長江口太倉段險工近期發(fā)展新特點及趨勢

(長江水利委員會水文局 長江口水文水資源勘測局，上海 200136)

長江口太倉段上起白茆口，下至瀏河口，擁有38.8 km的岸線以及國家重點建設(shè)的12.5 m深水航道，具有天然江海聯(lián)運區(qū)位優(yōu)勢。隨著20世紀(jì)90年代太倉段一系列岸線整治工程的完成，太倉港已成為優(yōu)良港口，進(jìn)駐了一批重要港口碼頭企業(yè)[1-2]。進(jìn)入新世紀(jì)以來，國家和地方高度重視太倉港的建設(shè)和運營，太倉港被定位為上海國際航運中心重要組成、江海聯(lián)運中轉(zhuǎn)樞紐港，對長三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有舉足輕重的作用。

長江堤岸險工險情影響重大，我國很早就有學(xué)者開展了長江崩岸險情的研究工作。張引川[3]等認(rèn)為造成長江下游窩崩的主要因素是水流條件。在水深流急、單寬流量大的條件下，河岸抗沖薄弱的部位淘刷后，形成強(qiáng)大的回流，對河岸造成劇烈的沖刷。唐日長[4]等根據(jù)荊江河道實測資料，分析認(rèn)為影響彎曲河道中凹岸崩坍強(qiáng)度的主要因素為作用于河床的水流強(qiáng)度，并認(rèn)為汛期水流對崩岸起著主要作用，崩岸強(qiáng)度主要決定于水流輸沙能力。李寶璋[5]在分析長江南京河段窩崩成因時提出形成窩崩的動力是大尺度縱軸水流方向螺旋流。螺旋流從面層分離出近似窩崩口門寬的一股流量，以大于兩旁的流速進(jìn)入口門內(nèi)，接著轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q軸螺旋流，形成高速回流并由面層向底層運動，對窩底產(chǎn)生強(qiáng)烈的下切沖刷力，從底部帶走大量泥沙向窩外運動。以上工作都是基于長江口以上河段出現(xiàn)的險工險情進(jìn)行的研究，采用的數(shù)據(jù)時間較早，缺乏一定的完整性和精度。

長江口段險工原來主要位于北支啟東海門一帶，以崩岸為主，南支太倉段險工是近年新出現(xiàn)的險工段。太倉河段原堤外灘地寬達(dá)1 km，灘地高程普遍在-3 m以上，為寬廣河漫灘。自1997年以來，太倉先后實施了7期岸線調(diào)整工程，將太倉段堤防外推1 km左右，從此太倉擁有了優(yōu)良的深水岸線[6]。近年來，隨著流域來水來沙的變化以及長江口河段重要河道及航道整治工程的實施，長江口河段局部河勢發(fā)生調(diào)整[7-9]，長江中下游干流河道崩岸險情時有發(fā)生[10-13]。2016，2017年長江中下游連續(xù)發(fā)生較大洪水，加大了長江口南支河段局部河床沖刷。根據(jù)長江水利委員會水文局長江口局歷次實測資料，太倉段上游美錦碼頭2011年-20 m等高線距碼頭前沿102 m，至2018年初已僅僅只有47 m；2011年-30 m等高線距離美錦碼頭前沿112 m，2018年初已縮短至59 m；武港碼頭前沿水下刷最深處已至設(shè)計泥面以下18m；華能港務(wù)碼頭局部水下刷深已至設(shè)計泥面以下16m，因事態(tài)緊急，華能港務(wù)公司于2017年下半年緊急拋石45萬多m3，對碼頭前沿進(jìn)行了應(yīng)急搶護(hù)。鑒于太倉段出現(xiàn)的險情，長江防總辦公室發(fā)出《關(guān)于做好長江中下游河道崩岸險情監(jiān)測預(yù)警工作的通知(長防總辦[2017]292號)》將白茆口以下新太海汽渡至瀏河口列為Ⅰ級預(yù)警險工段。為摸清太倉險工段最新情況，探究太倉險工段最新特點及發(fā)展趨勢，長江口水文局在太倉段開展大比例尺局部地形、固定斷面及水動力數(shù)據(jù)采集，采用水下地形測量領(lǐng)域最先進(jìn)的多波速測深系統(tǒng)和水動力測量領(lǐng)域成熟應(yīng)用的ADCP儀器，獲取最準(zhǔn)確的一手資料。基于太倉險工段最新監(jiān)測數(shù)據(jù)，筆者開展了相關(guān)的分析研究工作。

1 研究區(qū)域

為全面了解太倉段長江河勢情況，根據(jù)此前地形監(jiān)測情況，自白茆口下游新太海汽渡至七丫口布置10個固定斷面，2018年在汛前、汛后觀測2次，以分析南支大河勢最新變化；自新太海汽渡至七丫口，自南岸至河道深泓，布置1∶2 000大比例地形監(jiān)測區(qū)域，2018年分別在汛前、汛中、汛后進(jìn)行3次觀測，以準(zhǔn)確了解太倉險工段最新河床沖淤變化情況；同時，在太倉沿江重要碼頭各布置一個觀測斷面，以觀測碼頭前沿局部變化情況；在白茆沙南北水道各布置一個斷面，以觀測白茆沙南北水道水動力場及分流比。現(xiàn)場觀測布置方案見圖1。本文采用的相關(guān)數(shù)據(jù)均來自長江口水文水資源勘測局。

圖1 研究區(qū)域及觀測方案布置示意Fig.1 Survey region and survey layout

2 河段水沙特性

大通為長江入海最后一個徑流控制站，大通站自20世紀(jì)50年代開始有系統(tǒng)流量數(shù)據(jù)。徐六涇站為長江上最下游的國家重要基本水文站，徐六涇站2005年建成ADCP在線測流系統(tǒng)，2009年引入OBS濁度儀，結(jié)合ADCP進(jìn)行輸沙率測驗試驗，2011年開始取得較為完整的輸沙量資料。本文以大通站水沙資料代表流域來水來沙情況，以徐六涇站的潮汐水沙數(shù)據(jù)代表本河段潮汐水沙情況。

2.1 流域來水

據(jù)大通水文站資料統(tǒng)計(圖2)，1950年以來大通站年徑流量平均值為8 954億m3，2003年以來多年平均徑流量為8 597 m3，略低于1954年以來的平均值；2010年以后大通站年徑流量平均值8 968億m3，與1950年以來的大通年徑流量持平；2018年大通徑流量為8 035億m3，比多年平均徑流量少10%，2018年長江流域來水量偏枯。從2010年以后的徑流量情況來看，2010，2012，2016年為豐水年，2011，2013，2018年為枯水年，2014，2015，2017年為平水年。長江流域來水量多年保持相對穩(wěn)定。

圖2 大通站多年徑流量變化Fig.2 Runoff variation of Datong station

2.2 流域來沙

據(jù)大通水文站資料統(tǒng)計(圖3)，1951年以來大通站年平均輸沙量為3.57億m3。但自20世紀(jì)80年代以來，長江流域來沙一直處于較低數(shù)值[9-10]，2003年三峽工程蓄水運用以后，長江流域來沙量更下降了一個臺階。2018年大通年輸沙量為0.83億t，達(dá)到歷史以來極低的來沙量水平。隨著長江中上游水土保持工作的開展及流域閘壩工程的建設(shè)和運營[14]，長江入海泥沙將長期維持在較低水平。

2.3 徐六涇潮流

自2005年以來，徐六涇斷面歷年漲潮量平均為4 140億m3，歷年落潮量平均為12 830億m3，歷年凈泄潮量平均為8 687億m3，年落潮潮量是漲潮潮量的3.1倍。歷年中2010年凈泄潮量最大，為10 440億m3。2005～2016年年潮量特征值見圖4。

歷年年均漲潮流歷時為3.84 h，年均落潮流歷時為9.18 h，平均潮流歷時落潮是漲潮的2.4倍，歷年平均潮周期為13.02 h。汛期(5～10月)平均漲潮流歷時為3.40 h，平均落潮流歷時為10.06 h；非汛期(11月至次年4月)平均漲潮流歷時為4.28 h，平均落潮流歷時為8.29 h。

圖3 大通站多年輸沙量變化Fig.3 Sediment discharge variation of Datong station

圖4 徐六涇站多年潮量變化Fig.4 Runoff variation of Xuliujing station

徐六涇站歷年平均潮位0.82 m，歷年最高潮位4.83 m(1997年)，出現(xiàn)在洪季臺風(fēng)期間；歷年最低潮位-1.26 m(1999年)，出現(xiàn)在枯季。

2.4 徐六涇輸沙

2011～2015年歷年漲潮輸沙量年平均為4 640萬t，年落潮輸沙量年平均為14 400萬t，年凈泄沙量平均為9 750萬t，年落潮潮量是漲潮潮量的3.1倍。年落潮輸沙量和凈泄沙量大小與來水量密切相關(guān)，2012年和2016年為豐水年，其對應(yīng)的年落潮輸沙量和凈泄輸沙量相對比較大。2011～2016年徐六涇斷面年輸沙量特征值變化見圖5。

圖5 徐六涇站多年輸沙量變化Fig.5 Sediment discharge variation of Xuliujing station

3 險工段最新發(fā)展

3.1 平面變化

河道平面變化主要特征表現(xiàn)為等高線的變化。2011～2018年，錢涇口至蕩茜口一帶-30 m等高線逐漸逼近南岸，且-30 m深槽向上游發(fā)展延伸；-40 m等高線變化特征依然如此，即-40 m深槽發(fā)展，且向南岸明顯逼進(jìn)，對太倉側(cè)碼頭造成安全威脅(圖6～7)。

圖6 局部-30 m等高線變化Fig.6 Local region contour line variation of -20 m

圖7 局部-40 m等高線變化Fig.7 Local region contour line variation of -40 m

2018年年內(nèi)太倉險工段局部河段-15 m等高線主要在潤禾碼頭前沿上游側(cè),其向碼頭前沿逼近非常明顯，華能太倉電廠前沿上游側(cè)-15 m等高線也大幅向碼頭逼近；-20 m等高線主要表現(xiàn)為潤禾碼頭前沿-20 m等高線向碼頭逼近；-30 m等高線主要變化位置也位于潤禾碼頭上游，向碼頭逼近明顯，正和興港碼頭以下區(qū)域-30 m深槽向下游沖刷發(fā)展；-40 m等高線依然在潤禾碼頭處等高線向碼頭側(cè)明顯逼近，-40 m等高線深槽下端依然明顯向下游沖刷發(fā)展。

3.2 斷面變化

3.2.1全江固定斷面變化

從10個固定斷面觀測結(jié)果來看，斷面變化情況主要位于太倉側(cè)河床范圍內(nèi)。以TC04斷面為例(圖8)，TC04斷面橫跨白茆沙沙體，南側(cè)位于鑫海碼頭附近，北側(cè)在新建河附近。從斷面變化情況看，白茆沙北水道深槽近年有所刷深，白茆沙南側(cè)沙體附近表現(xiàn)為向南側(cè)緩慢淤漲，白茆沙南水道深槽表現(xiàn)為持續(xù)向下沖刷特征，深槽南側(cè)向南岸沖刷后退。TC08斷面也表現(xiàn)為白茆沙南水道深槽北側(cè)向南岸淤漲，深槽底部沖刷下切，深槽南側(cè)向右岸沖刷后退的特征。

圖8 TC04和TC08斷面變化Fig.8 Section variation of TC04 & TC08

對比其他固定斷面成果發(fā)現(xiàn)，太倉境內(nèi)深槽有逐漸向南岸移動趨勢，范圍在TC03～TC08之間，即新涇河至浪港之間，這6個斷面均表現(xiàn)為：深槽左側(cè)向右淤漲，右側(cè)向岸沖刷，深槽底部刷深。這種趨勢性變化，對該段右岸碼頭群的安全穩(wěn)定影響較大。

3.2.2局部險工斷面變化

為更清楚地了解太倉側(cè)局部碼頭斷面的變化情況，在太倉側(cè)沿岸碼頭布置數(shù)個加密觀測斷面，收集2018年前的同比例尺測量成果并進(jìn)行對比。根據(jù)歷次斷面數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，太倉段局部斷面沖淤變化較快，部分碼頭前沿沖刷明顯，已危及碼頭的安全穩(wěn)定。

以潤禾碼頭和華能港務(wù)碼頭所在斷面為例(圖9)，自2015年以來，潤禾碼頭前沿河床深槽向南岸方向逼近十分明顯，2015～2018年前沿深槽槽壁向碼頭逼近了約55 m，以每年18 m的速度向碼頭推進(jìn)，至2018年11月，深槽邊緣距離潤禾碼頭前沿僅剩約30 m左右；華能港務(wù)碼頭2015年10月至2017年9月，碼頭前沿河床沖刷十分劇烈，兩年間碼頭前沿高程由-16.6 m沖刷至-32 m，深槽已推進(jìn)至碼頭前沿，碼頭安全穩(wěn)定受到嚴(yán)重的威脅。為保證碼頭的安全，華能港務(wù)碼頭運營企業(yè)主自2017年9月至2018年4月在碼頭前沿實施緊急拋石守護(hù)，拋石45萬m3。從華能港務(wù)碼頭前沿斷面變化情況來看，拋石起到了守護(hù)碼頭的作用。

圖9 局部險工斷面變化Fig.9 Variation of local dangerous sections

3.3 深泓變化

從2018年年內(nèi)太倉段局部深泓線變化情況來看，太倉段沿線深泓距太倉各企業(yè)碼頭的最近距離變化不大。局部深泓有一定變化，主要表現(xiàn)為鑫海碼頭上游端深泓向碼頭有一定幅度逼近；美錦碼頭前沿深泓也有小幅內(nèi)移；浪港以下深泓與岸線平行而下，沒有向太倉沿岸碼頭逼近的發(fā)展趨勢。

3.4 沖淤變化

根據(jù)2016～2018年期間不同測次數(shù)據(jù)構(gòu)建的DEM網(wǎng)格進(jìn)行了沖淤計算，計算結(jié)果見表1。

表1 不同時段沖淤速度Tab.1 Sediment erosion and deposition rate during different periods m/月

由計算結(jié)果可知，計算區(qū)域內(nèi)沖淤均有發(fā)生，2018年年內(nèi)沖刷主要發(fā)生在汛期(5～8月份)，且沖刷主要發(fā)生在-20～-40 m區(qū)間內(nèi)。根據(jù)沖淤計算平面分布情況，2018年發(fā)生沖刷最為明顯處位于潤禾外側(cè)，形成坑狀沖刷；華能電廠碼頭上游端外側(cè)也形成明顯局部沖刷。

根據(jù)長江口水文水資源勘測局實測水文數(shù)據(jù)，近年來白茆沙北水道漲潮分流比變化不大，多年平均近30%，但落潮分流比持續(xù)減小(圖10)：2002年9月大、中、小潮平均為39.3%，至2018年11月，白茆沙北水道落潮分流比為27%，凈泄量分流比為19.8%，白茆沙南水道落潮分流比為73%，凈泄量分流比為80.2%，均為2002年以來的最小值和最大值。

落潮分流比增大是太倉段主槽沖刷加深的客觀因素之一。

圖10 白茆沙南北水道落潮分流比Fig.10 Diversion ratio of Baimaosha channel

4 結(jié)果與討論

鑒于太倉段2018年以前施測的地形比例為1∶10 000，2018年對太倉段局部地形施測比例為1∶2 000，兩種比例尺數(shù)據(jù)采集密度不同，進(jìn)行比較會產(chǎn)生較大偏差，故本文主要以2018年施測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

自2018年以來，長江口太倉段河床發(fā)生持續(xù)沖刷，已危及部分企業(yè)碼頭安全，華能港務(wù)碼頭不得不實施緊急拋石守護(hù)。根據(jù)觀測結(jié)果，太倉段主槽持續(xù)發(fā)生沖刷，深槽向南岸逼近。太倉沿岸鑫海碼頭、潤禾碼頭、武港碼頭、華能港務(wù)碼頭前沿河槽沖刷均較為劇烈，其中潤禾碼頭2018年8月至11月深槽向碼頭方向逼近了約15 m，最大沖深約7 m，沖刷發(fā)展極為迅速。根據(jù)白茆沙斷面水文測驗數(shù)據(jù)分析，該區(qū)域落潮歷時約為漲潮歷時的2倍，落潮流極大值、平均值均大于漲潮流，即落潮流為太倉河段河床主要造床動力。根據(jù)實測流速分布(圖11)，落急時南岸潤禾碼頭所在位置垂線流速分布，底部流速大于上層流速，河槽底部受沖明顯。該斷面流速分布特點揭示了潤禾碼頭位置底床劇烈沖刷的物理原因。

近些年來，長江口地區(qū)先后完成了太倉邊灘系列整治工程、白茆沙整治工程等工程，長江口段河道邊界也隨之發(fā)生了變化。長江口局基于Delft 3D水動力FLOW模塊，建立了長江口三維水動力模型，模擬白茆沙整治工程、太倉邊灘整治工程修建前后同等來水條件下，太倉河段水動力的變化情況。根據(jù)模型試驗結(jié)果，白茆沙整治工程、太倉邊灘整治工程修建后，隨著上游來水量的增大，相同潮型下落急時刻流速增大，漲急流速減小，流速增大的區(qū)域主要集中在新涇河和蕩茜口之間，流速增大幅度在10%～25%左右；太倉河段流向同樣發(fā)生變化，近岸斷面位置落急流向增大，如潤禾碼頭近岸枯水年枯季落急流向增大達(dá)14°，落急流向的增大造成向岸的沖刷，這也印證了當(dāng)前潤禾碼頭一帶碼頭前沿河床快速沖刷的部分成因。

圖11 白茆沙南斷面落急流場斷面分布(單位：m/s)Fig.11 Velocity distribution of south Baimaosha channel

2018年為枯水年，太倉河段沿岸碼頭尚且發(fā)生較為明顯的沖刷，可以預(yù)見的是，如果上游來水量增加，太倉河段沖刷險情將會加劇，建議相關(guān)管理部門高度重視本區(qū)段發(fā)生的新險情，盡快研究應(yīng)對措施，以保障沿岸碼頭的安全穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

(1) 近年監(jiān)測成果顯示，長江口太倉河段深槽有逐漸向南岸移動趨勢，范圍在新涇河至浪港之間，斷面形態(tài)上表現(xiàn)為深槽左側(cè)向右淤漲，右側(cè)向岸沖刷；平面形態(tài)上表現(xiàn)為-30 m、-40 m深槽首末兩端均有沖刷發(fā)展壯大趨勢。這種宏觀河勢變化對該段右岸碼頭群的安全穩(wěn)定影響較大。

(2) 太倉段險工近期發(fā)展特點為一致性的深槽沖刷南移，部分?jǐn)嗝嫔畈巯蛱珎}碼頭側(cè)推進(jìn)明顯(如美錦碼頭、萬方碼頭、潤禾碼頭)；部分?jǐn)嗝嫔畈垡褳l臨碼頭前沿，對碼頭安全穩(wěn)定正產(chǎn)生威脅，且還處于沖刷發(fā)展趨勢(如武港碼頭、華能港務(wù)碼頭)。

(3) 新時期流域來水來沙條件發(fā)生變化，長江口太倉河段白茆沙南北汊道分流比也發(fā)生新的變化，白茆沙南水道近期分流比逐漸增大，2018年11月白茆沙南水道分流比達(dá)到2002年以來的最大值，未來太倉段河槽受沖的局勢將持續(xù)下去。

(4) 2018年為枯水年，太倉險工段依然發(fā)生明顯沖刷，在白茆沙南水道分流比持續(xù)增大、上游來水量增加的情況下，太倉河段沖刷險情將加劇，給太倉沿線碼頭工程造成更大威脅，相關(guān)管理部門和險工位置所在碼頭企業(yè)需引起足夠的重視。