东流水道维护疏浚方案分析

陶桂兰，姚祎雯，吴腾，束梁，崔长会

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.长江南京航道工程局，南京210011）

东流水道维护疏浚方案分析

陶桂兰1，姚祎雯1，吴腾1，束梁2，崔长会2

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.长江南京航道工程局，南京210011）

近年来，东港冲刷发展，枯水期分流比逐年增大，相应西港分流比减少，西港航道航行条件恶化，对过往船舶的航行安全造成不利影响。为了分析东流西港航道的演变趋势，确定合理的航道维护方案，确保东流水道的畅通，文章建立河道二维水沙数学模型，并采用实测资料进行验证，在此基础上分析了东流水道维护方案的效果。结果表明：当西港航道进行维护性疏浚时，西港航道的通航条件得到了改善，但维护性疏浚停止后，西港航道仍会发生明显的淤积，影响西港枯水期的通航条件。建议尽早安排对东流水道东港航道进口段浅点和礁石进行定点清除，适时开通东港航槽，以满足长江航道通航要求。

数学模型；西港航道；维护疏浚；东流水道

东流水道是长江下游重点碍航浅滩水道之一，近年来，东港冲刷发展，枯水期分流比逐年增大，相应西港分流比不断减少，老虎滩左侧主航槽淤浅，滩尾累积性淤积下延，挤压西港，枯水航道尺度减小，严重威胁东流水道的畅通［1-2］。2013年8月，由于长江中上游带来大量泥沙，加之长江水位快速下降和浅滩下移的剧烈变化，东流水道水位半个月内下降近1.5 m，并呈现连续下降趋势，西港航道航行条件恶化，对过往船舶的航行安全造成威胁，必须进行疏浚清淤以改善航道条件［3］。为了解东流西港航道演变趋势，研究合理的维护疏浚措施，确保东流水道的畅通，本文建立河道二维水沙运动数学模型［4-5］，对东流水道的淤积趋势进行研究，并对航道的疏浚维护方案进行优化分析。

1 东流水道航道形势

图1东流水道河势图Fig.1River regime of Dongliu Waterway

长江下游东流水道上起江西省华阳河口，下迄安徽省吉阳矶，全长约31 km。该水道属顺直分汊河型，其进出口段河宽较小，河道单一；中段自上而下老虎滩、天沙洲、玉带洲、棉花洲等滩群并存，以玉带洲连接棉花洲组成的大片低滩带状滩群形体最大，老虎滩滩体次之。枯水时河道分为四汊，从左到右依次为莲花洲港、天玉串沟、西港、东港，东流水道河势图见图1。一般情况下，莲花洲港为汛期主汊，西港为枯季主汊，东港为支汊。随上游来水来沙冲淤和运移变化，各汊道出现往复兴衰现象,使主航道位置随之在西港和莲花洲港之间不断调整变化［6-8］。上游来水较大时，流向取直，在莲花洲港进口和西港进口，往往会产生泥沙淤积。来水流量越大，含沙量越高，淤积的泥沙就越多；汛后水位降落，水流归槽时发生冲刷，西港和莲花洲港进口均呈现“洪淤枯冲”和枯水航道不畅、过渡段航槽位置经常变更的特征，导致东流水道水沙条件平面多变，汊道分流彼此消长。

1.1东港航道条件

根据近年来的测图分析，随着老虎滩前沿低滩的冲刷后退，东港逐年冲刷发展，枯水分流比呈增大趋势。至2010年11月、2013年1月东港枯水分流比分别达到40%和43%左右，与此同时，西港枯水分流比则逐年减小，分别为15%和9.7%左右。东港5 m、10 m深槽在不断扩大，除个别零星暗沙浅点外，2010年、2013年、2014年5 m水深等值线在深槽处均全线贯通，进口水深等值线的宽度也在同步增加。

1.2老虎滩北槽航道条件

老虎滩北槽近几年呈淤积趋势，2010年汛后主槽平均淤积深度3.5 m，在1＃、2＃丁坝与老虎滩之间5 m水深等值线发生中断。2010年5 m水深等值线中断750 m，2013年与莲花洲港深槽中断约1 500 m，2014年5 m水深等值线老虎滩北槽与西港过渡段的连接完全中断，通航条件十分不利。

1.3西港航道条件

西港位于老虎滩尾部和天沙洲之间，其走向与洪水流向的夹角相对较大，河床难以长期稳定。1998年、1999年长江大水过后，西港一直处于发展阶段，2003年～2006年5 m水深等值线槽宽度达到200～300 m，枯水期航道条件相对较好。但从2006年以后，因东港分流比的增大和老虎滩尾部的下移，西港枯水分流比逐年减少，航槽不断出现淤积缩窄现象。2010年4月西港5 m水深等值线最小宽度减为130 m，4 m水深等值线宽度减小为230 m。汛期西港淤积更为严重，2010年8月西港5 m水深等值线断开，4 m水深等值线最小宽度进一步缩窄至120 m左右，汛后退水期浅区冲刷，并实施了挖槽疏浚，但11月份水位下降至航行基面上3.2 m左右时，西港5 m水深等值线宽度仅50 m。2013年、2014年西港航道5 m水深等值线则完全断开。

东流水道5 m水深等值线的平面变化见图2。

图2东流水道5 m水深等值线比较图Fig.2Comparison of water depth contour of 5 m in Dongliu Waterway

2 数学模型的建立与验证

2.1数学模型

（23）南溪苔 Makinoa crispata （Steph.）Miyake，Bot. 赵 文 浪 等 （2002）； 李 粉 霞 等 （2011）； 洪 文（2007，2008）；姚发兴等（2003）；余夏君等（2018）

水流连续方程

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为水深；H为水位；f为科氏系数；Cξ、Cη为正交曲线坐标系中的拉梅系数；σξξ、σξη、σηξ、σηη为紊动应力。

对于非均匀悬移质中的含沙量，二维悬移质不平衡输沙基本方程为

式中：S*L为第L组泥沙的挟沙能力；ωL为第L组泥沙的沉速；αL为第L组泥沙的含沙量恢复饱和系数。

二维推移质不平衡输移基本方程为

2.2验证条件

验证计算以长江航道局2010年4月实测地形为起始计算地形，计算流量采用平滩流量，上游流量38 895 m3/s，下游水位10.99 m。

平面二维数模计算网格采用河势贴体正交曲线网格形式，网格数为250×80，水流方向网格间距100～130 m，垂直水流方向网格间距10～30 m。计算河段内的糙率由实测水文资料反求，并根据局部地形，按单元分块调试。为了体现不同流量、边界位置的变化，采用“切削”技术，即将露出单元的河床高程“切削”降至水面以下，并预留薄水层水深，同时更改其单元的糙率（n取10的量级），使得露出单元u、v计算值自动为0，以保证数模计算的连续和正常进行。

2.3水面线的验证

图3和图4分别为东流水道左侧和右侧沿程水位变化，可以看出计算值与实测值较为接近，其最大差值在10 cm内，模型的阻力能反映原型的变化。

2.4断面流速分布验证

图5为不同计算河段内典型断面的垂线平均流速分布验证成果。由图5可以看出，计算断面流速分布与实测情况基本一致。

2.5河床变形验证

数模验证计算了2013年10月～2014年2月研究河段的冲淤分布，图6为河床冲淤分布验证断面位置，图7分别给出了1#～4#典型断面河底高程计算值与实测值的比较。由图可见，本模型能较好地模拟河床冲淤变化。

图3左侧沿程水位变化Fig.3Water level changes along the left side of the waterway

图4右侧沿程水位变化Fig.4Water level changes along the right side of the waterway

3 疏浚方案比较分析

3.1计算工况

图8为航道维护的3种布置方案，工况一：仅航道进行维护疏浚；工况二：同时进行航道维护疏浚以及航道右侧开槽，挖槽宽度约70 m，长度约1 400 m；工况三：航道维护疏浚条件下，封堵天玉串沟，封堵天玉串沟丁坝高程为5 m。航道所需的维护水深如表1所示。

3.2计算条件

地形资料为：采用研究区域最新的地形资料，大范围为2014年2月实测地形图，东流水道西港采用2014年7月实测地形数据。数值计算采用的水文资料为：2013年8月～2014年5月的水位、流量、含沙量，以预测2014年8月～2015年5月的航道变化情况。

3.3计算结果

图5断面流速分布Fig.5Velocity distribution of typical section

图6河床冲淤分布验证断面位置图Fig.6Location of sections for verifying the distribution of erosion and deposition

图7沿程1#～4#断面河底高程计算值和实测值对比Fig.7Comparison between calculated and measured value of riverbed elevation at 1#～4#section

图8航道维护布置方案Fig.8Layout scheme of waterway maintenance

当航道进行维护性疏浚时，维护水深按照不同月份选取不同数值，本次计算采用2013年的实际维护水深（表1）。表2为西港航道各月维护性疏浚量，表2中工况一9月份、10月份的疏浚量最大，次年2月份～5月份航道基本不疏浚，总共10个月的预计疏浚量为73.40万m3。工况二在主航道旁侧开槽，拦截了部分泥沙直接进入西港航道，整体维护疏浚量为65.39万m3，平均疏浚厚度为1.32 m，较工况一中单纯的航道维护疏浚量减少8.01万m3，航道平均减淤厚度为0.16 m。由于老虎滩尾部和天沙洲头部间的航道淤积较为严重，故工况三考虑修建整治建筑物，减少天玉串沟间的过流量，增大天沙洲右侧的过流量。由工况三结果可知，丁坝修建后，西港主流位于天沙洲右侧，对于老虎滩尾部和天沙洲头部的淤积有较为明显的改善，但对天沙洲上游航道淤积无明显改善。该工况下，航道维护性疏浚量为68.79万m3，平均疏浚厚度为1.38 m。3种工况西港航道的维护疏浚量差别不大，工况二淤积量较少。图9为预测至2015年5月份的不同工况下西港航道地形图，由图9可以看出，虽然西港航道每月均进行维护性疏浚，但疏浚后西港航道仍产生较大的淤积，影响西港航道的通航。

表1东流水道维护实际水深Tab.1Maintenance actual depth of Dongliu Waterway

图9不同计算工况下西港航道地形图Fig.9Topographical map of Xigang channel under different calculated conditions

表2各工况维护疏浚量Tab.2Maintenance dredging quantity under different calculated conditions万m3

4 结论与建议

长江东流西港航道进行维护性疏浚时，西港航道的通航条件得到了改善，但维护性疏浚停止后，西港航道仍会发生明显的淤积，影响西港枯水期的通航条件，尤其是在老虎滩的尾部与天沙洲之间，只有在东港分流比得到控制并有所减小的情况下，西港航道条件才可能有所好转。而目前在安庆水位高于7.5 m的情况下，东港航道基本能够保证航道维护水深7.0 m，航宽200 m，满足洪水期双向通航要求。只是由于进口段疑似礁石浅点的存在，对枯水期航道尺度有较大影响，因此，建议在枯水期前，尽早安排对东港进口段浅点和礁石进行定点清除，适时开通东港航槽，以满足东流水道的畅通。

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Analysis of maintenance dredging scheme for Dongliu Waterway

TAO Gui⁃lan1，YAO Yi⁃wen1，WU Teng1，SHU Liang2，CUI Chang⁃hui2
（1.College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Changjiang Nanjing Waterway Engineering Bureau，Nanjing 210011，China）

In recent years,because of the continuous scour in Donggang channel,the water diversion ratio of the Donggang Channel in Dougliu Waterway in low⁃water seasons has increased year by year,and that of the Xigang Channel has decreased accordingly,so that the navigation conditions of Xigang channel have began to deteriorate, that have adverse effects on the navigation safety for passing ships.In order to analyze the evolution trend of the Xi⁃gang Channel,determine a reasonable maintenance scheme for the channel，keep Dongliu waterway clear,a two⁃di⁃mensional mathematics model of channel water and sediment was built,which has been validated by measured data. Based on the model,the effects of Dongliu Waterway maintenance scheme have been analyzed.The result show that:When the maintenance dredging proceeds in the Xigang Channel,the navigation conditions will be improved, but still deposit obviously after the maintenance dredging stopped,this will affect the navigation conditions of the Xigang Channel in low⁃water seasons.Therefore,it is suggested that the targeted elimination of shoal and rocks at the inlet section of the Donggang Channel in Dougliu Waterway should be arranged as soon as possible,and the Donggang lane should be opened timely to meet the requirements of navigation in Yangtze River navigation.

mathematical model;Xigang Channel;maintenance dredging;Dongliu Waterway

U617；O242.1

A

1005-8443（2015）04-0323-06

2014-12-12；

2015-05-08

陶桂兰（1962-），女，江苏省南通人，博士，副教授，主要从事港口航道工程研究。

Biography：TAO Gui⁃lan（1962-），female，associate professor.