南沙頭通道及橫沙通道對長江口深水航道的影響分析

陳 維, 匡翠萍, 顧 杰, 秦 欣

(1. 同濟大學 土木工程學院, 上海200092; 2．上海海洋大學 海洋科學學院, 上海201306)

自從1998年長江口北槽深水航道工程開工建設以來, 對長江口局部地區水動力條件特別是南支產生了很大的影響, 許多學者對北槽水動力及泥沙特性做了相關的研究[1-5], 嚴以新等[6]根據長江口深水航道治理工程一、二、三期及遠景規劃, 對南北槽河勢的發展進行了分析計算, 認為北槽落潮分流比將維持在48%左右; 郁微微等[7]建立了一個長江口二維潮流場數值模型, 分別對深水航道工程實施前后進行了計算, 計算結果表明深水航道工程對長江口流速及南北槽進口斷面潮量的影響較大; 劉杰等[8]對長江口深水航道治理一期工程實施后北槽沖淤進行了分析, 認為一期工程實施后北槽上段河床進入沖刷調整期; 鄭宗生等[9]利用地理信息系統建立了不同時期的長江口水下數字高程模型, 對長江口北槽航道水下地形變化進行了定量分析, 認為一、二期工程完成后, 增加了主槽流速, 減少了航道回淤; 杜景龍等[10]在地理信息系統軟件mapinfo的支持下, 分析了北槽深水航道工程對九段沙沖淤演變的影響, 認為九段沙東側水下三角洲受工程的影響, 淤積速率持續降低并且底端發生沖刷。

目前, 北槽深水航道上段淤積較為嚴重, 本文根據南沙頭通道水深變化、橫沙通道斷面水深變化、南北槽分汊口斷面水深變化、南北港分流比變化及南北槽分流比變化實測資料來分析北槽深水航道上段淤積的原因。

1 長江口北槽深水航道工程介紹

長江口是一個分汊型河口, 它是在徑流量大、泥沙豐富、潮流亦強的特定條件下形成的[6]。長江口在徐六涇以下, 由崇明島分隔為南支和北支, 南支河段在瀏河口以下又被長興島和橫沙島分隔為南港與北港, 南港在九段以下再被九段沙分隔為南槽與北槽, 形成三級分汊、四口入海的格局[1](圖1)。

圖1 長江口河勢現狀圖 Fig. 1 The Changjiang River Estuary

長江口深水航道工程分為三期, 一期工程于1998年1月27日正式開工, 至2000年3月完成, 修筑南導堤30.0 km、北導堤27.89 km, 建丁壩10座, 總長 11.19 km, 在分流口修筑魚咀工程南線堤1.6 km, 潛堤3.2 km, 航道底寬擴寬至300 m(口外段350 m), 水深從 7 m 達到 8.5 m, 航道長達到51.77 km。二期工程于2002年4月開工, 至2004年12月完成, 南導堤向外延伸至48.077 km, 北導堤向外延伸至49.2 km, 新建二期丁壩9座, 總長14.3 km, 續建一期丁壩5座, 總加長4.6 km, 航道底寬擴寬至350 m(口外段400 m), 設計水深10.0 m, 航道總長74.47 km。三期工程于2006年9月30日開工, 在長興島尾南側新建 2 km 的長興潛堤, 疏浚航道90.8 km, 形成全長92.2 km、寬350～400 m、水深 12.5 m的雙向航道(圖2)[11]。

圖2 長江口深水航道工程示意圖 Fig. 2 Sketch map of deepwater navigation channel in the Changjiang River Estuary

2 長江口河勢演變分析

2.1 南支河勢演變分析

南支河段以七丫口為界分為上、下兩段。上段全長約35.0 km, 為雙分汊河型, 河段相對穩定。下段全長35.5 km, 又稱三沙河段(扁擔沙、新瀏河沙、中央沙), 為多分汊河型, 是長江口最不穩定的河段, 具體表現為洲灘游移不定(俗稱三沙游蕩), 動力條件復雜, 灘槽易位, 沖淤多變[12]。扁擔沙分河道為南支主槽和新橋水道。南支主槽在寶山水庫附近分三股水流分別進入南、北港, 其中新瀏河沙與南岸之間為新寶山水道, 通往南港; 新瀏河沙與中央沙之間為南沙頭通道, 通往南港; 扁擔沙與中央沙之間的通道為新橋通道, 是通往北港的主要水道。

2.1.1 南沙頭通道對南港及北槽的影響

1979年洪水后, 扁擔沙南部的沙體在落潮流頂沖下脫離扁擔沙, 成為心灘沙洲, 稱南沙頭, 南沙頭與中央沙之間的南沙頭通道也隨之形成。1986年, 新瀏河沙體與南沙頭合并, 稱新瀏河沙[12]。

圖3為南沙頭通道處橫斷面1983～2005年的水深變化圖[13], 起點距離是從南到北, 從圖中可以看出, 該斷面處于南、北港分汊口處, 河勢一直處于不穩定狀態。1983～1984年, 南港主河道基本上位于河道中央, 南沙頭通道水深大致在8 ～10 m; 1986年, 南港主河道深泓向北偏移, 受此深泓偏移的影響, 新瀏河沙向北移動, 南沙頭通道最深處水深維持在10 m左右; 到了1995年, 南港原主河道嚴重淤積, 近南岸河床受到沖刷成為主河道, 深泓靠南岸, 南沙頭通道受到沖刷, 水面拓寬, 最深處超過12 m; 兩年后(1997年), 南港近南岸的主河道被淤積, 河道深泓偏向北岸, 而南沙頭通道被淤積, 最深處僅5 m, 且通向北港的通道被刷深; 至2005年, 南沙頭通道漸被刷深, 最深處達14 m。此后數年, 南沙頭通道一直在擴大。2008年, 南沙頭通道入口實施了護底工程, 目的是為了抑制該通道的發展, 同時也為了歸順南港水流, 但南沙頭通道的水流對南港河道的影響卻仍然存在著不確定的因素。

圖4是南、北港1958～2007年50年間的落潮分流比變化過程, 從圖中可以看出, 1958年至1963年, 南、北港分流比接近50%, 南、北港分流處于較為穩定的時期。1964年開始北港分流比大于南港, 直至1979年兩者分流比又基本相等, 但自從1979年南沙頭通道形成后, 從1980年至1994年, 北港分流比小于南港, 南沙頭通道起到了增加南支水流進入南港的作用。1995年至2002年, 北港分流比增大, 且大于南港, 這期間南沙頭通道得到拓寬, 新寶山水道淤積嚴重, 南沙頭通道對新寶山水道的影響不可忽視。特別是2002年, 北港分流比遠大于南港, 南沙頭通道不僅刷深, 其入口也向北明顯偏移。2007年, 南港分流比有所增大, 這與南沙頭通道動搖不定仍然存在著一定的關系。

圖3 南支南沙頭通道橫斷面1從1983～ 2005年水深變化圖 Fig. 3 Water depth variation along a cross-section of the Nanshatou Passage in the South Branch from 1983 to 2005

圖4 南、北港1958～2007年落潮分流比變化過程 Fig. 4 Ebb flow split ratios of the South and the North Channel from 1958 to 2007

現南沙頭通道與南港南岸的夾角約為45°[14], 落潮時, 由于增加了橫向流速, 不僅對新寶山水道水流產生一定的抑制作用, 同時由于橫向流速會產 生環流, 增加了水流在南港的停留時間, 這對泥沙向下輸送產生不利的影響; 此外, 南沙頭通道水流對南港南岸也會產生一定的沖刷作用, 經南岸沙洲的阻擋及黃浦江水流的作用, 把泥沙帶向南港北岸, 在北槽進口段前產生淤積; 此外落潮流由于此沙洲的影響, 流向偏向南槽, 減弱了進入北槽深水航道的水量, 從而引起北槽深水航道上段的淤積。

2.1.2 橫沙通道對北槽的影響

橫沙通道為1954年特大洪水造床作用在口門地區與北槽同期塑造的新生汊道, 位于長興島和橫沙島之間, 是長江口水域唯一一條獨立的、南北向連通的通道, 兩側分別連接長江口最大的兩個入海通道——北港與北槽, 是北港和北槽入海前的勾通交換渠道, 也是它們之間進行水沙交換的重要通道。目前該通道平均寬約1 200 m, 長約8 000 m, 貫通水深約為10 m[12]。

近半個世紀以來, 橫沙通道經歷了沖刷擴大、中段淤積及束窄加深3個階段, 橫沙通道發展變化的原因是由于河口汊道潮波變形引起的相位差, 表現形式為橫向汊道兩端存在橫比降, 且北口潮差大于南口。而南北水位的差值洪季大于枯季, 大潮大于小潮。潮差及潮汐相位的不同組合, 使得橫沙通道的水流產生較大的變化。當水面橫比降減小時, 通道漲落潮流速減緩, 導致懸沙淤積, 反之則引起河底沖刷。特別是北港深槽往南擺移, 有利于潮流與橫沙通道的交換, 對橫沙通道的水深變化起著重要的作用。

圖5是橫沙通道南北口橫斷面1997～2009年水深變化[15], 起點距離是從西到東, 從北口斷面可以看出: 1997年, 橫沙通道北口斷面河寬約為1 000 m, 河型呈“V”型, 深泓偏橫沙島一側, 最大水深約為14 m; 2001年, 北口斷面整體被沖刷, 刷深范圍為1～2 m, 橫沙島一側沖刷程度較長興島一側大, 且深泓向橫沙島一側偏移了100 m左右; 2004年, 北口斷面總體沖刷, 深泓向橫沙島一側偏移, 河道擴寬約200 m; 2009年, 北口斷面進一步沖刷, 深泓再向橫沙島一側偏移, 深泓刷深約2 m左右。總體而言, 橫沙通道北口斷面從1997到2009年, 總體沖刷, 主河道向橫沙島一側偏移。從南口斷面可以看出, 1997年, 橫沙通道南口斷面河寬約為1 200 m, 最大水深為8 m, 為“U”型深槽, 深泓偏向長興島一側; 2001年, 南口斷面整體沖刷, 河寬擴寬明顯, 約為1 800 m, 斷面刷深, 且近岸處沖刷較深, 中間高凸, 形成2個“V”型深槽, 最大水深超過12 m; 2004年, 南口斷面整體繼續被沖刷, 深槽下切, 且斷面中間沖刷較大; 至2009年, 兩深槽略有下切, 但斷面中間淤積嚴重, 淤積厚度達4 m。河道斷面形態變化這么大, 可能與2007年建成的長興島潛堤有關。長興潛堤工程是長江口深水航道治理三期工程的一個組成部分, 位于長興島東南角沙咀灘面上, 建設長度約1.84 km。由于潛堤對流的阻擋作用, 落潮時, 斷面水位兩端會出現水位差, 且長興島水位高于橫沙島水位, 橫沙通道里產生橫向流動且出現環流, 將長興島一側的泥沙帶向中間, 從而引起河道中間嚴重淤積。

圖5 橫沙通道典型橫斷面1997～2009年水深變化圖 Fig. 5 Water depth along the cross-section of the Hengsha Passage from 1997 to 2009

從橫沙通道南北兩個斷面沖淤變化情況來看, 斷面沖刷變化趨勢基本一致, 說明整個橫沙通道沖刷變化趨勢與此相當, 即橫沙通道過水流量在深水航道工程后有所增加。而橫沙通道流量的增大, 對北槽上段進口段漲落潮進出水量會產生影響, 即減小了北槽進口段漲落潮水量, 而北槽進口段水量的減少, 表現在水流速度上會有所減小, 從而產生泥沙的落淤。

2.1.3 科氏力及北槽南導堤分流口魚咀工程對北槽的影響

李國英[16]在分析黃河河勢演變時, 認為科氏力的長期影響不容忽視, 并指出在堤防的結構設計、河道整治線路規劃及其控導工程設計、入海流路選擇及工程布局規劃等生產實踐中應該特別加以注意。

長江口屬中等強度的潮汐河口, 潮汐為非正規半日淺海潮, 每日兩漲兩落, 且有日潮不等現象, 在徑流作用下, 一般落潮流速大于漲潮流速, 從而造就了以落潮水流作用為主的落潮槽, 如南支南、北港主槽等[17]。在科氏力的作用下,落潮主流呈南偏,漲潮主流呈北偏, 即主流往右偏移, 使河口各汊道進出潮量出現差異, 如南支、南港進出潮量一般大于北支、北港進出潮量, 并使河口的南汊道刷深、擴寬, 呈發展趨勢, 北汊道則日漸淤淺、束窄, 呈衰退趨勢。

北槽南導堤分流口魚咀工程方向略偏北, 與科氏力對水流的作用方向基本吻合。落潮時, 一部分水流被導向南槽, 在科氏力及北槽南導堤分流口魚咀工程共同作用下, 對南槽的發展起到了促進作用; 漲潮時, 漲潮流順分流口魚咀工程方向將南槽泥沙帶向長興島一側, 即北槽進口段前, 而南槽的發展在南北槽漲潮流匯合時, 又抑制了北槽漲潮流在南支爭奪水量的水勢, 從而促使泥沙在北槽上段進口段落淤。

2.2 南北槽河勢變化分析

圖6是南北槽分汊口處橫斷面1998年和2006年水深圖[8]。起點距離是從南到北。1998年, 北槽深泓位于北槽中央, 最深水深達15 m, 南槽平均水深約為8 m, 北槽過水斷面大于南槽, 北槽比南槽有更優越的河勢條件; 與1998年相比, 2006年北槽進口段大幅度淤積, 且北側淤積幅度大于南側, 深泓整體向南移動, 最深水深由原來的15 m左右減至12 m 左右, 而南槽進口段河槽卻普遍沖刷, 沖刷深度最大達4 m。分析南北槽過水斷面變化結果, 南槽過水斷面增大較多, 而北槽過水斷面減小, 且南槽過水斷面大于北槽, 即南槽獲得了比北槽更優越的河勢動力。

圖6 南、北槽分汊口處橫斷面1998年、2006年水深圖 Fig. 6 Water depth variation along the inlet cross-section of the North and the South Passage in 1998 and 2006

圖7為南、北槽分流口斷面1998～2006年落潮分流比變化過程[8], 從圖中可以看出, 在深水航道工程開工建設之前, 北槽的分流比約為60%, 南槽的分流比約為40%, 北槽比南槽的水流條件優越。但一期工程建設結束(2000年8月)后, 北槽水勢有所減弱, 南槽得到加強, 南北槽分流比逐漸趨于平衡; 二期工程(2002年4月)開工建設后, 北槽水勢減弱南槽水勢加強這一趨勢在加重, 南槽分流比開始大于北槽, 南槽得到了充分發展; 至2006年, 北槽分流比已由原來的60%左右減為45%左右, 而南槽分流比約為55%, 南槽河勢占據了優勢。如果這一發展趨勢維持下去, 對長江口深水航道會產生較為嚴重的影響。

圖7 南、北槽分流口斷面1998～2006年落潮分流比變化過程 Fig. 7 Ebb flow split ratios of the South Passage and the North Passage from 1998 to 2006

3 結語

本文根據實測資料對北槽深水航道上段入口段淤積原因進行了分析, 北槽入口段淤積受多種因素的作用, 其中南沙頭通道、橫沙通道、科氏力及北槽南導堤分流口魚咀工程的共同作用應該是造成淤積的主要原因。因此, 治理北槽深水航道淤積問題, 應該從這些方面入手, 才能保證北槽深水航道正常運行。

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