劉 杰，鄭文燕，程海峰，趙德招，顧峰峰

（1.上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201；2.交通運輸部長江口航道管理局，上海 200003）

1 問題的提出

長江口深水航道治理工程是我國最大的水運工程，分三期實施。2005年二期工程10.0m航道開通后，北槽航道回淤總量大幅增加且集中分布于中段，航道增深維護(hù)困難［1］。經(jīng)過近3a的研究，形成了包括延長丁壩、在南壩田新建擋沙堤和調(diào)整航道軸線在內(nèi)的長江口深水航道治理三期工程減淤措施［2］，其中延長丁壩稱之為YH101工程。

YH101工程是長江口深水航道治理三期工程最主要的減淤措施。該工程實施后的2010年3月，長江口12.5m深水航道開通并進(jìn)入了試通航期?，F(xiàn)場觀測表明，12.5m航道的回淤量依然較大。為此，少部分專家學(xué)者對YH101工程的 “減淤”效果存在疑惑，因此有必要對YH101工程的實施效果進(jìn)行評價。

本文主要在前期研究分析工作的基礎(chǔ)上［3］，利用12.5m航道開通后近3a的現(xiàn)場觀測資料，并結(jié)合數(shù)學(xué)模型計算，進(jìn)一步分析YH101工程實施后的水動力、地形沖淤和航道回淤等主要技術(shù)指標(biāo)變化，綜合評判工程效果。對YH101工程實施效果的評價，有助于加深對長江口深水航道演變規(guī)律的認(rèn)識，豐富河口海岸工程學(xué)的研究進(jìn)展。

2 工程概況

2.1 YH101工程治理思路

YH101工程是在長江口深水航道二期工程的基礎(chǔ)上，對北槽中上段的丁壩進(jìn)行延長，其總體思路是，通過調(diào)整丁壩長度，縮窄北槽中段河寬，以顯著增強(qiáng)中段的落潮動力，并盡可能減小對上、下段動力的削弱；綜合考慮各處丁壩加長對北槽縱向和橫向流場動力分布的調(diào)整作用，使縱向動力的變化平緩，橫向動力的分布有利于改善河床斷面形態(tài)，實現(xiàn)減淤的目的。

2.2 工程實施過程

在長江口深水航道治理二期工程的基礎(chǔ)上，YH101方案分別對北側(cè)的N1-N6丁壩、南側(cè)的S3-S7丁壩進(jìn)行延長 （見圖1），累計延長4621.0m，工程自2008年下半年開工，主體工程于2009年4月完成。此前的2008年9月，已對北側(cè)的N4、N5和N6三條丁壩進(jìn)行延長，累計加長673.0m。另外，2009年7—10月，實施了南導(dǎo)堤加高工程（南壩田擋沙堤）。

圖1 YH101工程布置圖

3 工程實施效果分析

3.1 水動力變化

根據(jù)現(xiàn)場觀測和數(shù)學(xué)模型計算可知，YH101工程實施后，北槽丁壩延長段對應(yīng)的區(qū)段水動力有所增強(qiáng)。圖2a是工程前、后北槽中段落潮流速變化。由圖2a可知，與工程前的2008年相比，2009年YH101工程實施后，位于北槽中段的原重點回淤段 （H-N單元，長15.8km）落潮流速明顯增大。現(xiàn)場觀測徑流、潮汐等水文邊界條件難以做到完全相同，因此，圖2a顯示出的流速增大只能定性代表工程的效果。為便于定量比較和精確評估工程對水動力的影響，在相同徑流、潮流水文邊界條件下，數(shù)學(xué)模型計算了YH101工程實施前后的流場變化 （見圖2b）。由圖2b可知，YH101工程實施后，YH101工程丁壩加長對應(yīng)的區(qū)段落急流速均有所增大，主要區(qū)段位于上航道 （B-K單元），最大增幅達(dá)0.4m／s左右，位于G單元附近。

圖2 YH101工程前后落急流速沿程變化圖

3.2 地形沖淤調(diào)整

YH101工程實施后，隨著北槽水動力的調(diào)整，河床發(fā)生相應(yīng)的沖淤變化。圖3為YH101工程實施2a（2009年5月至2011年5月）后地形沖淤變化。由圖3可知，除S6、S7丁壩壩頭附近的南邊灘河床略有淤積外，YH101工程丁壩延長段所在的北槽主槽普遍發(fā)生沖刷，最大沖刷幅度在1.5～3.0m。對比現(xiàn)場實測與動床物理模型的預(yù)測結(jié)果 （見圖3b）可知，工程后 “主槽沖刷、壩田淤積”的整體沖淤態(tài)勢與模型預(yù)測基本一致，但主槽實際的沖淤幅度、沖刷范圍較模型預(yù)測的大。

圖4為YH101工程延長丁壩對應(yīng)的北槽主槽平均水深變化。由圖4可知，YH101工程實施前，航道南、北側(cè)主槽的平均水深分別約7.5，8.0m。YH101工程實施后的2009年5月至2010年8月，主槽河床持續(xù)沖刷。經(jīng)過1個水文年后，主槽的河床沖刷調(diào)整基本完成。此時，航道南、北側(cè)主槽的平均水深基本維持在8.0m和9.0m，較工程前平均沖刷0.5m和1.0m左右。

圖3 YH101工程實施2a后地形沖淤變化圖

圖4 YH101實施后北槽 （丁壩延長段）主槽平均水深變化圖

3.3 航道回淤情況

與YH101工程實施前的10.0m航道相比，YH101工程后的12.5m航道分別向上、向下進(jìn)行了延伸，維護(hù)區(qū)段增加了南港段和口外段 （見表1）。與維護(hù)10.0m航道時期（2007—2008年）比較，12.5m深水航道新增的南港段和口外段，2010—2013年，常態(tài)平均回淤量分別為634萬，65萬m3，合計約699萬m3，年淤積厚度分別為1.4，0.1m。

YH101工程實施后，與10.0m航道維護(hù)相同的區(qū)段內(nèi)，圓圓沙段航道年回淤量增幅較大，從10.0m航道時期的288萬m3增至12.5m航道時期的1495萬m3，增1207萬m3，年淤積厚度由0.6m增至3.0m。

與10.0m航道相比，YH101工程實施后北槽12.5m航道年回淤總量有所增大，從5153萬m3增至5533萬m3，增加380萬m3，年淤積厚度由2.8m增至3.0m （見表1）。盡管如此，由于航道水深維護(hù)水深增大了2.5m，12.5m航道的淤強(qiáng)水深比卻較10.0m航道有所減小，由10.0m航道時期的28.2%下降到24.2%。

表1 YH101工程實施前 （10.0m航道）與實施后 （12.5m航道）常態(tài)回淤比較表

從各航道單元回淤的沿程變化來看 （見圖5），YH101工程實施后12.5m航道較10.0m航道，C單元以上和K單元以下航道回淤量有明顯增大，但D—J單元回淤量有明顯減小。對比YH101工程的丁壩建設(shè)可知，實際回淤減小的區(qū)段對應(yīng)的是S2—S5丁壩區(qū)段，即YH101工程延長丁壩的上游區(qū)，這也與YH101工程實施后落急流速增幅較明顯的區(qū)段基本一致 （見圖2）。另外，從YH101工程延長丁壩對應(yīng)的區(qū)段 （B—P單元）航道回淤來看，12.5m開通的近3a平均回淤量約5200萬m3，而相應(yīng)區(qū)段維護(hù)10.0m航道時約5000萬m3。該區(qū)段航道水深增加2.5m，實際回淤量也僅增加約200萬m3。

圖5 10.0，12.5m航道維護(hù)期回淤量沿程差異與YH101工程丁壩長度的關(guān)系圖

4 工程實施效果評價

4.1 工程對北槽落潮分流比的影響

南北槽為長江口第三級分汊。在長江口深水航道治理一、二期工程實施過程中，隨著整治建筑物的實施，北槽總阻力增大 （包括壩田淤積引起北槽總?cè)莘e的減小），北槽分流比曾有較大幅度的下降［4］。

YH101工程的實施亦增加北槽的阻力。定床數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果表明［4］，工程實施后北槽落潮分流比下降1.96%（下斷面）。表2為YH101工程實施前后北槽落潮分流比變化表。以下斷面為例，YH101工程實施前2007—2008年北槽落潮分流比約43.50%，YH101工程完工時 （2009年4月）為40.70%，與工程前相比減少2.80%，較數(shù)學(xué)模型預(yù)測結(jié)果略偏大。YH101工程完工后，北槽主槽進(jìn)入沖淤調(diào)整期 （見圖3、4）。隨著主槽河床的沖刷和12.5m航道的疏浚，北槽容積擴(kuò)大，河床阻力減小，分流比開始增大。至2010年8月 （工程引起的主槽沖刷調(diào)整基本結(jié)束），分流比再次恢復(fù)到43.20%，與YH101工程實施前基本相當(dāng)。隨后分流比基本穩(wěn)定在42.00%～43.00%。

表2 YH101工程實施前后北槽落潮分流比變化圖

4.2 工程效果綜合評價

YH101工程實施后，北槽地形和水沙條件得到改善，在航道水深增加2.5m的情況下，丁壩延長對應(yīng)的區(qū)段（B-P航道單元）回淤沒有明顯增大。與10.0m航道相比，北槽12.5m航道的淤強(qiáng)水深比有所下降。YH101工程為12.5m航道建設(shè)和維護(hù)創(chuàng)造了條件，工程實施效果明顯。YH101工程實施后，北槽水動力、地形變化總體上與前期研究成果預(yù)測的一致。由此看來，根據(jù)前期研究成果制定的 “通過調(diào)整部分丁壩長度、縮窄北槽中段河寬，以顯著增強(qiáng)中段的落潮動力和輸沙動力、減少航道回淤量并改善其分布”的工程治理思路是正確的。

但具體各指標(biāo)的定量比較表明，工程的實際效果與工程前期的數(shù)學(xué)模型、物理模型研究結(jié)果相比，仍存在一定的差異，值得進(jìn)一步分析討論。

（1）關(guān)于分流比變化。北槽汊道的分流比變化受制北槽的河道阻力和總?cè)莘e的變化。根據(jù)長江口深水航道一、二期工程實踐經(jīng)驗，北槽實施整治建筑物尤其是丁壩建設(shè)后，北槽因阻力增加、容積減小，其分流比會有明顯的減小。但YH101工程實施后，北槽的分流比先減小，后基本恢復(fù)。其原因主要可能是長江口深水航道一、二期工程除增加了北槽的阻力外，還引起了北槽總?cè)莘e較大幅度的減少［5］。而YH101工程完工后，實施了大規(guī)模的航道基建疏浚，擴(kuò)大了北槽容積，起到 “挖槽引流”的作用，消減了丁壩阻力對北槽分流比的影響。據(jù)統(tǒng)計，2009—2010年因基建疏浚北槽容積擴(kuò)大近5000萬m3。

（2）關(guān)于地形沖淤變化。YH101工程實施后北槽主槽的沖刷幅度、沖刷范圍較原物理模型預(yù)測結(jié)果偏大，其原因：①可能是動床物理模型試驗無法模擬航道的基建疏浚，因此，丁壩增加的阻力難以通過基建疏浚、容積擴(kuò)大來恢復(fù)，影響了北槽落潮分流比，弱化了主槽的動力；②物理模型研究工程沖刷問題時通常采用清水動床模型試驗，因此，壩田淤積幅度較實際偏小，由此可能導(dǎo)致主槽的沖刷亦偏小。因為實際情況下，為維持過水?dāng)嗝娴钠胶?，壩田的淤積則可能會促進(jìn)主槽的沖刷。

由此看來，YH101工程實施后1a的河床沖刷調(diào)整期，由于同步實施的大規(guī)模的航道基建疏浚，起到了 “引流”和擴(kuò)大北槽容積的作用，減弱工程建設(shè)、阻力增大，對北槽分流分沙的負(fù)面影響。因此，北槽實際表現(xiàn)出的水動力變化、地形沖淤變化和航道減淤效果可能是二者共同作用的結(jié)果。

5 結(jié) 語

利用12.5m航道開通后的現(xiàn)場觀測資料，結(jié)合潮流數(shù)學(xué)模型的計算，對YH101工程的實施效果進(jìn)行了分析評價，得到以下認(rèn)識：

（1）YH101工程實施后，北槽主槽水動力增強(qiáng)，河床沖刷，主要技術(shù)指標(biāo)與工程前期預(yù)測基本一致。YH101工程為長江口12.5m深水航道開通和維護(hù)創(chuàng)造了條件，工程的治理思路是正確的，實施效果是明顯的。

（2）YH101工程完工后，隨即對深水航道實施了大尺度的基建疏浚，擴(kuò)大了主槽容積，減弱了工程建設(shè)對水流阻力增加的影響，YH101工程丁壩建設(shè)后北槽落潮分流比并沒有象一、二期工程那樣出現(xiàn)明顯的減小，YH101工程后引起的主槽河床沖刷調(diào)整幅度亦較模型預(yù)測大。大尺度的航槽疏浚，對YH101工程效果的發(fā)揮起到了積極作用。

（3）總體來看，YH101工程后北槽回淤量依然較大，開展進(jìn)一步的減淤措施研究是必要的。

［1］談澤煒，范期錦，鄭文燕，等.長江口北槽航道回淤原因分析［J］.水運工程，2009 （6）：91-102.

［2］中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，長江口深水航道治理三期工程減淤工程措施深化研究綜合分析報告 ［R］.上海：中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，2008.

［3］劉杰，吳華林.長江口三期工程減淤工程 （YH101）實施效果綜合分析研究總報告 ［R］.上海：上海河口海岸科學(xué)研究中心，2011.

［4］戚定滿，顧峰峰.長江口深水航道治理三期工程減淤工程措施深化研究潮流及泥沙數(shù)學(xué)模型計算報告 ［R］.上海：上海河口海岸科學(xué)研究中心，2008.

［5］劉杰，陳吉余，徐志揚.長江口深水航道治理工程實施后南北槽分汊段河床演變 ［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2008，19 （5）：605-612.