长江扬中嘶马弯道段河道采砂影响研究

胡 操，徐逸文，李铭华，樊昆澎

(南京市长江河道管理处，江苏 南京 210011)

天然河道在未受人为活动扰动时，在不同来水来沙条件下，其演变过程遵循一定的规律，表现出与该地区来流来沙的适应性，河型、宽度、深度及其坡降、断面形式等在较长时期内保持相对稳定[1]。近年来，随着国民经济的发展及治江思路的转变，我国对采砂的研究开始从早期单纯的工程研究向生态环境影响的研究方向转变[2-3]，本文以长江下游局部工程河段为例，基于MIKE21软件建立二维水沙数学模型，探讨分析本河段采砂工程对河势的影响，分析项目采砂的可行性。

1 研究区域概况

1.1 河道概括

扬中河段是长江中下游一类重点河段，上游与镇扬河段相接于五峰山，下游与澄通河段交界于江阴鹅鼻咀。干流全长91.7km。扬中河段按形态及水流特性可分为上、下2个特征河段，界河口以上为太平洲汊道段，其间包含了太平洲，落成洲、禄安洲、砲子洲等江心洲；界河口以下至鹅鼻咀为江阴水道，为单一顺直微弯型河段[4]。太平洲汊道段自五峰山至砲子洲，长约为58km，平均河宽1700m左右。近几十年来太平洲左右汊分流分砂比变化较小，右汊分流比多年来均在10%左右[5]。左汊上段为嘶马弯道段，嘶马弯道段自五峰山至老杨湾河口，长约为15km，平均河宽1700m左右。左汊上段为嘶马弯道段，主流贴左岸嘶马弯道凹岸一侧，岸线崩塌曾较为剧烈，经近期护岸工程实施后，岸线趋于相对稳定，局部河床仍有冲刷调整。嘶马附近靠太平洲左缘侧有落成洲、雷公岛、小砂岛等砂洲，近期落成洲右汊的分流比略有增加。老杨湾河口以下水流逐渐过渡到太平洲左缘并进入太平洲左汊顺直下段。近几十年主流走势除嘶马弯道段、过渡段及潜洲局部水域有所调整，深泓平面有所摆动外，其余部位基本变动不大，河势总体趋于相对稳定。

1.2 工程概况

水道采区在主江堤内侧实施吹填采砂项目。本项目采砂吹填分两区实施，其中一区吹填工程面积约54.2万m2，二区吹填工程面积约44.3万m2。

2 数值模拟

2.1 数值模拟条件

本文忽略水温的变化对水体密度的影响，水体密度为常数。由于实施采砂工程后，将引起工程河段的水位以及流速流态变化，从而对工程河段的防洪安全和通航安全及水生态与环境可能带来不利影响[6]。因此，拟采用平面二维水流数学模型，对工程河段进行水流计算，并分析采砂工程对河道行洪及河势的影响。综合考虑拟建工程所在河段的河势、工程可能影响范围及水文资料等因素，选取五峰山上游(进口)至界河口(出口)长约68km的河段作为二维数模验证和工程影响计算河段[7]。由于测量全部河段地形需要的时间长成本高，且近几年河段地形变化在允许范围内，故计算河段地形采用2006年2月实测的1/10000河道地形图，采砂局部区域地形采用2011年9月份实测地形。拟建工程附近已建工程均作为固有边界考虑。

2.2 数值基本方程

根据上文分析的模拟条件，得二维浅水方程组见式(1)—(3)[8]：

(1)

(2)

(3)

初始条件包括初始流速和水位，边界条件包括开边界G0一般采用断面流量过程、流速过程或水位过程，闭边界Gc采用不可入条件，即Vn=0，法向流速为0，n为边界的外法向[9]。其表达式见式(4)—(5)。

(4)

(5)

式中，u0、v0、z0—初始流速、初始水位，通常取常数；t0—起始计算时间；Qa、ua、va、za—根据现场观测资料确定的流量过程、流速过程和水位过程[10-11]。

2.3 计算范围与计算网格

根据模型要求及地形特征，对计算区域进行网格划分，工程河段为感潮河段，潮汐为非正规半日潮汐，汛期主要表现为单向流，枯期表现为双向流。计算条件说明见表1。

表1 工程影响计算水流条件

工程影响计算定解条件为：防洪设计洪水和平滩水位流量条件按流进口给定流量(含五峰山上游进口和淮河入江进口)、出口给定水位进行计算；实测枯期大潮过程按进、出口给定潮位过程进行计算。

如图1所示，网格共61254个网格单元，每个单元计算网格的尺度为2.0m×1.0m。在计算时初始阶段，选取上游大通流量，下游的常水位为初始水位。在计算过程中，以上述计算稳定后的计算结果作为初始条件，谢才系数取75左右，计算时间步长取值为3s。

图1 计算区域网格划分

3 数学模型的率定验证

模型采用2005年3月潮位资料率定糙率，采用2006年3月资料进行验证。由结果可知：计算潮位过程与实测值符合较好，相位变化一致。经统计，计算误差一般控制在5cm之内，个别点最大误差约为10cm左右。

2006年3月14—15日水文测量时在计算河段内共布设7个水尺，分别位于五峰山、三江营、嘶马河、高港、同兴闸、洋思港和界河口处；布设8个测流断面，分别位于太平洲左汊、右汊进口，落成洲左、右汊，及嘶马河至南官河之间。测流期间大通流量为20300m3/s。

3.1 流速过程及断面流速分布验证

长江主流进入扬中河段后，主流由紧贴右岸逐渐向左岸过渡到左汉嘶马弯道段，在嘶马弯道进口有落成洲将河道水流分成2汊，左汊为主汊，在落成洲右汊出口下游附近，又有心洲将右汊水流分成2汊，3股水流在嘶马河至杨湾闸间汇合，汇合后的水流在杨湾港至二墩港间主流从靠近左岸过渡到右岸，二墩港以下为顺直段，中间有潜洲将主流分为左右2股，在胜利港附近2股水流汇合，汇合后的水流偏右岸下泄，进入太平洲的汇流段。从计算流场来看，计算流场平顺，汊道分、汇流衔接良好，主流位置及走向与实际情况一致，说明模型能较好模拟整个计算河段复杂的水流运动特征。由验证结果可知，各测流垂线计算值与实测值误差一般在0.12m/s以内，个别时刻误差稍大，为0.20m/s左右。

3.2 分流比验证

模型分别对2006年3月测流时太平洲汊道及落成洲的分流比进行验证，结果见表2。由表2可见，计算与实测的分流比误差较小，在0.6%以内。

表2 汊道分流比验证 单位：%

3.3 数模率定验证计算小结

根据上述潮位、流速、断面流速分布和支流比的验证结果表明，本文采用的河道二维数学模型能较好地模拟整个计算河段的水流运动，验证计算精度较高。因此，该数学模型可用于计算和分析采砂工程对河流水位和流场的影响。

4 采砂工程对河道水流影响分析

拟建工程对河道行洪影响的计算成果主要包括：以上3组水流条件下工程兴建前后计算河段内所有二维计算网格节点的水位、水深及垂线平均流速等成果。通过分析各监测点、监测断面在采砂实施前后水位及流速的变化和采砂区附近河段水位和流速场的变化，研究采砂活动对河道水位及流速可能产生的影响。采砂工程前后局部河段流场分布图如图2所示。

图2 采砂工程前后流场分布图(防洪设计洪水)

4.1 平面流速场、流态变化分析

根据采砂前后河段主流线对比分析：工程河段主流线随着流量的增大而趋直，且受制约于河槽与两岸堤防护岸工程及洲滩，采砂前后主流线位置，除工程区域略有变化外，其余部位没有明显变化，在各个计算条件下，在采砂区主流线最大略偏右5m左右；工程河段平面流速场、流态也基本没有发生明显变化。

4.2 汊道分流比变化分析

太平洲左汊、落成洲、砲子洲和禄安洲左侧河槽为主航道。从表2中可以看出：采砂工程实施后，太平洲左汊分流比略有增加，相应太平洲右汊分流比减小，砲子洲和禄安洲汊道分流比没有变化。

4.2.1平面流速场、流态变化分析

根据采砂前后河段主流线对比分析：工程河段主流线随着流量的增大而趋直，且受制约于河槽与两岸堤防护岸工程及洲滩，采砂前后主流线位置，除工程区域略有变化外，其余部位没有明显变化，在各个计算条件下，在采砂区主流线最大略偏右5m左右；工程河段平面流速场、流态也基本没有发生明显变化。

4.2.2汊道分流比变化分析

太平洲左汊、落成洲、砲子洲和禄安洲左侧河槽为主航道。采砂工程实施后，太平洲左汊分流比略有增加，相应太平洲右汊分流比减小，但分流比变化很小，如太平洲左汊和落成洲左汊分流比增加一般在0.01%以内，砲子洲和禄安洲汊道分流比没有变化，见表3。

表3 采砂工程前后各汊道分流比变化 单位：%

4.3 采砂工程前后各分析点水位、流速、流向变化对比

在拟采砂工程附近水域选取水位和流速分析点。通过各分析点以及工程河段在工程前后水位、流速值的变化，分析采砂工程对河道水位及流速场可能产生的影响，见表4。计算结果表明，在各级水流条件下，采砂工程实施后，水位及流速变化定量上有所差异，但定性上基本一致。

表4 采砂工程前后各分析点水位、流速、流向变化对比

5 结论

由水流数模计算结果表明，采砂工程实施后，由于工程区过水面积增加，采区内流速值大都表现为减小，水位总体表现为略有壅高。采砂工程实施后，在计算水流条件下，采区内流速一般减小2～10cm/s。采区内水流流向变化较小，方向角变化一般在0°～3°以内。采区内水位最大壅高值为0.9cm。在计算水流条件下，采区右侧水域流速一般减小1～5cm/s，流向变化较小；主河槽流速变化在0.1～0.7cm/s左右；采区上游流速略有增大，最大增加值约1.9cm/s；采区下游流速减小，最大减小值约6.7cm/s；流速增大影响范围集中在采区上游500m、采区下游800m范围内；在嘶马河口、引江河口水域，流速变化不明显。

采砂工程实施后，一般采区上、下游局部区域水位降低，水位最大降低值发生在采区上游100m范围内；采区左、右两侧水位壅高，愈近工程区，水位壅高愈大，水位最大壅高值发生在采区内。采区上、下游300m范围内，水位降低，最大降低值约0.1cm；左侧主河槽水位略壅高0.1～0.3cm。太平洲滩附近中、下段水位变化较小；在嘶马河口及引江河口水域水位没有发生明显变化。采砂工程实施后，工程侧河岸近堤、近岸水域水位、流速变化小；水位、流速变化影响主要集中在采区附近。

在防洪设计洪水位条件下，采区近左岸和近洲堤处水位略有壅高，壅高值在0.2cm内；采区上、下游近岸处水位略有降低。采砂活动对大堤的防洪没有明显影响。在计算水流条件下，采区下游近堤处流速略增加0.1～0.3cm/s；采区上游近堤处流速增加很小；采区右侧近堤(洲堤)处流速略有减小，减小值在0.1～0.4cm/s。计算河段工程附近主要有嘶马河口、引江河口等，工程实施后，嘶马河口、引江河口处水位基本没有变化，流速变化在0.1cm/s内。