长江口横沙通道近期演变及水动力特性分析

万远扬 ，孔令双 ，戚定满 ，顾峰峰 ，王 巍

（1.上海河口海岸科学研究中心，上海 201201；2.联合国教科文组织－水教育学院，代尔夫特2601DA）

长江口横沙通道近期演变及水动力特性分析

万远扬1，2，孔令双1，戚定满1，顾峰峰1，王 巍1

（1.上海河口海岸科学研究中心，上海 201201；2.联合国教科文组织－水教育学院，代尔夫特2601DA）

基于近十年来的实测水文地形资料，分析了横沙通道河床演变基本特性和水、沙变化情况，初步揭示了横沙通道的基本演变趋势和动力特性。同时利用数学模型（SWEM），统一边界条件后，详细比较多年来横沙通道水动力因子变化过程，包括潮位、流速、流向、优势流等；通过长系列统一边界的潮流数模计算比较，分析了横沙通道水动力特性。最后结合实测资料及数模计算结果，分析了横沙通道的变化情况与北槽和北港变化情况的基本关系以及基本发展趋势。

SWEM；地形演变；数值模拟；长江口；横沙通道

Biography：WAN Yuan-yang（1981-），male，assistant professor.

横沙通道（北纬31.3度，东经121.8度，图1）位于长江口长兴岛和横沙岛之间，两侧分别连接长江三角洲最大的2个入海通道——北港与北槽，是北港与北槽之间水量、泥沙交换的重要通道。目前该通道平均宽约1.2 km，长约8 km，贯通水深约10 m（本文中高程系统均为吴淞基面）。横沙通道也是长江口水域唯一一条独立的、南北向连通通道，是北港和北槽入海前的勾通交换渠道。由于该通道相对整个长江口而言尺度甚小，且目前状况良好［1］，所以一直以来对该通道的研究较少。

随着长江口航道的持续开发以及崇明三岛战略地位的不断升级［2］，有必要深入研究横沙通道的演变规律与发展趋势，以便为附近水域的航道、港区开发提供科学参考。最重要的是，通过横沙通道演变规律的研究，能从侧面反映现今长江口北槽和北港2个主通道的动力特性及演变趋势。本文将基于长江口横沙通道近十多年来的实测地形演变和水动力变化资料，结合大小嵌套的二维水动力数值模拟［3］，详细比较多年来横沙通道水动力因子变异过程，并着重分析横沙通道的发育过程与北槽和北港演变之间的响应关系。

图1 横沙通道位置图Fig.1 Position of Hengsha Watercourse

1 近期演变概要

横沙通道是北港与北槽之间水量交换的重要通道，随着长江口深水航道一、二期工程的建设和北港河势的变化（横沙岛西北端的冲刷），近十年来大致经历5个发展阶段：（1）1998年9月～1999年11月，随着一期工程的实施，横沙通道呈发展态势，平均水深小于9 m。（2）1999年11月～2000年5月，尤其是2000年3月横沙东滩窜沟基本封堵以后，一部分经横沙东滩窜沟主通道进行交换的水量改由横沙通道进行交换，横沙通道5 m以下河槽容积迅速增加，平均水深超过10.0 m。（3）2000年5月～2002年5月，槽内平均水深为10.02～10.31 m。（4）2002年5月～2003年11月，河槽容积缓慢增加，平均水深为10.90 m。（5）2003年11月～2006年2月，略有淤积，平均水深约为10.74 m。

由此可见，2003年11月以来，横沙通道较为稳定。

从横沙通道河槽的近期演变过程看，2004年8月以来，横沙通道河槽容积和平均水深均呈规律性变化，即5～11月洪季期间，以冲刷为主，河槽容积和平均水深逐渐增加；11月至次年5月枯季，以淤积为主，河槽容积和平均水深不断减小；并且各年同期的河槽容积大小基本相仿。

综上所述，横沙通道目前总体格局较为稳定，通道内10 m深槽基本贯通。

2 实测水动力变化分析

2.1 横沙通道南北侧潮位变化

根据1998～2009年横沙通道两侧实测潮位资料［4-8］（表1），整理大潮情况下，共青圩和横沙站（潮位站位置如图1）的潮位过程线（图2）。由图2可见，2005年、2007年和2009年的南北侧潮位基本吻合，高低潮位差异在0.1～0.2 m，仅1998年表现出共青圩站比横沙站低潮位时高约0.45 m，高潮位时高约0.15 m。

表1 选取的实测资料基本情况表Tab.1 General information about measurement data

图2 横沙通道大潮期南北侧实测潮位过程线Fig.2 Comparison of water level process between south and north side of the Hengsha Watercourse

由横沙通道的河床演变分析可知，1998～2002年是横沙通道的发展期，2005年以后横沙通道基本处于稳定状态。发展期南北侧潮位差异较大，而稳定期后，基本无差异，仅通过实测资料还难以说明该性质是由北港还是北槽的潮位变化造成的。

2.2 横沙通道测点流速分析

由于横沙通道整体走向为南北向，与其他汊道流向（东西向）基本正交（传统的涨落定义是根据流速在X方向的分量来判断），需谨慎定义流速的正负号。其流向的定义需要结合潮位变化，水位降低的过程为落潮，反之则为涨潮。因此，180°左右方向为落潮方向（正号），水流从北港汇入北槽；0°左右方向为涨潮方向（负号），即水流方向为从南往北。

由横沙通道内测点HS0（缺少1998年、2002年横沙通道测点流速资料，测点位置见图1）多年来的水文测验资料可知（图3和表2）：（1）2005～2009年，横沙通道流速过程变化差异不大，流速过程线相似度较高；（2）虽然水文条件不尽一致（表1），但大致可以看出，近年来，横沙通道落潮优势逐渐减弱，即北港汇入北槽的含沙水量相对减少，尤其是2007年长兴潜堤建成后，工程效果明显。

2.3 小结

由上述实测资料分析，提出以下问题：南北侧潮位差的减少是否导致了横沙通道刷深过程的停滞；该过程是否是一个连续发展过程；横沙通道优势流是否也相应发生变化；该变化的发展对北港和北槽主流有何影响；诸如此类问题值得深入分析。但由于实测资料不够全面，另一方面，资料所处的水文气象环境不尽一致，无法在相同条件下进行对比，因此本文将利用数学模型，详细分析造成横沙通道发展的动因及该趋势对长江口河势的影响。

图3 横沙通道实测流速、水深过程线Fig.3 Measured process of velocity and water height at HS0

表2 横沙通道HS0点流速特征值统计表Tab.2 Statistical typical velocity at HS0m/s

3 数值模拟计算

同化对比分析研究采用上海河口海岸科学研究中心自主开发的“长江口航道维护管理核心计算平台系统SWEM2D/3D”［3］（国家计算机软件著作权登记号2008SR33450）中的平面二维潮流模块进行数值模拟计算。该模型具有以下特点［9］：（1）应用无结构化混合计算网格（三角形＋四边形），计算域能更好模拟长江口的复杂岸线。整体模型上游边界可以直接延伸到长江口的枯季潮区界（潮差为零的地方）大通；（2）采用有限体积法作为离散格式的基础，比有限差分法更贴近物理量守恒定律，能有效保证计算的总体精度；（3）采用半隐半显格式［10-11］，计算稳定性好。同时克服ADI计算格式中不能考虑不同方向流动之间相互作用的不足，且采用变时间步长计算，计算效率有所提高；（4）计算基于Linux系统，较Windows系统而言，能较好地兼顾模型的计算精度（最小网格尺度）和计算效率；（5）经多次应用于长江口的动态率定和验证，且和商业软件MIKE21/3的对照，模拟结果与长江口实测数据吻合良好，并已成功应用于长江口多项工程。

在各自年份地形和不同的工程边界的基础上（1998～2009年），给定统一的上下游水文边界条件后，模拟并统计不同年份的横沙通道水流特性，看其水动力变化过程是否和实测资料反映的一致，是否也能反映一定的演变发育规律。

图4 SWEM大模型计算网格Fig.4 Sketch of computational domain

3.1 计算域

本次计算大模型的范围为：西起上游的大通，东至外海-40 m等深线，北边界接近渤海湾，南边界包括杭州湾整个区域，其中东西向长约600 km，南北向宽约600 km。采用无结构化计算网格覆盖整个计算域，计算网格完全贴合工程建筑物的形状及走向，且对横沙通道水域附近局部加密，大模型计算网格见图4。本次数学模型小模型的范围为：上起徐六泾进口，下至口外（南汇咀、绿华、连兴港），包含整个传统描述的“三级分汊，四口入海”［13］长江口格局（图 5）。

3.2 边界条件

3.2.1 地形及陆域边界条件

图5 小模型计算网格Fig.5 Refined mesh of the study area

1998年至今，整个长江口水域经历了一番高密度的涉水建筑物（码头、港口、桥梁、防洪排涝工程、管道、缆线、闸坝、航道整治、取排水口工程、采砂等）及海洋工程（圈围造地、湿地保育、深水码头、水库、疏浚工程等）的建设大潮，岸线及地形边界差异很大，因此必须详细调查各个不同年份的陆域边界条件和控导工程的具体布置。本文所考虑的背景工程主要包括：中央沙圈围工程及青草沙水库工程，长江口深水航道工程（包括一、二、三期工程布置、长兴潜堤、南导堤隔堤、分流鱼嘴工程），横沙东滩圈围，浦东机场圈围（含外侧圈围），南汇边滩圈围，洋山港及东海大桥工程，上海长江大桥，新通海沙圈围，北支中、下河段滩涂圈围，崇明东滩圈围，横沙大道工程，长兴岛北沿圈围工程及南支南港部分大型码头工程和相关企业的圈围等。

地形边界采用1998年、2002年、2005年、2007年、2009年5个不同年份的、统一高程系统后的实测地形资料。

3.2.2 上下游条件

上游进口给定大通流量为40 000 m3/s（洪季概化流量）；大模型下游边界由外海潮波条件给定。模型的外海边界采用 16 个分潮的天文潮波调和常数（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、U2、V2、T2、L2、2N2、J1、M1、OO1），天文潮调和常数由东中国海海洋潮波模型计算求得。小模型进口（徐六泾）的边界条件为从大模型中获取的水位过程线，下边界条件的潮位过程也由大模型给出的连兴港、绿华山、南汇咀3点的潮位来控制，其他点线性插值。

3.3 计算结果及分析

限于篇幅，在此不列出模型率定验证结果。本次分析的验证包括不同年限，水文条件和地形组合条件下的潮位、流速、流向验证部分［3］。

根据计算，不同年份下的横沙通道特征潮位、流速统计如图6（测点布置见图1）。

图6 同水文条件下不同年份横沙通道潮位过程线对比（HS0）Fig.6 Comparison of water process at HS0

图7 同水文条件下不同年份横沙通道流速过程线对比（HS0）Fig.7 Comparison of velocity process at HS0

由图6、图7及表3可知：（1）横沙通道内，高潮位整体呈一定抬高趋势，但差异不大，最大抬升约0.05 m；低潮位也是逐年（1998～2007年）抬升，2007年后，低潮位变化不大，低潮位最大抬升约0.2 m；可见低潮位抬升的效果更为突出，整体显示潮差有所减小。（2）从流速过程线来看，最明显的特征是落潮期时间大幅减少。（3）1998～2009 年，HS0 平均潮位逐年升高，10 a间抬高接近0.1 m。（4）除2002年外，横沙通道优势流递减，到2009年，横沙通道基本已处于涨落潮平衡状态。

造成上述现象的主要原因在于，北槽航道整治建筑物、长兴潜堤以及长兴岛南北侧圈围的实施，横沙通道落潮流（北港向北槽入汇）被阻挡，使得横沙通道的前期持续刷深过程中止；此外，由于横沙通道阻止了部分由北向南的水流的沟通，会减少北港上段的泥沙泄入北槽，这种发育趋势对北槽航道的发展有利，同时也可能加强北港下段的落潮流。

表3 横沙通道HS0平均潮位及优势流统计表Tab.3 Comparison of average water level and ebb dominance

4 结论

本文根据实测资料结合数值模拟计算结果分析，得出以下结论：（1）横沙通道落潮流为北港汇入北槽方向；涨潮流为北槽流入北港方向。（2）近十多年来，横沙通道低潮位的抬升大大高于高潮位的升高值。（3）横沙通道已经由原先的落潮优势变成现在的涨落平衡状态；如随着北槽的持续开发，横沙通道可能会变成涨潮占优的涨潮沟。（4）横沙通道南北侧潮位差的减小以及长兴潜堤的作用，使得横沙通道流速有所降低，这可能减弱维护通道的自然疏浚能力。

［1］刘杰.横沙通道河床演变分析报告［R］.上海：上海河口海岸科学研究中心，2009.

［2］许卫东.横沙通道演变与建港条件分析［D］.上海：华东师范大学，2000.

［3］戚定满.长江口航道核心计算平台开发研究及成果应用［R］.上海：上海河口海岸科学研究中心，2007.

［4］田淳.长江口深水航道治理工程全潮水文测验技术报告［R］.上海：长江口水文水资源勘测局，1998.

［5］曹平.长江口深水航道治理二期工程水文测验技术报告［R］.上海：长江委水文局长江口水文水资源勘测局，2002.

［6］高健，胡国栋.2005年8月长江口深水航道治理二期工程水文监测技术报告［R］.上海：长江委水文局长江口水文水资源勘测局，2005.

［7］周才扬，高健，胡国栋.长江口深水航道治理三期工程2007年8月水文监测技术报告［R］.上海：长江委水文局长江口水文水资源勘测局，2007.

［8］胡国栋.2009年8月长江口深水航道治理三期减淤工程水文测验技术报告［R］.上海：长江委水文局长江口水文水资源勘测局，2009.

［9］Wan yuanyang，Qi Dingman.Preliminary Analysis on the Impact of Different Stages of Yangtze Estuary Deepwater Channel Regulation Project［C］//Department of Civil Engineering Tohoku University.Proceedings of the third international conference on estuaries and coasts.Dendai：Tohoku University，2009.

［10］Casulli V.A Semi-implicit Finite Difference Method for Non-hydrostatic，Free-surface Flows［J］.International Journal for Numerical Methods in Fluids，1999，30：425-440.

［11］Chen C，Liu H，Beardsley R C.An unstructured，finite volume，three dimensional primitive equation ocean model：application to coastal ocean and estuaries［J］.J.Atmos.Oceanic Technol.，2003，20：159-186.

［12］Hu Kelin，Ding Pingxing，Wang Zhengbing，et al.A 2D/3D hydrodynamic and sediment transport model for the Yangtze Estuary，China［J］.Journal of Marine Systems，2009，77：114-136.

Study on characteristics of hydrodynamic and morphological evolution at Hengsha Watercourse of the Yangtze Estuary，China

WAN Yuan-yang1，2，KONG Lin-shuang1，QI Ding-man1，GU Feng-feng1，WANG Wei1
（1.Estuarine and Coastal Scientific Research Center，Shanghai 201201，China；2.UNESCO-IHE Institute for Water Education，Delft 2601 DA，The Netherlands）

Over the past decade，the Hengsha Watercourse of Yangtze Estuary witnessed an unprecedented scale of human interventions and extensively utilization and development，and the river itself also suffered a series of slowly changes and variations.After full analyzing a long series of hydrological and topographic data，some hydrodynamic parameters and fluvial processes were chosen to analyze and research the response mechanism among the South Passage，the North Passage，the North Channel and Hengsha Watercourse in this paper.The specific causes and processes and the future growth pattern of Hengsha Watercourse were also preliminary discussed and researched.In turn，those conclusions would be used to explain many other phenomenons，such as deposition or erosion in some reaches，evolution of riverbed，velocity and water level changes，watercourse backfilling and so on.

SWEM；morphological evolution；numerical simulation；Yangtze Estuary；Hengsha Watercourse

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2010）05-0373-06

万远扬（1981-），男，湖北省人，助理研究员，主要从事河口数值模拟研究。