基于数学模型的长江口北支左岸岸线调整工程的计算分析

(长江水利委员会 长江口水文水资源勘测局，上海 200136)

试验与研究

基于数学模型的长江口北支左岸岸线调整工程的计算分析

毕军芳刘羽婷李伯昌

(长江水利委员会长江口水文水资源勘测局，上海200136)

近年来随着南通沿海沿江经济快速发展和长江黄金水道的建设，研究和提升长江口北支水道综合开发利用十分迫切。通过经验证的二维水流数学模型，模拟、计算北支左岸岸线调整工程对北支河段河势、水动力条件以及附近区域水位的影响，比较了两种堤轴线布置方案，并推荐出最优方案，可为工程的决策与实施以及为相关行政主管部门的管理提供参考与借鉴。

二维水流数学模型；岸线调整；河道；长江

1 研究背景

依据2008年3月国务院批复的《长江口综合整治开发规划》中的北支河道整治方案，江苏和上海市有关部门在北支实施了大量的岸线调整和河道整治工程。其中，北支海门中下段岸线整治工程A段大新河-灵甸港段已于2013年2月～2014年4月实施完成，B段灵甸港-启东交界处计划于2017年汛前完成。右岸新村沙水域河道综合整治工程于2012年9月基本完成围堤工程，崇明北沿促淤圈围工程正在逐步实施。这些工程适度缩窄了河宽，局部改善了北支中段新村沙水域河道形态，一定程度上稳定了河势。但从目前河势来看，灵甸沙水域涨落流路分离，造成泥沙淤积。为巩固新村沙水域河道综合整治工程和海门中下段岸线整治工程的效果，逐步改善北支中上段的水深条件，促进其河势朝有利于实现《长江口综合整治开发规划》中综合整治目标的方向发展，有必要对长江口北支海门下段岸线进行调整[1]。

此次岸线整治工程的目的是归顺涨、落潮流路，减小北支上中段泥沙淤积，减少北支咸水倒灌南支，同时开发利用北支岸线以及发展航运。本文基于二维数学模型，围绕北支水道通航能力的提升问题进行了初步分析研究，以推荐最佳方案，为政府部门决策提供相应的参考。

2 河道及工程概况

2.1 河道概况[2]

长江口上起徐六泾，下迄口外50号灯标，全长约181.8 km。河段平面呈扇形，为三级分汊、四口入海的河势格局，北支、北港、北槽、南槽为4个入海通道。北支河段是长江出海的一级汊道，西起崇明岛头，东至连兴港，全长约83 km，流经上海市崇明县，以及江苏省海门市、启东市，河道平面形态弯曲，弯顶在大洪河至大新河之间，弯顶上下河道均较顺直，上口崇头断面宽约3.0 km，下口连兴港断面宽约12.0 km。

历史上北支曾经是长江入海主泓，18世纪以后，由于主流逐渐南移，长江主流改道南支，进入北支的径流逐渐减少，导致北支河道中沙洲大面积淤涨，河宽逐渐缩窄，北支逐渐演变为支汊。目前，北支分泄长江径流的比例很小，是一条以涨潮流为主的河道。北支由于河床宽浅，在远离主流的河槽右侧和涨、落潮流路分离段，洲滩发育，江心沙层出不穷。早期有长沙、百万沙、永隆沙，近期有新村沙、兴隆沙群(即黄瓜沙群)等。

北支无大支流入汇，沿江两岸有许多排灌用的小河港，河港口门处均建有控制闸，引排水量有限，对河道演变的影响甚微。北支曾进行过大规模围垦，现两岸均筑有堤防，经过多年护岸工程建设，目前岸线在自然条件下可基本保持稳定。北支河段平均水深较小，明暗沙罗列，滩槽易位频繁。同时存在水沙倒灌南支的现象。双向水沙运动是北支河段的基本特征，河段泥沙主要是流域来沙，悬沙主要由粘粒粉沙和砂粒组成。

2.2 左岸岸线调整工程总体布置

此次岸线调整工程位于北支河道左岸，海门市崇海汽渡渡口至启东交界处之间，堤轴线布置有两个方案。①方案一:与南岸新村沙头部堤线布置相呼应，堤轴线布置成向北凹进的弧形，长约5 750 m，与新村沙整治北堤一致，河宽保持在1 900 m，圈围面积约146.54 hm2。②方案二:堤轴线布置成一直线，长约5 710 m，河宽在1 610～1 900 m之间，圈围面积约217.98 hm2。拟建岸线调整工程堤轴线位置示意见图1。

图1 拟建岸线调整工程堤轴线位置示意

2.3 北支近期河势分析

北支上口进流不畅，分流比进一步减少，近期洪、枯季落潮分流比均在5%以下，导致河床不断淤浅、缩窄，河槽容积不断减少。虽然北支河床在不同时段、不同区段可能会发生一定程度的冲刷，但总体仍以淤积萎缩为主。目前北支的进潮量仍占长江口总量25%以上，-2 m等高线以下的容积仍有约7亿m3。虽然北支河槽总体呈萎缩状态,但是由于北支强劲的涨潮流,以及边界条件改变的影响，北支上段和中段深槽变幅较大，而北支下段北岸深槽始终保持较好的稳定状态。从近期北支-5 m等高线分析看，自2016年10月开始北支上下基本贯通，北支下段头兴港至出海口持续淤积，以长江口综合整治规划中北支中缩窄方案整治线为界，淤积呈北弱南强态[2-3]。

拟整治工程所在的灵甸沙水域，目前北支庙港至灯杆港呈上下窄、中间宽的“梭”型，涨落潮流路明显分离，涨潮主流偏靠北岸，落潮流路偏南，两股水流之间泥沙大量淤积形成灵甸沙。从整个拟整治工程区范围看，呈上段淤积，下段冲刷之势。

3 二维数学模型计算分析

为论证拟建整治工程对河段的防洪、河势变化和航道等的影响，本文采用经验证的二维水动力数学模型，计算分析工程前后河道的水动力特性和流场变化，研究论证拟定工程方案的合理性，选择合理、可行的方案，从而为工程审批提供科学的依据[4-7]。此次模型边界选用徐六泾断面作为上边界，北支的连兴港、南支的六滧断面作为下边界。计算网格采用无结构三角形网格，徐六泾至白茆河段及北支河段水下地形资料采用2016年10月实测水下地形图，南支白茆河至六滧河段采用2013年实测水下地形图。基于二维数学模型，对1998年典型大洪水及1997年典型大潮两种水文条件下的两种堤轴线布置方案进行了计算分析。

3.1 对工程河段河势的影响

在工程附近布置5个潮量观测断面，计算两种水文条件下拟建工程对附近河势的影响。由计算结果显示，两种方案实施后，南支白茆沙南、北断面分流比与涨、落潮潮量变化情况如下：①方案一整治工程实施后，北支分流比涨、落潮略有减小，变化幅度较小，最大变幅不超过0.02%。拟整治工程上下游1号断面与2号断面涨、落潮潮量有所减少，最大减少幅度为4.91%；②方案二整治工程实施后，北支分流比涨、落潮略有减小，变化幅度较小，最大变幅不超过0.34%，拟整治工程上下游1号与2号断面涨、落潮潮量有所减少，最大减少幅度为6.80%。所以，两种方案整治工程实施后，对附近河段白茆沙南、北水道及南、北支分流比影响均较小，对北支潮量略有影响。计算断面布置示意见图2，1998年大洪水条件下两种方案涨、落潮潮量与分流比变化统计见表1与表2。

图2 潮量观测断面位置示意

断面潮型方案一方案二工程前/%工程后/%分流比变化/%工程前/%工程后/%分流比变化/%白茆沙北断面白茆沙南断面南支北支涨潮29.2829.280.0029.2829.280.00落潮24.8724.870.0024.8724.870.00涨潮70.7270.720.0070.7270.720.00落潮75.1375.130.0075.1375.130.00涨潮99.6499.650.0199.6699.62-0.04落潮96.7896.780.0096.7896.77-0.01涨潮0.360.35-0.010.340.380.04落潮3.223.220.003.223.230.01

表2 各断面涨、落潮潮量变化统计(1998年7月计算潮型)

3.2 对工程河段水动力条件的影响[8-10]

对两种水文条件下工程前后的流速变化进行了计算与统计。两种方案实施后，整治工程前沿及对面水域涨、落潮流速略有增加，工程上、下游水域涨、落潮流速略有减小。方案一实施后，涨潮流速增加最大幅度约为0.358 m/s，落潮流速增加最大幅度约为0.263 m/s，位于工程前沿。涨潮流速减小最大幅度约为0.693 m/s,落潮流速减小最大幅度约为0.287 m/s，位于紧邻拟整治工程上端的临永渡口；方案二实施后，涨潮流速增加最大幅度约为0.456 m/s，落潮流速增加最大幅度约为0.339 m/s，位于工程前沿。涨潮流速减小最大幅度约为0.728 m/s,落潮流速减小最大幅度约为0.446 m/s，位于紧邻拟整治工程上端的临永渡口。工程实施前后部分流速变化等值线见图3～6。

图3 工程前后涨潮流速变化等值线分布(方案一)(1997年)

图4 工程前后涨潮流速变化等值线分布(方案二)(1997年)

图5 工程前后落潮流速变化等值线分布(方案一)(1998年)

3.3 工程对附近区域水位影响计算分析

对两种水文条件下工程前后的潮位变化进行了统计。拟建工程施工后，工程附近的最高、最低潮位有雍高也有降低，紧邻整治工程前沿、上下游附近水域潮位变幅较其他位置略大。经统计，方案一工程实施后，最高潮位变幅最大值为0.043 m，最低潮位变幅最大值为0.122 m；方案二工程实施后，最高潮位变幅最大值为0.060 m，最低潮位变幅最大值为0.155 m。

图6 工程前后落潮流速变化等值线分布(方案二)(1998年)

4 结 语

北支灵甸沙水域涨落潮流路明显分离，造成泥沙大量淤积，严重影响该水域上下游附近航道的开发利用。此次岸线调整工程可以归顺涨、落潮流路，减小北支中上段泥沙淤积，促使河势朝有利于航道开发利用的方向发展。从数模计算结果来看，两种方案的实施均有利于北支涨潮流路南偏，使得北支新村沙头至大新河段涨落潮流路归一。相比方案一，方案二实施后对周边涉水工程防洪的不利影响较大，根据相关规划方案，以及工程实施后对附近水域河势、水动力及水位的影响，并兼顾堤线平顺、平缓连接，本文推荐方案一。

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2017-08-01

毕军芳，女，长江水利委员会长江口水文水资源勘测局，工程师.

1006-0081(2017)10-0054-04

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(编辑朱晓红)