王璐璐

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

引言

崇明位于長江入?？?，由崇明、長興、橫沙三島組成，崇明島是世界上最大的河口沖積島，也是中國第三大島。為支撐崇明建設(shè)為“世界級生態(tài)島”的規(guī)劃目標(biāo)，《上海市崇明區(qū)總體規(guī)劃暨土地利用總體規(guī)劃（2016～2035）》對沿線海塘提出新一輪防洪排澇布局原則和規(guī)劃目標(biāo)進行達標(biāo)建設(shè)，崇明區(qū)新一輪防洪（潮）標(biāo)準為200年一遇高潮位+12級風(fēng)，達標(biāo)過程中，對于沖刷嚴重的區(qū)域設(shè)置保灘措施。本文采用實測數(shù)據(jù)分析與數(shù)值模擬預(yù)測的方法對崇明島工程區(qū)域岸灘演變進行分析，為海塘建設(shè)提供了技術(shù)支持和設(shè)計基礎(chǔ)。

本工程海塘達標(biāo)范圍北起崇219+616.2，繞過崇頭，南至崇36+910，全長約42.6 km，經(jīng)過崇西水閘、新建港南水閘、廟港南水閘、鴿龍港南水閘、老效港南水閘等結(jié)構(gòu)物[1]，具體設(shè)計范圍及位置見圖1。

圖1 海塘達標(biāo)工程位置

1 現(xiàn)狀泥沙分析

1.1 現(xiàn)狀地形

圖2 崇頭至東風(fēng)西沙水庫2011年水下地形

圖3 東風(fēng)西沙水庫至三沙洪水閘2011年水下地形

2011—2017 年期間灘涂水下地形由上海市水務(wù)局灘涂處提供，研究中統(tǒng)一采用2017年的岸線為陸地邊界，從水下地形圖 2～圖 3的分布可知：岸線前100～200 m范圍內(nèi)水下灘面較高，灘面高程在0.0 m以上；岸線前200～1 500 m處分布有順岸深溝，為新橋水道區(qū)域，可達-17.0 m；離岸方向上新橋水道外為分布有大面積淺灘為扁擔(dān)沙。

工程區(qū)域位于包括崇 219+616.2與崇 36+902之間，此岸線灘勢分析主要對于南門碼頭～鴿龍港之間區(qū)域著重分析，為碼頭岸線的改造和清淤提供一定的依據(jù)。2011—2017年期間灘涂水下地形由市水務(wù)局灘涂處提供，從水下地形圖 2～圖 3的分布可知：崇頭水位站前水下灘面較高，最高達2.8 m；岸線前100～200 m范圍均有淤積，最高達3.5 m，東風(fēng)西沙水庫灘地較高，最高達8 m。新建港南水閘前存在大片淺灘，為白茆沙；白茆沙兩側(cè)分布水道，分別為白茆沙北水道和白茆沙南水道。工程區(qū)域下游段淤積較多，灘涂較高：廟港南水閘和鴿龍港南水閘最高達7.8 m；鴿龍港南水閘前大片淺灘為扁擔(dān)沙，最高達2.2 m；三沙洪水閘前灘地最高達1.5 m。

1.2 等深線變化分析

由圖4～圖11中2011年～2017年不同等深線（-2 m、-4 m、-6 m、-8 m）的對比可知，崇頭水位站至崇西段靠近岸線處整體呈現(xiàn)淤積態(tài)勢，等深線逐年向下游推進。崇西水閘至東風(fēng)西沙水庫之間沖淤交錯，基本維持沖淤平衡。白茆沙附近及南北水道缺乏資料，所以圖中等深線無變化。扁擔(dān)沙下游端部逐年向下游深入淤積，下游淺灘沖刷后退，扁擔(dān)沙整體向下游偏移。三沙洪水閘前沿水道下切，形成沖刷態(tài)勢。

-2 m等深線變化圖中崇頭水位站至崇西段近岸變化最為顯著，2011年～2014年間，等深線向下游淤積，平均推進847 m，年均推進282 m；2014年～2017年間，等深線向下游淤積，平均推進279 m，年均推進93 m；推進速度有放緩趨勢。由于崇頭北側(cè)水深資料存在問題偏差以及白茆沙附近缺少實測資料，這兩部分沖淤不作分析。扁擔(dān)沙尾部向下游呈淤積態(tài)勢，2011年～2014年間，等深線向下游淤積，平均推進576 m，年均推進192 m；2014年～2017年間，等深線向下游淤積，平均推進279 m，年均推進93 m。扁擔(dān)沙下游淺灘則向下游退縮，2011年～2014年間，平均后退369 m，年均后退123 m；2014年～2017年間，平均后退253 m，年均后退 85 m。三沙洪水閘等深線向岸側(cè)沖刷，2011年～2014年間，平均后退 204 m，年均后退68 m；2014年～2017年間，平均后退51 m，年均后退17 m。-4 m深線變化圖中沖淤趨勢與-2 m深線變化圖一致，變化幅度較小，這里不贅述。

-6 m等深線變化圖中崇頭水位站至崇西段等深線下探趨勢減緩甚至停滯，側(cè)翼淤積增強。2011年～2014年間，等深線向下游淤積，邊側(cè)最大推進208 m，年均推進69 m；2014年～2017年間，等深線向下游最大推進597 m，年均推進199 m。扁擔(dān)沙尾部向下游呈淤積態(tài)勢，扁擔(dān)沙向下游移動。

-8 m等深線變化圖中崇頭水位站至崇西段等深線已與其他等深線圖形態(tài)有所不同，呈較大幅度的沖淤交錯態(tài)勢。扁擔(dān)沙尾部向下游呈淤積態(tài)勢，視口范圍內(nèi)工程區(qū)域已完全是扁擔(dān)沙的范圍。三沙洪水閘等深線向下游沖刷明顯，尤其2014年～2017年間，等深線向下游沖刷高達1 211 m。

圖4 2011年～2017年2 m等深線變化（一）

圖5 2011年～2017年-2 m等深線變化（二）

圖6 2011年～2017年-4 m等深線變化（一）

圖7 2011年～2017年-4 m等深線變化（二）

圖8 2011年～2017年-6 m等深線變化（一）

圖9 2011年～2017年-6 m等深線變化（二）

圖10 2011年～2017年-8 m等深線變化（一）

圖11 2011年～2017年-8 m等深線變化（二）

1.3 歷年沖淤變化分析

根據(jù)圖12～圖17灘涂沖淤近年來的變化可知：2011～2014年間崇頭水位站前100 m范圍內(nèi)水域呈少量沖刷態(tài)勢，離岸100 m向外呈全面淤積態(tài)勢?？拷缥魉l側(cè)淤積最大深度為1.3 m。由于崇頭北側(cè)水深資料存在偏差問題、白茆沙附近缺少實測資料，這兩部分沖淤不作分析。東風(fēng)西沙水庫北側(cè)主要呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢，靠岸處存在淤積點，最大淤積深度為4.9 m。廟港南水閘呈淤積態(tài)勢，淤積最大深度為3.5 m。鴿龍港南水閘前依然為淤積，最大淤積深度為2.5 m。扁擔(dān)沙向下游沖刷，最大沖刷深度為10.4 m；三沙洪水閘也呈沖刷態(tài)勢，最大沖刷深度為6.2 m。

2014～2017 年間，工程區(qū)域岸線呈現(xiàn)全面淤積態(tài)勢：崇頭水位站前最大淤積深度為4.7 m；崇西水閘側(cè)淤積最大深度為6.6 m；新建港南水閘前最大淤積深度為7.1 m；東風(fēng)西沙水庫北側(cè)最大淤積深度為8.1 m；廟港南水閘最大淤積深度為5.9 m；鴿龍港南水閘最大淤積深度為7.3 m；三沙洪水閘前最大淤積深度為1.3 m。扁擔(dān)沙下游沖刷，最大沖刷深度為12.9 m，沖刷中心向下游移動。

2011～2017 年總體來看整個工程岸線淤積嚴重：崇頭水位站前最大淤積深度為1.7 m；崇西水閘側(cè)淤積最大深度為5.3 m；新建港南水閘前最大淤積深度為6.9 m；東風(fēng)西沙水庫北側(cè)最大淤積深度為6.8 m；廟港南水閘最大淤積深度為6.5 m；鴿龍港南水閘最大淤積深度為4.6 m；三沙洪水閘前最大淤積深度為1.8 m。工程水域只有扁擔(dān)沙和三沙洪水閘前呈沖刷態(tài)勢：扁擔(dān)沙下游最大沖刷深度為14.2 m；三沙洪水閘前最大沖刷深度為8.2 m。

圖12 2011年～2014年灘涂沖淤變化（一）

圖13 2011年～2014年灘涂沖淤變化（二）

圖14 2014年～2017年灘涂沖淤變化（一）

圖15 2014年～2017年灘涂沖淤變化（二）

圖16 2011年～2017年灘涂沖淤變化（一）

圖17 2011年～2017年灘涂沖淤變化（二）

1.4 斷面分析

斷面分析取如下三個剖面（A-A～C-C剖面），A-A斷面反映崇頭至白茆沙之間的變化，B-B剖面反映上扁擔(dān)沙剖面變化，C-C剖面反映下扁擔(dān)沙剖面變化。

1）A-A剖面

在工程區(qū)域提取典型斷面進行河灘演變分析，A-A斷面位置如圖18，A-A典型斷面變化見圖19。2011～2017年河槽呈半“W”型，整個區(qū)域處于不斷淤積態(tài)勢；由岸側(cè)向江側(cè)，地形先下切形成局部深溝，后上抬為淺灘，隨后逐漸高程降低為白茆沙北水道。2011年～2014年間，靠近岸側(cè)少量淤積，淤積最大深度近1 m，淺灘處坐標(biāo)點4處淤積深度為1.3 m，隨著坐標(biāo)點數(shù)增加，仍成淤積態(tài)勢，最大淤積深度為1 m，斷面的形態(tài)不變。2014年～2017年間，淺灘至岸側(cè)，斷面基本不變；白茆沙北水道處淤積明顯增強，最大淤積深度達4 m。總體來說，剖面為半“W”型，整體呈淤積態(tài)勢，白茆沙北水道河底有明顯抬升，槽體南側(cè)端部有局部沖刷。

圖18 A-A剖面位置

圖19 A-A剖面分析

2）B-B剖面

圖20 B-B，C-C剖面位置

在工程區(qū)域提取典型斷面進行河灘演變分析，B-B斷面位置如圖20，B-B典型斷面變化見圖21。2011～2017年河槽呈“U”型，整個區(qū)域處于淤積態(tài)勢，北側(cè)局部沖淤平衡，南側(cè)淤積。2011年～2014年間，靠近岸側(cè)局部沖刷，沖刷最大深度近2 m；坐標(biāo)5點為新橋水道中心處，可以看出新橋水道少量淤積，隨著坐標(biāo)點數(shù)增加，8～20坐標(biāo)點為扁擔(dān)沙處，扁擔(dān)沙整體淤積抬高2 m左右。2014年～2017年間，坐標(biāo)點1～2處，即沿岸處，淤積顯著，新橋水道南側(cè)持續(xù)淤積，扁擔(dān)沙沖淤交替?？傮w來說，剖面為“U型”，槽體北側(cè)沖淤平衡，南側(cè)淤積，斷面寬度逐漸減少，槽底標(biāo)高基本不變，扁擔(dān)沙主要為淤積態(tài)勢。

圖21 B-B剖面分析

3）C-C剖面

圖22 C-C剖面分析

在工程區(qū)域提取典型斷面進行河灘演變分析，C-C斷面位置如圖20，C-C典型斷面變化見圖22。整個剖面復(fù)雜多變，由岸側(cè)至江側(cè)，高程總體趨勢為波浪式抬升，2011～2017年間剖面形狀變化復(fù)雜、沖淤交替。2011年～2014年間，沖刷以及淤積的位置完全相反，坐標(biāo)點1～2處，即沿岸處，沖刷明顯；坐標(biāo)點3～5處，為淤積態(tài)勢，最大淤積厚度為4 m；坐標(biāo)點5～12處為沖刷，最大沖刷深度為3 m；坐標(biāo)點12～20處，為淤積態(tài)勢，最大淤積厚度為4 m，淤積有逐步放緩趨勢。2014～2017年間，整個剖面處于淤積狀態(tài)，最大淤積位置為坐標(biāo)點10處，即鴿籠港串溝，淤積深度為6 m，整體剖面高程有所抬升。總體來說，剖面復(fù)雜多變，沖淤交錯，總體淤積大于沖刷，反映了此處扁擔(dān)沙移動過程中剖面的變化。

2 潮流泥沙數(shù)學(xué)模型

2.1 潮流模型控制方程

本工程采用 ADCIRC[2]模型（Advanced Circulation Model）。該模型由美國North Carolina大學(xué)的 Luettich教授和 Notre Dame大學(xué)的Westerink博士聯(lián)合開發(fā)，可以應(yīng)用于海洋、海岸、河口區(qū)域的二維水動力計算，在處理潮流動邊界、復(fù)雜工程建筑物（包括潛堤）邊界等方面具有強大的功能，迄今已在國際上許多工程項目研究中得到廣泛應(yīng)用。

ADCIRC模型控制方程的原始形式是二維淺水方程：

式中：x和y分別表示橫軸和縱軸坐標(biāo)，t為時間；U和V分別為沿x和y方向的深度平均流速；ζ為平均水面之上的高度，H為總水深；f為柯氏力系數(shù)；ps為表面大氣壓；0ρ為水密度；τsx與τsy為表面切應(yīng)力（如風(fēng)應(yīng)力）；τbx與τby為底部摩擦力；Dx與Dy為擴散項；Bx與By為斜壓梯度項；(η+)γ表示牛頓潮、地球潮等作用；g為重力加速度。

2.2 泥沙模型控制方程

1）懸移質(zhì)不平衡輸沙方程

懸移質(zhì)泥沙運動采用竇國仁等（1995）[3]基于波流共同作用下挾沙力概念的平面二維泥沙數(shù)學(xué)模型，其表達式如下：

式中：h為水深；t為時間坐標(biāo)；x和y為水平坐標(biāo)；S為垂線平均的懸移質(zhì)含沙量；S*為波流共同作用下的懸移質(zhì)挾沙能力；u和v分別為沿x方向和y方向的流速；α為沉降幾率或恢復(fù)飽和系數(shù)；ω為泥沙沉速。

2）推移質(zhì)不平衡輸沙方程

推移質(zhì)計算采用竇國仁等（1995）[4,5]推移質(zhì)不平衡輸沙公式，其表達式如下：

式中：h為水深；t為時間坐標(biāo)；x和y為水平坐標(biāo)；N為單位體積內(nèi)推移質(zhì)含沙量；N*為波流共同作用下的挾沙能力；u和v分別為沿x方向和y方向的流速；αb為沉降幾率或恢復(fù)飽和系數(shù)；ωb為泥沙沉速。

3）河床變形方程式

由懸移質(zhì)引起的河床變形方程式為：

式中：ηs為懸移質(zhì)引起的沖淤厚度，γ0為750 kg/m3；α取為0.12；懸移質(zhì)沉降速度ω根據(jù)Stokes公式計算靜水沉速。

由推移質(zhì)引起的河床變形方程式為：

式中：ηb為推移質(zhì)引起的沖淤厚度，γ0為1 200 kg/m3；αb取為0.2；推移質(zhì)沉降速度ωb根據(jù)張瑞瑾公式計算。

由懸移質(zhì)和推移質(zhì)引起的河床變形方程式為：

3 潮流驗證結(jié)果

選取2002年9月22日～2002年9月23日的連續(xù)觀測大潮的全潮水文狀況。測點布置如圖 23所示。選取工程水域附近的徐六涇站（A）、楊林站（B）、南港高橋站（C）、北港堡鎮(zhèn)站（D）、橫沙站（E）和中浚站（F）進行了潮位驗證，選取Z13和Z14號測站進行了流速、流向驗證。現(xiàn)利用驗潮站的實測資料對水流運動模擬的結(jié)果進行驗證。

由圖24～圖33計算結(jié)果可知水動力數(shù)模計算結(jié)果與實測結(jié)果有較好的一致性，可以認為所建模型較好地反映了工程水域的水流流動規(guī)律，該模型可以進一步用于研究工程水域流場和對水域泥沙運動進行模擬研究。

圖23 測點布置

圖24 徐六涇測站（A）實測與計算潮位比較

圖25 楊林測站（B）實測與計算潮位比較

圖26 高橋測站（C）實測與計算潮位比較

圖27 堡鎮(zhèn)測站（D）實測與計算潮位比較

圖28 橫沙測站（E）實測與計算潮位比較

圖29 浚測站（F）實測與計算潮位比較

圖30 測站實測與計算流速

圖31 測站實測與計算流向

圖32 Z14測站實測與計算流速

圖33 Z14測站實測與計算流向

4 泥沙計算結(jié)果

利用水動力及泥沙數(shù)值模型模擬了工程水域水流泥沙運動和地形沖淤演變，圖34和圖35顯示了工程區(qū)域沖淤演變的年變化情況。由現(xiàn)狀計算結(jié)果可以看出：崇明島全線近岸區(qū)域總體以淤積態(tài)勢為主；崇頭存在少量局部沖刷，崇西水閘前存在淤積，新建港南水閘至東風(fēng)西沙水庫處淤積嚴重，扁擔(dān)沙下游和三沙洪水閘前依然存在局部沖刷下切趨勢；模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)分析趨勢是一致的。總體來說，崇明海塘達標(biāo)工程區(qū)域以淤積為主，大多范圍并不需要采用特別的保灘措施；由于三沙洪水閘前沖刷區(qū)域靠近岸線100 m以內(nèi)，建議在海塘達標(biāo)工程中增加保灘措施，設(shè)置丁壩、順壩等結(jié)構(gòu)物，并對該區(qū)域加強監(jiān)測，設(shè)置報警機制。

圖34 測站實測與計算流向

圖35 測站實測與計算流向

5 結(jié)語

1）本文利用2011～2017年的水深測量資料，采用數(shù)值分析技術(shù)工程區(qū)域近年來長江口岸灘演變趨勢。

2）水動力數(shù)模計算結(jié)果與實測結(jié)果有較好的一致性，所建模型較好地反映了工程水域的水流流動規(guī)律，該模型可以進一步用于研究工程水域流場和對水域泥沙運動進行模擬研究。

3）崇頭存在少量局部沖刷，崇西水閘前存在淤積，新建港南水閘至東風(fēng)西沙水庫處淤積嚴重，扁擔(dān)沙下游和三沙洪水閘前依然存在局部沖刷下切趨勢，模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)分析趨勢是一致的。

4）建議在三沙洪水閘前沖刷區(qū)域，設(shè)置丁壩、順壩等保灘措施，并對該區(qū)域加強監(jiān)測，設(shè)置報警機制。

5）本泥沙模型未考慮波浪、鹽度等其他因素的影響，將進一步優(yōu)化模型的泥沙模塊，在不斷的調(diào)試中，針對長江口開展懸沙驗證和在局部沖淤計算。