长江口太仓段险工近期发展新特点及趋势

2020-01-02

人民长江 2019年12期

(长江水利委员会水文局长江口水文水资源勘测局，上海 200136)

长江口太仓段上起白茆口，下至浏河口，拥有38.8 km的岸线以及国家重点建设的12.5 m深水航道，具有天然江海联运区位优势。随着20世纪90年代太仓段一系列岸线整治工程的完成，太仓港已成为优良港口，进驻了一批重要港口码头企业[1-2]。进入新世纪以来，国家和地方高度重视太仓港的建设和运营，太仓港被定位为上海国际航运中心重要组成、江海联运中转枢纽港，对长三角地区经济的发展具有举足轻重的作用。

长江堤岸险工险情影响重大，我国很早就有学者开展了长江崩岸险情的研究工作。张引川[3]等认为造成长江下游窝崩的主要因素是水流条件。在水深流急、单宽流量大的条件下，河岸抗冲薄弱的部位淘刷后，形成强大的回流，对河岸造成剧烈的冲刷。唐日长[4]等根据荆江河道实测资料，分析认为影响弯曲河道中凹岸崩坍强度的主要因素为作用于河床的水流强度，并认为汛期水流对崩岸起着主要作用，崩岸强度主要决定于水流输沙能力。李宝璋[5]在分析长江南京河段窝崩成因时提出形成窝崩的动力是大尺度纵轴水流方向螺旋流。螺旋流从面层分离出近似窝崩口门宽的一股流量，以大于两旁的流速进入口门内，接着转变为竖轴螺旋流，形成高速回流并由面层向底层运动，对窝底产生强烈的下切冲刷力，从底部带走大量泥沙向窝外运动。以上工作都是基于长江口以上河段出现的险工险情进行的研究，采用的数据时间较早，缺乏一定的完整性和精度。

长江口段险工原来主要位于北支启东海门一带，以崩岸为主，南支太仓段险工是近年新出现的险工段。太仓河段原堤外滩地宽达1 km，滩地高程普遍在-3 m以上，为宽广河漫滩。自1997年以来，太仓先后实施了7期岸线调整工程，将太仓段堤防外推1 km左右，从此太仓拥有了优良的深水岸线[6]。近年来，随着流域来水来沙的变化以及长江口河段重要河道及航道整治工程的实施，长江口河段局部河势发生调整[7-9]，长江中下游干流河道崩岸险情时有发生[10-13]。2016，2017年长江中下游连续发生较大洪水，加大了长江口南支河段局部河床冲刷。根据长江水利委员会水文局长江口局历次实测资料，太仓段上游美锦码头2011年-20 m等高线距码头前沿102 m，至2018年初已仅仅只有47 m；2011年-30 m等高线距离美锦码头前沿112 m，2018年初已缩短至59 m；武港码头前沿水下刷最深处已至设计泥面以下18m；华能港务码头局部水下刷深已至设计泥面以下16m，因事态紧急，华能港务公司于2017年下半年紧急抛石45万多m3，对码头前沿进行了应急抢护。鉴于太仓段出现的险情，长江防总办公室发出《关于做好长江中下游河道崩岸险情监测预警工作的通知(长防总办[2017]292号)》将白茆口以下新太海汽渡至浏河口列为Ⅰ级预警险工段。为摸清太仓险工段最新情况，探究太仓险工段最新特点及发展趋势，长江口水文局在太仓段开展大比例尺局部地形、固定断面及水动力数据采集，采用水下地形测量领域最先进的多波速测深系统和水动力测量领域成熟应用的ADCP仪器，获取最准确的一手资料。基于太仓险工段最新监测数据，笔者开展了相关的分析研究工作。

1 研究区域

为全面了解太仓段长江河势情况，根据此前地形监测情况，自白茆口下游新太海汽渡至七丫口布置10个固定断面，2018年在汛前、汛后观测2次，以分析南支大河势最新变化；自新太海汽渡至七丫口，自南岸至河道深泓，布置1∶2 000大比例地形监测区域，2018年分别在汛前、汛中、汛后进行3次观测，以准确了解太仓险工段最新河床冲淤变化情况；同时，在太仓沿江重要码头各布置一个观测断面，以观测码头前沿局部变化情况；在白茆沙南北水道各布置一个断面，以观测白茆沙南北水道水动力场及分流比。现场观测布置方案见图1。本文采用的相关数据均来自长江口水文水资源勘测局。

图1 研究区域及观测方案布置示意Fig.1 Survey region and survey layout

2 河段水沙特性

大通为长江入海最后一个径流控制站，大通站自20世纪50年代开始有系统流量数据。徐六泾站为长江上最下游的国家重要基本水文站，徐六泾站2005年建成ADCP在线测流系统，2009年引入OBS浊度仪，结合ADCP进行输沙率测验试验，2011年开始取得较为完整的输沙量资料。本文以大通站水沙资料代表流域来水来沙情况，以徐六泾站的潮汐水沙数据代表本河段潮汐水沙情况。

2.1 流域来水

据大通水文站资料统计(图2)，1950年以来大通站年径流量平均值为8 954亿m3，2003年以来多年平均径流量为8 597 m3，略低于1954年以来的平均值；2010年以后大通站年径流量平均值8 968亿m3，与1950年以来的大通年径流量持平；2018年大通径流量为8 035亿m3，比多年平均径流量少10%，2018年长江流域来水量偏枯。从2010年以后的径流量情况来看，2010，2012，2016年为丰水年，2011，2013，2018年为枯水年，2014，2015，2017年为平水年。长江流域来水量多年保持相对稳定。

图2 大通站多年径流量变化Fig.2 Runoff variation of Datong station

2.2 流域来沙

据大通水文站资料统计(图3)，1951年以来大通站年平均输沙量为3.57亿m3。但自20世纪80年代以来，长江流域来沙一直处于较低数值[9-10]，2003年三峡工程蓄水运用以后，长江流域来沙量更下降了一个台阶。2018年大通年输沙量为0.83亿t，达到历史以来极低的来沙量水平。随着长江中上游水土保持工作的开展及流域闸坝工程的建设和运营[14]，长江入海泥沙将长期维持在较低水平。

2.3 徐六泾潮流

自2005年以来，徐六泾断面历年涨潮量平均为4 140亿m3，历年落潮量平均为12 830亿m3，历年净泄潮量平均为8 687亿m3，年落潮潮量是涨潮潮量的3.1倍。历年中2010年净泄潮量最大，为10 440亿m3。2005～2016年年潮量特征值见图4。

历年年均涨潮流历时为3.84 h，年均落潮流历时为9.18 h，平均潮流历时落潮是涨潮的2.4倍，历年平均潮周期为13.02 h。汛期(5～10月)平均涨潮流历时为3.40 h，平均落潮流历时为10.06 h；非汛期(11月至次年4月)平均涨潮流历时为4.28 h，平均落潮流历时为8.29 h。

图3 大通站多年输沙量变化Fig.3 Sediment discharge variation of Datong station

图4 徐六泾站多年潮量变化Fig.4 Runoff variation of Xuliujing station

徐六泾站历年平均潮位0.82 m，历年最高潮位4.83 m(1997年)，出现在洪季台风期间；历年最低潮位-1.26 m(1999年)，出现在枯季。

2.4 徐六泾输沙

2011～2015年历年涨潮输沙量年平均为4 640万t，年落潮输沙量年平均为14 400万t，年净泄沙量平均为9 750万t，年落潮潮量是涨潮潮量的3.1倍。年落潮输沙量和净泄沙量大小与来水量密切相关，2012年和2016年为丰水年，其对应的年落潮输沙量和净泄输沙量相对比较大。2011～2016年徐六泾断面年输沙量特征值变化见图5。

图5 徐六泾站多年输沙量变化Fig.5 Sediment discharge variation of Xuliujing station

3 险工段最新发展

3.1 平面变化

河道平面变化主要特征表现为等高线的变化。2011～2018年，钱泾口至荡茜口一带-30 m等高线逐渐逼近南岸，且-30 m深槽向上游发展延伸；-40 m等高线变化特征依然如此，即-40 m深槽发展，且向南岸明显逼进，对太仓侧码头造成安全威胁(图6～7)。

图6 局部-30 m等高线变化Fig.6 Local region contour line variation of -20 m

图7 局部-40 m等高线变化Fig.7 Local region contour line variation of -40 m

2018年年内太仓险工段局部河段-15 m等高线主要在润禾码头前沿上游侧,其向码头前沿逼近非常明显，华能太仓电厂前沿上游侧-15 m等高线也大幅向码头逼近；-20 m等高线主要表现为润禾码头前沿-20 m等高线向码头逼近；-30 m等高线主要变化位置也位于润禾码头上游，向码头逼近明显，正和兴港码头以下区域-30 m深槽向下游冲刷发展；-40 m等高线依然在润禾码头处等高线向码头侧明显逼近，-40 m等高线深槽下端依然明显向下游冲刷发展。

3.2 断面变化

3.2.1全江固定断面变化

从10个固定断面观测结果来看，断面变化情况主要位于太仓侧河床范围内。以TC04断面为例(图8)，TC04断面横跨白茆沙沙体，南侧位于鑫海码头附近，北侧在新建河附近。从断面变化情况看，白茆沙北水道深槽近年有所刷深，白茆沙南侧沙体附近表现为向南侧缓慢淤涨，白茆沙南水道深槽表现为持续向下冲刷特征，深槽南侧向南岸冲刷后退。TC08断面也表现为白茆沙南水道深槽北侧向南岸淤涨，深槽底部冲刷下切，深槽南侧向右岸冲刷后退的特征。

图8 TC04和TC08断面变化Fig.8 Section variation of TC04 & TC08

对比其他固定断面成果发现，太仓境内深槽有逐渐向南岸移动趋势，范围在TC03～TC08之间，即新泾河至浪港之间，这6个断面均表现为：深槽左侧向右淤涨，右侧向岸冲刷，深槽底部刷深。这种趋势性变化，对该段右岸码头群的安全稳定影响较大。

3.2.2局部险工断面变化

为更清楚地了解太仓侧局部码头断面的变化情况，在太仓侧沿岸码头布置数个加密观测断面，收集2018年前的同比例尺测量成果并进行对比。根据历次断面数据对比分析发现，太仓段局部断面冲淤变化较快，部分码头前沿冲刷明显，已危及码头的安全稳定。

以润禾码头和华能港务码头所在断面为例(图9)，自2015年以来，润禾码头前沿河床深槽向南岸方向逼近十分明显，2015～2018年前沿深槽槽壁向码头逼近了约55 m，以每年18 m的速度向码头推进，至2018年11月，深槽边缘距离润禾码头前沿仅剩约30 m左右；华能港务码头2015年10月至2017年9月，码头前沿河床冲刷十分剧烈，两年间码头前沿高程由-16.6 m冲刷至-32 m，深槽已推进至码头前沿，码头安全稳定受到严重的威胁。为保证码头的安全，华能港务码头运营企业主自2017年9月至2018年4月在码头前沿实施紧急抛石守护，抛石45万m3。从华能港务码头前沿断面变化情况来看，抛石起到了守护码头的作用。

图9 局部险工断面变化Fig.9 Variation of local dangerous sections

3.3 深泓变化

从2018年年内太仓段局部深泓线变化情况来看，太仓段沿线深泓距太仓各企业码头的最近距离变化不大。局部深泓有一定变化，主要表现为鑫海码头上游端深泓向码头有一定幅度逼近；美锦码头前沿深泓也有小幅内移；浪港以下深泓与岸线平行而下，没有向太仓沿岸码头逼近的发展趋势。

3.4 冲淤变化

根据2016～2018年期间不同测次数据构建的DEM网格进行了冲淤计算，计算结果见表1。

表1 不同时段冲淤速度Tab.1 Sediment erosion and deposition rate during different periods m/月

由计算结果可知，计算区域内冲淤均有发生，2018年年内冲刷主要发生在汛期(5～8月份)，且冲刷主要发生在-20～-40 m区间内。根据冲淤计算平面分布情况，2018年发生冲刷最为明显处位于润禾外侧，形成坑状冲刷；华能电厂码头上游端外侧也形成明显局部冲刷。

根据长江口水文水资源勘测局实测水文数据，近年来白茆沙北水道涨潮分流比变化不大，多年平均近30%，但落潮分流比持续减小(图10)：2002年9月大、中、小潮平均为39.3%，至2018年11月，白茆沙北水道落潮分流比为27%，净泄量分流比为19.8%，白茆沙南水道落潮分流比为73%，净泄量分流比为80.2%，均为2002年以来的最小值和最大值。

落潮分流比增大是太仓段主槽冲刷加深的客观因素之一。

图10 白茆沙南北水道落潮分流比Fig.10 Diversion ratio of Baimaosha channel

4 结果与讨论

鉴于太仓段2018年以前施测的地形比例为1∶10 000，2018年对太仓段局部地形施测比例为1∶2 000，两种比例尺数据采集密度不同，进行比较会产生较大偏差，故本文主要以2018年施测数据进行分析。

自2018年以来，长江口太仓段河床发生持续冲刷，已危及部分企业码头安全，华能港务码头不得不实施紧急抛石守护。根据观测结果，太仓段主槽持续发生冲刷，深槽向南岸逼近。太仓沿岸鑫海码头、润禾码头、武港码头、华能港务码头前沿河槽冲刷均较为剧烈，其中润禾码头2018年8月至11月深槽向码头方向逼近了约15 m，最大冲深约7 m，冲刷发展极为迅速。根据白茆沙断面水文测验数据分析，该区域落潮历时约为涨潮历时的2倍，落潮流极大值、平均值均大于涨潮流，即落潮流为太仓河段河床主要造床动力。根据实测流速分布(图11)，落急时南岸润禾码头所在位置垂线流速分布，底部流速大于上层流速，河槽底部受冲明显。该断面流速分布特点揭示了润禾码头位置底床剧烈冲刷的物理原因。

近些年来，长江口地区先后完成了太仓边滩系列整治工程、白茆沙整治工程等工程，长江口段河道边界也随之发生了变化。长江口局基于Delft 3D水动力FLOW模块，建立了长江口三维水动力模型，模拟白茆沙整治工程、太仓边滩整治工程修建前后同等来水条件下，太仓河段水动力的变化情况。根据模型试验结果，白茆沙整治工程、太仓边滩整治工程修建后，随着上游来水量的增大，相同潮型下落急时刻流速增大，涨急流速减小，流速增大的区域主要集中在新泾河和荡茜口之间，流速增大幅度在10%～25%左右；太仓河段流向同样发生变化，近岸断面位置落急流向增大，如润禾码头近岸枯水年枯季落急流向增大达14°，落急流向的增大造成向岸的冲刷，这也印证了当前润禾码头一带码头前沿河床快速冲刷的部分成因。