长江澄通河段通州沙西水道整治工程对分流比影响研究

张 玮，倪 兵，陈乾阳

（河海大学港口海岸与近海工程学院, 南京210098）

为充分利用长江澄通河段通州沙西水道岸线资源，拟进行通州沙西水道整治工程。鉴于工程规模较大，将在一定程度上改变通州沙水道的汊道分流比，进而影响本河段的河势稳定和深水航道的正常维护，需要进行科学的研究和论证。

通州沙水道位于长江潮汐河口段，其水沙运动、河床演变历来受到人们的关注，先后开展了大量的研究工作。谭伦武等采用二维数学模型研究了通州沙水道洲滩关键控制工程的方案，并预测了工程后的演变规律［1］；夏云峰等结合水流泥沙运动特性，探讨了三沙（福姜沙、通州沙、白茆沙）河床演变的主要影响因素以及对航道的影响［2］；姜宁林等利用实测资料，探讨了通州沙河床演变的基本规律，为通州沙河段的治理提供了理论依据［3］。对于分汊河道来说，分流比是反映汊道兴衰变化的重要水动力学指标［4］。影响汊道分流比变化的主要因素有上游主泓的摆动、汊道形态、汊道阻力和河槽容积等［5-6］。规划中的通州沙西水道整治工程包括边滩圈围工程、通州沙潜堤工程、西水道疏浚工程等，工程实施后将改变通州沙水道的汊道形态、汊道阻力、河槽容积等，影响汊道分流比，进而影响本河段的河床演变。因此，开展通州沙西水道整治工程对于分流比影响的研究是非常必要的。

本文在掌握澄通河段多年水文、河床地形资料的基础上，通过建立大范围一、二维耦合潮流数学模型，针对不同的径流条件和工程方案，就通州沙西水道整治工程对汊道分流比的影响进行深入研究，研究结果可供类似工程参考。

1 河段概况及工程方案介绍

澄通河段地处长江下游河口段（图1），上起鹅鼻咀，下至徐六泾，全长87 km。既受上游径流的影响，又受长江口潮流上溯的作用，水动力条件复杂，河道形态呈现多样性。从平面形态可分为福姜沙汊道段、如皋沙群段、通州沙水道段。通州沙河段分为东西水道，两汊长度相近。自1948 年通州沙东水道成为主汊以来，过水断面不断扩大，分流比也不断增加，到1995 年时达到最大，约为96.1%，以后有所减小，特别是1998 年大洪水以后，分流比呈下降趋势，2005 年至今落潮分流比基本稳定在90%左右［7］。

为增加长江沿岸深水岸线资源，拟进行通州沙西水道整治工程建设，工程主要分为3 个部分（图2）。

（1）南岸边滩圈围工程，共有7 个围区，总长度31.57 km，整治线沿-2.0 m（85 国家高程基面，下同）等深线布置。

（2）通州沙潜堤工程，潜堤顶高程1.0 m，总长13.132 km，其中，通州沙头部左缘潜堤长约3.0 km；沙体右缘潜堤长10.132 km。

（3）西水道中上段航道疏浚工程，范围为通沙汽渡至七干河口，长约20 km，正常维护底高-12.4 m，竣工时底高为-15.0 m，边坡1：10。

2 潮流数学模型建立及验证

为尽量减小整治工程对模型边界的影响，同时满足不同水文条件的计算要求，特建立大范围潮流数学模型，模型范围上起安徽大通，下至南支杨林、北支青龙港。采用一维和二维耦合技术建立数学模型，安徽大通至江苏禄安洲洲尾河段采用一维模型，以下河段采用二维模型。

2.1 一维潮流数学模型

在一维模型中，采用Saint-Venant 方程组作为控制方程，其连续方程和运动方程为

式中：x、t 分别为距离和时间的坐标；A 为过水断面面积；Q 为流量；h 为水位；q 为旁侧入流的流量；C 为谢才系数；R 为水力半径；α 为动量校正系数；g 为重力加速度。

2.2 二维潮流数学模型

2.2.1 基本控制方程

（1）连续方程

（2）运动方程

式中：x、y 为直角坐标系坐标；t 为时间变量；η 为波面高程；d 为静水水深；h=η+d 为总水深；u、v 为x、y 方向上的流速；pa为大气压强；ρ 为水流密度；ρ0为水密度的参考；S 为点源处流量的大小；g 为重力加速度；us、vs为点源的流速；τsx、τsy、τbx、τby为x、y 方向上的表面风速和底部应力；f 为科氏参数（f=2ωsinφ，ω 为地球旋转角速度，φ 为纬度）；Txy、Tyy为横向应力。

2.2.2 定解条件

（1）边界条件

数学模型通常使用开边界（水边）和闭边界（岸边）两种边界条件。对于开边界，采用潮位过程

进行控制。对于闭边界则根据不可入原理，取法向流速为0，即

拟建工程河段岸滩条件复杂，边滩淹没和露滩频繁，为了合理模拟水流运动，模型闭边界采用干湿判别的动边界。

（2）初始条件

计算开始时，整个计算区域内各点的水位、流速值就是计算的初始条件，即

一般情况下初值都是通过估算给出的，与实际值并不一致，不过，经过一定时间以后，即使初值有一定的误差，在计算过程中也将会随着时间而逐渐消失。

2.3 模型验证

为使所建立的耦合潮流数学模型能较好地模拟水流的实际运动情况，需对模型进行率定和验证，确定其中的计算参数。以往，曾分别利用2004～2008 年多次实测水文资料对于该模型进行率定，本次研究中，结合最新地形和实测资料，选用长江下游三沙河段2011 年10 月进行的最新水文测验数据进行验证［8］，经验证，计算结果与实测资料吻合较好。

3 整治工程影响分析

3.1 方案计算情况

考虑到工程河段位于长江口潮流区，受上游径流和下游潮汐的共同作用，动力条件复杂［9］，为了更全面的研究分析西水道整治工程的影响，本文选择3 种径流条件所对应的大潮进行研究［10］，分别为中水大潮（大通流量为21 000 m3/s）、枯季大潮（大通流量为14 000 m3/s）、洪季大潮（大通流量为51 500 m3/s），同时考虑5种整治工程方案组合，详见（表1）。

表1 计算方案Tab.1 Calculation cases

在进行通州沙西水道整治工程前后分流比变化分析时，主要设置两个分流比计算断面，任港—五干河断面和狼山沙东水道—狼山沙西水道断面，分别代表通州沙河段的上游进口断面和下游出口断面，其中，任港代表通州沙东水道进口断面，五干河代表通州沙西水道进口断面，断面布置详见图1。

3.2 计算结果及分析

根据本河段历年潮流实测资料［11］，一个月中，潮流对本河段河床演变作用较大的时间是在大潮涨落急期间，而涨急历时仅占全月总历时5.5%，落急历时则占50%左右，落潮流对河床演变起主要作用，因此，以下将着重分析落潮分流比变化情况。

不同径流条件下，通州沙西水道整治工程前后落潮分流比计算结果详见表2。结果表明，影响通州沙东西水道分流比的主要因素包括：南岸圈围工程和潜堤工程、西水道航道疏浚工程、上游径流流量、不同断面位置等。具体分析如下。

（1）边滩圈围和潜堤工程影响。

如果仅仅实施南岸边滩圈围和通州沙潜堤工程，将增加西水道的阻力，减少西水道落潮分流比。表3 给出了不同径流条件下进口断面圈围和潜堤工程前后落潮分流比结果，可以看出，3 种径流条件下，五干河断面的落潮分流比将有所减少，减幅达到7.4%～9.5%。

（2）西水道航道疏浚工程影响。

表2 不同径流量下各方案落潮分流比Tab.2 Ebb tidal diversion ratios for different runoffs %

西水道疏浚工程将增加其过水断面，进而导致西水道落潮分流比随着疏浚深度的增加而不断增加。由表4 可以看出，3 种径流条件下，方案5（浚深至-15 m 方案）实施后，五干河断面落潮分流比增幅达4.2%～8.0%。而方案3（浚深至-8 m 方案）较工程前分流比改变幅度最小。

（3）不同径流条件影响。

不同大通流量条件下，整治工程对于工程河段分流比影响程度不同，总体呈现上游径流量越小整治工程对东西水道分流比影响程度越明显，上游流量增大时整治工程影响程度有减小趋势。以五干河断面为例，由表4 可以看出，枯、中、洪大潮情况下，工程前的落潮分流比分别为8.8%、10.0%、13.5%，方案5（浚深至-15 m 方案）则依次为16.8%、17.0%、17.7%，工程前后增幅分别为8.0%、7.0%、4.2%。可见，随着上游径流量的增大，工程前后的变幅不断减少。说明，中枯水时工程对于通州沙水道分流比的影响相对较大。

表3 不同径流量下进口断面圈围和潜堤工程前后落潮分流比Tab.3 Diversion ratios for ebb tide at entrance section before and after reclamation and submerged breakwaters under different runoffs %

表4 不同径流量下进口断面疏浚方案工程后落潮分流比Tab.4 Diversion ratios for ebb tide at entrance section after dredging engineering under different runoffs %

（4）不同断面的影响。

通州沙西水道整治工程对不同断面落潮分流比的影响不同，总体而言，对于进口断面影响较大，而对于出口断面影响则相对较小（表5）。以枯季大潮方案5（浚深至-15 m 方案）为例，五干河断面由工程前8.8%增加至16.8%，增加了8.0%，出口处狼山沙西水道由26.3%增加至26.8%，仅增加0.5%。经过仔细分析［11］，五干河断面经边滩圈围和疏浚至-15 m 后，0 m 以下过水面积较工程前增幅达68%，而狼山沙西水道过水断面并未改变，这种变化造成通州沙西水道整治工程对上游分流比影响较大，但对下游影响相对较小。

表5 不同径流量下各断面落潮分流比Tab.5 Ebb tidal diversion ratios for cross sections under different runoffs %

4 结语

（1）应用一二维耦合数学潮流模型，模拟计算了不同径流条件下通州沙西水道整治工程方案实施后工程河段分流比的变化，计算结果表明：边滩圈围和潜堤工程、西水道航道疏浚工程、上游径流条件等是影响通州沙河段东西水道分流比变化的主要因素。

（2）南岸边滩圈围和通州沙潜堤工程将减少西水道过水断面，增加西水道的阻力，减少其落潮分流比。综合3 种径流条件可以看出，边滩圈围和潜堤工程后，五干河断面的落潮分流比减幅达7.4%～9.5%。

（3）西水道疏浚工程将增加过水断面，导致其落潮分流比随着浚深的增加而有所提高。与工程前相比，航道底高程浚深至-15 m 方案实施后，五干河断面落潮分流比增幅达4.2%～8.0%。而航道底高程浚深至-8 m方案较工程前分流比改变幅度最小。

（4）就不同径流条件来说，上游径流量越小整治工程对东西水道分流比影响程度越明显，也就是说，中枯水时整治工程对于通州沙水道分流比的影响相对较大。

（5）整治工程对通州沙水道进口断面分流比影响较大，对出口断面影响则相对较小，航道底高程浚深至-15 m 方案实施后，五干河断面由工程前8.8%增加至16.8%，增加了8.0%，出口处狼山沙西水道由26.3%增加至26.8%，仅增加0.5%，与进口端西水道过水断面增加较多、狼山沙水道断面则未改变有关。

（6）综合以上结果，可以看出：整治工程后通州沙河段分流比的改变程度主要取决于西水道的疏浚深度，因此，为维持本河段河势稳定，应慎重选择西水道的疏浚尺度。

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