通州沙河段西水道航道疏浚尺度選擇研究

倪兵，何瑞，張瑋

（1.安徽省交通科學(xué)研究院，合肥210040；2.河海大學(xué)土木大禹班，南京210098；3.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

通州沙河段西水道航道疏浚尺度選擇研究

倪兵1，何瑞2，張瑋3

（1.安徽省交通科學(xué)研究院，合肥210040；2.河海大學(xué)土木大禹班，南京210098；3.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

通州沙河道分為東西兩水道，是長江下游典型的分汊河道。東水道岸線資源利用幾近飽和，擬通過疏浚等工程措施開發(fā)西水道以增加深水岸線資源，需研究西水道疏浚尺度。首先計算原工程方案實施前后河道分流比；其次，研究在西水道布置單向航道的可行性，計算不同單、雙向航道尺度對于西水道河槽容積和分流比的影響。研究結(jié)果表明：原工程航寬356 m方案對東水道分流比減幅較大；在工程河段布置單向航道辦法可行，航寬180 m時東水道分流比減少0.5%以內(nèi)，可以較好地平衡西水道開發(fā)和東水道保護的矛盾。

潮流數(shù)學(xué)模型；分汊河道整治；航道疏浚；河槽容積；分流比

通州沙西水道是張家港市境內(nèi)長江河道的重要組成部分，近年來，長江主流整體上靠近通州沙東水道，西水道分流比僅在10%左右，對西水道航運發(fā)展造成制約，岸線資源無法開發(fā)利用，擬通過通州沙西水道整治工程改善西水道通航條件。由于整治工程規(guī)模大、涉及內(nèi)容多、施工周期長，其實施是否會削弱通州沙東水道深水航道工程的治理效果，是否會對南通港各港區(qū)和進港航道產(chǎn)生負面影響，均需要經(jīng)過研究后給出答案。分汊河段整治研究歷來較多。張增發(fā)等分析世業(yè)洲汊道近期河床演變情況，提出世業(yè)洲汊道整治對策［1］，通過工程措施限制支汊的分流發(fā)展，進而維護主汊主流地位和主汊長江主航道航行安全。杭建國等分析長江鎮(zhèn)揚河段河勢演變，在采取拋石護岸、潛壩束流等工程治理措施后，改善了暢洲汊道變化劇烈、洲頭崩退、汊道內(nèi)部崩岸現(xiàn)象，和暢洲支汊河勢趨于穩(wěn)定［2］，保障了位于支汊的長江下游主航道的運營安全，通過整治開發(fā)也可以在支汊河道布置深水航道。類似整治工程多在分汊河道其中一汊開發(fā)深水航道，并對未布置航道的一汊進行限流，兩汊同時開發(fā)深水岸線的研究較少，因此，對在主汊已布置深水航道、岸線開發(fā)利用趨于飽和的通州沙河段開展西水道航道開發(fā)研究具有十分重要的意義。

本文首先建立大范圍一二維耦合潮流數(shù)學(xué)模型，計算原工程方案前后斷面分流比，再根據(jù)5萬t級散貨船計算不同通航方式所需航道尺度，通過系列性的對比來分析航道尺度對于工程河段河槽容積和汊道分流比的影響情況，研究結(jié)果可為類似長江下游分汊河段整治提供參考。

1 河段概況

通州沙河段位于長江澄通河道下段，上起西界港，接南通水道，下至徐六涇，連徐六涇節(jié)點河道，河段總長約39 km。地處長江河口潮流界以下，受上游徑流的影響和長江口潮流上溯雙重作用，水動力條件復(fù)雜。河道形態(tài)為暗沙型分汊河道，江中通州沙、狼山沙、新開沙等沙體發(fā)育，將河道分為東、西兩大主要泄水通道。長江主流出瀏海沙水道，貼南岸而下由南通水道進入通州沙東水道。通州沙水道與上下游形成一個“S”型彎道，東西水道長度相差不大，上游主流由向東轉(zhuǎn)向東南進入通州沙東水道，下游則由東南向轉(zhuǎn)向東進入徐六涇河段。東水道落潮分流比基本穩(wěn)定在90%左右。同時，通州沙西水道成為支汊以來，由于上游進流不暢，導(dǎo)致西水道呈萎縮趨勢［3］。

圖1 耦合模型示意圖Fig.1Sketch of coupling model

2 潮流數(shù)學(xué)模型簡介

為盡量減小整治工程對模型邊界的影響，特建立大范圍潮流數(shù)學(xué)模型，模型范圍上起安徽大通，下至南支楊林站、北支青龍港［4］。采用一維和二維耦合技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型，安徽大通至江蘇祿安洲洲尾河段采用一維模型，以下河段采用二維模型，模型范圍見圖1，模型中的地形選取2010年9月實測地形資料。

分別利用2004～2008年多次實測水文資料對一維、二維及耦合模型進行了率定，本次研究選用長江下游三沙河段2011年10月最新水文測驗數(shù)據(jù)對所建模型進行參數(shù)率定和驗證，計算結(jié)果與實測資料吻合較好，模型可以較好地反應(yīng)河道中水流實際運動情況。

3 原工程方案分流比計算結(jié)果

3.1 工程概況

通州沙西水道整治工程平面布置詳見圖2，工程主要分為3個部分（以下稱“原工程方案”）：南岸邊灘圈圍工程，共有7個圍區(qū)，總長度31.57 km，沿-2.0 m等深線布置外堤線；通州沙潛堤工程，潛堤頂部高程1.0 m，總長13.132 km；西水道中上段航道疏浚工程，范圍自通沙汽渡至七干河口，長約20 km，竣工底高程-15 m，航道寬度356 m，邊坡1：10。

3.2 分流比計算結(jié)果

分流比是反映分汊河段興衰變化的重要水動力學(xué)指標(biāo)［5］。影響汊道分流比變化的主要因素有上游主泓的擺動、汊道形態(tài)、河道阻力和河槽容積等［6］，由于通州沙潛堤工程發(fā)揮的引流作用，上游主泓并未發(fā)生擺動。西水道整治工程將改變通州沙水道的汊道形態(tài)、汊道阻力、河槽容積等，進而改變現(xiàn)有河道分流情況。在進行工程前后分流比變化分析時，設(shè)置了通州沙河段的上游進口斷面（任港～五干河）和下游出口斷面（狼山沙東水道～狼山沙西水道～福山水道），分流比斷面布置詳見圖3，原工程方案計算組次見表1，工程前后落潮分流比見表2，可以看出：

（1）通州沙圈圍和潛堤工程實施后，東水道斷面落潮分流比增加0.3%～7.4%，西水道落潮分流比相應(yīng)減少。一方面，圈圍工程大幅減小西水道河道容積，束窄過水?dāng)嗝妫黾游魉罃嗝媛涑弊枇Γ涣硪环矫妫瑵摰虒⒎舛峦ㄖ萆澄鞲Z溝。從-5 m等深線可以看出（圖1），潛堤工程將阻斷落潮流由西水道進入東水道的通道，減少通州沙落潮漫灘流，工程后將減少西水道分流比。

圖2 西水道整治工程及河槽容積統(tǒng)計分段示意圖Fig.2Layout of regulation work and statistics subsection of volume of west channel

表1 原工程方案計算組次表Tab.1Calculation groups for original project

表2 原工程方案落潮分流比Tab.2 Ebb diversion ratio after original project implemented %

（2）航道疏浚后，東水道斷面落潮分流比減少0.6%～8.0%，西水道落潮分流比相應(yīng)增加。航道疏浚減少東水道分流比，且對于通州沙進口斷面（任港斷面）的影響很大，減幅達8.0%，勢必影響通州沙河道河勢穩(wěn)定，進而影響東水道深水航道工程、南通港各港區(qū)和進港航道的運營安全。

圖3 分流比斷面布置示意圖Fig.3Distribution of cross section for diversion ratio calculation

表3 滿載船舶漂移倍數(shù)n和風(fēng)、流壓偏角γ值Tab.3Drifting multiples n and wind,current pressure deflection angle γ of fully loaded ship

表4 船舶與航道底邊間的富裕寬度cTab.4Additional width c between ship and bottom edges of channel

表5 航道寬度計算結(jié)果Tab.5Channel width calculation resultsm

4 修改方案研究

4.1 不同航行方式所需航道尺度計算

原工程方案對于工程河段分流比有較大不利影響，東水道進口斷面分流比減幅達8.0%，在西水道布置雙向航道，雖然方便船舶航行，但由于開挖量大，對河勢不利影響較大，不宜采用。研究表明，在西水道布置單向航道是可行的，單向航道的航行不便問題可通過主航道上行、西水道下行等辦法予以解決。由此，本文通過計算船舶單向、雙向航行方式所需不同航道尺度，通過系列性的對比研究，尋求最佳方案。

航道尺度是航道水深、航道寬度、航道彎曲半徑3個尺度的合成，對通航船舶（隊）的吃水和長寬尺度直接起限制作用，確定航道尺度時，需同時考慮河流的自然特性，貨運量的要求及投資成本等多方面綜合比較確定。考慮到本項研究的特點，這里的航道尺度更多地以航道寬度為主。以下將采用《海港總平面設(shè)計規(guī)范》推薦公式

式中：W為航道有效寬度，m；A為航跡帶寬度，m A=n(Lsinγ+B)；n為船舶漂移倍數(shù)；γ為風(fēng)、流壓偏角，（°），采用表3中的數(shù)值；b為船舶間富裕寬度，m，取設(shè)計船寬B；c為船舶與航道底邊間的富裕寬度，m，采用表4中的數(shù)值。

結(jié)合本河段潮流流速特點及出于航行安全的考慮，本文取橫流V≤0.75 m/s，航速＞6 kn，代入規(guī)范推薦公式，計算得到設(shè)計船型（隊）5萬t級散貨船航道有效寬度（表5）。另根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》計算出單向（雙向）航道寬度為125 m（250 m），結(jié)合模型，計算方便，采用表6所列航道尺度研究對工程河段的影響。

4.2 西水道河槽容積影響分析

綜合潛堤布置和圈圍工程范圍考慮，將西水道分為四段，河槽容積統(tǒng)計分段示意圖見圖2，計算結(jié)果見表7，可以看出：

（1）航道疏浚將增加西水道容積。西水道為通州沙河段的支汊，自下而上水深逐漸減小，其中12.5 m深槽僅上溯至七干河附近，深槽最大寬度基本不足800 m；10 m深槽上溯至長沙河附近，深槽最大寬度不足1 km；5 m深槽上溯至農(nóng)場河附近。六干河以上，水深基本小于5 m，僅局部小區(qū)段存在5～7 m的深槽。挖槽后，西水道總?cè)莘e不同程度增加，且寬度選擇越大，西水道容積增加越多。

表6 不同航道寬度一覽表Tab.6List of different channel width

（2）西水道不同計算段航道疏浚后河槽容積增加程度相差較大，1段、2段增加較多，3段、4段則增加很少（圖4）。第3段、4段疏浚后增加較少，甚至于第4段疏浚至380 m寬時，西水道相對于工程前仍為減少，航道疏浚仍未能完全抵消圈圍工程引起河槽容積的減小。

圖4 西水道整治工程前后河槽容積變化Fig.4Volume change of west channel before and after regulation

表7 整治工程前后西水道容積計算Tab.7Volume calculation of west channel before and after regulation

4.3 不同航道尺度分流比分析

不同航道尺度整治工程實施后，2個計算斷面的分流比計算結(jié)果詳見表8，由表8可知，航道疏浚對東水道分流比影響較大，以任港斷面為例，當(dāng)航道寬度為140 m時，落潮分流比增加1.0%；此后隨著航道寬度的增加，落潮分流比不斷減小，且航道尺度越大，東水道分流比減小越多；當(dāng)航道寬度為380 m時，任港斷面落潮分流比減幅達-6.6%，變化趨勢見圖5。研究結(jié)果還表明，西水道整治工程對進口斷面分流比影響較大、出口斷面則影響較小，影響主要集中在進口斷面處。

4.4 各方案綜合評價

根據(jù)上述討論，西水道整治工程將影響工程河段原有河槽形態(tài)和潮流特性，不同航道寬度對西水道河槽容積、汊道分流比影響程度差別較大。航道尺度越大，工程后西水道河槽容積增加越多、東水道分流比減少越多。研究結(jié)果表明，航道寬度選擇180 m時，西水道總河槽容積減少0.7%，改變幅度為最小；東水道進口處任港斷面分流比減少最小，為0.5%，方案對東水道分流比影響已經(jīng)很小。因此建議西水道疏浚工程航道寬度采用180 m單向航行的方式設(shè)計。單向航線帶來的航行不便問題可以通過船舶調(diào)度予以解決，如利用分汊河段特點，規(guī)定船舶利用主航道上行，西水道下行等辦法予以解決，可以較好地實現(xiàn)支汊開發(fā)與主汊保護雙贏的目標(biāo)。

圖5 任港斷面整治工程前后落潮分流比變化Fig.5 Ebb diversion ratio of Rengang section before and after regulation

表8 枯水浚深-15 m各工程方案落潮分流比計算結(jié)果Tab.8Ebb diversion ratio after different projects during drought period(dredging depth-15 m)

5 結(jié)論

（1）圈圍和潛堤工程實施后，東水道斷面落潮分流比增加0.3%～7.4%。圈圍工程大幅減小西水道河道容積，束窄過水?dāng)嗝妫粷摰虒⒎舛峦ㄖ萆澄鞲Z溝，阻斷落潮流由西水道進入東水道的通道，減少通州沙落潮漫灘流，減少西水道分流比。（2）原方案航道疏浚后，東水道斷面落潮分流比減少0.6%～8.0%，且對于通州沙進口斷面（任港斷面）的影響較大，將影響通州沙河道河勢穩(wěn)定，進而影響東水道深水航道工程、南通港各港區(qū)和進港航道運營安全。（3）航道疏浚將增加西水道容積，不同計算段航道疏浚后河槽容積增加程度相差較大，1段、2段增加較多，3段、4段則增加很少。（4）西水道整治工程將影響工程河段原有河槽形態(tài)和潮流特性，對東水道分流比影響較大。航道寬度選擇180 m時，西水道河槽容積、東水道分流比減少幅度均最少，方案對東水道分流比影響已經(jīng)很小，可以較好地達到支汊開發(fā)與主汊保護雙贏的目標(biāo)。

［1］張增發(fā).長江鎮(zhèn)揚河段世業(yè)洲汊道近期演變與整治對策［J］.中國水利，2011（4）:32-34. ZHANG Z F.Recent Evolution and regulation of branch channels of Shiye Bar in Zhenyang，Yangtze River［J］.China water conser?vancy，2011（4）:32-34.

［2］杭建國.長江下游和暢洲汊道整治工程研究［J］.長江科學(xué)院院報，2010（9）:6-13. HANG J G.On regulation work of Changzhou Channel and downstream Yangtze River［J］.Yangtze Scientific Academy Transaction, 2010（9）:6-13.

［3］胡鳳彬，張宗德.通州沙西水道整治工程水域水文測驗報告［R］.南京:河海大學(xué)，2011.

［4］張瑋，陳乾陽，倪兵.通州沙西水道整治工程對通州沙河段潮流量影響研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013（6）:1 520-1 525. ZHANG W，CHEN Q Y，NI B.On effect of regulation work on tidal discharge of Tongzhousha west channel［J］.Scientific technolo?gy and engineering，2013（6）:1 520-1 525.

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［6］陳曉云.長江太倉—南通河段河道演變特性與航道治理思路分析［J］.水運工程，2012（4）:102-110. CHEN X Y.Analysis on evolution and regulation of Taicang-Nantong Reach in Yangtze River［J］.Por&Waterway Engineering，2012（4）:102-110.

Study on dredging scale of Tongzhousha west channel

NI Bing1,HE Rui2,ZHANG Wei3
（1.Anhui Province Transportation Research Institute,Hefei 210040,China;2.Dayu College,Hohai University, Nanjing 210098,China;3.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098, China）

Tongzhousha is a typical branch channel in the downstream of Yangtze River.Due to the saturated usage of the waterfront resources along east channel,exploitations of deep waterfront resources in west channel were planned.It was needed to research the dredging scale of west channel.Firstly,diversion ratio of the channel before and after regulation was calculated.Secondly,the feasibility of one?way channel was analyzed,as well as the influ?ence of one?way and two?way channel scale on the channel volume and diversion ratio.Results indicate that the scheme of 356 m channel width reduces the diversion ratio of east channel significantly.The one?way channel scheme is feasible and the scheme of 180 m channel width reduces the diversion ratio within 0.5%,which balances the exploitation of west channel and the preservation of the east channel.

tidal current numerical model；branch channel regulation；channel dredging；channel volume；di?version ratio

TV 142；U 617

A

1005-8443（2014）06-0608-05

2013-10-08；

2013-11-13

倪兵（1986-），男，安徽省舒城人，碩士研究生，主要從事港口航道工程研究。

Biography：NI Bing（1986-），male，master student.