长江口徐六泾节点段河槽稳定性及其影响因素

2022-01-23柴朝晖黄卫东

长江科学院院报 2022年1期

柴朝晖，王茜，渠庚，黄卫东

(1.长江科学院河流研究所, 武汉 430010; 2.水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

长江口是我国第一大河口，其在流域减沙及人类活动的双重影响下的演变过程和变化趋势是目前研究人员关注的热点之一[1-4]。徐六泾节点段作为长江河口区的起点段，控制着长江口的物质通量和南北支的分流分沙，其演变过程和趋势对整个长江口的演变有着重要的作用。众多学者对此河段的冲淤演变机制进行了研究：李键庸[5]提出徐六泾节点段整治工程的实施能稳定其节点作用；余文畴和张志林[6]利用1984—2006年的资料分析了徐六泾节点附近的河势变化；朱庆元等[7]根据1970—2014年的实测资料分析了长江徐六泾河段白茆小沙近期演变特征；栾华龙等[8-9]采用1997—2015年的资料通过大尺度的冲淤计算发现徐六泾—横港沙之间的河段自20世纪80年代起已呈现净冲刷态势。然而，目前对该河段河槽稳定性及未来趋势的定量预测还不够深入。因此，笔者采用实测资料分析和物理模型试验相结合的方法研究了长江口徐六泾节点段河槽的稳定性、变化趋势及影响因素，以期能为该河段的综合整治、保护和可持续开发利用提供基础支撑。

2 研究区域及方法

2.1 研究区域

徐六泾节点段自徐六泾至白茆河口，是长江口近口段到河口段的一个节点性过渡段，上接狼山沙水道，下连白茆沙水道。

该河段受径流和潮流双重影响，但潮流作用相对较弱，塑造本河段河床的主要动力为径流占主要部分的落潮流(2005—2016年间徐六泾站年均落潮潮量是涨潮潮量的3.1倍)。河段床沙主要是细沙，床沙粒径分布为：主槽床沙较粗，中值粒径d50为0.13～0.25 mm，江心沙滩上底沙较细，d50一般在0.1 mm左右。近年来，为稳定徐六泾节点，增强徐六泾河段的束流、导流作用，该河段实施了新通海沙围垦工程、南侧的白茆小沙围垦堤工程和白茆沙头部整治工程等整治工程。

2.2 研究方法

基于水文、泥沙和地形实测资料，通过提取特征等高线、绘制典型横断面年际变化图分析近年来河槽变化，并利用物理模型试验对河槽稳定性进行预测。

物理模型试验动床部分模拟范围上起常浒河口，下至白茆沙洲头整治工程头部(图1)，由于试验主要研究工程河道河槽的变化趋势，根据水流近岸流线形状在0～-5 m之间选择一条相对平滑的线作为定、动床的分界线。根据该河段床沙实测资料，工程河段原型床沙中值粒径约为0.102 mm，在基本满足沉降相似、起动相似和扬动相似的条件下，模型采用中值粒径为0.14 mm、干重度为7 kN/m3的塑料沙作为模型用沙；对于悬移质床沙质，选用粒径为0.17 mm的塑料沙作为床沙质予以模型加沙控制(限于篇幅，模型比尺和模型沙只给出了结果，具体推算过程略去，具体可参考文献[10])，徐六泾节点段物理模型比尺详见表1。

图1 徐六泾节点段物理模型示意图Fig.1 Schematic diagram of physical model ofXuliujing node reach

表1 徐六泾节点段物理模型比尺Table 1 Scale used for physical model of Xuliujingnode reach

为模拟长期水沙系列下该河段河槽的变化趋势和大洪水的影响，水沙系列年采用三峡蓄水以后的2009—2018年系列水文年+百年一遇水文年，其中，2009—2018年系列水文年根据大通站流量和含沙量变化特征概化为93级；百年一遇水文年进口流量过程按百年一遇洪峰流量与1998年最大洪峰的比值关系(放大系数为95 300/81 200)放大1998年汛期(主要是25 000 m3/s流量以上洪水时段)来水过程得到，含沙量则根据大通站流量-含沙量关系的下包线获得。下游潮位边界条件则在各典型年内选取了不同时段(洪、中、枯期)的大、中、小潮作为代表潮型，选取过程中还考虑了最高潮差和月份分布的影响。

3 模型验证

模型验证试验起始地形采用2016年10月份测量的1∶10 000的水下地形图制作，验证试验进口水文条件采用大通站实测流量和输沙率资料，出口采用相应控制站的实测潮位资料。

3.1 潮水位和流速验证

对模型2018年8月份徐六泾站潮位过程、2019年11月份新江海河断面(图1中2#断面)SW6测点流速过程同步验证，结果如图2所示。从图2可以看出，徐六泾站模型与原型的潮位过程吻合程度较好，通过分析比较，差值一般在0.03 m内，SW6测点模型和实测流速相差不大，涨落潮过程基本吻合，平均流速偏差在10%以内，符合相关规程要求。

图2 典型测点潮位和流速实测和模型值对比Fig.2 Comparison of tide level and flow velocitybetween measured and modeled values at typicalmeasuring points

3.2 河床冲淤验证

河床冲淤验证终结地形采用2018年11月份最新实测1∶10 000的水下地形。图3为典型断面原型和模型冲淤变化对比(典型断面位置见图1)。由图3可知，在河槽部位的模型冲淤变化与原型基本相似，边滩部位模型淤积量偏小，特别是高滩部位，主要原因是水沙条件的概化造成模型中的洪峰流量变小，但冲淤幅度误差一般都在0.50 m以内。从分段冲淤量来看，常浒河口—苏通大桥段模型冲淤量与原型的偏差为-4.01%，苏通大桥—新江海河段模型冲淤量与原型的偏差为9.40%；新江海河—白茆沙头部段模型冲淤量与原型的偏差为3.51%。综上，模型冲淤部位基本与原型相似，冲淤幅度和冲淤量的幅度误差符合相关规范的要求。

图3 典型断面实测和模型值对比Fig.3 Comparison of topography of typical sectionsbetween measurement and modelling

4 结果与讨论

4.1 河槽近期平面变化

以-10、-20、-30、-40、-50、-60 m槽深为例分析徐六泾节点段河槽平面变化(受限于篇幅，图4和表2中仅展示了部分河槽年际变化)，具体如下：

(a) -30 m槽

表2 徐六泾节点段-20～-60 m槽特征值统计Table 2 Characteristic values of - 20-60 m channelin Xuliujing node reach

1997年以后-10 m槽基本稳定，仅进口段和出口段存在局部的冲淤变化。2006年后，-10 m槽进口段随着上游新开沙夹槽的发展向北冲刷，南侧-10 m深槽相对稳定，而新开沙沙尾延伸而下的-10 m等高线相对活跃，存在局部的南北摆动。徐六泾出口段-10 m槽与下游连通。1997年后白茆小沙夹槽进一步刷深，开始出现-10 m槽，且不断向上游发展；2006年后，其深槽向下冲刷发展，2016年与下游-10 m槽连通；2016—2018年间，-10 m深槽位置基本稳定，仅有小幅度的左右摆动。

2001年前-20 m槽金泾塘以上平面形态及位置较为稳定，金泾塘以下的槽尾段变化较为显著，总体表现为槽尾的南偏及上提(1983—2001年间，-20 m槽槽尾南偏约1.2 km，上提约3.3 km)。2001年后，槽尾呈逐年下挫的趋势，2001—2018年间累计下挫约2.3 km。

2003年-30 m槽贯通，2003—2006年间，该槽北侧冲刷，槽宽由240 m增至510 m左右；2006年以后，随着苏通大桥建设和运行，-30 m槽出现一定的冲刷，幅度在250 m以内；2006—2018年间，槽尾略有下挫，幅度在350 m左右。

2001年前-40 m槽只出现在苏通大桥桥位断面以上，受狼山沙东水道主流线摆动的影响，该槽头部年际间变幅较大，有逐年上提的趋势，1998—2019年间，槽头部上提约2.5 km，槽尾位置相对稳定，下距苏通大桥桥位断面420—780 m之间。随着苏通大桥建成(2005年8月份主桥桥墩建成)，2006年苏通大桥下游开始出现-40 m槽。该槽上边缘距离苏通大桥约850 m，分为上下2个部分，2006—2018年间位置和面积相对稳定，变化不大。

与-40 m槽类似，2006年后苏通大桥下游开始出现-50 m槽，距离苏通大桥桥址断面约1.2 km，面积仅约0.012 km2；至2016年，该槽位置下移约200 m，面积增加至0.046 km2；2018年，原槽面积增加至0.16 km2，且在其下游约1.8 km处形成一个新的-50 m槽，面积约0.045 km2。同时，自2016年开始在苏通大桥下游出现了-60 m槽，深槽面积约0.008 km2，2018年该深槽面积增大至0.040 km2，主要表现是深槽头部向上游延伸。

综上，徐六泾节点段河槽近期以冲刷为主，平面上主要表现为河槽的上提下挫，深槽最深点呈下降趋势。

4.2 典型断面近期变化

选取徐六泾断面(进口段)、金泾塘断面(中段)和白茆河断面(出口段)3个断面分析徐六泾节点段典型断面的变化，如图5所示。

图5 徐六泾节点段典型断面变化Fig.5 Changes of typical sections of Xuliujingnode reach

徐六泾断面河槽位置较为稳定，历年最深点摆动幅度不超过300 m；河槽右侧的边滩较为稳定，冲淤幅度较小，而河槽左侧边滩则相对变化频繁，冲淤交替，幅度在7 m左右。1992年前金泾塘断面河槽略向右移动，1992后断面形态整体变化不大，右侧次深槽有所刷深，2016年达到最深(高程约-33.2 m)，2016—2018年间出现回淤；1998—2006年右侧白茆小沙夹槽出现较大幅度的冲刷，2006年以后仍以冲刷为主，但冲幅在2 m以内。白茆河断面呈复式断面形态，根据断面冲淤变化特征可分2个阶段：1992年前为“冲淤剧烈”阶段，1978—1992年间，断面最深点右移约2 140 m。1992年后为“缓慢冲淤”阶段，断面冲淤幅度在5 m以内，2007 年后，随着新通海沙围垦工程的实施，河宽缩窄1.2 km左右；南侧边滩、主槽、白茆小沙尾部冲刷明显，与2006年相比，平均冲深约1.5 m，且2016—2018年主槽最深点冲深约2.6 m。

综上，1992年前徐六泾节点段河槽总体向右移动，1992年以后，河槽平面位置基本稳定，演变趋缓，近期河床断面呈缓慢刷深之势。

4.3 河槽变化趋势

图6为不同水文年作用后的徐六泾节点段河床平面冲淤变化。从图6可以看出，2009—2018年水文年作用后，工程河段河床冲淤交替，河槽以冲刷为主，幅度在6.3 m左右，白茆河出口端河槽最大冲深约5.1 m；白茆沙南水道进口呈冲刷态势，幅度在1.5～2 m之间，北支进口表现为淤积态势；2009—2018年+百年一遇水文年作用后，河床总体呈现冲刷态势，河床变化幅度较平常水沙年明显增大，其中，徐六泾主槽左侧、苏通大桥下游主槽、白茆沙南水道进口段冲刷幅度较大，白茆河断面主槽冲刷幅度约为14.7 m，白茆沙头部上游河床淤积明显，幅度在1～2.8 m之间。

图6 不同水文年作用后的徐六泾节点段河床平面冲淤变化Fig.6 Changes of riverbed plane erosion and deposition in Xuliujing node reach before and after the action ofdifferent hydrological years

图7为不同水文年作用后的徐六泾节点段-20～-50 m河槽变化。由图7可知，2009—2018年水文年作用后，-20 m槽持续扩大，尤其是金泾塘口以下河段-20 m槽更加平顺且宽度增大，槽尾向下游延伸约756 m，槽宽增加约632 m；-30 m上下深槽冲刷贯通，深槽宽度变化不大，槽尾有所拓宽下延；主流进口段的-40 m深槽平面变化不大，苏通大桥下游2个-40 m深槽有所发展，深槽面积分别增加约34.8%和45.4%； -50 m槽整体冲刷发展，但平面位置变化不大。2009—2018年+百年一遇水文年作用后，-20～-50 m槽的变化与2009—2018年水文年条件下的变化相似，只是冲刷幅度有所增加，但值得注意的是，在现有-30 m深槽下游约910 m 处出现一个新的-30 m槽，面积约0.71 km2。

图7不同水文年作用后的徐六泾节点段典型等高线变化Fig.7 Typical contour changes of Xuliujing node reachbefore and after the action of different hydrological years

综上，徐六泾节点段未来滩槽格局基本稳定，河槽仍以冲刷为主，且有向下游缓慢发展趋势。需注意的是，大洪水作用下局部河床仍会出现较大的调整。

4.4 影响因素分析

4.4.1 河道边界条件

徐六泾节点段历史上主流顶冲常熟岸线，致使江岸崩坍，18世纪开始常熟岸线先后修建海塘及一系列桩石工程，南岸地质条件较好，长期处于稳定状态。

1954年通海沙围垦成陆，1957年通海沙并北岸，1958年北岸开始进行了一系列围垦工程，1965年江心沙围垦成陆，1973年江心沙并北岸，江面由原来的15.7 km缩窄至5.7 km。2007年南岸进行了常熟边滩围垦，2008—2013年实施新通海沙围垦工程，苏通大桥下游附近江面宽缩窄到4.5 km左右。这些工程的实施，使徐六泾节点段河道边界趋于稳定。

4.4.2 大洪水

大洪水造床能力强，甚至引起河势发生较大的变化。对徐六泾节点段而言，受1983年大洪水主流趋直的作用，进入徐六泾河段主流的顶冲点由徐六泾附近下移至徐六泾下游，造成徐六泾至白茆河口的大片水下边滩被切割，最终导致白茆沙南水道上口出现大幅度淤塞，主流集中冲刷白茆沙北水道上口。2016年和2017年，长江下游连续发生较大洪水，其中2016年大通站实测最大流量70 700 m3/s，平均流量为33 100 m3/s，年径流量为10 450亿m3，为1998年以来的首位，日均流量>45 000 m3/s(河段平滩流量)的时间达到120 d，2017年来水也相对偏丰，大通站实测最大流量也达到70 600 m3/s。这两年来水量均较大，大水的造床作用显著，2018年在现有-50 m深槽下游出现新的-50 m深槽与这2场洪水有直接的关系，并且大洪水作用下河床局部会出现较大调整。这在我们的模型试验中也有体现(2009—2018年+百年一遇水文年作用后，现有-30 m深槽下游约910 m 处出现一个新的-30 m槽)。

4.4.3 上、下游河势

徐六泾上游通州沙东水道目前全潮平均分流比为90%左右，东水道为主汊的河势格局将得以长期维持，下游白茆沙河段随着深水航道一期工程的实施，白茆沙沙头后退得到有效守护，也将长期维持主流偏靠南岸的河势格局。因此，上、下游对工程河段河势的影响将逐渐减少。

4.4.4 流域减沙

长江上游控制性水库建成后，工程河段来沙显著减小，年平均输沙量降幅约为68.6%。来沙量的减少，使工程河段水体的含沙量也明显下降，水流处于不饱和输沙状态，河床以冲刷下切为主。

4.4.5 人类活动

工程河段人类活动主要包括港口、码头工程建设，河道整治工程，航道整治工程、边滩围垦工程、苏通大桥、苏通GIL综合管廊工程等工程的建设。

涉水工程对河道的影响主要表现为局部河床的冲淤变化，如：桥墩(塔基)可改变河流水动力条件，引起局部河床出现较大幅度的冲淤。徐六泾节点段的苏通大桥虽然在南北主桥墩均采用了防护措施，但在桥墩下游仍形成局部冲刷坑(2005年苏通大桥主桥墩建成后，2006年苏通大桥下游开始出现-40 m和-50 m深槽)。

综上所述可知，徐六泾节点段河槽整体稳定性前期主要受两岸圈围工程、上下游河势、大洪水等影响，近年来，河槽整体稳定性主要受流域减沙的影响；局部河床稳定性的主要影响因素是大洪水和人类活动。