萬遠(yuǎn)揚(yáng) ，孔令雙 ，戚定滿 ，顧峰峰 ，王 巍

（1.上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201；2.聯(lián)合國(guó)教科文組織－水教育學(xué)院，代爾夫特2601DA）

長(zhǎng)江口橫沙通道近期演變及水動(dòng)力特性分析

萬遠(yuǎn)揚(yáng)1，2，孔令雙1，戚定滿1，顧峰峰1，王 巍1

（1.上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201；2.聯(lián)合國(guó)教科文組織－水教育學(xué)院，代爾夫特2601DA）

基于近十年來的實(shí)測(cè)水文地形資料，分析了橫沙通道河床演變基本特性和水、沙變化情況，初步揭示了橫沙通道的基本演變趨勢(shì)和動(dòng)力特性。同時(shí)利用數(shù)學(xué)模型（SWEM），統(tǒng)一邊界條件后，詳細(xì)比較多年來橫沙通道水動(dòng)力因子變化過程，包括潮位、流速、流向、優(yōu)勢(shì)流等；通過長(zhǎng)系列統(tǒng)一邊界的潮流數(shù)模計(jì)算比較，分析了橫沙通道水動(dòng)力特性。最后結(jié)合實(shí)測(cè)資料及數(shù)模計(jì)算結(jié)果，分析了橫沙通道的變化情況與北槽和北港變化情況的基本關(guān)系以及基本發(fā)展趨勢(shì)。

SWEM；地形演變；數(shù)值模擬；長(zhǎng)江口；橫沙通道

Biography：WAN Yuan-yang（1981-），male，assistant professor.

橫沙通道（北緯31.3度，東經(jīng)121.8度，圖1）位于長(zhǎng)江口長(zhǎng)興島和橫沙島之間，兩側(cè)分別連接長(zhǎng)江三角洲最大的2個(gè)入海通道——北港與北槽，是北港與北槽之間水量、泥沙交換的重要通道。目前該通道平均寬約1.2 km，長(zhǎng)約8 km，貫通水深約10 m（本文中高程系統(tǒng)均為吳淞基面）。橫沙通道也是長(zhǎng)江口水域唯一一條獨(dú)立的、南北向連通通道，是北港和北槽入海前的勾通交換渠道。由于該通道相對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江口而言尺度甚小，且目前狀況良好［1］，所以一直以來對(duì)該通道的研究較少。

隨著長(zhǎng)江口航道的持續(xù)開發(fā)以及崇明三島戰(zhàn)略地位的不斷升級(jí)［2］，有必要深入研究橫沙通道的演變規(guī)律與發(fā)展趨勢(shì)，以便為附近水域的航道、港區(qū)開發(fā)提供科學(xué)參考。最重要的是，通過橫沙通道演變規(guī)律的研究，能從側(cè)面反映現(xiàn)今長(zhǎng)江口北槽和北港2個(gè)主通道的動(dòng)力特性及演變趨勢(shì)。本文將基于長(zhǎng)江口橫沙通道近十多年來的實(shí)測(cè)地形演變和水動(dòng)力變化資料，結(jié)合大小嵌套的二維水動(dòng)力數(shù)值模擬［3］，詳細(xì)比較多年來橫沙通道水動(dòng)力因子變異過程，并著重分析橫沙通道的發(fā)育過程與北槽和北港演變之間的響應(yīng)關(guān)系。

圖1 橫沙通道位置圖Fig.1 Position of Hengsha Watercourse

1 近期演變概要

橫沙通道是北港與北槽之間水量交換的重要通道，隨著長(zhǎng)江口深水航道一、二期工程的建設(shè)和北港河勢(shì)的變化（橫沙島西北端的沖刷），近十年來大致經(jīng)歷5個(gè)發(fā)展階段：（1）1998年9月～1999年11月，隨著一期工程的實(shí)施，橫沙通道呈發(fā)展態(tài)勢(shì)，平均水深小于9 m。（2）1999年11月～2000年5月，尤其是2000年3月橫沙東灘竄溝基本封堵以后，一部分經(jīng)橫沙東灘竄溝主通道進(jìn)行交換的水量改由橫沙通道進(jìn)行交換，橫沙通道5 m以下河槽容積迅速增加，平均水深超過10.0 m。（3）2000年5月～2002年5月，槽內(nèi)平均水深為10.02～10.31 m。（4）2002年5月～2003年11月，河槽容積緩慢增加，平均水深為10.90 m。（5）2003年11月～2006年2月，略有淤積，平均水深約為10.74 m。

由此可見，2003年11月以來，橫沙通道較為穩(wěn)定。

從橫沙通道河槽的近期演變過程看，2004年8月以來，橫沙通道河槽容積和平均水深均呈規(guī)律性變化，即5～11月洪季期間，以沖刷為主，河槽容積和平均水深逐漸增加；11月至次年5月枯季，以淤積為主，河槽容積和平均水深不斷減?。徊⑶腋髂晖诘暮硬廴莘e大小基本相仿。

綜上所述，橫沙通道目前總體格局較為穩(wěn)定，通道內(nèi)10 m深槽基本貫通。

2 實(shí)測(cè)水動(dòng)力變化分析

2.1 橫沙通道南北側(cè)潮位變化

根據(jù)1998～2009年橫沙通道兩側(cè)實(shí)測(cè)潮位資料［4-8］（表1），整理大潮情況下，共青圩和橫沙站（潮位站位置如圖1）的潮位過程線（圖2）。由圖2可見，2005年、2007年和2009年的南北側(cè)潮位基本吻合，高低潮位差異在0.1～0.2 m，僅1998年表現(xiàn)出共青圩站比橫沙站低潮位時(shí)高約0.45 m，高潮位時(shí)高約0.15 m。

表1 選取的實(shí)測(cè)資料基本情況表Tab.1 General information about measurement data

圖2 橫沙通道大潮期南北側(cè)實(shí)測(cè)潮位過程線Fig.2 Comparison of water level process between south and north side of the Hengsha Watercourse

由橫沙通道的河床演變分析可知，1998～2002年是橫沙通道的發(fā)展期，2005年以后橫沙通道基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。發(fā)展期南北側(cè)潮位差異較大，而穩(wěn)定期后，基本無差異，僅通過實(shí)測(cè)資料還難以說明該性質(zhì)是由北港還是北槽的潮位變化造成的。

2.2 橫沙通道測(cè)點(diǎn)流速分析

由于橫沙通道整體走向?yàn)槟媳毕颍c其他汊道流向（東西向）基本正交（傳統(tǒng)的漲落定義是根據(jù)流速在X方向的分量來判斷），需謹(jǐn)慎定義流速的正負(fù)號(hào)。其流向的定義需要結(jié)合潮位變化，水位降低的過程為落潮，反之則為漲潮。因此，180°左右方向?yàn)槁涑狈较颍ㄕ?hào)），水流從北港匯入北槽；0°左右方向?yàn)闈q潮方向（負(fù)號(hào)），即水流方向?yàn)閺哪贤薄?/p>

由橫沙通道內(nèi)測(cè)點(diǎn)HS0（缺少1998年、2002年橫沙通道測(cè)點(diǎn)流速資料，測(cè)點(diǎn)位置見圖1）多年來的水文測(cè)驗(yàn)資料可知（圖3和表2）：（1）2005～2009年，橫沙通道流速過程變化差異不大，流速過程線相似度較高；（2）雖然水文條件不盡一致（表1），但大致可以看出，近年來，橫沙通道落潮優(yōu)勢(shì)逐漸減弱，即北港匯入北槽的含沙水量相對(duì)減少，尤其是2007年長(zhǎng)興潛堤建成后，工程效果明顯。

2.3 小結(jié)

由上述實(shí)測(cè)資料分析，提出以下問題：南北側(cè)潮位差的減少是否導(dǎo)致了橫沙通道刷深過程的停滯；該過程是否是一個(gè)連續(xù)發(fā)展過程；橫沙通道優(yōu)勢(shì)流是否也相應(yīng)發(fā)生變化；該變化的發(fā)展對(duì)北港和北槽主流有何影響；諸如此類問題值得深入分析。但由于實(shí)測(cè)資料不夠全面，另一方面，資料所處的水文氣象環(huán)境不盡一致，無法在相同條件下進(jìn)行對(duì)比，因此本文將利用數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)分析造成橫沙通道發(fā)展的動(dòng)因及該趨勢(shì)對(duì)長(zhǎng)江口河勢(shì)的影響。

圖3 橫沙通道實(shí)測(cè)流速、水深過程線Fig.3 Measured process of velocity and water height at HS0

表2 橫沙通道HS0點(diǎn)流速特征值統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical typical velocity at HS0m/s

3 數(shù)值模擬計(jì)算

同化對(duì)比分析研究采用上海河口海岸科學(xué)研究中心自主開發(fā)的“長(zhǎng)江口航道維護(hù)管理核心計(jì)算平臺(tái)系統(tǒng)SWEM2D/3D”［3］（國(guó)家計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記號(hào)2008SR33450）中的平面二維潮流模塊進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。該模型具有以下特點(diǎn)［9］：（1）應(yīng)用無結(jié)構(gòu)化混合計(jì)算網(wǎng)格（三角形＋四邊形），計(jì)算域能更好模擬長(zhǎng)江口的復(fù)雜岸線。整體模型上游邊界可以直接延伸到長(zhǎng)江口的枯季潮區(qū)界（潮差為零的地方）大通；（2）采用有限體積法作為離散格式的基礎(chǔ)，比有限差分法更貼近物理量守恒定律，能有效保證計(jì)算的總體精度；（3）采用半隱半顯格式［10-11］，計(jì)算穩(wěn)定性好。同時(shí)克服ADI計(jì)算格式中不能考慮不同方向流動(dòng)之間相互作用的不足，且采用變時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算，計(jì)算效率有所提高；（4）計(jì)算基于Linux系統(tǒng)，較Windows系統(tǒng)而言，能較好地兼顧模型的計(jì)算精度（最小網(wǎng)格尺度）和計(jì)算效率；（5）經(jīng)多次應(yīng)用于長(zhǎng)江口的動(dòng)態(tài)率定和驗(yàn)證，且和商業(yè)軟件MIKE21/3的對(duì)照，模擬結(jié)果與長(zhǎng)江口實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，并已成功應(yīng)用于長(zhǎng)江口多項(xiàng)工程。

在各自年份地形和不同的工程邊界的基礎(chǔ)上（1998～2009年），給定統(tǒng)一的上下游水文邊界條件后，模擬并統(tǒng)計(jì)不同年份的橫沙通道水流特性，看其水動(dòng)力變化過程是否和實(shí)測(cè)資料反映的一致，是否也能反映一定的演變發(fā)育規(guī)律。

圖4 SWEM大模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.4 Sketch of computational domain

3.1 計(jì)算域

本次計(jì)算大模型的范圍為：西起上游的大通，東至外海-40 m等深線，北邊界接近渤海灣，南邊界包括杭州灣整個(gè)區(qū)域，其中東西向長(zhǎng)約600 km，南北向?qū)捈s600 km。采用無結(jié)構(gòu)化計(jì)算網(wǎng)格覆蓋整個(gè)計(jì)算域，計(jì)算網(wǎng)格完全貼合工程建筑物的形狀及走向，且對(duì)橫沙通道水域附近局部加密，大模型計(jì)算網(wǎng)格見圖4。本次數(shù)學(xué)模型小模型的范圍為：上起徐六涇進(jìn)口，下至口外（南匯咀、綠華、連興港），包含整個(gè)傳統(tǒng)描述的“三級(jí)分汊，四口入?！保?3］長(zhǎng)江口格局（圖 5）。

3.2 邊界條件

3.2.1 地形及陸域邊界條件

圖5 小模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.5 Refined mesh of the study area

1998年至今，整個(gè)長(zhǎng)江口水域經(jīng)歷了一番高密度的涉水建筑物（碼頭、港口、橋梁、防洪排澇工程、管道、纜線、閘壩、航道整治、取排水口工程、采砂等）及海洋工程（圈圍造地、濕地保育、深水碼頭、水庫(kù)、疏浚工程等）的建設(shè)大潮，岸線及地形邊界差異很大，因此必須詳細(xì)調(diào)查各個(gè)不同年份的陸域邊界條件和控導(dǎo)工程的具體布置。本文所考慮的背景工程主要包括：中央沙圈圍工程及青草沙水庫(kù)工程，長(zhǎng)江口深水航道工程（包括一、二、三期工程布置、長(zhǎng)興潛堤、南導(dǎo)堤隔堤、分流魚嘴工程），橫沙東灘圈圍，浦東機(jī)場(chǎng)圈圍（含外側(cè)圈圍），南匯邊灘圈圍，洋山港及東海大橋工程，上海長(zhǎng)江大橋，新通海沙圈圍，北支中、下河段灘涂圈圍，崇明東灘圈圍，橫沙大道工程，長(zhǎng)興島北沿圈圍工程及南支南港部分大型碼頭工程和相關(guān)企業(yè)的圈圍等。

地形邊界采用1998年、2002年、2005年、2007年、2009年5個(gè)不同年份的、統(tǒng)一高程系統(tǒng)后的實(shí)測(cè)地形資料。

3.2.2 上下游條件

上游進(jìn)口給定大通流量為40 000 m3/s（洪季概化流量）；大模型下游邊界由外海潮波條件給定。模型的外海邊界采用 16 個(gè)分潮的天文潮波調(diào)和常數(shù)（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、U2、V2、T2、L2、2N2、J1、M1、OO1），天文潮調(diào)和常數(shù)由東中國(guó)海海洋潮波模型計(jì)算求得。小模型進(jìn)口（徐六涇）的邊界條件為從大模型中獲取的水位過程線，下邊界條件的潮位過程也由大模型給出的連興港、綠華山、南匯咀3點(diǎn)的潮位來控制，其他點(diǎn)線性插值。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

限于篇幅，在此不列出模型率定驗(yàn)證結(jié)果。本次分析的驗(yàn)證包括不同年限，水文條件和地形組合條件下的潮位、流速、流向驗(yàn)證部分［3］。

根據(jù)計(jì)算，不同年份下的橫沙通道特征潮位、流速統(tǒng)計(jì)如圖6（測(cè)點(diǎn)布置見圖1）。

圖6 同水文條件下不同年份橫沙通道潮位過程線對(duì)比（HS0）Fig.6 Comparison of water process at HS0

圖7 同水文條件下不同年份橫沙通道流速過程線對(duì)比（HS0）Fig.7 Comparison of velocity process at HS0

由圖6、圖7及表3可知：（1）橫沙通道內(nèi)，高潮位整體呈一定抬高趨勢(shì)，但差異不大，最大抬升約0.05 m；低潮位也是逐年（1998～2007年）抬升，2007年后，低潮位變化不大，低潮位最大抬升約0.2 m；可見低潮位抬升的效果更為突出，整體顯示潮差有所減小。（2）從流速過程線來看，最明顯的特征是落潮期時(shí)間大幅減少。（3）1998～2009 年，HS0 平均潮位逐年升高，10 a間抬高接近0.1 m。（4）除2002年外，橫沙通道優(yōu)勢(shì)流遞減，到2009年，橫沙通道基本已處于漲落潮平衡狀態(tài)。

造成上述現(xiàn)象的主要原因在于，北槽航道整治建筑物、長(zhǎng)興潛堤以及長(zhǎng)興島南北側(cè)圈圍的實(shí)施，橫沙通道落潮流（北港向北槽入?yún)R）被阻擋，使得橫沙通道的前期持續(xù)刷深過程中止；此外，由于橫沙通道阻止了部分由北向南的水流的溝通，會(huì)減少北港上段的泥沙泄入北槽，這種發(fā)育趨勢(shì)對(duì)北槽航道的發(fā)展有利，同時(shí)也可能加強(qiáng)北港下段的落潮流。

表3 橫沙通道HS0平均潮位及優(yōu)勢(shì)流統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Comparison of average water level and ebb dominance

4 結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)測(cè)資料結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：（1）橫沙通道落潮流為北港匯入北槽方向；漲潮流為北槽流入北港方向。（2）近十多年來，橫沙通道低潮位的抬升大大高于高潮位的升高值。（3）橫沙通道已經(jīng)由原先的落潮優(yōu)勢(shì)變成現(xiàn)在的漲落平衡狀態(tài)；如隨著北槽的持續(xù)開發(fā)，橫沙通道可能會(huì)變成漲潮占優(yōu)的漲潮溝。（4）橫沙通道南北側(cè)潮位差的減小以及長(zhǎng)興潛堤的作用，使得橫沙通道流速有所降低，這可能減弱維護(hù)通道的自然疏浚能力。

［1］劉杰.橫沙通道河床演變分析報(bào)告［R］.上海：上海河口海岸科學(xué)研究中心，2009.

［2］許衛(wèi)東.橫沙通道演變與建港條件分析［D］.上海：華東師范大學(xué)，2000.

［3］戚定滿.長(zhǎng)江口航道核心計(jì)算平臺(tái)開發(fā)研究及成果應(yīng)用［R］.上海：上海河口海岸科學(xué)研究中心，2007.

［4］田淳.長(zhǎng)江口深水航道治理工程全潮水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)報(bào)告［R］.上海：長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局，1998.

［5］曹平.長(zhǎng)江口深水航道治理二期工程水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)報(bào)告［R］.上海：長(zhǎng)江委水文局長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局，2002.

［6］高健，胡國(guó)棟.2005年8月長(zhǎng)江口深水航道治理二期工程水文監(jiān)測(cè)技術(shù)報(bào)告［R］.上海：長(zhǎng)江委水文局長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局，2005.

［7］周才揚(yáng)，高健，胡國(guó)棟.長(zhǎng)江口深水航道治理三期工程2007年8月水文監(jiān)測(cè)技術(shù)報(bào)告［R］.上海：長(zhǎng)江委水文局長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局，2007.

［8］胡國(guó)棟.2009年8月長(zhǎng)江口深水航道治理三期減淤工程水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)報(bào)告［R］.上海：長(zhǎng)江委水文局長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局，2009.

［9］Wan yuanyang，Qi Dingman.Preliminary Analysis on the Impact of Different Stages of Yangtze Estuary Deepwater Channel Regulation Project［C］//Department of Civil Engineering Tohoku University.Proceedings of the third international conference on estuaries and coasts.Dendai：Tohoku University，2009.

［10］Casulli V.A Semi-implicit Finite Difference Method for Non-hydrostatic，F(xiàn)ree-surface Flows［J］.International Journal for Numerical Methods in Fluids，1999，30：425-440.

［11］Chen C，Liu H，Beardsley R C.An unstructured，finite volume，three dimensional primitive equation ocean model：application to coastal ocean and estuaries［J］.J.Atmos.Oceanic Technol.，2003，20：159-186.

［12］Hu Kelin，Ding Pingxing，Wang Zhengbing，et al.A 2D/3D hydrodynamic and sediment transport model for the Yangtze Estuary，China［J］.Journal of Marine Systems，2009，77：114-136.

Study on characteristics of hydrodynamic and morphological evolution at Hengsha Watercourse of the Yangtze Estuary，China

WAN Yuan-yang1，2，KONG Lin-shuang1，QI Ding-man1，GU Feng-feng1，WANG Wei1
（1.Estuarine and Coastal Scientific Research Center，Shanghai 201201，China；2.UNESCO-IHE Institute for Water Education，Delft 2601 DA，The Netherlands）

Over the past decade，the Hengsha Watercourse of Yangtze Estuary witnessed an unprecedented scale of human interventions and extensively utilization and development，and the river itself also suffered a series of slowly changes and variations.After full analyzing a long series of hydrological and topographic data，some hydrodynamic parameters and fluvial processes were chosen to analyze and research the response mechanism among the South Passage，the North Passage，the North Channel and Hengsha Watercourse in this paper.The specific causes and processes and the future growth pattern of Hengsha Watercourse were also preliminary discussed and researched.In turn，those conclusions would be used to explain many other phenomenons，such as deposition or erosion in some reaches，evolution of riverbed，velocity and water level changes，watercourse backfilling and so on.

SWEM；morphological evolution；numerical simulation；Yangtze Estuary；Hengsha Watercourse

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2010）05-0373-06

萬遠(yuǎn)揚(yáng)（1981-），男，湖北省人，助理研究員，主要從事河口數(shù)值模擬研究。