長江揚中嘶馬彎道段河道采砂影響研究

胡 操，徐逸文，李銘華，樊昆澎

(南京市長江河道管理處，江蘇 南京 210011)

天然河道在未受人為活動擾動時，在不同來水來沙條件下，其演變過程遵循一定的規(guī)律，表現(xiàn)出與該地區(qū)來流來沙的適應性，河型、寬度、深度及其坡降、斷面形式等在較長時期內(nèi)保持相對穩(wěn)定[1]。近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展及治江思路的轉(zhuǎn)變，我國對采砂的研究開始從早期單純的工程研究向生態(tài)環(huán)境影響的研究方向轉(zhuǎn)變[2-3]，本文以長江下游局部工程河段為例，基于MIKE21軟件建立二維水沙數(shù)學模型，探討分析本河段采砂工程對河勢的影響，分析項目采砂的可行性。

1 研究區(qū)域概況

1.1 河道概括

揚中河段是長江中下游一類重點河段，上游與鎮(zhèn)揚河段相接于五峰山，下游與澄通河段交界于江陰鵝鼻咀。干流全長91.7km。揚中河段按形態(tài)及水流特性可分為上、下2個特征河段，界河口以上為太平洲汊道段，其間包含了太平洲，落成洲、祿安洲、砲子洲等江心洲；界河口以下至鵝鼻咀為江陰水道，為單一順直微彎型河段[4]。太平洲汊道段自五峰山至砲子洲，長約為58km，平均河寬1700m左右。近幾十年來太平洲左右汊分流分砂比變化較小，右汊分流比多年來均在10%左右[5]。左汊上段為嘶馬彎道段，嘶馬彎道段自五峰山至老楊灣河口，長約為15km，平均河寬1700m左右。左汊上段為嘶馬彎道段，主流貼左岸嘶馬彎道凹岸一側(cè)，岸線崩塌曾較為劇烈，經(jīng)近期護岸工程實施后，岸線趨于相對穩(wěn)定，局部河床仍有沖刷調(diào)整。嘶馬附近靠太平洲左緣側(cè)有落成洲、雷公島、小砂島等砂洲，近期落成洲右汊的分流比略有增加。老楊灣河口以下水流逐漸過渡到太平洲左緣并進入太平洲左汊順直下段。近幾十年主流走勢除嘶馬彎道段、過渡段及潛洲局部水域有所調(diào)整，深泓平面有所擺動外，其余部位基本變動不大，河勢總體趨于相對穩(wěn)定。

1.2 工程概況

水道采區(qū)在主江堤內(nèi)側(cè)實施吹填采砂項目。本項目采砂吹填分兩區(qū)實施，其中一區(qū)吹填工程面積約54.2萬m2，二區(qū)吹填工程面積約44.3萬m2。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬條件

本文忽略水溫的變化對水體密度的影響，水體密度為常數(shù)。由于實施采砂工程后，將引起工程河段的水位以及流速流態(tài)變化，從而對工程河段的防洪安全和通航安全及水生態(tài)與環(huán)境可能帶來不利影響[6]。因此，擬采用平面二維水流數(shù)學模型，對工程河段進行水流計算，并分析采砂工程對河道行洪及河勢的影響。綜合考慮擬建工程所在河段的河勢、工程可能影響范圍及水文資料等因素，選取五峰山上游(進口)至界河口(出口)長約68km的河段作為二維數(shù)模驗證和工程影響計算河段[7]。由于測量全部河段地形需要的時間長成本高，且近幾年河段地形變化在允許范圍內(nèi)，故計算河段地形采用2006年2月實測的1/10000河道地形圖，采砂局部區(qū)域地形采用2011年9月份實測地形。擬建工程附近已建工程均作為固有邊界考慮。

2.2 數(shù)值基本方程

根據(jù)上文分析的模擬條件，得二維淺水方程組見式(1)—(3)[8]：

(1)

(2)

(3)

初始條件包括初始流速和水位，邊界條件包括開邊界G0一般采用斷面流量過程、流速過程或水位過程，閉邊界Gc采用不可入條件，即Vn=0，法向流速為0，n為邊界的外法向[9]。其表達式見式(4)—(5)。

(4)

(5)

式中，u0、v0、z0—初始流速、初始水位，通常取常數(shù)；t0—起始計算時間；Qa、ua、va、za—根據(jù)現(xiàn)場觀測資料確定的流量過程、流速過程和水位過程[10-11]。

2.3 計算范圍與計算網(wǎng)格

根據(jù)模型要求及地形特征，對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，工程河段為感潮河段，潮汐為非正規(guī)半日潮汐，汛期主要表現(xiàn)為單向流，枯期表現(xiàn)為雙向流。計算條件說明見表1。

表1 工程影響計算水流條件

工程影響計算定解條件為：防洪設(shè)計洪水和平灘水位流量條件按流進口給定流量(含五峰山上游進口和淮河入江進口)、出口給定水位進行計算；實測枯期大潮過程按進、出口給定潮位過程進行計算。

如圖1所示，網(wǎng)格共61254個網(wǎng)格單元，每個單元計算網(wǎng)格的尺度為2.0m×1.0m。在計算時初始階段，選取上游大通流量，下游的常水位為初始水位。在計算過程中，以上述計算穩(wěn)定后的計算結(jié)果作為初始條件，謝才系數(shù)取75左右，計算時間步長取值為3s。

圖1 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

3 數(shù)學模型的率定驗證

模型采用2005年3月潮位資料率定糙率，采用2006年3月資料進行驗證。由結(jié)果可知：計算潮位過程與實測值符合較好，相位變化一致。經(jīng)統(tǒng)計，計算誤差一般控制在5cm之內(nèi)，個別點最大誤差約為10cm左右。

2006年3月14—15日水文測量時在計算河段內(nèi)共布設(shè)7個水尺，分別位于五峰山、三江營、嘶馬河、高港、同興閘、洋思港和界河口處；布設(shè)8個測流斷面，分別位于太平洲左汊、右汊進口，落成洲左、右汊，及嘶馬河至南官河之間。測流期間大通流量為20300m3/s。

3.1 流速過程及斷面流速分布驗證

長江主流進入揚中河段后，主流由緊貼右岸逐漸向左岸過渡到左漢嘶馬彎道段，在嘶馬彎道進口有落成洲將河道水流分成2汊，左汊為主汊，在落成洲右汊出口下游附近，又有心洲將右汊水流分成2汊，3股水流在嘶馬河至楊灣閘間匯合，匯合后的水流在楊灣港至二墩港間主流從靠近左岸過渡到右岸，二墩港以下為順直段，中間有潛洲將主流分為左右2股，在勝利港附近2股水流匯合，匯合后的水流偏右岸下泄，進入太平洲的匯流段。從計算流場來看，計算流場平順，汊道分、匯流銜接良好，主流位置及走向與實際情況一致，說明模型能較好模擬整個計算河段復雜的水流運動特征。由驗證結(jié)果可知，各測流垂線計算值與實測值誤差一般在0.12m/s以內(nèi)，個別時刻誤差稍大，為0.20m/s左右。

3.2 分流比驗證

模型分別對2006年3月測流時太平洲汊道及落成洲的分流比進行驗證，結(jié)果見表2。由表2可見，計算與實測的分流比誤差較小，在0.6%以內(nèi)。

表2 汊道分流比驗證 單位：%

3.3 數(shù)模率定驗證計算小結(jié)

根據(jù)上述潮位、流速、斷面流速分布和支流比的驗證結(jié)果表明，本文采用的河道二維數(shù)學模型能較好地模擬整個計算河段的水流運動，驗證計算精度較高。因此，該數(shù)學模型可用于計算和分析采砂工程對河流水位和流場的影響。

4 采砂工程對河道水流影響分析

擬建工程對河道行洪影響的計算成果主要包括：以上3組水流條件下工程興建前后計算河段內(nèi)所有二維計算網(wǎng)格節(jié)點的水位、水深及垂線平均流速等成果。通過分析各監(jiān)測點、監(jiān)測斷面在采砂實施前后水位及流速的變化和采砂區(qū)附近河段水位和流速場的變化，研究采砂活動對河道水位及流速可能產(chǎn)生的影響。采砂工程前后局部河段流場分布圖如圖2所示。

圖2 采砂工程前后流場分布圖(防洪設(shè)計洪水)

4.1 平面流速場、流態(tài)變化分析

根據(jù)采砂前后河段主流線對比分析：工程河段主流線隨著流量的增大而趨直，且受制約于河槽與兩岸堤防護岸工程及洲灘，采砂前后主流線位置，除工程區(qū)域略有變化外，其余部位沒有明顯變化，在各個計算條件下，在采砂區(qū)主流線最大略偏右5m左右；工程河段平面流速場、流態(tài)也基本沒有發(fā)生明顯變化。

4.2 汊道分流比變化分析

太平洲左汊、落成洲、砲子洲和祿安洲左側(cè)河槽為主航道。從表2中可以看出：采砂工程實施后，太平洲左汊分流比略有增加，相應太平洲右汊分流比減小，砲子洲和祿安洲汊道分流比沒有變化。

4.2.1平面流速場、流態(tài)變化分析

根據(jù)采砂前后河段主流線對比分析：工程河段主流線隨著流量的增大而趨直，且受制約于河槽與兩岸堤防護岸工程及洲灘，采砂前后主流線位置，除工程區(qū)域略有變化外，其余部位沒有明顯變化，在各個計算條件下，在采砂區(qū)主流線最大略偏右5m左右；工程河段平面流速場、流態(tài)也基本沒有發(fā)生明顯變化。

4.2.2汊道分流比變化分析

太平洲左汊、落成洲、砲子洲和祿安洲左側(cè)河槽為主航道。采砂工程實施后，太平洲左汊分流比略有增加，相應太平洲右汊分流比減小，但分流比變化很小，如太平洲左汊和落成洲左汊分流比增加一般在0.01%以內(nèi)，砲子洲和祿安洲汊道分流比沒有變化，見表3。

表3 采砂工程前后各汊道分流比變化 單位：%

4.3 采砂工程前后各分析點水位、流速、流向變化對比

在擬采砂工程附近水域選取水位和流速分析點。通過各分析點以及工程河段在工程前后水位、流速值的變化，分析采砂工程對河道水位及流速場可能產(chǎn)生的影響，見表4。計算結(jié)果表明，在各級水流條件下，采砂工程實施后，水位及流速變化定量上有所差異，但定性上基本一致。

表4 采砂工程前后各分析點水位、流速、流向變化對比

5 結(jié)論

由水流數(shù)模計算結(jié)果表明，采砂工程實施后，由于工程區(qū)過水面積增加，采區(qū)內(nèi)流速值大都表現(xiàn)為減小，水位總體表現(xiàn)為略有壅高。采砂工程實施后，在計算水流條件下，采區(qū)內(nèi)流速一般減小2～10cm/s。采區(qū)內(nèi)水流流向變化較小，方向角變化一般在0°～3°以內(nèi)。采區(qū)內(nèi)水位最大壅高值為0.9cm。在計算水流條件下，采區(qū)右側(cè)水域流速一般減小1～5cm/s，流向變化較??；主河槽流速變化在0.1～0.7cm/s左右；采區(qū)上游流速略有增大，最大增加值約1.9cm/s；采區(qū)下游流速減小，最大減小值約6.7cm/s；流速增大影響范圍集中在采區(qū)上游500m、采區(qū)下游800m范圍內(nèi)；在嘶馬河口、引江河口水域，流速變化不明顯。

采砂工程實施后，一般采區(qū)上、下游局部區(qū)域水位降低，水位最大降低值發(fā)生在采區(qū)上游100m范圍內(nèi)；采區(qū)左、右兩側(cè)水位壅高，愈近工程區(qū)，水位壅高愈大，水位最大壅高值發(fā)生在采區(qū)內(nèi)。采區(qū)上、下游300m范圍內(nèi)，水位降低，最大降低值約0.1cm；左側(cè)主河槽水位略壅高0.1～0.3cm。太平洲灘附近中、下段水位變化較??；在嘶馬河口及引江河口水域水位沒有發(fā)生明顯變化。采砂工程實施后，工程側(cè)河岸近堤、近岸水域水位、流速變化小；水位、流速變化影響主要集中在采區(qū)附近。

在防洪設(shè)計洪水位條件下，采區(qū)近左岸和近洲堤處水位略有壅高，壅高值在0.2cm內(nèi)；采區(qū)上、下游近岸處水位略有降低。采砂活動對大堤的防洪沒有明顯影響。在計算水流條件下，采區(qū)下游近堤處流速略增加0.1～0.3cm/s；采區(qū)上游近堤處流速增加很小；采區(qū)右側(cè)近堤(洲堤)處流速略有減小，減小值在0.1～0.4cm/s。計算河段工程附近主要有嘶馬河口、引江河口等，工程實施后，嘶馬河口、引江河口處水位基本沒有變化，流速變化在0.1cm/s內(nèi)。