張 瑋，楊 松，許才廣，劉 杰，錢益明

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098；2.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州510220；3.長江治理工程管理處，張家港215600）

長江張家港老海壩段水動力及沖刷分析研究

張 瑋1，楊 松1，許才廣2，劉 杰1，錢益明3

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098；2.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州510220；3.長江治理工程管理處，張家港215600）

老海壩位于瀏海沙水道主流頂沖岸段，河岸穩(wěn)定備受關(guān)注。文章在分析老海壩河段歷史演變的基礎上，利用一、二維耦合潮流數(shù)學模型，模擬計算不同水文條件及人類活動下老海壩河段的水動力特性，分析對河岸沖刷的影響。研究結(jié)果表明：（1）歷史上老海壩是人工形成的節(jié)點，具有可沖性；（2）老海壩沿岸的水動力受自然條件和人類活動影響，自然條件下沿岸最大流速出現(xiàn)在大流量落潮條件下；（3）雙澗沙工程實施后，近岸流速有減小的趨勢，減小幅度在0.01～0.03 m/s；（4）老海壩近岸流速沿程增加，進口流速小，出口流速大，輸沙不平衡，河床處于沖刷狀態(tài)。隨著河床的沖深，水沙條件將重新達到平衡。

歷史演變；河床沖刷；流速；輸沙平衡

老海壩位于長江澄通河段的瀏海沙水道，歷史演變劇烈，水沙運動復雜，是長江下游重點防護岸段。由于受長江主流頂沖，深泓逼岸，局部水深達65 m，備受關(guān)注。

對于老海壩河段的沖刷問題，多位學者開展了研究工作。陳永平［1］等人利用實測資料和潮流數(shù)學模型，分析探討了如皋沙河段的河床演變過程以及動力機制。杜亞南［2］等人對老海壩河段進行了長期的監(jiān)測分析，研究其變化規(guī)律并探索其演變趨勢。陳頌偉［3］分析了如皋中汊的演變過程對老海壩近岸河床沖刷的影響。但這些研究主要集中于演變分析、動力因素探討，并沒有考慮到老海壩沿岸的水動力特性。對于老海壩河段而言，上游徑流及下游潮汐都會帶來近岸水動力的變化，此外附近河段人類活動的影響也不容忽略。因此，開展老海壩近岸的水動力特性研究是非常必要的。

本文在分析老海壩河段歷史演變過程的基礎上，建立大范圍一、二維耦合潮流數(shù)學模型，針對不同的自然條件和人類活動，對老海壩河段的水流動力特性進行研究，并在此基礎上分析流速變化對于河岸沖刷的影響，研究成果可為老海壩河段江堤防護決策提供參考。

圖1 老海壩河段位置示意圖Fig.1Geographic location of Laohaiba reach

1 河段概況

澄通河段地處長江下游河口段，上起江陰鵝鼻咀，下至徐六涇，全長87 km。老海壩河岸位于澄通河段中部右岸，屬于瀏海沙水道。本河段上接如皋沙汊道匯流處，下與南通河段相連，全長約7.9 km。河道進口河寬相對較寬，約3.1 km左右，出口處九龍港～十一圩逐漸縮窄，寬約1.7 km，具體詳見圖1。由于受長江主流頂沖，主泓逼近江岸，導致河床嚴重沖刷，段山港～十一圩江岸遭受不同程度沖刷而引起崩岸，其中老海壩一帶較為嚴重。

2 河床演變分析

歷史上澄通河段演變較為劇烈，特別是瀏海沙水道附近，長江主流在此反復出現(xiàn)裁彎取直。瀏海沙形成初期為段山下游江中的一菱形沙洲，后向下游淤長增大。1910～1915年，瀏海沙已形成長達21.8 km的大半島，其中沙頭在段山港與南岸相接，距老海壩以下1 km離岸。1920年長江主流改走海北港沙南水道，由于水道曲率較大，水流不暢，自段山沿南岸沖出了一條通道。隨著該通道的不斷沖刷發(fā)展，瀏海沙頭被切開，南邊分割出的部分為偏南沙，緊接瀏海沙尾偏南一側(cè)和偏南沙尾為登陽沙。1917年在瀏海沙和偏南沙之間修建了老海壩。1920年在偏南沙和南岸之間修筑了新海壩［4］。經(jīng)過多年的演變發(fā)展，至1948年，瀏海沙、偏南沙和登陽沙已連成一片與南岸相連，如圖2所示。

由于長江主流頂沖，造成段山港至十一圩港江岸大幅向后崩退，1924～1969年間，老海壩江岸最大崩退寬度達3.8 km，原沙洲縣的茅竹鎮(zhèn)、新橋鎮(zhèn)、南興鎮(zhèn)等七個集鎮(zhèn)全部坍入江中，坍失農(nóng)田3.6萬畝。20世紀70年代初以來，在老海壩至九龍港一帶共修建丁壩11座以及新建護岸工程，基本穩(wěn)定了這一帶江岸的河勢。但進入20世紀90年代，長江大流量出現(xiàn)頻次增多，九龍港以下江岸線沖刷嚴重，等高線普遍右移。

因此，老海壩河岸是近百年來人們在自然形成的江心灘上圍墾所形成的人工節(jié)點，沿岸的大部分陸域都是江中散沙淤積而成，其土質(zhì)抗沖性較差。由于該河道邊界及水流動力條件復雜，按照河流自身的發(fā)展規(guī)律，老海壩近岸河床仍有進一步?jīng)_刷后退的可能。

圖2 瀏海沙水道歷史演變圖［4］Fig.2Historical evolution of Liuhai shoal waterway

3 模型建立

考慮到該河段位于長江口潮流區(qū)，受上游徑流和下游潮汐的共同作用，動力條件復雜［5］。為盡量使得模型只受單個動力因素作用，特建立大范圍徑流-潮流數(shù)學模型，模型范圍上起安徽大通，下至南支楊林、北支青龍港。采用一維和二維耦合技術(shù)建立數(shù)學模型，安徽大通至江陰蘆埠港河段采用一維模型，以下河段采用二維模型。

3.1基本控制方程

在一維潮流數(shù)學模型中，采用Saint-Venant方程組作為控制方程，其連續(xù)方程和運動方程可以表示為

式中：x和t分別為距離和時間的坐標；A為過水斷面面積；Q為流量；h為水位；q為旁側(cè)入流的流量；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；α為動量校正系數(shù)；g為重力加速度。

在二維潮流數(shù)學模型中，連續(xù)方程為

運動方程為

式中：x,y為笛卡爾坐標；t為時間變量；η為水位；h為總水深，且有h=d+η，d為靜水深；uˉ、vˉ為x,y方向深度平均速度；τbx、τby為x,y方向底部應力；ρ0為水的密度；f為科氏力系數(shù)，且f=2Ωsinψ；g為當?shù)刂亓铀俣?；Txx、Tyy、Txy為水平粘滯應力項。

3.2模型概況

一維模型從大通站至江陰蘆埠港全長412.5km，二維模型從江陰蘆埠港至長江口，模型全長約135.8 km，模型共有75 172個網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺度為50 m，以保證計算精度。

3.3模型驗證

為使所建立的潮流數(shù)學模型能較好地模擬實際水流的運動情況，需對模型進行率定和驗證，確定其中的計算參數(shù)。以往曾分別利用2004～2008年多次實測水文資料對該模型進行率定［6］，本次研究中選用長江下游三沙河段2010年7月（對應大通流量為57 500 m3/s）進行的水文測驗數(shù)據(jù)進行驗證。經(jīng)驗證，計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好。

4 老海壩河段水動力特性分析

4.1洪、枯季最大流速沿程分布圖

圖3和圖4為洪季（對應大通平均流峰流量57 500 m3/s）和枯季（對應大通枯季平均流量16 800 m3/s）兩種水流條件下，漲落潮期間老海壩河段最大流速沿程分布圖。圖中可以看出，九龍港～十一圩一帶的最大流速相對周邊流速較大，特別是近岸流速達到最大。洪季近岸最大流速為2.4 m/s，枯季則為1.6 m/s。

圖3 洪季最大流速分布圖Fig.3The maximum velocity distribution in flood season

圖4 枯季最大流速分布圖Fig.4The maximum velocity distribution in dry season

4.2徑流量對流速影響分析

為了研究上游徑流對沿岸流速的影響，模型選取上游徑流條件在10 000～80 000 m3/s之間以及98大洪水（對應大通流量85 000 m3/s）共9種水流條件分別計算。表1為不同徑流量時，九龍港測點處大潮條件下的漲、落潮最大流速和平均流速的計算結(jié)果，結(jié)果表明：隨著上游大通流量的增加，九龍港處的落潮最大流速和平均流速也相應增大；而漲潮最大流速和平均流速卻隨著上游流量的增加而減小，特別是在流量為80 000 m3/s時，漲潮流速已基本為零?？梢?，隨著上游徑流增加，近岸落潮流速也相應增加，但漲潮流速則逐漸減少。

就漲、落潮影響來看，上游流量為10 000 m3/s時，由于徑流動力相對較弱，導致近岸的落潮流速小于漲潮流速。當上游徑流在20 000 m3/s以上時，落潮流速均大于漲潮流速。以上游流量為50 000 m3/s為例，落急流速為2.13 m/s，漲急流速為0.66 m/s，兩者相差1.47 m/s?？紤]到上游大通多年平均流量為28 204 m3/s，因此，本河段的落潮流速占主導地位，對于河床沖刷起主導作用。

表1 大潮條件下九龍港處漲、落潮流速計算結(jié)果Tab.1Calculation results of flood and ebb velocity at Jiulong port during spring tide

可見老海壩沿岸的最大流速出現(xiàn)在大流量落潮條件下，特別是1998年大洪水條件下，九龍港處的最大流速可達到2.84 m/s。

4.3不同潮差對流速影響分析

表2為洪季不同潮型條件（對應大通流量為57 500 m3/s）下，老海壩沿岸各測點的落潮流速計算結(jié)果，結(jié)果表明：隨著下游潮型的不同，老海壩沿岸不同位置的水動力特性也不相同。

表2 洪季大小潮條件下落潮流速計算結(jié)果Tab.2Calculation results of ebb velocity during spring and neap tide in flood season m/s

（1）就下游潮汐影響來說，潮差越大，落潮流速也越大，但是潮差對流速的影響要小于上游徑流。以九龍港測點為例，洪季大潮時的落潮流速為2.28 m/s，小潮則為1.92 m/s，大潮較小潮增大了18.75％。而根據(jù)表2可知，當上游徑流從50 000 m3/s增加到85 000 m3/s時，對應的落潮流速從2.13 m/s增加到2.84 m/s，變化率達到33.33％?？梢?，潮差對沿岸流速的影響要小于上游徑流。

（2）就老海壩河段落潮流速的沿程變化情況來說，上游河段的落潮流速要小于下游河段，特別是九龍港～十一圩之間的流速較大。以洪季大潮為例，渡涇港～十一圩之間各測點的落潮流速分別為1.17 m/s、1.23 m/s、1.51 m/s、2.28 m/s、2.31 m/s，顯然，落潮流速呈現(xiàn)出沿程增加的趨勢。造成這種現(xiàn)象的主要原因一方面與河道平面形態(tài)有關(guān)，從渡涇港～十一圩港河道逐漸束窄，到十一圩港江面處僅1.7 km，兩汊匯流后河段的斷面收縮使得沿岸流速沿程增加；另一方面與納潮體的大小有關(guān)，越往下游河段，其上游河道的納潮體越大，其落潮流量也越大，從而落潮流速也就越大。

4.4人類活動對水流動力特性的影響

由于上、下游河道之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，人類活動有可能改變原來河道的水流條件，對老海壩沿岸的河勢發(fā)展產(chǎn)生一定影響。圖5為洪季大潮條件下雙澗沙護灘工程實施前后落急流速變化圖，圖中可以看出，瀏海沙水道沿程流速均有所減小，十一圩港以下基本不受影響。為了進一步說明雙澗沙護灘工程的影響，選取老海壩河段5個計算點，計算洪季大潮水文條件下各點流速變化情況（表3），結(jié)果表明：雙澗沙護灘工程實施后，老海壩沿岸的落急流速均有減小的趨勢，其中渡涇港附近減幅在0.03 m/s左右，九龍港～十一圩之間減幅在0.01 m/s。

圖5 洪季大潮條件下工程實施前后落急流速變化圖Fig.5Variation of the maximum ebb velocity before and after engineering implementation during spring tide in flood season

表3 雙澗沙護灘工程實施前后老海壩近岸落急流速變化表Tab.3Variation of the maximum ebb velocity near shore of Laohaiba before and after Shuangjiansha beach protection implementation m/s

老海壩河段位于如皋中汊和瀏海沙水道交匯處，盡管工程實施后，如皋中汊的分流比增加了2.45％，但老海壩近岸流速并沒有增加，反而有所減小。造成上述現(xiàn)象的主要原因在于老海壩近岸流速主要取決于瀏海沙水道，工程實施后使瀏海沙水道落潮流量減小了1 767 m3/s，相對于工程前減小了3.9％，詳見表4。由于瀏海沙水道流量下降，因而近岸流速也相應減小?？梢?，雙澗沙工程的實施對沿岸流速有減小的趨勢，并不會增加老海壩沿岸江堤的危險性，這對于沿岸江堤的防護是有利的。

表4 雙澗沙護灘工程實施前后如皋沙汊道流量和分流比變化情況表Tab.4Changes of flux and diversion ratios of Rugaosha branch channel before and after Shuangjiansha beach protection implementation

5 河床沖刷分析

5.1岸灘的抗沖性

長江老海壩沿岸河床普遍深度為50 m左右，最深處達65 m，岸邊局部坡比達1：1～1：1.5。河床及兩岸主要為第四系松散堆積層覆蓋，岸坡上層為粘性土，下層為粉質(zhì)黏土和粉沙，抗沖性很差，岸線安全問題十分突出。近年來，張家港相關(guān)部門每年都對老海壩沿岸實施拋石護岸工程，雖然沒有出現(xiàn)岸坡崩坍的情況，但是水流的沖刷作用仍然存在，且十分嚴重［7］。

岸坡之所以能夠被沖刷，其本質(zhì)是泥沙能夠起動運移。國內(nèi)外有關(guān)計算泥沙起動的公式眾多，如以起動流速計，其主要與泥沙粒徑的或次方成正比［8］。根據(jù)沙漠夫泥沙起動公式

式中：Vc為粒徑為D的泥沙抗沖穩(wěn)定臨界流速；γs為泥沙的重度，粉砂取2.65×103kg/m3；γ0為水的重度，取1.0×103kg/m3

張家港沿岸的河床泥沙粒徑為0.18～0.2 mm，在近岸深槽部位40～50 m水深條件下，按式（5）計算河床泥沙的起動流速約為由表1可知，近岸水流流速均大于泥沙的起動流速，從泥沙運動角度看，老海壩近岸河床泥沙在一個水文年內(nèi)大多數(shù)時間都能起動，從而為沖刷的發(fā)生提供了條件。

5.2水動力變化對河床沖刷的影響

河床沖刷是水流與河床互相作用的結(jié)果，沖刷的發(fā)生、發(fā)展離不開水流動力及邊界條件這2個基本條件，其中水流動力起著主導性、決定性的作用［9］。由圖4、圖5可以看出，老海壩沿岸在洪、枯季條件下近岸流速均較大，枯季最大流速為1.6 m/s，洪季最大流速可達2.4 m/s，洪季較枯季增大了50％。

河床的沖刷，主要與水流的輸沙能力有關(guān)。竇國仁根據(jù)能量平衡觀點于1974年提出了推移質(zhì)單寬輸沙率表達式。

式中：C0為無因次謝才系數(shù)；K0為綜合系數(shù)，根據(jù)長江部分水文站實測資料分析，對沙質(zhì)推移質(zhì)，K0=0.01；對懸移質(zhì)中床沙質(zhì)而言，K0=0.09；Uc′為止動流速。

由式（6）可以看出：推移質(zhì)輸沙率gb與流速的四次方成正比，即

可見流速的大小及其變化將會對推移質(zhì)輸沙率有著顯著的影響（圖6）。圖6中不難看出，流速的變化對輸沙率的影響較大，特別是在流速大的地方，輸沙率對流速的敏感性尤為突出。

圖6 推移質(zhì)輸沙率與流速關(guān)系圖Fig.6Relationship between bed load transport rate and velocity

為了形象地說明老海壩沿岸水流輸沙能力對流速比較敏感，選取大通流量從50 000～80 000 m3/s下近岸落潮最大流速，計算對應的流速變率及輸沙率變率，結(jié)果如表5。表中結(jié)果可以看出，隨著上游流量的逐級增加，流速變化不是很大，但是推移質(zhì)輸沙率變化卻相當驚人，特別是流量從50 000 m3/s增大到80 000 m3/s時，流速增加了24.41％，但輸沙能力卻增加了139.56％?？梢姀搅髁吭酱?，水流的輸沙能力就越強。且輸沙率對流速變化非常敏感，流速的微小增加將導致輸沙率成倍的增加。

表5 流速與輸沙率變化情況表Tab.5Changes between velocity and sediment transport rate

5.3輸沙不平衡對河床沖刷的影響

5.3.1縱向輸沙不平衡

河床沖刷的原因盡管千差萬別，但根本原因是由于輸沙不平衡所引起。從流速沿程變化特點可以看出，近岸流速沿老海壩到十一圩逐漸增大，詳見表6。由于進口流速小，出口流速大，縱向輸沙不平衡，導致沿程發(fā)生沖刷。且越往下游，近岸流速越大，其對應的進出口流速差值也越大，從而河床沖刷越嚴重。

由表6可知，老海壩沿岸各處流速差別較大，特別是九龍港～十一圩沿岸流速相對于老海壩測點增大了85％～88％，其對應的輸沙能力比老海壩增大了1 000％～1 200％，縱向輸沙的不平衡導致九龍港附近河床沖刷非常嚴重。

表6 不同位置流速與輸沙率變化情況表Tab.6Changes between velocity and sediment transport rate at different positions

5.3.2橫向輸沙不平衡

老海壩河段位于瀏海沙水道凹岸側(cè)，由于受如皋中汊和瀏海沙水道的交匯頂沖作用，凹岸和凸岸的流速差別較大。以九龍港斷面為例，凹岸側(cè)洪季落潮流速為2.5 m/s，凸岸側(cè)則為1.2 m/s，凹岸較凸岸增大了108.3％。由于凹凸岸存在流速梯度差，便形成了表層水流流向凹岸，底層水流流向凸岸的橫向環(huán)流。橫向環(huán)流帶來了橫向輸沙的不平衡，也將導致老海壩近岸河床發(fā)生沖刷。

6 結(jié)論

（1）歷史上，老海壩是人工形成的節(jié)點，河床具有可沖性，在今后的工作中仍然需要重點關(guān)注老海壩的守護問題。

（2）自然條件下，老海壩近岸的落潮流速要遠大于漲潮流速，且隨著上游徑流量的增加而增大，而下游潮差變化對沿岸流速的變化影響不大，可見徑流量是決定近岸流速的主要影響因素。沿岸的最大流速出現(xiàn)在大流量落潮條件下，特別是98大洪水條件下的落潮流速可達2.84 m/s。

（3）人類活動條件下，雙澗沙工程實施后，老海壩沿岸的洪季落潮流速有減小的趨勢，減小幅度在0.01～0.03 m/s，對于沿岸江堤的防護是有利的。

（4）水流的輸沙能力對流速的變化非常敏感，流速的微小變化將導致輸沙能力成倍的增長。當上游流量從50 000 m3/s增到80 000 m3/s，老海壩近岸流速變化了24.41％，輸沙率變化可達139.56％。

（5）老海壩近岸落潮流速沿程逐漸增加，進口流速小，出口流速大，進出口流速差值可達87.80％，從而導致輸沙不平衡，河床處于沖刷狀態(tài)。因此，為保護沿岸江堤的穩(wěn)定，應密切關(guān)注沿岸的流速大小及其變化，特別是九龍港～十一圩沿線。

［1］吳志鋼，陳永平.長江口如皋沙河段河演動力分析［J］.人民長江，2013（44）：13-16. WU Z G，CHEN Y P.Fluvial dynamic analysis of Rugaosha reach in Changjiang Estuary［J］.Yangtze River，2013（44）：13-16.

［2］沈偉，杜亞南.長江下游江蘇沙鋼段近期河床監(jiān)測分析及演變趨勢［C］//水利部長江水利委員會.長江堤防建設管理及護岸工程論文集.北京：長江出版社，2006.

［3］陳頌偉.淺析長江老海壩九龍港以下近岸河床沖刷成因［J］.中國水利，2002（11）：69-70. CHEN S W.Reason Analysis of riverbed scour following the Jiulong Port along Laohaiba of Yangtze River［J］.China Water Resourc?es，2002（11）：69-70.

［4］長江流域規(guī)劃辦公室水文局.長江中下游河道基本特征［M］.武漢：長江流域規(guī)劃辦公室水文局，1983.

［5］竇峰，張瑋，陳愷.潮汐河段擋沙堤平面形態(tài)對水流影響數(shù)值模擬研究［J］.水道港口，2011（2）：33-37. DOU F，ZHANG W，CHEN K.Numerical simulation on influence of different planes of sand dyke on water flow in tidal river［J］. Journal of Waterway and Harbor，2011（2）：33-37.

［6］張瑋，倪兵，陳乾陽.長江澄通河段通州沙西水道整治工程對分流比影響研究［J］.水道港口，2013（34）：39-44. ZHANG W，NI B，CHEN Q Y.Research on influence of regulation works on diversion ratio of Tongzhousha west channel in Cheng?tong reach，Yangtze River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2013（34）：39-44.

［7］張立輝，陶雷.河勢分析信息系統(tǒng)在沙鋼長江河勢分析中的應用［J］.人民長江，2012（43）：7-9. ZHANG L H，TAO L.Application of information system for river regime analysis in Shagang Group reach of Yangtze River［J］. Yangtze River，2012（43）：7-9.

［8］張瑋，瞿凌峰，徐金環(huán).山區(qū)河流散拋石壩水毀原因分析［J］.水運工程，2003（4）：10-12. ZHANG W，QU L F，XU J H，X.Stability Analysis of Enrockment Dams in Mountain Streams［J］.Port&Waterway Engineering，2003（4）：10-12.

［9］魏延文，李百連.長江江蘇河段嘶馬彎道崩岸與護岸研究［J］.河海大學學報，2002（30）：93-97. WEI Y W，LI B L.Bank Caving and Protection at Sima Bend of Jiangsu Section of Yangtze River［J］.Journal of Hohai University，2002（30）：93-97.

Study on hydrodynamic characteristics and riverbank scour along Laohaiba reach of the Yangtze River

ZHANG Wei1,YANG Song1,XU Cai?guang2,LIU Jie1,QIAN Yi?ming3
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510220,China;3.Yangtze River Regulation Project Management Office, Zhangjiagang 215600,China）

Laohaiba reach lies in the segments of mainstream scouring of Liuhai shoal waterway,and particular attention has been paid to the bank stability.Based on the analysis of the historical evolution of the Laohaiba reach, the hydrodynamic characteristics under different hydrological conditions and human activities were calculated by use of tidal current model.The impact of hydrodynamic characteristics on the bank erosion was also analyzed.The result shows:(1)the Laohaiba reach is an artificially created node in history,and it is erodible.(2)Hydrodynamic characteristics along the Laohaiba reach are determined by natural conditions and human activities and the maxi?mum velocity occurs under the condition of large flow in the ebb period.(3)After the implementation of the Sh?uangjiansha shoal protection project,nearshore velocity tends to decrease,and the decrease extent is between 0.01 and 0.03 m/s.(4)The nearshore velocity increases along Laohaiba reach.The inlet velocity is small and the outlet velocity is large,leading to the sediment transportation imbalance and the riverbed being on the scour status.With the riverbed scouring depth,water and sediment condition will become balance again.

historical evolution;riverbank scour;flow velocity;sediment transport equilibrium

TV 143

A

1005-8443（2016）02-0147-06

2015-08-26；

2015-11-04

交通運輸部重大科技專項“黃金水道通過能力提升技術(shù)”（2011328201002）

張瑋(1958-)，男，山東省青島人，教授，博士生導師，主要從事港口航道工程研究。

Biography：ZHANG Wei（1958-），male，professor.