新洋港闸下港道适宜断面与平衡流量

龚 瑜,陆 倩,严 飞,张长宽

(1.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092; 2.河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏 南京 210098)

新洋港闸下港道适宜断面与平衡流量

龚 瑜1,陆 倩1,严 飞1,张长宽2

(1.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092; 2.河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏 南京 210098)

在总结前人关于新洋港闸冲淤平衡流量研究成果的基础上,分析了自建闸至2012年新洋港闸下港道的冲淤情势和一般规律。基于2008—2012年港道冲淤和水情资料,采用相关性分析方法,重点分析了下泄径流对闸下港道的冲淤效果。结果表明:为了维持港道冲淤平衡,闸门不宜长期关闭,非汛期不排水天数占总天数的比例不宜高于42%;径流和潮流对水流输沙能力共同产生作用,径流条件可以改善港道内的涨落潮不平衡输沙现象;较弱的落潮流只能携带泥沙下泄7～9 km,长时间大流量开闸有利于港道稳定;当港道达到冲淤平衡时,日均下泄径流量Q与港道平均断面积A之间符合Q=0.13A的定量关系;在目前港道形态下,港道健康运行的适宜断面积约为664 m2,其冲淤平衡日均下泄径流量约为86 m3/s。

闸下淤积;港道冲淤;平衡流量;适宜断面;入海河口;新洋港闸

20世纪50年代,我国在沿海大部分中小入海河口建立了挡潮闸。挡潮闸修建后,在发挥御卤蓄淡、防潮抗台、防洪排涝等功能的同时,也带来了严重的泥沙淤积问题,尤其在海向来沙的淤泥质淤长型海岸,闸下港道普遍处于较严重的淤积状态。虽然经过长期的治理,但闸下淤积问题与防洪、航运和农业生产要求的矛盾仍十分突出[1-3]。

影响闸下冲淤的因素众多,对于我国淤泥质淤积海岸段,目前一般认为海相来沙是闸下淤积的主要沙源,潮波变形是闸下淤积的动力特征,涨落潮不平衡输沙是闸下淤积的基本模式,而径流是维持河床生命的动力[4-7]。目前关于闸下淤积定性的研究较多,而定量的研究较少。本文以江苏沿海北部新洋港闸下港道为例,基于2008—2012年实测地形及水文资料统计分析,研究闸下港道适宜断面与平衡流量,为闸下河口治理提供依据。

关于新洋港闸的冲淤平衡径流量,前人已有不少研究成果。罗肇森等[8]通过分析新洋港多年实测泄水量与闸下河段变化的资料,得出下泄径流量1.9 亿m3/月可以保持闸下冲淤平衡,大于此流量时河床冲刷,小于此流量时河床淤积。朱国贤等[9]根据新洋港闸下港道历年汛期冲淤统计资料,提出6—9月排水量小于10亿m3时闸下河段基本处于上冲下淤状态,大于10亿m3时闸下河段呈全线冲刷状态。刘建东[10]提出5月至次年4月新洋港闸下港道清淤标准,下泄径流量与汛前河床容积关系如下:①丰水年(P≤20%),年径流量27.5亿m3以上,汛前港道河床容积在570万m3以上;②平水年(P=50%),年径流量20亿m3,汛前港道河床容积410万m3;③枯水年(P≥70%),年径流量17亿m3以下,汛前港道河床容积360万m3以下。刘凌等[11]在输沙水量与其影响因素关系的基础上,建立了最经济冲淤保港生态需水量计算方程,预测新洋港年最经济冲淤保港生态需水量为2.33亿m3。江苏沿海闸下港道淤积综合治理研究项目组[12]根据挡潮闸闸孔净宽计算的新洋港月冲淤保港水量为1.1亿m3(高值),根据管理单位的工程实践经验分析得出月冲淤保港水量为0.55亿m3(低值)。可以看出,以往研究得出的平衡流量差异较大,年平衡下泄水量最小为2.33亿m3,最大近28亿m3。

1 闸下港道冲淤情势

新洋港闸工程建成于1957年5月,距离海口17.5 km,设计日均流量485 m3/s,是苏北里下河地区排洪涝的第二大通道,担负着里下河地区约25%的排涝任务,排涝面积2 765 km2。

新洋港闸位于苏北盐城市境内,地处苏北淤长型淤泥质潮滩,周边海相沙源丰富,泥沙颗粒细且结构松散,易随潮流发生悬扬和输移,上游流域属于苏北滨海平原,流域来水几乎不含泥沙。港闸工程建成后,改变了河口地区水沙动力条件,控制了径流下泄,阻挡了潮流上溯,加剧了港道内潮波变形,产生不平衡输沙,造成闸下淤积,使港道断面积减小,排灌环境恶化,港道疏浚维护投入不断增加[13-15]。

1957—2012年新洋港闸下港道汛前、汛后平均断面积和年排水量变化如图1所示。1957年建闸初,港道平均断面积1 841 m2,1961年汛前急速回淤至747m2,为建闸初面积的41%,此后淤积速率逐渐趋缓;2012年汛后闸下港道平均断面积617 m2,为建闸初面积的34%。为了治理闸下淤积,新洋港闸下港道实施了河道整治、裁弯取直、机船拖淤、水力冲淤等清淤保港措施[2,10,16]。1972—2003年间,新洋港河道历经了8次较大规模的河道整治工程,整治工程均在非汛期实施,累计开挖土方3 683.75万m3;1970年冬至1971年春、1991年冬至1992年春,闸下港道实施了两次裁弯取直工程,港闸排水能力和港道断面积迅速增大,但很快又恢复到裁弯前的状态;1965年新洋港闸下开展了机船拖淤试验,此后每遇大旱或偏旱年,闸下港道即采取机船拖淤与水力冲淤相结合的清淤措施。经过长期的冲淤演变和淤积治理,近年来闸下港道较为顺直,港道断面积随下泄径流的增大逐步增大,港道自身的平衡状态逐渐形成。2008—2012年闸下港道没有采取清淤措施[17],闸下港道平面形态见图2。

图1 1957—2012年新洋港闸下港道汛前、汛后平均断面积和年排水量变化

2 下泄径流与港道冲淤一般规律

新洋港闸修建之前,上游有水即排,建闸之后,上游下泄径流受到控制。统计1960—2012年新洋港闸年排水量,进行频率分析,选取枯水年1995年、丰水年2003年、平水年2008年作为3个典型年,分析典型年内新洋港闸的开闸排水过程。典型年逐月排水量和开闸排水天数见表1,可以看出,丰水年排水量大,枯水年排水量小,丰水年2003年的排水量是枯水年1995年的2.2倍;汛期(6—10月)排水量大,非汛期排水量小,1995年、2003年、2008年汛期排水量占全年排水量的比例分别为67%、72%、75%;汛期几乎每天开闸放水,非汛期开闸排水天数少(枯水年非汛期开闸冲淤除外),某些月份几乎不开闸。

闸下冲淤的发展过程,实际上是河道的边界条件及来水来沙条件发生改变后,闸下港道河床的自身调整过程[18]。由图1可见,新洋港闸下泄径流与港道冲淤规律之间有着密切的联系。丰水年和汛期,为了排涝,过闸流量大且连续开闸,港道通常表现为冲刷;枯水年和非汛期,为了蓄水灌溉,过闸流量小且经常关闸,港道常表现为淤积。1965年、1991年、1998年、2003年、2006年等丰水年,港道平均断面积较前一年增大;1966年、1978年、1979年、1994年、1995年、1997年等枯水年,港道平均断面积较前一年减小;汛后港道平均断面积较同年汛前增大,次年汛前又减小。

图2 新洋港闸下港道平面形态及2008—2012年测量断面布置示意图表1 典型年逐月排水量和开闸天数

月份排水量/亿m3开闸天数/d枯水年(1995年)丰水年(2003年)平水年(2008年)枯水年(1995年)丰水年(2003年)平水年(2008年)10 891 940 261217220 450 600 4188330 391 2401124040 240 8101020050 760 430 351610460 350 672 991292172 1813 432 8531312182 645 235 0829313193 314 862 72303027101 433 383 29282729110 752 822 63142727121 412 842 03242319

闸下港道整体呈现丰水年偏冲、枯水年偏淤,汛期冲刷、非汛期淤积的规律。但这种情况也并不绝对,如果汛期下泄的径流量小于河床的平衡流量,河床会发生淤积;如果非汛期下泄的径流量大于河床的平衡流量,河床也会冲刷。

3 下泄径流对闸下港道冲淤效果分析

3.1 非汛期闸门运用与港道冲淤关系

新洋港建闸前,港道内涨落潮流速过程基本对称,建闸后,尤其在非汛期闸门关闭期间,近闸河段的潮波由前进波变为驻波,潮波变形使涨潮历时缩短,落潮历时延长,涨潮流速大于落潮流速,涨潮携带的沙量大于落潮冲走的沙量,造成闸下淤积,且建闸后闸下港道纳潮量减小,落潮平均流量(包括闸下泄径流量)减小,港道易发生严重淤积[2,4]。

2008—2012年非汛期港道冲淤量与不排水天数占总天数比例的关系如图3所示,其中负值表示淤积,正值表示冲刷。冲淤量与不排水天数占总天数比例呈负相关关系(n=5,在0.01的显著水平上,临界相关系数r0.01=0.959)。不排水天数占总天数的比例越大,港道淤积量越大。因此,要维持非汛期新洋港闸下港道不发生淤积,不宜长期关闸,不排水天数占总天数比例不应高于42%。

图3 2008—2012年非汛期港道冲淤量与不排水天数占总天数比例关系

3.2 闸下潮差与下泄径流量关系

潮差的大小,可以表征河口潮汐输沙作用的强弱,因此,涨潮期间进入闸下港道的泥沙数量,主要取决于潮差的大小。影响港道潮差大小的因素有外海潮汐特性、港道形态和下泄径流量。在河床形态变化不大的一定时期内,在一定径流条件下,外海潮差越大,闸下潮差也越大;若下泄径流量越大,对闸下潮差的削弱作用则越强,涨潮流挟沙能力沿港道衰减得越快[19-25]。

2012年7—12月新洋港闸下日均潮差 ΔH与日均径流量Qd之间的关系如图4所示,分别拟合了大、中、小潮期间日均潮差与日均径流量之间的关系,指数拟合相关关系良好(在0.01的显著水平上,均大于临界相关系数)。可以看出,径流量越大,闸下潮差越小,涨潮流越受到抑制,则涨潮进沙量越小,同时,落潮流得到加强,则落潮出沙量越大。径流和潮流对水流输沙能力共同产生作用,当下泄径流达到某一量值时,可以使涨落潮进出沙量平衡,甚至使落潮输沙能力大于涨潮输沙能力。

图4 2012年7—12月闸下日均潮差与日均径流量相关曲线

3.3 下泄径流量与港道沿程冲淤强度关系

2012年汛期对新洋港闸下港道沿程cs0～cs19共20个断面进行了5次测量,施测河长10.54 km(图2),测量时间段内下泄径流量和港道冲淤量见表2,4个测量时间段内,闸下港道沿程累计结果均为冲刷,且排水量越大,冲刷量越大。港道沿程每延米日均冲淤量如图5所示,8月1—15日时间段内有连续10 d关闭闸门,排水量很小,虽然港道整体统计结果为冲刷,但闸下3～7 km发生淤积,据此可以推测,若闸门关闭的时间延长,淤积量将增大。

表2 2012年汛期新洋港闸下泄径流量及港道冲淤量

图5 2012年汛期新洋港闸下港道沿程每延米日均冲淤量

由图5还可以得出以下结论:①新洋港闸下港道靠近河口段,冲淤量受排水量的影响较小,该段的冲淤主要受天文潮影响;②近闸河段的冲淤受闸门启闭的影响较大,8月1—15日时间段内,闸门连续关闭10 d,但近闸段冲刷量增加,可能由于闸门关闭,避免了开闸时咸淡水混合的层化效应抑制落潮流对底部沉积物再悬浮的现象[26-27];③由于泥沙在一潮中的移动距离有限,如果悬沙向外海的移动速度为0.5 m/s,那么开闸的4～5 h内,泥沙只能下行7～9 km[28]。8月1—15日时间段内,下泄径流量少,落潮流得不到加强,没有足够的水量将近闸河段掀起的泥沙全部带出港道,导致港道中段发生淤积,因此,长时间大流量开闸有利于将泥沙运出港道。

3.4 汛前港道断面积对汛期径流冲淤的影响

2008—2012年汛期单位水量冲淤量与汛前港道平均断面积相关关系如图6所示,单位水量冲淤量与汛前港道平均断面积基本呈负相关(n=5,在0.01的显著水平上,临界相关系数r0.01=0.959),汛前淤积越严重,港道平均断面积越小,汛期单位水量冲淤效果越好。当单位水量冲淤量为零时,汛前港道平均断面积约664 m2,本文称之为港道健康运行的适宜断面积。

图6 2008—2012年汛期单位水量冲淤量与汛前港道平均断面积相关关系

4 冲淤平衡径流量

由上文的分析可知,在闸下港道形态和口外天文潮汐作用相对稳定的时期内,港道的冲淤主要受下泄径流量、开闸排水天数和汛前港道平均断面积的影响。为了建立新洋港闸下港道径流量与冲淤量之间的定量关系,寻求冲淤平衡径流量,拟合2008—2012年汛期、非汛期日均下泄径流量Q、港道平均断面积A和日均冲淤量ΔV之间的关系如图7所示,表3为实测数据。

图7 2008—2012年汛期、非汛期Q/A与V相关关系

表3 2008—2012年闸下港道冲淤与水情统计

Q/A与V之间呈良好的二次多项式关系(n=9,在0.01的显著水平上,临界相关系数r0.01=0.798)。当V=0时,有Q=0.13A的定量关系。

2008—2012年,港道平均断面积540 m2,为了维持冲淤平衡,日均下泄径流量约70.20 m3/s,即年下泄径流量约22.14亿m3;要使港道达到健康运行的适宜断面积664 m2,并达到冲淤平衡,则日均下泄径流量约86 m3/s,即年下泄径流量约27.22亿m3。

5 结 论

a. 为了维持港道冲淤平衡,闸门不宜长期关闭,非汛期不排水天数占总天数的比例不宜高于42%。

b. 径流和潮流对水流输沙能力共同产生作用,径流条件可以改善港道内的涨落潮不平衡输沙现象。

c. 港道沿程冲淤规律不同,较弱的落潮流只能携带泥沙下泄7～9 km,该段是淤积的重点,长时间大流量开闸有利于港道稳定。

d. 当港道达到冲淤平衡时,日均下泄径流量Q与港道平均断面积A之间符合Q=0.13A的定量关系。

e. 在目前港道形态下,港道健康运行的适宜断面积约为664 m2,其冲淤平衡日均下泄径流量约为86 m3/s。

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Study on appropriate section and balanced flow of channel downstream the Xinyanggang Sluice//

GONG Yu1, LU Qian1, YAN Fei1, ZHANG Changkuan2
(1.ShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute(Group)CompanyLimited,Shanghai200092,China; 2.CollegeofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

This paper summarizes the research achievements on erosion-siltation balanced flow of Xinyanggang Sluice,and analyzes the erosion-siltation conditions and general laws of channel downstream sluice for 2012. Based on the data related to the erosion-siltation and water regime during the period from 2008 to 2012, the effects of discharging runoff on the erosion-siltation of the channel downstream the Xinyanggang Sluice are mainly analyzed with correlation analysis method. The results show that to keep the channel stable, the floodgate is not suitable to be closed for a long time and the ratio of undrained days accounting for total days should be less than 42% in non-flood season. Runoff and tides interact on sediment transport capacity of flow, and the unbalanced sediment transportation at flood and ebb tides in channel can be improved by runoff conditions. Sediment can only be carried 7 to 9 km seaward by weaker ebb currents, so large discharges for long time will be useful for stability of the channel. When the channel reaches the equilibrium state of erosion-siltation, there is a relationship between daily average discharge(Q) and the average cross-section area(A) of the channel(i.e.,Q=0.13A). In the present channel regime, for proper functioning of the channel, the area is approximately 664 m2and the daily average discharge is approximately 86 m3/s.Key words： siltation downstream sluice; erosion-siltation of channel; balanced flow; appropriate section; estuary; Xinyanggang Sluice

国家自然科学基金(51379003,51179067);新世纪优秀人才支持计划(NCET-12-0841)

龚瑜(1971—),男,江苏张家港人,高级工程师,主要从事水利工程设计工作。E-mail:gongyu@smedi.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.04.014

TV147

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1006-7647(2015)04-0059-06

2014-08-25 编辑：熊水斌)