长江下游南京河段马汊河口航道流态及泥沙淤积特性研究

陈长英，张幸农，方明华

（1.南京水利科学研究院，南京 210029；2.南京市航道管理处，南京 210036）

长江下游南京河段马汊河口航道流态及泥沙淤积特性研究

陈长英1，张幸农1，方明华2

（1.南京水利科学研究院，南京 210029；2.南京市航道管理处，南京 210036）

选择南京八卦洲河段马汊河入江口门，建立二维潮流、泥沙数学模型，对入江口门航道流态、水流泥沙运动特征以及口门泥沙淤积特性进行研究。结果表明，中、洪水条件下，八卦洲河段内不存在涨潮流，但口门内仍然存在往复流。河床冲淤变形计算结果表明，口门向内泥沙淤积呈由大到小的分布规律，口门回流区淤积厚度最大。不同水文特征年泥沙淤积程度不同，随淤积历时增长，泥沙逐年淤积量略有减少，且淤积泥沙由口门逐渐向航道推进。

流态；淤积特性；南京河段；马汊河口

Biography：CHEN Zhang-ying（1974-），female，engineer.

南京沿江主河道全长百余公里，其内陆北侧主要有滁河、划子河、鸭子河、马汊河、城南河、驷马山河，南侧有秦淮新河等支流汇入长江，是沟通内陆河网与长江的关键，其河床稳定性对航道畅通有重大作用［1-4］。因而，维护入江口门处的航道条件，保障航道畅通，对南京沿江地区水运的发展至关重要。

本文选择南京河段八卦洲汊道马汊河入江口门，建立二维潮流、泥沙数学模型，对入江口门航道流态、水流泥沙运动特征以及口门泥沙淤积特性进行研究。研究结果可为入江口门的防淤减淤及航道养护提供参考。

1 河道基本情况

马汊河口位于长江南京河段八卦洲汊道左汊（图1），八卦洲汊道为鹅头型分汊河道，长约10.1 km，最大宽度7.5 km，左汊弯曲，为支汊；右汊顺直微弯，为主汊，目前左、右两汊分流比分别为17%和83%。

八卦洲左汊是1个长约21.7 km的复合弯道，由进口段、南化弯道、马汊河浅滩段、皇厂弯道和出口段组成，河床呈缓慢衰退之势。1985年八卦洲洲头分水鱼咀工程实施后，左汊淤积衰退以及分流比减小趋势有所减缓，但分流比减小的现象依然存在，特别是低水位时。八卦洲右汊顺直微弯，现长约10.5 km，河宽约1.1 km。汊道内存在4个深槽近岸段，分别位于八卦洲头右缘、燕子矶、天河口和新生圩，20世纪80年代后对八卦洲右汊进行河道整治工程，右汊河势开始趋于稳定。

图1 八卦洲汊道河势图Fig.1 River regime of Baguazhou reach

马汊河入江段位于八卦洲左汊浅滩段左岸，马汊河西起南京市六合区小头李与滁河相接，流经六合、浦口两区向东至三航预制厂入长江，河道全长13.6 km，马汊河是滁河重要分洪道，滁河中游汊河集闸泄洪流量大约有90%通过马汊河排入长江。目前，按等外级航道标准进行维护，防洪标准为20 a一遇，设计流量为1 018 m3/s。马汊河入江段基本上与长江主流呈60°交角，入江口门附近河宽约185 m，长江侧河口上游1 km左右为南京长江二桥副桥。

2 马汊河口二维水流、泥沙数学模型

2.1 数学模型建立

2.1.1 基本方程

采用贴体正交曲线网格系统，克服边界复杂及计算域尺度悬殊所引起的困难。贴体正交曲线网格系统控制方程组如下

水流连续方程

动量方程

ξ方向动量方程

η方向动量方程

式中：ξ、η分别为正交曲线坐标系中2个正交曲线坐标；u、v分别为沿ξ、η方向的流速；h为水位；H为水深；Cξ、Cη分别为正交曲线坐标系中的拉梅系数；σξξ、σξη、σηξ、σηη为紊动应力。

悬沙不平衡输移方程

河床变形方程

2.1.2 计算范围确定及网格

模型上起长江梅子洲尾，下至南京栖霞山炼油厂，中间包括八卦洲左、右汊水道，左汊宝塔水道长约22 km，右汊草鞋夹水道长约11 km，马汊河口位于左汊南化弯道与皇厂弯道之间的浅滩段。本次计算采用2003年1∶10 000实测地形图，马汊河浅滩段以及马汊河支流为重点研究区域，模型对该区域进行了局部加密，计算区域内共布置605×261个正交曲线网格。

2.2 数学模型验证

模型验证包括水动力条件验证及河床冲淤变形验证。水动力条件验证内容有洪、中、枯3级流量条件下的长江主江道水面线、垂线平均流速分布以及汊道分流比，验证试验依据的原型水文资料如下：（1）2003年1月5日枯水水文测量资料，大通流量22 700 m3/s；（2）2003年5月4日中水水文测量资料，大通流量30 500 m3/s；（3）2003年7月5日洪水水文测量资料，大通流量51 135 m3/s。河床冲淤变形验证计算起始地形采用2003年地形，计算验证地形为2006年实测河道地形。通过水动力条件验证以及河床冲淤变形验证计算，模型与原体相似度较好。

3 数值计算与分析

3.1 水流特征计算与分析

入江口门水流运动特征复杂，受多种因素影响［5－9］，为分析研究马汊河口口门区及航道内水流运动特征，选择验证计算中的中水流量（Q＝30 500 m3/s）和洪水流量（Q＝51 135 m3/s）作为计算流量，下游以大潮潮位过程控制。

计算结果显示，中洪水时，口门外长江无涨潮流，但是随长江潮位变化，口门内存在明显往复流。在1个潮周期中，口门外长江水流始终表现为向下游的单向流，并无涨潮流出现，口门内航道则存在涨潮流，涨潮流速距离口门越近，流速值越大，口门附近涨急时流速值明显大于落急时流速值。从断面流速分布看，口门区附近断面流速分布沿河宽方向变化较为明显，表现出较强的二维水流运动特征，随着水流向航道方向推进，断面流速分布沿河宽方向的变化逐渐减小，流速沿河宽方向基本上没有变化，说明航道内侧基本呈一维明渠水流运动特征。

从口门流态特征看，口门区存在回流，且口门内的回流范围及强度随潮位的涨落与长江来流量而改变。图2为口门回流随潮位涨落的变化情况，由图2可见，开始涨潮时，首先在口门中部形成回流，回流强度较小，为0.05 m/s（图2-a）；随着潮位的升高，回流产生位置的范围及强度发生变化，中潮位附近口门回流位于口门右侧，回流范围有所减小，回流强度略有增强，为 0.06 m/s（图2-b）；其后回流强度又减弱，回流的位置向口门内侧偏移，高潮位附近的口门回流见图2-c；转为落潮时，口门偏左侧形成回流，回流强度为0.07 m/s（图2-d）；落至低潮位时，又恢复为口门中部形成一个回流（图2-e）。

图2 马汊河口口门水流流态（Q＝30 500 m3/s）Fig.2 Flow pattern in Nanjing Macha river mouth（Q＝30 500 m3/s）

3.2 泥沙淤积计算及分析

当遭遇长江不同水文条件时，入江口门泥沙淤积规律不同，选择1998大水中沙年和2006小水小沙年，计算不同典型水文年条件下入江口门泥沙淤积特征。

计算结果显示，自口门向内泥沙淤积呈现由大到小的分布规律（图3、图4）。口门附近回流区泥沙淤积厚度最大，泥沙淤积较大区域主要集中在自口门向内600 m处，口门向内600～1 200 m泥沙淤积相对较小，1 200 m以外航道泥沙淤积很小。对比1998大水中沙年与2006小水小沙年可见，1998大水中沙年口门泥沙淤积较为严重，1998年全年口门区最大淤厚为0.38 m，2006年全年口门区最大淤厚为0.14 m。年内泥沙淤积主要集中在汛期，1998年6～10月口门区最大淤厚达0.28 m，约占全年74%；2006年6～10月口门区最大淤厚达0.09 m，约占全年65%。

为分析泥沙逐年淤积的累积情况，以2006年水沙条件为基础，进行了长系列水文年计算，计算结果显示，1 a后口门区最大淤厚为0.14 m，2 a后口门区最大淤厚为0.26 m，3 a后口门区最大淤厚为0.35 m。以上数据说明，随淤积历时的增长，泥沙逐年淤积量略有减少，并且淤积泥沙由口门逐渐向航道推进。

图3 1998大水中沙年马汊河口淤积纵剖面图Fig.3 Longitudinal profile of deposition thickness in Macha river mouth in 1998

图4 2006小水小沙年马汊河口淤积纵剖面图Fig.4 Longitudinal profile of deposition thickness in Macha river mouth in 2006

4 结论

马汊河口潮流以及泥沙数学模型计算结果说明，中、洪水条件下，长江八卦洲河段内不存在涨潮流，但是由于潮位的涨落，马汊河口口门区及口门内航道仍然存在往复流。口门附近断面流速分布沿河宽方向变化较为明显，表现较强的二维水流运动特征，随着水流向口门内航道方向推进，断面流速分布沿河宽方向变化逐渐减小，说明航道内侧基本呈一维明渠水流运动特征。口门区域存在较大的回流，口门区回流随潮位涨落和流量变化而发生变化。河床变形计算结果说明，自口门向内泥沙淤积呈现由大到小的分布规律，口门附近回流区泥沙淤积厚度最大，丰水中沙年泥沙淤积较为严重，小水小沙年泥沙淤积较少，年内泥沙淤积主要集中在汛期。长系列年计算结果说明，随淤积历时的增长，泥沙逐年淤积量略有减少，并且淤积泥沙由口门逐渐向航道推进。

［1］张幸农，陈长英.南京入江口门航道流态及演变分析［R］.南京：南京水利科学研究院，2009.

［2］张幸农，吴济难.张家港二线船闸下游引航道泥沙淤积及其口门布置型式的分析研究［R］.南京：南京水利科学研究院，1997.

［3］张幸农，杨红，孙波.感潮河段支流引航道泥沙淤积的研究［R］.南京：南京水利科学研究院，2000.

［4］张幸农，陈长英.张家港船闸扩建工程下游引航道泥沙淤积计算分析［R］.南京：南京水利科学研究院，2004.

［5］刘青泉.盲肠回流的水流运动特性［J］.水动力学研究与进展，1995，10（3）：290-301.

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［9］张瑞瑾.河流泥沙动力学［M］.北京：水利电力出版社，1989.

Study on flow pattern and characteristics of sediment deposition in Nanjing Macha river mouth of the lower Yangtze River

CHEN Zhang-ying1，ZHANG Xing-nong1，FANG Ming-hua2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing210029，China；2.Nanjing Municipal Waterway Administration Bureau，Nanjing210036，China）

Taking the Nanjing Macha river mouth of the lower Yangtze River as an example，a twodimensional flow and sediment mathematical model was established to study the flow pattern and characteristics of sediment deposition.The results show that there is no existence of flood current in Nanjing Baguazhou reach，but there still exists reversing tidal current inside the Macha river under the condition of flood.The calculated results of river bed deformation indicate that the deposition in Macha river mouth is more serious than that inside the Macha river，and the maximum thickness of deposition is in the recirculation region.The deposition thickness is different in different hydrological years，and the sediment deposition decreases with the increase of silting duration.

flow pattern；characteristic of sediment deposition；Nanjing reach；Macha river mouth

TV 142；U 617.5

A

1005-8443（2010）05-0496-05

陈长英（1974-），女，江西省吉安人，工程师，主要从事河道港口水流、泥沙工程研究。