多个大型采砂工程对长江下游局部河段水流条件的影响*

赵 钢，徐 毅，朱 昊，王茂枚，姜 果

(江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017)

河道砂石作为建筑原料，广泛用于建筑基础、吹填造地、堤坝加固等工程。长江中下游江段多为经济发达地区，对砂石原料的需求较大，因而造就了其间隔短、方量大的采砂特点[1]。大规模的采砂可能会改变原有河床结构和水流走势，从而对采砂区所在河道的水流条件、河势稳定及通航安全等产生较大的影响[2]。

为此，国内外众多学者进行了河道采砂影响的研究，早期研究主要通过经验公式进行定性计算，如采用推移质输沙率公式计算采砂后河床演变情况[3]，原型观测[4-5]以及物理模型试验[6-7]等常用的研究手段。近年来，水沙数学模型在采砂工程中应用较为成熟，成为采砂影响的主要研究手段之一[8]。陈甫源等[9]采用一维水流数学模型研究钱塘江进口段采砂对沿程洪水位的影响，结果表明在河口采砂会使上游段洪水位下降，下游段洪水位抬升；李文丹等[10]建立了二维水沙数学模型，发现瓯江口采砂工程实施后，在水流作用下河床做出了相应的调整；Kim等[11]建立了海域内的三维泥沙输运模型，对滨海区采砂后泥沙的扩散和沉积过程开展了研究。

可见，目前对单一采砂工程的影响研究较多[12-14]，但是对于同一河段多个大型采砂区[15]叠加影响还鲜有报道。然而，近年来长江中下游常在同一河段同时进行多个大型采砂工程，相对单个采砂工程，其影响的范围和程度可能更大。此外，由于采砂区之间的相互影响以及叠加效应，工程河段水流条件的变化将更为复杂。本文以长江下游局部河段为例，采用平面二维水流数学模型，探讨多个大型采砂工程对局部河段水流条件的影响。

1 研究区域概况

1.1 河道概况

为探讨多个大型采砂工程实施后对水流条件的影响，研究河段上起江阴鹅鼻嘴，下至长江口北支连兴港以及南支杨林站，由福姜沙汊道、如皋沙群段、通州沙汊道和白茆沙汊道等组成，见图1。福姜沙汊道为稳定性较好的双分汊河道，河道上段顺直单一、下段为向南弯曲，其主流位于北汊。如皋沙群段内沙洲罗列、水流分散，双涧沙及民主沙将福江沙北汊分为如皋沙中汊及浏海沙水道上段，两股水流汇合为浏海沙水道下段。通州沙汊道为多滩分汊河道，营船港以上为通州沙东水道上段、通州沙西水道上段两汊分流的格局，以下为新开沙夹槽、东水道下段、西水道下段及福山水道四汊分流的格局，四股水流汇合后，偏靠南岸进入长江口河段，即北支河段和南支白茆沙河段。北支河段为长江出海的一级汊道，分流比约为5%，是一条以涨潮流占优的河道；白茆沙河段内主流贴南岸经徐六径节点，过白茆小沙后北偏进入白茆沙汊道段，白茆沙南水道一直为主汊。

图1 工程河段河势

1.2 工程概况

近年来，澄通河段及北支进口段实施了一系列河道整治工程，其中铁黄沙整治工程、通州沙西水道整治工程以及新通海沙整治工程采砂方量均达到千万立方以上。本文主要研究采砂对河道水流条件的影响，将整治工程中涉及的采砂工程分为4个采砂区，见图2。采砂区1位于通州沙西水道上中段，长约3.3 km，平均宽约470 m，面积约156万m2，控制开采高程-10 m，平均采深约4.5 m，开采量约568.4万m3；采砂区2位于福山水道，采砂区呈“吕”字形布置，上游段为较宽的矩形，下游段由4个矩形组成，上游疏浚区宽约580 m，长度2.9 km，下游疏浚区宽度约350 m，总长度5.4 km，并微弯向外侧，采砂区面积约372万m2，控制开采高程-12 m，平均采深约6.6 m；采砂区3位于铁黄沙下游左侧，采砂区为不规则多边形，顺水流向长约4.9 km，垂直水流方向平均宽约967 m，采砂区面积约474万m2，控制开采高程-14 m，平均采深约1.7 m；采砂区4位于北支进口段，采砂区呈矩形布置，面积约为260 m2，控制开采高程-9 m，平均采深4.0 m，开采量约1 200万m3。

图2 采砂区及监测点位置

2 模型的建立及验证

2.1 模型计算范围及网格划分

模型计算进口断面为江阴，出口断面北支为连兴港、南支为杨林站。模型采用贴体正交曲线网格，网格布置为873×238，水流方向网格间距40～250 m，垂直水流方向网格间距20～50 m，计算区域范围、监测点位置见图2。

2.2 模型验证

本次模型水动力验证采用洪水期2014-07-28—2014-07-31日和枯水期2014-02-09—2014-02-11共6 d的实测水位、流速、流向资料。潮位验证选定天生港、营船港、望虞河、徐六泾、白茆，崇头、青龙港等7个潮位站的实测潮位过程，流速验证采用计算区域内4条垂线(垂线位置见图2)的实测垂线平均流速过程。验证结果见图3、4，可见模型计算所得潮位以及流速和流向均与实测值吻合较好。

图3 潮位验证

图4 流速、流向验证

3 计算结果

3.1 研究方案

采用多个采砂工程实施方案分析河势影响的叠加效应，方案见表1。工程前为采砂工程均未实施前实测水下地形，采砂实施后的地形为在工程前地形基础上，考虑采砂区开采至各采砂区控制开采高程。为综合分析多个大型采砂工程实施对长江局部河段水流条件的影响，选用2016-08-04—2016-08-06的实测大潮潮位变化过程进行工程影响计算。

表1 计算方案

3.2 对水流条件的影响

3.2.1潮位的变化

潮位变化主要体现的是采砂工程对河段防洪、排涝的影响。为此，本文选取了20个取样点代表采砂区、工程河段近岸及通江口门位置(图5)，进行多个采砂工程前后最高、最低潮位变化分析。

图5 采样点位置

为分析工程潮位变化对河段防洪、排涝的影响，选取模拟期内涨憩和落憩的两个时间点进行工程前后的水位变化分析。不同方案下涨憩和落憩时的水位变化见表2。由表2可见，单一采砂工程实施后，潮位变化主要集中在采砂区附近区域，采砂对工程河段水位影响较小，最大变幅在5 cm以内。方案2实施后，涨憩时刻监测点潮位均有所降低，其中靠近左岸监测点潮位降幅最大，落憩时采砂区附近潮位则有所升高，北支采砂区下游监测点潮位增幅最大；方案3实施后对潮位变化的影响规律与方案2相反，涨憩时潮位增大，落憩减小；方案4采砂量及采砂范围较广，因此工程实施后不论涨憩还是落憩潮位均有所下降。从多个采砂工程实施的叠加影响看，由于工程后涨落潮流路归顺，原分流比较小汊道进流改善，以及节点段前沿浚深后导控作用增强，多个采砂工程的实施并未引起高、低潮位的叠加，而是相互影响起到了削减高、低潮位变幅的作用，因此对工程河段的防洪影响是偏有利的。

表2 各采砂方案下工程前潮位及工程后潮位变化 m

3.2.2流速的变化

选取各水文条件下不同采砂方案实施后工程河段落急时刻垂向平均流速进行分析，流速变化按照v2-v1进行计算(v1表示工程前流速、v2代表工程后流速)。

方案2实施后对流速的影响主要集中在采砂区附近和北支进口段(图6)，对澄通河段流速影响很小。方案2实施对改善北支进口段水流动力条件相对有利，由于采砂后流量变化很小，采砂区附近过水断面面积增加，所以采砂区内流速以减小为主，变幅为-0.20～-0.02 m/s；采砂区下游北支进口段左侧较大范围落急流速增大明显。

图6 落急时刻方案2实施后流速变化分布

方案3采砂后流速变化分布见图7。模拟结果表明，工程实施后涨落急流速变化的总体情况为：铁黄沙下游采砂区和福山水道采砂区内流速均以减小为主，变化范围为-0.20～-0.05 m/s；铁黄沙下游采砂区附近局部流速有小幅增加。总体来看方案3实施后，采砂区附近涨落潮流速均有所减小，对其他河段流速影响很小。

图7 落急时刻方案3实施后流速变化分布

方案4实施后模拟结果表明(图8)，工程实施后西水道采砂区内及附近流速变化较为明显，采砂后浏海沙水道中段右缘老海坝险工段流速变化很小。横港沙右缘枯季大潮流速有所减小，变化范围-0.02～-0.01 m/s，变化幅度很小，对横港沙沙尾稳定及通州沙汊道进流条件影响很小。此外，通州沙左缘流速有一定幅度减小，右缘流速有一定幅度增加，滩面流速以减小为主，但变化幅度均很小，总体来看有利于保持通州沙左缘和滩面的稳定。狼山沙左缘附近流速增加约0.01～0.02 m/s，增加幅度很小，方案4实施对其稳定影响很小。

图8 落急时刻方案4实施后流速变化分布

方案5实施后，即多个采砂工程同时实施后流速变化较单一，工程实施方案影响范围变大，但变化幅度无明显变化，浏海沙中段右缘老海坝险工段涨急流速影响很小，横港沙右缘及沙尾涨急流速以减小为主，通州沙西水道涨急流速仍有所增大，变化范围为-0.05～-0.01 m/s，总体上与方案4一致，见图9。通州沙下段左缘及狼山沙附近流速有所增大，增大幅度为0.01～0.02 m/s，铁黄沙下游采砂区内局部流速增大较为明显，增大0.02～0.05 m/s。新开沙夹槽附近流速无明显变化，福山水道流速仍以减小为主，北支进口段变化趋势与单一工程基本一致。可见，多项采砂工程同时实施对研究河段流速变化叠加影响较小。

图9 落急时刻方案5实施后流速变化分布

3.2.3分流比变化

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，为分析工程的实施对河道分流比的影响，在河道各汊道段共布设12个断面(图10)。

图10 采样断面位置

工程实施前后各汊道分流比变化量为各方案下工程后分流比减去工程前分流比的差，结果见表3。由表3可知，如皋沙群汊道段主流走浏海沙水道，如皋中汊分流比约为28%，浏海沙水道分流比约为70%。营船港以上为通州沙东水道上段、通州沙西水道上段两汊分流的格局，通州沙东水道分流比约为90%，为主汊；营船港以下为新开沙夹槽、狼山沙东水道、狼山沙西水道及福山水道四汊分流的格局，狼山沙东水道分流比约为60%。白茆沙汊道段为白茆沙南、北两汊分流格局，白茆沙南水道为主汊，分流比约为70%。北支西起崇明岛头，为涨潮流占优势的河段，落潮分流比不足5%。不同方案工程后分流比总体变化幅度较小，分流比变化最大值发生在落潮时刻，分流比变化较为明显的主要是通州沙汊道段。

表3 各采砂方案下工程前分流比及工程后分流比变化 %

为与单一工程实施方案相比，分析多项采砂工程同时实施对汊道分流比的叠加效应，本文定义分流比叠加影响指数SI，用对数相对差异率表示，计算公式[16]如下：

SI=ln(Cm/Ci)×100%

(1)

式中：SI为叠加影响指数；Ci为第i种单一工程方案断面分流比；Cm为多项工程同时实施方案断面分流比。

SI>0，表示多个采砂工程同时实施后相对单一工程断面分流比增加；SI<0，表示多个采砂工程同时实施后相对单一工程断面分流比减小。SI的绝对值越大，表明与单一工程相比，多项工程同时实施对汊道分流比的叠加影响越大；反之，多项工程同时实施对汊道分流比的叠加影响越小。

对比方案4，方案5对通州沙东水道涨潮分流比的叠加影响指数为0.3%，落潮分流比叠加影响指数为0.05%，说明与方案4相比，多项工程同时实施后分流比变化略有增大，但变化幅度较小，对通州沙东水道分流比的叠加影响很小，也表明方案2和方案3的实施对方案4造成分流比变化的附加影响很小。方案5对通州沙西水道涨潮分流比的叠加影响指数为-0.5%，落潮分流比叠加影响指数为0.3%，说明与方案4相比，多项工程同时实施时通州沙西水道涨潮分流比有所减小，但变化幅度较小，对通州沙西水道分流比的叠加影响较小。方案5对通州沙滩面涨潮分流比的叠加影响指数为-1.8%，可见相比方案4，多个采砂工程同时实施反而有利于减小通州沙滩面涨潮分流比，对通州沙沙体稳定较为有利。

与方案2、3、4相比，方案5实施后狼山沙西水道涨潮分流比叠加影响指数分别为3.9%、4.3%、-0.1%，可以看出狼山沙西水道受多个采砂工程的叠加影响较大，其中方案4和方案5工程后狼山沙西水道分流比之间的相对差异较小，说明方案4通州沙西水道采砂工程的实施是引起狼山沙西水道分流比变化的决定性因素，方案2和方案3对狼山沙西水道分流比的附加影响相对较小。对比方案5对狼山沙东水道的叠加影响指数均很小，表明多个采砂工程同时实施对狼山沙东水道分流比的叠加影响很小。

4 结语

1)基于平面二维水流数学模型针对长江下游局部河段多个采砂工程对水流条件叠加影响开展研究，经过实测潮位、流速以及流向的验证，结果表明该模型能可靠应用于模拟采砂河段水流运动规律。

2)单一采砂工程对流速的影响主要在采砂区附近，其中通州沙西水道采砂工程对流速影响最大；多个采砂工程同时实施反而削减了单个工程导致的潮位及流速变幅，对工程沿线河段的防洪排涝没有明显不利影响。

3)单个工程实施后，落潮分流比变化大于涨潮分流比变化，多个采砂工程的实施对河段分流格局的叠加影响较小。通州沙汊道进口段分流比受叠加效应影响最大。

4)本文研究了多个采砂工程对长江局部河段水流条件影响的叠加效应，为工程后续河势监测提供了指导。