闻云呈，夏云峰，张世钊

（南京水利科学研究院，南京210024）

长江南京以下深水航道建设一期工程航道设计参数和乘潮水位利用探讨

闻云呈，夏云峰，张世钊

（南京水利科学研究院，南京210024）

长江口深水航道建设三期工程已于2010年3月通过交工验收，2010年底将上延至太仓荡茜闸。为充分发挥长江口12.5 m深水航道治理工程的综合效益，尽快实现与长江口12.5 m深水航道无缝对接，实施长江口12.5 m深水航道向上延伸至南通建设工程十分必要，而航道设计参数的确定是航道建设工程的一项重要内容。文章在代表性船型确定的基础上，通过航道设计宽度、水深以及工程区域潮汐特性的分析，确定了航道设计参数。并在此基础上，探讨了一乘和二乘模式下的乘潮概率以及水位利用。航道设计参数的研究为潮位的合理利用、减少疏浚工程量、提高航道通过能力提供了技术支撑。

深水航道一期工程；航道宽度；航道水深；乘潮水位

长江口12.5 m深水航道开通能满足第三、四代集装箱船和5万t级船舶全潮双向通航的要求，同时兼顾满足第五、六代大型远洋集装箱船和10万t级满载散货船及20万t级散货船减载乘潮通过长江口的要求。为充分发挥长江口12.5 m深水航道治理工程的综合效益，适应沿江生产力发展需求，促进江苏沿江产业结构调整和提升港口综合服务能力，加快上海国际航运中心建设，深化长江三角洲及长江流域地区改革开放，促进区域经济协调发展和产业升级，尽快实现与长江口12.5 m深水航道无缝对接，实施长江口12.5 m深水航道向上延伸至南通建设工程是十分必要的。其中航道设计参数的确定是航道建设工程的一项重要内容，特别是在潮汐河口，航道设计参数的确定必须结合当地的潮汐特征、港口及航道建设情况等，合理利用潮位，优化通航方式，以达到减少疏浚工程量、提高航道通过能力的目的。本次研究分析了船舶乘潮历时、乘潮水位，优化了船舶的乘潮方式，为航道建设提供技术支撑。

1 自然条件

1.1工程河段概况

长江南京以下深水航道一期工程位于太仓～南通河段，该河段上承南通水道，下与浏河水道相连，全长约56 km（太仓荡茜闸至南通天生港区），上距南京市约250 km，下距上海市约37 km，距河口约130 km。左岸为江苏省南通市、上海市崇明县，右岸为苏州市的张家港市、常熟市与太仓市，主要由通州沙和白茆沙水道组成。

太仓～南通河段主要由通州沙水道和白茆沙水道组成。通州沙水道上起龙爪岩，下至徐六泾，全长22 km。水道进口及出口河宽相对较窄，约5.7 km，中间较宽，最大河宽达10 km以上。水道在中上段被通州沙分成东、西两水道，目前通州沙东水道为主汊，全潮分流比约在90％以上，通州沙东水道下段又被狼山沙分成东、西两水道，现狼山沙东水道为主汊，分流比约为77％。

白茆沙水道上起徐六泾，下至七丫口（位于荡茜闸下游约8 km），全长约33 km，以白茆河口为界分为徐六泾节点段和白茆沙汊道段。徐六泾节点段进口河宽约5.7 km，往下逐渐放宽，白茆河口附近河宽约7.5 km，河道南、北两岸分别为白茆小沙及新通海沙，两沙均为水下暗沙。徐六泾节点段主流多年贴南岸，过白茆小沙后北偏进入白茆沙汊道段，在白茆沙头分为两股水流分别进入白茆沙南、北水道（图1）。

图1 江阴～浏河口河段示意图Fig.1Sketch of the reach from Nanjing to Liuhekou

1.2大通站水沙条件

由图2可见，一年当中，最大流量一般出现在7、8月份，最小流量一般在1、2月份。径流在年内分配不均匀，5～10月为汛期，其径流量占年径流总量70.47％、沙量占87.24％，表明汛期水量、沙量比较集中，沙量集中程度大于水量。

图2 1951年～2014年大通站径流、输沙总量Fig.2Total amount of runoff and sediment by Datong station in 1951 to 2014

工程河段悬沙中值粒径范围为0.001～0.025 mm。河床质分析表明，本河段底沙主要是细沙，床沙粒径分布为：主槽床沙较粗，中值粒径d50=0.13～0.25 mm，江心沙滩上底沙较细，d50一般在0.1 mm。

1.3工程河段潮汐、潮流

长江口为中等强度潮汐河口，长江口南支河段潮汐属于非正规半日潮，一涨一落平均历时12 h25 min，一个太阳日24 h50 min有两涨两落，且日潮不等。每年春分至秋分为夜大潮，秋分至次年春分为日大潮。最高高潮位一般出现在8～9月份，一般为台风、大潮和大洪水遭遇形成，最低低潮位出现在4月份。最大潮差4 m以上，最小潮差0.02 m。在径流与河床边界条件阻滞下，潮波变形明显，涨落潮历时不对称，涨潮历时短，落潮历时长，潮差沿程递减，落潮历时沿程递增，涨潮历时沿程递减。工程河段自上而下以天生港、徐六泾和杨林站为代表的潮汐特征值如表1（1985～2009年）。

表1 太仓～南通河段沿程各站的潮汐统计特征（85高程）Tab.1Tide statistical characteristics by stations from Taicang to Nantong（85 Datum）m

工程河段落潮流是塑造河床的主要动力，落潮稳定期流速垂线分布总体基本符合对数分布形式，呈现上大下小的分布规律；由于主支汊动力的差异，三沙河段深槽内水流惯性大，后涨后落，滩及洲滩水流先涨先落，同时出现涨落潮主动力轴线分离现象；天生港水道进口、北支口（青龙港附近）出现涨潮的汇潮点［1］。

1.4工程河段泥沙

工程河段河床底沙中值粒径总体呈现洪季大于枯季，主槽大于滩地，上游大于下游；洪季条件下三沙河段主槽底沙中值粒径一般在0.1～0.25 mm，洲滩底沙中值粒径一般在0.01～0.08 mm；枯季条件下三沙河段主槽底沙中值粒径一般在0.1～0.2 mm，洲滩底沙中值粒径一般在0.01～0.06 mm。洪季悬沙中值粒径总体沿程变化不大，主槽和浅滩相差不大，主支汊无明显变化；枯季条件下，下游涨潮流强，受海外来沙以及底沙冲刷再悬浮影响等因素影响，徐六泾以下河段悬沙中值粒径较徐六泾以上河段粗，主槽悬沙中床沙质与冲泄质的分界粒径约0.04 mm，主槽河床造床以底沙为主，悬沙中10％～15％的床沙质参与造床，通州沙、白茆沙主槽颗粒级配曲线图见图3。

图3 通州沙、白茆沙主槽颗粒沙级配曲线Fig.3Sediment grading curve in main channels of Tongzhou and Baimao sand shoal

1.5现行的航道标准

1992年前通州沙水道最大维护尺度为8 m×200 m（水深×航宽），白茆沙水道最大维护尺度为200 m×7.1 m，1992年后通州沙水道航道维护尺度提高到8.5 m× 200 m（水深×航宽），白茆沙水道航道维护尺度仍维持7.1 m×200 m（水深×航宽）。在2003年7月1日实施长江下游江苏段船舶定线制后，主航道维护尺度均为8.5 m×500 m×1 050 m（水深×航宽×弯曲半径），水深维护保证率为98％。从2004年4月1日起，长江航道局又将龙爪岩～七丫口河段设标水深提高到9 m，设标宽度为500 m。2005年11月1日长江下游10.5 m深水航道上延工程实施完成后，两水道深水航道实际维护尺度进一步提高为10.5 m×500 m×1 050 m，白茆沙北水道为江轮航道［2］，现状维护尺度为4.5 m×500 m（表2）。

表2 太仓～南通河段计划航道尺度和水深保证率表（理论最低潮面）Tab.2Channel scale and water depth assurance rate in plan from Taicang to Nantong（theoretically lowest tide level）

2 工程河段潮位特性

2.1沿程潮汐特征变化

长江下游南京至吴淞口潮位特征见图4，从图4可以看出最高潮位通常出现在台风、天文潮和大径流三者或两者遭遇之时，其中台风影响较大。1997年8月19日农历七月十七日，11#台风和特大天文大潮遭遇，江阴站至长江口沿程各潮位站出现建站以来最高潮位；1996年八号台风，正值农历六月十七天文大潮，遭遇上游大洪水（长江大通站流量达72 000 m3/s），江阴以上三江营，镇江站出现历史上最高潮位。江阴以下台风占主要因素，江阴以上出现的最高潮位则是以上游径流加上下游的天文大潮所产的效应。

图4 长江下游南京至吴淞口各潮位站潮位特征Fig.4Tide statistical characteristics by stations from Nanjing to Wusongkou

长江口潮流界随径流强弱和潮差大小等因素的变化而变动，枯季潮流界可上溯到镇江附近，洪季潮流界可下移至西界港附近。据实测资料统计分析可知，当大通径流在10 000 m3/s左右时，潮流界在江阴以上，当大通径流在40 000 m3/s左右时，潮流界在如皋沙群一带，大通径流在60 000 m3/s左右时，潮流界将下移到芦泾港～西界港一线附近［3］。

2.2沿程潮汐特征变化

从高、低潮位与大通流量的相关关系可以看出，大通流量与沿程各站的高低潮位具有一定的相关性，且越往上游相关性越好，越往下游受潮汐影响越明显，点群有所分散，相关系数有所减小（图5）。

3 工程河段设计参数的研究

3.1设计代表船型及其建设规模

根据港口航道现状及规划情况，南京以下港区对航道均有满足5万t级海船通航的要求。一期工程河段（太仓～南通段）航道的设计船型为5万t级船舶，5万t级以上船舶作为兼顾通航船型。根据设计船型通航的要求，航道的建设规模为：满足5万t级集装箱船（吃水11.5 m）全潮、5万t级及其以上大型船舶减载乘潮双向通航，同时兼顾5万t级集装箱船与其他5万t级及以上船舶与之交会通航、适当水域可同向追越的航道（表3、表4）。

图5 大通流量与江阴、徐六泾站高低潮位相关关系Fig.5Relationship between runoff by Datong station and high and low tide level by Xuliujing and Jiangyin station

表3 工程河段设计代表船型Tab.3Representative ship scale in engineering section

表4 各航段漂移倍数n和风、流压偏角γ值Tab.4Drift multiple，wind and flow pressure slip angle of each channel reach

3.2航道的有效宽度

根据交通运输部《海港总平面设计规范》（JTJ211-99），按5万t级船舶双向通航，在各风、流压偏角情况下计算得到的航道有效宽度如表5所示。综合考虑优良深槽的合理利用以及上下航道的平顺衔接，工程河段航道有效宽度取350 m。目前定线制分道航行规定的航宽500 m，上下行航道各为200 m，中间为100 m隔离带，可满足上述要求。

表5 5万t级航道有效宽度表Tab.5Effective width of 50 000 t channel

3.3航道的设计水深

根据交通部《海港总平面设计规范》（JTJ211-99）规定，航道通航水深按下式计算。

航道通航水深：D0＝T+Z0+Z1+Z2+Z3

航道设计水深：D＝D0＋Z4

式中：D0为航道通航水深，m；T为设计船型满载吃水，m，咸淡水影响系数1.025；Z0为船舶航行时船体下沉值，m；Z1为船舶龙骨下富裕深度，m；Z2为波浪富裕深度，m；Z3为船舶装载纵倾富裕深度，m，散货船取0.15 m；D为航道设计水深，m；Z4为备淤深度，m，考虑常年维护不设备淤；航行富余水深=Z1+Z2+ Z3+Z4。

根据船舶通航特性，船舶通航水深包括船舶吃水及船舶富余水深，其中船舶富余水深中还要考虑咸淡水差超深。考虑到长江南京以下12.5 m深水航道建设一期工程（太仓～南通段）的实际情况以及江苏海事局通告（2007年第24号），就5万t集装箱船而言，咸水中净吃水11.5 m，淡水中净吃水11.79 m，航行富余水深1.43 m，航道设计水深为13.22 m。

3.4航道设计底标高的确定

航道底标高、设计底标高、通航水深和设计水深的相互关系如图6所示。不考虑备淤深度条件下，以理论最低潮面为参考理论基面，航道设计底标高ZD和航道底标高一致，ZD=D-h。h为设计潮位，相应通航保证率条件下可利用的理论最低潮面以上的设计潮位。

图6 相互关系图Fig.6Relationship map

由工程河段南通水道天生港潮位站和白茆沙水道白茆河口潮位站为代表，分析本河段通航保证率为90％和98％时可利用低水位设计值（表6）。

表6 设计潮位值（理论最低潮面）Tab.6Design tide level（theoretically lowest tide level）m

综合考虑通州沙和白茆沙水道利用潮位情况，90％通航保证率低水位设计潮位取为0.80 m，98％通航保证率低水位设计潮位取为0.55 m［4-7］。

根据相关规范，满足90％通航保证率即为满足全潮通航要求。由表7可知，在满足5万t级集装箱船（吃水11.5 m）全潮、5万t级及其以上大型船舶减载乘潮双向通航［8］，同时兼顾5万t级集装箱船与其他5万t级及以上船舶与之交会通航、适当水域可同向追越的航道的条件下，航道底标高为12.5 m。

表7 航道设计底标高（理论最低潮面）Tab.7Design of channel elevation（theoretically lowest tide level）

4 工程河段乘潮乘水利用研究

乘潮进河口到达天生港区的船舶，需要从长江口外依次通过长江口三期深水航道、吴淞口航道、宝山航道、白茆沙航道、徐六泾航道、通州沙航道到达天生港区。在乘潮通航分析时，有必要结合船舶的实际通航情况，分析计算船舶从口外至天生港区整个航道段的乘潮水位及通航方式。

长江口航路复杂，并且沿岸分布众多码头，船舶进出航道较为频繁，进出航道的船舶由于制动或提速使得航道内船舶航速存在差异。因此在乘潮历时分析计算时，有必要对复杂的航行过程进行适当概化，在此认为船舶进出长江口满足以下通航两个条件：（1）船舶进出河口航速（对地）取为12节；（2）船队进出河口时，船舶间的安全距离为1.0海里。

按《海港总平面设计规范（JTJ 211-99）》规定，乘潮时间可采用下式确定

式中：ts为乘潮时间，h；kt为时间富裕系数，取1.1～1.3；t1为每潮次船舶通过航道的持续时间，h，其中包括船舶间追踪航行的间隔时间；t2为一艘船舶在港内转头的时间，h；t3为一艘船舶靠离码头的时间，h。

在暂不考虑船舶在港内转头和靠离码头时间的情况下，根据船舶航行持续时间，并考虑1.2倍的时间富裕系数，计算得到单船或船队进出河口的乘潮历时，计算结果如表8。

表8 船舶进出河口乘潮历时计算成果Tab.8Riding tide lasted time for ships entering and leaving the estuaryh

表9 进、出港乘潮水位表（口外～天生港区）Tab.9Riding tide level for ships entering and leaving the harbor（from outside the estuary to Tiansheng Harbor）m

按航道的通航标准，除5万t级集装箱船（实载11.5 m）全潮通航外，其余5万t级及以上船型需乘潮进出港。由于从长江口口外至南通天生港区航道较长，大型船舶乘潮可考虑一潮进出港和分段乘潮进出港两种乘潮情况。

4.1口外～天生港一乘进出港乘潮分析

口外～天生港进港指船舶从长江口深水航道口外依次通过北槽三期深水航道、吴淞口航道、宝山航道、白茆沙航道、徐六泾航道、通州沙航道下段到达南通天生港区，全程约200 km。天生港～口外出港则反之，指船舶从南通天生港区出发，沿通州沙航道下段、徐六泾航道等直至长江口深水航道口外。若船舶航速按12节考虑，则航行持续时间约9 h，考虑时间富裕后取全程乘潮历时11 h。利用航道沿程天生港和牛皮礁站2003年同步全年潮位资料可得到进港不同乘潮保证率对应的乘潮水位（表9）。从工程河段的潮波特性可以看出，从口外～天生港区一次乘潮11 h基本无潮可乘。

4.2口外～天生港二乘进出港乘潮分析

（1）口外～宝北超大型锚地进、出港乘潮水位。

口外～宝北超大型锚地进、出港乘潮是指考虑利用航道中部已有的宝北超大型锚地锚泊候潮，分段乘潮通过航道。进港时从口外乘潮沿长江口三期深水航道、吴淞口航道和宝山航道，进入宝北超大型锚地锚泊候潮，待下一个涨潮过程再继续上行到太仓港或南通港。出港则反之，即从太仓港或南通港使出的船舶先乘潮到宝北超大型锚地锚泊候潮，利用下一个涨潮过程再继续驶向口外［9-10］。

从表10～表12可以看出，随着上游径流的不同，同一保证率条件下口外到超大锚地进出港所对应的潮位值有所不同，洪季、枯季相差值一般在0.3 m左右；研究表明，同一乘潮潮位条件下洪季的保证率较枯季大。

表10 进、出港乘潮水位表（口外～宝北超大型锚地、全系列）Tab.10Riding tide level for ships entering and leaving the harbor（from outside the estuary to Baobei super anchorage，all seasons）m

表11 进、出港乘潮水位表（口外～宝北超大型锚地、洪季）Tab.11Riding tide level for ships entering and leaving the harbor（from outside the estuary to Baobei super anchorage，flood season）m

表12 进、出港乘潮水位表（口外～宝北超大型锚地、枯季）Tab.12Riding tide level for ships entering and leaving the harbor（from outside the estuary to Baobei super anchorage，dry season）m

（2）宝北超大型锚地～天生港区进、出港乘潮水位。

宝北超大型锚地～天生港区进、出港乘潮是指考虑利用航道中部已有的宝北超大型锚地锚泊候潮，分段乘潮通过航道。

从表13～表15可以看出，随着上游径流的不同，同一保证率条件下口外到超大锚地进出港所对应的潮位值有所不同，洪季、枯季相差值一般在0.5～0.7 m；与口外到超大锚地进出港同一保证率下洪、枯季相差值对比表明，越往上游径流作用越加明显，由于上游径流所带来的同一保证率条件下洪、枯季进出港乘潮水位值的差值越大。研究表明，同一乘潮潮位条件下洪季的保证率较枯季大。

表13 进、出河口乘潮水位表（宝北超大型锚地～天生港区、全系列）Tab.13Riding tide level for ships entering and leaving the harbor（from Baobei super anchorage to Tiansheng Harbor，all seasons）m

表14 进、出河口乘潮水位表（宝北超大型锚地～天生港区、洪季）Tab.14Riding tide level for ships entering and leaving the harbor（from Baobei super anchorage to Tiansheng Harbor，flood season）m

表15 进、出河口乘潮水位表（宝北超大型锚地～天生港区、枯季）Tab.15Riding tide level for ships entering and leaving the harbor（from Baobei super anchorage to Tiansheng Harbor，dry season）m

5 结语

（1）研究表明，长江南京以下12.5 m深水航道建设一期工程航道设计水深约13.2 m，而太仓～南通段沿程主要潮位控制站（白茆河口和天生港）低潮90％对应的设计低水位约0.8 m，为此工程区域12.5 m的航道底标高可基本满足5万t级集装箱船全潮通航的要求。

（2）由于工程河段受上游径流、下游潮汐的共同作用，同一保证率条件下洪、枯季进出港乘潮水位值的差值越大，且洪季的保证率较枯季大。

［1］陈宗镛.潮汐学［M］.北京：科学出版社，1980.

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Investigation on channel design parameters of deepwater channel phase I project of the Yangtze River downstream Nanjing

WEN Yun⁃cheng,XIA Yun⁃feng,ZHANG Shi⁃zhao
（Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210024,China）

The deepwater channel construction phase III project of the Yangtze estuary has been acceptance checked in March 2010,the deepwater channel would be extended upward to Dangxi Gate of Taicang by the end of 2010.In order to maximize the comprehensive benefits of 12.5 m deepwater channel regulation project and achieved seamless connection with 12.5 m deepwater channel as soon as possible in Yangtze estuary,it is very nec⁃essary to implement the project of 12.5 m deepwater channel extends upward to Nantong,and an important work is to determine the channel design parameters.Based on the representative ship scale determination,through the anal⁃ysis of channel design width,depth and tidal characteristics of the project area,the channel design parameters were determined in this paper.On the basis of the above studies,tide level use and riding tide probability under one and two models were investigated respectively.Navigation standards research can provide technical support for rational tide level use,dredging amount decrease and channel transit capacity improvement.

deepwater channel phaseⅠproject;channel width;channel depth;tide riding level

U 612

A

1005-8443（2016）02-0159-07

2015-07-03；

2015-12-23

水文水资源与水利工程科学国家重点实验室基金（Y214012）

闻云呈(1979-)，男，高级工程师，主要从事河口海岸泥沙研究。

Biography：WEN Yun⁃cheng（1979-），male，senior engineer.