通州沙河段西水道航道疏浚尺度选择研究

倪兵，何瑞，张玮

（1.安徽省交通科学研究院，合肥210040；2.河海大学土木大禹班，南京210098；3.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

通州沙河段西水道航道疏浚尺度选择研究

倪兵1，何瑞2，张玮3

（1.安徽省交通科学研究院，合肥210040；2.河海大学土木大禹班，南京210098；3.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

通州沙河道分为东西两水道，是长江下游典型的分汊河道。东水道岸线资源利用几近饱和，拟通过疏浚等工程措施开发西水道以增加深水岸线资源，需研究西水道疏浚尺度。首先计算原工程方案实施前后河道分流比；其次，研究在西水道布置单向航道的可行性，计算不同单、双向航道尺度对于西水道河槽容积和分流比的影响。研究结果表明：原工程航宽356 m方案对东水道分流比减幅较大；在工程河段布置单向航道办法可行，航宽180 m时东水道分流比减少0.5%以内，可以较好地平衡西水道开发和东水道保护的矛盾。

潮流数学模型；分汊河道整治；航道疏浚；河槽容积；分流比

通州沙西水道是张家港市境内长江河道的重要组成部分，近年来，长江主流整体上靠近通州沙东水道，西水道分流比仅在10%左右，对西水道航运发展造成制约，岸线资源无法开发利用，拟通过通州沙西水道整治工程改善西水道通航条件。由于整治工程规模大、涉及内容多、施工周期长，其实施是否会削弱通州沙东水道深水航道工程的治理效果，是否会对南通港各港区和进港航道产生负面影响，均需要经过研究后给出答案。分汊河段整治研究历来较多。张增发等分析世业洲汊道近期河床演变情况，提出世业洲汊道整治对策［1］，通过工程措施限制支汊的分流发展，进而维护主汊主流地位和主汊长江主航道航行安全。杭建国等分析长江镇扬河段河势演变，在采取抛石护岸、潜坝束流等工程治理措施后，改善了畅洲汊道变化剧烈、洲头崩退、汊道内部崩岸现象，和畅洲支汊河势趋于稳定［2］，保障了位于支汊的长江下游主航道的运营安全，通过整治开发也可以在支汊河道布置深水航道。类似整治工程多在分汊河道其中一汊开发深水航道，并对未布置航道的一汊进行限流，两汊同时开发深水岸线的研究较少，因此，对在主汊已布置深水航道、岸线开发利用趋于饱和的通州沙河段开展西水道航道开发研究具有十分重要的意义。

本文首先建立大范围一二维耦合潮流数学模型，计算原工程方案前后断面分流比，再根据5万t级散货船计算不同通航方式所需航道尺度，通过系列性的对比来分析航道尺度对于工程河段河槽容积和汊道分流比的影响情况，研究结果可为类似长江下游分汊河段整治提供参考。

1 河段概况

通州沙河段位于长江澄通河道下段，上起西界港，接南通水道，下至徐六泾，连徐六泾节点河道，河段总长约39 km。地处长江河口潮流界以下，受上游径流的影响和长江口潮流上溯双重作用，水动力条件复杂。河道形态为暗沙型分汊河道，江中通州沙、狼山沙、新开沙等沙体发育，将河道分为东、西两大主要泄水通道。长江主流出浏海沙水道，贴南岸而下由南通水道进入通州沙东水道。通州沙水道与上下游形成一个“S”型弯道，东西水道长度相差不大，上游主流由向东转向东南进入通州沙东水道，下游则由东南向转向东进入徐六泾河段。东水道落潮分流比基本稳定在90%左右。同时，通州沙西水道成为支汊以来，由于上游进流不畅，导致西水道呈萎缩趋势［3］。

图1 耦合模型示意图Fig.1Sketch of coupling model

2 潮流数学模型简介

为尽量减小整治工程对模型边界的影响，特建立大范围潮流数学模型，模型范围上起安徽大通，下至南支杨林站、北支青龙港［4］。采用一维和二维耦合技术建立数学模型，安徽大通至江苏禄安洲洲尾河段采用一维模型，以下河段采用二维模型，模型范围见图1，模型中的地形选取2010年9月实测地形资料。

分别利用2004～2008年多次实测水文资料对一维、二维及耦合模型进行了率定，本次研究选用长江下游三沙河段2011年10月最新水文测验数据对所建模型进行参数率定和验证，计算结果与实测资料吻合较好，模型可以较好地反应河道中水流实际运动情况。

3 原工程方案分流比计算结果

3.1 工程概况

通州沙西水道整治工程平面布置详见图2，工程主要分为3个部分（以下称“原工程方案”）：南岸边滩圈围工程，共有7个围区，总长度31.57 km，沿-2.0 m等深线布置外堤线；通州沙潜堤工程，潜堤顶部高程1.0 m，总长13.132 km；西水道中上段航道疏浚工程，范围自通沙汽渡至七干河口，长约20 km，竣工底高程-15 m，航道宽度356 m，边坡1：10。

3.2 分流比计算结果

分流比是反映分汊河段兴衰变化的重要水动力学指标［5］。影响汊道分流比变化的主要因素有上游主泓的摆动、汊道形态、河道阻力和河槽容积等［6］，由于通州沙潜堤工程发挥的引流作用，上游主泓并未发生摆动。西水道整治工程将改变通州沙水道的汊道形态、汊道阻力、河槽容积等，进而改变现有河道分流情况。在进行工程前后分流比变化分析时，设置了通州沙河段的上游进口断面（任港～五干河）和下游出口断面（狼山沙东水道～狼山沙西水道～福山水道），分流比断面布置详见图3，原工程方案计算组次见表1，工程前后落潮分流比见表2，可以看出：

（1）通州沙圈围和潜堤工程实施后，东水道断面落潮分流比增加0.3%～7.4%，西水道落潮分流比相应减少。一方面，圈围工程大幅减小西水道河道容积，束窄过水断面，增加西水道断面落潮阻力；另一方面，潜堤将封堵通州沙西窜沟。从-5 m等深线可以看出（图1），潜堤工程将阻断落潮流由西水道进入东水道的通道，减少通州沙落潮漫滩流，工程后将减少西水道分流比。

图2 西水道整治工程及河槽容积统计分段示意图Fig.2Layout of regulation work and statistics subsection of volume of west channel

表1 原工程方案计算组次表Tab.1Calculation groups for original project

表2 原工程方案落潮分流比Tab.2 Ebb diversion ratio after original project implemented %

（2）航道疏浚后，东水道断面落潮分流比减少0.6%～8.0%，西水道落潮分流比相应增加。航道疏浚减少东水道分流比，且对于通州沙进口断面（任港断面）的影响很大，减幅达8.0%，势必影响通州沙河道河势稳定，进而影响东水道深水航道工程、南通港各港区和进港航道的运营安全。

图3 分流比断面布置示意图Fig.3Distribution of cross section for diversion ratio calculation

表3 满载船舶漂移倍数n和风、流压偏角γ值Tab.3Drifting multiples n and wind,current pressure deflection angle γ of fully loaded ship

表4 船舶与航道底边间的富裕宽度cTab.4Additional width c between ship and bottom edges of channel

表5 航道宽度计算结果Tab.5Channel width calculation resultsm

4 修改方案研究

4.1 不同航行方式所需航道尺度计算

原工程方案对于工程河段分流比有较大不利影响，东水道进口断面分流比减幅达8.0%，在西水道布置双向航道，虽然方便船舶航行，但由于开挖量大，对河势不利影响较大，不宜采用。研究表明，在西水道布置单向航道是可行的，单向航道的航行不便问题可通过主航道上行、西水道下行等办法予以解决。由此，本文通过计算船舶单向、双向航行方式所需不同航道尺度，通过系列性的对比研究，寻求最佳方案。

航道尺度是航道水深、航道宽度、航道弯曲半径3个尺度的合成，对通航船舶（队）的吃水和长宽尺度直接起限制作用，确定航道尺度时，需同时考虑河流的自然特性，货运量的要求及投资成本等多方面综合比较确定。考虑到本项研究的特点，这里的航道尺度更多地以航道宽度为主。以下将采用《海港总平面设计规范》推荐公式

式中：W为航道有效宽度，m；A为航迹带宽度，m A=n(Lsinγ+B)；n为船舶漂移倍数；γ为风、流压偏角，（°），采用表3中的数值；b为船舶间富裕宽度，m，取设计船宽B；c为船舶与航道底边间的富裕宽度，m，采用表4中的数值。

结合本河段潮流流速特点及出于航行安全的考虑，本文取横流V≤0.75 m/s，航速＞6 kn，代入规范推荐公式，计算得到设计船型（队）5万t级散货船航道有效宽度（表5）。另根据《内河通航标准》计算出单向（双向）航道宽度为125 m（250 m），结合模型，计算方便，采用表6所列航道尺度研究对工程河段的影响。

4.2 西水道河槽容积影响分析

综合潜堤布置和圈围工程范围考虑，将西水道分为四段，河槽容积统计分段示意图见图2，计算结果见表7，可以看出：

（1）航道疏浚将增加西水道容积。西水道为通州沙河段的支汊，自下而上水深逐渐减小，其中12.5 m深槽仅上溯至七干河附近，深槽最大宽度基本不足800 m；10 m深槽上溯至长沙河附近，深槽最大宽度不足1 km；5 m深槽上溯至农场河附近。六干河以上，水深基本小于5 m，仅局部小区段存在5～7 m的深槽。挖槽后，西水道总容积不同程度增加，且宽度选择越大，西水道容积增加越多。

表6 不同航道宽度一览表Tab.6List of different channel width

（2）西水道不同计算段航道疏浚后河槽容积增加程度相差较大，1段、2段增加较多，3段、4段则增加很少（图4）。第3段、4段疏浚后增加较少，甚至于第4段疏浚至380 m宽时，西水道相对于工程前仍为减少，航道疏浚仍未能完全抵消圈围工程引起河槽容积的减小。

图4 西水道整治工程前后河槽容积变化Fig.4Volume change of west channel before and after regulation

表7 整治工程前后西水道容积计算Tab.7Volume calculation of west channel before and after regulation

4.3 不同航道尺度分流比分析

不同航道尺度整治工程实施后，2个计算断面的分流比计算结果详见表8，由表8可知，航道疏浚对东水道分流比影响较大，以任港断面为例，当航道宽度为140 m时，落潮分流比增加1.0%；此后随着航道宽度的增加，落潮分流比不断减小，且航道尺度越大，东水道分流比减小越多；当航道宽度为380 m时，任港断面落潮分流比减幅达-6.6%，变化趋势见图5。研究结果还表明，西水道整治工程对进口断面分流比影响较大、出口断面则影响较小，影响主要集中在进口断面处。

4.4 各方案综合评价

根据上述讨论，西水道整治工程将影响工程河段原有河槽形态和潮流特性，不同航道宽度对西水道河槽容积、汊道分流比影响程度差别较大。航道尺度越大，工程后西水道河槽容积增加越多、东水道分流比减少越多。研究结果表明，航道宽度选择180 m时，西水道总河槽容积减少0.7%，改变幅度为最小；东水道进口处任港断面分流比减少最小，为0.5%，方案对东水道分流比影响已经很小。因此建议西水道疏浚工程航道宽度采用180 m单向航行的方式设计。单向航线带来的航行不便问题可以通过船舶调度予以解决，如利用分汊河段特点，规定船舶利用主航道上行，西水道下行等办法予以解决，可以较好地实现支汊开发与主汊保护双赢的目标。

图5 任港断面整治工程前后落潮分流比变化Fig.5 Ebb diversion ratio of Rengang section before and after regulation

表8 枯水浚深-15 m各工程方案落潮分流比计算结果Tab.8Ebb diversion ratio after different projects during drought period(dredging depth-15 m)

5 结论

（1）圈围和潜堤工程实施后，东水道断面落潮分流比增加0.3%～7.4%。圈围工程大幅减小西水道河道容积，束窄过水断面；潜堤将封堵通州沙西窜沟，阻断落潮流由西水道进入东水道的通道，减少通州沙落潮漫滩流，减少西水道分流比。（2）原方案航道疏浚后，东水道断面落潮分流比减少0.6%～8.0%，且对于通州沙进口断面（任港断面）的影响较大，将影响通州沙河道河势稳定，进而影响东水道深水航道工程、南通港各港区和进港航道运营安全。（3）航道疏浚将增加西水道容积，不同计算段航道疏浚后河槽容积增加程度相差较大，1段、2段增加较多，3段、4段则增加很少。（4）西水道整治工程将影响工程河段原有河槽形态和潮流特性，对东水道分流比影响较大。航道宽度选择180 m时，西水道河槽容积、东水道分流比减少幅度均最少，方案对东水道分流比影响已经很小，可以较好地达到支汊开发与主汊保护双赢的目标。

［1］张增发.长江镇扬河段世业洲汊道近期演变与整治对策［J］.中国水利，2011（4）:32-34. ZHANG Z F.Recent Evolution and regulation of branch channels of Shiye Bar in Zhenyang，Yangtze River［J］.China water conser⁃vancy，2011（4）:32-34.

［2］杭建国.长江下游和畅洲汊道整治工程研究［J］.长江科学院院报，2010（9）:6-13. HANG J G.On regulation work of Changzhou Channel and downstream Yangtze River［J］.Yangtze Scientific Academy Transaction, 2010（9）:6-13.

［3］胡凤彬，张宗德.通州沙西水道整治工程水域水文测验报告［R］.南京:河海大学，2011.

［4］张玮，陈乾阳，倪兵.通州沙西水道整治工程对通州沙河段潮流量影响研究［J］.科学技术与工程，2013（6）:1 520-1 525. ZHANG W，CHEN Q Y，NI B.On effect of regulation work on tidal discharge of Tongzhousha west channel［J］.Scientific technolo⁃gy and engineering，2013（6）:1 520-1 525.

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Study on dredging scale of Tongzhousha west channel

NI Bing1,HE Rui2,ZHANG Wei3
（1.Anhui Province Transportation Research Institute,Hefei 210040,China;2.Dayu College,Hohai University, Nanjing 210098,China;3.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098, China）

Tongzhousha is a typical branch channel in the downstream of Yangtze River.Due to the saturated usage of the waterfront resources along east channel,exploitations of deep waterfront resources in west channel were planned.It was needed to research the dredging scale of west channel.Firstly,diversion ratio of the channel before and after regulation was calculated.Secondly,the feasibility of one⁃way channel was analyzed,as well as the influ⁃ence of one⁃way and two⁃way channel scale on the channel volume and diversion ratio.Results indicate that the scheme of 356 m channel width reduces the diversion ratio of east channel significantly.The one⁃way channel scheme is feasible and the scheme of 180 m channel width reduces the diversion ratio within 0.5%,which balances the exploitation of west channel and the preservation of the east channel.

tidal current numerical model；branch channel regulation；channel dredging；channel volume；di⁃version ratio

TV 142；U 617

A

1005-8443（2014）06-0608-05

2013-10-08；

2013-11-13

倪兵（1986-），男，安徽省舒城人，硕士研究生，主要从事港口航道工程研究。

Biography：NI Bing（1986-），male，master student.