沈保根，徐 华，肖子平，闫杰超，杨 志，赵泽亚

(1.安徽省交通勘察设计院有限公司，合肥 230000; 2.南京水利科学研究院，南京 210029; 3.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098; 4.安徽省合肥水文水资源勘测局，合肥 230001)

2015年3月引江济淮工程项目建议书已获国务院立项批复。根据批复，引江济巢段、江淮沟通段总体按Ⅲ级航道标准建设，其中江淮沟通段派河口至东淝河段按Ⅱ级航道标准建设。马尾河口口门航道是“引江济淮”工程的重要组成部分。胡飞等[1]从航道稳定及维护量对马尾河口航道的线路优化进行了比选。同时，巢湖作为半封闭浅水湖泊，主要由风浪引起的泥沙悬浮常影响湖区航道的稳定与正常通航。历史上巢湖由于入湖河流的来沙大量输入以及部分岸滩的崩塌，造成东西湖区淤积严重，湖盆水位也明显抬高[2-4]。目前，国内对浅水湖泊水沙动力研究较多。许遐祯等[5]通过SWAN模型对太湖湖区风生浪的波普频率及对风场的敏感性进行了分析，研究也说明浅水湖流的水沙运动与风生浪密切相关。宋平等[6]分析了三峡水库运行前后洞庭湖的泥沙入湖量与淤积分布变化特性。但对于巢湖水动力特性分析及口门航道淤积分析的研究较少。顾成军等[7]定性分析了巢湖古今泥沙淤积状况及泥沙的主要来源。王良华[8]则对巢湖杭埠河口门航道淤积特性展开研究，研究认为湖区水体悬沙含量直接与风况相关，尤其对近岸浅水区的泥沙掀动起到关键作用。胡立双与苗世勇[9]通过实测资料探讨了黄骅港航道泥沙运移形态、回淤机理和回淤泥沙来源。

结合上述分析，风浪作为湖区泥沙起动的主要动力，其水沙运动与马尾河口航道的稳定密切相关。因此，本文通过Mike3建立的三维水沙模型分析实测风速与强风向条件下对巢湖马尾河口航道附近水沙特性的影响，同时，并结合现场实测水沙资料验证与分析了风浪对泥沙运动的影响。

1 研究区域概况

1.1 马尾河口航道演变概况

兆河是巢湖的一级支流，上游与西河及黄陂湖相通，下游注入巢湖的口门称为马尾河口。兆河自1955年开挖以来，从河口至兆河闸，除沐集附近两岸有部分水土流失外，其他河段均尚完好，兆河闸上、白湖农场、塘串河，自开挖成河道以来，至今均未发现明显的冲淤现象。兆河主流线、岸线较为稳定，一般情况下由于河道流速比较小，河道内以缓慢淤积趋势为主，但是大洪水情况下，主泓流速比较大，河道内以微幅冲刷趋势为主。近年来兆河主槽断面形状无明显变化，河槽边界基本稳定，深泓线未发生偏移，河槽呈微冲状态，平均冲刷深度约0.1 m。

图1 巢湖湖区航道口门位置示意图Fig.1 Sketch of location of the navigation entrance in Chaohu

巢湖航道部门分别于 1957、1959年疏浚兆河入湖口门形成马尾河口门航道，由于没有其他整治措施，不久又复淤塞。1964年再次疏浚，并在两侧各抛300 m长石坝，观其效果，坝内航槽虽有一定回淤，但能够保持航道水深，回淤量较未筑坝前明显减小，而筑坝范围以外地段已全部淤平。1970年继续治理，将口门抛石坝延长到2 000 m，口门航道得以稳定，以后每隔3～4 a维护疏浚一次，持续至1986年。之后由于坝体损坏严重，年久失修，逐步削弱了坝体的拦沙作用，在较为强烈风浪作用下，航槽泥沙淤积问题突出。

马尾河口航道巢湖湖区段自马尾河口至中庙，长约17 km，现为Ⅴ级航道，现状口门宽度110 m，口门段湖底高程5.9～4.3 m(85黄海高程，下同)，马尾河口门航道经常淤积，每2～3 a须疏浚维护一次；过口门段后进入湖盆段，高程逐渐走低，从4.3 m渐变至3.4 m；由于常年受风浪影响，两侧石堤部分块石滑脱、被盗，现石堤顶高程由原实施的8.5 m降至7.5 m，马尾河口门现状抛石堤顶距110 m，石堤内淤积土方的高程与石堤外相差无几，不能有效地阻止航道两侧湖滩大量泥沙淤积到航道内，现航道基本淤平(图1)。

1.2 水文泥沙条件

1.2.1 水位变化

根据巢湖多年实测水文资料，如图 2巢湖忠庙站2008～2014年实测水位变化可知，巢湖正常蓄水位为6.5～7.1 m，湖底高程一般为3～6 m，湖底较为平顺，湖岸约以1/1 200的缓坡倾向湖底。多年平均水位7.1 m条件下，湖区面积约为729 km2，湖区容积约为24.15亿m3，平均水深约3.3 m，可见巢湖为典型的浅水湖泊。水文分析计算表明，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

为分析马尾河口附近底沙特性，本文对马尾河口湖区航道底质进行取样分析。如图 3所示，马尾河河口附近水域布置了10个底质取样点M1～M10，并在巢湖派河口、白石天河口及马尾河口近岸处布置了3个坐底系统观测站，以便对数值模型进行验证。其中，测站处波浪、垂向分层水流流速、水体含沙量分别采用波高仪RBR、声学多普勒流速剖面测量仪阔龙Aquadopp Profiler、浊度仪OBS-3A等进行测量。

以测点M3、M5、M7与M8的泥沙取样结果进行粒径级配分析。如图所示，测点M3、M5、M7与M8处底沙平均粒径D50分别为0.03 mm、0.009 mm、0.01 mm与0.009 mm。由图可知，M2测点在航道口门处，水深较浅，此处泥沙颗粒相对较粗。随着测点位置移向湖中深水区，由于此处泥沙起动多受湖流影响，泥沙起动环境较弱，M5、M7与M8处湖底泥沙粒径相对较细。根据现场底沙取样分析研究表明，巢湖湖区底沙粒径较细，底沙中值粒径为0.01～0.03 mm，平均中值粒径约0.02 mm。

1.2.3 气象条件

根据距离巢湖湖区最近的庐江气象站1986～2015年共30 a实测风速资料，工程区常风向为NNW-N，出现频率达到22%，如图 4所示；强风向主要为SSW向和NNW向，最大风速可达26 m/s左右。结合风向频率分布来看，巢湖湖区主要受NNW向风浪作用为主，该方向风作用下由于风区长、风速大，形成风浪大,因此，本文采用NNW风向对马尾河口航道水沙影响进行模拟研究。

图2 巢湖忠庙站近年水位变化Fig.2 Changes of water level at Zhongmiao station of Chaohu in recent years图3 现场测点布置示意图Fig.3 Layout of measured points图4 庐江站风向玫瑰图Fig.4 Wind rose map in Lujiang station

2 数学模型建立及验证

2.1 数学模型建立

本文采用垂向分为5层的三维水沙输移模型研究巢湖风浪作用下的马尾河口区域的水沙特性，模型包含Mike3中的水动力模块、波浪模块及泥沙模块，其中水动力模型(HDM)主要设置风速与水位；波浪模块(SWM)主要考虑辐射应力对湖流水沙动力产生影响；泥沙模块(MTM)主要考虑波流作用下泥沙的运动，其中泥沙沉降速度根据Stokes公式计算并取值为0.000 4 m/s。其基本控制方程本文将不作详述[10-11]。为复杂的湖岸贴合边界，本文数值模拟网格采用非结构网格，网格整体网格尺寸△G=150 m，局部网格尺寸△L=25 m。具体如图5所示。

5-a 巢湖 5-b 马尾河口图5 网格示意图Fig.5 Sketch of mesh

6-a 派河口 6-b 白石天河口 6-c 马尾河口图6 流速验证Fig.6 Flow velocity verification

2.2 模型验证

2016年10月21日中午12点～10月23日中午12点，对巢湖马尾河口附近的湖流流速、波浪、水体含沙量、底质进行了2 d现场连续观测工作。现场观测期间，巢湖平均水位约7.3 m，略高于正常蓄水位。测验期间庐江气象站实测最大风速约为6.2 m/s，方向为N偏E向3°，风力相当于四级左右。根据《堤坝防浪护坡设计》，由于气象站所获得的风速资料为陆地数据，因此需要进行风速的高度和陆—水订正，换算到湖面以上10 m高度的最大风速约为12 m/s(湖面风力相当于五至六级左右)。数学模型则通过上述实测资料进行验证。根据文献[12]对巢湖湖区糙率取值为0.025。模拟条件水深为7.28 m，风速为12 m/s与风向为N偏E向3°。验证点位为坐底系统抛投点位，分别位于派河口、白石天河口与马尾河口，具体如图 3所示。

如图 6所示，白石天河口与马尾河口的平均流速为0.07～0.09 m/s，而派河口平均流速约为0.04 m/s。由于白石天河与马尾河口位于湖流缩窄处，且受风向影响较大，因此，湖流流速较大。而派河口受风区吹程小，则受风向影响较小，故湖流流速较小。3个测点流速基本呈底部小，上部大的规律，符合流速分布。同时，从验证结果可知，模拟值与实测值符合良好。同时，根据塘西、忠庙、槐林实测水位为7.18 m、7.32 m、7.37 m(站点见图3)，模型计算水位为7.15 m、7.31 m、7.39 m来看，模拟结果良好，说明模型建立科学合理，可用于以下研究。

3 研究结果与分析

3.1 数值模拟结果

本文以风向N偏E向3°、风速12 m/s及水位为7.28 m与风向N偏W向337.5°、风速26 m/s及水位10.6 m为例，分析巢湖马尾河口区域泥沙的运动特性。其中，模拟时间为3 d，其中大风作用1 d、风后2 d。

如图 7所示，在风向N偏E向3°、风速12 m/s及水位为7.28 m条件下巢湖有效波高分布呈自北向南逐渐增大的趋势，最大有效波高位于湖区南侧深水区，最大有效波高达到0.6 m。马尾河口区域有效波高基本在0.2～0.5 m。同时，如图 8 相应泥沙浓度分布可知，湖区泥沙浓度较低，基本在0～0.1 kg/m3，湖区南侧近岸区泥沙浓度在1.25～2.5 kg/m3，其中，尤其马尾河口近岸处泥沙浓度增大尤为明显。湖区深水区有效波高较大，泥沙浓度较低，近岸区有效波高较小，而泥沙浓度则较大。根据前人研究以及本文分析可知，近岸区泥沙浓度较大的原因是波浪在近岸浅水区变形破碎，造成近岸区泥沙快速扰动，泥沙浓度急剧增加。

图7 马尾河口有效波高示意图Fig.7 Sketch of significant wave height in Mawei estuary图8 马尾河口平均悬沙浓度分布示意图Fig.8 Sketch of distribution of average suspended sediment concentration in Mawei estuary

如图9所示，在风向N偏W向337.5°、风速26 m/s及最高通航水位10.6 m条件作用下巢湖流速分布呈沿岸大，湖区小的分布规律，其中在白石天河与马尾河口之间流速较大，最大达到0.5 m/s，但在马尾河口处流速并不大，为0.2～0.4 m/s。从流速矢量可知，近岸处水流从西沿着白石天河流向马尾河口，由此可预测，在强风向极端风浪条件作用下，马尾河口航道将会发生淤积，其淤积原因则是在波浪作用造成的近岸区泥沙起动，由沿岸流输运及淤积至马尾河口航道区域。

图9 马尾河口流速及矢量分布示意图Fig.9 Sketch of distribution of velocity and vector in Mawei estuary

3.2 现场观测结果

从观测波浪数据来分析，观测期间测站的最大有效波高为0.46 m，测量时段有效波高平均值为0.27 m，波周期为2.33～3.04 s。从观测流速数据上来分析，测站的表层最大流速为0.26 m/s，测量时段表层最大流速平均值为0.07 m/s，垂线平均最大流速为0.14 m/s。

从观测水体含沙量来分析，测站表层0.3 h处的含沙量在1.29～1.61 kg/m3之间，测量时段平均值为1.42 kg/m3；中层0.7 h处的含沙量在1.30～1.68 kg/m3之间，测量时段平均值为1.45 kg/m3；底层0.9 h处的含沙量在1.31～1.77 kg/m3之间，测量时段平均值为1.50 kg/m3。从含沙量垂向分布来看，由于测站的湖流流速相对较小，含沙量主要受到波浪作用影响，垂向分布较为均匀。

图10给出了马尾河口测站的有效波高、湖流表层流速、底层0.9 h处含沙量与风速同步过程对比关系，由图可见波高、流速、含沙量过程与风速过程总体响应关系良好，含沙量过程稍有一定的滞后效应。

3.3 湖床泥沙运动分析探讨

根据现场底沙取样分析研究表明，巢湖湖区底沙粒径较细，底沙中值粒径为0.01～0.03 mm，平均中值粒径为0.02 mm。此处计算采用武汉水利电力学院泥沙起动公式与泥沙起动波高计算公式[13-14]，波浪作用下马尾河口口门航道区域泥沙起动波高为0.2～0.5 m，湖流作用下泥沙起动流速为0.2～0.4 m/s。计算分析表明，在庐江气象站四级以上风力条件下，风浪可引起湖底床面泥沙起动悬扬，特别是风浪对巢湖近岸水域床面泥沙作用强，引起床面泥沙大量悬浮，水体含沙量短期内急剧增大。

综合上述研究认为，大风天巢湖泥沙运动机制主要表现为“风浪掀沙、湖流输沙”，运动方式主要以悬浮运动为主。大风天期间，近底泥沙在湖流输运作用下跨越开挖航槽时，受航道内水深增大、流速减弱的影响，导致部分泥沙在航槽内落淤；大风天后，随着开挖航槽内水动力的快速减弱，水中悬浮泥沙不断落淤，从而引起开挖航槽不断淤积。

4 结论

马尾河口口门航道治理实践表明，大风天条件下，在近岸风浪和风生湖流作用下，口门段附近泥沙运动活跃，开挖航槽内泥沙淤积较为严重，航道运行维护困难，然而修筑拦沙坝体后，航道内泥沙淤积得到了有效减缓。本文通过现场观测与建立的Mike3水沙动力模型分析研究了风浪作用下马尾河口泥沙特性，并得到如下结论。

(1)通过Mike3建立的三维水沙动力模型模拟了湖区波浪以及悬沙浓度场，研究发现离岸区有效波高较大，近岸区有效波高较小，而离岸区泥沙浓度较低，近岸区泥沙浓度则较大。其原因是近岸区水深变浅，其波流触底，床面切应力增大明显，造成近岸区泥沙快速起动，泥沙浓度急剧增加。

(2)通过对巢湖湖区基础资料分析表明，巢湖为典型浅水湖泊，湖区水深一般为2～4 m，主要受NNW向风浪作用，最大风速可达26 m/s。在NNW风向作用下，沿岸流可将派河及白石天河近岸泥沙输移至马尾河口区域，可能对马尾河口航道造成大量的淤积。

(3)现场观测研究表明，马尾河口口门底沙主要为淤泥质细颗粒泥沙，风浪容易引起湖底泥沙起动悬扬，波高、流速、含沙量过程与风速过程总体响应关系良好，水体含沙量较大且垂向分布较为均匀。大风天巢湖泥沙运动机制主要表现为“风浪掀沙、湖流输沙”，开挖航槽泥沙淤积问题需引起重视，加强科学研究。