江苏省车轴河感潮河段建闸调水减淤方案优化研究

周成洋 杨啸宇 王逸飞 缴健

摘要：

针对感潮河段挡潮闸闸下淤积问题，通过实施挡潮闸调水可以达到减淤目的。为了满足河床不淤和生态环境需水要求，通过构建江苏省连云港市车轴河闸二维水沙数学模型，研究了不同调水方案对于闸下淤积的影响，并进行方案比选。结果表明：保持车轴河河床不淤的日均下泄流量为1.28 m3/s，车轴河生态环境需水量为0.88 m3/s，因此保持车轴河不淤的流量可满足生态流量要求。在洪季水量充足的情况下，可采取全天闸门常开方案，流量为3.0 m3/s时对下游河床的减淤效果提升显著。在枯季水量较少时，可采取在涨急时段开闸方案，流量取8.0～18.0 m3/s，相对落急时段开闸方案，涨急时开闸对闸门稳定的影响较小且减淤范围较大。

关 键 词：

挡潮闸； 数值模拟； 生态环境需水； 调水方案； 感潮河段

中图法分类号： TV131.2

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.023

0 引 言

感潮河段位于通海河流的下游，受到径流、潮流共同影响。为了挡卤蓄淡［1］、防潮抗台［2］，通常在河口位置或感潮河段修建挡潮闸。在感潮河段修建的挡潮闸由于闸下引河段较长［3］，潮波变形导致闸下淤积严重［4］。目前，闸下减淤手段较多，研究表明调水减淤可有效解决闸下淤积问题［5］。调水减淤是通过制定合理的闸门开闸放水时机与水量，利用有限的水源达到最佳冲淤效果，操作简单且减淤效果显著。技术重点在于调水方案的拟定，包括调水量、调水时段等。挡潮闸的闸下调水减淤方案大多通过现场试验和管理经验［6］拟定，随着近年来数学模型手段的发展与成熟，部分闸下调水减淤方案采用数学模型计算比选得到，如鞠彬等［7］采用了水动力-泥沙耦合模型对新洋港的冲淤保港需水量进行计算，研究结果为入海港道的维护治理提供依据。蒋春祥等［8］采用了一维水流泥沙数学模型对连云港盐东控制工程以下感潮河道的非汛期冲淤流量进行了计算。

中国有关生态环境需水量的研究始于20世纪70年代末，主要围绕河流的最小流量问题［9］。21世纪以来，关于生态环境需水量的研究趋于成熟，在南水北调水资源配置、水资源规划等方面都将生态需水供需平衡纳入必须考虑的内容［10］。罗小勇等［11］建立了长江流域生态环境需水计算体系，为确定合适的流域生态环境需水量提供理论支持。近年来，水生态文明建设对河道生态环境需水提出更高要求，生态环境需水量已受到越来越广泛的关注与重视［12-13］。因此，挡潮闸开闸调水不应仅满足冲淤需要，同时需考虑闸下生态环境需水。本文以满足车轴河河床不淤和生态环境需水为基础，建立车轴河二维水动力-泥沙数学模型，针对车轴河闸不同的调水方案进行比选，提出用于洪枯季的调水减淤方案。研究成果将有助于为感潮河段建闸后采取的减淤措施提供借鉴。

1 研究区域概况

车轴河位于江苏省连云港市境内，全长44.2 km，地势西高东低，上游在下车乡大柴市西侧与盐河相接，下游在圩丰镇（南五队）小湾闸折弯分为两支，一支从小湾闸至东陬山车轴河闸排水、经埒子口入海，另一支从小湾闸至五图闸和图西闸排水、经埒子口入海，流域面积333 km2（见图1）。车轴河闸1952年10月至1953年7月兴建，主要功能为排涝、挡潮。因闸下埒子河较长，河道断面较小，年径流量少，同时闸门控制运行方式不完善，导致闸下引河逐年淤积，闸门无法开启，加上老闸局部损坏、老化严重，影响工程安全进行。江苏省淮沭新河管理处于2015年启动车轴河闸除险加固工程，目前已完成。

江苏省淮沭新河管理处于2017年9月进行了车轴河大潮、小潮水文测验（见图2）。结果表明：大潮期间涨潮历时短于落潮历时（平均约3.75 h），落潮潮差略小于涨潮潮差。小潮涨潮历时同样短于落潮历时（平均约1.25 h），但涨潮潮差略小于落潮潮差。不论大、小潮，落潮期平均流速均小于涨潮期平均流速。根据大、小潮各垂线悬移质含沙量测定资料，各垂线平均含沙量在0.02～19.85 kg/m3之间，低低潮期附近出现最大值，高高潮期附近出现最小值。

2 调水方案拟定

2.1 平衡流量

2018～2020年车轴河闸下游3 a间断面面积变化如表1所示。由表1可知，在目前潮汐动力条件下，各断面整体上呈淤积减小的趋势。

在目前闸下游断面面积变化的情况下，为保持河床不淤，需有与之相适应的平衡流量。罗肇森提出日平均下泄的平衡流量［14］为

Q0=3.03×10－4d0.5T2T132T2LiLr13Q89（1）

式中：d为感潮河段悬移质中值粒径，约0.005 mm；T2为落潮历时，T2=28 800 s；T1为涨潮历时，T2/T1=1.88；Li为理论潮波长度，Lr为河口闸实际至海口的长度，Li/Lr=12；Q为落潮平均流量，约15 m3/s。经计算，若保持河床不淤，日平均下泄平衡流量约为1.28 m3/s。

2.2 生态环境需水量

综合考虑车轴河排涝、灌溉作用，建立车轴河生态环境需水量模型，生态环境需水量计算公式如下：

W=Wzf+Wsl+Max（Wjl，Wzj，Wjg）（2）

式中：W为生态环境需水量，m3；Wzf为河流蒸发需水量，m3；Wsl为河流渗漏需水量，m3；Wjl为河流生态基流量，m3；Wzj为河流稀释自净需水量，m3；Wjg为满足景观效应需水量，m3。

在各分项进行计算时，由于各分项之间存在交叉，简单加和将使计算结果存在较大误差。为此，本文采用求最大值的方法來解决重复计算的问题［15］。

2.2.1 河流蒸发需水量

河流蒸发需水量是指为维持河流水量平衡，用于补充河流水面蒸发损失的水量，与当地气温、气流等特征有关。本文结合河道水面条件、气象特征，采用下式简化计算：

Wzf=KzfA（3）

式中：Kzf为所在地年均蒸发系数，mm/a；A为河道水面面积，m2。

长江流域为中国蒸发量相对低值区，蒸发量在900～1 600 mm/a之间。车轴河流域水体面积约216万m2，蒸发需水约194.4万～345.6万m3/a。由此得出车轴河蒸发需水量约为0.06～0.011 m3/s，本文取0.09 m3/s。

2.2.2 河流渗漏需水量

河流渗漏需水量是指为维持河流水量平衡，用于补充河流渗漏损失的水量。考虑车轴河长期不开闸，以保持河床不淤时的日平均下泄流量1.28 m3/s作为河流多年平均流量，则车轴河全流域多年平均水量为4 031万m3/a。按流域渗漏量取全流域多年水量的1.5％计，车轴河流域渗漏量为60.5万m3/a，即车轴河渗漏需水量约为0.02 m3/s。

2.2.3 河流生态基流量

河流生态基流量是指保证河流生态系统平衡的最小流量。常用的计算河流生态基流量的方法有Tennant法［16］、湿周法［17］等，本文采用Tennant法。该方法根据河道流量和栖息地环境质量关系提出，可通过折算年平均流量的百分比得到，在国内外应用广泛［18］。同样取车轴河多年平均径流量为日平均下泄平衡流量1.28 m3/s。由于车轴河以防洪、挡潮为主，生态风险高，按较高的标准选取平均流量百分比，丰水期取60％，枯水期取40％，得到车轴河生态基流量计算结果如表2所示。

2.2.4 河流稀释自净需水量

河流稀释自净需水量是指保证河道稀释自净所需的最小流量。针对一般河流，可将近10 a最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量作为河流自净用水［19］。考虑车轴河闸现状常年关闭，最枯月流量基本为0，故不考虑河流稀释自净需水。

2.2.5 满足景观效应需水量

考虑车轴河闸现状常年关闭，河道附近多为农田，故不考虑景观效应需水。

根据以上分析，得到车轴河生态环境需水量计算结果如表3所示，最大生态环境需水量为0.88 m3/s。可见保持河床不淤时的日平均下泄流量足以满足生态环境需求。

2.3 调水方案拟定

针对车轴河闸采取径流减淤为主的措施。根据不同的开闸流量、开闸时段，制定多种调水方案（表4），并利用构建的模型对各方案进行模拟计算。

结合保持河床不淤时日平均下泄平衡流量1.28 m3/s，分别选取流量0，0.5，1.0，2.0，3.0 m3/s和 4.0 m3/s作为全天时段开闸的不同流量方案对比。选取涨急时段和落急时段开闸，作为分时段开闸方案对比，每时段选取4 h。为保证全天下泄水量相同，流量选取为全天时段开闸时最优调度方案流量的6倍。

大模型外海边界条件由东中国海计算得到，为局部模型提供下游水位边界条件。局部模型上游采用流量边界条件，由于缺乏含沙量的测站资料，根据沿程测点测验期间所得垂线悬移质含沙量测定资料设置，本文按照中潮期间平均含沙量0.3 kg/m3设置。初始水位为平均水位，流速为0.1 m/s，含沙量为0.3 kg/m3。模型充分考虑闸下泥沙运动规律，建立浮泥挟沙能力公式以及浮泥层沉积、再悬浮模型模拟闸段淤积［20］。根据河道资料率定糙率，采用 n=0.020～0.045。

3.2 模型验证

验证资料选择车轴河闸下游5个潮位站和1条垂线实测资料，以及车轴河闸下游断面实测冲淤量资料（见图4）。由图5可以看出，潮位计算值与实测资料吻合较好，高低潮基本一致，潮位值误差在3 cm以内（见图5（a）～（c））。流速、流向计算值与实测资料的偏差基本在5%以内，最大流速偏差稍大（见图5（d）～（e））。含沙量计算值整体与实测资料的偏差在5%以内，部分点位偏差稍大（见图5（f））。河床间隔和累计冲淤计算量与实测资料偏差均在8%以内（见表5），模拟河床断面和实测断面符合性较好（见图6），限于篇幅，只给部分验证结果。验证结果满足JTJ/T 232-98《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》要求，模型能够较好地模拟工程河段水流传播过程和水流运动规律。

3.3 调度方案优化

3.3.1 全天开闸调度方案比选

通过比选车轴河闸在全天开闸的调度方案，分析开闸条件下河床淤积情况，重点研究车轴河闸下游沿特征线方向至分汊口之间350 m范围的淤积厚度（见图7）。

全天开闸条件下，沿特征线方向淤积厚度见图8。由图8可以看出，当车轴河闸呈关闭状态時（即流量为0），整体上淤积厚度从车轴河闸沿特征线向河道分汊口逐渐增大，淤积厚度在2～8 mm之间变化，最大淤积厚度出现在8号点处，约为7.3 mm。闸门开启放水时的淤厚变化规律与闸门关闭时基本相同。当流量为0.5 m3/s或1.0 m3/s时，离闸较近区域（特征点1～3）淤积厚度明显减小，在3号点以外的区域淤积厚度变化不明显，部分区域甚至有增加。当流量为2.0 m3/s，淤积厚度相比闸门关闭时显著减小，且减淤效果的影响距离增大，在8号点后淤积厚度与流量为0.5 m3/s或1.0 m3/s基本一致，最大淤厚仍为7 mm左右。当流量为3.0 m3/s和4.0 m3/s时，淤积厚度沿特征线方向基本一致，相较于流量为2.0 m3/s时有明显减小。

考虑到冲淤效率以及放水经济性，在洪季水量充足的情况下，选择全天开闸保持3.0 m3/s的下泄流量为最优调度方案。该流量大于保持河床不淤的日均下泄流量，得出的保持河床不淤流量的研究范围为整个河段，即闸门至海口的距离，而本次方案数学模型计算的重点关注范围是闸下游350 m内的冲淤情况。对于河床而言，冲淤平衡考虑的河段长度不同，其上游的下泄流量也不同。

3.3.2 分时段开闸调度方案比选

进一步分析开闸时段对淤积厚度的影响，为保持1 d内流向下游的水量一致，分时段开闸取流量为18.0 m3/s，选择涨急时段和落急时段2种时段。

分时段开闸条件下，沿特征线方向淤积厚度见图9。由图9可以看出，相较于闸门关闭条件下，两种方案开闸均显著降低淤积厚度。但在靠近闸门（特征点1～2）处均会使闸下游发生冲刷，对闸门稳定造成不利影响，最大淤积厚度出现在8号点处，分别为4.0 mm和4.7 mm。两时段对比发现，涨急时段开闸时冲刷相对较小，且沿特征线方向的淤积厚度分布较为均匀，对下游河床淤积的影响范围相对更大。落急时段开闸对闸下冲刷影响较大，在下游处更易发生淤积。考虑到闸门稳定性和冲刷效果，在枯季水量较少的情况下，涨急时段开闸为更优的调度方案，此时的开闸流量建议选择小于18.0 m3/s。同时，考虑到河床淤积问题，下泄流量应不小于保持河床不淤的日均下泄流量的6倍，近似为8.0 m3/s。

4 结 论

（1） 根据车轴河闸下游的断面面积，计算得到的保持河床不淤的日均下泄流量为1.28 m3/s。基于此流量，综合考虑车轴河的排涝、灌溉作用，计算得到生态流量为0.88 m3/s。可见保持河床不淤的日均下泄流量即可满足生态要求。

（2） 分析了全天不同流量开闸对车轴河闸下游淤积的影响。开闸时的淤积厚度相对闸门关闭时减小。当流量小于等于3.0 m3/s时，减淤效果和范围随流量增大而增加。当流量达到4.0 m3/s时，淤积厚度沿特征线方向与流量为3.0 m3/s基本一致。

（3） 分析了分时段相同流量开闸对车轴河闸下游淤积的影响。两种方案在靠近闸门处均会对闸下造成冲刷，其中，涨急时段开闸时对闸下冲刷相对较弱，且沿特征线方向的淤积厚度分布较为均匀，减淤影响距离相对更大。

（4） 对比不同方案，为达到最佳的冲淤效果和经济目的，可在洪季水量充足的情况下采取全天流量为3.0 m3/s的闸门常开方案；在枯季水量较少的情况下采取在涨急时段开闸，综合考虑闸下稳定和河床淤积问题，枯季下泄流量应取8.0～18.0 m3/s。两种方案均可同时满足闸下减淤和生态环境需水的要求。

参考文献：

［1］ 马小雪，杨军，曾春芬，等.江苏沿海四港感潮河段非汛期水沙运动特点初探［J］.人民长江，2014，45（19）：9-12.

［2］ 高祥宇，窦希萍，朱明成.入海河口闸下河道泥沙淤积危害评估研究［J］.海洋工程，2013，31（5）：55-61.

［3］ 何勇，朱昊，邵勇，等.新孟河感潮河段支流口门闸下极限冲刷试验研究［J］.人民长江，2018，49（4）：83-88.

［4］ 徐和兴，徐锡荣.潮汐河口闸下淤积及减淤措施试验研究［J］.河海大学学报（自然科学版），2001（6）：30-35.

［5］ 付桂，李九发，朱钢，等.河口闸下淤积和清淤措施研究综述［J］.海洋湖沼通报，2007（增1）：223-231.

［6］ 孙洪滨，黄敏，曹恒军，等.沿海挡潮闸冲淤减淤调度运用关键技术研究［J］.水利水电技术，2015，46（3）：97-100.

［7］ 鞠彬，杭庆丰，李琼芳，等.新洋港入海港道冲淤保港需水量研究［J］.河海大学学报（自然科学版），2015，43（6）：537-541.

［8］ 蒋春祥，张顺胜，尹飞.连云港市沿海挡潮闸闸下冲淤保港探讨［J］.中国水运（下半月），2012，12（1）：159-160.

［9］ 张代青，高军省.生态环境需水量研究综述［J］.南水北调与水利科技，2006（5）：49-52，64.

［10］ 崔瑛，张强，陈晓宏，等.生态环境需水理论与方法研究进展［J］.湖泊科学，2010，22（4）：465-480.

［11］ 罗小勇，邱凉，涂建峰.长江流域生态环境需水量研究［J］.人民长江，2011，42（18）：77-80，98.

［12］ 赵芬，庞爱萍，李春晖，等.黄河干流与河口湿地生态环境需水研究进展［J］.生态学报，2021，41（15）：6289-6301.

［13］ 王一杰，王发信，王振龙，等.基于NSGA-Ⅲ的水资源多目标优化配置研究：以安徽省泗县为例［J］.人民长江，2021，52（5）：73-77，85.

［14］ 罗肇森，张金善，黄建维，等.我国建闸河口闸下淤积问题及其对策［C］∥中国海洋学会、中国海洋湖沼学会海岸河口分会.第九届全国河口海岸学术研讨会论文（摘要）集.北京：中國海洋学会，2006.

［15］ 郭晓涛，罗佳文，钟良生，等.城市内河黑臭治理补水及环境效益初探［J］.人民长江，2022，53（1）：67-72.

［16］ TENNANT D L.Instream flow regimens for fish，wildlife，recreation，and related environmental resources［J］.Fisheries，1976，1（4）：6-10.

［17］ GIPPEL C J，STEWATDSON M J.Use of wetted perimeter in defining minimum environmental flows［J］.Regulated Rivers-Research& Management，1998，14（1）：53-67.

［18］ 李红清，林国俊，杨寅群，等.厄瓜多尔流域综合规划适宜生态流量研究［J］.人民长江，2017，48（22）：48-52.

［19］ 高伟，李金城，严长安.多水源河流生态补水优化配置模型与应用［J］.人民长江，2020，51（7）：75-81.

［20］ 張新周.建闸河口泥沙淤积问题研究及工程应用［M］.南京：河海大学出版社，2018，79-83.

（编辑：李 慧）

Optimization study on schemes to reduce downstream deposition by operation of sluice in tidal reach of Chezhou River，Jiangsu Province

ZHOU Chengyang1，YANG Xiaoyu2，WANG Yifei2，JIAO Jian2

（1.Jiangsu Huaishuxin River Management Office，Huai′an 223005，China； 2.Port and Navigation Channel Sediment Transport Lab.，MOT，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

Abstract：

The deposition under tidal sluice can be reduced by discharging water from the sluice.By constructing a two-dimensional hydro-sediment mathematical model for the Chezhou River in Lianyungang City of Jiangsu Province，we investigated the impact of different water diversion schemes on sediment deposition at the downstream of the sluice and conducted a comparative analysis on the proposed schemes to meet the requirements of maintaining a deposition-free riverbed and ecological flow demand.The results showed that the daily average discharge to keep the riverbed from depositing was 1.28 m3/s，and eco-environmental flow demand was 0.88m3/s.Therefore，the daily average discharge could meet the ecological demand.During the period of abundant flow in flood season，a constant gate opening scheme with a discharge rate of 3.0 m3/s significantly improved the sediment reduction effect at the downstream.During the period of low flow in the dry season，a whole day opening scheme during the tide rising stage with a discharge from 8.0 to 18.0 m3/s was recommended.Compared to the opening gate during the falling stage，the gate operation scheme in the tide rising stage exhibited minimal impact on gate stability while achieving a larger range of sediment reduction.

Key words：

tidal sluice；numerical simulation；eco-environmental water demand；water diversion scheme；tidal reach