河口拦门沙航道整治方案及效果研究——以射阳河口为例

陈可锋，陆培东，王艳红，曾成杰

(南京水利科学研究院 水文水资源及水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)

河口拦门沙航道整治方案及效果研究
——以射阳河口为例

陈可锋，陆培东，王艳红，曾成杰

(南京水利科学研究院 水文水资源及水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)

在分析射阳港拦门沙航道一期整治工程建设后航道回淤特征的基础上，通过潮流泥沙数学模型分析研究了二期不同整治方案建设后的水流、含沙量及淤积分布特征，论证了不同方案的整治效果。研究表明：现状条件下由于导堤为潜堤，受越堤水流、口门回流等影响，一期工程建设后航道沿程普遍淤积。在一期导堤的基础上将导堤加高后有利于减小口门段航道淤积；将导堤延长后，淤积最严重的部位年淤强度有所减小，但在新的口门附近航道淤积仍然较严重；将口门宽度缩窄后，口门附近的淤积强度有所减小，但幅度有限；在航道内增加丁坝后，口门段泥沙淤积强度有所减小，但对改善中段航道淤积有限。

射阳河口；双导堤；拦门沙；整治方案；航道回淤；数学模型

Abstract: Based on the comparison of measured terrain, the distribution characteristics of channel deposits in the Sheyang port channel project were analyzed. Water flow and sediment characteristics of Sheyang port channel were calculated and analyzed using the mathematical model, and the effect of different regulating projects was studied. The results show that: under the current situation, because the dike is a submerged breakwater, it is influenced by the flow over the submerged dike and the circumfluence flow at the entrance area of the approach channel; after the first phase of the project construction, the channel deposition was serious. The dike heightening is beneficial to the siltation reduction in the gate section of the channel; after the extension of the embankment, the most serious area of the deposition is reduced, but it is still more serious in the new harbor entrance. When the width of the mouth is narrow, the intensity of the deposit near the mouth is reduced, but the range is limited. The strength of sediment deposition in the estuary is decreased, but the decrease in the middle channel is limited by adding the groin in the channel.

Keywords: Sheyang estuary; jetty; mouth bar; regulating project; channel siltation; mathematical model

拦门沙因水浅给河流水运和海运事业的发展以及通海航槽的建设带来了极大的影响，因此对拦门沙航道的整治研究一直是河流、海岸动力学及港口航道开发与治理的重要及前沿课之一[1-3]。拦门沙航道开挖后易淤积，如美国密西西比河口治理早期曾通过疏浚开辟拦门沙航道，但一遇风暴，挖槽即被淤平，很难维护[4]。为维护拦门沙航道的稳定，需对航道进行整治，目前修建单、双导堤是治理河口拦门沙航道常用的手段[5-7]。采用导堤工程整治拦门沙航道在国内外有不少成功的案例也有失败的教训，例如美国密西西比河口，通过双导堤整治与疏浚相结合的方法将拦门沙航道由水深2.7 m增加到13.7 m[4]；荷兰莱茵河口通过修建、调整南北导流堤，将水深由3 m增至6.5 m，初步形成鹿特丹新水道，取得了很好的整治效果[8]。我国甬江口拦门沙航道、长江口深水航道整治工程也均采用双导堤进行整治并己取得了预期的效果[9-12]。但英国的隆恩河口和法国的塞纳河口(第一期工程)整治工程，两者均因忽视了整治工程在涨潮时的负面影响，引起涨落潮量的减小和河道淤浅导致整个工程的失败[13]。因此工程实施前，充分论证和研究整治工程后的水沙环境的变化和整治效果十分必要。在分析射阳河口拦门沙航道一期整治工程建设后航道回淤特征及原因的基础上，通过潮流泥沙数学模型，分析研究不同整治方案建设后的水流、含沙量及淤积分布特征，论证不同方案整治效果，为射阳河口及其它拦门沙航道整治开发提供借鉴。

1 射阳港拦门沙航道一期导堤建设后航道回淤特征及原因分析

1.1 射阳港一期双导堤建设后拦门沙航道回淤特征

射阳港区进港航道整治工程采用双导堤方案[14-15]，南、北导堤主体工程于2012年2月下旬基本完成，一期航道于2013年10月验收完工[16]。目前南、北导堤分别长约6.2 km、6.3 km，堤头水深-6m左右。北堤的高程在近岸区为+5.6 m(理论最低潮面，下同)，中部为+2.3 m，堤头为-1.5 m；南堤根部堤顶高程为+4.0 m 中部为+2.5 m，堤头为-1.5 m(图1)。航道设计底标高-8.0～-9.1 m，宽80～142 m。一期航道工程竣工后，分别于2013年11月、2013年12月、2014年1月、2014年3月及2014年9月对航道沿程进行地形测量，不同实测地形对比显示(图2～图4)：

1) 一期航道工程开挖后，从空间分布来看，航道沿程普遍淤积，尤其是口门附近2 km区域，航道淤积幅度达到4～6 m左右；万吨级码头港池淤积更为明显，平均水深从2013年11月的9.1 m淤浅至2014年3月的4.5 m，4个月淤积厚度达4.6 m，到2014年9月淤积幅度可达6.0 m。2) 从淤积的时间看，航道开挖后1-2个月后，航道口门段快速淤积，月淤积量为1.0～1.4 m，航道中段月淤积量为0.2～0.4 m，靠万吨级码头附近航道月淤积0.6～0.8 m(图4)。4-5个月后，口门段淤积速度有所下降，月淤积幅度与航道中段基本一致，月淤积量为0.2～0.4 m。3) 个别月份2013年1月至3月，航道内段至中段淤积速率较大，超过口门段淤积速度。4) 导堤口门外航段2013年11月水深在10.2 m左右，至2014年3月略有冲刷，平均冲刷厚度为0.3 m。

图2 2013.7-2014.9 实测地形冲淤积分布Fig. 2 Distribution of sediment deposition in 2013.7-2014.9

图3 航道沿程水深变化Fig. 3 Variation of the water depth along the channel

图4 航道沿程月淤积幅度Fig. 4 The sedimentation rate along the channel (per month)

1.2 一期航道整治工程方案建设后的水沙流特征对比分析

1)水流特征

图5 南北导堤越堤流持续时间Fig. 5 The duration of the flow across the breakwater

北导堤外段顶高程2.8 m，基本与平均高潮位一致，北导堤外段顶高程为2.0 m，与平均潮位一致。大、中、小潮潮位高出北导堤堤顶高程持续时间分别为8.3 h、4.8 h和3.5 h；潮位高出南导堤堤顶高程持续时间基本在12.2～13.8 h之间(图5)。 一期工程建设后航道内水流特征及流场显示(图6、图7)：在涨潮中潮位时，涨潮流部分水流漫过北堤进入到航道内，另外由于北堤挑流，在航道口门处形成大范围的回流，回旋的水流绕过南堤堤头后，能越过南堤的潜堤进入航道。落潮潮位较高时，落潮水流越过南导堤潜堤段，斜跨航道。受北堤堤头挑流，北堤堤头附近也形成回流，但回流主要影响外海，对航道没影响。导堤间涨潮平均流速为0.4～0.5 m/s，落潮平均流速为0.3～0.4 m/s。涨潮最大流速可达1.0 m/s，落潮最大流速仅为0.6 m/s。航道内涨潮流速大、历时短；落潮流速小、历时长，进入到航道内的泥沙很难被带出航道。

图6 工程后航道P6点流速及潮位过程及一期航道沿程内涨落潮流速分布Fig. 6 The velocity and tide process of obersevatin point along channel in the first phase

图7 涨急时刻和落急时刻流速分布(现状导堤)Fig. 7 Current field of Sheyang sea area (present jetty)

2)含沙量分布特征

2013年5月实测资料显示(图8，表1)：大潮涨潮平均含沙量为1.7～2.1 kg/m3，落潮平均含沙量为0.8～1.8 kg/m3，涨潮平均含沙量大于落潮平均含沙量，大潮期间含沙量明显大于中、小潮。从空间位置来看，导堤内SW3垂线涨落潮平均含沙量一般相对较大，可能是由于涨落潮期间堤头附近的回流一方面带来导堤外侧边滩的泥沙；另一方面会使导堤内两侧边滩泥沙起悬，从而增大SW3垂线含沙量。底层的含沙量最大可达3.8 kg /m3，底层含沙量大于表层。

表1 2013年5月底层含沙量与垂线平均含沙量Tab. 1 The bottom sediment concentration and vertical average sediment

1.3 一期航道建设后的淤积泥沙来源及原因分析

据工程后的水沙特征，可以分析得出导致航道淤积的原因主要有以下几方面：

1) 导堤口门来沙

射阳河口一期工程双导堤穿过了原河口拦门沙高含沙量区，目前口门位于原滩面6.0 m水深处。从工程前、后口门位置的含沙量监测来看，口门外4 km区域的平均含沙量在1.0 kg/m3以上，因此被涨潮流带入口门的高含沙量依旧是航道淤积的重要沙源之一。从工程后2013年5月监测成果来看，口内SW3点大潮涨、落潮平均含沙量分别为2.1 kg/m3和1.4 kg/m3，涨潮含沙量明显大于落潮，口门净输沙向口内。航道内涨潮流速大、历时短；落潮流速小、历时长，进入到航道内泥沙很难被带出航道，导致航道内普遍淤积。

2) 堤头及口门冲刷的泥沙

工程后实测地形对比显示，工程建设后，北导堤深水区北侧及南、北导堤堤头由于沿堤水流及挑流作用，水流较强，引起海床的冲刷，冲刷后的泥沙有可能随涨潮流进入到航道。

3) 越堤流输沙

堤顶三角架监测表明[17]，南导堤外段越堤流平均流速为0.29 m/s，平均含沙量为0.88 kg/m3，大量的泥沙可以越过南堤进入到口门段航道，特别是落潮时，越过南堤的水流与航道夹角约45°，很容易导致口门段航道的淤积。

4) 泄洪期间上游来沙

射阳河口涨、落潮流净输沙从口外向河道内，上游关闸期间闸下河道缓慢淤积；而开闸泄水时河道冲刷，水体含沙量增加。从导堤与河口衔接的平面形态和落潮动力变化来看，落潮流携带高含沙量水体出射阳河口后，由于导堤间距较大，过水断面变化，流速和水体挟沙力降低，落潮动力不足将泥沙输送至导堤口外，河道冲刷来沙部分在导堤间航道淤积。

2 工程区海域二维潮流泥沙数学模型的建立与验证

2.1 工程海域潮流数学模型的建立与验证

依据工程区潮流运动特征，建立了工程区二维潮流泥沙数学模型[17]，数学模型计算范围北至翻身河口南至新洋港，东边界在外海-20 m水深附近，模型西侧至射阳闸和黄沙港闸下。南北长60 km，东西宽54 km，模型网格为变步长，模型网格大小5～500 m，在工程区进行局部加密。

依据2013年5月4个潮位站的潮位和同期4条垂线实测潮流资料对工程区域数学模型进行验证，验证点位置见图8。图9、图10为大潮流速、流向的计算值与实测值的比较。流速、流向过程的计算值与实测值的验证良好，限于篇幅，只给出部分验证结果图[17]。

图9 潮位过程验证曲线Fig. 9 Tide process verification diagram

图10 大潮流速、流向验证曲线Fig. 10 Verification diagram of the flow velocity direction during the spring tide

2.2 悬沙输运与地形冲淤的模拟

射阳港航道淤积的主要泥沙来源为悬沙，因此模型重点考虑悬沙落淤的过程。本项研究采波浪、潮流、泥沙输运与地形变化相互耦合的悬沙输运模型。波浪模块利用SWAN 40. 41 进行计算，波浪边界考虑强浪向的浪，波向为NE向，平均波高为0.6 m。模拟波流相互作用时，采用在线(ON-LINE) 方式完成波-流交互作用，通过与Wave模块耦合可把波浪力、以及由波浪引起的紊动和床底切应力等引入到水流模块的计算中，从而进行波流共同作用下泥沙输移的模拟。在每个计算步长内的冲淤变化可实时更新地形，水流和波浪的计算亦能根据实时地形自行调整[18]。

1)悬沙模型控制方程

通过求解对流-扩散方程来得到悬沙的输移过程：

式中：cs为水深平均积分的悬浮泥沙浓度；εx、εy分别为x、y方向的泥沙扩散系数；E为侵蚀通量，D为沉积通量，分别由下式给出：

式中：M为冲刷常数；τd为临界淤积应力；τe为临界冲刷应力；ws0为静水沉速常数；βs为剪切应力的修正系数。

2)海床的变形控制方程

求解以下的海床连续方程可以得到海床的变形：

其中，Zb为海床高程；Sx，Sy分别为x，y方向的泥沙输移量。

3)泥沙模型主要参数

悬沙的初值取零，开边界处采用辐射边界条件，即流入定常，流出无梯度。在外海开边界，东、西边界根据实测资料取0.8 kg/m3，北边界取0.5 kg/m3。悬沙模型的时间步长和潮流模型一样，为10 s，模型中其他的参数取值如表2所示。

表2 悬沙模型中主要参数Tab. 2 Main parameters in the suspended sediment model

2.3 工程区泥沙数学模型的验证

采用2013年5月实测大潮含沙量过程进行验证，验证点位置与潮流测站位置相同，航道内含沙量较高(垂线平均达到1.7～2.0 kg/m3)，数学模型计算结果基本能反映含沙量的分布，与实测值基本吻合(图11)。因此该模型模拟该海域含沙量场是可行的，可进一步用于泥沙淤积的计算。采用2011年11月-2014年9月航道实测点冲淤值对模型予以验证，计算结果显示，航道内口门段淤积幅度较大，可达5 m以上，航道中段淤积幅度为2～4 m；淤积计算的量值和淤积部位与实际实测结果较为一致(图12)。

图11 大潮含沙量验证Fig. 11 Verification of sediment concentration during the spring tide

图12 航道沿程淤积量验证(2011年11月-2014年9月)Fig. 12 Validation of channel deposition (November 2011-September 2014)

3 射阳港拦门沙航道二期整治方案与效果分析研究

3.1 二期航道整治的方案

根据工程后的水沙特征及流场特征，针对一期双导堤建设后回淤特征和原因，为减小航道淤积，提出三种类型的整治方案：1)导堤加高，在现有方案基础上，将导堤分别加高至+2.8 m和+3.4 m；2)延长导堤，将现有导堤沿长约1.8 km，至-9.5 m水深处，口门宽度分别采用1.2 km和0.8 km；3)在延长方案的基础上，在导堤内建丁坝，丁坝高程为+2 m (图13，表3)。

表3 进港航道整治工程方案(理论最低潮面)Tab. 3 Regulation project for the channel of Sheyang estuary (theoretically lowest tidal level)

图13 二期航道整治方案Fig. 13 Regulation project for the channel of Sheyang estuary

3.2 二期航道整治工程方案建设后的水流特征对比分析

现状导堤涨潮时在航道口门处形成大范围的回流，落潮潮位较高时，落潮水流越过南导堤潜堤段，斜跨航道(图7)。南北两侧导堤都加高到+3.4 m时，基本不存在越堤水流(如图14(a)和图14(b)所示)。加长导堤后，挑流作用有所加强，口门横流有所增大。延长导堤后，口门段仍然存在回流，将口门宽度缩窄后，口门内回流范围有所减小，但对航道内沿程水流作用不明显(如图14(c)和图14(d)所示)。在此基础上，增加丁坝后，由于丁坝的阻水和挑流作用，航道口门段流速略有增大，但航道中段及内段航道内流速变化较小(如图14(e)和图14(f)所示)。

图14 三种不同方案下涨落急时刻流速分布Fig. 14 Current field of Sheyang sea area in three different schemes

3.3 二期航道整治工程方案建设后的航道淤积对比分析

潮流泥沙数学模型计算结果显示(表4、图15)：现状导堤条件下，航道开挖后航道沿程均会发生一定淤积，其中口门段淤积速率相对较大，年淤积5.0 m左右；靠万吨级码头附近航道段淤积4～5 m；航道中段年淤积强度为3～4 m(图15(a))。航道导堤加高后，由于越堤水流的减小，口门段航道的泥沙淤积大幅减小，现状条件下淤积最严重的部位，由加高前年淤积5.7 m ，减小到年淤积4.0 m(图15(b)、图15(c))。延长导堤后，现状导堤下淤积最严重的部分年淤积减小到3.3 m左右，但由于回流的影响，导堤延长后，在新的口门附近年淤积强度也可达到4.1 m左右(图15(d))。将口门宽度缩窄后，口门附近的淤积强度减小0.5 m左右(图15(e))。在此基础上增加丁坝后，口门段泥沙淤积强度有所减小，但对改善中段航道淤积有限(图15(f))。

可见，现状条件下，由于越堤水流、口门回流等影响，航道口门段淤积较为严重，加高导堤后有利于减小口门段航道淤积；在此基础上沿长导堤后，现状导堤下淤积最严重的部位年淤继续减小；但是导堤延长后，新口门附近航道淤积也可达到4.0 m左右；将口门宽度缩窄后，口门附近的淤积强度有所减小，但幅度有限。在此基础上增加丁坝后，口门段泥沙淤积强度有所减小，但对改善中段航道淤积有限。

表4 不同方案下年回淤强度Tab. 4 The silt strength per year under different scheme

图15 不同方案下工程后的冲淤分布Fig. 15 Erosion and deposition distribution map in different schemes

4 结 语

在河口地区采用双导流堤进行航道整治，主要是利用双导流堤减小大浪天气条件下近岸浅滩在波浪作用下泥沙运动对航道影响；通过建设双导流堤后，加大航道内落潮流速，加大泥沙外泄而对整条航道长期维护有利。射阳河口地区河口含沙量较大，建设双导流堤能有效减小大风浪天气条件下淤积，对航道能起到很好的掩护。但由于一期工程建设后航道内涨潮流速大、历时短；落潮流速小、历时长，进入到航道内泥沙很难被带出航道，导致航道内普遍淤积。另外大部分防沙堤为潜堤，越堤水流挟带的泥沙进入航道后容易淤积；双导流堤与潮流夹角较大，在口门形成回流，回流也容易导致口门的快速淤积。

二期工程加高导堤后有利于减小口门段航道淤积；在此基础上沿长导堤后，现状导堤下淤积最严重的部位年淤量继续减小；但是导堤延长后，新口门附近航道的淤积也可达到4.0 m左右；将口门宽度缩窄后，口门附近的淤积强度有所减小，但幅度有限。在此基础上增加丁坝后，口门段泥沙淤积强度有所减小，但对改善中段航道淤积有限。成功的河口整治工程均在充分利用落潮流冲刷浅滩的同时，尽量减小涨潮流的不利影响；不成功的河口整治工程多因忽视了整治工程在涨潮时产生的负面影响而最终导致整个工程失败。下阶段射阳河口整治工程中应加强研究如何增大落潮时的流速，将航道内淤积泥沙带出，从而维持航道水深。

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Study on the scheme and effect of the regulating project for the channel in the mouth bar area of Sheyang estuary

CHEN Kefeng, LU Peidong, WANG Yanhong, ZENG Chengjie

(State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

TV148

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.06.007

1005-9865(2016)06-0054-11

2016-06-15

国家自然科学基金(40706034)；南京水利科学研究院院基金(Y215011)

陈可锋(1981-)，男，江西鄱阳人，高级工程师，博士，主要从事海岸动力学及环境演变研究。E-mail：chenkefengnju@163.com