變化環境下天生港水道規劃治理調整方案效果研究

聞云呈，羅龍洪，杜德軍，夏云峰

(1.南京水利科學研究院，南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098； 3.江蘇省水利工程規劃辦公室，南京 210029)

天生港水道位于長青沙、橫港沙以北，上起又來沙頭，下至任港，河道全長約23.1 km，水道進口左右岸分布有華泰重工、長青沙船舶等諸多企業，捕魚港以下建有大量的港口碼頭等基礎設施，沿程有長青沙大橋等5座跨天生港的橋梁，同時，沿岸還有碾砣港、九圩港等通江口門(圖1)。上述涉水設施需要天生港水道維持相對穩定的河勢。為穩定河勢，促進地方經濟的發展，《長江澄通河段河道綜合整治規劃》(蘇水計〔2012〕150號印發，以下簡稱《規劃》)，對天生港水道規劃整治方案進行了初步的研究，主要工程措施：結合橫港沙的圈圍，將又來沙及長青沙北角切灘，同時對水道上段進行疏浚，改善入流條件。

圖1 工程河段河勢圖Fig.1 River patterns of engineering river reach

近年來，天生港水道上、下游已實施諸多河(航)道整治工程，主要有：12.5 m深水航道福姜沙和通州沙整治、橫港沙一期圈圍、通州沙西水道綜合整治、鐵黃沙圈圍等工程；同時，三峽水蓄水后，上游來水來沙發生改變；同時又來沙外側的灘涂淤漲出水后已被華泰重工有限公司利用后，再按照規劃方案實施又來沙小切灘的難度大幅增加；另外三峽蓄水后天生港水道淤積趨勢趨緩，為維護疏浚提供了條件。基于上述新的工程環境和新的水沙條件，有必要對天生港水道整治規劃方案進行調整研究，為此形成了天生港水道規劃調整方案，即進行小切灘輔助進口的疏浚以達到規劃方案的效果，該方案在規劃方案的基礎上，又來沙切灘縮至125 m，同時對進口段至通茂船舶間進行補償疏浚，進口處寬度由300 m增至900 m，疏浚底高由-3 m降至-4 m。

本文利用二維潮流數模和物理模型，首先對規劃的符合性以及規劃方案的實施效果進行研究，接著對規劃調整方案的技術可行性、效果及影響進行研究，為整治規劃的調整提供技術支撐。

1 河道及水文泥沙條件

1.1 河段概況

天生港水道所處的如皋沙群段位于澄通河段中部，上接福姜沙水道、下連通州沙上段。澄通河段上起江陰鵝鼻嘴，下迄常熟徐六涇，河道全長約96.8 km。澄通河段為江心洲灘發育的分汊河道，河道內分布有福姜沙、民主沙、長青沙、橫港沙、通州沙等沙洲(圖1)。長江主流由鵝鼻嘴經肖山、長山導流岸壁導入福姜沙，福姜沙左汊下段又被雙澗沙分為福北、福中水道，右汊福中水道水流至福姜沙尾和福南水道匯合，進入瀏海沙水道；部分水流由福北水道進入左汊如皋中汊。如皋中汊為左汊，長約10 km，江面寬0.85～1.0 km，分流比為30%左右，右汊瀏海沙水道江面寬約2.5 km，分流比約為70%。支汊如皋中汊的水流，至長青沙頭部附近，大部分水流在老海壩下側九龍港一帶和瀏海沙水道匯合，少部分水流進入天生港水道。其后長江主流緊貼南岸，經九龍港至十二圩港，脫離南岸過渡到南通姚港至任港一帶，在匯入天生港水道的落潮流后緊貼左岸順通州沙東水道下泄。通州沙水道為暗沙型多分汊河段，長江被通州沙分割為通州沙東水道、西水道。通州沙東水道的下段又被狼山沙分為狼山沙東水道、西水道。

天生港水道上接如皋中汊，下連通州沙東水道，長度約23 km。天生港水道的分流量僅占長江總流量的1%左右，水道內漲潮動力大于落潮動力。枯季大潮時漲潮量大于落潮量，漲潮輸沙量大于落潮輸沙量，水量和沙量倒灌。根據目前天生港水道的邊界條件和水流特性，天生港水道大致分為兩段：進口至捕魚港為上段，長約14 km，水道兩側有固定邊界，漲潮流動力較強，中部為一彎道河勢，彎頂窄深，河床最深點約-7.0 m。捕魚港以下為下段，長約12 km，左岸為固定邊界，右側為橫港沙邊灘，該段水道河勢順直，漲、落潮流動力相當。

1.2 水文泥沙概況

天生港水道進口距上游長江大通水文站450 km。據大通站至2017年來流資料分析，年均流量28 200 m3/s，年平均含沙量為0.428 kg/m3。歷年最大流量為92 600 m3/s，最小流量4 620 m3/s，最大含沙量為3.24 kg/m3、最小為0.016 kg/m3。5～10月為汛期，流量及沙量超過全年的70%。相對于三峽工程運行前，洪峰平均流量減少約20%，最小流量增加約10%；沙量減小60%左右。

天生港水道河段處于長江河口段，為漲潮流占優的支汊，右汊瀏海沙水道為長江主汊。根據工程區附近的天生港站資料，最大潮差4.01 m(85國家高程基準，下同)，平均高潮位2.10 m，平均低潮位約0.03 m。在徑流與河床邊界條件阻滯下，潮波變形明顯，漲、落潮歷時不對稱分別約4 h和8 h[1-3]。

1.3 天生港水道附近水動力特點

圖2 天生港水道實測流速過程線Fig.2 Field measured time series data of velocity at Tianshenggang channel

天生港水道為漲潮流占優的支汊。天生港水道較瀏海沙水道先漲先落，漲潮初期，漲潮流沿天生港水道上溯，在彎頂上游附近與上游的落潮流交匯，隨漲潮流增強，匯流點逐漸上提，隨如皋中汊的水流由落轉漲后一起上溯。落潮時天生港水道先落，上段落潮流速較大，下段由于過流面積增加落潮流速較小，當瀏海沙水道轉落時，部分落潮流經橫港沙淺灘進入天生港水道。

據2008年6月實測資料(上游大通流量28 000 m3/s)，天生港水道進口和出口漲潮最大流速達2.21 m/s和0.95 m/s，落潮最大流速為1.26 m/s和0.87 m/s，漲潮平均流速為0.64 m/s和0.48 m/s，落潮平均流速為0.48 m/s和0.56 m/s(圖2)。天生港水道上段、中段和下段的過水面積占整個河道斷面分別為2%～3%、5%和7%，進口段漲、落潮分流比約為2%和1%。

20世紀70年代初期，由于其進口條件和河勢的變化，1970～1985年，天生港水道沿程發生普遍淤積；1985～1998年，天生港水道河床處于調整變化時期，該時期天生港水道有沖有淤，總趨勢為沖刷發展；1998年以來，天生港水道河勢保持基本穩定，河床處于微淤態勢[4]。

2 天生港水道規劃方案及調整方案布置

2.1 天生港水道整治工程的目的

根據《規劃》，工程目的在于改善天生港水道上口進流條件，維持天生港水道的航運及引排水功能，為開發水道兩岸的岸線資源創造條件。

2.2 天生港水道整治規劃方案

規劃方案布置：又來沙切灘425 m(425 m表示切灘線至岸線最大垂直距離，下同)、切灘區疏浚至0 m+長青沙北角切灘+天生港水道上段疏浚至-3 m。規劃階段方案研究表明，天生港水道進口段水動力條件改善程度主要與長青沙北角切灘及疏浚有關，進口又來沙切灘范圍影響作用很小。

2.3 天生港水道整治規劃調整研究方案

圖3 天生港水道整治規劃調整研究方案布置示意圖Fig.3 The planning and regulation adjustment scheme layout of Tianshenggang channel

隨著近年來12.5 m深水航道整治等眾多周邊涉水工程的建設，水沙動力及河床沖淤發生相應調整，同時隨著經濟發展，在天生港水道進口附近建立了中鐵三橋重工、華泰重工、通茂船舶、長青沙船舶等企業，特別是華泰重工等企業建立又來沙切灘位置，這些企業為地方經濟的發展做出了較大的貢獻。在這種新水沙、新工程環境條件下，需要對規劃方案在新水沙條件下的適應性進行重新研究。

天生港水道整治規劃調整研究進行過多方案的比選，最后推薦的調整方案是在規劃方案的基礎上，又來沙切灘縮短至125 m，將進口段至通茂船舶間進行補償疏浚，進口處寬度由300 m增加到900 m，疏浚底高由-3 m降至-4 m，以下簡稱規劃調整方案。

原規劃方案與規劃調整方案布置見圖3。

表1 規劃方案實施前后天生港水道沿程斷面面積比較 (防洪設計水位5.00 m下面積)Tab.1 Comparisons of cross sectional area along Tianshenggang channel before and after planning scheme

3 規劃方案和調整方案實施后效果

本研究利用數學模型計算和物理模型試驗進行，研究的水文條件主要有97風暴潮、98洪水大潮和平均流量大潮。

3.1 規劃方案實施后過水斷面變化分析

原規劃方案及規劃調整方案實施后天生港水道沿程斷面面積比較見圖4(斷面位置見圖1)。由圖可見，首先，天生港水道上段過水斷面面積較中下段要小，這也是規劃方案對上段進行疏浚的一個主要原因；其次，原規劃方案和規劃調整方案實施后，天生港水道進口段至彎頂的過水斷面面積均有不同程度的增加，其中原規劃方案斷面面積增加13%～71%，調整方案斷面面積增加19%～71%，最為狹窄的中上段疏浚范圍內，調整方案斷面面積最小增加幅度較原規劃方案要大，說明規劃調整方案疏浚區的深度及范圍較原方案合理，具體見表1。

3.2 對分流比的影響

圖4 規劃方案實施前后天生港水道沿程斷面面積Fig.4 Cross sectional area along Tianshenggang before and after planning scheme

平均流量大潮條件下，天生港水道整治工程實施后汊道漲、落潮分流比變化見表2。

由表2可見，各水文條件下，工程前漲潮和落潮分流比大致為2.0%、1.2%，調整方案和規劃方案實施后，天生港水道的漲潮和落潮分流比均有所增加，其中漲潮分流比分別增加至2.5%和2.6%，增幅0.5%和0.6%；落潮分流比分別增加至1.5%和1.6%，增幅分別約為0.3%和0.4%。其他各汊道的分流比變化一般在0.1%內，說明天生港水道整治實施后，對各汊道的分流比影響不明顯。

可見，天生港水道整治規劃方案和調整方案都增加了天生港水道的分流比，調整方案漲落潮分流比增加0.3%～0.5%，規劃方案增加0.4%～0.6%，均改善了天生港水道的水流條件[5-6]。

表2 平均流量大潮條件下天生港水道整治工程實施后分流比變化(斷面位置見圖1)Tab.2 Diversion rate variations after channel regulation works of Tianshenggang under averaged discharge during flood tide

5-a 漲潮5-b 落潮圖5 天生港治理方案漲落潮流速變化Fig.5 Tidal current variations during flood and ebb tide after Tianshenggang regulation works

3.3 對潮位的影響

天生港水道整治工程實施后高、低潮位變化見表3。由表可見：工程實施后，高潮位的變化一般不大于0.02 m。工程區上游的如皋港、華泰碼頭低潮位則低潮位有所降低，98洪水大潮條件下最大降低0.05 m左右；疏浚區下游碾砣港、天生港站低潮位則有所抬高，98洪水大潮條件下最大抬高約0.06 m。調整方案的潮位變化幅度較規劃方案潮位變化幅度相差不明顯。

各水文條件下，距工程區較遠的如上游的江陰站，下游的九龍港、營船港潮位站潮位過程基本沒有變化，潮位特征值變幅在0.01 m以內，工程實施對上述水域潮位基本無影響。

表3 天生港水道整治工程實施后潮位變化統計表Tab.3 Tidal level variations before and after channel regulation works of Tianshenggang m

3.4 對流速、流向的影響

調整方案實施后漲落潮流速變化等值線見圖5(97風暴潮)。

研究表明，整治工程實施后，天生港水道上段由于疏浚后水深增加，流速有所減小，漲落潮平均流速的變化大約為-0.05 m/s，天生港水道彎頂以下，漲落潮流速均有所增加，周圩河—小李港間平均流速增幅一般在0.05～0.10 m/s，局部區域的流速可達0.10 m/s，小李港以下，流速增幅逐漸減小，捕魚港附近流速增幅一般在0.02～0.05 m/s之間。

鄰近天生港水道整治工程的水域，流速略有變化但幅度一般在0.02 m/s內，其他區域的流速基本沒有變化。

值得注意的是，兩方案實施后，天生港水道的漲落潮分流比均有所增加，漲潮時出天生港水道漲潮水流增強后頂沖對開民主沙的左緣，落潮流增強水流會頂沖天生港水道彎頂的左緣。

3.5 小結

天生港水道整治規劃方案和調整方案實施后，高潮位的變化一般不大于0.02 m；工程區低潮位有所降低且最大變化為-0.05 m左右；疏浚區下游低潮位抬高且最大變化為+0.06 m；工程周邊的潮位變化不明顯。

工程實施都增加了天生港水道的分流比，調整方案漲、落潮分流比增加0.3%～0.5%，規劃方案增加0.4%～0.6%，均改善了天生港水道的水流條件，天生港水道整治工程起到了較好的效果。不過，兩方案實施后均會增加下面兩處的近岸流速，對岸坡防護不利，一是天生港水道進口對開的民主沙左緣，二是天生港水道彎頂左側。天生港水道整治工程對周邊其他區域的水動力影響不明顯。

4 天生港水道治理規劃調整方案綜合分析

規劃調整方案實施后減小了天生港進口的切灘面積，增加了進口段疏浚范圍及深度。工程實施后水動力變化與規劃方案實施后水動力變化趨勢基本一致。規劃調整方案在考慮周邊新的工程環境、新的岸線利用情況等因素的情況下，對規劃方案進行了優化，在保證整治規劃方案實施效果、確保規劃方案實施目的的情況下，提高整治工程實施的可能性，從工程實施后的水動力變化來看，調整方案是可行的。

有兩方面值得注意，(1)兩方案實施后，增強后的水流會頂沖天生港水道進口對開的民主沙左緣以及天生港水道彎頂左側的近岸區域，因此，工程實施需加強民主沙該段左緣和天生港水道彎頂左緣近岸區域的防護[7]；(2)天生港水道是一條漲潮流占優的支汊，近年來一直處于緩慢萎縮態勢中，需要輔以維護性疏浚來維持現有河勢，而無論是規劃方案還是調整方案，實施后上段漲落潮平均流速減小-0.05 m/s，這不利于天生港水道的維護。下一步應根據不斷變化的周邊形勢和來水來沙條件，結合潮流泥沙數模、定動床物理模型試驗從河勢穩定、生態、環保等方面對規劃整治調整方案做進一步研究。