江蘇入海河道河口治導(dǎo)線研究

毛桂囡,龔 政,趙立梅,闞桂生

(1.江蘇省水利廳規(guī)劃計劃處,江蘇南京 210029;2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京 210098)

江蘇沿海地區(qū)較大的入海河流有60多條,形成了流域、區(qū)域及墾區(qū)排水的工程體系.為了擋潮御鹵、排澇蓄淡等,江蘇沿海修建了許多擋潮閘[1],但建閘后閘下河道普遍發(fā)生了淤積,嚴(yán)重影響江蘇腹部及沿海地區(qū)的排洪排澇能力.隨著沿海大部分灘涂的不斷淤長和人工圍墾[10],閘下港道長度和擺幅增大,淤積趨勢加劇.張文淵等[2-9]對江蘇沿海閘下港道淤積成因、保港對策等問題進行了分析研究,研究成果對港道治理具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義.

為了指導(dǎo)河口灘涂資源合理開發(fā),加強入海河口管理,維持閘下港道排水能力,筆者對江蘇沿海30個主要河口治導(dǎo)線進行了研究.本文主要介紹河口治導(dǎo)線研究的技術(shù)路線和方法、成果及其應(yīng)用情況.

1 技術(shù)路線和方法

a.江蘇入海河口眾多,按照重點研究與一般研究相結(jié)合的技術(shù)路線,以河口重要程度、河口淤積情勢等為指標(biāo),將研究河口分為重點研究河口、一般研究河口和其他河口3類.其中,重點研究河口有8個,分別為射陽河口、新洋港口、斗龍港口、王港口、川東港口、梁垛河口、小洋口和大洋港口.在江蘇海岸類型及沖淤特性分析的基礎(chǔ)上,按照入海河口是否設(shè)閘控制、閘下港道長度以及海岸穩(wěn)定性等條件,從重點研究河口中選取分別代表西洋河道型港道、西洋灘槽型港道和爛沙洋灘槽型港道的射陽河、王港和小洋口3個典型河口進行定性分析和定量研究,通過研究提出各類典型河口的治導(dǎo)線劃定原則,并將其推延至其他重點研究河口.

b.通過遙感圖片、港道地形、港道斷面監(jiān)測等資料,分析閘下港道海岸鹽沼灘以下段的自然演變特性.針對川東港、小洋口和王港等大面積圍墾的岸灘,采用岸灘現(xiàn)場沉積剖面調(diào)查、歷史測圖和歷史遙感等對比分析手段,分析灘涂圍墾對沿海岸灘及入海河口的影響,并對近期重點研究河口的閘下港道淤積程度進行評價.基于遙感和GIS技術(shù),從河口納潮流域概念出發(fā),提出河口納潮匯水區(qū)歷史外邊線、河口現(xiàn)狀主體匯水區(qū)邊線、口外主槽演變外邊線,并將其作為劃定河口治導(dǎo)線的參考線.

c.以平面二維水動力數(shù)值模擬為手段,與3個典型河口相對應(yīng),建立西洋灘槽型閘下港道、爛沙洋灘槽型閘下港道和西洋河道型閘下港道3個概化模型;復(fù)演不同歷史圍墾方案的水動力條件,分析歷史圍墾對閘下港道的影響;經(jīng)水動力數(shù)值模擬、泥沙水力特性試驗以及淤泥質(zhì)海岸航道和港池淤積計算[11],分析不同治導(dǎo)線方案的納潮能力、斷面落潮水量以及泥沙回淤強度,提出3個典型河口治導(dǎo)線劃定原則.一般研究河口和其他河口,可依照其河口類型,按同類典型河口治導(dǎo)線劃定原則實施,并根據(jù)各河口實際情況進行適當(dāng)調(diào)整.

d.在確定河口治導(dǎo)線劃定原則的基礎(chǔ)上,提出各主要河口治導(dǎo)線研究成果,并結(jié)合江蘇沿海防洪除澇規(guī)劃等,提出港道整治的參考意見.

2 主要內(nèi)容和成果

以王港為例,說明西洋灘槽型港道治導(dǎo)線研究的主要內(nèi)容和成果.

2.1 灘涂圍墾與閘下港道淤積關(guān)系分析

江蘇入海河道閘下港道演變既受到上下游水動力條件的作用,又受到兩岸灘涂圍墾及其他相關(guān)涉水工程建設(shè)等人類活動的影響,因此,需從閘下港道的自然演變特性和人類活動影響2個方面探討閘下港道的演變規(guī)律,特別是近年來閘下港道兩岸的灘涂圍墾是值得重點關(guān)注的人為影響因素.王港多年遙感衛(wèi)片比較以及沉積學(xué)和遙感分析結(jié)果表明:岸外灘涂圍墾與岸灘淤長、閘下港道淤積相互促進.處于淤積型海岸的入海河口,海岸自然淤長和閘下港道的自然淤積為岸外灘涂圍墾創(chuàng)造了條件;同時,隨著岸外灘涂圍墾規(guī)模的增大,岸灘淤長加劇,口外港道淤淺、縮窄加劇.

2.2 治導(dǎo)線參考線劃定

河口潮棱體容積是衡量河口納潮能力的重要指標(biāo).在落潮后期,納潮流域的退潮水(主要為薄層灘面水,厚度10～15cm)[12]逐步沿潮水溝系統(tǒng)向海匯流,形成所謂落潮灘面歸槽水.由于落潮灘面歸槽水流集中,流速快,水流動力軸線沉底,有利于沖刷侵蝕灘面,形成潮水溝系統(tǒng),并可將灘面泥沙通過潮水溝系統(tǒng)向海輸送.因此,維持灘面潮水溝系統(tǒng)不減少、保證河口納潮流域的完整性是保持河口穩(wěn)定的前提,河口納潮流域兩側(cè)邊界線即為河口灘面控制區(qū)域的邊界線.

由于河口納潮流域的空間位置、形態(tài)特征等隨著河口水沙條件的變化(包括河口自然演變、河口灘面匡圍等人類活動引發(fā)的河口水沙條件的急劇變化)而變化,因此,河口治導(dǎo)線劃定需綜合考慮河口納潮流域的自然演變和人類活動的影響.本研究基于RS技術(shù),以現(xiàn)狀河口流域邊界為基礎(chǔ),重點考慮20世紀(jì)90年代以來河口流域邊界的演變區(qū)域及人類活動引起的港道干槽的變化,提出各河口段的納潮匯水區(qū)歷史外邊線、河口現(xiàn)狀主體匯水區(qū)邊線、口外主槽演變外邊線,以這3條線作為確定河口灘面控制區(qū)域的重要參考和基本依據(jù).

納潮匯水區(qū)歷史外邊線,指1991年以來未受人工干擾的河口納潮流域邊界線的外包線;河口現(xiàn)狀主體匯水區(qū)邊線,指1991年以來河口納潮流域邊界線的內(nèi)切線;口外主槽演變外邊線,指1991年以來河口干槽演變區(qū)的外包線.王港采用1992年、1998年和2005年的高分辨遙感圖像,基于遙感解譯技術(shù)研究得到的河口治導(dǎo)線參考線見圖1.

圖1 王港治導(dǎo)線參考線Fig.1 Reference regulation linein Wanggang channel

2.3 治導(dǎo)線方案的定量分析

以代表西洋灘槽型港道的王港典型河口為例,建立了定量分析治導(dǎo)線方案的平面二維水動力數(shù)學(xué)模型.根據(jù)《江蘇省沿海灘涂圍墾規(guī)劃(2005—2015年)》的起圍高程,將河口平均大潮高潮位至平均高潮位之間的灘面作為河口治導(dǎo)線方案的定量研究區(qū)域.

采用大、中、小3層網(wǎng)格嵌套技術(shù),實現(xiàn)東中國海、江蘇輻射沙脊群海域及王港閘下港道平面二維水動力場的精細(xì)模擬.東中國海潮波數(shù)學(xué)模型(大模型),精確模擬了輻射沙脊群海域的潮流場特征;包含輻射沙脊群海域的中模型可以提供王港閘下港道模型的外海邊界條件;網(wǎng)格尺寸為10m量級的王港閘下港道模型可以精細(xì)模擬港道內(nèi)的水動力特征.

王港閘下港道水動力數(shù)學(xué)模型計算范圍見圖2.具體計算域為:上段為兩岸有堤防控制的閘下港道;下段開口水域為具有落潮灘面的閘下港道,開邊界為西洋水域;南北水邊界根據(jù)遙感影像定性分析中確定的納潮匯水區(qū)歷史外邊線確定.小模型網(wǎng)格尺度為20m×10m.

閘下港道上段(有堤防控制段),底高程-1.6m(廢黃河基面,下同),底寬40m,邊坡1∶3,灘面高程2～2.6m;閘下港道中、下段底高程-2.5m,底寬60m,邊坡1∶3.5,潮間帶灘面平均坡降0.02%.

根據(jù)河口灘面匡圍的范圍,設(shè)計了5組治導(dǎo)線計算方案(圖2).其中:現(xiàn)狀方案(現(xiàn)狀圍墾堤線)代表不對現(xiàn)有閘下灘涂進行圍墾;P90方案代表將大潮平均高潮線以上的灘涂進行圍墾;P45方案代表與閘下港道成45°夾角對高灘進行圍墾;P30方案代表與閘下港道成30°夾角對高灘進行圍墾;P00方案代表圍墾堤線平行于閘下港道堤線,對平均大潮高潮線與平均高潮線之間的灘地全部進行圍墾.

為了分析上述不同治導(dǎo)線方案對閘下港道納潮能力的影響,沿閘下港道至港道口門處選取1號～4號共4個點,統(tǒng)計各點水位和流速變化情況.斷面落潮水量是維持閘下港道的主要指標(biāo),斷面落潮水量越大,港道穩(wěn)定性越好,因此,選取S1～S4共4個典型斷面(圖2),統(tǒng)計各斷面落潮水量變化情況.另外,根據(jù)JTJ213—98《海港水文規(guī)范》附錄N中推薦的淤泥質(zhì)海岸航道和港池的淤積計算公式,研究了P00,P30,P45和P90方案1號～4號采樣點相對于現(xiàn)狀方案的年回淤強度.

不同治導(dǎo)線方案對于閘下港道納潮能力、歸槽落潮水量及年回淤強度影響的計算結(jié)果表明:現(xiàn)狀方案港道的納潮能力最大,P30,P45和P90方案總體接近,從高到低依次為P90,P45和P30方案,P00方案納潮能力最小;現(xiàn)狀方案歸槽落潮水量最大,P90方案次之,P30和P45方案基本相當(dāng),P45方案略大,P00方案最小;P90方案相對于現(xiàn)狀方案回淤強度不大,P30和P45方案比較接近,略大于P90方案,P00方案回淤強度最大.綜合考慮沿海灘涂資源開發(fā)需求推薦的王港治導(dǎo)線控制方案為:在大潮平均高潮位線與平均高潮位線之間,按照30°～45°的海向發(fā)散角實施治導(dǎo)線控制.

圖2 王港閘下港道水動力數(shù)學(xué)模型計算范圍及方案Fig.2 Computational domain and schemes of hydrodynamic numerical model for downstream Wanggang channel

3 成果應(yīng)用

a.本研究成果已被江蘇水行政主管部門作為加強水利管理的技術(shù)參考依據(jù),并成功地指導(dǎo)了王港港南匡圍和閘下港道裁彎取直工程、射陽河口匡圍工程等沿海灘涂開發(fā)利用建設(shè)項目的有關(guān)行政審批工作,有效地維護了這些入海河道的防洪排澇能力,在保障地區(qū)防洪安全的同時保障了相關(guān)開發(fā)建設(shè)的順利進行.

b.王港規(guī)劃匡圍區(qū)位于2000年形成的大豐市港南墾區(qū)外側(cè),王港閘下游北岸至大豐港南側(cè),控制點位為0001,0002,0022,0009,0010,0011,0012,0013,0014,0015,0016,0017,0018,0001(圖 3).圍堤主要由北堤、東堤和南堤3段組成,總圍墾面積為27km2.由于擬匡圍區(qū)切斷了王港原有閘下港道,匡圍方案提出自王港順直段向北拐彎處(A點)向海實施裁彎取直工程作為補償措施,裁彎線路為ACDEFG,裁彎港道兩側(cè)建設(shè)港堤.根據(jù)治導(dǎo)線劃定原則,治導(dǎo)線控制的發(fā)散角在圖3中為與裁彎港道AC段夾角為45°的控制線A—0021及A—0023.考慮到港道向北拐彎段左側(cè)受墾區(qū)的束限無擺動空間,而右側(cè)在大潮平均高潮位下有一定的歸槽灘面,存在一定的擺動空間,因此,實際的匡圍控制堤線根據(jù)治導(dǎo)線劃定原則進行了一定的調(diào)整,以盡量保持閘下港道在大潮平均高潮位下的歸槽灘面.以原匡圍方案的西南角(點0010)為起點,治導(dǎo)線與基本水平的港道中心線成45°交角向海延伸,至與原匡圍方案的交點,該兩點間的連線即為南堤線.從匡圍區(qū)東南角防御風(fēng)暴潮等災(zāi)害的安全性考慮,南堤線與東堤線用圓弧段進行連接,最后推薦的南堤線走向為0010→0021→0022.與原匡圍方案相比,減圍面積為2.4km2.根據(jù)港道南側(cè)劃定的治導(dǎo)線,需退墾還灘的范圍為A—0023與港道軸線、墾區(qū)東堤所包圍的區(qū)域,面積為2.5km2.

圖3 王港治導(dǎo)線與灘涂匡圍情況Fig.3 Wanggang regulation line and reclamation of shoals

c.射陽河口港南墾區(qū)原圍墾方案堤線靠近射陽河口水邊線,為了保護河口,維護、恢復(fù)射陽河、黃沙港等排水功能,也為了給今后河口整治留有空間,依據(jù)本研究成果,迎河側(cè)堤線調(diào)整后退.

d.在規(guī)劃應(yīng)用方面,中國工程院組織編寫的《江蘇沿海地區(qū)產(chǎn)業(yè)綜合開發(fā)戰(zhàn)略研究報告》和水利部組織編制的《江蘇沿海地區(qū)區(qū)域發(fā)展水利專項規(guī)劃》都采用了本研究的基本結(jié)論.本研究的基本結(jié)論將對江蘇沿海地區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展起到重要的支撐作用,對實施沿海開發(fā)戰(zhàn)略、在河口地區(qū)進行開發(fā)建設(shè)具有重要的保障作用.

4 結(jié) 語

本研究基于遙感技術(shù)定性分析方法,從宏觀上確定了河口治導(dǎo)線控制的最小和最大范圍;在水動力和泥沙回淤定量計算中,以此為外海研究邊界,通過納潮量、斷面落潮水量和回淤強度的計算比較,提出了治導(dǎo)線劃定原則.河口治導(dǎo)線的確定既與河口地貌形態(tài)密切相關(guān),還受到附近區(qū)域圍墾工程等的影響.江蘇入海河道的形態(tài)具有變化快的特點,且附近區(qū)域圍墾工程還將繼續(xù),因此,河口治導(dǎo)線需滾動式修正.

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