港池维护性疏浚与河势变化影响相关性研究<br/>——以长江下游南京河段为例

港池维护性疏浚与河势变化影响相关性研究
——以长江下游南京河段为例

2017-07-24罗红雨

水利水电快报 2017年6期

关键词：港池河势进水口

曹双胡纲罗红雨

(长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局，江苏南京 210011)

港池维护性疏浚与河势变化影响相关性研究
——以长江下游南京河段为例

曹双胡纲罗红雨

(长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局，江苏南京 210011)

南京河段经过多年治理和开发，岸线开发利用程度较高，充分发挥了该段黄金水道的经济和社会功效。多年来南京河段河势发生了较大的变化，经历了多次系统整治，但仍有某些深水港区变成了淤积区，需要依靠持续的年度疏浚来维持港区正常运行。以梅山港区为例，在南京河段系统整治后的边界条件基础上，通过分析河道演变、淤积物来源以及数学模型计算等，研究了港池维护性疏浚与河势变化的相互影响。结果表明，河势变化对港池淤积影响是显著的，港池维护性疏浚对河势变化影响是微弱的；经过多次治理之后，南京河段目前宏观上处于相对稳定态势，港池淤积物主要为汛期落淤悬沙，且疏浚量和回淤量相当。

港池疏浚；河势变化；河段治理；南京

上海梅山钢铁股份有限公司的水泵房进水口及新老码头位于南京河段新济洲段右岸下三山节点的下游，水泵房进水口及老码头于1970年建成并投入使用。进水口设计取水能力为14万t/d，2013年11月生活取水转移至板桥自来水公司，该取水口全部转为工业取水，取水规模也下降至10万t/d；老码头运输货种为进口矿石及辅料，年吞吐卸量550万t，1号、2号泊位靠船等级为5 000t，3号泊位靠船等级8 000t。1994年，在原码头下游又建设了新码头，用于运输钢卷板及板坯，年吞吐卸量570万t，1号、2号泊位靠船等级5 000t，3号、4号泊位靠船等级为5 000t兼顾1万t。运翔码头工程分为一期、二期、三期工程，分别于2001年5月、2001年10月、2005年5月建成投产，主要用于矿石和煤渣的运输，码头工程满足5 000t级江驳停靠的要求[1]。

由于南京河段上游河势于1970年以后发生了变化，七坝一带岸线崩退，主泓向左摆动，港区上游潜洲滋长，通向港区的-5m(黄海高程)槽淤断，进水口、新老码头、运翔近岸淤积，淤积幅度较大的主要在进水口及老码头区。这对梅山钢铁股份有限公司的水泵房进水口、新老码头及运翔码头的正常运营产生了不利的影响。从20世纪90年代开始，梅钢开始对港区航道和码头前沿及水泵房进水口进行年度维护性疏浚。本文从河道演变、淤积物来源、数模计算方面研究河势变化和港池疏浚的相互影响关系。

1 研究区概况

1.1 河道概况

南京河段起始端和尚港(慈湖河口)为苏皖两省分界点，终端三江口，干流长约90km。沿江自上而下有新生洲汊道、新济洲汊道、梅子洲汊道、八卦洲汊道和龙潭弯道。三江口以下至泗源沟为仪征水道。疏浚工程位于大胜关段。

图1 河道概况

新济洲汊道段起始端和尚港(慈湖河口)河宽为 2.5km，终端下三山河宽为1.85km，干流长25km。河道为顺直分汊河型，中部河身宽阔，最宽处达 4.6km，河段内洲滩发育演变频繁，水流分散，从上而下分布着新生洲、新济洲、子母洲和新潜洲[2](见图1)。左岸有石跋河、驻马河，右岸有慈湖河、铜井河、烈山河注入长江，各河均为小河流，对长江流量影响很小。河段内河漫滩相对狭窄，除末端左岸七坝上下约7km江岸于20世纪70年代起陆续进行抛石护岸工程外，南京河段二期整治工程在铜井附近进行了抛石护岸。梅山钢铁有限公司涉水工程有新码头、老码头、运翔码头及取排水口，随着大河势的变迁，目前位于下三山边滩的尾部，宏观上处于易淤区域。

大胜关段自七坝到梅子洲头，长约8.4km，它既是上游新潜洲汊道的汇流段，又是梅子洲汊道的分流段，河道两端宽、中间窄，边滩在左岸，右岸为深槽。主泓由左岸过渡到右岸板桥后，沿右岸下行至秦淮新河后分左右2支进入梅子洲汊道段。20世纪70年代大胜关一带护岸以前，右岸崩坍较强烈，护岸以后岸线渐趋稳定。该段的右岸有秦淮河的入江口。

1.2 港池基本情况

上海梅山钢铁股份有限公司的水泵房进水口及新老码头位于南京河段新济洲段右岸下三山节点的下游，港池位置见图1。

水泵房进水口疏浚区呈矩形：中央浮标为中心向上游及下游各120m、向外120m、向岸边30m范围内-6.0m(吴淞基面下-4.1m)以上床面进行疏浚，面积约 3.6万m2。码头港池疏浚区都呈梯形，即以码头前沿为短边、各码头上下游两角点外边缘向外45°角斜线为腰、宽度方向满足船舶运行需求所形成的封闭梯形。其中老码头前沿长度460m、疏浚宽120m、设计高程-5.0m(56黄海基面)进行，港池面积约7.8万m2；新码头前沿长度430m、疏浚宽120m、设计高程-7.0m(56黄海基面)进行，港池面积约7.3万m2；运翔码头前沿长度140m、疏浚宽110m、设计高程-6.0m(56黄海基面)进行，港池面积约 3.2万m2。自20世纪90年代开始，港池区域需要依靠年度疏浚来维持正常运行。

1.3 整治工程概况

建国以来南京河段整治工程的实施情况如下[3]：

(1) 1950～1951年以疏浚导流为主的治理工程；

(2) 1955～1957年下关、浦口和大厂镇沉排护岸工程；

(3) 1970年底下关、浦口沉排加固及各段抛石护岸工程(守点护面)；

(4) 1983～1993年，南京河段集资整治工程(又称一期工程)，是建国以来长江南京河段第一次全河段的规划治理；

(5) 2003～2007年的长江南京河段二期整治工程(系统防护)；

(6) 2015年2月实施了新济洲整治工程：封堵新生洲与新济洲之间中汊，减少河道分汊，通过新生洲右汊进口两岸护岸工程、护底工程及洲头鱼嘴工程，遏制右汊进一步发展。通过新潜洲头鱼嘴工程或者洲头右缘疏浚工程，适当改善新潜洲右汊水域条件。

南京河段河道整治工程效果明显，具体体现在：①护岸工程防止了江岸的崩坍，使近岸河床相对稳定，保护了江岸堤脚、护坎和堤外滩地，保护了长江堤防，保障了沿线企业和沿线城镇的防洪安全。②经过40多年的治理，南京河段河势得到初步控制，初步稳定了江岸和主流。③基本稳定了汊道段汊道分流比。④护岸工程防止了江岸的崩坍，使近岸河床相对稳定，保障了工矿企业、码头、取水口等设施安全运行，为新建水工建筑、防洪、航运、沿江经济建设及岸线开发综合利用创造了基础条件。

对港池局部段而言，斜对岸七坝险工段及下游大胜关右岸的护岸工程实施后，基本稳定了港池前沿过渡段主流的走向，近20a来，港池段主流走向相对稳定，港池淤积区近年来处于相对近似的宏观水沙环境中。

2 近期河演分析

2.1 宏观河演分析

小黄洲尾至新生洲头是连接上下两个汊道的过渡区，它既是小黄洲汊道的汇流段，又是新生洲汊道的分流段。1959年以来，在水流的作用下，小黄洲左汊弯顶以下大黄洲岸线在不断地崩退，小黄洲尾不断下延，逐渐改变了左汊河道走向和出流方向，从而使得两汊主流于1991年以后在汇流段分离，分流段水沙结构发生调整。大黄洲岸线的崩退直到1999年后大黄洲江岸实施隐蔽工程和护岸整治工程才得以控制。这对新生洲汊道的河势稳定是有利的，控制了江岸的崩坍，减少了因大黄洲江岸崩坍带给新生洲分流段的大量泥沙的淤积,减弱了小黄洲尾和新生洲头的冲淤变化，不大可能对新生洲汊道的河势造成影响，新生洲两汊水量分配已相对稳定。

新生洲汊道1959～1976年左汊处在发展阶段，主流线左摆，-10m槽宽扩大；1976年以后，新生洲左汊逐渐衰退，1991年-10m槽淤断，新生洲左缘0m线平均崩退300m；相反右汊转为发展。1959年以来，右汊的发展大于左汊的淤积，2001年后两汊的冲淤变化相对较小，但仍存在一定的冲淤变化。

新济洲汊道因中汊过流较小，所以其总体变化类同于新生洲汊道，即1959～1976年，是左汊的发展期，河道表现为-10m槽扩大，弯顶下移，导致左岸骚狗山至林山圩一带江岸的崩坍；与此同时，右汊则萎缩。1976年后左汊逐渐萎缩，-10m槽束窄至断开；而右汊则冲刷发展，-10m槽宽扩大，并上下贯通。新济洲左右汊河床冲淤变化主要是，1959～1986年左汊冲刷，右汊淤积；此后左汊以淤积为主，右汊呈冲刷，说明1986年后新济洲汊道呈右兴左衰的变化趋势，近几年来该趋势有所减缓。

新潜洲于1970年形成，左汊为主汊，右汊为支汊，分流比分别为80%和20%左右。其形成的主要原因是河道展宽，泥沙淤积成堆积体。形成初期头、尾分别向上、下游延伸，接近下游束窄段时才相对稳定。雏形心滩形成时新潜洲右汊分流比逐渐减小。1985年后，随着新济洲右汊发展，新潜洲右汊分流比基本稳定在20%左右。其中右汊深泓傍岸，但1985年后，右侧河床冲刷崩退，深槽右移，1998年以来-10m倒套略有发展，水深条件尚能满足千吨级码头的要求。2001年后，其冲刷右移幅度逐渐减小，但尚未停止。经过抛石守护后，2011年以来新潜州右汊断面形态基本稳定，右移趋势得到遏制，最深点基本稳定在-24.0m左右，2015年2月右汊实测分流比为 21.25%。

2.2 局部河演分析

南京河段大胜关段上游河势于1970年以后发生了变化，七坝一带岸线崩退，主泓向左摆动，港区上游潜洲滋长[4]，通向港区的-5m(黄海高程)槽淤断，进水口及新老码头区段0m岸线淤积，在20世纪90年代初，在原码头下游又建设了新码头。淤积幅度较大的主要在进水口及老码头区，这对梅山钢铁股份有限公司的水泵房进水口及新老码头的正常运营产生了不利影响。目前上海梅山钢铁股份有限公司进水口、老码头位于下三山边滩中，其正常运行靠每年的疏浚挖泥维持。

图2 疏浚区近期0 m线变化

图3 疏浚区近期横断面变化

进水口及老码头疏浚区目前位于下三山边滩上，属于与新潜洲尾部平齐的右岸滩地带，淤积量较大。新码头及运翔码头疏浚区位于新潜洲汇流段，淤积情况相对上述2个疏浚区较轻。南京河段整治工程实施以来疏浚区近岸等高线平面微冲微淤，岸线处于相对稳定的态势。由于对岸七坝险工段多年来深水贴岸态势没有扭转，疏浚区上段深泓近期仍有小幅左偏，下段位于深泓汇合区，近期走势相对稳定，摆幅仅限在30m范围内；疏浚区位于过渡段尾部水流顶冲转折地带，-30m槽有所上提和下延扩大，自南京河段二期整治工程实施以来，变幅进一步趋小，位置及形态区域稳定。2001～2006年，上段左右槽都有小幅冲刷下切，其他变化较小，断面面积略有增大，中段及下段的主要变化在于最深点的小幅下切，其他变化不大。2006～2015年疏浚区上中下段断面形态相对稳定，变化很小。2001～2006年间，三峡工程截流、蓄水，上游来沙普遍减小[5]，该段河床呈小幅冲刷，冲刷主要发生在上端边滩地带，2006～2015年整体略有冲刷，变化不大。1998～2015年，整体呈现淤积，淤积量为25万m3。详见图2，3。

图4 疏浚区近期回淤量

图4为疏浚区内近期回淤量。由图可见：疏浚区挖槽内2002年与2003年淤积量较大，2002年累计淤积量达到24.6万m3，淤积主要在进水口范围内，平均淤高约2.0m；同年，新码头淤积量达到最大，为71 936m3，平均回淤 0.65m；老码头淤积量在2003年达到最大，为86 843m3，平均回淤0.80m。2004年淤积量最小，3个疏浚区累计淤积48 829m3，最大淤积发生在进水口段，回淤厚度为0.60m。2005～2008年，回淤量交替小幅变化，总体略有增大，2008年总淤积量再次突破10万m3，并且呈小幅度增大趋势，尤其是大水年，2010年汛期水位高于前2a，3个疏浚区的回淤量都有较大幅度的增加；2010年运翔码头开始淤积碍航；2011年清淤后，2012年回淤量减小明显；2013年及2014年回淤量基本相当；2015年进水口及新老码头淤积区回淤量增加明显，下游运翔码头及新码头回淤量略有减少，累计回淤总量有所增加。近期疏浚区主要还是淤积为主，淤积主要发生在进水口范围内，这与进水口所处下三山边滩地带有关，同时受新潜洲尾部边滩影响。新码头疏浚区位于主流过渡段尾端，左汊出口主流顶冲地段，在右汊出口主流没有出现较大幅度增强的前提条件下，淤积量有所减小。

表1 床沙颗粒级配成果

疏浚区挖槽内淤积量主要产生在上段进水口范围内，往下从老码头至新码头疏浚区淤积量逐渐减小。最近几年累计淤积量都在15万m3左右，大水年增大的趋势很明显。

3 淤积物来源分析

3.1 取样情况

在4个疏浚区内沿顺水流中心线每区均匀布设2个床砂采样点，自上而下：D1、D2采样点位于进水口疏浚区内；D3、D4采样点位于老码头疏浚区内；D5、D6采样点位于运翔码头疏浚区内；D7、D8采样点位于新码头疏浚区内；D9位于抛泥区内，D10为参照点，位于新潜洲洲尾-5m边滩上。

3.2 分析方法

采用马尔文2000激光粒度仪，每个样品均分析2～3次后取平均值。测定床沙样的各粒级百分含量，按照《激光粒度分布仪操作技术指南》(2011版)的规定要求。

3.3 分析成果

床沙样品中值粒径D50的范围在0.014～0.226 mm，最大粒径范围在0.310～0.649 mm，对比2014年度，疏浚区的底泥粒径有所细化，详见表1。依据《疏浚岩土分类标准》(JTJ/T320-1996),给底质进行分类和命名，就疏浚区及新潜洲洲尾边滩而言,其中新码头样为粘性土，其余点均以细砂为主；抛泥区内为中砂，详见图5～7。

图5 进水口及老码头各点泥沙颗粒级配

图6 运翔码头及新码头各点泥沙颗粒级配

图7 新潜洲洲尾及抛泥区各点泥沙颗粒级配

由图5分析可知，进水口数据内上侧，泥沙粒径相对较小，其中小于0.1 mm的粒径的沙重比例高达86%。工程泥沙问题中，通常认为悬移质与推移质的分界粒径为0.1 mm[6]。由此可见，进水口上侧由于上游浅埂的阻挡，落淤的泥沙主要是水体中悬沙由于流速降低而沉积[7]；而取水口下游侧的淤积物则是悬沙和推移质粉砂的混合体。老码头淤积区，由于受下三山边滩影响较小，淤积区内约2/3为悬沙落淤，1/3左右为推移质细砂。

运翔码头平面上处于上下游大型码头凹档内，流速相对较低，经过分析，由图6可知，该区域内约70%的淤积为悬沙落淤，30%左右为推移质细砂，疏浚区上游水流条件相对较差，因此该区域内，上游的悬沙落淤要略大于下游。下游新码头内疏浚范围内90%以上为推移质细砂，说明新码头前沿区域流速相对较大，水流搬运能力较强，悬沙不易落淤[7]。

为了充分分析疏浚区所在河段的泥沙运动环境，对上游新潜洲洲尾及下游抛泥区深槽内的泥沙级配也做了分析，由图7(图中南京站泥沙为悬沙)可知，上游新潜洲洲尾边滩的泥沙来源悬移质和推移质基本上对等，推移质主要是细砂。下游深槽抛泥区内砂源80%由推移质中砂组成，悬移质及细砂较少，这也从侧面说明以往的抛泥区内落淤量很少，基本都被稀释冲散至下游区域。

4 数学模型计算研究

为了分析港池疏浚对河道水流的影响，此次计算模型选择MIKE21平面二维水流运动数学模型进行研究,该模型采用三角网格，求解采用非结构网格中心网格有限体积法，其优点为计算速度较快，非结构网格可以拟合复杂地形[8]。

4.1 基本资料及计算工况

(1) 地形。工程河段地形采用2015年2月实测1∶ 10 000资料，工程局部水下地形采用2015年9月1∶ 500资料。

(2) 水流。采用2010年8月3日～6日的实测资料进行水流运动率定计算，基于计算河段2012年3月27日～29日的实测资料进行水流验证计算，具体见图8。

图8 水文测验布置

(3) 计算工况。本文对疏浚工程防洪影响进行计算，研究河道疏浚前后水位、流场的对比变化。按照长江下游洪水的标准和工程河段的造床流量作为计算条件，选择长江下游防洪设计水位、平滩流量作为此次计算的2种计算工况，计算工况见表2。

表2 计算工况

4.2 模型计算成果

为定量分析工程建设引起的水位、流速变化，在工程段附近布置了6个断面，每个断面提取3个对比点，一共24个对比点，见图9。

图9 对比点布置

(1) 水位对比。两种计算方案结果表明：疏浚挖泥后水位影响范围仅在疏浚区局部区域附近，见表3。

表3 对比点工程前后水位比较

(2) 流速对比。两种计算方案结果表明：疏浚挖泥后流速影响范围仅在疏浚区局部区域附近，见表4。

表4 对比点工程前后流速比较

5 相关性分析

5.1 河势变化对港池的影响

从河演分析可见，宏观河势以1976年为界，之前上游新生洲、新济洲汊道呈明显的左兴右衰，之后呈左衰右兴，近期来看左衰右兴的态势有所减缓。1976年之前，上游河道实施的整治护岸工程相对较少，河道基本处于自然演变状态；1976年之后陆续实施了系统的和局部的河道整治及护岸工程，宏观上河道边界相对稳固，尤其是港池附近斜对岸七坝险工段及下游大胜关右岸两处顶冲段得到有效加固防护后，港池区前沿过渡段主流走向基本稳定下来，港池淤积区近年来处于相对近似的水沙环境中[9]。

梅山港区始建于20世纪70年代初期，彼时近岸等高线走向平顺，深水傍岸，是天然的深水港区。随着大河势的调整，港池前沿主流逐渐远离码头前沿，上游侧边滩逐渐淤积扩大下延，港池区域水深急剧变浅，至20世纪90年代初水深条件必须依靠疏浚才能维持。20世纪80年代以来新洲汊道段陆续实施了系统及局部的整治和护岸工程，河道边界基本稳定下来，宏观河势也处于相对稳定的状态，而梅山港区宏观水沙条件也相对固定下来，年度维护性疏浚成为常态。

三峡水库蓄水以来，长江下游河道普遍呈滩淤槽冲的态势[10]。港池疏浚区位于下三山边滩尾部，其上游都有浅滩和水下土埂，远离主流区域，处于低流速区，泥沙易于落淤，宏观上处于河道易淤区域，港池需要通过长期的疏浚来保持相应的航深和航宽。宏观河势的改变是导致梅钢公司港区处于淤积区的原因。

5.2 港池维护性疏浚对河势的影响

从泥沙分析的结果来看，淤积物的来源主要为悬移质，工程疏浚实质是将水中悬沙在河道内重新分配，基本没有破坏河道边界条件，基本没有影响现状相对稳定的河势条件。

从数模分析的结果来看，疏浚仅限于河道边滩区域，引起的水位、流速场的变化在数量级及影响范围上都是局部的，对主流影响微小，不会引发河势大的调整变化。

从港池开始实施疏浚以来的时段看河势的变化，宏观河道边界条件相对稳固，这主要得益于系统的整治工程、护岸工程，港池疏浚区位于边滩区域，维护性疏浚没有破坏河道边界条件；分流段、各支汊、汇流过渡段主流走向稳定；滩槽平面分布格局相对固定；近岸各级等高线近年来平面变化较小。由此可见，港池自实施年度疏浚工程以来，疏浚量各年有所不同，但宏观河势一直处于相对稳定态势。

综上分析，宏观河势变化引起下三山边滩下移是梅钢港池淤积区产生的主要原因，其淤积物主要为悬移质泥沙，年度回淤量和疏浚量大致相当；港池维护性疏浚对河势变化的反作用很微小。