基于滩槽水流交换的通州沙水道航道整治工程布置研究

肖烈兵，孙鹏，贾雨少

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海200120）

0 引言

长江下游通州沙河段处于冲积平原河口河流段，受径流、潮流的双重作用，水动力条件和泥沙输移十分复杂，汊道与汊道、深槽与洲滩之间存在大量水流交换。涨潮和落潮期间均存在由通州沙东水道进入西水道的漫滩流。沿程漫滩水流的大量交换，导致局部滩槽格局不稳，相应航道浅段动力削弱，给航槽带来了回淤沙源，航道条件向不利方向发展[1]。

长江南京以下12.5 m深水航道一期工程在通州沙河段实施整治工程拦截部分漫滩流，稳定航槽边界，以实现固滩、稳槽、导流、增深的功能，保证航道水深[2-4]。工程的实施将改变局部滩槽边界条件，影响局部滩槽水流交换变化。因此，滩槽水流交换的研究对整治工程平面布置和航道治理效果分析具有重要的意义。

以往滩槽水流交换的相关研究大多关注定性研究或滩槽水流交换引起的河槽地形变化，对径流和潮流双重作用下滩槽水流交换的定量研究涉及较少，且尚未有以滩槽水流交换指导航道整治工程平面布置的研究。

本文通过系统分析滩槽水流交换时空分布特征，对航道整治建筑物位置、高程进行研究，提出合理的航道整治工程方案，经模型计算验证，工程有效拦截越滩水流，航道整治效果良好。

1 河道特性

长江下游通州沙河段上起西界港，下至徐六泾，全长约39 km，见图1。

图1 整治工程实施前通州沙河段形势图（2012年7月地形）Fig.1 River reach chart of Tongzhousha before the implementation of regulation project(topography in July 2012)

河段上下端河宽相对较窄，约5.7 km；中段放宽，最大河宽约9.4 km。通州沙河段为暗沙型分汊河道，江中通州沙、狼山沙、新开沙以及铁黄沙等沙体发育。其进口段主流被通州沙分为东西水道，出口段自左向右分别被新开沙、狼山沙和铁黄沙分为新开沙夹槽、狼山沙东、西水道和福山水道。目前，长江下泄主流走通州沙东水道—狼山沙东水道。其中，通州沙东水道落潮分流比约90%，狼山沙东水道落潮分流比约65%[5-6]。

通州沙河道碍航区段主要位于通州沙东水道下段—狼山沙东水道段，尤其新开闸—山水码头对开水域。受漫滩水流及弯道水流的影响，通州沙下段—狼山沙左沿持续冲刷后退、裤子港沙南缘5～10 m滩坡淤长南压，深槽弯曲束窄，如果任其发展将加剧通州沙东水道下段—狼山沙东水道段的碍航程度。因此，滩槽水流交换的强度和分布及其引起的局部滩槽冲淤变化是通州沙河段整治工程平面布置及施工过程中需要考虑的重点问题，是影响工程效果的重要因素[7]。

2 滩槽水流交换特征分析

2.1 滩槽水位横比降

通州沙河段进、出口段均为弯曲河段，弯道环流的存在使河道两侧存在较大横比降，如表1所示。落潮期间通州沙河段横比降最大出现在天生港—西界港断面，顺河段往下游至汇丰码头—徐六泾断面，落潮期间左右岸横比降逐渐减小并可能出现负值，表明右岸潮位逐渐高于左岸，并在汇丰码头—徐六泾断面负横比降达到最大，凹岸高、凸岸低，呈现明显弯道水位横比降变化规律，横比降的存在是通州沙河段产生滩槽水流交换的重要动力因素。

表1 2012年3月实测工程河段横比降统计Table 1 Statistics of the measured transverse slope of the river reach in March 2012

2.2 沿程分流比变化

受滩槽水流交换影响，通州沙水道之间分流比沿程发生变化。以枯季大潮为例，涨潮时狼山沙东水道下端断面分流比为69.6%，狼山沙西水道为30.4%；至通州沙东水道下端农场闸—营船港断面，东西水道分流比变为65.1%和27.8%，显示两侧存在漫滩流；至河段进口附近的五干河—南通港断面，东水道涨潮分流比增加至87.7%，西水道涨潮分流比进一步下降至12.3%，显示西水道涨潮量沿程减少[2]，见图2（a）。落潮时，五干河—南通港断面，东西水道分流比分别为91.2%和8.8%，至狼山沙东西水道下端，东水道分流比下降至72.1%，而西水道分流比增加至27.9%，显示一部分落潮流经滩面汇入西水道，使西水道落潮分流比增加，见图2（b）。从涨落潮分流比沿程变化来看，滩槽之间存在着大量的水体交换。

图2 典型水文条件下通州沙河段涨落潮沿程分流比Fig.2 Divide ratio of flood tide and ebb tide along the reach of Tongzhousha River under typical hydrological conditions

2.3 东西水道越滩水流时空分布特征

本河段所滩槽水流交换量大而频繁，采用潮流数学模型对通州沙滩面沿程水流交换进行统计，在一个潮周期内，东西水道水流交换主要分成以下4个阶段（以枯季为例）：

涨潮初期，潮位由-0.6 m涨至-0.2 m，历时约0.5～1 h，该阶段东西水道呈现为涨潮落潮流性质，滩面流由东水道进入西水道。

涨潮阶段，潮位由-0.2 m涨至2.5 m，历时约2.5 h，该阶段东西水道呈现为涨潮流性质，滩面流由东水道进入西水道，但均为涨潮流。整治工程可不做拦截该时段潮量。

落潮前期，潮位由2.5 m降至0 m附近，历时约5 h，该阶段东西水道呈现为落潮流性质，滩面流由西水道进入东水道。

落潮末期，潮位由0 m降至-0.6 m附近，历时约4 h，该阶段东西水道呈现为落潮流性质，滩面流由东水道进入西水道，随潮位降低滩面流逐渐增大。其中滩面流较大时刻发生在潮位-0.2～-0.6 m的阶段。

从东西水道水流交换情况来看，从东水道进入西水道落潮流主要发生在涨潮初期和落潮末期。枯季对应水位约-0.2～-0.6 m，洪季水位略高，对应水位约0.4～-0.2 m。从东水道流入西水道落潮流发生位置来看，洪枯季水文条件下越滩流较大区段出现在窜沟位置及窜沟上游约2 km范围内。

从涨潮初期和落潮末期阶段中由滩面从东水道进入西水道累计落潮总潮量沿程分布，越滩潮量集中分布在窜沟及上游附近滩面，洪、枯季水文条件下从该段由东水道进入西水道越滩潮量占全段越滩落潮量比例分别为73%和90%。因此，拦截该段落潮水流为通州沙河段航道整治工程的关键。涨落潮过程中从东水道进入西水道落潮总潮量沿程分布见图3。

图3 涨落潮过程中从东水道进入西水道落潮总潮量沿程分布图Fig.3 Distribution of total ebb tide from the east channel to the west channel in the process of flood tide and ebb tide

3 治理方案及效果

3.1 治理思路及方案布置

滩槽之间的水流交换对通州沙、狼山沙左缘冲刷后退，通州沙东水道下段主泓不断西偏弯曲等有着直接或者间接的影响，在通州沙狼山沙左缘布设护滩潜堤，通过工程减少滩槽水流交换，稳定通州沙—狼山沙左缘滩坡，减小横向环流引起的泥沙交换，减少由落潮水流漫滩引起的主槽浅段动力减弱，进而改善航道维护条件是非常必要的[7-8]。

从工程功能定位出发，通州沙潜堤应主要减少从东水道向西水道的水流交换，这将有利于通州沙河段整体河势稳定和航槽稳定[3]。从水流交换空间分布来看，约占70%～90%滩槽水流交换集中于狼山沙以上窜沟位置，因此该部位应为工程重点防护区段。从滩槽水流交换的时间分布来看，水流自东水道流向西水道时段主要位于涨潮初期与落急期间，该时段枯季对应水位约-0.2～-0.8 m，洪季水位略高，对应水位约0.4～-0.2 m。根据长江口和长江下游相关工程的经验，在长江口和长江下游感潮河段为落潮优势流，整治工程应也主要利用落潮动力，而护滩则应减少落潮对掩护区域的冲刷，避免漫堤跌水而导致堤身内侧剧烈冲刷[3，9]。另外考虑通州沙工程主体位于通州沙下部至狼山沙，工程掩护范围有限，而附近沙体松散，易发生冲刷，故工程强度不宜过强，因此，宜在其限流堤和上下游堤头等部位适当降低顶高程，以减小越堤流和绕堤流等局部流态对滩面的影响。

综上，通州沙左缘潜堤护滩堤主体部分顶高程取在-2～0 m，应能够较好的起到稳定通州沙—狼山沙左缘滩坡，减小滩槽水流交换，增强航道浅段动力的作用。

具体整治工程方案布置如图4所示，狼山沙尾部潜堤头部高程-5 m，各丁坝与潜堤连接段30 m范围内设置与潜堤等高的平直段；T1—T4丁坝堤身高度2 m；T5丁坝头部高程-7.0 m；T6—T8丁坝头部高程-5.0 m。

图4 整治工程方案布置示意图Fig.4 Arrangement plan of regulation project

3.2 治理方案效果

工程实施后，窜沟位置潮量得到有效拦截，通州沙东水道落潮动力增强，从通州沙中水道由东水道进入西水道落潮量明显减小，枯季落潮量减小达65%～90%，潮量拦截后一部分水流进入通州沙东水道，东水道浅段落潮动力增强，东水道浅段位置断面和狼山沙东水道断面落潮潮量分别增加7.2%和0.6%，见图5。

图5 工程前后从东水道进入西水道落潮潮量沿程变化图（枯季）Fig.5 Changes of ebb tide from the east channel to the west channel before and after the project(in dry season)

4 结语

长江下游通州沙水道滩槽相间，水流条件复杂，本文通过对通州沙河段的水位差、沿程分流比变化的特征分析，探明了滩槽横向水位差的存在是通州沙河段滩槽水体交换频繁的重要动力因素，进而导致航道碍航。采用数学模型对滩槽水体交换时空分布进行研究，对河道沿程滩槽水流交换的位置、水体交流强度分布以及水流交换不同时刻对应水位进行了具体的分析，从水流交换空间分布来看，约70%～90%滩槽水流交换集中于狼山沙以上窜沟位置，从滩槽水流交换的时间分布来看，水流自东水道流向西水道时段主要位于涨潮初期与落急期间，该时段枯季对应水位约-0.2～-0.8 m，洪季水位略高，对应水位约0.4～-0.2 m。根据滩槽水流交换的时空分布特征确定航道整治建筑物位置、高程。数学模型成果表明，工程通过拦截滩槽水体交换，拦截和减少了涨落潮过程中滩槽之间的横向水流，有效归顺了航道水流，起到了“固滩、稳槽、导流、增深”的作用，航道整治效果良好。