论文部分内容阅读
摘 要：依托通州湾潮流泥沙物理模型，分析了10万吨级提升至20万吨级的网仓洪规划航道流场和泥沙冲淤，以及该航道建设对通州湾港区流场和泥沙冲淤的影响，并专门利用数学模型对该港区物理试验数据进行数值验证，其结果表明：10万吨级与20万吨级网仓洪航道引起的港区泥沙淤积强度基本相同，仅港池口门附近区域差异较大，建议了采用减轻腰沙归槽刷滩水流携沙的影响解决港池口门的淤积情况。研究结果为航道等级提升提供依据，可满足长江沿江产业转移升级以及江苏新出海口建设要求。
关键词：网仓洪航道;通州湾;物理模型试验
0 引言
网仓洪航道是通州湾港区的重要航道，它途径三沙洪和网仓洪深槽，以及两深槽之间的浅段水域。前期的一些研究表明，网仓洪深槽尾端北淤南冲、深槽南摆的趋势明显;网仓洪与三沙洪两深槽之间水深不足10 m的浅段处于多水道水流交汇的影响区域，浅段长度虽逐年缩短但冲淤变化相对活跃，网仓洪与三沙洪两深槽的对接尚不平顺;通州湾规划港池的建设将一定程度改变三沙洪外段及浅段区的动力泥沙环境;腰沙、冷家沙浅滩区泥沙活动对港池口门区航道存在重要影响;通州湾港区及航道建设对通州湾“两沙三槽”冲淤演变和稳定性的影响不容忽视。为适应长江沿江产业转移升级和江苏新出海口建设需要，该航道由现有10万吨级提升至20万吨级是其中重要举措之一。目前，对于该航道新的规划方案，现阶段尚无工作能验证其可行性，或者指出该方案的一些不合理之处以便及时改正。
本文拟在合理的通州湾潮流泥沙物理模型基础上，分析了网仓洪航道提升至20万吨级后港区流场和泥沙冲淤问题，对该区域内潮流泥沙物理试验数据进行数值验证，进而论证网仓洪航道提升的可行性。
1 通州湾潮流泥沙物理模型试验概述
本次物理模型试验分析采用的潮流泥沙物理模型试验是考虑潮汐、海域滩槽冲淤受悬沙和海床底沙局部运移等因素的影响，改造原通洲湾物理模型建立的。它属于变态模型，要求模型床面糙率大于原型床面糙率，研究的区域主要包括小庙洪-大湾洪水道、腰沙-乌龙沙、三沙洪-网仓洪、冷家沙、冷家沙前缘深槽等“两沙三槽”海域以及烂沙洋南水道部分海域，模拟的海域面积约4 000 km?。值得注意的是，通州湾港区潮流泥沙物理模型试验结果，已与现有一些流速、淤积监测结果进行对比，验证了该模型的合理性。
2 航道布置方案
图1为通州湾港区及网仓洪规划航道的模型布置，旨在用于分析网仓洪10万吨级规划航道以及等级提升至20万吨级时港区以及网仓洪航道流场和泥沙冲淤情况。现有网仓洪10万吨级规划航道的设计水深-13.4 m，航道宽度200 m，外航道全长31.8 km;而20万吨级航道设计水深-19.0 m，航道宽度为236 m，外航道全长60.2 km。
3 试验结果分析
3.1 航道等级提升对港区整体流场和泥沙冲淤的影响分析
网仓洪10万吨级时的通州湾港区泥沙物理模型试验结果表明：涨潮中后期由三沙洪水道向腰沙的漫滩水流受匡围及导堤的阻挡后，绕过南堤头漫入腰沙沙体，并沿南堤外侧漫滩至已建一港池匡围区东侧，并与南部小庙洪水道的漫滩流交汇;港区及匡围区的存在阻断了自三沙洪水道尾部向腰沙的漫滩水流，致使腰沙南、北两侧漫滩流交汇区域较现状北移，腰沙南侧的漫滩流有所增强;落潮初期，腰沙沙脊线与南堤之间的水体主要呈东西向流动，但落潮中、后期该区域水体向三沙洪归槽的流路受南堤阻挡后沿堤东流并绕过堤头汇入三沙洪水道，在此期间，南堤外侧出现明显沿堤水流、堤头挑流效应较显著，堤头区流速较现状增大30 cm/s～40 cm/s;位于冷家沙沙体中段的北堤对冷家沙涨潮越脊水流有一定阻水作用，落潮时由三沙洪越过冷家沙沙脊北流的越脊水也受北堤阻挡，致使北堤外侧流速减小20 cm/s～30 cm/s，整个涨落潮过程中，北堤堤头均存在水流绕堤北流现象，堤头区流速也有所增大。
当网仓洪航道等级升至20万吨级时，网仓洪水道、小庙洪水道断面流量在涨潮期的变化很小，三沙洪水道的断面涨潮流量减小2%;落潮期间，由于腰沙北部归槽水流路和水量的变化，规划港区口门外段的三沙洪水道断面落潮量减小约5%～8%;网仓洪与三沙洪之间浅区的断面落潮流减小2%～5%;小庙洪北水道的断面落潮量增大约3%。
当配套20万吨级的网仓洪航道时，港区泥沙冲淤主要发生在匡围与导堤工程局部和腰沙、冷家沙沙体等区域。其中腰沙根部和中部沙体总体淤高约1 m;北堤北侧的冷家沙沙体因堤头挑流影响，有小型冲沟发育，但未改变冷家沙整体形态。南堤外侧在沿堤水流作用下有所冲刷，南堤和北堤堤頭因挑流影响产生较明显局部冲刷。规划港区口门外侧的三沙洪外段深槽及与网仓洪交汇的浅段区有所淤浅。上述变化均属通洲湾“两沙三槽”地形格局下的局部冲淤调整。
综上可知，与网仓洪原10万吨级航道相比，新规划的20万吨级航道仅增深拓宽，航道等级提升后的整体性流场和泥沙冲淤影响基本相同。
3.2 航道等级提升对港区局部流场和泥沙冲淤变化
当网仓洪航道由10万吨级提升至20万吨级时，港区北堤中段北侧2 km～3 km区域，平均流速减小10 cm/s～15cm/s，北堤堤头外侧1 km区域流速明显增大，局部最大增大可达50 cm/s。南堤外侧浅滩由于沿堤水流作用流速显著增大，最大可达40 cm/s，堤头附近落急时流速可增大仅1.0 m/s。港池口门以外三沙洪深槽段由于归槽水量减小，平均流速减小20 cm/s～40 cm/s。
20万吨级的网仓洪航道规划方案导致港区周边淤积主要为北堤外侧根部及中段略有淤积，其中北堤外侧500 m范围平均淤积1.5 m～2.0 m，1 km～2 km范围平均淤积厚度约0.5 m;南堤南侧的腰沙浅滩区普遍淤高约1 m，其中三港池与目前一港池之间区域淤高近2 m。 如图2分别为20万吨级网仓洪航道引起的港区各部位的冲刷图，从图中可看出：航道等级提升后引起的冲刷主要发生在堤头挑流和沿堤水流增大的区域;北堤拐角段外侧局部冲深2 m～3 m，冲刷影响范围100 m～200 m;北堤堤头因挑流效应明显而产生较强冲刷，冲刷坑最大冲深可达6 m～8 m，冲刷超过1 m的影响范围约300 m～400 m;南堤外侧的沿堤冲刷范围在距堤脚100 m～200 m范围内，冲刷深度约2 m～3 m;南堤堤头附近局部最大冲刷深度约4 m～5 m，冲刷超过1 m的范围约200 m～300 m。
3.3 航道等级提升对网仓洪航道区流场和泥沙淤积分析
依据物理模型试验结果可知：当网仓洪航道提升至20万吨级后，网仓洪、三沙洪水道内往复流特征没有发生改变，潮流主轴向与航道走向基本一致;深槽区水流流速较大，大潮平均流速接近1.0 m/s，最大流速可达1.5 m/s;航道走向顺应深槽，与水流夹角较小，航道沿程横流并不明显，口外航道段以浅段区横流相对略大，但最大横流流速亦小于0.5 m/s;港池口门附近受落潮归槽水流集中影响，横流相对较大，大潮期横流流速为0.6 m/s～0.7 m/s左右，港池内码头区域最大横流不足0.2 m/s;二、三港池均为有掩护港域，其泥沙淤积主要以悬沙落淤为主;规划港区口门附近则受浅滩落潮归槽流携沙和堤头局部冲刷泥沙的直接影响;浅区段航道由于相对挖深大，且受腰沙浅滩落潮归槽水携沙的影响;网仓洪水道内因自然水深较大，海床泥沙活动性弱，航道淤积主要为悬沙落淤。
图3专门给出了10万吨级与20万吨级网仓洪航道回淤沿程分布图，从中可发现：当网仓洪航道由10万吨级升至20万吨级时，港内淤积强度自港池根部向口门区附近逐步增大，二港池内淤积强度0.1 m/a～0.4 m/a，港内淤积强度在三港池近口门区段迅速增加，口门内外两侧共4 km范围内淤积强度超过2.5 m/a，局部最大淤积强度近3.5 m/a，浅段区航道淤积强度1.4 m/a～1.6 m/a，网仓洪深槽的外航道段年淤积强度仅0.1 m/a～0.2 m/a;虽然二港池淤积强度并不大，但港内开挖面积宽阔，年淤积总量也可达240万m3，三港池是港池航道沿程淤积最为严重的部位，淤积强度和淤积总量均较大，年淤积总量近1 260万m3，港池段内航道年淤积量约290万m3;口外航道开挖区范围相对较小，淤积总量小于港内，外航道淤积量约580万m3;网仓洪10万吨级航道的港池航道年淤积总量近2 080万m3;网仓洪20万吨级航道的淤积分布与10万吨级航道一致，沿程淤积强度较10万吨级航道大0.1 m～0.3 m;网仓洪20万吨级航道的外航道年淤积量1 050万方，三港池段内航道年淤积量约350万m3，港池航道年淤积总量近2 800万m3。
4 数值验证
为了验证10万吨级与20万吨级网仓洪航道引起的泥沙淤积变化准确性，专门利用数学模型对该港区进行数值仿真。图4给出了依据数学模型与物理模型的港区泥沙淤积强度沿程分布结果，从中可看出：相较于数值计算结果，物理模型得出的港池航道淤积总量大250～300万m3;两者确定的港内淤积量差异较小，物模试验中近口门段的港内淤积较集中，港池根部淤积强度较小，这主要是归槽水流携沙及堤頭冲刷泥沙影响的敏感性差异造成的;物模试验得出的规划港池口门外三沙洪及浅段区航道的淤积大于相应的数模结果，这主要是因为物模试验能更全面地反映涨潮期落淤于南堤外侧腰沙浅滩的泥沙随落潮沿堤水流归槽的持续转运过程对航道淤积的影响。
5 航道等级提升可行性评价
通过上述物理试验与数值模拟结果对比分析可知，10万吨级与20万吨级网仓洪航道引起的泥沙淤积强度大部分区域基本相同，仅港池口门附近区域差异较大，即20万吨级规划航道淤积强度远大于10万吨级规划航道。由于规划港区口门仅及腰沙中部，受腰沙落潮归槽尤其是沿堤刷滩水流携沙归槽的影响，港口口门附近淤积强度明显较大，而冷家沙中段的北堤虽也存在阻水挑流影响，但挑流方向均由三沙洪向北，堤头冲刷的泥沙也主要向北运移，对口门区航道淤积无直接影响。综上所述，建议以解决刷滩水流携沙问题优化规划港区口门。
6 结论
（1）本次模型试验目的是从流场与泥沙淤积角度出发探索等级提升后的网仓洪航道分布，以及其对港区流场与淤积的影响。
（2）网仓洪20万吨级航道仅是在原规划10万吨级航道基础上拓宽增深，对通洲湾“两沙三槽”及工程附近海域流场和泥沙冲淤的影响与规划10万吨级航道基本一致，仅港口口门附近淤积强度较大，建议优化规划港区口门的淤积问题。
参考文献：
[1]陆培东.南通港通州湾港区网仓洪20万吨级航道规划方案专题研究[R].南京水利科学研究院，2019，10.
[2]章志，宋晓村，邱宇，等.江苏沿海滩涂资源开发利用研究[J].海洋开发与管理，2015，32（3）：45-49.
[3]罗锋，常曼，宋晓村，等.江苏沿海滩涂开发利用对策研究[J].水利经济，2016，34（4）：1-4.
[4]常曼，罗锋，章志，等.通州湾港口战略开发需求[J].中国港湾建设，2017，37（4）：20-24.
关键词：网仓洪航道;通州湾;物理模型试验
0 引言
网仓洪航道是通州湾港区的重要航道，它途径三沙洪和网仓洪深槽，以及两深槽之间的浅段水域。前期的一些研究表明，网仓洪深槽尾端北淤南冲、深槽南摆的趋势明显;网仓洪与三沙洪两深槽之间水深不足10 m的浅段处于多水道水流交汇的影响区域，浅段长度虽逐年缩短但冲淤变化相对活跃，网仓洪与三沙洪两深槽的对接尚不平顺;通州湾规划港池的建设将一定程度改变三沙洪外段及浅段区的动力泥沙环境;腰沙、冷家沙浅滩区泥沙活动对港池口门区航道存在重要影响;通州湾港区及航道建设对通州湾“两沙三槽”冲淤演变和稳定性的影响不容忽视。为适应长江沿江产业转移升级和江苏新出海口建设需要，该航道由现有10万吨级提升至20万吨级是其中重要举措之一。目前，对于该航道新的规划方案，现阶段尚无工作能验证其可行性，或者指出该方案的一些不合理之处以便及时改正。
本文拟在合理的通州湾潮流泥沙物理模型基础上，分析了网仓洪航道提升至20万吨级后港区流场和泥沙冲淤问题，对该区域内潮流泥沙物理试验数据进行数值验证，进而论证网仓洪航道提升的可行性。
1 通州湾潮流泥沙物理模型试验概述
本次物理模型试验分析采用的潮流泥沙物理模型试验是考虑潮汐、海域滩槽冲淤受悬沙和海床底沙局部运移等因素的影响，改造原通洲湾物理模型建立的。它属于变态模型，要求模型床面糙率大于原型床面糙率，研究的区域主要包括小庙洪-大湾洪水道、腰沙-乌龙沙、三沙洪-网仓洪、冷家沙、冷家沙前缘深槽等“两沙三槽”海域以及烂沙洋南水道部分海域，模拟的海域面积约4 000 km?。值得注意的是，通州湾港区潮流泥沙物理模型试验结果，已与现有一些流速、淤积监测结果进行对比，验证了该模型的合理性。
2 航道布置方案
图1为通州湾港区及网仓洪规划航道的模型布置，旨在用于分析网仓洪10万吨级规划航道以及等级提升至20万吨级时港区以及网仓洪航道流场和泥沙冲淤情况。现有网仓洪10万吨级规划航道的设计水深-13.4 m，航道宽度200 m，外航道全长31.8 km;而20万吨级航道设计水深-19.0 m，航道宽度为236 m，外航道全长60.2 km。
3 试验结果分析
3.1 航道等级提升对港区整体流场和泥沙冲淤的影响分析
网仓洪10万吨级时的通州湾港区泥沙物理模型试验结果表明：涨潮中后期由三沙洪水道向腰沙的漫滩水流受匡围及导堤的阻挡后，绕过南堤头漫入腰沙沙体，并沿南堤外侧漫滩至已建一港池匡围区东侧，并与南部小庙洪水道的漫滩流交汇;港区及匡围区的存在阻断了自三沙洪水道尾部向腰沙的漫滩水流，致使腰沙南、北两侧漫滩流交汇区域较现状北移，腰沙南侧的漫滩流有所增强;落潮初期，腰沙沙脊线与南堤之间的水体主要呈东西向流动，但落潮中、后期该区域水体向三沙洪归槽的流路受南堤阻挡后沿堤东流并绕过堤头汇入三沙洪水道，在此期间，南堤外侧出现明显沿堤水流、堤头挑流效应较显著，堤头区流速较现状增大30 cm/s～40 cm/s;位于冷家沙沙体中段的北堤对冷家沙涨潮越脊水流有一定阻水作用，落潮时由三沙洪越过冷家沙沙脊北流的越脊水也受北堤阻挡，致使北堤外侧流速减小20 cm/s～30 cm/s，整个涨落潮过程中，北堤堤头均存在水流绕堤北流现象，堤头区流速也有所增大。
当网仓洪航道等级升至20万吨级时，网仓洪水道、小庙洪水道断面流量在涨潮期的变化很小，三沙洪水道的断面涨潮流量减小2%;落潮期间，由于腰沙北部归槽水流路和水量的变化，规划港区口门外段的三沙洪水道断面落潮量减小约5%～8%;网仓洪与三沙洪之间浅区的断面落潮流减小2%～5%;小庙洪北水道的断面落潮量增大约3%。
当配套20万吨级的网仓洪航道时，港区泥沙冲淤主要发生在匡围与导堤工程局部和腰沙、冷家沙沙体等区域。其中腰沙根部和中部沙体总体淤高约1 m;北堤北侧的冷家沙沙体因堤头挑流影响，有小型冲沟发育，但未改变冷家沙整体形态。南堤外侧在沿堤水流作用下有所冲刷，南堤和北堤堤頭因挑流影响产生较明显局部冲刷。规划港区口门外侧的三沙洪外段深槽及与网仓洪交汇的浅段区有所淤浅。上述变化均属通洲湾“两沙三槽”地形格局下的局部冲淤调整。
综上可知，与网仓洪原10万吨级航道相比，新规划的20万吨级航道仅增深拓宽，航道等级提升后的整体性流场和泥沙冲淤影响基本相同。
3.2 航道等级提升对港区局部流场和泥沙冲淤变化
当网仓洪航道由10万吨级提升至20万吨级时，港区北堤中段北侧2 km～3 km区域，平均流速减小10 cm/s～15cm/s，北堤堤头外侧1 km区域流速明显增大，局部最大增大可达50 cm/s。南堤外侧浅滩由于沿堤水流作用流速显著增大，最大可达40 cm/s，堤头附近落急时流速可增大仅1.0 m/s。港池口门以外三沙洪深槽段由于归槽水量减小，平均流速减小20 cm/s～40 cm/s。
20万吨级的网仓洪航道规划方案导致港区周边淤积主要为北堤外侧根部及中段略有淤积，其中北堤外侧500 m范围平均淤积1.5 m～2.0 m，1 km～2 km范围平均淤积厚度约0.5 m;南堤南侧的腰沙浅滩区普遍淤高约1 m，其中三港池与目前一港池之间区域淤高近2 m。 如图2分别为20万吨级网仓洪航道引起的港区各部位的冲刷图，从图中可看出：航道等级提升后引起的冲刷主要发生在堤头挑流和沿堤水流增大的区域;北堤拐角段外侧局部冲深2 m～3 m，冲刷影响范围100 m～200 m;北堤堤头因挑流效应明显而产生较强冲刷，冲刷坑最大冲深可达6 m～8 m，冲刷超过1 m的影响范围约300 m～400 m;南堤外侧的沿堤冲刷范围在距堤脚100 m～200 m范围内，冲刷深度约2 m～3 m;南堤堤头附近局部最大冲刷深度约4 m～5 m，冲刷超过1 m的范围约200 m～300 m。
3.3 航道等级提升对网仓洪航道区流场和泥沙淤积分析
依据物理模型试验结果可知：当网仓洪航道提升至20万吨级后，网仓洪、三沙洪水道内往复流特征没有发生改变，潮流主轴向与航道走向基本一致;深槽区水流流速较大，大潮平均流速接近1.0 m/s，最大流速可达1.5 m/s;航道走向顺应深槽，与水流夹角较小，航道沿程横流并不明显，口外航道段以浅段区横流相对略大，但最大横流流速亦小于0.5 m/s;港池口门附近受落潮归槽水流集中影响，横流相对较大，大潮期横流流速为0.6 m/s～0.7 m/s左右，港池内码头区域最大横流不足0.2 m/s;二、三港池均为有掩护港域，其泥沙淤积主要以悬沙落淤为主;规划港区口门附近则受浅滩落潮归槽流携沙和堤头局部冲刷泥沙的直接影响;浅区段航道由于相对挖深大，且受腰沙浅滩落潮归槽水携沙的影响;网仓洪水道内因自然水深较大，海床泥沙活动性弱，航道淤积主要为悬沙落淤。
图3专门给出了10万吨级与20万吨级网仓洪航道回淤沿程分布图，从中可发现：当网仓洪航道由10万吨级升至20万吨级时，港内淤积强度自港池根部向口门区附近逐步增大，二港池内淤积强度0.1 m/a～0.4 m/a，港内淤积强度在三港池近口门区段迅速增加，口门内外两侧共4 km范围内淤积强度超过2.5 m/a，局部最大淤积强度近3.5 m/a，浅段区航道淤积强度1.4 m/a～1.6 m/a，网仓洪深槽的外航道段年淤积强度仅0.1 m/a～0.2 m/a;虽然二港池淤积强度并不大，但港内开挖面积宽阔，年淤积总量也可达240万m3，三港池是港池航道沿程淤积最为严重的部位，淤积强度和淤积总量均较大，年淤积总量近1 260万m3，港池段内航道年淤积量约290万m3;口外航道开挖区范围相对较小，淤积总量小于港内，外航道淤积量约580万m3;网仓洪10万吨级航道的港池航道年淤积总量近2 080万m3;网仓洪20万吨级航道的淤积分布与10万吨级航道一致，沿程淤积强度较10万吨级航道大0.1 m～0.3 m;网仓洪20万吨级航道的外航道年淤积量1 050万方，三港池段内航道年淤积量约350万m3，港池航道年淤积总量近2 800万m3。
4 数值验证
为了验证10万吨级与20万吨级网仓洪航道引起的泥沙淤积变化准确性，专门利用数学模型对该港区进行数值仿真。图4给出了依据数学模型与物理模型的港区泥沙淤积强度沿程分布结果，从中可看出：相较于数值计算结果，物理模型得出的港池航道淤积总量大250～300万m3;两者确定的港内淤积量差异较小，物模试验中近口门段的港内淤积较集中，港池根部淤积强度较小，这主要是归槽水流携沙及堤頭冲刷泥沙影响的敏感性差异造成的;物模试验得出的规划港池口门外三沙洪及浅段区航道的淤积大于相应的数模结果，这主要是因为物模试验能更全面地反映涨潮期落淤于南堤外侧腰沙浅滩的泥沙随落潮沿堤水流归槽的持续转运过程对航道淤积的影响。
5 航道等级提升可行性评价
通过上述物理试验与数值模拟结果对比分析可知，10万吨级与20万吨级网仓洪航道引起的泥沙淤积强度大部分区域基本相同，仅港池口门附近区域差异较大，即20万吨级规划航道淤积强度远大于10万吨级规划航道。由于规划港区口门仅及腰沙中部，受腰沙落潮归槽尤其是沿堤刷滩水流携沙归槽的影响，港口口门附近淤积强度明显较大，而冷家沙中段的北堤虽也存在阻水挑流影响，但挑流方向均由三沙洪向北，堤头冲刷的泥沙也主要向北运移，对口门区航道淤积无直接影响。综上所述，建议以解决刷滩水流携沙问题优化规划港区口门。
6 结论
（1）本次模型试验目的是从流场与泥沙淤积角度出发探索等级提升后的网仓洪航道分布，以及其对港区流场与淤积的影响。
（2）网仓洪20万吨级航道仅是在原规划10万吨级航道基础上拓宽增深，对通洲湾“两沙三槽”及工程附近海域流场和泥沙冲淤的影响与规划10万吨级航道基本一致，仅港口口门附近淤积强度较大，建议优化规划港区口门的淤积问题。
参考文献：
[1]陆培东.南通港通州湾港区网仓洪20万吨级航道规划方案专题研究[R].南京水利科学研究院，2019，10.
[2]章志，宋晓村，邱宇，等.江苏沿海滩涂资源开发利用研究[J].海洋开发与管理，2015，32（3）：45-49.
[3]罗锋，常曼，宋晓村，等.江苏沿海滩涂开发利用对策研究[J].水利经济，2016，34（4）：1-4.
[4]常曼，罗锋，章志，等.通州湾港口战略开发需求[J].中国港湾建设，2017，37（4）：20-24.