(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司 江河整治公司，湖北 武汉 430010；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

长江口北支下段平面形态探讨

陈正兵1陈前海1侯卫国1闻云呈2陈黎明2

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司江河整治公司，湖北武汉430010；2.南京水利科学研究院，江苏南京210029)

基于潮汐河口河相关系理论与北支近期河道演变分析结果，在长江口综合整治开发规划成果基础上，针对北支下段拟定了3种平面形态改善方案；基于长江口平面二维水沙盐数学模型，分析了3种方案减缓北支河道淤积与控制咸潮倒灌南支的效果。结果表明，方案一对减缓北支淤积萎缩较为有利，方案三对控制北支咸潮倒灌效果最明显。研究成果可为长江口综合整治提供参考。

河道演变；平面形态；河道淤积；咸潮倒灌；方案研究；长江口北支

1 研究背景

20世纪50年代以来，长江口北支已演变为涨潮流占优势的河道，总体呈现缓慢淤积萎缩态势[1]。枯季大潮期，涨潮时潮波剧烈变形，高盐度、高含沙的潮流倒灌南支，对南支水源地产生不利影响。为延缓北支淤积萎缩速率，减轻咸潮倒灌南支，国务院2008年批准的《长江口综合整治开发规划》提出了北支上段疏浚、中下段缩窄的近期整治工程措施，并建议远期在中缩窄工程基础上，继续深入研究北支建闸以及顾园沙潜堤等口门拦沙措施的工程效果及相关影响[2]。

近年来，长江口地区实施了大量的岸线调整工程、河势控制工程及航道整治工程，北支岸线明显缩窄，河道边界条件发生显著改变[3]，北支喇叭口平面形态进一步加剧(见图1)。咸潮倒灌南支呈加剧趋势。2014年，陈行水库受咸潮影响长达13 d 23 h，创历史之最。因此，为寻找进一步延缓北支淤积萎缩速率和减轻咸潮倒灌南支的治理方案[1]，在长江口综合整治规划基础上，深入研究来水来沙和河道边界条件变化下长江口北支改善平面形态治理方案是十分必要的。

2 治导线研究

治导线为河势控制工程实施后河道稳定平面形态轮廓线，其确定多以合理河宽为基础。合理河宽作为河道断面特征的一个重要要素，可通过反映多年平均的平衡河道断面特征与动力因素(径流、潮量及含沙量等)的河相关系来确定。窦国仁在总结前人研究成果的基础上，从流域、河流和河口的整体观点出发，应用河流动力学的基本规律和方法，基于河床最小活动性假说，从理论上建立了潮汐河口的河相关系式，并利用包括钱塘江、射阳江、长江和黄河等在内的无潮河流和潮汐河口实测资料进行验证，公式具有广泛的适用性。窦国仁河相关系包括水深和河宽两个独立关系式[4]：

(1)

(2)

图1 长江口北支河势(基于2013年地形数据)(上段：进口至大新河 中段：大新河至三条港 下段：三条港至顾园沙)

根据近年来北支实测水文资料，连兴港断面大潮落潮平均流量为32 000～37 000 m3/s；大潮落潮平均含沙量为1.4～2.1 kg/m3，悬沙中值粒径为0.007～0.008 mm，床沙中值粒径为0.01～0.02 mm。基于窦国仁河相关系式，不同含沙量条件下连兴港断面河宽随流量变化关系见图2。

图2 不同含沙量条件下连兴港河宽随涨落潮流量变化

从图2可以看出，连兴港断面现状河宽(约7.85 km)远大于计算河宽。考虑连兴港所在断面崇明北缘不断淤积、断面整体萎缩的事实，可推断连兴港断面实际河宽大于现状水沙条件所需河宽，该断面存在进一步缩小的空间。断面缩窄后，河道水沙条件随之发生变化，进而影响断面的河宽和水深。根据数值模型和物理模型相关结果[5]，连兴港河宽缩窄至6.5 km，落潮平均流量减少约13%。图2所示为连兴港断面河宽与落潮平均流量关系(假定河宽缩窄与涨潮量减少呈线性关系)。随着断面河宽缩窄，落潮平均流量减少；落潮平均流量减小则断面所需的河宽减小，河宽减小进一步导致落潮平均流量减小，落潮平均流量与河宽相互作用。黑粗实线与4条虚线的交点即为连兴港缩窄后的合理河宽，为5.8～6.3 km。

基于连兴港合理河宽与启东港河宽，计算得出连兴港至启东港放宽率为2.6%～2.9%。以此放宽率为基础，推求顾园沙头部所在断面合理河宽约为6.3～6.9 km。

图3 治导线布置方案

根据上文合理河宽研究结果，考虑北支下段河道演变趋势，提出了3种治导线布置方案，见图3。

(1)方案一。顾园沙成岛。目前顾园沙南北两侧河槽较深且呈现冲刷趋势，中缩窄工程后顾园沙南侧进一步冲刷，顾园沙沙体略有淤积，呈现单独圈围成岛的可能。该方案基本沿-2 m等高线布置治导线、修建围堤。方案实施后顾园沙断面河宽为12.0 km，0 m以下过流断面面积减小5.9%。

(2)方案二。顾园沙并北岸。基于顾园沙成岛方案，在顾园沙北侧深槽修建阻水坝，阻断北侧水流，阻水坝轴线沿顾园沙头部与连兴港外堤线的连线，同时沿崇明岛北缘-4 m等高线布置治导线，修建导堤，导堤长约16.8 km；方案实施后顾园沙断面河宽为6.5 km，0 m以下过流断面面积减小44%。

(3)方案三。顾园沙并南岸。基于顾园沙成岛方案，在顾园沙南侧深槽修建阻水坝，阻断南侧水流，阻水坝轴线走向与北岸岸线保持一致，北岸连兴港外修建导堤，长约6.0 km；方案实施后顾园沙断面河宽为5.5 km，0 m以下过流断面面积减小60%。

3 河道淤积减缓效果

本次采用的数学模型多次应用于长江口整治研究，在此对模型原理、计算方法及率定验证过程等不再作详细介绍。模型范围上游为江阴，口外至东经124°。模型上游边界为根据长江上游以三峡水库为核心的控制性水库运用后的水沙条件，采用三峡水库至长江口徐六泾一维水沙数学模型，计算出1991～2000年(三峡水库及上游水库群联合调度)长时间系列的江阴水沙过程。外海边界采用调和常数法给定与上游边界同时期的外海潮位过程。运用模型来计算基础方案(考虑北支中缩窄工程)和3种治导线布置方案下北支河床演变。

为便于分析不同方案实施后河床冲淤量的变化，在北支河段选取6个区域进行系列年后河床冲淤分析。

表1 系列水沙年条件下各区域河床冲淤量统计 万m3

注：“+”表示淤积，“-”表示冲刷。

现状条件系列水沙年后北支戤滧港以上河段河床冲淤变化较小，其中上段总体淤积，中段冲刷，下段淤积，戤滧港以下冲刷。方案一实施后北支河道冲淤变化主要表现为顾园沙附近有明显冲刷，其他各段冲淤变化不大。方案二实施后北支河道冲淤量的变化主要表现为北支上段淤积量有所减小，中下段因涨落潮流速的大幅减小，河床淤积明显，戤滧港以下冲刷较明显。方案三实施后北支上段淤积量有所减小，中下段因涨落潮流速的大幅减小，河床总体有所淤积；戤滧港以下冲刷较明显，但冲刷明显小于方案二。

图4 系列水沙年条件下3种方案引起的河床冲淤情况

系列水沙年下不同方案引起的冲淤变化见图4。方案一引起的冲淤变化主要集中在顾园沙附近。方案一实施后，北支沿程涨落潮流量及流速变化较小，引起的冲淤变化也较小。顾园沙圈围边缘总体有所冲刷，北侧通道内略有淤积，南侧变化较小。方案二实施后，灵甸港以上河床略有冲刷；灯杆港-崇启大桥附近工程引起的冲淤交替分布；崇启大桥-连兴港附近总体呈现淤积的态势；两导流堤间呈现冲刷趋势，北侧掩护区内呈现较大的淤积。方案三实施后，随着北支出口涨潮量携带进入泥沙的减少，青龙港以上河床略有冲刷；青龙港-崇启大桥附近工程引起的冲淤交替分布，总体略有淤积；崇启大桥-连兴港附近总体呈现淤积的态势；北支口外，两导流堤间呈现冲刷的趋势，掩护区内呈现较大的淤积。

总体看来，方案一对北支河床冲淤影响不大；方案二、三对北支下段影响较大，特别是两导流堤内冲刷明显，三条港至连兴港明显淤积，对北支下段河道明显不利。

4 咸潮倒灌控制效果

2014年2月长江口发生了较为严重的咸潮入侵。利用此次测验资料对不同方案下南、北支的盐度变化情况进行对比分析。

表2给出了3种方案下北支崇头、青龙港、三条港、连兴港，南支青草沙、陈行和东风西沙等主要水源地及典型站点在2014年2月盐度的最大值与平均值。可以看出，①方案一北支4个站点盐水浓度与现状比较一致；②方案二北支三条港、连兴港受南支低浓度盐水的影响，低于现状工况，此时南支盐水浓度情况与现状工况最为接近；③方案三北支受到北部高浓度盐水的影响，高于现状工况。从南支主要水源地的盐度变化看，方案三北支盐水浓度较高，但受潮动力减弱的影响，南支水源地的盐水浓度下降明显。

表2 主要水源地及站点盐度变化比较

表3 北支进口盐度通量变化比较

表3为在2014年2月小潮、中潮、大潮期间，3种方案下北支进口盐度通量的变化情况。北支倒灌南支的盐度通量大潮最大，中潮其次，小潮最小。3种方案下，北支进口断面咸潮倒灌的盐度通量均有所降低，其中方案二的盐度通量与现状工况最为接近，其次方案一和方案三盐度通量减少最多，小潮减少最多在36%左右，与3种方案下南支各站点的盐度变化趋势一致。

5 方案比较

从减缓河道淤积效果来看，方案一北支进口段处于淤积状态；方案二、三，北支进口段仍处于淤积状态，但淤积量有所减小。基础方案条件下，北支中段处于冲刷状态，方案一、二、三下北支中段仍处于冲刷，且变化幅度不大；北支三条港-戤效港受不同方案影响明显，方案一该段略有冲刷，但方案二、三该段明显淤积，且方案三淤积量大于方案二；戤滧港以下段，方案一与基础方案比较一致，方案二、三在导流堤作用下河床明显冲刷，导流堤掩护区明显淤积。

从控制咸潮倒灌效果来看，3种方案实施后，北支进口咸潮倒灌的盐度通量均有所减小，其中，方案三盐度倒灌通量减小最多，约为21.9%，方案一盐度倒灌通量减小约12.6%，方案二盐度倒灌通量减小约6.6%。从南支重要水源地盐度变化情况来看，方案三南支各水源地盐度平均值降低最多，约为24.48%。方案一南支各水源地盐度平均值降低约16.5%，方案二南支各水源地盐度平均值略有增大，约增加5.1%。南支各水源地盐度变化规律与北支进口咸潮倒灌盐度通量密切相关，盐度倒灌通量越大，南支水源地盐度值越高。可以看出，方案三对控制咸潮倒灌和降低南支各水源地盐度值最为有利。

6 结 语

本文基于北支河道演变分析与河相关系理论提出针对北支3种平面形态改善方案，并以水沙盐数学模型为手段，对比分析了3种方案对减轻河道淤积与控制咸潮倒灌的效果。分析结果表明，方案一对北支河床冲淤变化影响不大，方案二、三北支下段淤积加重，导流堤间明显冲刷。方案三控制咸潮倒灌效果最好，南支水源地盐度值明显降低，但受连兴港北沿高盐度潮流影响，北支盐度值较高。

[1] 王俊, 田淳, 张志林. 长江口河道演变规律与治理研究[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2013.

[2] 长江水利委员会.长江口综合整治开发规划报告[R].武汉,长江水利委员会，2008.

[3] 陈正兵,陈前海,谢作涛.长江口北支近期水沙特性及河道演变特征[J].人民长江, 2016,47(23):5-9.

[4] 窦国仁.平原冲积性河流及潮汐河口的河床形态[J] .水利学报, 1964(2):1-13.

[5] 长江勘测规划设计研究有限责任公司.长江口北支近期河道综合整治工程可行性研究报告[R].武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司,2016.

(编辑：李晓濛)

2017-09-15

长江口重大工程安全风险评估及调控技术(2017YFC0405404);变化环境下长江江苏段河道演变规律及综合治理关键技术研究(2015004)

陈正兵,男,长江勘测规划设计研究有限责任公司江河整治公司，高级工程师.

1006-0081(2017)11-0064-05

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