长江口南港瑞丰沙整治工程对周边河势的影响

李文正

(交通运输部长江口航道管理局,上海 200003)

长江口南港瑞丰沙整治工程对周边河势的影响

李文正

(交通运输部长江口航道管理局,上海 200003)

长江口南港河段近期河势发生了一些不利的变化,南港中下段河床出现深槽向北拓宽、深泓北偏,尤其是瑞丰沙中部窜沟的发展及其中、下沙体的冲刷,对深水航道的建设维护和周边水域的稳定带来了较大的影响。为控制南港下段河势不利影响,应在瑞丰沙区域实施整治工程。通过潮流数学模型、清水局部动床物理模型及其研究成果,结合河床演变分析,对瑞丰沙整治方案的治理效果及其对周边河势的影响进行分析。结果表明:瑞丰沙总体整治改进方案RFS10能够起到防护瑞丰沙、改善南港主槽航道维护条件、减少北槽底沙来量、改善南港南岸码头前沿水深维护条件、稳定长兴水道中下段码头前沿水深的效果,对圆圆沙航道维护条件基本无不利影响,对周边河势亦基本无不利影响。

长江口;南港;瑞丰沙整治工程;物理模型;数学模型;河势变化;航道维护

长江口的径流和潮汐动力强劲,流域来水充沛、来沙量巨大,含沙量较高。长江口整体格局呈三级分汊、四口入海之势,河口区范围广大,汊道纵横、浅滩众多,滩槽变化频繁。其中,南支河段白茆沙南、北水道汇流形成南支主槽。南支主槽向下游进入南北港分流口河段,目前,宝山北水道为南港主进流通道。自吴淞口以下进入南港,至南北槽分流口附近全长约20 km。南港又被瑞丰沙分为南港主槽和长兴水道,南港向下游被江亚南沙和九段沙分为北槽和南槽。长江口南港河段瑞丰沙沙体,地理位置见图1。

图1 长江口河势概况Fig.1 Regime of the Yangtze estuary

2000年以来,南港中下段河床出现了一系列不利变化,如深槽向北拓宽、深泓北偏、瑞丰沙窜沟形成后不断发展、瑞丰沙下沙体5 m以上浅滩的人工无序采砂及自然变化下冲失等。相应地南港中下段河型向单一U型槽发展,南港下段至北槽上口深槽淤浅,进入北槽的沙量增加,同时长江口北槽和南港深水航道建设和维护的难度增加,并且造成南港南岸码头前沿水深淤浅,直接威胁到外高桥港区港池、航道的正常使用和运营效益[1-9]。与此同时,河势变化亦对长兴水道沿线河势稳定造成潜在不利影响。为控制南港河势,遏制瑞丰沙变化对深水航道及两岸港区的不利影响,保证南港和北槽深水航道的长期稳定运行,有必要实施瑞丰沙整治工程[6-14]。前期瑞丰沙整治工程治理研究主要包含窜沟全封堵和部分封堵两种方案,均能起到改善南港主槽深槽水深和南港南岸水深的作用,虽然窜沟全封堵方案对南港主槽的治理效果优于窜沟部分封堵方案,但窜沟全封堵方案对长兴水道的不利影响较大。从各文献方案综合效果看,应优化窜沟部分封堵方案,从窜沟封堵位置和高程及丁坝布置等方面进一步开展优化,以提升南港主槽的整治效果。

本文主要采用潮流数学模型、清水局部动床物理模型手段,结合河床演变分析,对瑞丰沙整治方案的效果进行深入分析。

1 长江口南港河段近期河床演变分析

1.1 瑞丰沙冲刷演变

1998年瑞丰沙5 m和8 m以浅沙体连成一体,沙体相对完整,南港成明显的W型复式河槽,南港主槽和长兴水道的水深条件均较为优良。2000年以来,受南港上口的局部河势变化和瑞丰沙无序采砂的影响,瑞丰沙中部窜沟发育并持续扩大,沙体中部8 m线断开,8 m以浅沙体体积明显减小,5 m以浅中下沙体逐渐冲失殆尽。2003年8月至2005年11月是瑞丰沙中部窜沟冲刷发展最快的时段,也是5 m以浅下沙体冲刷消失最快的时段(图2)。在这一期间南港河段瑞丰沙的人工采砂量超过6 000万m3。瑞丰沙腰部和下沙体的冲刷泥沙下泄,引起圆圆沙段和北槽上段发生明显淤积。2005年后瑞丰沙下沙体冲刷速率趋缓(图3)。

图2 南港瑞丰沙5 m等深线变化(瑞丰沙上、中、下沙位置)Fig.2 5 m contour changes of Ruifengsha in the south channel (upper,middle and lower sandbars)

图3 瑞丰沙下沙体5 m以浅面积变化Fig.3 Area changes of 5 m contour of Ruifengsha

1.2 南港演变

随着瑞丰沙窜沟发展、下沙体冲蚀、南港下段主槽逐渐扩宽淤浅,2005年南港中下段深泓线向北移动,根据此变化深水航道于2009年向北调整南港段航道轴线。2011年以来南港中下段深泓线略有南移,目前基本稳定在深水航道位置(图4)。1998—2013年,南港中下段主槽水深总体有所淤浅,12.5 m等深线累计上移约6.5 km,整体北偏近2.0 km。历史上南港深槽傍靠南岸。近10年来,伴随着瑞丰沙中部窜沟的冲刷发展,对应的南港南岸水深普遍淤浅。受南港这一局部河势变化的影响,南侧近岸水深减小,外高桥码头前沿进港航道也常处于淤积状态。外高桥一期码头以下南岸10 m等深线整体向外推移675～1 100 m,外高桥四、六期码头前沿水深由12～13 m淤浅到9～10 m(图5)。

南港航道洪季采样泥沙多为细沙,与北侧瑞丰沙和主槽推移质粒径相当,枯季航道泥沙稍细,夹部分粉砂。南港航道在潮流作用下底沙输运进航道而形成淤积[9-11]。多次底质采样成果表明,南港河床质以细沙和粉砂为主,总体分布为瑞丰沙南侧较粗(D50＞0.062 mm),分选较好,以细沙为主;南港航道泥沙与主槽及瑞丰沙河床泥沙非常接近,悬沙中粒径大于河床质泥沙D10的质量百分比约为10%～25%(床沙质),底沙输移引起的航道淤积为主。

图4 南港段2002—2013年深泓线变化Fig.4 Thalweg variation from 2002 to 2013 in the south channel

图5 南港近期典型断面变化Fig.5 Variation in typical cross section of the south channel in recent years

此外,输沙试验结果表明,南港深槽来沙在多次涨落潮流作用下向下游输移并沿横向扩散,扩散覆盖宽度为南港航道宽度5倍,估计20%经由南港主深槽输移泥沙进入航道。在10 m航道期间,南港航道为自然水深,底沙输移不会影响航道水深,疏浚开通12.5 m航道后这部分底沙输移就形成了航道淤积。

1.3 长兴水道演变

长兴水道位于瑞丰沙和长兴岛之间,是涨潮流为主塑造形成的河槽,属南港瑞丰沙发育的伴生产物,原为涨潮流占优势。伴随着瑞丰沙中部窜沟冲刷发展,南港大量的漫滩落潮水流通过窜沟进入马家港以下的长兴水道下段,导致下段落潮动力增强,使其由涨潮动力占优的涨潮槽转变为由落潮动力占优的落潮槽,长兴水道下口深潭淤浅,但中段10 m深槽与圆圆沙段贯通。此外。根据多次长兴水道水文测验数据统计分析[15],长兴水道下段呈现落潮流优势为主,长兴水道上段仍维持涨潮流优势。

瑞丰沙上沙体南侧冲刷,据统计2007—2011年瑞丰沙上沙沙头5 m线南移1 300 m(图2),下沙体逐渐北移缩小,这些变化使得长兴水道的南边界受到一定的破坏,长兴水道的整体稳定性有所减弱。

2 瑞丰沙整治工程方案研究

为扭转南港瑞丰沙演变对周边河势和航道的不利影响,应在瑞丰沙段实施整治工程,控制南港下段河势;整治工程应适度束窄南港主槽宽度并在长兴水道南侧形成一定规模的固边界,归顺潮流,遏制主槽深槽向北拓宽、深泓北偏以及宽浅化变化趋势,改善南港滩槽断面形态;整治工程应增加南港中下段落潮动力,以冲刷河床增加航道两侧水深,增强航道内输沙动力;整治工程应有利于减少北槽上段推移质来沙量,从而改善圆圆沙航道的维护条件。与此同时,瑞丰沙整治工程应不对邻近的南港南岸和长兴水道码头前沿水深造成不利影响。

根据长江口相关护滩工程的经验,瑞丰沙整治工程采用顺堤+护滩坝方案。顺堤既可以稳固沙体,又可以作为进一步整治的骨架和依托。在顺堤基础上,在其南侧建设横向护滩坝或护滩带,其功能包括护滩、减少可能的沿堤冲刷,在一定程度上归顺南港中下段主槽水流等。

在前期研究[8-10]取得的南港瑞丰沙整治工程宜采取顺堤+丁坝布置形式的认识基础上,在尽量减小长兴水道下段不利影响的前提下,达到增强南港主槽输沙动力、改善主槽水深整治目标,对窜沟部分封堵和全封堵两种方案进行比选,推荐窜沟部分封堵方案。为达到南港主槽流速增幅平顺覆盖整治工程河段、有利于良好断面形态形成的目的,进一步对窜沟部分封堵区段长度、高程以及丁坝布置(包括数量、位置、高程等)进行优化比选。根据数模计算和物模试验结果,瑞丰沙整治工程优化方案RFS10基本达到南港河段的整治目标,推荐RFS10方案作为南港河段推荐方案[16]。最优工程方案布置详见图6。

图6 瑞丰沙整治工程RFS10方案平面布置Fig.6 RFS10 scheme of Ruifengsha regulation work

3 瑞丰沙整治工程方案效果分析

本文选择最优工程布置方案RFS10分析瑞丰沙整治工程方案效果。根据二维潮流数模[16]计算结果(图7)和清水动床物模试验[16]结果(图8)分析,整治工程效果主要体现为:

图7 RFS10方案平面流速变化Fig.7 Current velocity changes of RFS10 scheme

(1)对南港主槽及航道影响 从数模计算流速变化结果看:RFS10方案对南港中下段12.5 m航槽动力改善明显,整治效果显著,丁坝间距减小,使丁坝对流场的调整作用上下衔接,流场过渡更为平顺,流速增加幅度更加靠近航槽,较为充分地发挥了丁坝对航槽流场的调整作用,有利于良好断面形态的形成,且消除了局部水流较为集中的不利流态。物模试验结果显示南港主槽冲刷范围主要集中在下游回淤集中区,河床调整效果较为理想。

(2)对圆圆沙段航道影响 定床输沙试验表明,顺堤+丁坝布置形式的瑞丰沙整治工程可减少上游河段推移质输沙对圆圆沙段航道的影响,但同时工程实施后圆圆沙段航道落潮时段位于工程流影区,航道输沙动力有所下降。

(3)对长兴水道影响 数模计算结果显示对长兴水道及南港沿岸码头无不利影响;清水动床物模试验RFS10方案长兴水道上段涨落潮水动力增强,河床冲刷范围较大,局部最大冲刷幅度超过0.5 m,E4丁坝位置局部冲刷,其他区域河床冲刷平衡。

图8 RFS10方案2个水文年后河床冲淤变化(单位:m)Fig.8 Riverbed evolution after two hydrological years using RFS10 scheme(unit:m)

(4)对南北槽分流比的影响 工程实施后,北槽落潮分流比值略减0.1%,涨潮分流比值增大0.7%;南港落潮分流比值减小(0.8～1.0)%,涨潮分流比减小(0.3～0.5)%。

由此可见,RFS10方案具有护滩效果,并且在横向护滩坝的坝头作用范围内,涨落潮流速增加,对改善南港主槽具有一定的效果,能够冲刷南港主槽、改善河槽断面形态,增强航道输沙动力,起到减小航道回淤的效果。此外,瑞丰沙整治工程会产生局部冲刷,因此有利于外高桥前沿水深的维护。

4 结 语

(1)南港瑞丰沙河段河势变化特点主要表现为:瑞丰沙中部窜沟发育,中下沙体持续变小,南港下段河槽形态由W型复式向单一U型演变;南港深泓北偏,主槽及南岸普遍淤积,12.5 m等深线上缩;长兴水道因瑞丰沙变化整体稳定性有所减弱,下段落潮动力增强;南港主槽底沙输移也会造成南港航道泥沙淤积。

(2)为扭转南港瑞丰沙演变对周边河势和航道的不利影响,应在瑞丰沙实施整治工程,控制南港下段河势;数物模研究结果均表明瑞丰沙总体整治方案RFS10能够起到防护瑞丰沙、改善南港主槽航道维护条件、减少北槽底沙来量、改善南港南岸码头前沿水深维护条件、稳定长兴水道中下段码头前沿水深的效果,既不影响圆圆沙航道维护条件,也不影响周边河势。

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Analysis of impacts of Ruifengsha regulation works in south channel of Yangtze River estuary on surrounding river regime

LI Wen-zheng
(Yangtze Estuary Waterway Administration Bureau,Ministry of Transport,Shanghai 200003,China)

There are some adverse changes in the river regime in the south channel of the Yangtze River estuary in recent years,where the deep channel widening appears in the lower section of the south channel,especially the development of central string,ditch and the scouring along the middle and lower sand body.It has brought remarkable influences upon the deep waterway′s maintenance and the stability of surrounding waters.In order to solve those problems,the Ruifengsha regulation works are proposed.In this paper,the efficience of Ruifengsha regulation works and their influences on the surrounding riverbed evolution are analized by using physical model tests and numerical model tests,and by considering riverbed evolution.The analysis results show that Ruifengsha regulation scheme RFS10 can protect Ruifengsha from scouring,improve navigation conditions in the south channel,reduce bottom sand flowing into the north passage,improve maintenance conditions of the south wharf frontier in the south channel,and stabilize water depth in Changxing waterways.It has almost no effects on the maintenance conditions of Yuanyuansha waterway.And it has no potential adverse impacts on the surrounding river regime.

Yangtze estuary;south channel;Ruifengsha regulation works;physical model;numerical model; changes in regime;maintenance of navigation waterway

TV148

A

1009-640X(2014)04-0087-06

2014-02-20

李文正(1976-),男,云南丽江人,硕士,高级工程师,主要从事航道工程治理规划、研究及管理工作。E-mail:liwz@cjkhd.com