长江口北支采砂防洪安全影响分析

摘要：本文以SMS二维水动力模型为依托，针对长江口流域的水流特性，以长江口北支河段为例进行数模研究计算，分析在长江口北支主、备用采砂区采砂的可行性及对该流域防洪安全的影响。

关键词：SMS 二维水动力模型 流场 防洪安全

Abstract: this article with the SMS 2-d hydrodynamic model, based on characteristics of the flow in the Yangtze estuary river, the Yangtze river estuary in a river as an example calculation model research, analysis in the Yangtze river estuary is a Lord, spare the feasibility of sand mining area sand mining and the basin the influence of flood control.

Keywords: SMS 2-d hydrodynamic model flow field flood safety

中图分类号：TV87 文献标识码：A文章编号：

1沙源地概况

长江口北支位于崇明岛以北，是长江出海的Ⅰ级汊道，西起崇明头，东至连兴港，流经上海市崇明县和江苏省海门、启东两市，从北支分流点崇头至入海口启东连兴港全长约78.8 km。根据北支河段平面形态，水流特征及地形、地貌和边界条件，将北支分成上、中、下3段，上段：崇头～大新港长20.6km；中段：大新港～三条港长37.5km；下段：三条港～连兴港长20.7km。

进入本世纪以来，北支上段右岸发展了上起崇头，下至新跃沙的大边滩，呈滩淤槽冲发展态势；中段有所淤积，主流转左汊下行；兴隆沙圈围成陆后，下段由冲刷转为淤积，尤其是黄瓜沙群的淤涨扩大和南水道的萎缩。长江口南北支水下地形图见图1。由于北支主要为淤积沙，该工程砂源主要考虑工程前沿淤积沙作为采砂砂源地。主砂区距离岸线约0.3km，该沙于上起崇头，下连新跃沙的大边滩，本工程取砂量小，初定取砂面积为0.14k。

备用砂区位于主采砂区东侧，其同样位于上起崇头，下连新跃沙的大边滩上。该取砂区距离工程运距在1.5km左右，取砂区具置见图2。

图1 长江口南北支水下地形图 图2 取砂区地理位置图

2采砂区河势稳定影响分析

崇明县江口副业场外侧小圩海塘达标工程位于长江口北支上段青龙港附近，根据北支2001~2005水下地形资料，在北支上段崇头和青龙港处选取断面，对工程区附近河床冲淤进行分析。

崇头断面：2001~2003年，北支上口冲刷，0m以下河道断面积扩大近1倍，主槽偏向于北侧，最大水深达到-10m。2003~2005年，北支上口河道向宽浅的方向发展，-1m线以下河道宽度增加约600m，最大水深-8m。

青龙港断面：2001~2005年，总体上，该断面北侧冲刷，南侧淤积，0m以下河道面积略有增加，主槽区由崇明岛一侧移至向江苏一侧。

从河势影响分析来看，采砂区基本位于淤涨下移的沙体，在这些区域进行适量的开采，由于本身的水动力条件基本没有改变，加上本工程采砂量很少，砂源区河床会得到回淤，泥沙补给满足开采要求，对河势也基本没影响。

3 二维水动力数学模型

3.1 模型原理

本文运用SMS（surface water modeling system）中的二维水动力模型对长江口采砂源地的防洪安全影响进行模拟、分析。在平面二维水动力数值模拟中，控制返程方程一般形式如下：

连续方程：

运动方程：

其中，x、y―直角坐标系坐标；t―时间变量；h―平均水深；―相对于平均海平面的潮位；、―x、y方向上的垂线平均速度； ―水流密度；g―重力加速度；、―x、y方向的水平紊动粘性系数；f―科氏参数（f=2sin，为地球旋转角速度，为纬度）；、―波流共同作用下床面剪切应力在x、y方向的分量[2]。

3.2 定解条件

（1）边界条件

数学模型通常使用开边界（水边）和闭边界（岸边）两种边界条件。对于开边界，采用潮位过程：进行控制。对于闭边界则根据不可入原理，取法向流速为0，即，拟建工程河段岸滩条件复杂，边滩淹没和露滩频繁，为了准确模拟该流域的水流形态，本文模型计算闭边界采用干湿判别的动边界[3]。

（2）初始条件

计算开始时，整个计算区域内各点的水位、流速值就是计算的初始条件，即[1]

、 、

4基于二维水动力模型成果的防洪安全影响分析

由于采砂范围和长江河道相比尺度很小，本次在采砂区域的上下游、采砂区及附近取5个观测点（见图3），比较主沙源和备用沙源两方案采砂前、后各观测点的涨、落急潮位和流速变化，详见表1～2、图4～6。

结果表明，采砂后主砂区水深增加，上、下游水位均略有雍高，备砂区上游水位略有雍高，下游水位略有下降，其它区域水位变化较小；采砂后主流线未发现明显偏移，主河槽流速变化较小，采砂区上游、下游流速均略有增大，但在主砂区采砂后流速变化超过0.05m/s的范围不超过采砂区上游0.4km，下游0.7km，南侧0.2km，北侧0.3km，在备用采砂区采砂后流速变化超过0.05m/s的范围不超过采砂区上游0.3km，下游0.6km，南侧0.2km，北侧0.4km，影响范围有限。由此可见采砂区域适量采砂后对附近及主要口门的最高水位、流速基本无影响，因此不会对河道的行洪和河势产生影响[4]。

图3 潮位、流速观测点分布图 图4 采砂前计算区域流场图

图5 主砂源地采砂后计算区域流场图 图6 备用沙源地采砂后计算区域流场图

5结语

本文将SMS模型运用到河道水流形态模拟中，综合考虑河势影响以及工程特点，根据已有工程地质地形资料，通过模型计算分析采沙工程前、后河道水流流场的变化对工程区域防洪安全的影响，研究结果表明，在该工程区域的主、备用采砂区域采砂不会对附近河势和深水航道产生不利影响，是基本可行的，但取砂时应严格执行取砂管理，在指定区域取砂，合理安排作业方案和航运避让方案，最大程度地减少对邻近工程及河段航运环境带来的不利影响。

参考文献

[1] 谢慧姣，陆琪.保滩丁格坝平面布置研究[J].城市建设，2011(3).

[2] 黄卡.SMS模型在长洲水利枢纽下游水流模拟中的应用研究[J].红水河,2010,29(3).

[3] 陈思宇,匡翠萍,刘曙光,等.太浦河一维、二维水流数值模拟比较研究[J].人民长江,2008,39(15).

[4] 陈志娟,拾兵,韩艳.SMS在黄河口水流数值模拟中的应用[J].人民黄河,2008,30(8).

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。