陳 維, 匡翠萍, 顧 杰, 秦 欣

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 上海200092; 2．上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 上海201306)

自從1998年長江口北槽深水航道工程開工建設(shè)以來, 對長江口局部地區(qū)水動力條件特別是南支產(chǎn)生了很大的影響, 許多學(xué)者對北槽水動力及泥沙特性做了相關(guān)的研究[1-5], 嚴(yán)以新等[6]根據(jù)長江口深水航道治理工程一、二、三期及遠(yuǎn)景規(guī)劃, 對南北槽河勢的發(fā)展進(jìn)行了分析計(jì)算, 認(rèn)為北槽落潮分流比將維持在48%左右; 郁微微等[7]建立了一個(gè)長江口二維潮流場數(shù)值模型, 分別對深水航道工程實(shí)施前后進(jìn)行了計(jì)算, 計(jì)算結(jié)果表明深水航道工程對長江口流速及南北槽進(jìn)口斷面潮量的影響較大; 劉杰等[8]對長江口深水航道治理一期工程實(shí)施后北槽沖淤進(jìn)行了分析, 認(rèn)為一期工程實(shí)施后北槽上段河床進(jìn)入沖刷調(diào)整期; 鄭宗生等[9]利用地理信息系統(tǒng)建立了不同時(shí)期的長江口水下數(shù)字高程模型, 對長江口北槽航道水下地形變化進(jìn)行了定量分析, 認(rèn)為一、二期工程完成后, 增加了主槽流速, 減少了航道回淤; 杜景龍等[10]在地理信息系統(tǒng)軟件mapinfo的支持下, 分析了北槽深水航道工程對九段沙沖淤演變的影響, 認(rèn)為九段沙東側(cè)水下三角洲受工程的影響, 淤積速率持續(xù)降低并且底端發(fā)生沖刷。

目前, 北槽深水航道上段淤積較為嚴(yán)重, 本文根據(jù)南沙頭通道水深變化、橫沙通道斷面水深變化、南北槽分汊口斷面水深變化、南北港分流比變化及南北槽分流比變化實(shí)測資料來分析北槽深水航道上段淤積的原因。

1 長江口北槽深水航道工程介紹

長江口是一個(gè)分汊型河口, 它是在徑流量大、泥沙豐富、潮流亦強(qiáng)的特定條件下形成的[6]。長江口在徐六涇以下, 由崇明島分隔為南支和北支, 南支河段在瀏河口以下又被長興島和橫沙島分隔為南港與北港, 南港在九段以下再被九段沙分隔為南槽與北槽, 形成三級分汊、四口入海的格局[1](圖1)。

圖1 長江口河勢現(xiàn)狀圖 Fig. 1 The Changjiang River Estuary

長江口深水航道工程分為三期, 一期工程于1998年1月27日正式開工, 至2000年3月完成, 修筑南導(dǎo)堤30.0 km、北導(dǎo)堤27.89 km, 建丁壩10座, 總長 11.19 km, 在分流口修筑魚咀工程南線堤1.6 km, 潛堤3.2 km, 航道底寬擴(kuò)寬至300 m(口外段350 m), 水深從 7 m 達(dá)到 8.5 m, 航道長達(dá)到51.77 km。二期工程于2002年4月開工, 至2004年12月完成, 南導(dǎo)堤向外延伸至48.077 km, 北導(dǎo)堤向外延伸至49.2 km, 新建二期丁壩9座, 總長14.3 km, 續(xù)建一期丁壩5座, 總加長4.6 km, 航道底寬擴(kuò)寬至350 m(口外段400 m), 設(shè)計(jì)水深10.0 m, 航道總長74.47 km。三期工程于2006年9月30日開工, 在長興島尾南側(cè)新建 2 km 的長興潛堤, 疏浚航道90.8 km, 形成全長92.2 km、寬350～400 m、水深 12.5 m的雙向航道(圖2)[11]。

圖2 長江口深水航道工程示意圖 Fig. 2 Sketch map of deepwater navigation channel in the Changjiang River Estuary

2 長江口河勢演變分析

2.1 南支河勢演變分析

南支河段以七丫口為界分為上、下兩段。上段全長約35.0 km, 為雙分汊河型, 河段相對穩(wěn)定。下段全長35.5 km, 又稱三沙河段(扁擔(dān)沙、新瀏河沙、中央沙), 為多分汊河型, 是長江口最不穩(wěn)定的河段, 具體表現(xiàn)為洲灘游移不定(俗稱三沙游蕩), 動力條件復(fù)雜, 灘槽易位, 沖淤多變[12]。扁擔(dān)沙分河道為南支主槽和新橋水道。南支主槽在寶山水庫附近分三股水流分別進(jìn)入南、北港, 其中新瀏河沙與南岸之間為新寶山水道, 通往南港; 新瀏河沙與中央沙之間為南沙頭通道, 通往南港; 扁擔(dān)沙與中央沙之間的通道為新橋通道, 是通往北港的主要水道。

2.1.1 南沙頭通道對南港及北槽的影響

1979年洪水后, 扁擔(dān)沙南部的沙體在落潮流頂沖下脫離扁擔(dān)沙, 成為心灘沙洲, 稱南沙頭, 南沙頭與中央沙之間的南沙頭通道也隨之形成。1986年, 新瀏河沙體與南沙頭合并, 稱新瀏河沙[12]。

圖3為南沙頭通道處橫斷面1983～2005年的水深變化圖[13], 起點(diǎn)距離是從南到北, 從圖中可以看出, 該斷面處于南、北港分汊口處, 河勢一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)。1983～1984年, 南港主河道基本上位于河道中央, 南沙頭通道水深大致在8 ～10 m; 1986年, 南港主河道深泓向北偏移, 受此深泓偏移的影響, 新瀏河沙向北移動, 南沙頭通道最深處水深維持在10 m左右; 到了1995年, 南港原主河道嚴(yán)重淤積, 近南岸河床受到?jīng)_刷成為主河道, 深泓靠南岸, 南沙頭通道受到?jīng)_刷, 水面拓寬, 最深處超過12 m; 兩年后(1997年), 南港近南岸的主河道被淤積, 河道深泓偏向北岸, 而南沙頭通道被淤積, 最深處僅5 m, 且通向北港的通道被刷深; 至2005年, 南沙頭通道漸被刷深, 最深處達(dá)14 m。此后數(shù)年, 南沙頭通道一直在擴(kuò)大。2008年, 南沙頭通道入口實(shí)施了護(hù)底工程, 目的是為了抑制該通道的發(fā)展, 同時(shí)也為了歸順南港水流, 但南沙頭通道的水流對南港河道的影響卻仍然存在著不確定的因素。

圖4是南、北港1958～2007年50年間的落潮分流比變化過程, 從圖中可以看出, 1958年至1963年, 南、北港分流比接近50%, 南、北港分流處于較為穩(wěn)定的時(shí)期。1964年開始北港分流比大于南港, 直至1979年兩者分流比又基本相等, 但自從1979年南沙頭通道形成后, 從1980年至1994年, 北港分流比小于南港, 南沙頭通道起到了增加南支水流進(jìn)入南港的作用。1995年至2002年, 北港分流比增大, 且大于南港, 這期間南沙頭通道得到拓寬, 新寶山水道淤積嚴(yán)重, 南沙頭通道對新寶山水道的影響不可忽視。特別是2002年, 北港分流比遠(yuǎn)大于南港, 南沙頭通道不僅刷深, 其入口也向北明顯偏移。2007年, 南港分流比有所增大, 這與南沙頭通道動搖不定仍然存在著一定的關(guān)系。

圖3 南支南沙頭通道橫斷面1從1983～ 2005年水深變化圖 Fig. 3 Water depth variation along a cross-section of the Nanshatou Passage in the South Branch from 1983 to 2005

圖4 南、北港1958～2007年落潮分流比變化過程 Fig. 4 Ebb flow split ratios of the South and the North Channel from 1958 to 2007

現(xiàn)南沙頭通道與南港南岸的夾角約為45°[14], 落潮時(shí), 由于增加了橫向流速, 不僅對新寶山水道水流產(chǎn)生一定的抑制作用, 同時(shí)由于橫向流速會產(chǎn) 生環(huán)流, 增加了水流在南港的停留時(shí)間, 這對泥沙向下輸送產(chǎn)生不利的影響; 此外, 南沙頭通道水流對南港南岸也會產(chǎn)生一定的沖刷作用, 經(jīng)南岸沙洲的阻擋及黃浦江水流的作用, 把泥沙帶向南港北岸, 在北槽進(jìn)口段前產(chǎn)生淤積; 此外落潮流由于此沙洲的影響, 流向偏向南槽, 減弱了進(jìn)入北槽深水航道的水量, 從而引起北槽深水航道上段的淤積。

2.1.2 橫沙通道對北槽的影響

橫沙通道為1954年特大洪水造床作用在口門地區(qū)與北槽同期塑造的新生汊道, 位于長興島和橫沙島之間, 是長江口水域唯一一條獨(dú)立的、南北向連通的通道, 兩側(cè)分別連接長江口最大的兩個(gè)入海通道——北港與北槽, 是北港和北槽入海前的勾通交換渠道, 也是它們之間進(jìn)行水沙交換的重要通道。目前該通道平均寬約1 200 m, 長約8 000 m, 貫通水深約為10 m[12]。

近半個(gè)世紀(jì)以來, 橫沙通道經(jīng)歷了沖刷擴(kuò)大、中段淤積及束窄加深3個(gè)階段, 橫沙通道發(fā)展變化的原因是由于河口汊道潮波變形引起的相位差, 表現(xiàn)形式為橫向汊道兩端存在橫比降, 且北口潮差大于南口。而南北水位的差值洪季大于枯季, 大潮大于小潮。潮差及潮汐相位的不同組合, 使得橫沙通道的水流產(chǎn)生較大的變化。當(dāng)水面橫比降減小時(shí), 通道漲落潮流速減緩, 導(dǎo)致懸沙淤積, 反之則引起河底沖刷。特別是北港深槽往南擺移, 有利于潮流與橫沙通道的交換, 對橫沙通道的水深變化起著重要的作用。

圖5是橫沙通道南北口橫斷面1997～2009年水深變化[15], 起點(diǎn)距離是從西到東, 從北口斷面可以看出: 1997年, 橫沙通道北口斷面河寬約為1 000 m, 河型呈“V”型, 深泓偏橫沙島一側(cè), 最大水深約為14 m; 2001年, 北口斷面整體被沖刷, 刷深范圍為1～2 m, 橫沙島一側(cè)沖刷程度較長興島一側(cè)大, 且深泓向橫沙島一側(cè)偏移了100 m左右; 2004年, 北口斷面總體沖刷, 深泓向橫沙島一側(cè)偏移, 河道擴(kuò)寬約200 m; 2009年, 北口斷面進(jìn)一步?jīng)_刷, 深泓再向橫沙島一側(cè)偏移, 深泓刷深約2 m左右?？傮w而言, 橫沙通道北口斷面從1997到2009年, 總體沖刷, 主河道向橫沙島一側(cè)偏移。從南口斷面可以看出, 1997年, 橫沙通道南口斷面河寬約為1 200 m, 最大水深為8 m, 為“U”型深槽, 深泓偏向長興島一側(cè); 2001年, 南口斷面整體沖刷, 河寬擴(kuò)寬明顯, 約為1 800 m, 斷面刷深, 且近岸處沖刷較深, 中間高凸, 形成2個(gè)“V”型深槽, 最大水深超過12 m; 2004年, 南口斷面整體繼續(xù)被沖刷, 深槽下切, 且斷面中間沖刷較大; 至2009年, 兩深槽略有下切, 但斷面中間淤積嚴(yán)重, 淤積厚度達(dá)4 m。河道斷面形態(tài)變化這么大, 可能與2007年建成的長興島潛堤有關(guān)。長興潛堤工程是長江口深水航道治理三期工程的一個(gè)組成部分, 位于長興島東南角沙咀灘面上, 建設(shè)長度約1.84 km。由于潛堤對流的阻擋作用, 落潮時(shí), 斷面水位兩端會出現(xiàn)水位差, 且長興島水位高于橫沙島水位, 橫沙通道里產(chǎn)生橫向流動且出現(xiàn)環(huán)流, 將長興島一側(cè)的泥沙帶向中間, 從而引起河道中間嚴(yán)重淤積。

圖5 橫沙通道典型橫斷面1997～2009年水深變化圖 Fig. 5 Water depth along the cross-section of the Hengsha Passage from 1997 to 2009

從橫沙通道南北兩個(gè)斷面沖淤變化情況來看, 斷面沖刷變化趨勢基本一致, 說明整個(gè)橫沙通道沖刷變化趨勢與此相當(dāng), 即橫沙通道過水流量在深水航道工程后有所增加。而橫沙通道流量的增大, 對北槽上段進(jìn)口段漲落潮進(jìn)出水量會產(chǎn)生影響, 即減小了北槽進(jìn)口段漲落潮水量, 而北槽進(jìn)口段水量的減少, 表現(xiàn)在水流速度上會有所減小, 從而產(chǎn)生泥沙的落淤。

2.1.3 科氏力及北槽南導(dǎo)堤分流口魚咀工程對北槽的影響

李國英[16]在分析黃河河勢演變時(shí), 認(rèn)為科氏力的長期影響不容忽視, 并指出在堤防的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、河道整治線路規(guī)劃及其控導(dǎo)工程設(shè)計(jì)、入海流路選擇及工程布局規(guī)劃等生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)該特別加以注意。

長江口屬中等強(qiáng)度的潮汐河口, 潮汐為非正規(guī)半日淺海潮, 每日兩漲兩落, 且有日潮不等現(xiàn)象, 在徑流作用下, 一般落潮流速大于漲潮流速, 從而造就了以落潮水流作用為主的落潮槽, 如南支南、北港主槽等[17]。在科氏力的作用下,落潮主流呈南偏,漲潮主流呈北偏, 即主流往右偏移, 使河口各汊道進(jìn)出潮量出現(xiàn)差異, 如南支、南港進(jìn)出潮量一般大于北支、北港進(jìn)出潮量, 并使河口的南汊道刷深、擴(kuò)寬, 呈發(fā)展趨勢, 北汊道則日漸淤淺、束窄, 呈衰退趨勢。

北槽南導(dǎo)堤分流口魚咀工程方向略偏北, 與科氏力對水流的作用方向基本吻合。落潮時(shí), 一部分水流被導(dǎo)向南槽, 在科氏力及北槽南導(dǎo)堤分流口魚咀工程共同作用下, 對南槽的發(fā)展起到了促進(jìn)作用; 漲潮時(shí), 漲潮流順分流口魚咀工程方向?qū)⒛喜勰嗌硯蜷L興島一側(cè), 即北槽進(jìn)口段前, 而南槽的發(fā)展在南北槽漲潮流匯合時(shí), 又抑制了北槽漲潮流在南支爭奪水量的水勢, 從而促使泥沙在北槽上段進(jìn)口段落淤。

2.2 南北槽河勢變化分析

圖6是南北槽分汊口處橫斷面1998年和2006年水深圖[8]。起點(diǎn)距離是從南到北。1998年, 北槽深泓位于北槽中央, 最深水深達(dá)15 m, 南槽平均水深約為8 m, 北槽過水?dāng)嗝娲笥谀喜? 北槽比南槽有更優(yōu)越的河勢條件; 與1998年相比, 2006年北槽進(jìn)口段大幅度淤積, 且北側(cè)淤積幅度大于南側(cè), 深泓整體向南移動, 最深水深由原來的15 m左右減至12 m 左右, 而南槽進(jìn)口段河槽卻普遍沖刷, 沖刷深度最大達(dá)4 m。分析南北槽過水?dāng)嗝孀兓Y(jié)果, 南槽過水?dāng)嗝嬖龃筝^多, 而北槽過水?dāng)嗝鏈p小, 且南槽過水?dāng)嗝娲笥诒辈? 即南槽獲得了比北槽更優(yōu)越的河勢動力。

圖6 南、北槽分汊口處橫斷面1998年、2006年水深圖 Fig. 6 Water depth variation along the inlet cross-section of the North and the South Passage in 1998 and 2006

圖7為南、北槽分流口斷面1998～2006年落潮分流比變化過程[8], 從圖中可以看出, 在深水航道工程開工建設(shè)之前, 北槽的分流比約為60%, 南槽的分流比約為40%, 北槽比南槽的水流條件優(yōu)越。但一期工程建設(shè)結(jié)束(2000年8月)后, 北槽水勢有所減弱, 南槽得到加強(qiáng), 南北槽分流比逐漸趨于平衡; 二期工程(2002年4月)開工建設(shè)后, 北槽水勢減弱南槽水勢加強(qiáng)這一趨勢在加重, 南槽分流比開始大于北槽, 南槽得到了充分發(fā)展; 至2006年, 北槽分流比已由原來的60%左右減為45%左右, 而南槽分流比約為55%, 南槽河勢占據(jù)了優(yōu)勢。如果這一發(fā)展趨勢維持下去, 對長江口深水航道會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。

圖7 南、北槽分流口斷面1998～2006年落潮分流比變化過程 Fig. 7 Ebb flow split ratios of the South Passage and the North Passage from 1998 to 2006

3 結(jié)語

本文根據(jù)實(shí)測資料對北槽深水航道上段入口段淤積原因進(jìn)行了分析, 北槽入口段淤積受多種因素的作用, 其中南沙頭通道、橫沙通道、科氏力及北槽南導(dǎo)堤分流口魚咀工程的共同作用應(yīng)該是造成淤積的主要原因。因此, 治理北槽深水航道淤積問題, 應(yīng)該從這些方面入手, 才能保證北槽深水航道正常運(yùn)行。

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