新時期長江口航道建設(shè)深化研究方向的探討

金 镠，樓 飛，張賽賽

(1.交通運輸部長江口航道管理局，上海 200003；2.中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120)

長江口12.5 m深水航道整治工程(1998—2012年)和南槽航道治理一期工程(2018—2020年)均已建成運行，大大提升了長江口航道的通過能力。當(dāng)前，長江三角洲和長江經(jīng)濟帶發(fā)展國家戰(zhàn)略的實施，要求進一步提高長江口航道通過能力，為此，進一步梳理河勢背景變化下航道治理面臨的問題，深入探討如何進一步貫徹生態(tài)優(yōu)化、綠色發(fā)展理念等是必要的。

1 新時期長江口航道的河勢背景

對河勢背景的分析是長江口航道研究和科學(xué)建、管的基礎(chǔ)。近幾十年來，長江口河勢發(fā)生了極為深刻的變化，標(biāo)志著長江口發(fā)育模式演替進入了新階段，具體表現(xiàn)為：

1)流域來沙持續(xù)減少，1997年起長江口進入普遍沖刷的新階段。1958—1986年，河口普遍淤積；1986—1997年，總體沖淤平衡；1997年起普遍沖刷，其中2003年后沖刷趨勢更加明顯[1]。

2)近20年來，除北支外，各主要汊道河槽容積、平均水深均呈趨勢性增加，江中洲灘的潮下帶體積呈趨勢性縮小，口門外水下三角洲前緣(-20～-10 m)大面積沖刷加深。以北槽為例，主槽-5 m以深斷面平均水深和過水?dāng)嗝娣e，1999年5月分別為7.90 m和5 800 m2，2019年5月達到9.34 m和8 300 m2(不包括航道疏浚斷面)，主槽加深和擴寬均十分明顯[2]；水下三角洲前緣(-20～-10 m)，1997—2016年間，沖刷區(qū)面積達700～900 km2，累計沖刷量16.8億m3，累計平均沖刷深度約2.0 m[3]。

3)通過實施一系列治理、開發(fā)工程，河口內(nèi)島岸邊界基本穩(wěn)定，長江口基本實現(xiàn)由自然河口向人工河口的轉(zhuǎn)化，河床演變從動蕩無序逐漸變得有序和可預(yù)測。南北槽、南北港、南北支3個分汊口河段的治理以及上游通州沙—徐六涇河段的治理，使河口內(nèi)島、岸邊界和深泓線基本穩(wěn)定。

4)流域來沙的持續(xù)減少和水下三角洲前緣的沖刷，使水下三角洲由流域來沙的“匯”轉(zhuǎn)化成為河口攔門沙區(qū)域泥沙補給的“源”[4]。這種“源匯轉(zhuǎn)換”的新形態(tài)使攔門沙區(qū)域泥沙運動、地形變化和航道回淤產(chǎn)生了新變化，例如崇明東灘淤泥質(zhì)潮灘上部的鹽沼濕地在對沖海平面上升影響后仍持續(xù)向海擴展和淤高，而剖面下部(中、低潮灘)則沖刷后退[5]，橫沙淺灘也有類似情況。

鹽沼濕地的向海拓展速度將隨流域來沙的進一步減少和水下三角洲前緣沖刷區(qū)老沉積物出露而變慢，因此濕地的擴展具有時限性。有限的統(tǒng)計資料顯示，當(dāng)大通站年輸沙量約為100 Mt/a時，崇明東灘濕地的擴展將停止(圖1)。

圖1 崇明東灘鹽沼濕地向海擴張與流域來沙的關(guān)系

河口攔門沙區(qū)域由于接納水下三角洲前緣和中低灘沖刷泥沙的補給，在2012年之前洪季含沙量仍維持在1.0～1.5 kg/m3的水平，之后則趨勢性下降(圖2)。

圖2 長江口攔門沙汊道洪季水體含沙量變化

根據(jù)竇國仁平原潮汐河流河相關(guān)系理論，多年平均落潮、平均流量對維持河槽容積和平均水深的能力將隨來沙減少而加強。分析表明，雖然整治工程使北槽落潮分流比從60%大幅下降至42%左右，但由于含沙量降低，北槽河勢仍然穩(wěn)定，河槽平均水深顯著增加[6]。換言之，隨著含沙量趨勢性降低，分流比對汊道穩(wěn)定性的敏感性下降。

5)局部河勢仍不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為：扁擔(dān)沙西側(cè)受南支主槽主流沖刷后退，主流線相應(yīng)偏移和灘面橫向串溝發(fā)育，沖刷泥沙在扁擔(dān)沙下段和沙尾淤積。沙尾延伸使新橋通道軸線偏轉(zhuǎn)，引起北港進流條件改變。扁擔(dān)沙尾部橫向串溝的發(fā)育可導(dǎo)致切灘產(chǎn)生活動沙包。

作為河口外邊界的濱海沙洲(崇明東灘、顧園沙、橫沙淺灘、九段沙下沙、南匯東灘)和水下三角洲前緣潮灘構(gòu)成長江口尚未得到控制的開敞邊界。這一邊界因流域來沙持續(xù)減少，海平面上升和極端水文氣象事件增多而發(fā)生復(fù)雜的水沙和沖淤動態(tài)的變化，如崇明東灘和橫沙淺灘鹽沼濕地擴展和中低潮灘蝕退等。

新時期航道建設(shè)、運管還必須考慮一系列約束條件，主要有國家批準(zhǔn)的保護區(qū)生態(tài)紅線、橋梁的主通航孔、隧道及管廊頂板埋置深度、長興島岸線及長興水道等重要通航水域的水深以及青草沙水源地安全等。

2 長江口航道工程治理(設(shè)計)思想

長江口已建航道治理工程包括北槽12.5 m深水航道治理、南槽一期航道治理、12.5 m深水航道向上游延伸工程等，這些工程在前期工作階段和實施過程中進行了大量的觀測，試驗研究和科研、設(shè)計、工藝的工程驗證，航道治理設(shè)計思想得以逐步完善。

1)深水航道的疏浚維護應(yīng)在穩(wěn)定的自然深泓中進行。通過整治建筑物穩(wěn)定北槽進口及兩側(cè)邊界，在北槽形成有一定寬度、上下貫通且與上下游深泓順暢連接的穩(wěn)定深泓，是確保航道軸線和水深穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

2)整治建筑物采用寬間距雙導(dǎo)堤加丁壩群的布置形式，壩頭連線形成的導(dǎo)治線向海方向按一定放寬率均勻放寬。雙導(dǎo)堤采用寬間距，便于設(shè)計順直微彎的蜿蜒型中水河床以及較寬的河漫灘，以提供充足的泄洪和滯沙能力。向海放寬的導(dǎo)治線使縱向凈輸沙通量的梯度為正。導(dǎo)堤采用半潮堤形式，與整治后北槽潮波為駐波，最大流速出現(xiàn)在中潮位附近相適應(yīng)。

3)航道治理在分汊河段的一支汊道上進行，整治工程使該汊道的分流比減少，又可能引起該汊道萎縮。但工程開工以來，20多年的河勢觀測表明北槽落潮流輸沙優(yōu)勢未變，由于流域來沙趨勢性下降，河槽穩(wěn)定性逐步提高。

4)長江口泥沙運動形態(tài)與潮汐水流、鹽淡水交匯和泥沙以黏性細顆粒為主有關(guān)。近底邊界層水沙觀測及分析顯示在河口最大渾濁帶高流速階段的泥沙再懸浮為憩流階段泥沙沉降提供了背景含沙量，憩流階段黏性泥沙的絮凝及制約沉降以及高含沙量對紊動的抑制導(dǎo)致垂向泥沙密度層化和近底高濃度懸沙及浮泥生成。因此，整治工程總體設(shè)計要避免因水動力過高帶來高背景含沙量和水動力過低帶來過長的憩流歷時，以減小近底高濃度懸沙和浮泥的生成規(guī)模。

5)河口由于鹽、淡水交匯而出現(xiàn)縱向環(huán)流，使含沙量相對較高的近底水體向上游輸運，上部含沙量較低的水體向下游輸運，從而導(dǎo)致向陸的凈輸沙。在最大渾濁帶還疊加了近底高濃度懸沙層在近底剪切流驅(qū)動下的運輸。導(dǎo)治線設(shè)計要求挾沙水團在主槽內(nèi)的停滯時間即“水齡”盡量縮短，以減少其對航道維護的不利影響。

6)長江口是由多個淺灘及深槽間隔出現(xiàn)的多級分汊巨型河口，各灘槽間存在動力、鹽度、含沙濃度和層化/混合狀態(tài)的差異。橫向越灘流和主槽內(nèi)的橫向環(huán)流對泥沙輸運和航道回淤具有十分重要的影響。越灘流和主槽橫向環(huán)流強度與導(dǎo)堤的阻隔程度和斷面形態(tài)(斷面寬深比)有關(guān)，在一定的水沙條件下，存在某種有利于主槽內(nèi)產(chǎn)生含沙量密度層化的斷面寬深比。導(dǎo)治線及導(dǎo)堤斷面設(shè)計應(yīng)避免形成這種寬深比形態(tài)[7]。

7)航道回淤是包括懸沙、底沙、浮泥等多種泥沙運動的綜合結(jié)果[8]，河口最大渾濁帶近底高濃度懸沙層由于紊動抑制而保持成層的類推移質(zhì)輸運形態(tài)。近底高濃度懸沙層在自重作用下脫水形成浮泥，浮泥以“重力流”方式運移。在某些特定環(huán)境(例如半封閉水域)下，泥沙還可以以密度流(異重流)方式輸運。此外，在南港下段及北槽上段航道，還存在非黏性泥沙的推移質(zhì)輸沙，它們以沙尾延伸、活動沙包遷移以及層移等方式影響航道。整治工程的設(shè)計應(yīng)對泥沙回淤物理過程進行分析，并通過建立數(shù)值模擬平臺加以預(yù)測。

8)長江口口門及口門外的淺水區(qū)、潮流流速相對較低，但臺風(fēng)大浪侵襲引起黏性海床軟化和海床液化，導(dǎo)致土體抗沖刷能力大幅下降和大面積的體積沖刷、近底高濃度懸沙層及浮泥生成[9]、由此導(dǎo)致的航道驟淤是影響航道運營的重要不利因素。整治工程的平面布置應(yīng)注意減輕臺風(fēng)驟淤的影響。為及時清除臺風(fēng)驟淤而開發(fā)的裝倉吹拋、擾動驅(qū)趕和適航水深利用相結(jié)合的航道清淤工藝、利用三維泥沙模型以及AI技術(shù)，以及研發(fā)的航道回淤精準(zhǔn)預(yù)報技術(shù)等，都證明是行之有效的措施。疏浚工藝改進的根本措施是疏浚土的資源化利用。疏浚土吹填橫沙東灘，節(jié)約了建設(shè)維護成本，提升了東灘濕地質(zhì)量，取得了明顯的綜合效益。

3 關(guān)于進一步貫徹生態(tài)優(yōu)化、綠色發(fā)展方針的考慮

貫徹生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展方針，除生物多樣性調(diào)查和環(huán)境保護，以及守住生態(tài)紅線外，針對長江口航道工程的環(huán)境特點和工程要求，還應(yīng)考慮以下方面。

1)新河勢背景下長江口淤泥質(zhì)潮灘的泥沙收支和鹽沼濕地生存時限的量化估計。關(guān)于長江口鹽沼濕地擴展的時限性，以崇明東灘為例，并參考文獻[5]，可估計如下：現(xiàn)代長江口水下三角洲面積為2萬km2，每年因補償相對海平面上升10 mm/a造成的面積損失需要有2億m3/a的流域來沙沉積加以平衡。2003年之前年輸沙量大于2.6億m3，2003年起則有不足，若無另外的泥沙補給來源，則濕地將逐年減損。水下三角洲前緣平均沖刷速率70 mm/a，以岸灘坡度1/400計，潮間帶將以30 m/a的速率沖刷后退，鹽沼濕地后退到1990年即早期鹽沼邊界約僅需20 a。即使存在水下三角洲前緣和潮灘下部沖刷泥沙的補給以及自重密實和植被根系固沙、植被消浪等因素作用，鹽沼濕地后退速度會有所減緩，但對淺灘濕地的防護、疏浚土外拋而導(dǎo)致的水土資源流失應(yīng)有足夠的重視。利用橫沙淺灘容納疏浚土是可行的，但應(yīng)通過工程有效攔截上灘泥沙經(jīng)大型串溝等輸沙通道入海流失。

2)淤泥質(zhì)潮灘生物穩(wěn)定性效應(yīng)。迄今長江口岸灘沖刷計算均未考慮潮灘的生物穩(wěn)定性效應(yīng)，包括植被的消浪滯流、根系的固沙作用、微生物的穩(wěn)定作用，以及底棲生物對底床的穩(wěn)定或減穩(wěn)等。

①植被消浪、滯流、攔沙作用的量化估計。植被消浪國內(nèi)外已有不少試驗和數(shù)值模型研究成果[10-11]。在海灘水深為6 m，海草高度為0.5 m、葉寬1 cm、海草葉片密度為50片/m2等概化條件下，H0=3 m的來浪，按Asanno計算模型，傳播距離500 m時波高將衰減殆盡。滯流的效應(yīng)可通過流場數(shù)值模擬給出。

植被根系對岸灘侵蝕的影響還表現(xiàn)在改變土的物理力學(xué)特性上，主要是根土復(fù)合體在外界因素作用下發(fā)生變形時根土之間通過摩擦作用使應(yīng)力重分布，限制了土體側(cè)向變形，顯著提高了復(fù)合體的抗剪、抗拉強度，即根系起到了加筋的作用。國內(nèi)外已有若干根系加筋計算模型[12]，但未見有關(guān)根土復(fù)合體泥沙起動切應(yīng)力的研究。

②有機質(zhì)對黏性泥沙沉降和沉積特性的影響。例如有機質(zhì)包裹泥沙，改變泥沙的絮凝特性，底棲生物(為貽貝、泥螺、泥蚓、牡蠣、蛤蜊等)排泄物對泥沙沉積率的影響等。

③淤泥質(zhì)潮灘小型底棲生物對床面穩(wěn)定性(抗剪、抗沖刷特性)的季節(jié)性影響，例如硅藻分泌的黏液包裹泥沙顆粒，使泥沙不易起動。硅藻在春季生長而在夏季消失，引起床面起動切應(yīng)力的季節(jié)性變化。

④海岸一些大型動物的機械擾動，以及吞食硅藻、細菌等使海床穩(wěn)定性下降。如鉆穴活動和吃排泥沙等。

上述內(nèi)容在長江口動力地貌研究中尚開展不多。

4 整治建筑物生態(tài)化

整治工程設(shè)計中護岸、護灘及導(dǎo)堤等結(jié)構(gòu)的生態(tài)化方面，南京以下12.5 m深水航道工程開展了大量試驗和工程應(yīng)用研究[13]。長江口深水航道建設(shè)工程中研發(fā)的開孔半圓體結(jié)構(gòu)以及傳統(tǒng)的拋石基床有利于底棲和浮游動物、魚蟹的生長繁育，在整治建筑物的整體布置上也盡量注意了減少對河口生態(tài)環(huán)境的不利影響。

5 結(jié)語

1)長江口演變模式隨著流域來沙減少和一系列治理開發(fā)工程實施而出現(xiàn)重大變化，主要表現(xiàn)在：①河口進入普遍沖刷，河槽容積和平均水深增加，攔門沙區(qū)段含沙量降低，分流比對河勢穩(wěn)定性影響的敏感性下降；②河口外邊界出現(xiàn)泥沙的“源匯轉(zhuǎn)換”，崇明東灘和橫沙淺灘淤泥質(zhì)潮灘上部(鹽沼濕地)緩慢淤漲，中低潮灘沖刷后退，上部淤漲具有時限性；③河口在內(nèi)部島、岸邊界和主流流路基本穩(wěn)定的同時還存在不穩(wěn)定因素。

2)通過長江口整治工程實踐提高了對回淤機理和治理(設(shè)計)思想的認(rèn)識，主要包括：①平面上應(yīng)形成順直微彎并與上下游順暢連接的穩(wěn)定的自然深泓；②潮汐余沙通量縱向梯度應(yīng)≥0以維持整治汊道的穩(wěn)定；單寬輸沙率沿程應(yīng)均勻分布以減少橫流輸沙；③應(yīng)注意減少由于咸淡水交匯引起的縱向環(huán)流的近底向陸凈輸沙；④應(yīng)減少橫向越灘流和灘槽間橫向密度差斜壓效應(yīng)導(dǎo)致的橫向環(huán)流的強度和垂向泥沙密度層化，削弱橫向環(huán)流輸沙；⑤流場設(shè)計應(yīng)注意峰值流速對背景含沙量的影響和憩流歷時對泥沙沉降的影響二者之間的平衡，削弱垂向泥沙密度層化、近底高濃度懸沙和浮泥層生成條件；⑥風(fēng)浪引起沉積物抗剪強度和沖刷起動切應(yīng)力下降以及液化，也導(dǎo)致近底高濃度泥沙和浮泥的生成以及航道驟淤，應(yīng)通過工程措施減少臺風(fēng)波浪侵襲的不利影響和改進疏浚工藝，并充分重視疏浚土的資源化利用；⑦應(yīng)在深入認(rèn)識航道回淤機理的基礎(chǔ)上完善方案比選的綜合評價體系。

3)航道建、管應(yīng)深化對生態(tài)影響和生態(tài)修復(fù)的研究。結(jié)合工程特點，進一步開展河口開敞邊界泥沙收支及岸灘沖淤預(yù)測、扁擔(dān)沙與主支汊道的互動關(guān)系和泥沙運動形態(tài)的分析。開展生物對海床穩(wěn)定性影響的觀測研究，以及深化整治建筑物結(jié)構(gòu)生態(tài)化和總體布置的生態(tài)影響研究。