长江张家港老海坝段水动力及冲刷分析研究

张 玮，杨 松，许才广，刘 杰，钱益明

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州510220；3.长江治理工程管理处，张家港215600）

长江张家港老海坝段水动力及冲刷分析研究

张 玮1，杨 松1，许才广2，刘 杰1，钱益明3

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州510220；3.长江治理工程管理处，张家港215600）

老海坝位于浏海沙水道主流顶冲岸段，河岸稳定备受关注。文章在分析老海坝河段历史演变的基础上，利用一、二维耦合潮流数学模型，模拟计算不同水文条件及人类活动下老海坝河段的水动力特性，分析对河岸冲刷的影响。研究结果表明：（1）历史上老海坝是人工形成的节点，具有可冲性；（2）老海坝沿岸的水动力受自然条件和人类活动影响，自然条件下沿岸最大流速出现在大流量落潮条件下；（3）双涧沙工程实施后，近岸流速有减小的趋势，减小幅度在0.01～0.03 m/s；（4）老海坝近岸流速沿程增加，进口流速小，出口流速大，输沙不平衡，河床处于冲刷状态。随着河床的冲深，水沙条件将重新达到平衡。

历史演变；河床冲刷；流速；输沙平衡

老海坝位于长江澄通河段的浏海沙水道，历史演变剧烈，水沙运动复杂，是长江下游重点防护岸段。由于受长江主流顶冲，深泓逼岸，局部水深达65 m，备受关注。

对于老海坝河段的冲刷问题，多位学者开展了研究工作。陈永平［1］等人利用实测资料和潮流数学模型，分析探讨了如皋沙河段的河床演变过程以及动力机制。杜亚南［2］等人对老海坝河段进行了长期的监测分析，研究其变化规律并探索其演变趋势。陈颂伟［3］分析了如皋中汊的演变过程对老海坝近岸河床冲刷的影响。但这些研究主要集中于演变分析、动力因素探讨，并没有考虑到老海坝沿岸的水动力特性。对于老海坝河段而言，上游径流及下游潮汐都会带来近岸水动力的变化，此外附近河段人类活动的影响也不容忽略。因此，开展老海坝近岸的水动力特性研究是非常必要的。

本文在分析老海坝河段历史演变过程的基础上，建立大范围一、二维耦合潮流数学模型，针对不同的自然条件和人类活动，对老海坝河段的水流动力特性进行研究，并在此基础上分析流速变化对于河岸冲刷的影响，研究成果可为老海坝河段江堤防护决策提供参考。

图1 老海坝河段位置示意图Fig.1Geographic location of Laohaiba reach

1 河段概况

澄通河段地处长江下游河口段，上起江阴鹅鼻咀，下至徐六泾，全长87 km。老海坝河岸位于澄通河段中部右岸，属于浏海沙水道。本河段上接如皋沙汊道汇流处，下与南通河段相连，全长约7.9 km。河道进口河宽相对较宽，约3.1 km左右，出口处九龙港～十一圩逐渐缩窄，宽约1.7 km，具体详见图1。由于受长江主流顶冲，主泓逼近江岸，导致河床严重冲刷，段山港～十一圩江岸遭受不同程度冲刷而引起崩岸，其中老海坝一带较为严重。

2 河床演变分析

历史上澄通河段演变较为剧烈，特别是浏海沙水道附近，长江主流在此反复出现裁弯取直。浏海沙形成初期为段山下游江中的一菱形沙洲，后向下游淤长增大。1910～1915年，浏海沙已形成长达21.8 km的大半岛，其中沙头在段山港与南岸相接，距老海坝以下1 km离岸。1920年长江主流改走海北港沙南水道，由于水道曲率较大，水流不畅，自段山沿南岸冲出了一条通道。随着该通道的不断冲刷发展，浏海沙头被切开，南边分割出的部分为偏南沙，紧接浏海沙尾偏南一侧和偏南沙尾为登阳沙。1917年在浏海沙和偏南沙之间修建了老海坝。1920年在偏南沙和南岸之间修筑了新海坝［4］。经过多年的演变发展，至1948年，浏海沙、偏南沙和登阳沙已连成一片与南岸相连，如图2所示。

由于长江主流顶冲，造成段山港至十一圩港江岸大幅向后崩退，1924～1969年间，老海坝江岸最大崩退宽度达3.8 km，原沙洲县的茅竹镇、新桥镇、南兴镇等七个集镇全部坍入江中，坍失农田3.6万亩。20世纪70年代初以来，在老海坝至九龙港一带共修建丁坝11座以及新建护岸工程，基本稳定了这一带江岸的河势。但进入20世纪90年代，长江大流量出现频次增多，九龙港以下江岸线冲刷严重，等高线普遍右移。

因此，老海坝河岸是近百年来人们在自然形成的江心滩上围垦所形成的人工节点，沿岸的大部分陆域都是江中散沙淤积而成，其土质抗冲性较差。由于该河道边界及水流动力条件复杂，按照河流自身的发展规律，老海坝近岸河床仍有进一步冲刷后退的可能。

图2 浏海沙水道历史演变图［4］Fig.2Historical evolution of Liuhai shoal waterway

3 模型建立

考虑到该河段位于长江口潮流区，受上游径流和下游潮汐的共同作用，动力条件复杂［5］。为尽量使得模型只受单个动力因素作用，特建立大范围径流-潮流数学模型，模型范围上起安徽大通，下至南支杨林、北支青龙港。采用一维和二维耦合技术建立数学模型，安徽大通至江阴芦埠港河段采用一维模型，以下河段采用二维模型。

3.1基本控制方程

在一维潮流数学模型中，采用Saint-Venant方程组作为控制方程，其连续方程和运动方程可以表示为

式中：x和t分别为距离和时间的坐标；A为过水断面面积；Q为流量；h为水位；q为旁侧入流的流量；C为谢才系数；R为水力半径；α为动量校正系数；g为重力加速度。

在二维潮流数学模型中，连续方程为

运动方程为

式中：x,y为笛卡尔坐标；t为时间变量；η为水位；h为总水深，且有h=d+η，d为静水深；uˉ、vˉ为x,y方向深度平均速度；τbx、τby为x,y方向底部应力；ρ0为水的密度；f为科氏力系数，且f=2Ωsinψ；g为当地重力加速度；Txx、Tyy、Txy为水平粘滞应力项。

3.2模型概况

一维模型从大通站至江阴芦埠港全长412.5km，二维模型从江阴芦埠港至长江口，模型全长约135.8 km，模型共有75 172个网格，最小网格尺度为50 m，以保证计算精度。

3.3模型验证

为使所建立的潮流数学模型能较好地模拟实际水流的运动情况，需对模型进行率定和验证，确定其中的计算参数。以往曾分别利用2004～2008年多次实测水文资料对该模型进行率定［6］，本次研究中选用长江下游三沙河段2010年7月（对应大通流量为57 500 m3/s）进行的水文测验数据进行验证。经验证，计算结果与实测结果吻合较好。

4 老海坝河段水动力特性分析

4.1洪、枯季最大流速沿程分布图

图3和图4为洪季（对应大通平均流峰流量57 500 m3/s）和枯季（对应大通枯季平均流量16 800 m3/s）两种水流条件下，涨落潮期间老海坝河段最大流速沿程分布图。图中可以看出，九龙港～十一圩一带的最大流速相对周边流速较大，特别是近岸流速达到最大。洪季近岸最大流速为2.4 m/s，枯季则为1.6 m/s。

图3 洪季最大流速分布图Fig.3The maximum velocity distribution in flood season

图4 枯季最大流速分布图Fig.4The maximum velocity distribution in dry season

4.2径流量对流速影响分析

为了研究上游径流对沿岸流速的影响，模型选取上游径流条件在10 000～80 000 m3/s之间以及98大洪水（对应大通流量85 000 m3/s）共9种水流条件分别计算。表1为不同径流量时，九龙港测点处大潮条件下的涨、落潮最大流速和平均流速的计算结果，结果表明：随着上游大通流量的增加，九龙港处的落潮最大流速和平均流速也相应增大；而涨潮最大流速和平均流速却随着上游流量的增加而减小，特别是在流量为80 000 m3/s时，涨潮流速已基本为零。可见，随着上游径流增加，近岸落潮流速也相应增加，但涨潮流速则逐渐减少。

就涨、落潮影响来看，上游流量为10 000 m3/s时，由于径流动力相对较弱，导致近岸的落潮流速小于涨潮流速。当上游径流在20 000 m3/s以上时，落潮流速均大于涨潮流速。以上游流量为50 000 m3/s为例，落急流速为2.13 m/s，涨急流速为0.66 m/s，两者相差1.47 m/s。考虑到上游大通多年平均流量为28 204 m3/s，因此，本河段的落潮流速占主导地位，对于河床冲刷起主导作用。

表1 大潮条件下九龙港处涨、落潮流速计算结果Tab.1Calculation results of flood and ebb velocity at Jiulong port during spring tide

可见老海坝沿岸的最大流速出现在大流量落潮条件下，特别是1998年大洪水条件下，九龙港处的最大流速可达到2.84 m/s。

4.3不同潮差对流速影响分析

表2为洪季不同潮型条件（对应大通流量为57 500 m3/s）下，老海坝沿岸各测点的落潮流速计算结果，结果表明：随着下游潮型的不同，老海坝沿岸不同位置的水动力特性也不相同。

表2 洪季大小潮条件下落潮流速计算结果Tab.2Calculation results of ebb velocity during spring and neap tide in flood season m/s

（1）就下游潮汐影响来说，潮差越大，落潮流速也越大，但是潮差对流速的影响要小于上游径流。以九龙港测点为例，洪季大潮时的落潮流速为2.28 m/s，小潮则为1.92 m/s，大潮较小潮增大了18.75％。而根据表2可知，当上游径流从50 000 m3/s增加到85 000 m3/s时，对应的落潮流速从2.13 m/s增加到2.84 m/s，变化率达到33.33％。可见，潮差对沿岸流速的影响要小于上游径流。

（2）就老海坝河段落潮流速的沿程变化情况来说，上游河段的落潮流速要小于下游河段，特别是九龙港～十一圩之间的流速较大。以洪季大潮为例，渡泾港～十一圩之间各测点的落潮流速分别为1.17 m/s、1.23 m/s、1.51 m/s、2.28 m/s、2.31 m/s，显然，落潮流速呈现出沿程增加的趋势。造成这种现象的主要原因一方面与河道平面形态有关，从渡泾港～十一圩港河道逐渐束窄，到十一圩港江面处仅1.7 km，两汊汇流后河段的断面收缩使得沿岸流速沿程增加；另一方面与纳潮体的大小有关，越往下游河段，其上游河道的纳潮体越大，其落潮流量也越大，从而落潮流速也就越大。

4.4人类活动对水流动力特性的影响

由于上、下游河道之间具有一定的关联性，人类活动有可能改变原来河道的水流条件，对老海坝沿岸的河势发展产生一定影响。图5为洪季大潮条件下双涧沙护滩工程实施前后落急流速变化图，图中可以看出，浏海沙水道沿程流速均有所减小，十一圩港以下基本不受影响。为了进一步说明双涧沙护滩工程的影响，选取老海坝河段5个计算点，计算洪季大潮水文条件下各点流速变化情况（表3），结果表明：双涧沙护滩工程实施后，老海坝沿岸的落急流速均有减小的趋势，其中渡泾港附近减幅在0.03 m/s左右，九龙港～十一圩之间减幅在0.01 m/s。

图5 洪季大潮条件下工程实施前后落急流速变化图Fig.5Variation of the maximum ebb velocity before and after engineering implementation during spring tide in flood season

表3 双涧沙护滩工程实施前后老海坝近岸落急流速变化表Tab.3Variation of the maximum ebb velocity near shore of Laohaiba before and after Shuangjiansha beach protection implementation m/s

老海坝河段位于如皋中汊和浏海沙水道交汇处，尽管工程实施后，如皋中汊的分流比增加了2.45％，但老海坝近岸流速并没有增加，反而有所减小。造成上述现象的主要原因在于老海坝近岸流速主要取决于浏海沙水道，工程实施后使浏海沙水道落潮流量减小了1 767 m3/s，相对于工程前减小了3.9％，详见表4。由于浏海沙水道流量下降，因而近岸流速也相应减小。可见，双涧沙工程的实施对沿岸流速有减小的趋势，并不会增加老海坝沿岸江堤的危险性，这对于沿岸江堤的防护是有利的。

表4 双涧沙护滩工程实施前后如皋沙汊道流量和分流比变化情况表Tab.4Changes of flux and diversion ratios of Rugaosha branch channel before and after Shuangjiansha beach protection implementation

5 河床冲刷分析

5.1岸滩的抗冲性

长江老海坝沿岸河床普遍深度为50 m左右，最深处达65 m，岸边局部坡比达1：1～1：1.5。河床及两岸主要为第四系松散堆积层覆盖，岸坡上层为粘性土，下层为粉质黏土和粉沙，抗冲性很差，岸线安全问题十分突出。近年来，张家港相关部门每年都对老海坝沿岸实施抛石护岸工程，虽然没有出现岸坡崩坍的情况，但是水流的冲刷作用仍然存在，且十分严重［7］。

岸坡之所以能够被冲刷，其本质是泥沙能够起动运移。国内外有关计算泥沙起动的公式众多，如以起动流速计，其主要与泥沙粒径的或次方成正比［8］。根据沙漠夫泥沙起动公式

式中：Vc为粒径为D的泥沙抗冲稳定临界流速；γs为泥沙的重度，粉砂取2.65×103kg/m3；γ0为水的重度，取1.0×103kg/m3

张家港沿岸的河床泥沙粒径为0.18～0.2 mm，在近岸深槽部位40～50 m水深条件下，按式（5）计算河床泥沙的起动流速约为由表1可知，近岸水流流速均大于泥沙的起动流速，从泥沙运动角度看，老海坝近岸河床泥沙在一个水文年内大多数时间都能起动，从而为冲刷的发生提供了条件。

5.2水动力变化对河床冲刷的影响

河床冲刷是水流与河床互相作用的结果，冲刷的发生、发展离不开水流动力及边界条件这2个基本条件，其中水流动力起着主导性、决定性的作用［9］。由图4、图5可以看出，老海坝沿岸在洪、枯季条件下近岸流速均较大，枯季最大流速为1.6 m/s，洪季最大流速可达2.4 m/s，洪季较枯季增大了50％。

河床的冲刷，主要与水流的输沙能力有关。窦国仁根据能量平衡观点于1974年提出了推移质单宽输沙率表达式。

式中：C0为无因次谢才系数；K0为综合系数，根据长江部分水文站实测资料分析，对沙质推移质，K0=0.01；对悬移质中床沙质而言，K0=0.09；Uc′为止动流速。

由式（6）可以看出：推移质输沙率gb与流速的四次方成正比，即

可见流速的大小及其变化将会对推移质输沙率有着显著的影响（图6）。图6中不难看出，流速的变化对输沙率的影响较大，特别是在流速大的地方，输沙率对流速的敏感性尤为突出。

图6 推移质输沙率与流速关系图Fig.6Relationship between bed load transport rate and velocity

为了形象地说明老海坝沿岸水流输沙能力对流速比较敏感，选取大通流量从50 000～80 000 m3/s下近岸落潮最大流速，计算对应的流速变率及输沙率变率，结果如表5。表中结果可以看出，随着上游流量的逐级增加，流速变化不是很大，但是推移质输沙率变化却相当惊人，特别是流量从50 000 m3/s增大到80 000 m3/s时，流速增加了24.41％，但输沙能力却增加了139.56％。可见径流量越大，水流的输沙能力就越强。且输沙率对流速变化非常敏感，流速的微小增加将导致输沙率成倍的增加。

表5 流速与输沙率变化情况表Tab.5Changes between velocity and sediment transport rate

5.3输沙不平衡对河床冲刷的影响

5.3.1纵向输沙不平衡

河床冲刷的原因尽管千差万别，但根本原因是由于输沙不平衡所引起。从流速沿程变化特点可以看出，近岸流速沿老海坝到十一圩逐渐增大，详见表6。由于进口流速小，出口流速大，纵向输沙不平衡，导致沿程发生冲刷。且越往下游，近岸流速越大，其对应的进出口流速差值也越大，从而河床冲刷越严重。

由表6可知，老海坝沿岸各处流速差别较大，特别是九龙港～十一圩沿岸流速相对于老海坝测点增大了85％～88％，其对应的输沙能力比老海坝增大了1 000％～1 200％，纵向输沙的不平衡导致九龙港附近河床冲刷非常严重。

表6 不同位置流速与输沙率变化情况表Tab.6Changes between velocity and sediment transport rate at different positions

5.3.2横向输沙不平衡

老海坝河段位于浏海沙水道凹岸侧，由于受如皋中汊和浏海沙水道的交汇顶冲作用，凹岸和凸岸的流速差别较大。以九龙港断面为例，凹岸侧洪季落潮流速为2.5 m/s，凸岸侧则为1.2 m/s，凹岸较凸岸增大了108.3％。由于凹凸岸存在流速梯度差，便形成了表层水流流向凹岸，底层水流流向凸岸的横向环流。横向环流带来了横向输沙的不平衡，也将导致老海坝近岸河床发生冲刷。

6 结论

（1）历史上，老海坝是人工形成的节点，河床具有可冲性，在今后的工作中仍然需要重点关注老海坝的守护问题。

（2）自然条件下，老海坝近岸的落潮流速要远大于涨潮流速，且随着上游径流量的增加而增大，而下游潮差变化对沿岸流速的变化影响不大，可见径流量是决定近岸流速的主要影响因素。沿岸的最大流速出现在大流量落潮条件下，特别是98大洪水条件下的落潮流速可达2.84 m/s。

（3）人类活动条件下，双涧沙工程实施后，老海坝沿岸的洪季落潮流速有减小的趋势，减小幅度在0.01～0.03 m/s，对于沿岸江堤的防护是有利的。

（4）水流的输沙能力对流速的变化非常敏感，流速的微小变化将导致输沙能力成倍的增长。当上游流量从50 000 m3/s增到80 000 m3/s，老海坝近岸流速变化了24.41％，输沙率变化可达139.56％。

（5）老海坝近岸落潮流速沿程逐渐增加，进口流速小，出口流速大，进出口流速差值可达87.80％，从而导致输沙不平衡，河床处于冲刷状态。因此，为保护沿岸江堤的稳定，应密切关注沿岸的流速大小及其变化，特别是九龙港～十一圩沿线。

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Study on hydrodynamic characteristics and riverbank scour along Laohaiba reach of the Yangtze River

ZHANG Wei1,YANG Song1,XU Cai⁃guang2,LIU Jie1,QIAN Yi⁃ming3
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510220,China;3.Yangtze River Regulation Project Management Office, Zhangjiagang 215600,China）

Laohaiba reach lies in the segments of mainstream scouring of Liuhai shoal waterway,and particular attention has been paid to the bank stability.Based on the analysis of the historical evolution of the Laohaiba reach, the hydrodynamic characteristics under different hydrological conditions and human activities were calculated by use of tidal current model.The impact of hydrodynamic characteristics on the bank erosion was also analyzed.The result shows:(1)the Laohaiba reach is an artificially created node in history,and it is erodible.(2)Hydrodynamic characteristics along the Laohaiba reach are determined by natural conditions and human activities and the maxi⁃mum velocity occurs under the condition of large flow in the ebb period.(3)After the implementation of the Sh⁃uangjiansha shoal protection project,nearshore velocity tends to decrease,and the decrease extent is between 0.01 and 0.03 m/s.(4)The nearshore velocity increases along Laohaiba reach.The inlet velocity is small and the outlet velocity is large,leading to the sediment transportation imbalance and the riverbed being on the scour status.With the riverbed scouring depth,water and sediment condition will become balance again.

historical evolution;riverbank scour;flow velocity;sediment transport equilibrium

TV 143

A

1005-8443（2016）02-0147-06

2015-08-26；

2015-11-04

交通运输部重大科技专项“黄金水道通过能力提升技术”（2011328201002）

张玮(1958-)，男，山东省青岛人，教授，博士生导师，主要从事港口航道工程研究。

Biography：ZHANG Wei（1958-），male，professor.