深水航道的河势控制和航道回淤问题

金镠，虞志英，何青

（1.交通运输部长江口航道管理局，上海 200003；2.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

长江口深水航道治理一期工程，1998年1月开工，2002年初完成（包括完善段工程）。二期工程2002年开工，提前于2005年3月竣工。2006年9月开工建设三期工程。

一、二期工程的建成投产，为我国河口治理提供了许多经验[1-7]。三期工程为疏浚加深航槽的工程，2006年9月开工，设计基建土方量1.7亿m3，设计通航水深12.5 m，要求于2009年9月完成。施工过程中回淤量大且集中分布。为此，先后采取加长丁坝等措施 （表1），同时加大疏浚强度。三期工程于2010年3月挖通12.5 m航道。交工验收后进入试通航，于2011年5月通过竣工验收。

表1 减淤工程丁坝接长一览表m

1 对长江口河势基本特点的再认识

关于长江口河势，已有许多论述。通过深水航道治理认识有所深化。

1） 长江口是多级分汊的大型河口，历史上的稀遇洪水塑造了河口基本的地貌格局。径流维持了河口的生命。输沙平衡关系决定河槽性质。

①径流在维持河口及河口汊道长期稳定中起到关键作用。

潮汐河道维持稳定的机制是输沙平衡，即涨、落潮的净输沙指向下游且≥上口的流域来沙。满足此条件的为落潮输沙优势河槽，即落潮槽；否则为涨潮槽，是趋于萎缩的河槽。

河槽阻力使潮波在推进过程中发生变形、落潮流输沙能力低于涨潮流。为达到输沙平衡，必须要有径流加入。因此说，径流是河口的生命。基于此，通常取河口的多年平均落潮流量为河口的造床流量。

②通过分流口通道水、沙交换的调节提高了主汊的稳定性。

河口汊道的稳定性受到分流口沙洲冲淤和进流进沙条件变化的影响，而这种影响往往通过分流口通道及串沟的消长得到调节，从而提高了主汊的稳定性。

③人类活动对汊道稳定有时会起到决定性的影响。

洲滩的围垦和边界固定，堵塞串沟，岸线开发，通过整治建筑物调节水、沙动态等，均有可能对汊道的稳定发生重大、快速的影响。

2） 河口河槽形态具有平面上向下游放宽和纵断面上出现拦门沙地形的特点。

①河槽阻力使涨潮潮量向上游沿程递减，断面面积亦相应缩小。河相关系[8]显示，断面积的变化主要体现在河宽的变化上。由于落潮流量向下游沿程增大，河宽具有向下游放宽的特点。

从能量观点看，在一定的来水来沙条件下，河槽力图达到的平衡断面是符合能耗最小的断面（杨志达），或是具有最小活动性的断面（窦国仁）。此时，河床的沿程冲淤最小，涨潮及落潮的单宽输沙率qs沿程基本无变化，即∂qs∂x→0。

考虑落潮输沙，连续方程为[9]：

式中：h为河床床面高程；B为半潮槽宽。

上式可写成：

由∂qs/∂x→ 0，得：

式中：Bo为起始断面半潮槽宽。

故设计一条平衡的潮汐水道，其河槽的平面形态需符合按指数关系向下游放宽的规律。合理的放宽率应使单宽输沙率沿程保持基本不变。

②长江口下段发育有巨大的拦门沙系，主汊中的拦门沙长达40～60 km。

拦门沙形成机制可概括表述如下：潮汐河口，一方面由于向下游展宽，水深变浅，为维持纵向单宽输沙率不变，要求水动力增强，从而增大了床面泥沙的再悬浮，使下层水体含沙量增高；另一方面，咸淡水交汇形成锋面，锋面在一定范围内摆动，在其摆动范围内，出现竖向密度环流和较长的憩流、转流历时，有利于再悬浮的泥沙向床面集聚；近床面较高含沙量的“制紊作用”又使泥沙向床面的集聚加速（“雪球效应”[10]），从而造成近床面的高浓度泥沙层。于是在锋面摆荡的范围内，出现以较浅的平衡水深地形、较强的近底水动力、较高的下层水体含沙量为特征的河段，即拦门沙河段。该河段与锋面摆动范围一致。因具有较强的再悬浮和较高的近底含沙量，故又是河口最大浑浊带所在。在自然状态下，拦门沙河段单宽输沙率沿程基本不变。

3） 长江口河势符合平原冲积河流感潮河段河床演变的一般规律，它们是：

①海洋动力具有准定常性，因此主流在平面上也具有弯直相间的蜿蜒形态并自上游向下游迁移；弯道导流对主流的稳定起主要作用。

②滩槽水沙交换对河槽稳定起着重要作用，主要表现在具有大水趋直、小水坐弯的“宽河行洪”特性，滩面洪淤枯冲、主槽洪冲枯淤的季节性冲淤调节机制，以及河口下段主槽出沙，滩地进沙的泥沙环流特性等方面。固定河槽边界、堵塞串沟、截断滩槽泥沙交换以及大量围滩，减少了滨海沙洲淤涨的物质来源，增加了主槽输沙的负担，有可能削弱主槽的落潮流输沙优势。

弯直相间的主流平面形态和“宽河行洪”的泄洪要求，决定了北槽双导堤必须采用宽堤距布置。

③在宽浅河道上修筑导堤和丁坝群调整河床地形，除了要确定合理的放宽率外，丁坝的数量和长度对河槽的稳定性也起重要作用，表现在宽深比的调整和河槽性质的转化上。北槽大量丁坝的修建，短期内产生了巨大的滞沙容沙效果。随着坝田逐步充填，主槽的输沙负担逐步增加；随着丁坝总长度增加，北槽自然深泓尺度经历了先增后减的转变，转折发生在丁坝总长约30 km时，相当于二期整治建筑物工程完成（图1）。

2 北槽河槽性质转化的可能性

对汊道型潮汐河口航道的整治往往是整治汊道中的一支。以北槽为例，采用鱼咀、导堤固定边界，用丁坝群束窄河槽，形成导治线。丁坝增加了河槽阻力，从而使分流、分沙比减小。整治前，北槽是落潮流输沙优势明显的汊道，整治工程应以保持北槽落潮槽性质不变为前提。

图1 北槽等深线平均间距与丁坝总长度关系

2.1 分流比与河槽容积

治理工程的实施，使北槽落潮流分流比减少（图2），其中，一期期间即1998-06—2001-02，分流比从67%持续下降至48%（上断面）；二期期间，即2002-08—2006-08，为二期丁坝建设及之后的河床调整期，分流比从48%降至40%（上断面），2009-02—04实施了三期减淤工程，加长多条丁坝，使分流比出现新的下降，上断面分流比降至38%左右。

图2 北槽落潮流分流比逐年变化

北槽分流比减少的同时，中水位以下河槽容积的变化如图3[7]，容积的减少主要发生在二期整治建筑物开工之后，减少约2.8亿m3，减幅达9%。中水河槽容积的变化包括丁坝坝田的淤积和主槽的冲淤。一期及完善段工程，在坝田淤积的同时，主槽冲刷，二者相抵，总容积基本不变，主槽河槽断面趋于窄深。而从2002年2月起至2006年11月统计得坝田淤积2.9亿m3，与中水河槽容积的减少量2.8亿m3相当，表明主槽容积不再增加。

图3 北槽中水河槽容积历年变化

分沙比与分流比同步减小，二者的比值稳定在0.98左右，变幅不大。

2.2 北槽河槽性质转化的可能性分析

对一条潮汐水道，其保持稳定或发展的基本条件是：在一个代表性水文年内，平均的潮周期内净输沙指向下游，且下口的净输沙≥上口来沙量，即习惯所说的要有一定的落潮流输沙优势。

记北槽落潮流分沙比与涨潮流分沙比为：

式中：We，N和 We，S为北槽（N）和南槽（S）的落潮流输沙量（e代表落潮）；Wf，N和 Wf，S为北槽（N）和南槽（S）的涨潮流输沙量（f代表涨潮）。

故北槽的落潮流输沙量与涨潮流输沙量之比（简称“落涨比”）为：

对河口下段，南北槽合计的落潮比（式（2）右端），可以认为是与一汊整治关系不大的略大于1的数，所以可用“落涨分沙比之比”λe，N/λf，N近似代表“落涨比”，即河槽性质的变化。

图4为北槽下断面（分流比测验断面中的下断面）λe，N/λf，N的逐年变化。由图可知，一期工程整治建筑物使落潮流输沙优势一度下降至1.4左右，完善段工程使这一优势提升至1.7以上。但随着二期整治建筑物的修建，北槽落潮流输沙优势大幅降低至1.2～1.15，且仍有下降趋势。表明北槽河槽性质已从明显的落潮槽向涨、落潮输沙均势转变。

图4 北槽下断面落涨分沙比的比值的逐年变化

图5给出了南槽的落潮流分沙比与涨潮流分沙比的比值的逐年变化。可知，南槽在长江口二期工程前还是涨潮流输沙占优势，二期之后也趋向涨、落潮输沙均势。

图5 南槽落潮分沙比/涨潮分沙比逐年变化

如前所述，可以将北槽落涨分沙比的比值 λe，N/λf，N≈1近似代表河性转化的临界点。由实测资料统计发现，一期工程实施以来，北槽的涨潮流分沙比λf，N稳定少变，约为0.36（图6）。

图6 北槽涨潮流分沙比逐年变化

因此，对北槽，可将落潮流分沙比λe，N=0.36作为河性转化的阈值。一期工程后，北槽的落潮分流比与落潮分沙比基本相等 （比值 λe，N/λf，N≈0.98），所以，也可以将北槽落潮流分流比≈0.36作为河性转化的阈值。

北槽河性在三期减淤工程后继续退化，使流域来沙更不易输送出海，同时海域来沙和台风骤淤对深水航道的影响加大，这也可能是三期减淤工程后北槽航道回淤集中区段上移的重要原因。

3 工程后北槽平面形态及水动力纵向分布的合理性分析

3.1 北槽工程后平面形态及水动力纵向分布的合理性分析

据前，天然平衡的潮汐水道，其平面形态符合按指数关系向下游放宽，且单宽输沙率沿程基本不变。因此，设计一条潮汐河道的合理平面形态，应使水流动力、含沙量、水深沿纵向基本上均匀分布。

工程前，受横沙东滩串沟、江亚北槽、九段沙串沟等分、汇流影响，北槽潮量的沿程分布很不均匀。一期工程消弱了北槽上段与北港和南槽经由串沟的水沙交换，使潮量的沿程分布减少了大的起伏，但中段潮量较大；二期工程后，串沟的横向水沙交换进一步被拦截，潮量的沿程分布向下游单调增加，趋于合理（图7）。总体说来，潮量的向下游递增，也与河宽向下游逐步放宽相一致，但是否符合合理的放宽率要求，还需进一步从水动力等的沿程分布是否基本均匀去判断。

图7 北槽整治前后落潮潮量沿程分布

上海河口海岸研究中心提出用北槽槽中1 600 m范围落潮潮量来近似代表主槽落潮单宽流量即水流动力。比较情况见图8、图9。

图8 一、二期工程前后北槽主槽（1 600 m）落潮潮量沿程变化

由图8可知，一期工程前，槽中1 600 m落潮潮量沿程分布很不均匀，横向的分、汇流造成落潮潮量纵向分布出现明显的谷和峰。一期和完善段工程后，上述谷和峰趋于均匀，但中段W3以下水动力沿程递降的状况未有改善，这与北槽下段河槽边界尚未控制有关。二期工程后，主槽落潮潮量沿程分布大幅度起伏的情况明显得到改善，但S2N2以下出现了沿程递增的趋势，说明工程对流场的调整仍不理想。应考虑适当缩短部分丁坝长度，减少北槽河床阻力，又使主槽单宽流量沿程分布进一步趋于均衡，但三期减淤工程后，主槽落潮潮量的纵向分布又出现大的起伏。

3.2 放宽率调整对水流动力沿程分布的影响

放宽率外形的形成依靠一系列丁坝。以丁坝头连线构成北槽的导治线，以导治线间距代表河宽来计算放宽率。

北槽丁坝坝头水深0 m，导治线宽度B的变化按式（1），可写成：

式中：α为放宽率，1/m。

不同的放宽率，主槽流速调整结果不同。以一期工程后的流场作为本底，得到不同放宽率条件下，北槽主槽落急流速的变化即图10所示的关系。

上述结果表明，在一期及完善段工程形成的流场基础上，进一步修建丁坝，北槽上段，随着放宽率的减小，主槽落急流速减小而下段主槽落急流速增大。因此，潮汐河道的放宽率对流场的总体分布状态而言是敏感因子，其对北槽主槽单宽潮量和流速的调整，在北槽的上、下段是不同的。二期丁坝，使北槽导治线放宽率减小过多，三期减淤工程则放弃了设计合理放宽率的要求。

图10 北槽主槽落急流速与放宽率关系

4 整治工程对北槽地形、水动力和含沙量分布的调整

4.1 整治工程对北槽地形的调整

地形的调整主要反映为主槽容积、断面形态（宽深比）和滩槽高差的变化。从航道减淤的角度，要求宽深比和滩槽高差较小，以形成上下贯通、覆盖航槽，有一定宽深尺度的自然深泓。

4.1.1 河槽容积、宽深比

河槽容积，取两种指标：从河相关系的角度，取中水河槽容积；从航道滩槽关系角度，取-5 m以下河槽容积。

前述图3表示中水河槽容积在二期工程期间减少了2.8亿m3，约减9%，低于同期北槽落潮分流比的减幅（上断面减14%，下断面减10%），表明二期工程后北槽的造床动力总体上趋于减弱。

2004年2月以前，-5 m以下容积基本保持不变；之后，北槽上段（W3以上）容积减少，下段（W3以下）容积增加，与前述图7相一致。平均水深和断面宽深比变化见表2。从一、二期工程总的治理效果来看，一期丁坝上游段（以B10为代表），宽深比有所加大，平均水深减小；一期丁坝段（以B25为代表），整治前为拦门沙滩顶所在河段，工程使滩顶高程明显降低，河段平均水深明显增加，宽深比降低且趋于与上下游相接近；北槽中段（W3前后，以B40为代表），河段平均水深和宽深比均有所改善；北槽下段（以B55为代表），平均水深明显增深，宽深比显著减小。

表2 工程前和二期工程后北槽平均水深和宽深比变化[11]

上述一期丁坝上游段在整治工程后平均水深减小、宽深比加大，与南港下段和瑞丰沙冲刷下移泥沙在北槽上口淤积有关。

2008—2009年实施的三期减淤工程并未实现进一步减少宽深比的要求，见表3。

可知，-5 m以下河槽断面，宽深比基本未有改善，而与航道回淤关系最为密切的-8 m以下主槽断面，则宽深比向相对宽浅逆转，对航道维护甚为不利。

4.1.2 等深线间距与滩槽高差

二期工程以来，航道外-8 m线宽度的变化见图11。

表3 三期减淤工程前后宽深比变化

图11 二期工程后-8 m线沿航道底边线的分布

图11 显示：-8 m线在北槽下段展宽明显，滩槽高差较小，而中段（G—J）间距最小，滩槽高差最大；2008—2009年实施加长丁坝的减淤工程后（2009-05），上段北侧-8 m线北移改善，但下段（J—S）-8 m线未有展宽，且南侧-8 m线更加贴近航道，滩槽高差明显增大。航道轴线明显偏离-8 m自然深泓线走向。

4.2 工程前后北槽水动力及含沙量分布变化

北槽整治前，以旋转流为主，一期工程后转变为往复流。

完善段工程后（2002），北槽沿航道摩阻流速峰值的沿程分布见图12。可知，落潮流动力（摩阻流速），北槽中段（Cs2—Cs4）较高，尤其在Cs3附近。

图12 完善段工程后，北槽涨、落急垂线平均流速和涨、落急峰值摩阻流速分布

二期整治建筑物建成后，中段摩阻流速亦较高（图13）。

图13 2004-05（大潮）北槽主槽峰值摩阻流速沿程变化

摩阻流速或床面水流切应力τb是表征水流动力的确切指标。摩阻流速的大小直接影响床面泥沙再悬浮的强度，因此对含沙量及其垂线分布形态产生明显影响，图14为二期工程后（2007-08） 水文测验得到的垂线平均含沙量沿程分布和近底含沙量的沿程分布，可以看出它们与摩阻流速分布之间有明显的相应性。

图14 2007-08北槽垂线平均含沙量和近底含沙量沿程分布

2009年2月—4月实施加长丁坝的减淤工程后，北槽航道轴线的涨、落急流速与减淤工程前（本底）相比（图15），航道中段（W3前后），落急流速Ve，o大幅增加（增量达0.4 m/s），涨急流速Vf，o也有一定增加。含沙量的纵向变化，北槽中段涨潮平均含沙量Sf较高，而落潮含沙量高值段下移（图16）。

图15 2009年减淤工程前后北槽涨、落急流速沿程分布

图16 2009年北槽大潮垂线平均含沙量沿程分布

4.3 北槽涨、落潮输沙量的沿程分布

二期工程后，北槽涨、落潮输沙量的沿程分布，是流速、水深和泥沙的再悬浮等综合作用的结果，图17为2007年8月的北槽纵向各垂线涨、落潮输沙量和全潮净输沙分布。

图17 2007-08实测北槽各垂线涨、落潮输沙量及全潮净输沙量

可知中段（Cs6—Cs3）具有显著为高的涨潮及落潮输沙能力，这是由于该区段具有较大的摩阻流速、活跃的再悬浮导致较高的含沙量特别是近底含沙量的缘故。高输沙率区段，航槽能获得更为丰富的回淤泥沙来源。从这个角度讲，整治工程不希望出现局部很高的流速和输沙量。

图17还显示全潮净输沙量的沿程分布基本均匀，即净单宽输沙率Δqs沿程不变。表明二期工程后地形较快调整达到了基本平衡，即出现了沿程分布均匀的指向下游的平衡输沙量。因此人为增大落潮输沙能力的同时涨潮输沙亦将增加。

4.4 近底泥沙运动

4.4.1 近底含沙量的现场观测和近底高含沙量生成机理

利用三角架近底边界层水沙观测系统（一般由光学后向散射仪（OBS）、声学多普勒流速仪（ADV、PCADV）、浪潮仪等组成）获取现场距底1 m以内的水沙运动过程和床面冲淤过程。在中段航道两侧，进行了包括洪、枯季的3次观测[7，12]。

测验结果表明：

1） 落潮流速＞涨潮流速；小潮近底流速一般＜0.4 m/s（枯季）、0.5 m/s（洪季）。

2） 大于10 kg/m3的近底含沙量，均出现在小潮涨潮后期流速较小时，最大含沙量超过20 kg/m3。

3） 近底高含沙量一般在涨憩时段出现，持续到落急时刻结束，持续时间达4～5 h。

4）涨潮流转落潮流期间（涨憩时段），床面淤积达3～5 cm；涨、落急时段冲刷。

5） 近底水流紊动强度和床面水流切应力τb均洪季高于枯季。

床面水流切应力与近底含沙量的关系，可归纳为三类[7]：

1） 高底切力引起近底高含沙量。当τb＞0.4 N/m2时，床面泥沙起动，引起底床泥沙再悬浮，此种情况形成的近底沙峰一般为4～8 kg/m3。

2） 高底切力未引起近底高含沙量。可能与底部床面活动层已经悬浮有关。

3） 低底切力相当于高含沙量。此时底切力τb往往小于0.3 N/m2。但近底含沙量出现高的峰值，一般可达15 kg/m3以上，系泥沙沉降所致。

近底高含沙量生成机理可概括如下：

长江口北槽中段，水流动力较强。强紊动的出现使床面泥沙大量悬扬，形成向上的泥沙净通量。泥沙的再悬浮，加大泥沙浓度的垂向梯度，造成“层化”。层化对紊动的抑制（“层化制紊”），限制了泥沙向上的紊动扩散，导致泥沙的沉降并聚集形成近底高浓度泥沙层。这种过程在涨憩时段尤为明显。同时，较长的憩流时段又使这种效应有充足的时间得以维持[10]。

因此可以说，高床面切力引起的强再悬浮和后续低床面切力阶段泥沙沉降形成的高浓度近底含沙量，是造成北槽中段航道集中回淤的重要原因[7]。

4.4.2 近底泥沙输运

根据上述近底水沙观测可进一步计算近底余流和余沙（净输沙）。计算结果表明：

1）航道弯段上游，余流及净输沙顺向平行指向下游。

2） 弯段及下游，净输沙大部指向航道，说明近底高含沙水体有向航道汇聚的趋势；部分指向滩地，使滩地抬高，亦对航道减淤不利。

综上所述，根据近底泥沙运动的观测、分析，从航道减淤要求，可形成如下主要认识：

1） 根据中段近底高浓度水体形成机理的分析，可认为过份加大该段水动力对减淤不一定有利；

2） 局部流场的调整，需尽量消除涨、落潮主流流路的不一致，以缩短憩流时段；

3） 流场调整还应注意削弱指向航槽的净输沙，使净输沙方向尽可能平行航道并指向下游。

上述认识可为利用数、物模进行方案比选提供评价依据。

5 长江口北槽深水航道的回淤状况

长江口深水航道治理工程的航道疏浚及维护状况，分期列于表4及表5。

表4 航道疏浚情况

表5 一期航道维护情况

由表4和表5可知，一期疏浚工程（1999-07-15—2000-03-22） 阶段，施工期回淤强度93.1万m3/月，这远低于建成后的维护强度150.9万m3/月（以2001年为例为），二者之比为1.62。主要是由于基建疏浚强度相对较高（388.12万m3/月）、扰动减淤效应明显。另一个特点是回淤强度沿程分布基本均匀。

二期疏浚工程（2004-01—12；2005-03交工验收） 阶段，2005、2006、2007、2008年回淤量逐年由3 500万m3增至5 000万m3左右，说明二期丁坝布置不尽合理，同时也与主槽内大量抛泥有关。另一个显著特点是回淤量分布不均匀，中段回淤量占回淤总量的70%以上。

三期工程于2006年9月30日开工，由于施工期回淤严重，实施了减淤工程。减淤工程采用了加长丁坝的方案（表2），2009年2—4月施工完毕。2009年以高强度疏浚取得较高的成槽率。2010年3月达到12.5 m全槽贯通，通过交工验收。

统计表明，2009年施工期回淤量5 228万m3。综合考虑施工强度和基础水深，可认为减淤工程的实际效果不明显；三期航道按12.5 m挖通后，2010年实际年维护量达到7 000万m3以上。同时，回淤量沿程分布严重不均的情况改善不多，重点回淤区段有上移趋势。

6 结语

1）保持北槽落潮流输沙优势是北槽整治的基本要求。北槽从落潮槽向涨潮槽转化的阈值为落潮分沙比或分流比36%；三期减淤工程，进一步加大了北槽河槽阻力，使北槽落潮分流比和分沙比出现第三次下降过程，目前的分流比已接近河性转化的临界点。为确保北槽河势安全，应研究减少北槽河槽阻力，使落潮分流比有所恢复。

2） 河道自然演变具有使水流能耗或河床活动性最小的普遍规律。因此，潮汐河道有平面上向下游逐渐放宽，使单宽输沙率沿程保持基本不变的自然特性。整治工程应力争做到水动力和含沙量沿程均匀分布。三期减淤工程含沙量和单宽输沙率沿程分布的不均匀程度增大，是造成减淤效果不明显的重要原因。

3） 三期工程的疏浚施工状况表明，减淤工程并未取得预期的航道减淤效果；涨潮输沙影响加大使重点回淤区段有所上移，回淤量沿程集中分布的状况亦未明显改善。进一步研究有效的减淤工程措施是必要的。

4） 工程后，河床发生调整，很快达到新的平衡断面形态，纵向净输沙沿程不变。因此，加大局部区段的落潮流输沙动力，必然伴随涨潮流输沙的同步增加，在某种情况下，还将使区段平衡水深减小，滩槽高差加大。这些，均对航道减淤不利。

5） 近底高浓度含沙水体和指向航道的净输沙，是回淤集中分布的重要原因。为消除回淤量高度集中的状况，应进一步调整流场，减少涨落潮流路分歧，缩短憩流时段。

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