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长江口深水航道整治工程对北槽河床冲淤的影响研究

潘灵芝  
【摘要】:长江河口丰水、多沙、中等潮汐强度,因长江输运细颗粒悬浮泥沙的大量落淤,形成了宽阔的水下三角洲与滩槽相间的拦门沙系。为了提高长江河口航道通航能力,几代人历经近40年的科研攻关,选定南港-北槽作为长江口深水航道加以治理。深水航道治理工程的实施,对北槽水域的流场、盐度场、悬沙浓度分布以及河床冲淤等均产生了显著影响;研究长江口深水航道整治工程对北槽河床冲淤的影响过程和机制不仅具有重要的工程应用价值,而且具有重要的学术意义。 本文根据自1998年1月至2008年2月连续10年的北槽实测地形资料,深入而系统地分析长江口北槽深水航道整治工程前后的河床冲淤分布特征及变化规律,试图揭示深水航道整治工程不同阶段对北槽河床冲淤变化的影响。研究结果显示,随着深水航道整治工程的开展,北槽河床冲淤变化具有显著的空间分布特征和时间变化规律。 白1998年1月至2008年2月,北槽水域泥沙淤积总量高达3.37亿方;入口段和坝田普遍淤积,泥沙淤积总量分别为0.56亿方和3.50亿方,上段北侧坝田淤厚最大,高达3.9m;主槽冲刷为主,中段与下段南侧(10#抛泥区附近)淤积,累计冲刷总量为0.69亿方。 深水航道整治一期与完善工程期间(1998年1月至2002年2月),北槽上段主槽冲刷显著,最大冲刷深度约1.25m,有效改善了拦门沙航道水深,8.5m航道得以贯通;L段坝田和中段淤积显著,中段一度出现西北-东南走向淤积带,其平均淤积厚度高达2.0m以上;入口段航道北侧淤积,平均淤积厚度约0.70m。 深水航道整治二期工程期间(2002年2月至2005年2月),北槽下段主槽冲刷显著,冲刷深度达0.2-1.3m;入口段、坝田区域以及主槽的上段与中段的南侧区域普遍淤积,其中入口段航道北侧、上段航道北侧坝田和中下段航道南侧坝田淤积最为显著,局部淤积厚度高达3.0m。 深水航道整治二期工程后阶段(2005年2月至2008年2月),北槽下段主槽的下端冲刷较为显著,平均冲刷深度约0.70m,坝田和入口段淤积强度回落, 从逐年河床冲淤变化可知,入口段和坝田多处于淤积状态,受二期工程影响均在2004年出现1次淤积峰值,入口段平均淤积厚度1.22m,中上段坝田平均淤积厚度约1.10m;主槽的逐年冲淤变化复杂且区段间差异显著,上段与下段累计净冲刷,受完善工程和二期工程影响,分别在2000年和2004年各出现了1次冲刷峰值,2000年冲刷深度范围为0.40-1.25m;中段累计净淤积,受二期工程和10#抛泥区的启用影响,分别在2002年和2006年各出现了1次淤积峰。淤积峰后,年冲淤幅度逐年回落,降幅范围达25-70%。综上可知,河床冲淤的逐年变化主要受工程影响,没有显著的年际变化规律。 此外,河床冲淤还具有显著的年内变化,入口段与坝田呈“洪季多淤、枯季少淤”的变化规律,主槽呈“洪季淤积为主,枯季冲刷为主”的特征规律。综合上面的特征规律,可见北槽河床冲淤分布主要受到深水航道工程的影响。 为深入探讨深水航道整治工程不同阶段对北槽河床冲淤影响的机制,本文使用国际上先进的Delft3D模型建立长江口-北槽海域三维泥沙模型。在经过973项目和“碧海计划”的大量实测资料率定及检验后,针对工程前及不同工程阶段,设计了5组数值试验,分别使用相同的外部驱动力和不同工程节点的地形与工程配置,计算不同工程节点的流场和泥沙场,从而分析不同工程阶段对北槽流场和泥沙场的影响。 结果发现:一期工程致使北槽入口段水动力减弱,半月潮周期平均流速最大降幅为0.32m/s;上段主槽区域水动力显著增强,半月潮周期平均流速最大增幅高达0.44m/s;坝田区域水动力显著减小,北槽中段存在西北-东南走向的流速减小带,下段流速变化微弱。完善段工程后,北槽入口段水动力有所增强,主槽中段平均流速增幅最为显著,达0.12-0.45m/s,主槽上段和下段区域流速变化不大,坝田区域流速继续减小。二期工程致使北槽下段主槽半月潮周期平均流速增强显著,最大增幅达0.68m/s;坝田平均流速减弱,最大减幅达0.86m/s;入口段、上段与中段主槽区平均流速变化不大。二期工程后阶段,北槽入口段和上段区域半月潮周期平均流速有所减小,中段与下段区域平均流速变化不大。以上不同工程阶段引起的水动力变化与河床冲淤变化基本一致,可见,工程影响产生的北槽水动力“强弱变化”是引起对应区段河床“冲淤变化格局”的主要机制。 此外,泥沙模型计算结果证实,南北双导堤阻挡泥沙进入北槽效果显著。


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