福姜沙河段输沙、 边滩输移特征和动力机制研究*

刘高峰， 王统泽

(上海河口海岸科学研究中心， 上海201201)

福姜沙水道位于长江下游南京—浏河口段中部的澄通河段， 上起江阴大桥， 下至九龙港， 全长约40 km。 进口鹅鼻嘴处江面宽度仅1.4 km，长江主流经过鹅鼻嘴后， 被福姜沙分为左右两汊，右汊为鹅头形弯道。 福姜沙左汊宽浅顺直， 后被双涧沙分为福北水道和福中水道(图1)。 福中、福北水道受丰枯水文年和双涧沙头左右摆动的影响， 两者此消彼长； 福中水道兴衰与双涧沙头上下、 左右移动关系密切， 具有丰兴枯衰(或丰淤枯冲)的特征[1]。 福北水道后连接如皋中汊， 福中水道至福姜沙尾与福南水道合并进入浏海沙水道；如皋中汊为左汊， 浏海沙水道为右汊； 浏海沙水道和如皋中汊汇合在九龙港导流岸壁顶冲进入通州沙水道。 因此形成长江下游典型的多级分汊多级汇流的复杂河势格局， 故而各汊道输沙和演变特征对于航道的演变发育意义重大。

图1 福姜沙河段和靖江边滩沙体断面

福姜沙水道是南京以下河段航道治理的难点，也是长江口深水航道进一步向上延伸的关键控制河段之一。 在长江南京以下12.5 m 深水航道建设一期工程的双涧沙护滩工程的基础上， 交通运输部实施了长江南京以下12.5 m 深水航道建设二期工程， 对福姜沙水道等碍航水道实施整治工程，整治工程包括双涧沙护滩工程基础上堤头加长和两侧增加丁坝， 福姜沙左缘设置4 座护滩丁坝[2]。福姜沙水道的靖江滩下段出现周期性淤涨和切割下移， 易侵入福北水道， 以至于福北水道航槽淤浅导致水深不足， 因此， 福北水道易于淤积、 较难维护[3]。 在航道整治工程作用下， 仍需要对航槽边缘及航槽内淤浅部位进行疏浚， 以实现航道建设尺度目标。 因此研究靖江边滩的切割下移规律有助于对淤积规律的理解及航道维护的安排。

边滩和心滩底沙输移运动一直是研究上的难点。 由于缺乏比较可靠、 准确的现场测验仪器和方法， 底沙输移测量一直是水文测量难点， 往往是通过测量现场沙波运动等间接方式进行分析计算[4]。 韩玉芳等[5]通过局部模型底沙输移试验对长江口南港和南北槽分流口现状情况下的底沙输移进行了定量研究。 张世钊等[6]通过定床潮流及输沙试验对福姜沙深水航道整治方案引起汊道分流及分沙变化进行研究。 这些研究表明， 通过选择合适的模型沙进行定床输沙试验不失为进行底沙输移研究的一种重要手段。

鉴于靖江边滩切割沙体的运动对于本河段航道演变存在重要影响， 本文聚焦于研究靖江边滩沙体的运动速度、 动力机制和驱动因子的关系。本文的创新性在于根据试验结果提出了靖江边滩是以整体冲刷还是以下段切割下移方式运动的临界流量， 总结靖江边滩输移速度和主要驱动因子之间的函数关系， 并通过三维潮流泥沙数学模型计算含沙量和切应力过程， 指出福北水道易于淤积、 较难维护的动力原因。

1 研究方法

1.1 实测资料分析

在靖江边滩沙体尾部切割下移运动的路径上截取一个断面AB(图1)。 切割2010—2015 年期间各地形得到各年水深随时间变化曲线， 见图2。

图2 2010—2015 年水深的变化曲线

由图2 可见， 靖江边滩切割沙体开始是一个峰值和重心都比较高的沙波， 随时间逐步向下游运移， 沙波的峰值和重心高度不断降低， 明显表现出切割沙体向下游运移的过程， 而且运移速度表现出先快后慢、 由快变慢的变化特征。

1.2 物理模型冲刷输沙试验

设计3 个不同流量在长江口整体物理模型上开展冲刷试验， 以研究流量对于靖江边滩沙体冲刷位置和幅度的影响。 3 个试验方案的上游大通流量分别为4 万、 5 万和7 万m3∕s。 模型上福姜沙河段采用2014 年7 月地形， 控制潮型采用经过验证的大潮。 为了便于观测和记录， 在物理模型中绘制铺沙位置进行网格化(图3)， 横向每排5 个网格， 纵向10 排， 总50 个网格。 每个网格物理模型上的面积为0.06 m2， 共3 m2， 铺沙厚度为2 cm， 总共铺模型沙体积为0.06 m3。

图3 福姜沙河段铺沙位置

在模型上福姜沙河段的靖江边滩沙体铺沙，然后在试验过程中模型运行每隔2 个潮周期(约32 min)对靖江边滩铺沙区域的冲刷情况进行拍照。

1.3 三维潮流泥沙模型计算

本文采用三维潮流泥沙ECOM-si 模型， 已建立了1 个福姜沙河段局部模型， 模型的边界是从上游长江大通站—下游徐六泾河段。 模型中垂线水深分11 层，I方向节点数为337，J方向的节点数为225， 共75 825 个网格节点。 对福姜沙河段进行局部加密， 最小网格间距为55 m， 能够较好地贴合岸线和模拟工程。 模型计算了逐时含沙量场和切应力场， 可用于分析该河段泥沙输移特征。

2 结果和分析

2.1 靖江边滩切割沙体运移和驱动因子的关系

沙体运动的直接驱动因子是作用在沙体上的切应力， 其大小和该河段径流的大小、 潮差、 沙体迎水面高程和沙体迎水剖面倾角有关系。 潮差是周期性的物理变量， 所以从更长时间角度来看，潮差影响可以忽略。 为了研究切割沙体峰值的运移速度和驱动因子的关系， 首先定义沙体曲线断面的最高点和最低点的起点距差定义为x， 水深之差h， 则沙体迎水面形态坡度tanα=。 沙体运动主要与径流大小、 沙体高程和沙体迎水剖面倾角正切值有关系， 可以概括如下:

式中:Stop为切割沙体断面的峰值移动速度；Qfz为该河段径流量；h为沙体迎水面高程； tanα 为沙体迎水面形态坡度。 根据多年资料计算福左水道径流量Qfz， 计算2010—2015 年间靖江边滩下段切割下来的沙波移动速度、 宽度和高度， 以及沙波迎水面坡度tanα， 令综合驱动因子X=Qfzh·tanα，X与Stop关系见图4。 最后可得到沙体波峰移动速度Stop与沙体高度h， 沙体引水面坡度倾角α 和福左断面流量Qfz之间的关系:

图4 沙体移动速度和综合驱动因子的关系

以上关系式是沙体移动速度的经验总结， 虽然还存在量纲不统一的问题， 但可以用做一些定性和定量分析。 对于研究靖江边滩沙尾不断淤涨后再一次发生切割下移， 以上关系式可以用来预测切割的沙体的运动速度。

2.2 靖江边滩冲刷切割和上游流量的关系

2.2.1 7 万m3∕s 流量试验结果

在上游7 万m3∕s 流量试验中， 每2 个潮周期(模型运行时间约32 min)对靖江边滩铺沙区域进行拍照， 即对第2、 4、 6……14、 16 个潮周期后试验冲刷情况拍照。 据观察， 在上游流量为7 万m3∕s的情况下靖江边滩的冲刷非常剧烈， 铺沙区域在16 个潮周期后基本上冲刷殆尽， 模型上残留的模型沙见图5， 铺沙区域基本上冲刷殆尽，仅有个别网格上残存模型沙。

图5 模型运行16 个潮周期后冲刷情况(7 万m3∕s 流量)

2.2.2 5 万m3∕s 流量试验结果

在上游5 万m3∕s 流量试验中每2 个潮周期对靖江边滩铺沙区域进行拍照， 即对第2、 4、6 ……38、 40 个潮周期后拍照， 第40 个潮周期试验结束后模型上残留的模型沙见图6， 可见铺沙区域大部分被冲掉， 仅有若干网格上残存模型沙。

图6 模型运行40 个潮周期后冲刷情况(5 万m3∕s 流量)

2.2.3 4 万m3∕s 流量试验结果

在上游4 万m3∕s 流量试验中每4 个潮周期对靖江边滩铺沙区域进行拍照， 即对第4、 8、12……36、 40 潮周期后进行拍照， 第40 个潮周期试验结束后模型上残留的模型沙见图7， 可见模型上段网格上残留了较多模型沙， 下段网格大部分模型沙冲光， 部分网格残留了一些模型沙。

图7 模型运行40 个潮周期后冲刷情况(4 万m3∕s 流量)

根据试验中的观察以及图5 ～7 的对比可知:上游7 万m3∕s 流量的情况靖江边滩泥沙冲刷最剧烈， 在上游5 万m3∕s 流量的情况下， 冲刷强度下要大幅弱于上游7 万m3∕s 流量的情况， 但是冲刷发生部位基本相似， 表现在铺沙区上段先冲刷较多， 然后逐步发展到下段冲刷。 在上游4 万m3∕s流量的情况下， 靖江边滩的冲刷强度要弱于前两个流量的情况， 冲刷规律也有较大差异， 表现在上段冲刷较弱， 下段冲刷更强， 也就是说铺沙区上段冲刷不强， 其发生冲刷的部位主要出现中下部， 并形成明显的冲刷带， 模型上最终残留的泥沙较多。

总之， 铺沙区的泥沙冲刷强度、 冲刷重点部位和流量关系密切， 上游5 万和7 万m3∕s 流量呈现从上往下冲刷过程， 而上游4 万m3∕s 流量上段冲刷较弱， 下段冲刷强度更大并形成明显的冲刷带。 流量变大会导致这一带的河床调整变化会比较剧烈， 而且流量越大这一区域河床调整力度也越大。

2.2.4 冲刷试验结果和机理分析

统计3 种流量情况下在记录的试验周期内铺沙区冲刷的模型泥沙体积， 绘制出模型上冲刷的模型沙量随着时间变化的过程见图8。

图8 3 种流量下泥沙冲刷随时间变化

通过对比可知， 上游为7 万m3∕s 流量时曲线斜率最大， 说明冲刷速率最大， 在第15、 16 个潮周期时， 模型上的泥沙已经接近冲刷殆尽。 上游为5 万m3∕s 流量时曲线斜率次之， 说明冲刷速率介于7 万m3∕s 和4 万m3∕s 流量之间， 在最后2 个潮周期冲刷量比较稳定， 说明冲刷达到平衡。 上游为4 万m3∕s 流量时曲线斜率最小， 说明冲刷速率最小， 最后3 个潮周期冲刷量较为稳定， 说明冲刷达到平衡。 通过对比可知， 靖江边滩的冲刷强度和流量关系非常紧密， 流量大冲刷强度就大，流量小则冲刷强度小。

究其原因， 上游流量越大福姜沙河段主动力轴线就越趋直， 流量越小福姜沙河段主动力轴线就会向左侧偏转， 由此导致了靖江边滩冲刷位置和程度不同。 流量大时主动力轴线虽然趋直， 但是水流在边滩滩面产生的切应力非常大， 从而导致靖江边滩沙体整体冲刷强度大， 从而产生大面积快速冲刷。 而上游流量越小的时候水流在边滩滩面的切应力相对减小， 但流量越小导致的主动力轴线越向左侧偏转， 其产生的顶冲点就直接对准靖江边滩沙下段， 产生了下段冲刷强度大于上段的现象。 因此靖江边滩的发育、 切割下移等周期性变化主要驱动因子为福姜沙左汊的主动力轴线摆动以及相应的顶冲点移动， 上游流量大于4 万m3∕s靖江边滩沙会出现整体冲刷下移， 而上游流量等于4 万m3∕s 时靖江边滩沙下段会出现切割下移。 因此初步证明， 靖江边滩沙是以整体冲刷下移还是以下段切割下移的方式运动的临界流量为4 万m3∕s左右。

总之， 因为上游流量大小直接影响动力轴线的摆动， 在新水沙条件下， 极值流量(7 万m3∕s)持续时间减小， 而次级流量(5 万m3∕s)持续时间延长。 次级梯级流量的持续时间延长导致了其动力轴线及顶冲点维持时间增加， 从而导致靖江边滩下段的切割程度加剧， 从而进一步影响下游航道演变。

2.3 不同流量下福姜沙河段切应力和含沙量关系

根据实测水文资料可知， 总体上福姜沙河段的含沙量比较小， 大潮时段垂线平均含沙量在0.1 kg∕m3以内。 文献[6]表明， 该河段主要是床沙以推移质运动方式进行造床。 含沙量和推移质运动强弱主要取决于水流动力， 含沙量的平面分布和输移形式在一定程度上代表推移质运动的趋势， 因此研究含沙量输移分布对于研究推移质输移有很强的指导意义。

水流作用于床面的切应力是泥沙起动输移的直接动力因子， 潮流泥沙数学模型计算了4 万和6 万m3∕s 流量下的底层含沙量和切应力的分布， 见图9。

图9 上游4 万和6 万m3∕s 流量下含沙量和切应力

由图9 对比可知: 在上游4 万m3∕s 流量条件下， 河床切应力和含沙量均略有增加； 在上游6 万m3∕s流量条件下， 河床切应力和含沙量都大幅增加。

从平面分布上来看， 在空间上河床切应力较大值主要集中河槽深处， 在时间上出现在落急前后。 在空间上含沙量较大值主要出现在靖江边滩—福左水道一带， 时间上主要出现在落急之后。因此， 含沙量和切应力极大值在空间上并不呈现严格的对应性， 切应力增大掀起泥沙后再由潮汐动力输移， 泥沙输移有自身的规律特点。 在小流量时输沙路径靠南， 福中水道为主要输沙通道， 而大流量时输沙路径靠北。 因此， 靖江边滩—福左水道—福北水道一带是主要的输沙通道， 也说明是底沙的主要输移通道。 当大洪水持续作用下， 因为有很多泥沙进入福北水道， 所以容易出现大幅淤积。 因此， 上游流量大小是福姜沙河段输沙主要的动力因子， 也是其河床调整变化的主要动力因子。

3 结论

1)切割沙体的峰值和重心移动速度及其驱动因子河段径流、 沙体迎水面高程和沙体迎水面形态等均呈正相关性， 并且总结出相应的关系式。

2)靖江边滩是以整体冲刷还是以下段切割下移方式运动的临界流量为4 万m3∕s。 上游流量大小直接影响动力轴线的摆动， 新水沙条件下次级梯级流量持续时间延长导致了其动力轴线及顶冲点维持时间增加， 从而导致靖江边滩下段的切割程度加剧， 进一步影响下游航道演变。

3)含沙量和切应力在空间上并不呈现很好的对应性， 靖江边滩—福左水道一带是主要的悬沙输沙通道， 也是主要的底沙输移通道， 这也是这一带河床调整变化比较剧烈的原因。 流量越大这一区域河床调整力度也越大。 上游流量大小是福姜沙河段输沙主要的动力因子， 也是其河床调整变化的主要动力因子。

4)在小流量时输沙路径靠南， 福中水道为主要输沙通道， 而大流量时输沙路径靠北， 福北水道是主要输沙通道。 当大洪水持续作用下， 因为有很多泥沙进入福北水道， 所以容易出现大幅淤积。