嚴(yán)春華，王 凱，楊晨霞，曹命凱，王 蔚

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225100；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210000)

入海河口治導(dǎo)線是指從防洪要求出發(fā)進(jìn)行入海河道整治規(guī)劃而擬定的滿足行洪排澇設(shè)計流量的河口平面輪廓線，是保障沿海擋潮閘閘下港道行洪排澇順暢入海的重要管理依據(jù)[1]。

江蘇粉砂淤泥質(zhì)海岸約占海岸線總長的93%，是江蘇最主要的海岸類型[2]。江蘇沿海地區(qū)獨特的動力地貌蘊育了大量的沿海灘涂，多為淤泥質(zhì)海岸灘涂，平年每年以33km2的速度向海淤漲[3-4]。豐富的灘涂資源在提供大量后備土地資源的同時，加劇了淤漲型海岸入海河口的淤積，導(dǎo)致了河道排水能力下降。因此迫切需要加強(qiáng)入海河道河口管理，劃定入海河口治導(dǎo)線，維系河口平面形態(tài)和縱向沖淤穩(wěn)定，保障河口防洪、排澇安全。

1 基本情況

小洋口位于江蘇省如東縣西北部，是栟茶運河的入?？陂T，主要承擔(dān)栟茶運河、九洋河、南凌河等6條河道的排澇任務(wù)。小洋口閘于1955年興建，由于閘下港道淤積嚴(yán)重，沖淤水源不足，并結(jié)合灘涂圍墾、漁港建設(shè)，于1997年在閘下港道6.4km處新建洋口外閘。洋口外閘設(shè)計流量為740m2/s，是一座沿海擋潮、排澇與通航相結(jié)合的水利樞紐工程。

黃海南部小洋口港外海區(qū)域，恰是輻射沙洲所在區(qū)。近岸地區(qū)多為寬闊的淤泥質(zhì)海灘，有許多沙脊槽溝，水流情況比較復(fù)雜。受東海傳來的前進(jìn)波與黃海潮波對其疊加的影響，該海域以正規(guī)半日潮為主，在近岸水區(qū)淺海分潮占優(yōu)勢，潮汐過程有明顯變化。攔沙-黃沙洋是輻射沙脊群最大潮汐通道，位于沙洲中部，呈東西走向，尾部伸向弶港，在小洋口閘外實測最大潮差達(dá)9.28m，居全國第一[5]。

據(jù)統(tǒng)計，小洋口外側(cè)一直淤漲，岸線和低灘均向海淤進(jìn)。為了開發(fā)利用口外豐富的灘涂資源，自2000年以來，小洋口外側(cè)已經(jīng)實施了多次大規(guī)模圍墾。受上游來水減少和灘涂圍墾的共同影響，對閘下港道淤積和灘地淤高產(chǎn)生較大的影響，閘下港道寬度大幅度縮窄。小洋口遙感影像如圖1所示。

圖1 小洋口遙感影像

2 前期研究成果復(fù)核概述

自2006年起，河海大學(xué)綜合運用遙感衛(wèi)片以及GIS(地理信息系統(tǒng))分析、水動力數(shù)值模擬等方法，于2011年初步完成了江蘇省30個主要入海河口治導(dǎo)線劃定工作[6]。2014年小洋口北側(cè)墾區(qū)建成后，受其影響，近年來潮溝又有了新的變化，原有治導(dǎo)線成果需要重新復(fù)核。本次復(fù)核結(jié)合2010—2017年多時相遙感影像對河口納潮流域進(jìn)行解譯，更新納潮流域歷史邊界線，并結(jié)合最新潮灘數(shù)字高程模型，推算平均高潮位線、平均大潮高潮位線等輔助線；最后統(tǒng)籌灘涂圍墾、水利治理等情況，復(fù)核并完善河口治導(dǎo)線成果。復(fù)核技術(shù)路線流程圖如圖2所示。

圖2 復(fù)核技術(shù)路線流程圖

根據(jù)2010—2017年多年遙感衛(wèi)片資料，通過遙感解譯可知，口外潮溝線的擺動頻繁，如圖3(a)所示。北側(cè)受圍墾區(qū)的影響，平均高潮位線和平均大潮高潮線均向海側(cè)移動；考慮北側(cè)墾區(qū)已建成，原治導(dǎo)線調(diào)整為沿著外堤延伸，如圖3(b)所示。

圖3 不同時期的河口岸外入海潮溝線疊加圖(a)和小洋口復(fù)核后治導(dǎo)線圖(b)

3 河口治導(dǎo)線定量研究

河口治導(dǎo)線定量研究主要是采用MIKE系列軟件，通過構(gòu)建并耦合區(qū)域一維河網(wǎng)水動力數(shù)學(xué)模型和河口二維水動力數(shù)學(xué)模型[7]，對比分析排澇和納潮[8]兩種計算工況下不同治導(dǎo)線布置方案對水位、納潮量的影響，定量分析確定河口治導(dǎo)線。

3.1 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

3.1.1區(qū)域一維河網(wǎng)水動力數(shù)學(xué)模型

南通市地處江海交匯處，屬于長江三角洲沖擊平原，地勢低平，地表起伏甚微，為典型的濱海臨江平原感潮河網(wǎng)地區(qū)。小洋口是南通市重要的排水口門之一。在充分掌握河網(wǎng)水動力水文資料的基礎(chǔ)上，將區(qū)域內(nèi)主要的排水河道納入計算范圍，考慮特殊河段的調(diào)蓄能力，根據(jù)等效原理合理概化，既要使概化前后河道的輸水能力相等，調(diào)蓄能力基本不變，又要使概化河網(wǎng)簡潔明了[9-12]?；诠歉膳潘拥缹δ贤ㄊ泻拥肋M(jìn)行合理概化，主要包括焦港河、如海運河、九圩港、通呂運河、江海河、如泰運河、通揚運河、拼茶運河以及北凌河等18條河道，如圖4所示。

圖4 一維河網(wǎng)概化示意圖

3.1.2河口二維水動力數(shù)學(xué)模型

根據(jù)河口納潮歷史外緣線，并結(jié)合灘涂圍墾情況，確定小洋口模擬范圍：閘上起洋口外閘閘上1km，閘下西邊和南邊到現(xiàn)狀海堤或圍堤，東北側(cè)為黃海開闊水域，至-8等深線。東西長約9.8km，南北長約10.1km，總面積約99.7km2，如圖5所示。

圖5 河口模擬范圍圖

3.2 方案設(shè)置

運用MIKE Flood模塊，采用標(biāo)準(zhǔn)連接方式將一維河網(wǎng)和二維河口水動力數(shù)學(xué)模型耦合，在連接處實現(xiàn)水量、水位傳遞。考慮到口外左側(cè)已經(jīng)圍墾，治導(dǎo)線方案布置如下：以閘門中心線為基準(zhǔn)參考線，向右以間距1000、1500m、角度15.0°、22.5°布置治導(dǎo)線，具體計算方案見表1。小洋口治導(dǎo)線及監(jiān)測點(斷面)布置如圖6所示。

表1 小洋口數(shù)學(xué)模型計算方案匯總表

圖6 小洋口治導(dǎo)線布置及監(jiān)測點(斷面)位置圖

3.3 計算結(jié)果

3.3.1排澇工況

當(dāng)區(qū)域遭遇20年一遇暴雨時，3個治導(dǎo)線方案的計算結(jié)果與現(xiàn)狀計算結(jié)果相比，各個監(jiān)測點處特征水位相差約0～2cm。與現(xiàn)狀方案相比，3個治導(dǎo)線方案的5個監(jiān)測點處特征水位變化不大，最高水位略有升高，最低水位和日均水位基本持平，治導(dǎo)線方案ZDX-L10A30對河口水位影響相對較大，ZDX-L10A45影響次之，ZDX-L15A30影響最小。不同方案特征水位見表2，沿程最高水位及最高水位差變化如圖7所示。

表2 小洋口排澇工況不同方案特征水位表

圖7 小洋口排澇工況沿程最高水位及最高水位差變化(實線為最高水位，m；虛線為最高水位差，cm)

3.3.2納潮工況

河口納潮能力也是維系河口穩(wěn)定的重要因素之一。當(dāng)洋口外閘關(guān)閉時，3個治導(dǎo)線方案的計算結(jié)果與現(xiàn)狀計算結(jié)果相比，3個監(jiān)測點處最高水位和最大流速變化不大。由于治導(dǎo)線方案實施后，3個監(jiān)測點處水位和流速與現(xiàn)狀相比基本持平并略有升高，監(jiān)測斷面CSQ處的落潮水量有了不同程度的升高，方案ZDX-10A30和ZDX-L10A45監(jiān)測斷面處落潮水量增幅超過1%，方案ZDX-L15A30監(jiān)測斷面處落潮水量增幅最小。小洋口不同方案納潮工況最高水位和最大流速見表3，小洋口不同方案納潮工況沿程最高水位和最大流速變化如圖8所示。

表3 小洋口納潮工況最高水位和最大流速表

圖8 小洋口納潮工況沿程最高水位和最大流速變化(實線為最高水位，m；虛線為最大流速，m/s)

3.3.3總結(jié)

通過構(gòu)建并耦合區(qū)域一維河網(wǎng)水動力數(shù)學(xué)模型和河口二維水動力數(shù)學(xué)模型，以監(jiān)測點處的特征水位以及監(jiān)測斷面處的落潮水量為判斷指標(biāo)，對比分析排澇和納潮兩種計算工況下不同治導(dǎo)線布置方案以及現(xiàn)狀方案，計算結(jié)果表明：治導(dǎo)線布置方案ZDX-L15A30與現(xiàn)狀相比，對閘下港道特征水位和落潮水量影響基本沒有影響。與復(fù)核成果相比，治導(dǎo)線布置方案ZDX-L15A30左右治導(dǎo)線擴(kuò)散角度更廣，向海側(cè)的深入距離更遠(yuǎn)，更利于維系扁擔(dān)口平面形態(tài)，同時預(yù)留更大的平面擺動空間，更利于河口水流通暢。小洋口治導(dǎo)線布置如圖9所示。

圖9 小洋口治導(dǎo)線布置圖

4 結(jié)論

本文以小洋口為例，利用遙感影像分析技術(shù)，通過構(gòu)建并耦合區(qū)域一維河網(wǎng)水動力數(shù)學(xué)模型和河口二維水動力數(shù)學(xué)模型，對比分析排澇和納潮兩種計算工況下不同治導(dǎo)線布置方案對水位、納潮量的影響，定量分析確定了對閘下港道特征水位和落潮水量影響最小的小洋口河口治導(dǎo)線方案。本次通過研究該類典型入海河口治導(dǎo)線方案特征規(guī)律，最終以維護(hù)防洪排澇、納潮通暢、維持河口平面形態(tài)和縱向沖淤穩(wěn)定、引導(dǎo)河口有序延伸為基本原則，為江蘇以及全國其它地區(qū)同類型入海河口治導(dǎo)線的劃定提供參考。