福姜沙河段輸沙、 邊灘輸移特征和動(dòng)力機(jī)制研究*

劉高峰， 王統(tǒng)澤

(上海河口海岸科學(xué)研究中心， 上海201201)

福姜沙水道位于長江下游南京—瀏河口段中部的澄通河段， 上起江陰大橋， 下至九龍港， 全長約40 km。 進(jìn)口鵝鼻嘴處江面寬度僅1.4 km，長江主流經(jīng)過鵝鼻嘴后， 被福姜沙分為左右兩汊，右汊為鵝頭形彎道。 福姜沙左汊寬淺順直， 后被雙澗沙分為福北水道和福中水道(圖1)。 福中、福北水道受豐枯水文年和雙澗沙頭左右擺動(dòng)的影響， 兩者此消彼長； 福中水道興衰與雙澗沙頭上下、 左右移動(dòng)關(guān)系密切， 具有豐興枯衰(或豐淤枯沖)的特征[1]。 福北水道后連接如皋中汊， 福中水道至福姜沙尾與福南水道合并進(jìn)入瀏海沙水道；如皋中汊為左汊， 瀏海沙水道為右汊； 瀏海沙水道和如皋中汊匯合在九龍港導(dǎo)流岸壁頂沖進(jìn)入通州沙水道。 因此形成長江下游典型的多級分汊多級匯流的復(fù)雜河勢格局， 故而各汊道輸沙和演變特征對于航道的演變發(fā)育意義重大。

圖1 福姜沙河段和靖江邊灘沙體斷面

福姜沙水道是南京以下河段航道治理的難點(diǎn)，也是長江口深水航道進(jìn)一步向上延伸的關(guān)鍵控制河段之一。 在長江南京以下12.5 m 深水航道建設(shè)一期工程的雙澗沙護(hù)灘工程的基礎(chǔ)上， 交通運(yùn)輸部實(shí)施了長江南京以下12.5 m 深水航道建設(shè)二期工程， 對福姜沙水道等礙航水道實(shí)施整治工程，整治工程包括雙澗沙護(hù)灘工程基礎(chǔ)上堤頭加長和兩側(cè)增加丁壩， 福姜沙左緣設(shè)置4 座護(hù)灘丁壩[2]。福姜沙水道的靖江灘下段出現(xiàn)周期性淤漲和切割下移， 易侵入福北水道， 以至于福北水道航槽淤淺導(dǎo)致水深不足， 因此， 福北水道易于淤積、 較難維護(hù)[3]。 在航道整治工程作用下， 仍需要對航槽邊緣及航槽內(nèi)淤淺部位進(jìn)行疏浚， 以實(shí)現(xiàn)航道建設(shè)尺度目標(biāo)。 因此研究靖江邊灘的切割下移規(guī)律有助于對淤積規(guī)律的理解及航道維護(hù)的安排。

邊灘和心灘底沙輸移運(yùn)動(dòng)一直是研究上的難點(diǎn)。 由于缺乏比較可靠、 準(zhǔn)確的現(xiàn)場測驗(yàn)儀器和方法， 底沙輸移測量一直是水文測量難點(diǎn)， 往往是通過測量現(xiàn)場沙波運(yùn)動(dòng)等間接方式進(jìn)行分析計(jì)算[4]。 韓玉芳等[5]通過局部模型底沙輸移試驗(yàn)對長江口南港和南北槽分流口現(xiàn)狀情況下的底沙輸移進(jìn)行了定量研究。 張世釗等[6]通過定床潮流及輸沙試驗(yàn)對福姜沙深水航道整治方案引起汊道分流及分沙變化進(jìn)行研究。 這些研究表明， 通過選擇合適的模型沙進(jìn)行定床輸沙試驗(yàn)不失為進(jìn)行底沙輸移研究的一種重要手段。

鑒于靖江邊灘切割沙體的運(yùn)動(dòng)對于本河段航道演變存在重要影響， 本文聚焦于研究靖江邊灘沙體的運(yùn)動(dòng)速度、 動(dòng)力機(jī)制和驅(qū)動(dòng)因子的關(guān)系。本文的創(chuàng)新性在于根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了靖江邊灘是以整體沖刷還是以下段切割下移方式運(yùn)動(dòng)的臨界流量， 總結(jié)靖江邊灘輸移速度和主要驅(qū)動(dòng)因子之間的函數(shù)關(guān)系， 并通過三維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算含沙量和切應(yīng)力過程， 指出福北水道易于淤積、 較難維護(hù)的動(dòng)力原因。

1 研究方法

1.1 實(shí)測資料分析

在靖江邊灘沙體尾部切割下移運(yùn)動(dòng)的路徑上截取一個(gè)斷面AB(圖1)。 切割2010—2015 年期間各地形得到各年水深隨時(shí)間變化曲線， 見圖2。

圖2 2010—2015 年水深的變化曲線

由圖2 可見， 靖江邊灘切割沙體開始是一個(gè)峰值和重心都比較高的沙波， 隨時(shí)間逐步向下游運(yùn)移， 沙波的峰值和重心高度不斷降低， 明顯表現(xiàn)出切割沙體向下游運(yùn)移的過程， 而且運(yùn)移速度表現(xiàn)出先快后慢、 由快變慢的變化特征。

1.2 物理模型沖刷輸沙試驗(yàn)

設(shè)計(jì)3 個(gè)不同流量在長江口整體物理模型上開展沖刷試驗(yàn)， 以研究流量對于靖江邊灘沙體沖刷位置和幅度的影響。 3 個(gè)試驗(yàn)方案的上游大通流量分別為4 萬、 5 萬和7 萬m3∕s。 模型上福姜沙河段采用2014 年7 月地形， 控制潮型采用經(jīng)過驗(yàn)證的大潮。 為了便于觀測和記錄， 在物理模型中繪制鋪沙位置進(jìn)行網(wǎng)格化(圖3)， 橫向每排5 個(gè)網(wǎng)格， 縱向10 排， 總50 個(gè)網(wǎng)格。 每個(gè)網(wǎng)格物理模型上的面積為0.06 m2， 共3 m2， 鋪沙厚度為2 cm， 總共鋪模型沙體積為0.06 m3。

圖3 福姜沙河段鋪沙位置

在模型上福姜沙河段的靖江邊灘沙體鋪沙，然后在試驗(yàn)過程中模型運(yùn)行每隔2 個(gè)潮周期(約32 min)對靖江邊灘鋪沙區(qū)域的沖刷情況進(jìn)行拍照。

1.3 三維潮流泥沙模型計(jì)算

本文采用三維潮流泥沙ECOM-si 模型， 已建立了1 個(gè)福姜沙河段局部模型， 模型的邊界是從上游長江大通站—下游徐六涇河段。 模型中垂線水深分11 層，I方向節(jié)點(diǎn)數(shù)為337，J方向的節(jié)點(diǎn)數(shù)為225， 共75 825 個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。 對福姜沙河段進(jìn)行局部加密， 最小網(wǎng)格間距為55 m， 能夠較好地貼合岸線和模擬工程。 模型計(jì)算了逐時(shí)含沙量場和切應(yīng)力場， 可用于分析該河段泥沙輸移特征。

2 結(jié)果和分析

2.1 靖江邊灘切割沙體運(yùn)移和驅(qū)動(dòng)因子的關(guān)系

沙體運(yùn)動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)因子是作用在沙體上的切應(yīng)力， 其大小和該河段徑流的大小、 潮差、 沙體迎水面高程和沙體迎水剖面傾角有關(guān)系。 潮差是周期性的物理變量， 所以從更長時(shí)間角度來看，潮差影響可以忽略。 為了研究切割沙體峰值的運(yùn)移速度和驅(qū)動(dòng)因子的關(guān)系， 首先定義沙體曲線斷面的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的起點(diǎn)距差定義為x， 水深之差h， 則沙體迎水面形態(tài)坡度tanα=。 沙體運(yùn)動(dòng)主要與徑流大小、 沙體高程和沙體迎水剖面傾角正切值有關(guān)系， 可以概括如下:

式中:Stop為切割沙體斷面的峰值移動(dòng)速度；Qfz為該河段徑流量；h為沙體迎水面高程； tanα 為沙體迎水面形態(tài)坡度。 根據(jù)多年資料計(jì)算福左水道徑流量Qfz， 計(jì)算2010—2015 年間靖江邊灘下段切割下來的沙波移動(dòng)速度、 寬度和高度， 以及沙波迎水面坡度tanα， 令綜合驅(qū)動(dòng)因子X=Qfzh·tanα，X與Stop關(guān)系見圖4。 最后可得到沙體波峰移動(dòng)速度Stop與沙體高度h， 沙體引水面坡度傾角α 和福左斷面流量Qfz之間的關(guān)系:

圖4 沙體移動(dòng)速度和綜合驅(qū)動(dòng)因子的關(guān)系

以上關(guān)系式是沙體移動(dòng)速度的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)， 雖然還存在量綱不統(tǒng)一的問題， 但可以用做一些定性和定量分析。 對于研究靖江邊灘沙尾不斷淤漲后再一次發(fā)生切割下移， 以上關(guān)系式可以用來預(yù)測切割的沙體的運(yùn)動(dòng)速度。

2.2 靖江邊灘沖刷切割和上游流量的關(guān)系

2.2.1 7 萬m3∕s 流量試驗(yàn)結(jié)果

在上游7 萬m3∕s 流量試驗(yàn)中， 每2 個(gè)潮周期(模型運(yùn)行時(shí)間約32 min)對靖江邊灘鋪沙區(qū)域進(jìn)行拍照， 即對第2、 4、 6……14、 16 個(gè)潮周期后試驗(yàn)沖刷情況拍照。 據(jù)觀察， 在上游流量為7 萬m3∕s的情況下靖江邊灘的沖刷非常劇烈， 鋪沙區(qū)域在16 個(gè)潮周期后基本上沖刷殆盡， 模型上殘留的模型沙見圖5， 鋪沙區(qū)域基本上沖刷殆盡，僅有個(gè)別網(wǎng)格上殘存模型沙。

圖5 模型運(yùn)行16 個(gè)潮周期后沖刷情況(7 萬m3∕s 流量)

2.2.2 5 萬m3∕s 流量試驗(yàn)結(jié)果

在上游5 萬m3∕s 流量試驗(yàn)中每2 個(gè)潮周期對靖江邊灘鋪沙區(qū)域進(jìn)行拍照， 即對第2、 4、6 ……38、 40 個(gè)潮周期后拍照， 第40 個(gè)潮周期試驗(yàn)結(jié)束后模型上殘留的模型沙見圖6， 可見鋪沙區(qū)域大部分被沖掉， 僅有若干網(wǎng)格上殘存模型沙。

圖6 模型運(yùn)行40 個(gè)潮周期后沖刷情況(5 萬m3∕s 流量)

2.2.3 4 萬m3∕s 流量試驗(yàn)結(jié)果

在上游4 萬m3∕s 流量試驗(yàn)中每4 個(gè)潮周期對靖江邊灘鋪沙區(qū)域進(jìn)行拍照， 即對第4、 8、12……36、 40 潮周期后進(jìn)行拍照， 第40 個(gè)潮周期試驗(yàn)結(jié)束后模型上殘留的模型沙見圖7， 可見模型上段網(wǎng)格上殘留了較多模型沙， 下段網(wǎng)格大部分模型沙沖光， 部分網(wǎng)格殘留了一些模型沙。

圖7 模型運(yùn)行40 個(gè)潮周期后沖刷情況(4 萬m3∕s 流量)

根據(jù)試驗(yàn)中的觀察以及圖5 ～7 的對比可知:上游7 萬m3∕s 流量的情況靖江邊灘泥沙沖刷最劇烈， 在上游5 萬m3∕s 流量的情況下， 沖刷強(qiáng)度下要大幅弱于上游7 萬m3∕s 流量的情況， 但是沖刷發(fā)生部位基本相似， 表現(xiàn)在鋪沙區(qū)上段先沖刷較多， 然后逐步發(fā)展到下段沖刷。 在上游4 萬m3∕s流量的情況下， 靖江邊灘的沖刷強(qiáng)度要弱于前兩個(gè)流量的情況， 沖刷規(guī)律也有較大差異， 表現(xiàn)在上段沖刷較弱， 下段沖刷更強(qiáng)， 也就是說鋪沙區(qū)上段沖刷不強(qiáng)， 其發(fā)生沖刷的部位主要出現(xiàn)中下部， 并形成明顯的沖刷帶， 模型上最終殘留的泥沙較多。

總之， 鋪沙區(qū)的泥沙沖刷強(qiáng)度、 沖刷重點(diǎn)部位和流量關(guān)系密切， 上游5 萬和7 萬m3∕s 流量呈現(xiàn)從上往下沖刷過程， 而上游4 萬m3∕s 流量上段沖刷較弱， 下段沖刷強(qiáng)度更大并形成明顯的沖刷帶。 流量變大會導(dǎo)致這一帶的河床調(diào)整變化會比較劇烈， 而且流量越大這一區(qū)域河床調(diào)整力度也越大。

2.2.4 沖刷試驗(yàn)結(jié)果和機(jī)理分析

統(tǒng)計(jì)3 種流量情況下在記錄的試驗(yàn)周期內(nèi)鋪沙區(qū)沖刷的模型泥沙體積， 繪制出模型上沖刷的模型沙量隨著時(shí)間變化的過程見圖8。

圖8 3 種流量下泥沙沖刷隨時(shí)間變化

通過對比可知， 上游為7 萬m3∕s 流量時(shí)曲線斜率最大， 說明沖刷速率最大， 在第15、 16 個(gè)潮周期時(shí)， 模型上的泥沙已經(jīng)接近沖刷殆盡。 上游為5 萬m3∕s 流量時(shí)曲線斜率次之， 說明沖刷速率介于7 萬m3∕s 和4 萬m3∕s 流量之間， 在最后2 個(gè)潮周期沖刷量比較穩(wěn)定， 說明沖刷達(dá)到平衡。 上游為4 萬m3∕s 流量時(shí)曲線斜率最小， 說明沖刷速率最小， 最后3 個(gè)潮周期沖刷量較為穩(wěn)定， 說明沖刷達(dá)到平衡。 通過對比可知， 靖江邊灘的沖刷強(qiáng)度和流量關(guān)系非常緊密， 流量大沖刷強(qiáng)度就大，流量小則沖刷強(qiáng)度小。

究其原因， 上游流量越大福姜沙河段主動(dòng)力軸線就越趨直， 流量越小福姜沙河段主動(dòng)力軸線就會向左側(cè)偏轉(zhuǎn)， 由此導(dǎo)致了靖江邊灘沖刷位置和程度不同。 流量大時(shí)主動(dòng)力軸線雖然趨直， 但是水流在邊灘灘面產(chǎn)生的切應(yīng)力非常大， 從而導(dǎo)致靖江邊灘沙體整體沖刷強(qiáng)度大， 從而產(chǎn)生大面積快速沖刷。 而上游流量越小的時(shí)候水流在邊灘灘面的切應(yīng)力相對減小， 但流量越小導(dǎo)致的主動(dòng)力軸線越向左側(cè)偏轉(zhuǎn)， 其產(chǎn)生的頂沖點(diǎn)就直接對準(zhǔn)靖江邊灘沙下段， 產(chǎn)生了下段沖刷強(qiáng)度大于上段的現(xiàn)象。 因此靖江邊灘的發(fā)育、 切割下移等周期性變化主要驅(qū)動(dòng)因子為福姜沙左汊的主動(dòng)力軸線擺動(dòng)以及相應(yīng)的頂沖點(diǎn)移動(dòng)， 上游流量大于4 萬m3∕s靖江邊灘沙會出現(xiàn)整體沖刷下移， 而上游流量等于4 萬m3∕s 時(shí)靖江邊灘沙下段會出現(xiàn)切割下移。 因此初步證明， 靖江邊灘沙是以整體沖刷下移還是以下段切割下移的方式運(yùn)動(dòng)的臨界流量為4 萬m3∕s左右。

總之， 因?yàn)樯嫌瘟髁看笮≈苯佑绊憚?dòng)力軸線的擺動(dòng)， 在新水沙條件下， 極值流量(7 萬m3∕s)持續(xù)時(shí)間減小， 而次級流量(5 萬m3∕s)持續(xù)時(shí)間延長。 次級梯級流量的持續(xù)時(shí)間延長導(dǎo)致了其動(dòng)力軸線及頂沖點(diǎn)維持時(shí)間增加， 從而導(dǎo)致靖江邊灘下段的切割程度加劇， 從而進(jìn)一步影響下游航道演變。

2.3 不同流量下福姜沙河段切應(yīng)力和含沙量關(guān)系

根據(jù)實(shí)測水文資料可知， 總體上福姜沙河段的含沙量比較小， 大潮時(shí)段垂線平均含沙量在0.1 kg∕m3以內(nèi)。 文獻(xiàn)[6]表明， 該河段主要是床沙以推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行造床。 含沙量和推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱主要取決于水流動(dòng)力， 含沙量的平面分布和輸移形式在一定程度上代表推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的趨勢， 因此研究含沙量輸移分布對于研究推移質(zhì)輸移有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

水流作用于床面的切應(yīng)力是泥沙起動(dòng)輸移的直接動(dòng)力因子， 潮流泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算了4 萬和6 萬m3∕s 流量下的底層含沙量和切應(yīng)力的分布， 見圖9。

圖9 上游4 萬和6 萬m3∕s 流量下含沙量和切應(yīng)力

由圖9 對比可知: 在上游4 萬m3∕s 流量條件下， 河床切應(yīng)力和含沙量均略有增加； 在上游6 萬m3∕s流量條件下， 河床切應(yīng)力和含沙量都大幅增加。

從平面分布上來看， 在空間上河床切應(yīng)力較大值主要集中河槽深處， 在時(shí)間上出現(xiàn)在落急前后。 在空間上含沙量較大值主要出現(xiàn)在靖江邊灘—福左水道一帶， 時(shí)間上主要出現(xiàn)在落急之后。因此， 含沙量和切應(yīng)力極大值在空間上并不呈現(xiàn)嚴(yán)格的對應(yīng)性， 切應(yīng)力增大掀起泥沙后再由潮汐動(dòng)力輸移， 泥沙輸移有自身的規(guī)律特點(diǎn)。 在小流量時(shí)輸沙路徑靠南， 福中水道為主要輸沙通道， 而大流量時(shí)輸沙路徑靠北。 因此， 靖江邊灘—福左水道—福北水道一帶是主要的輸沙通道， 也說明是底沙的主要輸移通道。 當(dāng)大洪水持續(xù)作用下， 因?yàn)橛泻芏嗄嗌尺M(jìn)入福北水道， 所以容易出現(xiàn)大幅淤積。 因此， 上游流量大小是福姜沙河段輸沙主要的動(dòng)力因子， 也是其河床調(diào)整變化的主要?jiǎng)恿σ蜃印?/p>

3 結(jié)論

1)切割沙體的峰值和重心移動(dòng)速度及其驅(qū)動(dòng)因子河段徑流、 沙體迎水面高程和沙體迎水面形態(tài)等均呈正相關(guān)性， 并且總結(jié)出相應(yīng)的關(guān)系式。

2)靖江邊灘是以整體沖刷還是以下段切割下移方式運(yùn)動(dòng)的臨界流量為4 萬m3∕s。 上游流量大小直接影響動(dòng)力軸線的擺動(dòng)， 新水沙條件下次級梯級流量持續(xù)時(shí)間延長導(dǎo)致了其動(dòng)力軸線及頂沖點(diǎn)維持時(shí)間增加， 從而導(dǎo)致靖江邊灘下段的切割程度加劇， 進(jìn)一步影響下游航道演變。

3)含沙量和切應(yīng)力在空間上并不呈現(xiàn)很好的對應(yīng)性， 靖江邊灘—福左水道一帶是主要的懸沙輸沙通道， 也是主要的底沙輸移通道， 這也是這一帶河床調(diào)整變化比較劇烈的原因。 流量越大這一區(qū)域河床調(diào)整力度也越大。 上游流量大小是福姜沙河段輸沙主要的動(dòng)力因子， 也是其河床調(diào)整變化的主要?jiǎng)恿σ蜃印?/p>

4)在小流量時(shí)輸沙路徑靠南， 福中水道為主要輸沙通道， 而大流量時(shí)輸沙路徑靠北， 福北水道是主要輸沙通道。 當(dāng)大洪水持續(xù)作用下， 因?yàn)橛泻芏嗄嗌尺M(jìn)入福北水道， 所以容易出現(xiàn)大幅淤積。