風浪對引江濟淮工程馬尾河口航道影響研究初探

沈保根，徐 華，肖子平，閆杰超，楊 志，趙澤亞

(1.安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，合肥 230000; 2.南京水利科學研究院，南京 210029; 3.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098; 4.安徽省合肥水文水資源勘測局，合肥 230001)

2015年3月引江濟淮工程項目建議書已獲國務(wù)院立項批復。根據(jù)批復，引江濟巢段、江淮溝通段總體按Ⅲ級航道標準建設(shè)，其中江淮溝通段派河口至東淝河段按Ⅱ級航道標準建設(shè)。馬尾河口口門航道是“引江濟淮”工程的重要組成部分。胡飛等[1]從航道穩(wěn)定及維護量對馬尾河口航道的線路優(yōu)化進行了比選。同時，巢湖作為半封閉淺水湖泊，主要由風浪引起的泥沙懸浮常影響湖區(qū)航道的穩(wěn)定與正常通航。歷史上巢湖由于入湖河流的來沙大量輸入以及部分岸灘的崩塌，造成東西湖區(qū)淤積嚴重，湖盆水位也明顯抬高[2-4]。目前，國內(nèi)對淺水湖泊水沙動力研究較多。許遐禎等[5]通過SWAN模型對太湖湖區(qū)風生浪的波普頻率及對風場的敏感性進行了分析，研究也說明淺水湖流的水沙運動與風生浪密切相關(guān)。宋平等[6]分析了三峽水庫運行前后洞庭湖的泥沙入湖量與淤積分布變化特性。但對于巢湖水動力特性分析及口門航道淤積分析的研究較少。顧成軍等[7]定性分析了巢湖古今泥沙淤積狀況及泥沙的主要來源。王良華[8]則對巢湖杭埠河口門航道淤積特性展開研究，研究認為湖區(qū)水體懸沙含量直接與風況相關(guān)，尤其對近岸淺水區(qū)的泥沙掀動起到關(guān)鍵作用。胡立雙與苗世勇[9]通過實測資料探討了黃驊港航道泥沙運移形態(tài)、回淤機理和回淤泥沙來源。

結(jié)合上述分析，風浪作為湖區(qū)泥沙起動的主要動力，其水沙運動與馬尾河口航道的穩(wěn)定密切相關(guān)。因此，本文通過Mike3建立的三維水沙模型分析實測風速與強風向條件下對巢湖馬尾河口航道附近水沙特性的影響，同時，并結(jié)合現(xiàn)場實測水沙資料驗證與分析了風浪對泥沙運動的影響。

1 研究區(qū)域概況

1.1 馬尾河口航道演變概況

兆河是巢湖的一級支流，上游與西河及黃陂湖相通，下游注入巢湖的口門稱為馬尾河口。兆河自1955年開挖以來，從河口至兆河閘，除沐集附近兩岸有部分水土流失外，其他河段均尚完好，兆河閘上、白湖農(nóng)場、塘串河，自開挖成河道以來，至今均未發(fā)現(xiàn)明顯的沖淤現(xiàn)象。兆河主流線、岸線較為穩(wěn)定，一般情況下由于河道流速比較小，河道內(nèi)以緩慢淤積趨勢為主，但是大洪水情況下，主泓流速比較大，河道內(nèi)以微幅沖刷趨勢為主。近年來兆河主槽斷面形狀無明顯變化，河槽邊界基本穩(wěn)定，深泓線未發(fā)生偏移，河槽呈微沖狀態(tài)，平均沖刷深度約0.1 m。

圖1 巢湖湖區(qū)航道口門位置示意圖Fig.1 Sketch of location of the navigation entrance in Chaohu

巢湖航道部門分別于 1957、1959年疏浚兆河入湖口門形成馬尾河口門航道，由于沒有其他整治措施，不久又復淤塞。1964年再次疏浚，并在兩側(cè)各拋300 m長石壩，觀其效果，壩內(nèi)航槽雖有一定回淤，但能夠保持航道水深，回淤量較未筑壩前明顯減小，而筑壩范圍以外地段已全部淤平。1970年繼續(xù)治理，將口門拋石壩延長到2 000 m，口門航道得以穩(wěn)定，以后每隔3～4 a維護疏浚一次，持續(xù)至1986年。之后由于壩體損壞嚴重，年久失修，逐步削弱了壩體的攔沙作用，在較為強烈風浪作用下，航槽泥沙淤積問題突出。

馬尾河口航道巢湖湖區(qū)段自馬尾河口至中廟，長約17 km，現(xiàn)為Ⅴ級航道，現(xiàn)狀口門寬度110 m，口門段湖底高程5.9～4.3 m(85黃海高程，下同)，馬尾河口門航道經(jīng)常淤積，每2～3 a須疏浚維護一次；過口門段后進入湖盆段，高程逐漸走低，從4.3 m漸變至3.4 m；由于常年受風浪影響，兩側(cè)石堤部分塊石滑脫、被盜，現(xiàn)石堤頂高程由原實施的8.5 m降至7.5 m，馬尾河口門現(xiàn)狀拋石堤頂距110 m，石堤內(nèi)淤積土方的高程與石堤外相差無幾，不能有效地阻止航道兩側(cè)湖灘大量泥沙淤積到航道內(nèi)，現(xiàn)航道基本淤平(圖1)。

1.2 水文泥沙條件

1.2.1 水位變化

根據(jù)巢湖多年實測水文資料，如圖 2巢湖忠廟站2008～2014年實測水位變化可知，巢湖正常蓄水位為6.5～7.1 m，湖底高程一般為3～6 m，湖底較為平順，湖岸約以1/1 200的緩坡傾向湖底。多年平均水位7.1 m條件下，湖區(qū)面積約為729 km2，湖區(qū)容積約為24.15億m3，平均水深約3.3 m，可見巢湖為典型的淺水湖泊。水文分析計算表明，巢湖20 a一遇最高通航水位10.6 m、最低通航水位5.8 m。

1.2.2 泥沙特性分析

為分析馬尾河口附近底沙特性，本文對馬尾河口湖區(qū)航道底質(zhì)進行取樣分析。如圖 3所示，馬尾河河口附近水域布置了10個底質(zhì)取樣點M1～M10，并在巢湖派河口、白石天河口及馬尾河口近岸處布置了3個坐底系統(tǒng)觀測站，以便對數(shù)值模型進行驗證。其中，測站處波浪、垂向分層水流流速、水體含沙量分別采用波高儀RBR、聲學多普勒流速剖面測量儀闊龍Aquadopp Profiler、濁度儀OBS-3A等進行測量。

以測點M3、M5、M7與M8的泥沙取樣結(jié)果進行粒徑級配分析。如圖所示，測點M3、M5、M7與M8處底沙平均粒徑D50分別為0.03 mm、0.009 mm、0.01 mm與0.009 mm。由圖可知，M2測點在航道口門處，水深較淺，此處泥沙顆粒相對較粗。隨著測點位置移向湖中深水區(qū)，由于此處泥沙起動多受湖流影響，泥沙起動環(huán)境較弱，M5、M7與M8處湖底泥沙粒徑相對較細。根據(jù)現(xiàn)場底沙取樣分析研究表明，巢湖湖區(qū)底沙粒徑較細，底沙中值粒徑為0.01～0.03 mm，平均中值粒徑約0.02 mm。

1.2.3 氣象條件

根據(jù)距離巢湖湖區(qū)最近的廬江氣象站1986～2015年共30 a實測風速資料，工程區(qū)常風向為NNW-N，出現(xiàn)頻率達到22%，如圖 4所示；強風向主要為SSW向和NNW向，最大風速可達26 m/s左右。結(jié)合風向頻率分布來看，巢湖湖區(qū)主要受NNW向風浪作用為主，該方向風作用下由于風區(qū)長、風速大，形成風浪大,因此，本文采用NNW風向?qū)︸R尾河口航道水沙影響進行模擬研究。

圖2 巢湖忠廟站近年水位變化Fig.2 Changes of water level at Zhongmiao station of Chaohu in recent years圖3 現(xiàn)場測點布置示意圖Fig.3 Layout of measured points圖4 廬江站風向玫瑰圖Fig.4 Wind rose map in Lujiang station

2 數(shù)學模型建立及驗證

2.1 數(shù)學模型建立

本文采用垂向分為5層的三維水沙輸移模型研究巢湖風浪作用下的馬尾河口區(qū)域的水沙特性，模型包含Mike3中的水動力模塊、波浪模塊及泥沙模塊，其中水動力模型(HDM)主要設(shè)置風速與水位；波浪模塊(SWM)主要考慮輻射應(yīng)力對湖流水沙動力產(chǎn)生影響；泥沙模塊(MTM)主要考慮波流作用下泥沙的運動，其中泥沙沉降速度根據(jù)Stokes公式計算并取值為0.000 4 m/s。其基本控制方程本文將不作詳述[10-11]。為復雜的湖岸貼合邊界，本文數(shù)值模擬網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格整體網(wǎng)格尺寸△G=150 m，局部網(wǎng)格尺寸△L=25 m。具體如圖5所示。

5-a 巢湖 5-b 馬尾河口圖5 網(wǎng)格示意圖Fig.5 Sketch of mesh

6-a 派河口 6-b 白石天河口 6-c 馬尾河口圖6 流速驗證Fig.6 Flow velocity verification

2.2 模型驗證

2016年10月21日中午12點～10月23日中午12點，對巢湖馬尾河口附近的湖流流速、波浪、水體含沙量、底質(zhì)進行了2 d現(xiàn)場連續(xù)觀測工作。現(xiàn)場觀測期間，巢湖平均水位約7.3 m，略高于正常蓄水位。測驗期間廬江氣象站實測最大風速約為6.2 m/s，方向為N偏E向3°，風力相當于四級左右。根據(jù)《堤壩防浪護坡設(shè)計》，由于氣象站所獲得的風速資料為陸地數(shù)據(jù)，因此需要進行風速的高度和陸—水訂正，換算到湖面以上10 m高度的最大風速約為12 m/s(湖面風力相當于五至六級左右)。數(shù)學模型則通過上述實測資料進行驗證。根據(jù)文獻[12]對巢湖湖區(qū)糙率取值為0.025。模擬條件水深為7.28 m，風速為12 m/s與風向為N偏E向3°。驗證點位為坐底系統(tǒng)拋投點位，分別位于派河口、白石天河口與馬尾河口，具體如圖 3所示。

如圖 6所示，白石天河口與馬尾河口的平均流速為0.07～0.09 m/s，而派河口平均流速約為0.04 m/s。由于白石天河與馬尾河口位于湖流縮窄處，且受風向影響較大，因此，湖流流速較大。而派河口受風區(qū)吹程小，則受風向影響較小，故湖流流速較小。3個測點流速基本呈底部小，上部大的規(guī)律，符合流速分布。同時，從驗證結(jié)果可知，模擬值與實測值符合良好。同時，根據(jù)塘西、忠廟、槐林實測水位為7.18 m、7.32 m、7.37 m(站點見圖3)，模型計算水位為7.15 m、7.31 m、7.39 m來看，模擬結(jié)果良好，說明模型建立科學合理，可用于以下研究。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

本文以風向N偏E向3°、風速12 m/s及水位為7.28 m與風向N偏W向337.5°、風速26 m/s及水位10.6 m為例，分析巢湖馬尾河口區(qū)域泥沙的運動特性。其中，模擬時間為3 d，其中大風作用1 d、風后2 d。

如圖 7所示，在風向N偏E向3°、風速12 m/s及水位為7.28 m條件下巢湖有效波高分布呈自北向南逐漸增大的趨勢，最大有效波高位于湖區(qū)南側(cè)深水區(qū)，最大有效波高達到0.6 m。馬尾河口區(qū)域有效波高基本在0.2～0.5 m。同時，如圖 8 相應(yīng)泥沙濃度分布可知，湖區(qū)泥沙濃度較低，基本在0～0.1 kg/m3，湖區(qū)南側(cè)近岸區(qū)泥沙濃度在1.25～2.5 kg/m3，其中，尤其馬尾河口近岸處泥沙濃度增大尤為明顯。湖區(qū)深水區(qū)有效波高較大，泥沙濃度較低，近岸區(qū)有效波高較小，而泥沙濃度則較大。根據(jù)前人研究以及本文分析可知，近岸區(qū)泥沙濃度較大的原因是波浪在近岸淺水區(qū)變形破碎，造成近岸區(qū)泥沙快速擾動，泥沙濃度急劇增加。

圖7 馬尾河口有效波高示意圖Fig.7 Sketch of significant wave height in Mawei estuary圖8 馬尾河口平均懸沙濃度分布示意圖Fig.8 Sketch of distribution of average suspended sediment concentration in Mawei estuary

如圖9所示，在風向N偏W向337.5°、風速26 m/s及最高通航水位10.6 m條件作用下巢湖流速分布呈沿岸大，湖區(qū)小的分布規(guī)律，其中在白石天河與馬尾河口之間流速較大，最大達到0.5 m/s，但在馬尾河口處流速并不大，為0.2～0.4 m/s。從流速矢量可知，近岸處水流從西沿著白石天河流向馬尾河口，由此可預測，在強風向極端風浪條件作用下，馬尾河口航道將會發(fā)生淤積，其淤積原因則是在波浪作用造成的近岸區(qū)泥沙起動，由沿岸流輸運及淤積至馬尾河口航道區(qū)域。

圖9 馬尾河口流速及矢量分布示意圖Fig.9 Sketch of distribution of velocity and vector in Mawei estuary

3.2 現(xiàn)場觀測結(jié)果

從觀測波浪數(shù)據(jù)來分析，觀測期間測站的最大有效波高為0.46 m，測量時段有效波高平均值為0.27 m，波周期為2.33～3.04 s。從觀測流速數(shù)據(jù)上來分析，測站的表層最大流速為0.26 m/s，測量時段表層最大流速平均值為0.07 m/s，垂線平均最大流速為0.14 m/s。

從觀測水體含沙量來分析，測站表層0.3 h處的含沙量在1.29～1.61 kg/m3之間，測量時段平均值為1.42 kg/m3；中層0.7 h處的含沙量在1.30～1.68 kg/m3之間，測量時段平均值為1.45 kg/m3；底層0.9 h處的含沙量在1.31～1.77 kg/m3之間，測量時段平均值為1.50 kg/m3。從含沙量垂向分布來看，由于測站的湖流流速相對較小，含沙量主要受到波浪作用影響，垂向分布較為均勻。

圖10給出了馬尾河口測站的有效波高、湖流表層流速、底層0.9 h處含沙量與風速同步過程對比關(guān)系，由圖可見波高、流速、含沙量過程與風速過程總體響應(yīng)關(guān)系良好，含沙量過程稍有一定的滯后效應(yīng)。

3.3 湖床泥沙運動分析探討

根據(jù)現(xiàn)場底沙取樣分析研究表明，巢湖湖區(qū)底沙粒徑較細，底沙中值粒徑為0.01～0.03 mm，平均中值粒徑為0.02 mm。此處計算采用武漢水利電力學院泥沙起動公式與泥沙起動波高計算公式[13-14]，波浪作用下馬尾河口口門航道區(qū)域泥沙起動波高為0.2～0.5 m，湖流作用下泥沙起動流速為0.2～0.4 m/s。計算分析表明，在廬江氣象站四級以上風力條件下，風浪可引起湖底床面泥沙起動懸揚，特別是風浪對巢湖近岸水域床面泥沙作用強，引起床面泥沙大量懸浮，水體含沙量短期內(nèi)急劇增大。

綜合上述研究認為，大風天巢湖泥沙運動機制主要表現(xiàn)為“風浪掀沙、湖流輸沙”，運動方式主要以懸浮運動為主。大風天期間，近底泥沙在湖流輸運作用下跨越開挖航槽時，受航道內(nèi)水深增大、流速減弱的影響，導致部分泥沙在航槽內(nèi)落淤；大風天后，隨著開挖航槽內(nèi)水動力的快速減弱，水中懸浮泥沙不斷落淤，從而引起開挖航槽不斷淤積。

4 結(jié)論

馬尾河口口門航道治理實踐表明，大風天條件下，在近岸風浪和風生湖流作用下，口門段附近泥沙運動活躍，開挖航槽內(nèi)泥沙淤積較為嚴重，航道運行維護困難，然而修筑攔沙壩體后，航道內(nèi)泥沙淤積得到了有效減緩。本文通過現(xiàn)場觀測與建立的Mike3水沙動力模型分析研究了風浪作用下馬尾河口泥沙特性，并得到如下結(jié)論。

(1)通過Mike3建立的三維水沙動力模型模擬了湖區(qū)波浪以及懸沙濃度場，研究發(fā)現(xiàn)離岸區(qū)有效波高較大，近岸區(qū)有效波高較小，而離岸區(qū)泥沙濃度較低，近岸區(qū)泥沙濃度則較大。其原因是近岸區(qū)水深變淺，其波流觸底，床面切應(yīng)力增大明顯，造成近岸區(qū)泥沙快速起動，泥沙濃度急劇增加。

(2)通過對巢湖湖區(qū)基礎(chǔ)資料分析表明，巢湖為典型淺水湖泊，湖區(qū)水深一般為2～4 m，主要受NNW向風浪作用，最大風速可達26 m/s。在NNW風向作用下，沿岸流可將派河及白石天河近岸泥沙輸移至馬尾河口區(qū)域，可能對馬尾河口航道造成大量的淤積。

(3)現(xiàn)場觀測研究表明，馬尾河口口門底沙主要為淤泥質(zhì)細顆粒泥沙，風浪容易引起湖底泥沙起動懸揚，波高、流速、含沙量過程與風速過程總體響應(yīng)關(guān)系良好，水體含沙量較大且垂向分布較為均勻。大風天巢湖泥沙運動機制主要表現(xiàn)為“風浪掀沙、湖流輸沙”，開挖航槽泥沙淤積問題需引起重視，加強科學研究。