王向明，張新周，竇希萍，趙曉冬，徐雪松，曲紅玲

(1.南京水利科學研究院 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029;2.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230;3.江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210005)

為了擋潮蓄淡、發(fā)展農業(yè)生產，20世紀50年代起我國沿海修建了大量的擋潮閘，目前有300多座.我國潮汐河口建閘之多，閘下河道淤積之嚴重，均屬世界罕見.據(jù)統(tǒng)計，僅江蘇沿海修建的58座排水流量大于100 m3/s的擋潮閘中，基本淤廢的有5座，閘下嚴重淤積的有15座，一般淤積的有20座.海河流域35個建閘河口中，有22座淤積嚴重，閘下河道的過水能力下降了60%［1］.在國外，河口擋潮閘的大量興建，對航運、防洪排澇、漁類及環(huán)境也造成了嚴重影響.20世紀30至50年代，美國不少人建議在舊金山灣建造擋潮閘，1957年舊金山灣模型建成并試驗證明了建造擋潮閘有許多害處，因而沒有建造.日本和印度的中小河流，閘下淤積也相當嚴重，河口完全被堵塞.從環(huán)境生態(tài)、經(jīng)濟效益上全面考慮，河口建閘在國際上還有爭議［2］.

由于河口動力條件復雜，泥沙運動的影響因素眾多，對于閘下淤積機理的研究還不夠深入.現(xiàn)有的物理模型和數(shù)學模型等研究手段還無法對閘前近區(qū)泥沙的運動特性和淤積過程進行合理準確的模擬和預測，有必要對國內外相關的研究成果進行認真總結，以推進閘下淤積模擬技術的深入研究，為擋潮閘淤積治理、閘址設計及沿海水土、港口航道等資源的綜合利用提供科學依據(jù).

1 閘下淤積機理

國外針對閘下淤積的研究成果較少，主要集中在建閘對河口環(huán)境和生態(tài)影響的研究.我國在20世紀50年代末即開展了閘下淤積成因分析研究工作.竇國仁［3］分析了射陽河建閘前后潮汐、潮流、徑流等要素以及泥沙來源、泥沙輸移數(shù)量和河段沖淤規(guī)律等的變化得出閘下淤積發(fā)生的條件和主要影響因素.羅肇森等［4］通過分析海相來沙資料，得到與河床斷面面積、泥沙因素、潮波變形等相關的平衡流量關系式.金元歡等［5］在分析我國主要建閘河口河道沖淤資料的基礎上，對不同物質組成、不同類型的河口，以及同一河口閘上、閘下河道在不同時間內的沖淤特性，作了較為系統(tǒng)的論述.邢煥政［6］認為海河閘下4 km以內普遍淤積，其泥沙來源是河口本身水下三角洲和淤泥質暗灘.辛文杰等［1］認為由于水流挾沙能力和含沙量的不對稱導致閘下河道發(fā)生持續(xù)性淤積.伍冬領等［7］研究了永寧江樞紐引航道和擋潮閘下淤積，認為閘港泥沙淤積過程主要是靜水沉降過程，是由于泥沙粒徑較細，易于絮凝.胡華峰等 指出，口外風浪天漲潮攜帶的泥沙經(jīng)潮流“接力”向里輸運，淤積由上而下，并以淤槽為主.李大山等［9］認為，在淤泥質海岸由于近岸波浪、水流作用，掀起了大量的細顆粒泥沙，從而形成了一條寬闊的沿岸渾水帶，在一定條件下，由于含沙渾水與清水的密度差，在重力作用下渾水會潛入清水形成異重流.

目前，一般認為潮波變形是造成閘下淤積的基本動力因素，海相泥沙是閘下淤積的主要來源，河口不平衡輸沙是閘下淤積的基本模式［1］.潮波傳入河口以后，在河道地形阻力影響下發(fā)生變形和反射，波形由前進波向駐波特性轉換.如果在河口內建閘，將加劇潮波變形.潮波受閘阻擋發(fā)生全反射，使潮位過程線與流速過程線之間產生明顯的相位差，并使高潮位抬高，低潮位降低，漲潮歷時縮短，落潮歷時增長.漲潮平均水深減小，落潮平均水深增大，從而使?jié)q潮流速相對增大，落潮流速相對減小，漲潮挾沙能力增大，落潮挾沙能力減弱，河口地區(qū)廣闊的泥質淺灘，在漲潮時提供了豐富的沙源，使?jié)q潮期從河口帶進大量泥沙，而在落潮期又不能被全部帶出，造成閘下河段的淤積.另外，閘下淤積的時空分布也具有一定的特征，表1為1959—1995年海河閘下11 km河道淤積量的沿程分布.從中可以看出近閘段(0～2 km)淤積最為嚴重，內深淵段(2.0～6.0 km)次之，外深淵段(6～8 km)及大沽沙口門(8～11 km)淤積相對較輕［10］，淤積強度從河口到近閘段逐漸增強.另外，閘下引河長度對于閘下淤積的過程和形態(tài)也有十分明顯的影響.引河長度不同，河道內流動特征也不相同，從而影響泥沙的輸移過程，文獻［11］對長、短引河閘下淤積過程的不同進行了詳細的論述，表明建閘河口的引河長度與閘下淤積情況及淤積形態(tài)密切相關.

表1 1959—1995年海河閘下河道淤積量沿程分布Tab.1 Distribution of siltation along the channel downstream of a sluice in the Haihe River(1959－1995)

2 閘下淤積模擬技術

河口建閘后閘下游河段的河床變形過程比較緩慢，往往需要經(jīng)過數(shù)年方能達到平衡狀態(tài).為了粗略估算建閘以后閘下游河床調整到平衡時的斷面尺度，可根據(jù)實測資料的統(tǒng)計分析，采用河相關系建立經(jīng)驗公式來對閘下淤積進行預報，竇國仁［3］進行了有益的探討和研究.在進行河口建閘工程可行性論證時，也往往需要采用物理模型和數(shù)學模型進行模擬預測研究，以便更精確地預測閘下淤積的時空變化特征.

2.1 閘下淤積物理模型模擬

20世紀70年代，竇國仁提出了全沙模型相似理論，為泥沙物理模型的設計和工程應用提供了理論支撐.此后，羅肇森等［12］采用木粉作模型沙，對江蘇射陽河閘下裁彎后河道淤積進行了渾水和局部動床模型試驗.潘存鴻等［13］采用塑料沙作模型沙進行動床模型試驗，對錢塘江河口支流曹娥江口門建閘后的閘下淤積形態(tài)和淤積速率進行了研究.王明才等［14］結合上海蘇州河河口水閘工程整體水工模型試驗，選用電木粉作模型沙進行了渾水定床物理模型模擬，研究了不同閘門寬度和底檻高程對河口淤積的影響.黃建維［15］對永定新河閘位選址等開展了試驗研究，得到淤積率與閘下河道長度的經(jīng)驗關系式.

目前，閘下淤積懸沙渾水物理模型中常用木粉和塑料沙作為模型沙，考慮閘下淤積相似時首先滿足沉速相似，并以此確定模型沙粒徑.通常情況下，模型水深基本在5～10 cm，常用模型沙臨界起動流速都在6 cm/s以上，達到河床淤積泥沙沖淤明顯的大量運動的模型流速應在8～10 cm/s以上.而一般模型比尺條件下閘下河段模型流速較難達到該流速值.從閘下淤積的機理分析，閘下河口在潮流作用下河床面形成一個由懸沙、高含沙濃度層、浮泥體和底質構成的沉積系統(tǒng).海域來沙必須經(jīng)歷多次潮起潮落搬運－沉積－再搬運－再沉積，經(jīng)歷懸移質與底浮泥的多次沖淤交換和輸運才能到達河道閘下.而在物理模型中，由于模型沙選擇及模型變率的限制，閘下附近河段潮流非常小，泥沙沉降后難以再懸浮而到達閘前，渾水動床物模復演和模擬閘下泥沙輸移過程非常困難，造成物理模型模擬閘下近區(qū)泥沙淤積的時空分布特征和實際情況并不一致.

2.2 閘下淤積的數(shù)學模型模擬

由于三維模擬技術的復雜性，目前潮汐河口閘下淤積數(shù)學模型主要是一維和二維泥沙數(shù)學模型.蔣建華等［16］建立了縱向一維、垂向二維數(shù)學模型，研究了甬江建閘前后的沖淤特性.胡華鋒等［8］采用一維水沙數(shù)學模型，預測了辛集閘閘下至河口段的河床沖淤變化趨勢.施春香［17］運用平面二維潮流數(shù)學模型分析研究了王港閘下游河道非恒定流，探討王港閘下游河道淤積原因.一般認為，渾水的挾沙能力與水流流速通常成3次方或2次方關系.閘門關閉時，閘前流速幾乎為零，近似于靜水，挾沙能力必然也趨于零，因此漲潮流實際上已無法將大量的泥沙輸運到閘前.前述現(xiàn)場觀測資料顯示，河口建閘初期擋潮閘近區(qū)淤積最強，采用現(xiàn)有的泥沙數(shù)學模型無法得到由河口至閘下淤積逐步增大的結果.馬進榮等［18］分析了感潮河段閘下淤積機理及用平面二維懸沙數(shù)學模型模擬閘下淤積存在的缺陷，提出采用分析模式預測近閘段的泥沙平均淤厚，其余河段由平面二維懸沙數(shù)學模型預測淤積分布相結合的方法.分析原因，主要是由于目前對建閘河口閘下近區(qū)泥沙淤積過程認識的欠缺，現(xiàn)有的計算模式也很難反映出閘下黏性泥沙運動特性及淤積過程.

3 閘下淤積概化物理模型試驗

3.1 原型條件

概化模型以射陽河建閘河口地形條件為基礎，模型邊界距離河口約6.5 km(外海－7 m等深線附近)，南北邊界范圍包括河口軸線南北向寬度約7.2 km范圍內海域(圖1).進入河口后，引河地形進行概化設計，總長約77 km，引河寬約660 m，引河航道底寬約220 m，底標高－4.0 m，航道邊坡1∶8，邊灘底標高約3.0 m.

概化物理模型共設計 5 種閘址(1# ～5#閘址)分別距離河口約 6.0，12.0，30.0，48.4 和 57.2 km.在選用原型的動力條件時，也以射陽河口的實際情況為基礎進行設計，在射陽河枯季關閘外海潮汐過程水文組合的基礎上進行概化潮位(圖2中1#潮型)，然后采用相同的外海水動力條件，研究不同閘址建閘河口水動力變化和泥沙淤積過程.

圖1 概化物理模型河口區(qū)地形Fig.1 Topography of the generalized physical model

圖2 概化物理模型設計潮型Fig.2 Designed tidal stencils of the generalized physical model

3.2 閘下淤積概化物理模型試驗

如前所述，由于模型沙選擇及模型變率的限制，渾水動床物理模型難以復演閘下泥沙輸移過程.采用原設計潮型(1#潮型)時，泥沙很難被輸送到閘前(圖3).而天然河道中，近底新淤泥(起動流速在0.2～0.4 m/s)可在漲潮流作用下再起動、再懸浮、向上游輸移和淤積.結合對閘下泥沙淤積機理的分析，在模型試驗中要保證懸沙輸運－沉降－再懸浮－再輸運過程的相似性，只有通過加強潮動力來達到輸沙相似或探尋合適的模型沙來解決.在沒有合適模型沙的前提下，在概化模型試驗的基礎上，設計了另外3種潮型(2#～4#潮型)，觀測潮動力強弱對閘下淤積過程的影響，圖4為4#潮型閘下淤積的情況，圖5為4種潮型下閘下沿程淤積分布.

試驗結果表明，采用動力較強的4#潮型，可模擬漲潮過程中閘下引河沿程含沙量自河口向閘逐漸增大的原型特征(圖6)，也可較好模擬建閘初期近閘下淤積較大的淤積分布規(guī)律.因此，在不能取得理想模型沙的條件下，閘下淤積特性試驗應以滿足河口內淤積泥沙再起動輸移特征來確定潮型.

圖3 1#潮型近閘區(qū)域泥沙淤積Fig.3 Siltation downstream of the sluice of 1#tidal stencil

圖4 4#潮型閘下淤積分布Fig.4 Siltation downstream of the sluice of 4#tidal stencil

圖5 不同潮型閘下淤積分布Fig.5 Change in sediment concentration downstream of the sluice

圖6 漲落潮過程沿程含沙量觀測Fig.6 Siltation downstream of the sluice of different tides

4 存在的問題

20世紀50年代以來，國內對潮汐河口閘下淤積機理進行了較深入研究，但對于閘下尤其是近閘區(qū)域泥沙的運動形式和輸運機理仍缺乏正確的認識.在模擬技術方面，從河相關系出發(fā)，采用經(jīng)驗關系式進行定性估算，還缺乏有理論支撐的定量研究.采用現(xiàn)有的物理模型設計方法和數(shù)學模型計算模式研究閘下淤積問題時，無法得到閘下近區(qū)泥沙淤積的過程和形態(tài).閘下淤積機理和模擬技術的研究，還需要解決以下問題.

4.1 機理研究方面

(1)異重流的影響.閘下河道近閘水域的靜水段內水體含沙量很小，接近清水，該清水段與下游渾水交界面附近由于清、渾水比重的差異，極有可能形成異重流，異重流潛入清水底部繼續(xù)向閘前運動.這樣就造成了閘前淤積厚度最大，然后自閘下向河口逐漸遞減的淤積形態(tài).閘下異重流的存在條件和存在形態(tài)以及對閘下淤積過程的影響需要深入研究.

(2)浮泥的影響.閘下淤積的泥沙來源主要是河口地區(qū)的黏性泥沙，在大風天氣下，口外含沙量增大，這種黏性泥沙經(jīng)絮凝沉降到床面后，在尚未密實之前，是具有顯著流動性的浮泥層.由于潮波變形及徑流量的匱乏，潮流掀起河底浮泥，使水體的含沙量沿程發(fā)生變化，并造成閘下河道淤積.

4.2 模擬技術方面

(1)潮汐河口閘下泥沙輸移的動力機制.閘下淤積是典型的三維水流泥沙運動，關閘時近閘段的行進流速幾乎為零，垂向水流的作用如何?閘下泥沙輸移的主要動力是什么?模型如何才能合理地反映閘下泥沙運動的實際物理過程等等，這些問題都有待進一步研究.

(2)物理模型的相似理論和試驗方法.建閘河口泥沙在潮流作用下不斷地起動、沉降、再懸浮和沉積，并向閘前輸移，懸沙和近底高含沙量進行著強烈沖淤交換，河床淤泥的重度也在不斷變化，影響到底床黏性泥沙的再懸浮.目前常用的模型沙(電木粉、塑料沙等)很難全部滿足天然泥沙的起動、沉降和再懸浮相似.此外，由于場地限制，河口物理模型往往設計成變態(tài)模型，變率對于閘下泥沙運動的影響也需要研究.

(3)數(shù)學模型中關鍵參數(shù)的計算模式.目前，大多數(shù)數(shù)學模型對于近底含沙量及挾沙能力的計算、黏性泥沙的沉積、再懸浮和固結過程的模擬等方面處理得不夠完善或者過于簡單，根據(jù)閘下泥沙運動的規(guī)律，需要建立浮泥挾沙能力公式以及浮泥層沉積、再懸浮模型，以便充分考慮河口河床的分層特性以及浮泥層對閘下淤積的影響.

5 結語

對閘下淤積機理和模擬技術的研究進展進行了概述和分析，得到了如下結論:

(1)在閘下淤積機理方面，閘下淤積的泥沙來源、產生原因已經(jīng)明確，但閘下泥沙輸移的動力機制和運動特性仍不清楚，尤其是近閘區(qū)域泥沙淤積過程仍需深入研究.

(2)閘下淤積過程和淤積分布的模擬以對閘下淤積機理的清晰認識為前提，在閘下淤積物理模型設計和試驗方法上均需進一步完善，尤其是模型沙的選擇和變率影響的修正.數(shù)學模型需要對關鍵參數(shù)的計算模式進行改進，尤其是近底含沙量和挾沙能力的計算.

(3)若無法取得理想模型沙，閘下淤積特性試驗應以滿足河口內淤積泥沙再起動輸移特征來確定潮型.

［1］辛文杰，張金善.我國建閘河口閘下淤積問題及其對策［R］.南京:南京水利科學研究院，2003.(XIN Wen-jie，ZHANG Jin-shan.Problem and countermeasure of siltation in the downstream area in China［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2003.(in Chinese))

［2］海河水利編輯部.國內外潮汐河口擋潮閘下淤積問題及治理措施綜述［J］.海河水利，1984(增刊1):59-65.(Editorial Department of Haihe Water Resources.Overview of siltation downstream sluices and control measures in tidal estuaries all over the world［J］.Haihe Water Resources，1984(Suppl1):59-65.(in Chinese))

［3］竇國仁.射陽河閘下淤積問題分析［C］∥竇國仁論文集.北京:中國水利水電出版社，2003:112-135，168-180.(DOU Guo-ren.Analysis about siltation downstream the sluice in Sheyang River［C］∥Memoir of Dou Guo-ren.Beijing:China WaterPower Press，2003:112-135，168-180.(in Chinese))

［4］羅肇森，顧佩玉.建閘河口淤積變化規(guī)律和減淤措施［C］∥河流泥沙國際學術討論會論文集.北京:海洋出版社，1980.(LUO Zhao-sen，GU Pei-yu.Rules of sedimentation and measures to reduce siltation in the estuary with sluices constructed［C］∥Proceedings of International Symposium on River and Sediment.Beijing:Ocean Press，1980.(in Chinese))

［5］金元歡，沈煥庭.我國建閘河口沖淤特性［J］.泥沙研究，1991(4):59-68.(JIN Yuan-huan，SHEN Huan-ting.Scouring and deposition characteristics of sluice construction estuary in China［J］.Journal of Sediment Research，1991(4):59-68.(in Chinese))

［6］邢煥政.海河口岸線演變及泥沙來源分析［J］.海河水利，2003(2):28-30.(XIN Huan-zheng.Analysis of coastal evolution and sediment sources in Haihe estuary［J］.Haihe Water Resources，2003(2):28-30.(in Chinese))

［7］伍冬領，林炳堯，余大進，等.永寧江樞紐引航道和擋潮閘閘港沖淤研究［J］.泥沙研究，2003(2):69-72.(WU Dongling，LIN Bing-yao，YU Da-jin，et al.Fluvial processes of access channel and downstream of tidal barrage in Yongning estuary［J］.Journal of Sediment Research，2003(2):69-72.(in Chinese))

［8］胡華鋒，許足懷，張華慶.漳衛(wèi)新河閘下淤積一維數(shù)學模型研究及應用［J］.水道港口，2005，26(3):149-153.(HU Hua-feng，XU Zhu-huai，ZHANG Hua-qing.Study on 1-D sediment silting model of dowstream reach of barrage in Zhangweixin River and its application［J］.Journal of Waterway and Harbor，2005，26(3):149-153.(in Chinese))

［9］李大山，任汝述.波浪作用下異重流運動特性研究［J］.海洋工程，1996，14(4):53-58.(LI Da-shan，REN Ru-shu.Research for special property of gravity current with the movement of wave［J］.The Ocean Engineering，1996，14(4):53-58.(in Chinese))

［10］韓清波.海河口治理方式初探［J］.港工技術，2005(1):8-9.(HAN Qing-bo.Pretest of regulation ways in Haihe estuary［J］.Port Engineering Technology，2005(1):8-9.(in Chinese))

［11］徐雪松，竇希萍，陳星，等.建閘河口閘下淤積問題研究綜述［J］.水運工程，2012(1):116-121.(XU Xue-song，DOU Xi-ping，CHEN Xin，et al.Overview of siltation downstream estuarine floodgates［J］.Port＆ Waterway Engineering，2012(1):116-121.(in Chinese))

［12］羅肇森，竇希萍.射陽河內港區(qū)及航道整治標準與效果的計算分析［R］.南京:南京水利科學研究院，1991.(LUO Zhao-sen，DOU Xi-ping.Computational analysis of the standard and effect of port and waterway regulation in Sheyang River［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，1991.(in Chinese))

［13］潘存鴻，盧祥興，韓海騫，等.潮汐河口支流建閘閘下淤積研究［J］.海洋工程，2006，24(2):38-44.(PAN Cun-hong，LU Xiang-xing，HAN Hai-qian，et al.Siltation features in area downstream of tributary barrage in tidal estuary［J］.The Ocean Engineering，2006，24(2):38-44.(in Chinese))

［14］王明才，周琴，傅宗甫，等.潮汐河口水閘對河口淤積影響的試驗研究［J］.紅水河，2005，24(3):39-41.(WANG Ming-cai，ZHOU Qin，F(xiàn)U Zong-pu，et al.Experimental study about the influence of sluice on the sedimentation in tidal estuary［J］.Hongshui River，2005，24(3):39-41.(in Chinese))

［15］黃建維.永定新河防淤減淤工程模擬試驗研究總報告［R］.南京:南京水利科學研究院，2001.(HUANG Jian-wei.General report of model tests to prevent and reduce siltation in new Yongding River［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2001.(in Chinese))

［16］蔣建華，蘇紀蘭.甬江建閘前后沖淤特性的初步數(shù)值模擬［J］.海洋學報，1995，17(1):121-129.(JIANG Jian-hua，SU Ji-lan.Preliminary numerical simulation of erosion and deposition characteristics before and after building sluice in Yong River［J］.Acta Oceanologica Sinica，1995，17(1):121-129.(in Chinese))

［17］施春香.擋潮閘下游河道淤積原因分析及沖淤保港措施研究－以王港閘為例［D］.南京:河海大學，2006.(SHI Chunxiang.Analysis of the course of sedimentation in lower approach of the floodgate and research of the project of bring into the tidewater and eroding the sedimentation-take the Wanggang floodgate as an example［D］.Nanjing:Hohai University，2006.(in Chinese))

［18］馬進榮，羅肇森，張曉艷.平面二維懸沙數(shù)學模型計算河口閘下淤積的缺陷及彌補方法［J］.水利水運工程學報，2007(6):58-62.(MA Jin-rong，LUO Zhao-sen，ZHANG Xiao-yan.Study on limits and remediation of 2-D suspended sediment model of siltation downstream of estuary sluices［J］.Hydro-Science and Engineering，2007(6):58-62.(in Chinese))