)灘坡沖刷，且有深槽沖刷逼岸的趨勢(shì)。2012～2021年，這兩個(gè)斷面岸灘沖深約2 m，深槽向岸逼近約50 m（圖7（c））。

（4） 斷面7。斷面7位于毛竹灣彎道和楊家角彎道之間，斷面呈“T”形，兩岸坡度較陡，深槽基本維持在-15 m，深槽和左右兩岸均有不同程度的沖刷，最大沖深約2 m。2018年以來(lái)基本穩(wěn)定（圖7（d））。

（5） 斷面9。斷面9位于楊家角彎道泓附近，深槽逼近南岸，南岸灘坡較陡深槽高程約為-17 m。該斷面北岸略有淤積，深槽和南岸沖刷，沖淤變幅約1.5 m（圖7（e））。

（6） 斷面10。斷面10位于楊家角彎道和女兒涇泓之間，河道逐漸展寬，斷面相對(duì)較為寬淺，河道底高程約-10～11 m，深槽偏向南岸。該斷面總體較為穩(wěn)定，北岸和深槽略有淤積，南岸沖刷，最大沖淤變幅約1 m（圖7（f））。

（7） 斷面13。斷面13位于千步?jīng)芨浇畈燮蚰习?，底高程約-11 m，該斷面總體較為穩(wěn)定，無(wú)明顯的沖淤變化（圖7（g））。

2.5 河床斷面趨勢(shì)預(yù)測(cè)

黃浦江為開(kāi)敞式航道，通過(guò)近年來(lái)的航道整治工程，通航條件不斷改善，航道走向基本不會(huì)發(fā)生變化。由于黃浦江受潮汐和徑流雙重影響，產(chǎn)生的泥沙淤積與沖刷主要來(lái)自3個(gè)方面：①" 長(zhǎng)江口漲潮流挾帶的泥沙；②" 上游支流航道匯入時(shí)所挾帶的泥沙；③ 在航道水流動(dòng)力作用下，水流對(duì)岸坡產(chǎn)生沖擊，造成岸坡側(cè)泥土（包括破損護(hù)岸后方或未達(dá)標(biāo)護(hù)岸基礎(chǔ)下方的泥土、自然岸坡塌落的泥土）落入河床內(nèi)。

從歷史數(shù)據(jù)分析看，黃浦江上游干流段區(qū)段河床總體有沖有淤，局部岸段沖刷和淤積較為明顯，部分深槽有一定沖刷趨勢(shì)。為保持河床穩(wěn)定、保護(hù)岸線堤防，建議對(duì)河床岸坡坡腳設(shè)置鎮(zhèn)腳恢復(fù)坡面坡比至1∶3，對(duì)沖刷嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行整體保灘，依據(jù)斷面位置分為t1～t7，推薦方案如表2所示。

3 保灘工程對(duì)水流條件的影響

針對(duì)河床沖刷嚴(yán)重區(qū)域的保灘方案開(kāi)展數(shù)值模擬分析。計(jì)算采用基于Boussinesq靜壓假定后的簡(jiǎn)化Navier-Stokes方程，通過(guò)有限體積法求解二維質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程，模擬計(jì)算工程段水流特性。模型地形采用2020年10月實(shí)測(cè)地形資料，模型共布置網(wǎng)格22 058個(gè)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)12 082個(gè)，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為28～36 m。模型根據(jù)“煙花”臺(tái)風(fēng)期間實(shí)測(cè)的水位序列對(duì)模型進(jìn)行率定驗(yàn)證，計(jì)算的米市渡測(cè)站水位值與實(shí)測(cè)值較為接近。

3.1 現(xiàn)狀水動(dòng)力情況

選取典型沖刷斷面位置（t1～t7），開(kāi)展黃浦江上游段現(xiàn)狀水動(dòng)力數(shù)值模擬，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

根據(jù)三維水動(dòng)力計(jì)算顯示，黃浦江干流上游區(qū)域在99百年洪水工況下最大流速（出現(xiàn)在落潮）均值基本為0.31～0.61 m/s，表層流速約0.40～0.77 m/s，中層流速約0.34～0.64 m/s，底層流速約0.16～0.35 m/s。在9711工況下最大流速（出現(xiàn)在漲潮）均值基本為0.37～0.67 m/s，表層流速約048～0.86 m/s，中層約0.40～0.72 m/s，底層約0.19～0.39 m/s。

3.2 保灘方案影響分析

保灘方案的實(shí)施對(duì)黃浦江水動(dòng)力無(wú)明顯影響，總體流速增大、減小幅度不超過(guò)0.06 m/s（圖8）。

經(jīng)數(shù)值模擬論證，保灘方案實(shí)施后，99百年洪水工況和9711工況下，水面高程維持在-0.06～005 m之間，僅在靠近分水龍王廟泓（t1斷面）、毛竹港彎道泓（t3）有0.1 m水面高程差，對(duì)航運(yùn)影響較小。但由于保灘范圍較小，對(duì)黃浦江總體斷面流量無(wú)顯著影響，保灘減小的流量向深槽集中，造成部分典型斷面對(duì)應(yīng)的深槽段水面高程差較大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，保灘實(shí)施后對(duì)航運(yùn)影響較小，有利于岸灘保護(hù)和深槽維護(hù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從黃浦江歷史演變出發(fā)，分析了黃浦江形成到河床穩(wěn)定的過(guò)程。通過(guò)近10 a的河床深槽分布、平面沖淤分析，初步判斷河床演變趨勢(shì)?；诓煌壬罹€面積變化和若干斷面演變分析，判斷河床沖刷典型區(qū)域。根據(jù)典型斷面沖淤情況提出合理的保灘方案，并結(jié)合數(shù)值模擬分析保灘對(duì)黃浦江上游河床演變的影響。計(jì)算結(jié)果表明：保灘方案實(shí)施后，黃浦江干流上游段總體流速無(wú)顯著變化，水面高程差較小。保灘方案實(shí)施后對(duì)航運(yùn)影響較小，有利于岸灘保護(hù)，也有利于深槽維護(hù)。

本文的分析可為黃浦江上游河床岸灘的保護(hù)提供依據(jù)，有利于進(jìn)一步穩(wěn)定河床，避免防洪岸線遭受侵蝕。同時(shí)，研究結(jié)果為通航河道的河床演變和岸灘保護(hù)提供一定的數(shù)據(jù)分析和模擬參考。

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編輯：李 慧

Analysis of riverbed evolution in upper reaches of Huangpu River

LU Wenbin

（Shanghai Administration of Dyke amp; Sluice，Shanghai 200080，China）

Abstract：

As a tidal and navigable river，the riverbed evolution of Huangpu River is affected by many factors，such as runoff，tide and human activites. In order to avoid the shoreline erosion in the upper reaches of Huangpu River，the distribution of deep troughs in the current riverbed，changes of historical scouring and silting，contour lines and cross-sections were analyzed based on measured data of 2012，2015，2018 and 2021，and a beach protection scheme was proposed. The beach protection scheme was calculated by a three-dimensional hydrodynamic model under historical flood conditions. The results showed that the riverbed in the upper reaches of Huangpu River had a slight erosion trend，and the maximum erosion depth occured during 2015 to 2018，reaching to 5 to 6 m. The erosion can be reduced by beach protection，and the surface elevation difference can be controlled within 0.1 m according to simulation. The research can provide a data analysis and reference for the riverbed evolution in the upper reaches of Huangpu River.

Key words：

riverbed evolution； hydrodynamic characteristics； thalweg； Huangpu River

作者簡(jiǎn)介：盧文彬，男，工程師，博士，主要從事水利工程技術(shù)研究及建設(shè)方面的工作。E-mail：275817195@qq.com

引用格式：盧文彬.黃浦江上游河床演變分析研究［J］.水利水電快報(bào)，2024，45（8）：21-27.