燕 京,徐錫榮,緱文娟

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098)

八卦洲汊道位于長(zhǎng)江南京段,南京不僅是江蘇省政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心,也是華東地區(qū)最重要的交通樞紐之一.南京八卦洲汊道(圖1)兩岸企業(yè)密布,在汊道兩岸中,右汊有新生圩港區(qū)和南京經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),左汊有南京鋼鐵集團(tuán)、華能南京電廠、揚(yáng)子石化等國(guó)家特大型企業(yè),南京長(zhǎng)江二橋橫跨八卦洲左右兩汊[1].隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,南京河段岸灘開發(fā)利用與整治速度與日俱增,但一直以來八卦洲汊道左汊淤積及洲頭崩退給汊道治理帶來極大困難,而右汊分流的增加導(dǎo)致兩岸岸坡的崩塌給防洪堤防工程造成了極大的安全隱患.為解決八卦洲汊道的治理前人進(jìn)行了大量工作,對(duì)八卦洲汊道的水文、泥沙及河道演變等做了很多研究[2-5].由于長(zhǎng)江防洪安全的重要性,加之汊道水動(dòng)力條件的復(fù)雜性,目前洪水、崩岸及河岸沖刷等仍對(duì)八卦洲汊道沿岸安全構(gòu)成威脅.因此,利用現(xiàn)代科技手段進(jìn)行八卦洲汊道演變特性及整治方案研究具有重要意義.本文結(jié)合汊道水沙條件,采用數(shù)學(xué)模型對(duì)八卦洲汊道可能整治方案進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究成果可為河道汊道的治理提供參考.

圖1 八卦洲汊道河勢(shì)Fig.1 River regime of Baguazhou branch

1 汊道特性與經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾分析

1.1 水沙特性

天然分汊河道,當(dāng)水流進(jìn)入汊道分流區(qū)后,由于斷面擴(kuò)大,水流分散,加上洲頭水下部分上延,因此,在汊道進(jìn)口區(qū)域水流阻力增加.八卦洲汊道為典型的雙分汊河道,由于受洲頭進(jìn)口彎道水流的環(huán)流作用,在汊道進(jìn)口區(qū)域,上層含沙量較小的水流主要流向右汊,下層含沙量較大的水流主要流向左汊,從而使左汊阻力加大,進(jìn)入的流量相對(duì)減小.另外,由于洲頭崩退,左汊進(jìn)口條件惡化,使局部阻力進(jìn)一步加大,加速了左汊衰退.根據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)(圖2),八卦洲左汊分流比,汛期(水位高于4m)多年平均值為20.7%,枯季(水低低于4m)為16.6%左右,無論是汛期還是枯期左汊分流比均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì).

圖2 八卦洲左汊分流比變化過程Fig.2 Variation of diversion ratio of Baguazhou left branch

1.2 汊道演變

八卦洲汊道的歷史演變主要表現(xiàn)為主支汊的易位.20世紀(jì)40年代以前,八卦洲左汊為主汊,江面寬闊,河型是一個(gè)平順的大彎道;八卦洲右汊江面狹小,水深較淺,河型彎曲.受上游河勢(shì)變化和主流變遷影響,八卦洲左汊逐漸淤積,河道向彎曲方向發(fā)展,而右汊河槽擴(kuò)大,河寬增加,分流比不斷增加.至20世紀(jì)50年代,左右汊完成了主支汊的轉(zhuǎn)換,左汊分流比減小至25%左右[6-8].目前的八卦洲汊道河勢(shì)總的演變特征表現(xiàn)為:八卦洲頭崩退,左汊河型趨彎、淤積,左右汊阻力比加大,導(dǎo)致左汊分流比減小.資料[9]表明,從 1952—1984年,八卦洲洲頭累積崩退1450m,平均每年崩退45.3m(表1).1984年后,由于汊道進(jìn)行整治,特別是1985年實(shí)施的洲頭水下平臺(tái)及洲頭兩緣的拋石裹頭工程,較有效地遏制了洲頭的快速崩退[9-10].

表1 八卦洲洲頭崩退統(tǒng)計(jì)資料Table 1 Statistical data of bar head collapse of Baguazhou

1.3 汊道演變存在的問題

經(jīng)過近幾十年的防洪工程和河道整治工程的建設(shè),長(zhǎng)江南京河段沿岸防洪標(biāo)準(zhǔn)有了較大提高,以往劇烈變化的河勢(shì)得到了初步控制,但按照南京市今后經(jīng)濟(jì)發(fā)展的總目標(biāo)和總趨勢(shì),市域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與長(zhǎng)江的依存關(guān)系將越來越緊密,而八卦洲汊道的演變與南京城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展仍存在許多矛盾[11],主要表現(xiàn):(a)兩岸岸線不穩(wěn)定,特別是右汊燕子磯、天河口地段岸線崩退嚴(yán)重,如繼續(xù)發(fā)展下去,有可能導(dǎo)致右汊分流比進(jìn)一步增加,從而可能增加下游西壩一帶的防洪壓力;(b)右汊逐漸發(fā)展,河身趨直,主流擺動(dòng),灘槽下移甚至易位,嚴(yán)重影響各工礦企業(yè)對(duì)岸線的利用,威脅港區(qū)正常生產(chǎn);(c)左汊日趨衰退,河寬束窄,水深減小,河道彎曲,嚴(yán)重影響左岸大廠區(qū)重要工業(yè)基地的生產(chǎn)發(fā)展;(d)汊道分流段和匯流段主流不穩(wěn)定,導(dǎo)致河岸崩塌和邊灘淤長(zhǎng),對(duì)城市防洪和沿岸的碼頭和取水口造成危害;(e)近期八卦洲洲頭水下出現(xiàn)橫向切割槽,威脅到分水魚嘴的穩(wěn)定.分水魚嘴及洲頭的穩(wěn)定是八卦洲左汊分流比穩(wěn)定的基礎(chǔ),分水魚嘴如坍塌或八卦洲頭被橫向水流切割,將導(dǎo)致洲頭向下游崩退,左汊進(jìn)口流路更加彎曲,可能導(dǎo)致左汊衰亡.

2 整治方案探討

2.1 整治現(xiàn)狀及研究概述

八卦洲汊道的治理開始于20世紀(jì)50—70年代,先后在左汊大廠鎮(zhèn)和右汊燕子磯、天河口及新生圩進(jìn)行了一些局部拋石護(hù)岸.1984年實(shí)施了以穩(wěn)定洲頭為主的系統(tǒng)整治,主要包括洲頭分水魚嘴工程和左右緣護(hù)岸工程等.另外,為配合新生圩港區(qū)建設(shè),在右汊做了固岸保灘工程.八卦洲洲頭系統(tǒng)整治工程的實(shí)施,初步穩(wěn)定了汊道河勢(shì),左汊衰退、右汊發(fā)展的趨勢(shì)得到一定的抑制,兩汊分流比變化趨勢(shì)趨緩.同時(shí),為使八卦洲汊道河勢(shì)的變化與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng),提高八卦洲左汊分流比,近幾十年來有關(guān)單位對(duì)八卦洲汊道段的治理也做了大量研究工作,并提出過許多方案設(shè)想,主要的有:(a)洲頭設(shè)置分水魚嘴,將洲頭部分水流導(dǎo)入左汊;(b)左汊進(jìn)出口門建壩設(shè)閘,使左汊河段形成港區(qū),保證左汊企業(yè)發(fā)展的用水量;(c)右汊設(shè)置丁壩(或潛壩)束流工程,減少右汊分流等.對(duì)于上述設(shè)想,左汊建壩設(shè)閘方案因工程規(guī)模龐大,且存在上下游口門淤積等問題較難實(shí)行;右汊設(shè)置丁壩工程也可能改變右汊現(xiàn)有河勢(shì),故也不宜實(shí)施,因此,對(duì)洲頭前緣延長(zhǎng)分水魚嘴方案的研究顯得更為重要.由于洲頭水流條件的復(fù)雜性,使人們對(duì)分水魚嘴整治方案的認(rèn)識(shí)及效果也存在分歧[12].本文采用數(shù)學(xué)模型方法,對(duì)八卦洲汊道進(jìn)行數(shù)值模擬,并對(duì)洲頭前緣延長(zhǎng)分水魚嘴方案的效果進(jìn)行研究.

2.2 魚嘴整治方案研究及效果

2.2.1 分水魚嘴方案概況

按照長(zhǎng)江中下游分汊河段的穩(wěn)定分汊河勢(shì)、適度減少支汊、合理利用洲灘的整治原則[5-6],結(jié)合八卦洲汊道水沙及演變特性,其整治一方面須穩(wěn)定現(xiàn)有河勢(shì),改變左汊萎縮態(tài)勢(shì);另一方面為保障左汊兩岸企業(yè)的發(fā)展,須適度增加左汊分流.研究表明,八卦洲左汊分流比減少的原因主要是上游分流區(qū)主泓的變遷和左、右汊阻力比的變化.目前八卦洲左汊長(zhǎng)度約為右汊的2倍,且左汊多河彎,汊內(nèi)水流沿程阻力高于右汊,造成進(jìn)口斷面左汊水位高于右汊而產(chǎn)生橫比降.雖然汊道上游分流段主流指向左汊,但大量水流繞過洲頭自左汊流向右汊.八卦洲上游分流區(qū)主泓總的變化趨勢(shì)是左擺、下移,這一變化趨勢(shì)是維持左汊能保持一定分流的重要因素.因此,若在洲頭設(shè)置分水魚嘴工程,可對(duì)進(jìn)入左、右汊的水流進(jìn)行導(dǎo)流控制,引導(dǎo)部分水流進(jìn)入左汊,增加左汊分流比.同時(shí)分水魚嘴上延長(zhǎng)度、上延角度不同,分流作用不同.洲頭地形資料分析表明,分水魚嘴上延長(zhǎng)度過長(zhǎng)或者上延部分偏離原水下平臺(tái),由于平臺(tái)右側(cè)為陡坡及深槽,則上延工程量都將大大增加.為此,結(jié)合八卦洲目前地形,進(jìn)行洲頭魚嘴延伸工程研究.魚嘴結(jié)構(gòu)高程頭部取+2.5m,根部與原洲頭地形銜接,魚嘴延伸長(zhǎng)度分別采用150m,250m和350m 3種方案.為使魚嘴方案經(jīng)濟(jì)可行,布置洲頭分水魚嘴向上延伸的方向是沿洲頭脊線方向,如圖3所示.

圖3 整治方案布置Fig.3 Arrangement of regulation plan

2.2.2 分水魚嘴方案效果及分析

采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行八卦洲汊道數(shù)值模擬(圖4),結(jié)果顯示,八卦洲魚嘴延伸后,對(duì)上游水流條件影響不大.汊道進(jìn)口區(qū)的水流流速稍有變化,一般流速變化在0.03～0.05m/s范圍內(nèi).進(jìn)口水流仍然能夠較平順地進(jìn)入汊道,主流指向左汊.由于受魚嘴工程影響,洲頭分流區(qū)有部分水流繞過洲頭前緣橫向自左汊流向右汊,而且隨魚嘴延伸長(zhǎng)度越長(zhǎng),橫向流作用越加明顯,表明魚嘴工程對(duì)洲頭流場(chǎng)有明顯的影響.

圖4 洲頭魚嘴不同延伸長(zhǎng)度流場(chǎng)Fig.4 Flow fields of bar head with different extension lengths

分析表明,八卦洲不同魚嘴延伸工程實(shí)施后,上游及汊道進(jìn)口局部水位稍有壅高,左汊分流比有明顯增加.表2為在河段多年平均洪水流量(59500m3/s)下,魚嘴延伸工程實(shí)施前后左汊分流比變化情況.由表2可知,當(dāng)洲頭魚嘴延伸150～350m后,左汊分流比可達(dá)18.8%～20.6%,比工程實(shí)施前增加0.38%～1.02%.資料[10]顯示,20世紀(jì)50年代,八卦洲汊道左汊汛期平均分流比25%左右;20世紀(jì)80年代,在一系列整治工程特別是八卦洲洲頭魚嘴工程實(shí)施后,左汊仍然緩慢萎縮,左汊分流比汛期在19%左右;近些年,左汊分流比又有下降趨勢(shì).但總體看,保持左汊20%的分流比基本能維持現(xiàn)有兩岸企業(yè)發(fā)展需要.因此,對(duì)于八卦洲汊道的治理,從穩(wěn)定八卦洲汊道現(xiàn)有河勢(shì)、保障兩岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展出發(fā),應(yīng)適度增加左汊分流比.所以,八卦洲洲頭魚嘴延伸方案考慮延伸250～350m方案,基本可滿足左汊汛期平均分流比20%的要求.

表2 不同洲頭魚嘴延伸方案效果Table 2 Results of bar head with different extension lengths

3 結(jié) 語

隨著南京城市的發(fā)展,八卦洲汊道的演變與城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的矛盾越來越突出,進(jìn)行八卦洲汊道的治理迫在眉睫.治理八卦洲汊道應(yīng)從穩(wěn)定現(xiàn)有河勢(shì)、適度增加左汊分流、綜合考慮防洪、航運(yùn)及水資源利用等方面的需要.研究結(jié)果表明,洲頭魚嘴向上游延伸越長(zhǎng),增加左汊分流效果愈明顯.選擇合理的洲頭魚嘴向上游延伸方案,基本可達(dá)到八卦洲汊道的治理目標(biāo).因此,八卦洲汊道整治采用將洲頭魚嘴向上游延伸,是較經(jīng)濟(jì)可行的方案.

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