长江口白茆沙河段南强北弱格局变化特征研究_杜德军.pdf

第 54 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月人民长江YangtzeiverVol 54，No 2Feb，2023收稿日期:2022 01 15基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFB2600200);水利部三峡后续项目(126302001000200002);江苏省水利科技项目(2020002)作者简介:杜德军，男，正高级工程师，主要从事河口海岸泥沙工程研究。E mail:duhuyang126 com文章编号:1001 4179(2023)02 0085 06引用本文:杜德军，王晓俊，成泽霖，等 长江口白茆沙河段南强北弱格局变化特征研究 J 人民长江，2023，54(2):85 90长江口白茆沙河段南强北弱格局变化特征研究杜 德 军1，2，王 晓 俊1，成 泽 霖1，贾 梦 豪1，闻 云 呈1，2，李 阳 帆1(1 南京水利科学研究院 河流海岸研究所，江苏 南京 210029;2 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098)摘要:近年来白茆沙汊道“南强北弱”态势持续增强，南水道主槽和近岸河床冲刷明显，日益威胁水下岸坡稳定与附近码头安全。通过对白茆沙汊道演变态势与分流比变化特征展开分析，进而对白茆沙汊道“南强北弱”分流格局变化及原因进行了系统研究。研究认为:白茆沙汊道“南强北弱”格局增强的态势是白茆沙汊道历年来周期性演变中某一阶段的表现形式;鉴于不同方法计算的汊道分流比存在差异，故用分流比表征汊道强弱时，应选用同一类型的值进行比较;深水航道一期整治工程实施遏制了白茆沙冲刷后退的态势，改变了该河段周期性演变的模式，有利于河势稳定;在现有水情、工情及河势条件下，白茆沙汊道“南强北弱”的格局变化将趋缓。关键词:白茆沙;南水道;北水道;南强北弱;分流比;长江口中图法分类号:TV1475文献标志码:ADOI:10 16232/j cnki 1001 4179 2023 02 0130引 言长江过徐六泾河段后经南、北支入海。白茆沙河段位于长江南支进口段，江面骤然放宽，水流分散，流速减缓，加之受潮流顶托影响，江中出现暗沙(白茆沙)将水流分为南北两条水道，南水道为主汊，北水道为支汊(见图 1)，多年来总体呈现“南强北弱”的格局。近年来白茆沙河段河势发生较大变化，南水道主槽与近岸河床受冲刷明显，“南强北弱”态势持续增强，威胁水下岸坡稳定与附近码头安全，引起了有关部门的高度重视并进行了多项专题研究1 3。张朝阳等4 研究认为，随着流域来沙变化及周边工程实施影响，白茆沙南水道分流比持续增大，南侧近岸险工段河床冲刷严重;徐骏等5 根据实测资料分析佐证了近年来“南强北弱”的河势格局逐步加强;徐华等6 研究认为，受白茆沙头部受冲后退、白茆小沙下沙体冲失影响，河床向宽浅型方向发展;张朝阳等7 认为在新的河道边界条件和典型洪水作用下，白茆沙全河段表现出槽冲滩淤、总体淤积的特征。上述研究分析了近年来白茆沙汊道“南强北弱”格局呈现加剧的趋势及其成因，但结论主要是依据落潮分流比，而对涨潮分流比分析较少;另外，未能根据来水来沙变化和相关工程实施情况进行分时段分析，忽视了近年来“南强北弱”格局增强的趋势已有新的变化。并且由于统计方法存在差别，2021 年 7 月 实 测 北 水 道 净 泄 量 分 流 比 为23 8%，明显小于近年来的落潮平均流量分流比，这又加剧了有关部门的担忧。为此，本文基于白茆沙河段近年来滩槽冲淤变化分析，根据多年来白茆沙汊道实测流量、分流比变化，结合来水来沙变化、附近相关涉水工程实施时间，根据不同方法计算得到的汊道分流比，系统分析近年来“南强北弱”的发展变化及原因。人民长江2023 年图 1徐六泾、白茆沙河段河势Fig 1iver regime of Xuliujing reach and Baimaosha reach1河道概况白茆沙河段位于长江南支上段(见图 1)。河段中白茆沙将南支进口段分为白茆沙南、北水道 7 8。其中南水道为主汊、北水道为支汊，2021 年 7 月实测分流比分别为 73%和 27%。两水道水流汇合后进入浏河水道。白茆沙南水道南岸为苏州港太仓港区，新情势下上游河段河床的冲淤变化引起了入流条件的调整 9，白茆小沙导流边界尚未形成，白茆沙河段“南强北弱”河势格局进一步加强，太仓近岸持续冲刷危及码头安全运行。2研究方法2 1汊道强弱判别指标分析汊道的强弱可由汊道河宽、断面面积、河槽容积和汊道分流比等参数反映。一般情况下，主汊的上述参数相对较大。根据断面河宽和面积判别汊道强弱时，使用单个断面资料可能由于其具有一定偶然性而不能反映汊道真实情况，而使用多个断面资料进行比较则工作量较大。因此河槽容积和汊道分流比是相对更为可行的比较参数。图 2 为白茆沙南水道 2002 2021年间，5 m、20 m 以下河槽容积与对应时间段汊道分流比的相关性分析，2约为 0 95 和 0 94，表明汊道容积与汊道分流比具有较好相关性。由于白茆沙汊道近年来分流比数据相比河槽容积数据更为丰富，后文以汊道分流比作为主要指标对汊道强弱进行判别。2 2分流比计算方法潮汐河段汊道分流比计算方法主要包括涨落潮潮量法、涨落潮平均流量法和落潮稳定期流量法。涨落潮潮量法根据各汊道断面两涨两落闭合潮段内的涨、落潮潮量和净泄量，计算各汊道涨潮量、落潮量和净泄量(即涨、落潮总量)分流比。涨落潮平均流量法根据各汊道断面两涨两落闭合潮段内的涨、落潮潮平均量图 2白茆沙南水道 5 m、20 m 以下河槽容积与分流比相关性分析Fig 2Correlation analysis of channel volume and diversion ratiobelow 5 m and 20 m in Baimaosha waterway和净泄量，计算出各汊道涨潮、落潮平均流量分流比和净泄量(即涨、落潮平均流量)分流比。不同计算方法得到的分流比数据不尽一致。白茆沙南、北水道 2021 年 7 月 12 13 日实测断面流量过程线如图 3 所示，不同计算方法得到的汊道分流比成果见表 1。图 3白茆沙南、北水道最新实测断面流量过程线Fig 3Latest measured section flow path of north southwaterway of Baimaosha表 13 种方法计算的分流比结果对比Tab 1esults of split ratio calculated by three methods潮型水道涨落潮潮量法/亿 m3涨落潮平均流量法/(m3s1)落潮稳定期流量法/(m3s1)落潮总量涨潮总量落潮平均流量涨潮平均流量净泄量平均流量落潮稳定期流量大潮北水道130132220749711790410876730356南水道390351958787821969737610485974小潮北水道12401491750397671612072927234南水道343021144235716808535719968104(1)落潮平均流量与落潮稳定期流量计算得到的分流比结果基本一致，误差在 0 7%内。(2)落潮总量分流比与落潮平均流量分流比存在68第 2 期杜德军，等:长江口白茆沙河段南强北弱格局变化特征研究一定差别。北水道落潮总量分流比为 25 8%，较落潮平均分流比 27 2%要小。由于河口段径潮流相互作用影响造成潮波变形，涨落潮历时不对称，该作用影响程度在不同汊道存在区别，因此计算结果存在偏差。大潮南、北水道落潮历时分别为 17 41 h 和 18 44 h，涨潮历时分别为 7 59 h 和 6 56 h，北水道落潮历时较南水道长 1 h 左右，落潮总量为落潮平均流量与落潮历时的乘积，北水道落潮历时较南水道要短，使得落潮总量相对较小。(3)涨潮流占优的汊道，其涨潮分流比大于落潮分流比。相对于南水道，白茆沙北水道涨潮流相对占优，涨潮分流比较落潮分流比大 5 9%。同理，在涨潮流占优的河道，涨潮流较强，其净泄量平均流量就会减小，净泄量平均流量分流比小于落潮流量分流比。其中北水道净泄量平均流量分流比较落潮分流比小 3 5%。2021 年7 月实测资料表明:北水道净泄量平均流量分流比仅为238%，明显小于1 月份落潮平均流量分流比(259%)，引起了有关部门的高度关注，并加剧了沿岸码头的担忧:白茆沙汊道“南强北弱”是否格局还在进一步加剧。实际上，1 月份净泄量平均流量分流比为212%，7 月份净泄量平均流量分流比相比 1 月份还增加了26%(见图4)，“南强北弱”格局并未进一步加剧，其变化原因在于洪枯季差异、汊道冲淤变化所致。图 42021 年北水道枯季及洪季分流比比较Fig 4Comparison of diversion ratio between flood seasonand dry season of north waterway in 2021鉴于不同计算方法得到的分流比存在差异，因此，分流比对比分析应基于同一计算方法得到的数据进行。考虑到净泄量分流比在该河段并不能代表汊道的强弱，在下面的分析中，主要用涨、落潮平均流量分流比(以下分别简称涨潮分流比、落潮分流比)进行分析。3白茆沙汊道“南强北弱”格局分析3 1白茆沙汊道滩槽变化3 1 1白茆沙沙体演变白茆沙是河道中间的一块马蹄形心滩，作用于沙体的动力以落潮流为主。历史上老白茆沙形成于江心暗沙，在上游水沙的不断补给和北支泥沙倒灌淤积影响下，沙体发展，后受涨、落潮水流作用，沙体持续冲刷下移并北靠，由此南水道发展、北水道萎缩。南水道展宽后滩槽趋于宽浅，水流动力减弱，上游下泄泥沙又易在南侧形成新的沙体，由此产生新一轮的演变10。1954 年大洪水后，白茆沙体严重冲刷，白茆沙逐步北移，1958 年并靠崇明岛。1970 年在其南侧的白茆沙南水道中央又形成了新的心滩，随后新的白茆沙产生并不断扩大，至 1992 年又形成一个较为完整的白茆沙。图 5 表示白茆沙近年来 5 m 等深线变化，19922012 年，白茆沙头部持续冲刷后退，在上游白茆小沙下沙体同步冲刷的情况下，南水道进口展宽，南水道处于持续发展之中。白茆沙汊道段的上述冲淤变化，与其周期性演变趋势相吻合。2012 年，深水航道整治一期白茆沙工程(以下简称一期工程)开工，2014 年竣工验收。工程实施后，白茆沙沙头得到有效守护8。图 5白茆沙近年来 5 m 等深线变化Fig5Variation of 5 m isobath of Baimaosha in recent years3 1 2深槽变化图 6 为白茆沙河段 10 m 等深线变化。自 1992年，新的白茆沙形成后，深槽主要呈现以下变化:(1)1992 2004 年，白茆沙头部冲刷后退，南水道进口展宽，南水道有所发展，北水道进出口淤浅。1992 年南、北水道 10 m 深槽贯通，此后，南水道进口段不断展宽冲深，深槽发展。1998、1999 年两次大洪水后，北水道进一步淤积，北水道上段 10 m 深槽中断。(2)2004 2014 年，白茆沙南水道进口冲刷，南水道仍有所发展，而北水道进口段 10 m 深槽仍中断。南水道继续发展，北水道继续萎缩，北水道 10 m深槽中断区域上延，“南强北弱”格局持续增强中。(3)2012 2014 年，一期工程实施，深槽区河床处于调整变化中，北水道进口段 10 m 深槽逐渐贯78人民长江2023 年图 6白茆沙河段近年来 10 m 等深线变化Fig 6Variation of 10 m isobath of Baimaosha inrecent years通。工程实施初期，河床调整较为剧烈，白茆沙沙体守护后，南、北水道均有所发展。(4)2014 2021 年，南、北水道均有冲刷发展。2015 年一期工程完工后，南、北水道均有冲刷发展，北水道进口段 10 m 深槽贯通并有所发展。在 2020 年大洪水作用下，白茆沙荡茜口对开上游出现 10 m 以上淤积体，水流南偏，南水道近岸深槽出现冲刷。可见，历史上，白茆沙汊道“南强北弱”格局增强是白茆沙河段