基于數(shù)學(xué)模型的長江口北支左岸岸線調(diào)整工程的計(jì)算分析

(長江水利委員會 長江口水文水資源勘測局，上海 200136)

試驗(yàn)與研究

基于數(shù)學(xué)模型的長江口北支左岸岸線調(diào)整工程的計(jì)算分析

畢軍芳劉羽婷李伯昌

(長江水利委員會長江口水文水資源勘測局，上海200136)

近年來隨著南通沿海沿江經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和長江黃金水道的建設(shè)，研究和提升長江口北支水道綜合開發(fā)利用十分迫切。通過經(jīng)驗(yàn)證的二維水流數(shù)學(xué)模型，模擬、計(jì)算北支左岸岸線調(diào)整工程對北支河段河勢、水動力條件以及附近區(qū)域水位的影響，比較了兩種堤軸線布置方案，并推薦出最優(yōu)方案，可為工程的決策與實(shí)施以及為相關(guān)行政主管部門的管理提供參考與借鑒。

二維水流數(shù)學(xué)模型；岸線調(diào)整；河道；長江

1 研究背景

依據(jù)2008年3月國務(wù)院批復(fù)的《長江口綜合整治開發(fā)規(guī)劃》中的北支河道整治方案，江蘇和上海市有關(guān)部門在北支實(shí)施了大量的岸線調(diào)整和河道整治工程。其中，北支海門中下段岸線整治工程A段大新河-靈甸港段已于2013年2月～2014年4月實(shí)施完成，B段靈甸港-啟東交界處計(jì)劃于2017年汛前完成。右岸新村沙水域河道綜合整治工程于2012年9月基本完成圍堤工程，崇明北沿促淤圈圍工程正在逐步實(shí)施。這些工程適度縮窄了河寬，局部改善了北支中段新村沙水域河道形態(tài)，一定程度上穩(wěn)定了河勢。但從目前河勢來看，靈甸沙水域漲落流路分離，造成泥沙淤積。為鞏固新村沙水域河道綜合整治工程和海門中下段岸線整治工程的效果，逐步改善北支中上段的水深條件，促進(jìn)其河勢朝有利于實(shí)現(xiàn)《長江口綜合整治開發(fā)規(guī)劃》中綜合整治目標(biāo)的方向發(fā)展，有必要對長江口北支海門下段岸線進(jìn)行調(diào)整[1]。

此次岸線整治工程的目的是歸順漲、落潮流路，減小北支上中段泥沙淤積，減少北支咸水倒灌南支，同時開發(fā)利用北支岸線以及發(fā)展航運(yùn)。本文基于二維數(shù)學(xué)模型，圍繞北支水道通航能力的提升問題進(jìn)行了初步分析研究，以推薦最佳方案，為政府部門決策提供相應(yīng)的參考。

2 河道及工程概況

2.1 河道概況[2]

長江口上起徐六涇，下迄口外50號燈標(biāo)，全長約181.8 km。河段平面呈扇形，為三級分汊、四口入海的河勢格局，北支、北港、北槽、南槽為4個入海通道。北支河段是長江出海的一級汊道，西起崇明島頭，東至連興港，全長約83 km，流經(jīng)上海市崇明縣，以及江蘇省海門市、啟東市，河道平面形態(tài)彎曲，彎頂在大洪河至大新河之間，彎頂上下河道均較順直，上口崇頭斷面寬約3.0 km，下口連興港斷面寬約12.0 km。

歷史上北支曾經(jīng)是長江入海主泓，18世紀(jì)以后，由于主流逐漸南移，長江主流改道南支，進(jìn)入北支的徑流逐漸減少，導(dǎo)致北支河道中沙洲大面積淤漲，河寬逐漸縮窄，北支逐漸演變?yōu)橹с狻Ｄ壳埃敝Х中归L江徑流的比例很小，是一條以漲潮流為主的河道。北支由于河床寬淺，在遠(yuǎn)離主流的河槽右側(cè)和漲、落潮流路分離段，洲灘發(fā)育，江心沙層出不窮。早期有長沙、百萬沙、永隆沙，近期有新村沙、興隆沙群(即黃瓜沙群)等。

北支無大支流入?yún)R，沿江兩岸有許多排灌用的小河港，河港口門處均建有控制閘，引排水量有限，對河道演變的影響甚微。北支曾進(jìn)行過大規(guī)模圍墾，現(xiàn)兩岸均筑有堤防，經(jīng)過多年護(hù)岸工程建設(shè)，目前岸線在自然條件下可基本保持穩(wěn)定。北支河段平均水深較小，明暗沙羅列，灘槽易位頻繁。同時存在水沙倒灌南支的現(xiàn)象。雙向水沙運(yùn)動是北支河段的基本特征，河段泥沙主要是流域來沙，懸沙主要由粘粒粉沙和砂粒組成。

2.2 左岸岸線調(diào)整工程總體布置

此次岸線調(diào)整工程位于北支河道左岸，海門市崇海汽渡渡口至啟東交界處之間，堤軸線布置有兩個方案。①方案一:與南岸新村沙頭部堤線布置相呼應(yīng)，堤軸線布置成向北凹進(jìn)的弧形，長約5 750 m，與新村沙整治北堤一致，河寬保持在1 900 m，圈圍面積約146.54 hm2。②方案二:堤軸線布置成一直線，長約5 710 m，河寬在1 610～1 900 m之間，圈圍面積約217.98 hm2。擬建岸線調(diào)整工程堤軸線位置示意見圖1。

圖1 擬建岸線調(diào)整工程堤軸線位置示意

2.3 北支近期河勢分析

北支上口進(jìn)流不暢，分流比進(jìn)一步減少，近期洪、枯季落潮分流比均在5%以下，導(dǎo)致河床不斷淤淺、縮窄，河槽容積不斷減少。雖然北支河床在不同時段、不同區(qū)段可能會發(fā)生一定程度的沖刷，但總體仍以淤積萎縮為主。目前北支的進(jìn)潮量仍占長江口總量25%以上，-2 m等高線以下的容積仍有約7億m3。雖然北支河槽總體呈萎縮狀態(tài),但是由于北支強(qiáng)勁的漲潮流,以及邊界條件改變的影響，北支上段和中段深槽變幅較大，而北支下段北岸深槽始終保持較好的穩(wěn)定狀態(tài)。從近期北支-5 m等高線分析看，自2016年10月開始北支上下基本貫通，北支下段頭興港至出海口持續(xù)淤積，以長江口綜合整治規(guī)劃中北支中縮窄方案整治線為界，淤積呈北弱南強(qiáng)態(tài)[2-3]。

擬整治工程所在的靈甸沙水域，目前北支廟港至燈桿港呈上下窄、中間寬的“梭”型，漲落潮流路明顯分離，漲潮主流偏靠北岸，落潮流路偏南，兩股水流之間泥沙大量淤積形成靈甸沙。從整個擬整治工程區(qū)范圍看，呈上段淤積，下段沖刷之勢。

3 二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析

為論證擬建整治工程對河段的防洪、河勢變化和航道等的影響，本文采用經(jīng)驗(yàn)證的二維水動力數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析工程前后河道的水動力特性和流場變化，研究論證擬定工程方案的合理性，選擇合理、可行的方案，從而為工程審批提供科學(xué)的依據(jù)[4-7]。此次模型邊界選用徐六涇斷面作為上邊界，北支的連興港、南支的六滧斷面作為下邊界。計(jì)算網(wǎng)格采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，徐六涇至白茆河段及北支河段水下地形資料采用2016年10月實(shí)測水下地形圖，南支白茆河至六滧河段采用2013年實(shí)測水下地形圖。基于二維數(shù)學(xué)模型，對1998年典型大洪水及1997年典型大潮兩種水文條件下的兩種堤軸線布置方案進(jìn)行了計(jì)算分析。

3.1 對工程河段河勢的影響

在工程附近布置5個潮量觀測斷面，計(jì)算兩種水文條件下擬建工程對附近河勢的影響。由計(jì)算結(jié)果顯示，兩種方案實(shí)施后，南支白茆沙南、北斷面分流比與漲、落潮潮量變化情況如下：①方案一整治工程實(shí)施后，北支分流比漲、落潮略有減小，變化幅度較小，最大變幅不超過0.02%。擬整治工程上下游1號斷面與2號斷面漲、落潮潮量有所減少，最大減少幅度為4.91%；②方案二整治工程實(shí)施后，北支分流比漲、落潮略有減小，變化幅度較小，最大變幅不超過0.34%，擬整治工程上下游1號與2號斷面漲、落潮潮量有所減少，最大減少幅度為6.80%。所以，兩種方案整治工程實(shí)施后，對附近河段白茆沙南、北水道及南、北支分流比影響均較小，對北支潮量略有影響。計(jì)算斷面布置示意見圖2，1998年大洪水條件下兩種方案漲、落潮潮量與分流比變化統(tǒng)計(jì)見表1與表2。

圖2 潮量觀測斷面位置示意

斷面潮型方案一方案二工程前/%工程后/%分流比變化/%工程前/%工程后/%分流比變化/%白茆沙北斷面白茆沙南斷面南支北支漲潮29.2829.280.0029.2829.280.00落潮24.8724.870.0024.8724.870.00漲潮70.7270.720.0070.7270.720.00落潮75.1375.130.0075.1375.130.00漲潮99.6499.650.0199.6699.62-0.04落潮96.7896.780.0096.7896.77-0.01漲潮0.360.35-0.010.340.380.04落潮3.223.220.003.223.230.01

表2 各斷面漲、落潮潮量變化統(tǒng)計(jì)(1998年7月計(jì)算潮型)

3.2 對工程河段水動力條件的影響[8-10]

對兩種水文條件下工程前后的流速變化進(jìn)行了計(jì)算與統(tǒng)計(jì)。兩種方案實(shí)施后，整治工程前沿及對面水域漲、落潮流速略有增加，工程上、下游水域漲、落潮流速略有減小。方案一實(shí)施后，漲潮流速增加最大幅度約為0.358 m/s，落潮流速增加最大幅度約為0.263 m/s，位于工程前沿。漲潮流速減小最大幅度約為0.693 m/s,落潮流速減小最大幅度約為0.287 m/s，位于緊鄰擬整治工程上端的臨永渡口；方案二實(shí)施后，漲潮流速增加最大幅度約為0.456 m/s，落潮流速增加最大幅度約為0.339 m/s，位于工程前沿。漲潮流速減小最大幅度約為0.728 m/s,落潮流速減小最大幅度約為0.446 m/s，位于緊鄰擬整治工程上端的臨永渡口。工程實(shí)施前后部分流速變化等值線見圖3～6。

圖3 工程前后漲潮流速變化等值線分布(方案一)(1997年)

圖4 工程前后漲潮流速變化等值線分布(方案二)(1997年)

圖5 工程前后落潮流速變化等值線分布(方案一)(1998年)

3.3 工程對附近區(qū)域水位影響計(jì)算分析

對兩種水文條件下工程前后的潮位變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。擬建工程施工后，工程附近的最高、最低潮位有雍高也有降低，緊鄰整治工程前沿、上下游附近水域潮位變幅較其他位置略大。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，方案一工程實(shí)施后，最高潮位變幅最大值為0.043 m，最低潮位變幅最大值為0.122 m；方案二工程實(shí)施后，最高潮位變幅最大值為0.060 m，最低潮位變幅最大值為0.155 m。

圖6 工程前后落潮流速變化等值線分布(方案二)(1998年)

4 結(jié) 語

北支靈甸沙水域漲落潮流路明顯分離，造成泥沙大量淤積，嚴(yán)重影響該水域上下游附近航道的開發(fā)利用。此次岸線調(diào)整工程可以歸順漲、落潮流路，減小北支中上段泥沙淤積，促使河勢朝有利于航道開發(fā)利用的方向發(fā)展。從數(shù)模計(jì)算結(jié)果來看，兩種方案的實(shí)施均有利于北支漲潮流路南偏，使得北支新村沙頭至大新河段漲落潮流路歸一。相比方案一，方案二實(shí)施后對周邊涉水工程防洪的不利影響較大，根據(jù)相關(guān)規(guī)劃方案，以及工程實(shí)施后對附近水域河勢、水動力及水位的影響，并兼顧堤線平順、平緩連接，本文推薦方案一。

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2017-08-01

畢軍芳，女，長江水利委員會長江口水文水資源勘測局，工程師.

1006-0081(2017)10-0054-04

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(編輯朱曉紅)