对长江口深水航道治理工程中若干问题的思考

金 ，虞志英，张志林，钱 峰

对长江口深水航道治理工程中若干问题的思考

（1．华东师范大学河口海岸科学研究院，上海 200062；2．长江水利委员会长江口水文水资源勘测局，上海 200136）

长江口深水航道治理工程对南北槽分流口及北槽进行大规模河口整治，至2010年已分别完成了一期、二期和三期工程，使长江口航道水深分别达到8．5，10．0，12．5 m的治理目标。但从二期10 m水深的维护开始，尤其是2006年三期工程开工以来，航道的维护疏浚量（包括三期施工期回淤量）急速上升，且回淤沿航道的分布极不均匀；2009年加长了大部分丁坝，意图提高回淤集中航段的落潮流速，刷低滩面，减轻回淤，但效果不显著。为此，总结长江河口深水航道治理工程实施过程中出现的河口河槽演变若干问题，研究整治建筑物对北槽河槽形态、沿程水沙条件和地形的影响，初步分析造成高回淤量的原因，并从理论和方法上对河口治理工程进行了初步归纳，对长江口综合整治开发具有借鉴意义。

长江口深水航道；中水河槽；河势控制；整治；放宽率；疏浚

1 概 述

长江河口是我国最大河流入海口，水丰沙多为其主要水文特征；三级分汊、四口通海和口门处巨大拦门沙沉积浅滩为其主要地貌特征［1］。目前，长江口潮区界在安徽大通站附近，距口门约600 km；潮流界在江阴附近，距口门约200 km。该段也是长江口河口段所在。长江入海径流多年平均达8 974亿m3，与口门潮量相比约占40%，因此洪水的造床作用不可小视。历史上，长江口河势的重大变化事件均与当年洪水作用相关，如1860年和1870年2次大洪水作用下形成了北港，1949年和1954年大洪水形成了北槽［2］。

长江口又是咸、淡水交汇区，外海入侵的咸水锋面在垂线分布上显示了密度环流形态，并受径流影响，形成了有利于泥沙淤积的环境，促使了河口拦门沙的发育，形成河口浅滩区，此处滩槽泥沙交换频繁，底部泥沙再悬浮，形成河口最大浑浊带所在的高含沙区域，不仅河道宽浅、沙洲汊道交替、河势复杂多变，更是淤积强烈、疏浚困难，成为长江河口入海通道的瓶颈所在。

上世纪末，国家为开发利用和保护长江口水土资源开展科研攻关，1998年长江口深水航道整治工程开始实施（见图1），由此开启了长江口大规模治理的序幕。工程采用了“疏浚、整治和固基”相结合的治理方针。工程分三期，其中一、二期工程以略低于设计工程量如期完成建设项目并稳定维持了通航水深，但从二期10 m水深的维护开始，尤其是2006年三期工程开工以来，航道的维护疏浚量（包括三期施工期回淤量）急速上升，且回淤沿航道的分布极不均匀。为了改善这种不利状况，2009年上半年加长了大部分丁坝，意图提高回淤集中航段的落潮流速、刷低滩面、减轻回淤，但效果不显著。鉴于此，通过河口治理工程的实践，认真研究本项工程的经验并从理论上进行探讨。加深了对长江河口区河势演变规律的认识，从而使长江口的治理目标逐渐成为现实。

2 潮汐河口河槽容积和宽深尺度

潮汐河口的河槽容积和宽深尺度主要取决于潮量，而能否维持长期稳定，径流起着关键的作用，流域来沙的状况也有重要影响。在天然情况下，通常海域的水文、地形、泥沙条件变化相对较小，而河口流域来水来沙条件的变化较为明显，因此河口河槽容积和河床形态较多地受流域来水来沙的影响。径流减少、流域来沙增加或流域来沙细化，均会导致河口河槽断面积的减小及宽深比的增加。

（1）长江流域来水，从长历时看年径流量在某一均值上下波动，但遭遇连续枯水年，河口河槽容积会出现减小的趋势，例如2004，2005，2006年，相当于一组枯水年，其平均径流流量Q0＝25 100 m3／s，为多年平均流量28 500 m3／s的88．1%。按窦国仁平原潮汐河口河相关系［3］以及长江口年平均流量Q0与年平均落潮流量 Qe之间存在大致稳定的比例关系（Q0／Qe≈0．4），可以估算2004－2006年枯水年造成的河槽容积的减小约为11．3%。查阅此期间长江口水深地形测图，南港主槽10 m以下河槽容积2005年11月至2006年11月间缩小了1．38×107m3，减小7．6%；2004年5月至2006年5月期间北槽5 m以下容积减少22%，而南槽增大13%，合计容积减少10%。这与河相关系的估算值似有一致性。

图1 长江口深水航道治理工程所在位置Fig．1 The location of deepwater channel regulation project at Yangtze estuary

（2）河口处流域来沙减少和粒径细化导致河口河槽容积的冲刷扩大以及滨海岸线的侵蚀内移。2001－2007年大通站年均输沙量为1．92亿t，为1953－2000年年均输沙量4．34亿t的44．2%；1987－2005年悬沙平均d50＝0．009 mm，而1976－1985年平均d50为0．026 mm，亦有明显细化趋势。三峡水库蓄水之后，库下游河床冲刷并向下游传递。2004年、2005年、2006年3年宜昌－大通累计（输沙率法）冲刷2．35亿t。

河口内的冲刷主要反映在河口上段，包括主槽冲刷和江中沙洲的冲刷，据华东师大河口海岸重点实验室调查，1984年8月至2003年3月，徐六泾－浏河段（河槽面积约400 km2）年均冲刷0．14×108m3／a，其中1999年12月至2003年3月为0．36× 108m3／a，而1978年8月至1984年8月仅为0．03× 108m3／a。江中沙洲的冲刷，例如白茆沙－5 m以上面积，1999－2004年缩小9．1 km2，减少约24．9%；新浏河沙（以及新浏河沙包）5 m以上体积，1991－2000年缩小3 409．6万m3，减少约41．9%；中央沙、青草沙、瑞丰沙等亦有缩减。滨海沙洲虽大多仍有向海淤涨，但低潮位以下岸滩已有侵蚀内移［4］。

（3）河口成对汊道，随着进流进沙条件的变化，一支可能发展而另一支可能萎缩，趋于萎缩的具体标志是落潮流分流比减小，使河槽从落潮槽转化为涨潮槽。北槽河性转化的落潮流分流比阈值，参照1949－1954年北槽开始成形时的分流比，可认为约35%。

从长远看，海域水文泥沙条件也会有变化，例如海平面上升以及海岸带人类活动等，将影响到河口潮量及海域来沙量的变化，从而影响河口河槽容积及宽深尺度。在河口整治和深水航道建设中，需要考虑流域和海域宏观水、沙变化对河口的影响，我们可以把河口这一方面的规划和设计称之为“河相规划或河相设计”。

3 河道平面和断面形态设计

长江口最大浑浊带具有明显的潮致余流特性，咸淡水掺混的斜压效应不起主要作用。因此，长江口整治仍可适用平原冲积河流中水河槽整治的一般原则。长江口的造床流量约为多年平均落潮流量即40 000 m3／s。中水河槽整治的具体要求，包括主流线和断面形态2个方面，即河型要求和断面尺度要求我们可以把河口这一方面的规划设计，称之为“河道的平面及断面形态设计”。

（1）中水河槽的河型要求，即平面形态有3个主要内容：一是要求形成的中水河槽的主流线（或称“动力轴线”）顺直微弯，与上下游主流线顺畅连接，形成稳定的弯直相间的蜿蜒河型；通过建筑物将容易摆动的直段流路导入弯道使之稳定并导入下一直段，起到“以坝固沙护弯，以弯导流”的作用。二是潮波推进有沿程损失，要使单宽流量沿程分布较为均匀，中水河槽在平面上向下游需有一定的放宽率。三是为了容纳弯直相间的中水河槽并满足高水行洪的要求，当采用双导堤约束河槽稳定边界时，应采用宽间距导堤以提供蜿蜒形中水河槽所需的横向空间并确保足够的行洪能力，即所谓的“宽河行洪”。

长江口北槽整治，放宽率外形的形成乃依靠一系列丁坝，丁坝头部水深0 m。以丁坝头部连线形成导治线，导治线宽度B的变化符合以下式表示的放宽形态，即

式中：α为放宽率（10－5·m－1）；x为向下游延伸距离（m）。

不同的放宽率，北槽的流场调整结果不同，系列的数值模拟结果与一期工程完成时的流场相比，二期工程不同丁坝长度或放宽率下的北槽航道内外流速增量见图2。显然，对北槽上段（1＃－5＃区段）而言，导治线放宽率的减小导致流速的降低，而对北槽下段（5＃－11＃区段），作用相反。

图2 北槽放宽率与平均落急流速增幅之间的关系Fig．2 The relationship between the w idening rate of the North Passage and the am plification of the averagemaximum ebb velocity

（2）中水河槽断面形态的要求，是希望通过整治形成较小的断面宽深比。一系列丁坝的布置，不免会增加河槽阻力，但通过减小宽深比仍能在一定的丁坝布置状况下保持所需的输水输沙能力，而河槽总容积维持不变。二期整治建筑物工程实施前，一期（包括完善段）丁坝使北槽落潮分流比下降约10%，但北槽宽深比（－5 m以下）得以减小，N1， N6，N9丁坝断面（示意位置见图1）的值分别从117，24，50，降低为27，21，20，中水位河槽容积基本维持在（3 000～3 100）×106m3。而二期整治建筑物实施后，河槽容积持续下降至目前不足2 800× 106m3，河槽的输水输沙能力下降［5］。

4 河道整治建筑物和疏浚的控制

为了控制深水航道的疏浚维护量，必须通过整治建筑物实现以下目标：①稳定航道所在河段的河势和主流流路；②调整航道所在汊道的流场，达到较为均匀的纵向潮动力分布，避免出现局部高含沙量区段；③调整航道所在汊道的地形，形成稳定、宽深尺度较为理想的覆盖航道的连续深泓，减少航槽与附近浅滩的高差；④阻挡浅滩对主槽的泥沙供给，减少横向滩槽泥沙交换对航道回淤的影响。

我们可以把围绕深水航道建设这一方面的规划设计称之为“航道减淤设计”。

（1）稳定所在河段的河势和主流流路，是确保深水航道疏浚能在平面上稳定的自然深泓中进行的必要条件。造成北槽河势和主流流路变易的主要因素为：一是南北槽分流沙洲（江亚南沙）冲刷后退，引起北槽上口进流进沙条件的变化；二是北港与北槽、北槽与南槽通过越滩水流和串沟的水沙交换引起北槽地形发生变化。建造北槽的分流鱼嘴和南、北导堤，主要目的也在于固定江亚南沙和北槽南北边界，堵塞串沟、削弱支汊间的水沙交换以及浅滩风浪掀沙对北槽的泥沙补给。

（2）整治建筑物调整北槽流场，包括两个方面：一方面使北槽从以旋转流为主的流场转变为往复流，主流流向与航道走向基本一致；另一方面，使水流动力的纵向分布相对均匀化，以避免局部区段泥沙的再悬浮过于活跃，从而出现高含沙量尤其是近底高含沙量。关于第二方面，二期工程后情况并不理想，图3至图5为2007年8月大潮实测近底流速和垂线平均含沙量及床沙粒径的纵向（沿程）分布（测验点位见图1），在北槽中段出现了含沙量明显偏大的现象，床沙粒径显著变粗，这对于人工挖槽减淤十分不利。

图3 北槽近底流速沿程分布（2007年8月大潮）Fig．3 The distribution of the velocity near the bottom along the North Passage（Aug．2007，spring tide）

图4 北槽垂线平均含沙量沿程分布（2007年8月大潮）Fig．4 The distribution of the average vertical sediment concentration along the North Passage（Aug．2007，spring tide）

图5 北槽床沙及悬沙d50纵向分布（2008年8月14－17日）Fig．5 The longitudinal distribution ofmedian particle diameter（d50）of the bed material and the suspended sediment（Aug．14 to 17，2008）

（3）一期（包括完善段）工程后，北槽地形得到很大调整，出现了上下贯通、宽深尺度较为均匀且覆盖航道的自然深泓，滩槽高差（以航道边线外100 m处最小水深与航道水深之差代表）较小。在丁坝位置和放宽率一定的情况下，随着丁坝总长度增加，落潮分流比减小，河槽断面形态调整，宽深比减小，主槽容积仍维持不变，而自然深泓扩展；但当丁坝总长度达到某一量值后，主槽容积和自然深泓均趋于减小。由数值模拟给出的关系见图6和图7，可知出现整治效果（以整个北槽自然深泓平均宽度代表）发生转折的丁坝总长度约30 km，即二期工程完成时的丁坝总长度，其相应的落潮分流比约为43%。可以通过自然深泓的尺度定义第二种落潮分流比阈值，即整治效果从好向差转化的临界分流比。

图6 北槽落潮潮量及分流比与丁坝总长度关系Fig．6 The relationship among ebb tidal volume，diversion ratio and the total length of the groins

图7 北槽等深线平均宽度与丁坝总长度关系Fig．7 The relationship between themean w idth of the fathom lines and the total length of the groins

图8为二期工程前后滩槽高差的变化，可知在航道中段，滩槽高差显著增加。W2，W3，W4在航道中的位置见图1。

图8 二期工程前后北槽航道滩槽高差沿程变化Fig．8 The variation of height difference between the shoal and trough along the waterway of the North Passage before and after the second stage of the project

（4）同一汊道内，滩槽组成水沙交换的平面环流系统，使人工航槽获得横向的泥沙补给来源。文献［5］曾指出过这种横向的滩槽泥沙交换对航道回淤可能产生重要影响，但以往缺少定量的计算。近期有一些针对北槽航道开挖后的泥沙通量的计算，例如二维数模，以及三维泥沙数模的初步工作，表明无论是常态条件还是风暴条件下，滩槽泥沙交换导致的北槽中段人工航槽的横向泥沙净通量都不容忽视。

在二期工程完成全部整治建筑物后，开工建设的三期工程进展不快，主要问题是航道中段疏浚回淤严重，航道加深困难，造成这一局面的因素有：该段滩槽高差大、含沙量尤其是近底含沙量高，以及航道轴线与自然深泓轴线有一定偏离。这些都说明二期丁坝对流场和地形的调整尚不理想，综合表现为常态和风暴条件下进入该段航道的泥沙净通量较大。除了整治建筑物因素外，北槽上口的来沙条件的变化也是重要原因之一。由于流域来沙减少，河口内河床演变趋于活跃，加之人工取沙，冲刷下移进入北槽的底沙在2000－2004年期间显著增多，造成北槽进口段和上段滩面抬高，河床阻力加大。2006年起，河口内河床冲刷趋于缓和，北槽上口底沙进沙减少，进口段和上段地形有所冲刷恢复，这一趋势仍将继续，对航道减淤有利。

为了减轻北槽中段航道的回淤，对丁坝布置和南堤高程等进行优化调整是必要的。调整丁坝布置和南堤高程等，将引起流场、滩槽高差、含沙量分布的变化。但对航槽回淤的影响并不都是一致的，例如束窄丁坝段导治线宽度，可以增加流速，降低滩面，但也会带来含沙量的增加，因此要进行综合分析。比较可信的是结合动力地貌调查进行航槽内的三维泥沙通量计算，综合考虑调整工程对河势的影响以及流场、地形、含沙量等对航槽回淤的影响，而不是简单化地从所谓“优势流”来判断流场调整效果和在工程措施上简单化地采用加长丁坝、“束水攻沙”的减淤办法。

5 结 语

要对长江口大的分汊河段进行整治解决河口河床演变和水沙运动规律等重大问题，技术上十分复杂。本文通过对长江口深水航道治理工程中若干问题的探讨，对河口整治的理论、方法取得一定的认识，归纳如下：

（1）通过整治建筑物及北槽，引起北槽分流比和分沙比明显减少。整治工程要注意防止北槽河槽性质向涨潮槽转变，为此，应维持其落潮分流比不低于35%。

（2）整治工程应采用宽间距导堤的布置形式，这是维持北槽落潮槽性质不变的需要，也是提供弯直相间＂蜿蜒＂型中水河槽形态横向空间的需要。

（3）通过疏浚维护的人工河道，要求所在河槽主流稳定上下贯通，有一定宽深尺度的深泓以减小滩槽之间的高差。二期工程的丁坝布置，已使这一自然深泓的宽深尺度达到最大，进一步加长丁坝，将使深泓尺度变小。

（4）整治工程的重要目的之一是调整流场，丁坝布置应形成合理的放宽率以维持北槽纵向较为均匀的水流强度和含沙量，避免对局部区段实施过度“束窄”以提高流速，按照平衡河槽纵向净输沙均匀分布的要求，局部过高的流速会造成相应较高的含沙量和较小的水深，从而增加人工开挖航槽的回淤强度。

（5）在一定的流场、泥沙和地形条件下，航道回淤强度还与疏浚强度有关。加大疏浚强度，有助于降低回淤强度，对航道的风暴骤淤及时进行疏浚扰动驱赶是必须的。一、二期工程的经验表明，施工期回淤量低于建成后的维护强度，疏浚强度的差异是重要原因之一。

［1］ 陈吉余，朱慧芳，董永发，等．长江河口及其水下三角洲的发育［C］∥陈吉余，沈焕庭，恽才兴．长江河口动力过程和地貌演变．上海：上海科学技术出版社，1989：48－62．（CHEN Ji-yu，ZHU Hui-fang，DONG Yong-fa，et al．The Development of the Yangtze Estuary and Its Subaqueous Delta［C］∥CHEN Ji-yu，SHEN Huan-ting，YUN Cai-xing．The Estuary Dynamics and Geomorpholog-ical Evolution．Shanghai：Shanghai Scientific＆Techni-cal Publishers，1989：48－62．（in Chinese））

［2］ 陈吉余．长江河口的自然适应和人工控制［J］．华东师范大学学报——长江河口最大浑浊带和河口锋研究论文选集，1995，（增刊）：1－14．（CHEN Ji-yu．The Natural Adaptation and Manual Control of the Yangtze Es-tuary［J］．Journal of East China Normal University（Nat-ural Science）——The Selected Papers of the Study on the Maximum Turibidity Zone and the Estuarine Front Zone，1995，（Sup．）：1－14．（in Chinese））

［3］ 窦国仁．平原冲积河流及潮汐河口的河床形态［J］．水利学报，1964，（2）：1－13．（DOU Guo-ren．The Bed Form of the Alluvial Streams and the Tidal Delta［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1964，（2）：1－13．（in Chinese））

［4］ 刘 杰．长江口深水航道河床演变与航道回淤研究［D］．上海：华东师范大学，2008．（LIU Jie．The Study of the Bed Evolution and Back Silting in the Yangtze Es-tuary Deepwater Channel［D］．Shanghai：East China Nor-mal University，2008．（in Chinese））

［5］ 张国安，虞志英，何 青，等．长江口深水航道治理一期工程前后泥沙运动特性初步分析［J］．泥沙研究，2003，（6）：33－40．（ZHANG Guo-an，YU Zhi-ying，HE Qing，et al．The Preliminary Analysis of the Sediment Movement Before and After the First Phase of the Yangtze Estuary Deepwater Channel Regulation［J］．Journal of Sediment Research．2003，（6）：33－40．（in Chinese） ）

（编辑：周晓雁）

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2010-01-22

金（1941-），男，江苏苏州人，教授级高级工程师，主要从事河口海岸工程方面的研究，（电话）021-50381563（电子信箱）jinl＠cjkhd．com。