长江口白茆沙河段航道整治方案初步研究

孔令双，王 巍，顾峰峰，戚定满，赵德招

（上海河口海岸科学研究中心，上海201201）

长江口白茆沙河段为江心洲分汊河型。历史上该河段河床演变以老白茆沙北移并靠崇明岛，新白茆沙再次产生为主要变化特征。经历了百余年的变迁，1990年后的十多年间，白茆沙南、北水道10 m深槽均全线畅通，南支上段形成两汊并存的江心洲优良河势格局。但自1998年和1999年长江大洪水之后，白茆沙河段发生了一系列不利变化，如白茆沙沙头持续后退、沙尾上提、沙体缩小，沙体总体稳定性较差；北水道进口段淤浅，南水道冲刷发展，白茆沙南、北水道“南强北弱”态势仍在持续发展等。这些不利变化已经影响到深水航道的稳定。有必要采取有效的工程治理措施，稳定并改善白茆沙河段现状条件。本文从长江口白茆沙河段河势分析入手，提出工程治理方案，利用数学模型模拟计算方案前后该河段动力变化，分析整治方案的有效性。

1 长江口白茆沙河段河势分析

1.1 河势特点

白茆沙河段上起白茆口，下至七丫口，河段全长23 km。该河段属于江心洲分汊河型，长期保持两汊并存、白茆沙南北水道“南强北弱”的相对稳定局面。白茆沙南水道顺直，与南支下段主槽顺直连接，且涨落潮流路基本一致，水流较为顺畅。白茆沙北水道呈微弯河型，现弯顶处于崇头至新建闸之间，流路相对较长。

白茆沙河段河宽较大，受涨、落潮流路分歧的影响，江中发育有白茆沙。1998年和1999年长江大洪水以后，该河段局部河势出现了一系列的不利变化，即白茆沙沙头冲刷后退、沙尾上提、沙体缩小；白茆沙北水道进口段淤浅，白茆沙南水道冲刷发展，白茆沙南、北水道“南强北弱”态势仍在持续发展等。这些变化既在一定程度上影响了白茆沙南、北水道的水量分配格局，也影响了下游河势的稳定。

1998年和1999年大洪水以后，进入白茆沙南水道的水流增强，南水道上口冲深扩大，此后进口段不断展宽冲深，南水道由此得到发展。加之北支水沙倒灌及北水道出口涨潮流的影响，北水道进、出口水深变浅，呈逐步萎缩态势。

近十年来，白茆沙北水道总体处于淤积状态，其中进口段明显淤浅，其上、下口10 m深槽已经出现中断；南水道则明显冲刷发展，其10 m深槽总体有所展宽，但12.5 m深槽的平面形态总体变化不大。

综上所述，近十年来，白茆沙沙头冲刷后退，沙尾上提，沙体缩小，滩面漫滩水流有所发展。可见，白茆沙总体仍处于不稳定状态，由此也影响了白茆沙南、北水道的深槽稳定性［1-4］。

1.2 存在的问题

对白茆沙河段河势进行分析，总结出该河段不利航道发展的问题如下［4］：（1）水道宽度：南水道12.5 m深槽紧贴南岸，沿岸码头与规划航道水域共用，航宽略显不足；（2）沙体稳定性：白茆沙沙头冲刷后退、沙尾上提、沙体缩小；（3）水道进口条件：北支泥沙倒灌，白茆沙北水道进口段淤浅；（4）白茆沙下沙体受冲，南北水道“南强北弱”态势仍在持续发展；（5）南水道进口段河宽较大，主流仍有摆幅空间，航道水深不够稳定。

1.3 解决问题的思路和目标

通过前面的河势分析，得到该河段的整治目标为［4］：（1）维持白茆沙南北水道两汊并存、南水道为主汊的江心洲分汊河势格局，稳定和改善白茆沙南水道航道条件；（2）适当调整白茆沙南、北水道的分流条件，遏制其“南强北弱”态势，以免对下游河段河势的稳定产生不利影响。

整治思路为稳固白茆沙河段江心洲分汊河型，稳定和改善白茆沙南、北水道航道条件。采用护滩工程，固守沙头，稳定沙体，适当增强南北水道动力条件；依靠南侧落潮动力的增强冲刷沙体南侧沙包，适当增加沙包处航道宽度，解决南水道深泓紧贴南岸的问题；增加北水道落潮量，对解决南支中段“南淤北冲”有利。

根据长江口区域河床演变特点和航道治理工程的实践经验，护滩工程平面布置建议采用鱼嘴形式，方案平面布置见图1。

图1 方案平面布置Fig.1 Plane layout of engineering scheme

2 潮流数学模型

数学模型作为非常有效的手段被广泛地应用于河口动力场的研究［5-6］。本文采用了上海河口海岸科学研究中心自主研发的“长江口航道维护管理核心计算平台SWEM2D/3D”中的二维潮流数学模型（国家版权局软著登字第120629号，登记号2008SR33450）。该模型能较好地模拟长江口复杂岸线，且具有物理量守恒、精度和计算效率高等特点，已经应用于多项长江口工程，较为成熟［7］。

2.1 控制方程

式中：CS=0.01～0.2；Δ=（da）1/2，da 为网格控制体面积。

2.2 数值求解方法

采用有限体积法求解上述控制方程，离散方法采用Casulli半隐格式，连续方程中流速梯度项和动量方程中水位梯度项采用θ法，0.5≤θ≤1，本文取θ=0.5；对流项、扩散项和柯氏力项采用显格式；摩阻项采用隐格式。

2.3 计算网格和范围

计算范围主要包括长江大通至徐六泾段及南北支、南北港和南北槽至外海域等较大范围，东西长约600 km，南北宽约600 km（图2）。计算采用的三角形网格约10万个，白茆沙段局部加密网格见图3，其中网格完全贴合建筑物、固壁边界走向。

图2 模型计算范围Fig.2 Computation scope

2.4 计算地形

江阴至通州沙采用2009年3月地形资料，通州沙河段采用2009年5月地形资料，南支、南港和北槽采用2010年2月份地形资料，北支地形采用2007年地形资料，北港上段采用2009年8月地形资料，其余采用2007年8月长江口大范围实测地形资料。

2.5 计算水文条件

上游边界采用大通洪季概化流量40 000 m3/s；下游开边界条件采用2007年8月洪季大潮时水文测验期间的外海潮汐资料；外海边界采用16 个主要分潮的天文潮调和常数（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、U2、V2、T2、L2、2N2、J1、M1、001），天文潮调和常数由东中国海大洋潮波模型计算求得。

2.6 工程边界条件

本方案包括上游新通海沙护滩工程、太仓边滩圈围、新浏河沙护滩及南沙头通道潜堤工程（含护滩南堤延长）、中央沙圈围工程及青草沙水库、长兴岛北沿圈围工程、长兴岛南岸相关企业的圈围（如中船）、长兴潜堤、横沙东滩圈围工程（含五期促淤潜堤）、浦东机场圈围工程、瑞丰沙护滩工程推荐方案、北支整治现状、长江口深水航道治理工程（包括YH101方案、南导堤局部加高等减淤工程）等。上述工程在数学模型计算中作为背景工程考虑。

2.7 计算参数

模型计算步长取5 s，紊动粘滞系数为10 m2/s；曼宁系数随水深的变化而变化，取值函数为0.01+0.01/h，其中h为水深，局部取0.01～0.015。

图3 白茆沙河段局部加密Fig.3 Local mesh encryption of Baimaosha reach

图4 潮位和流速验证点位置Fig.4 Verification points of current velocity and tidal level

图5 洪季大潮潮位验证Fig.5 Tidal level verification of spring tide in flood season

图6 潮位和流速验证Fig.6 Verification of tidal level and current velocity

2.8 模型验证

由于模型计算范围较大，验证点遍布整个计算域，本文仅列出白茆沙河段几个点的验证结果。验证点位置见图4，潮位和流速验证结果见图5和图6。由图5和图6可以看出，白茆沙河段流速和水位计算值与实测结果吻合较好，在此基础上进行的工程方案后动力计算结果是可信的。

图7 方案前后落急流速矢量图Fig.7 Velocity vector diagram of ebb tide before and after the project

3 白茆沙方案潮流场计算

应用二维潮流数学模型，对白茆沙整治方案进行计算，并分析工程方案的实施效果。长江口南支河段落潮流是泥沙搬运的主要动力（图7）。由图7可以看出，白茆沙护滩堤有效地护住了沙体，在落潮动力强的时刻，沙体滩顶流速大幅减小，不仅保护了沙体的完整性，还有所淤涨。由于落潮时漫滩流被阻隔，水流向白茆沙南北水道分流，使得白茆沙南北水道的落潮动力有所增强，增幅为5～20 cm/s。南水道增强的动力可冲蚀南侧沙包，达到工程的预期效果。

本文只对白茆沙方案进行了初步探讨，具体方案的确定还需要对平面布置、高程等做详尽地研究。

4 结论

对长江口白茆沙河段近期河势进行了分析，针对不利于航道发展的几个方面，提出了采用护滩工程，固守白茆沙沙头，稳定白茆沙沙体，适当增强南北水道动力条件的整治方法。利用潮流数学模型，针对提出的整治方案进行了模拟计算，结果表明，白茆沙护滩堤能够有效地护住沙体，保护沙体的完整性，还有望沙体有所淤涨。且使得两水道的落潮动力有所增强，以达到工程的治理效果。

［1］恽才兴.长江河口近期演变基本规律［M］.北京：海洋出版社，2004.

［2］华东师范大学河口海岸研究所，上海河口海岸科学研究中心.长江口南支、南港河段河床演变分析报告［R］.上海：华东师范大学，2007.

［3］徐照明，陈前海.徐六泾节点及白茆沙河段整治方案研究［J］.人民长江，2009，40（13）：3-5.XU Z M，CHEN Q H.Research for Xu Liujing Node and Regulation Scheme of Baimaosha［J］.Yangtze River，2009，40（13）：3-5.

［4］上海河口海岸科学研究中心.长江口南支河床演变分析［R］.上海：上海河口海岸科学研究中心，2010.

［5］许朋柱，毛锐.长江口南支潮流的一个数值模拟［J］.海洋与湖沼，1993，24（1）：109-113.XU P Z，MAO R.One Numerical Simulation of Tidal Flow in the South Channel of the Changjiang Estuary［J］.Oceanologia Et Limnologia Sinica，1993，24（1）：109-113.

［6］于风香，宋志尧，李瑞杰.长江口三维潮流数值计算及动力分析［J］.海洋湖沼通报，2003（3）：14-23.YU F X，SONG Z R，LI R J.A 3-D Hydrodynamical Model for Tidal Current Field of the Yangtze River Estuary［J］.Transactions of Oceanology and Limnology，2003（3）：14-23.

［7］上海河口海岸科学研究中心.长江口航道维护管理核心计算平台报告［R］.上海：上海河口海岸科学研究中心，2007.