長江下游南京河段馬汊河口航道流態(tài)及泥沙淤積特性研究

陳長英，張幸農(nóng)，方明華

（1.南京水利科學研究院，南京 210029；2.南京市航道管理處，南京 210036）

長江下游南京河段馬汊河口航道流態(tài)及泥沙淤積特性研究

陳長英1，張幸農(nóng)1，方明華2

（1.南京水利科學研究院，南京 210029；2.南京市航道管理處，南京 210036）

選擇南京八卦洲河段馬汊河入江口門，建立二維潮流、泥沙數(shù)學模型，對入江口門航道流態(tài)、水流泥沙運動特征以及口門泥沙淤積特性進行研究。結(jié)果表明，中、洪水條件下，八卦洲河段內(nèi)不存在漲潮流，但口門內(nèi)仍然存在往復流。河床沖淤變形計算結(jié)果表明，口門向內(nèi)泥沙淤積呈由大到小的分布規(guī)律，口門回流區(qū)淤積厚度最大。不同水文特征年泥沙淤積程度不同，隨淤積歷時增長，泥沙逐年淤積量略有減少，且淤積泥沙由口門逐漸向航道推進。

流態(tài)；淤積特性；南京河段；馬汊河口

Biography：CHEN Zhang-ying（1974-），female，engineer.

南京沿江主河道全長百余公里，其內(nèi)陸北側(cè)主要有滁河、劃子河、鴨子河、馬汊河、城南河、駟馬山河，南側(cè)有秦淮新河等支流匯入長江，是溝通內(nèi)陸河網(wǎng)與長江的關(guān)鍵，其河床穩(wěn)定性對航道暢通有重大作用［1-4］。因而，維護入江口門處的航道條件，保障航道暢通，對南京沿江地區(qū)水運的發(fā)展至關(guān)重要。

本文選擇南京河段八卦洲汊道馬汊河入江口門，建立二維潮流、泥沙數(shù)學模型，對入江口門航道流態(tài)、水流泥沙運動特征以及口門泥沙淤積特性進行研究。研究結(jié)果可為入江口門的防淤減淤及航道養(yǎng)護提供參考。

1 河道基本情況

馬汊河口位于長江南京河段八卦洲汊道左汊（圖1），八卦洲汊道為鵝頭型分汊河道，長約10.1 km，最大寬度7.5 km，左汊彎曲，為支汊；右汊順直微彎，為主汊，目前左、右兩汊分流比分別為17%和83%。

八卦洲左汊是1個長約21.7 km的復合彎道，由進口段、南化彎道、馬汊河淺灘段、皇廠彎道和出口段組成，河床呈緩慢衰退之勢。1985年八卦洲洲頭分水魚咀工程實施后，左汊淤積衰退以及分流比減小趨勢有所減緩，但分流比減小的現(xiàn)象依然存在，特別是低水位時。八卦洲右汊順直微彎，現(xiàn)長約10.5 km，河寬約1.1 km。汊道內(nèi)存在4個深槽近岸段，分別位于八卦洲頭右緣、燕子磯、天河口和新生圩，20世紀80年代后對八卦洲右汊進行河道整治工程，右汊河勢開始趨于穩(wěn)定。

圖1 八卦洲汊道河勢圖Fig.1 River regime of Baguazhou reach

馬汊河入江段位于八卦洲左汊淺灘段左岸，馬汊河西起南京市六合區(qū)小頭李與滁河相接，流經(jīng)六合、浦口兩區(qū)向東至三航預(yù)制廠入長江，河道全長13.6 km，馬汊河是滁河重要分洪道，滁河中游汊河集閘泄洪流量大約有90%通過馬汊河排入長江。目前，按等外級航道標準進行維護，防洪標準為20 a一遇，設(shè)計流量為1 018 m3/s。馬汊河入江段基本上與長江主流呈60°交角，入江口門附近河寬約185 m，長江側(cè)河口上游1 km左右為南京長江二橋副橋。

2 馬汊河口二維水流、泥沙數(shù)學模型

2.1 數(shù)學模型建立

2.1.1 基本方程

采用貼體正交曲線網(wǎng)格系統(tǒng)，克服邊界復雜及計算域尺度懸殊所引起的困難。貼體正交曲線網(wǎng)格系統(tǒng)控制方程組如下

水流連續(xù)方程

動量方程

ξ方向動量方程

η方向動量方程

式中：ξ、η分別為正交曲線坐標系中2個正交曲線坐標；u、v分別為沿ξ、η方向的流速；h為水位；H為水深；Cξ、Cη分別為正交曲線坐標系中的拉梅系數(shù)；σξξ、σξη、σηξ、σηη為紊動應(yīng)力。

懸沙不平衡輸移方程

河床變形方程

2.1.2 計算范圍確定及網(wǎng)格

模型上起長江梅子洲尾，下至南京棲霞山煉油廠，中間包括八卦洲左、右汊水道，左汊寶塔水道長約22 km，右汊草鞋夾水道長約11 km，馬汊河口位于左汊南化彎道與皇廠彎道之間的淺灘段。本次計算采用2003年1∶10 000實測地形圖，馬汊河淺灘段以及馬汊河支流為重點研究區(qū)域，模型對該區(qū)域進行了局部加密，計算區(qū)域內(nèi)共布置605×261個正交曲線網(wǎng)格。

2.2 數(shù)學模型驗證

模型驗證包括水動力條件驗證及河床沖淤變形驗證。水動力條件驗證內(nèi)容有洪、中、枯3級流量條件下的長江主江道水面線、垂線平均流速分布以及汊道分流比，驗證試驗依據(jù)的原型水文資料如下：（1）2003年1月5日枯水水文測量資料，大通流量22 700 m3/s；（2）2003年5月4日中水水文測量資料，大通流量30 500 m3/s；（3）2003年7月5日洪水水文測量資料，大通流量51 135 m3/s。河床沖淤變形驗證計算起始地形采用2003年地形，計算驗證地形為2006年實測河道地形。通過水動力條件驗證以及河床沖淤變形驗證計算，模型與原體相似度較好。

3 數(shù)值計算與分析

3.1 水流特征計算與分析

入江口門水流運動特征復雜，受多種因素影響［5－9］，為分析研究馬汊河口口門區(qū)及航道內(nèi)水流運動特征，選擇驗證計算中的中水流量（Q＝30 500 m3/s）和洪水流量（Q＝51 135 m3/s）作為計算流量，下游以大潮潮位過程控制。

計算結(jié)果顯示，中洪水時，口門外長江無漲潮流，但是隨長江潮位變化，口門內(nèi)存在明顯往復流。在1個潮周期中，口門外長江水流始終表現(xiàn)為向下游的單向流，并無漲潮流出現(xiàn)，口門內(nèi)航道則存在漲潮流，漲潮流速距離口門越近，流速值越大，口門附近漲急時流速值明顯大于落急時流速值。從斷面流速分布看，口門區(qū)附近斷面流速分布沿河寬方向變化較為明顯，表現(xiàn)出較強的二維水流運動特征，隨著水流向航道方向推進，斷面流速分布沿河寬方向的變化逐漸減小，流速沿河寬方向基本上沒有變化，說明航道內(nèi)側(cè)基本呈一維明渠水流運動特征。

從口門流態(tài)特征看，口門區(qū)存在回流，且口門內(nèi)的回流范圍及強度隨潮位的漲落與長江來流量而改變。圖2為口門回流隨潮位漲落的變化情況，由圖2可見，開始漲潮時，首先在口門中部形成回流，回流強度較小，為0.05 m/s（圖2-a）；隨著潮位的升高，回流產(chǎn)生位置的范圍及強度發(fā)生變化，中潮位附近口門回流位于口門右側(cè)，回流范圍有所減小，回流強度略有增強，為 0.06 m/s（圖2-b）；其后回流強度又減弱，回流的位置向口門內(nèi)側(cè)偏移，高潮位附近的口門回流見圖2-c；轉(zhuǎn)為落潮時，口門偏左側(cè)形成回流，回流強度為0.07 m/s（圖2-d）；落至低潮位時，又恢復為口門中部形成一個回流（圖2-e）。

圖2 馬汊河口口門水流流態(tài)（Q＝30 500 m3/s）Fig.2 Flow pattern in Nanjing Macha river mouth（Q＝30 500 m3/s）

3.2 泥沙淤積計算及分析

當遭遇長江不同水文條件時，入江口門泥沙淤積規(guī)律不同，選擇1998大水中沙年和2006小水小沙年，計算不同典型水文年條件下入江口門泥沙淤積特征。

計算結(jié)果顯示，自口門向內(nèi)泥沙淤積呈現(xiàn)由大到小的分布規(guī)律（圖3、圖4）。口門附近回流區(qū)泥沙淤積厚度最大，泥沙淤積較大區(qū)域主要集中在自口門向內(nèi)600 m處，口門向內(nèi)600～1 200 m泥沙淤積相對較小，1 200 m以外航道泥沙淤積很小。對比1998大水中沙年與2006小水小沙年可見，1998大水中沙年口門泥沙淤積較為嚴重，1998年全年口門區(qū)最大淤厚為0.38 m，2006年全年口門區(qū)最大淤厚為0.14 m。年內(nèi)泥沙淤積主要集中在汛期，1998年6～10月口門區(qū)最大淤厚達0.28 m，約占全年74%；2006年6～10月口門區(qū)最大淤厚達0.09 m，約占全年65%。

為分析泥沙逐年淤積的累積情況，以2006年水沙條件為基礎(chǔ)，進行了長系列水文年計算，計算結(jié)果顯示，1 a后口門區(qū)最大淤厚為0.14 m，2 a后口門區(qū)最大淤厚為0.26 m，3 a后口門區(qū)最大淤厚為0.35 m。以上數(shù)據(jù)說明，隨淤積歷時的增長，泥沙逐年淤積量略有減少，并且淤積泥沙由口門逐漸向航道推進。

圖3 1998大水中沙年馬汊河口淤積縱剖面圖Fig.3 Longitudinal profile of deposition thickness in Macha river mouth in 1998

圖4 2006小水小沙年馬汊河口淤積縱剖面圖Fig.4 Longitudinal profile of deposition thickness in Macha river mouth in 2006

4 結(jié)論

馬汊河口潮流以及泥沙數(shù)學模型計算結(jié)果說明，中、洪水條件下，長江八卦洲河段內(nèi)不存在漲潮流，但是由于潮位的漲落，馬汊河口口門區(qū)及口門內(nèi)航道仍然存在往復流。口門附近斷面流速分布沿河寬方向變化較為明顯，表現(xiàn)較強的二維水流運動特征，隨著水流向口門內(nèi)航道方向推進，斷面流速分布沿河寬方向變化逐漸減小，說明航道內(nèi)側(cè)基本呈一維明渠水流運動特征。口門區(qū)域存在較大的回流，口門區(qū)回流隨潮位漲落和流量變化而發(fā)生變化。河床變形計算結(jié)果說明，自口門向內(nèi)泥沙淤積呈現(xiàn)由大到小的分布規(guī)律，口門附近回流區(qū)泥沙淤積厚度最大，豐水中沙年泥沙淤積較為嚴重，小水小沙年泥沙淤積較少，年內(nèi)泥沙淤積主要集中在汛期。長系列年計算結(jié)果說明，隨淤積歷時的增長，泥沙逐年淤積量略有減少，并且淤積泥沙由口門逐漸向航道推進。

［1］張幸農(nóng)，陳長英.南京入江口門航道流態(tài)及演變分析［R］.南京：南京水利科學研究院，2009.

［2］張幸農(nóng)，吳濟難.張家港二線船閘下游引航道泥沙淤積及其口門布置型式的分析研究［R］.南京：南京水利科學研究院，1997.

［3］張幸農(nóng)，楊紅，孫波.感潮河段支流引航道泥沙淤積的研究［R］.南京：南京水利科學研究院，2000.

［4］張幸農(nóng)，陳長英.張家港船閘擴建工程下游引航道泥沙淤積計算分析［R］.南京：南京水利科學研究院，2004.

［5］劉青泉.盲腸回流的水流運動特性［J］.水動力學研究與進展，1995，10（3）：290-301.

LIU Q Q.The Characteristics of Water Movement in Cecum Circulating Flow［J］.Journal of Hydrodynamics，1995，10（3）：290-301.

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YUE J P.Experimental Study on the Sediment Deposition Caused by Rotating Flow in the Closed Channel［J］.Journal of Sediment Research，1986（2）：41-50.

［7］劉青泉.盲腸河段口門摻混區(qū)的泥沙擴散［J］.泥沙研究，1995（2）：11-17.

LIU Q Q.A study on sediment diffusion in turbulent mixing region at the mouth of cecum reach［J］.Journal of Sediment Research，1995（2）：11-17.

［8］林健，竇國仁.潮汐河口挖入式港池淤積研究［J］.水利水運科學研究，1996（2）：22-29.

LIN J，DOU G R.Siltation study of dredged harbour basins on tidal estuaries［J］.Journal of Nanjing Hydraulic Research Institute，1996（2）：22-29.

［9］張瑞瑾.河流泥沙動力學［M］.北京：水利電力出版社，1989.

Study on flow pattern and characteristics of sediment deposition in Nanjing Macha river mouth of the lower Yangtze River

CHEN Zhang-ying1，ZHANG Xing-nong1，F(xiàn)ANG Ming-hua2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing210029，China；2.Nanjing Municipal Waterway Administration Bureau，Nanjing210036，China）

Taking the Nanjing Macha river mouth of the lower Yangtze River as an example，a twodimensional flow and sediment mathematical model was established to study the flow pattern and characteristics of sediment deposition.The results show that there is no existence of flood current in Nanjing Baguazhou reach，but there still exists reversing tidal current inside the Macha river under the condition of flood.The calculated results of river bed deformation indicate that the deposition in Macha river mouth is more serious than that inside the Macha river，and the maximum thickness of deposition is in the recirculation region.The deposition thickness is different in different hydrological years，and the sediment deposition decreases with the increase of silting duration.

flow pattern；characteristic of sediment deposition；Nanjing reach；Macha river mouth

TV 142；U 617.5

A

1005-8443（2010）05-0496-05

陳長英（1974-），女，江西省吉安人，工程師，主要從事河道港口水流、泥沙工程研究。