变化环境下天生港水道规划治理调整方案效果研究

闻云呈，罗龙洪，杜德军，夏云峰

(1.南京水利科学研究院，南京 210029；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098； 3.江苏省水利工程规划办公室，南京 210029)

天生港水道位于长青沙、横港沙以北，上起又来沙头，下至任港，河道全长约23.1 km，水道进口左右岸分布有华泰重工、长青沙船舶等诸多企业，捕鱼港以下建有大量的港口码头等基础设施，沿程有长青沙大桥等5座跨天生港的桥梁，同时，沿岸还有碾砣港、九圩港等通江口门(图1)。上述涉水设施需要天生港水道维持相对稳定的河势。为稳定河势，促进地方经济的发展，《长江澄通河段河道综合整治规划》(苏水计〔2012〕150号印发，以下简称《规划》)，对天生港水道规划整治方案进行了初步的研究，主要工程措施：结合横港沙的圈围，将又来沙及长青沙北角切滩，同时对水道上段进行疏浚，改善入流条件。

图1 工程河段河势图Fig.1 River patterns of engineering river reach

近年来，天生港水道上、下游已实施诸多河(航)道整治工程，主要有：12.5 m深水航道福姜沙和通州沙整治、横港沙一期圈围、通州沙西水道综合整治、铁黄沙圈围等工程；同时，三峡水蓄水后，上游来水来沙发生改变；同时又来沙外侧的滩涂淤涨出水后已被华泰重工有限公司利用后，再按照规划方案实施又来沙小切滩的难度大幅增加；另外三峡蓄水后天生港水道淤积趋势趋缓，为维护疏浚提供了条件。基于上述新的工程环境和新的水沙条件，有必要对天生港水道整治规划方案进行调整研究，为此形成了天生港水道规划调整方案，即进行小切滩辅助进口的疏浚以达到规划方案的效果，该方案在规划方案的基础上，又来沙切滩缩至125 m，同时对进口段至通茂船舶间进行补偿疏浚，进口处宽度由300 m增至900 m，疏浚底高由-3 m降至-4 m。

本文利用二维潮流数模和物理模型，首先对规划的符合性以及规划方案的实施效果进行研究，接着对规划调整方案的技术可行性、效果及影响进行研究，为整治规划的调整提供技术支撑。

1 河道及水文泥沙条件

1.1 河段概况

天生港水道所处的如皋沙群段位于澄通河段中部，上接福姜沙水道、下连通州沙上段。澄通河段上起江阴鹅鼻嘴，下迄常熟徐六泾，河道全长约96.8 km。澄通河段为江心洲滩发育的分汊河道，河道内分布有福姜沙、民主沙、长青沙、横港沙、通州沙等沙洲(图1)。长江主流由鹅鼻嘴经肖山、长山导流岸壁导入福姜沙，福姜沙左汊下段又被双涧沙分为福北、福中水道，右汊福中水道水流至福姜沙尾和福南水道汇合，进入浏海沙水道；部分水流由福北水道进入左汊如皋中汊。如皋中汊为左汊，长约10 km，江面宽0.85～1.0 km，分流比为30%左右，右汊浏海沙水道江面宽约2.5 km，分流比约为70%。支汊如皋中汊的水流，至长青沙头部附近，大部分水流在老海坝下侧九龙港一带和浏海沙水道汇合，少部分水流进入天生港水道。其后长江主流紧贴南岸，经九龙港至十二圩港，脱离南岸过渡到南通姚港至任港一带，在汇入天生港水道的落潮流后紧贴左岸顺通州沙东水道下泄。通州沙水道为暗沙型多分汊河段，长江被通州沙分割为通州沙东水道、西水道。通州沙东水道的下段又被狼山沙分为狼山沙东水道、西水道。

天生港水道上接如皋中汊，下连通州沙东水道，长度约23 km。天生港水道的分流量仅占长江总流量的1%左右，水道内涨潮动力大于落潮动力。枯季大潮时涨潮量大于落潮量，涨潮输沙量大于落潮输沙量，水量和沙量倒灌。根据目前天生港水道的边界条件和水流特性，天生港水道大致分为两段：进口至捕鱼港为上段，长约14 km，水道两侧有固定边界，涨潮流动力较强，中部为一弯道河势，弯顶窄深，河床最深点约-7.0 m。捕鱼港以下为下段，长约12 km，左岸为固定边界，右侧为横港沙边滩，该段水道河势顺直，涨、落潮流动力相当。

1.2 水文泥沙概况

天生港水道进口距上游长江大通水文站450 km。据大通站至2017年来流资料分析，年均流量28 200 m3/s，年平均含沙量为0.428 kg/m3。历年最大流量为92 600 m3/s，最小流量4 620 m3/s，最大含沙量为3.24 kg/m3、最小为0.016 kg/m3。5～10月为汛期，流量及沙量超过全年的70%。相对于三峡工程运行前，洪峰平均流量减少约20%，最小流量增加约10%；沙量减小60%左右。

天生港水道河段处于长江河口段，为涨潮流占优的支汊，右汊浏海沙水道为长江主汊。根据工程区附近的天生港站资料，最大潮差4.01 m(85国家高程基准，下同)，平均高潮位2.10 m，平均低潮位约0.03 m。在径流与河床边界条件阻滞下，潮波变形明显，涨、落潮历时不对称分别约4 h和8 h[1-3]。

1.3 天生港水道附近水动力特点

图2 天生港水道实测流速过程线Fig.2 Field measured time series data of velocity at Tianshenggang channel

天生港水道为涨潮流占优的支汊。天生港水道较浏海沙水道先涨先落，涨潮初期，涨潮流沿天生港水道上溯，在弯顶上游附近与上游的落潮流交汇，随涨潮流增强，汇流点逐渐上提，随如皋中汊的水流由落转涨后一起上溯。落潮时天生港水道先落，上段落潮流速较大，下段由于过流面积增加落潮流速较小，当浏海沙水道转落时，部分落潮流经横港沙浅滩进入天生港水道。

据2008年6月实测资料(上游大通流量28 000 m3/s)，天生港水道进口和出口涨潮最大流速达2.21 m/s和0.95 m/s，落潮最大流速为1.26 m/s和0.87 m/s，涨潮平均流速为0.64 m/s和0.48 m/s，落潮平均流速为0.48 m/s和0.56 m/s(图2)。天生港水道上段、中段和下段的过水面积占整个河道断面分别为2%～3%、5%和7%，进口段涨、落潮分流比约为2%和1%。

20世纪70年代初期，由于其进口条件和河势的变化，1970～1985年，天生港水道沿程发生普遍淤积；1985～1998年，天生港水道河床处于调整变化时期，该时期天生港水道有冲有淤，总趋势为冲刷发展；1998年以来，天生港水道河势保持基本稳定，河床处于微淤态势[4]。

2 天生港水道规划方案及调整方案布置

2.1 天生港水道整治工程的目的

根据《规划》，工程目的在于改善天生港水道上口进流条件，维持天生港水道的航运及引排水功能，为开发水道两岸的岸线资源创造条件。

2.2 天生港水道整治规划方案

规划方案布置：又来沙切滩425 m(425 m表示切滩线至岸线最大垂直距离，下同)、切滩区疏浚至0 m+长青沙北角切滩+天生港水道上段疏浚至-3 m。规划阶段方案研究表明，天生港水道进口段水动力条件改善程度主要与长青沙北角切滩及疏浚有关，进口又来沙切滩范围影响作用很小。

2.3 天生港水道整治规划调整研究方案

图3 天生港水道整治规划调整研究方案布置示意图Fig.3 The planning and regulation adjustment scheme layout of Tianshenggang channel

随着近年来12.5 m深水航道整治等众多周边涉水工程的建设，水沙动力及河床冲淤发生相应调整，同时随着经济发展，在天生港水道进口附近建立了中铁三桥重工、华泰重工、通茂船舶、长青沙船舶等企业，特别是华泰重工等企业建立又来沙切滩位置，这些企业为地方经济的发展做出了较大的贡献。在这种新水沙、新工程环境条件下，需要对规划方案在新水沙条件下的适应性进行重新研究。

天生港水道整治规划调整研究进行过多方案的比选，最后推荐的调整方案是在规划方案的基础上，又来沙切滩缩短至125 m，将进口段至通茂船舶间进行补偿疏浚，进口处宽度由300 m增加到900 m，疏浚底高由-3 m降至-4 m，以下简称规划调整方案。

原规划方案与规划调整方案布置见图3。

表1 规划方案实施前后天生港水道沿程断面面积比较 (防洪设计水位5.00 m下面积)Tab.1 Comparisons of cross sectional area along Tianshenggang channel before and after planning scheme

3 规划方案和调整方案实施后效果

本研究利用数学模型计算和物理模型试验进行，研究的水文条件主要有97风暴潮、98洪水大潮和平均流量大潮。

3.1 规划方案实施后过水断面变化分析

原规划方案及规划调整方案实施后天生港水道沿程断面面积比较见图4(断面位置见图1)。由图可见，首先，天生港水道上段过水断面面积较中下段要小，这也是规划方案对上段进行疏浚的一个主要原因；其次，原规划方案和规划调整方案实施后，天生港水道进口段至弯顶的过水断面面积均有不同程度的增加，其中原规划方案断面面积增加13%～71%，调整方案断面面积增加19%～71%，最为狭窄的中上段疏浚范围内，调整方案断面面积最小增加幅度较原规划方案要大，说明规划调整方案疏浚区的深度及范围较原方案合理，具体见表1。

3.2 对分流比的影响

图4 规划方案实施前后天生港水道沿程断面面积Fig.4 Cross sectional area along Tianshenggang before and after planning scheme

平均流量大潮条件下，天生港水道整治工程实施后汊道涨、落潮分流比变化见表2。

由表2可见，各水文条件下，工程前涨潮和落潮分流比大致为2.0%、1.2%，调整方案和规划方案实施后，天生港水道的涨潮和落潮分流比均有所增加，其中涨潮分流比分别增加至2.5%和2.6%，增幅0.5%和0.6%；落潮分流比分别增加至1.5%和1.6%，增幅分别约为0.3%和0.4%。其他各汊道的分流比变化一般在0.1%内，说明天生港水道整治实施后，对各汊道的分流比影响不明显。

可见，天生港水道整治规划方案和调整方案都增加了天生港水道的分流比，调整方案涨落潮分流比增加0.3%～0.5%，规划方案增加0.4%～0.6%，均改善了天生港水道的水流条件[5-6]。

表2 平均流量大潮条件下天生港水道整治工程实施后分流比变化(断面位置见图1)Tab.2 Diversion rate variations after channel regulation works of Tianshenggang under averaged discharge during flood tide

5-a 涨潮5-b 落潮图5 天生港治理方案涨落潮流速变化Fig.5 Tidal current variations during flood and ebb tide after Tianshenggang regulation works

3.3 对潮位的影响

天生港水道整治工程实施后高、低潮位变化见表3。由表可见：工程实施后，高潮位的变化一般不大于0.02 m。工程区上游的如皋港、华泰码头低潮位则低潮位有所降低，98洪水大潮条件下最大降低0.05 m左右；疏浚区下游碾砣港、天生港站低潮位则有所抬高，98洪水大潮条件下最大抬高约0.06 m。调整方案的潮位变化幅度较规划方案潮位变化幅度相差不明显。

各水文条件下，距工程区较远的如上游的江阴站，下游的九龙港、营船港潮位站潮位过程基本没有变化，潮位特征值变幅在0.01 m以内，工程实施对上述水域潮位基本无影响。

表3 天生港水道整治工程实施后潮位变化统计表Tab.3 Tidal level variations before and after channel regulation works of Tianshenggang m

3.4 对流速、流向的影响

调整方案实施后涨落潮流速变化等值线见图5(97风暴潮)。

研究表明，整治工程实施后，天生港水道上段由于疏浚后水深增加，流速有所减小，涨落潮平均流速的变化大约为-0.05 m/s，天生港水道弯顶以下，涨落潮流速均有所增加，周圩河—小李港间平均流速增幅一般在0.05～0.10 m/s，局部区域的流速可达0.10 m/s，小李港以下，流速增幅逐渐减小，捕鱼港附近流速增幅一般在0.02～0.05 m/s之间。

邻近天生港水道整治工程的水域，流速略有变化但幅度一般在0.02 m/s内，其他区域的流速基本没有变化。

值得注意的是，两方案实施后，天生港水道的涨落潮分流比均有所增加，涨潮时出天生港水道涨潮水流增强后顶冲对开民主沙的左缘，落潮流增强水流会顶冲天生港水道弯顶的左缘。

3.5 小结

天生港水道整治规划方案和调整方案实施后，高潮位的变化一般不大于0.02 m；工程区低潮位有所降低且最大变化为-0.05 m左右；疏浚区下游低潮位抬高且最大变化为+0.06 m；工程周边的潮位变化不明显。

工程实施都增加了天生港水道的分流比，调整方案涨、落潮分流比增加0.3%～0.5%，规划方案增加0.4%～0.6%，均改善了天生港水道的水流条件，天生港水道整治工程起到了较好的效果。不过，两方案实施后均会增加下面两处的近岸流速，对岸坡防护不利，一是天生港水道进口对开的民主沙左缘，二是天生港水道弯顶左侧。天生港水道整治工程对周边其他区域的水动力影响不明显。

4 天生港水道治理规划调整方案综合分析

规划调整方案实施后减小了天生港进口的切滩面积，增加了进口段疏浚范围及深度。工程实施后水动力变化与规划方案实施后水动力变化趋势基本一致。规划调整方案在考虑周边新的工程环境、新的岸线利用情况等因素的情况下，对规划方案进行了优化，在保证整治规划方案实施效果、确保规划方案实施目的的情况下，提高整治工程实施的可能性，从工程实施后的水动力变化来看，调整方案是可行的。

有两方面值得注意，(1)两方案实施后，增强后的水流会顶冲天生港水道进口对开的民主沙左缘以及天生港水道弯顶左侧的近岸区域，因此，工程实施需加强民主沙该段左缘和天生港水道弯顶左缘近岸区域的防护[7]；(2)天生港水道是一条涨潮流占优的支汊，近年来一直处于缓慢萎缩态势中，需要辅以维护性疏浚来维持现有河势，而无论是规划方案还是调整方案，实施后上段涨落潮平均流速减小-0.05 m/s，这不利于天生港水道的维护。下一步应根据不断变化的周边形势和来水来沙条件，结合潮流泥沙数模、定动床物理模型试验从河势稳定、生态、环保等方面对规划整治调整方案做进一步研究。