羅龍洪，聞云呈，袁文秀，夏云峰，王曉俊，張新周

(1.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇 南京 210029; 2.南京水利科學(xué)研究院 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024)

長江干流江蘇段總長432.5 km，流域面積3.86×104km2，約占江蘇全省國土面積的40%，承載了全省 60%的人口，創(chuàng)造了全省80%的國內(nèi)生產(chǎn)總值，人口、產(chǎn)業(yè)、資產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施高度密集，具有十分重要的戰(zhàn)略地位。長江堤防是沿江地區(qū)重要防洪屏障，沿江洪潮設(shè)計(jì)水位的確定直接關(guān)系到沿江堤防的建設(shè)規(guī)模、防洪能力。經(jīng)過1997年開始的江堤達(dá)標(biāo)建設(shè)，目前江蘇有長江堤防1 548 km。受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平限制，江堤防洪(潮)設(shè)計(jì)水位按《長江流域綜合利用規(guī)劃簡要報(bào)告》(1990年)中確定的無臺風(fēng)影響水位實(shí)施，防洪標(biāo)準(zhǔn)僅相當(dāng)于50年一遇且沒有考慮江蘇地處下游長江河口地區(qū)、全線位于感潮河段特點(diǎn)，沒有考慮臺風(fēng)、天文大潮、風(fēng)暴潮等影響。近年來，隨著沿江水土保持、河道治理、航道整治等工程的建設(shè)，三峽水庫等梯級水利樞紐的建設(shè)運(yùn)行，長江水沙條件發(fā)生了較大變化。長江經(jīng)濟(jì)帶、“一帶一路”等國家戰(zhàn)略以及蘇南現(xiàn)代化建設(shè)示范區(qū)規(guī)劃的實(shí)施，要求按100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)長江干流防洪工程。設(shè)計(jì)洪潮水位是長江堤防工程建設(shè)管理的重要技術(shù)參數(shù)，研究多因素影響條件下長江江蘇段沿程洪潮水位變化十分必要。

由于一般河流河口段長度較長，動輒上百公里，早期主要通過統(tǒng)計(jì)分析方法和一維水面線推算方法進(jìn)行洪潮水位研究。如陳俊鴻等[1]根據(jù)珠江三角洲感潮河段年最高洪潮水位存在長期上升趨勢的事實(shí),提出了河口區(qū)感潮河段洪潮水位頻率分析新的計(jì)算方法，用于洪潮水位分析。李有為等[2]通過水文數(shù)據(jù)多元線性回歸模式研究了中山市境內(nèi)感潮河段洪潮水位相關(guān)關(guān)系。水面線推算分別計(jì)算以洪為主和以潮為主的水面線, 取兩者外包線作為水面線的計(jì)算成果。潘玉敏[3]利用烽火角水系降雨及潮水位資料,通過洪潮水面線的推算，研究了烽火角水系的洪潮水位。王慶等[4]通過一維模型對端芬河洪潮水面線進(jìn)行了推算和分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近些年已經(jīng)開始采用一二維耦合、全二維和三維數(shù)學(xué)模型研究大江大河的洪潮水位問題。如童漢毅等[5]采用一二維耦合數(shù)學(xué)模型研究了深圳河各種情況下水動力特性。路川藤等[6]開發(fā)了基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的長江口二維和二維三維嵌套潮流模型用于長江下游潮流變動區(qū)的研究。喬飛等[7]基于EFDC模型，構(gòu)建長江下游及河口區(qū)二維水動力模型，研究了長江下游徑潮水位關(guān)系。楊龍晏[8]基于地理信息系統(tǒng)GIS平臺建立了三亞市多致災(zāi)因素遭遇洪澇風(fēng)險(xiǎn)的高精度精細(xì)化模型，計(jì)算獲得了雨洪潮遭遇下的三亞市洪水風(fēng)險(xiǎn)信息。聞云呈等[9]通過延長水文資料系列，采用水文學(xué)和水力學(xué)方法，開展了沿江設(shè)計(jì)洪潮水位研究。關(guān)于洪潮水位影響因素研究，劉斌等[10]建立了珠江三角洲高精度二維水動力模型,模擬了上游洪水、河口潮汐、地形變化等對珠江三角洲設(shè)計(jì)洪潮水位變化的影響,發(fā)現(xiàn)地形變化、洪量增加、強(qiáng)風(fēng)暴潮、海平面上升均為三角洲設(shè)計(jì)洪水位變化的主要因子。錢明霞等[11]通過數(shù)學(xué)模型研究了地形變化對長江口潮波傳播的影響。路川藤等[12]研究了長江潮流界對徑流、潮差變化的響應(yīng)。徐林春等[13]通過一、二維耦合數(shù)學(xué)模型研究了西北江三角洲網(wǎng)河區(qū)洪潮水位與口門延伸的響應(yīng)關(guān)系。沈漢堃等[14]通過一、二維耦合數(shù)學(xué)模型研究了海平面上升對珠江三角洲洪潮水位影響。

以往研究表明，長江江蘇段沿程洪潮水位主要受上游徑流、外海風(fēng)暴潮等單因素或組合因素等影響，本研究通過延長相關(guān)站點(diǎn)水位，臺風(fēng)資料等，構(gòu)建長河段二維徑潮流數(shù)學(xué)模型與外海風(fēng)暴潮模型，研究徑潮流、臺風(fēng)等因素作用下長江江蘇段沿程洪潮水位變化規(guī)律及各區(qū)段主要影響因素，為長江干流江蘇段堤防防洪能力提升工程設(shè)計(jì)洪潮水位提供技術(shù)支撐。

1 河段概況及研究方法

1.1 河段概況

長江下游感潮河段流經(jīng)安徽、江蘇和上海，其中長江江蘇段由南京河段、鎮(zhèn)揚(yáng)河段、揚(yáng)中河段、澄通河段和長江口河段組成。地勢平坦，左岸為沖積平原，右岸為不連續(xù)的山丘，河道流路曲折，汊河發(fā)育，洲灘眾多。沿程河道寬窄相間，束窄段為單一河道，放寬段出現(xiàn)分汊，一般為雙分汊河道，河道平面形態(tài)呈藕節(jié)狀分汊河型。河道受徑流和潮汐共同影響，潮流界一般位于江陰附近，隨徑流強(qiáng)弱和潮差大小等因素的變化而變動，洪潮水位確定十分復(fù)雜。

圖1 大通以下長江河段示意

1.2 研究方法

20世紀(jì)90年代，長江江蘇段在1996年、1997年、1998年、1999年連續(xù)發(fā)生了四次大水。1996年出現(xiàn)洪潮和8號臺風(fēng)并襲，形成了儀征以下洪(潮)水位全面超歷史；1997年受11號臺風(fēng)襲擊和天文大潮影響，常州魏村以下段潮位再次超過歷史最高記錄。隨著長江上游水土資源開發(fā)利用、水土保持工程、沿江河道治理與航道整治工程的建設(shè)等，長江水、沙、工情條件發(fā)生了較大變化，長江江蘇段沿程洪潮設(shè)計(jì)水位的確定要考慮上游大通來水、區(qū)間支流入?yún)R、外海潮汐、風(fēng)暴潮等因素綜合影響，如何把握沿程各站的影響因素和程度需要進(jìn)一步深入研究。

研究通過建立大通-長江口外非平衡、非均勻二維潮流數(shù)學(xué)模型，以大通為進(jìn)口邊界，長江口外東到E123°，南起N29°27′，北到N32°15′，包括長江口和杭州灣模型在內(nèi)的水域，建立大通至長江口外的二維數(shù)學(xué)模型，開展數(shù)值模擬計(jì)算，研究不同水文條件下沿程水位變化。數(shù)學(xué)模型計(jì)算空間步長30～1 500 m，共有網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)198 024個(gè)，單元201 813個(gè)，并對工程區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，以便充分反映工程的影響。數(shù)學(xué)模型地形分別采用1998年、2012年實(shí)測水下地形進(jìn)行概化，網(wǎng)格劃分見圖2，地形離散概化見圖3。數(shù)學(xué)模型計(jì)算考慮糙率系數(shù)、紊動黏性系數(shù)、計(jì)算時(shí)步長等計(jì)算參數(shù)的選擇，采用地形切削法處理動邊界問題。研究采用沿程2010年、2012年以及98大洪水、97風(fēng)暴潮等實(shí)測水文資料進(jìn)行了模型水動力條件的驗(yàn)證，數(shù)學(xué)模型建立及率定驗(yàn)證具體見參考文獻(xiàn)[9]。

圖2 計(jì)算范圍和網(wǎng)格

圖3 地形離散

2 計(jì)算工況

長江江蘇段沿程最高潮位的變化受上游徑流、下游潮汐以及風(fēng)暴潮等共同作用，且沿程受某種因素影響的程度存在差異。一般情況下沿程最高潮位的出現(xiàn)一般為上游大通大徑流、下游天文大潮、風(fēng)暴潮等“兩碰頭”或者“三碰頭”時(shí)段。隨著清水下泄，河道地形呈現(xiàn)沖刷下切趨勢，為此要考慮不同地形影響下的洪潮水位；同時(shí)風(fēng)暴潮歷史上對長江江陰以下水位影響較大，需進(jìn)一步深入研究；另外沿程支流入?yún)R對入江口上下游的影響程度也需加強(qiáng)研究；最后，長江中下游河道治理等規(guī)劃工程實(shí)施對洪潮水位的影響要考慮整體效應(yīng)。為此，本研究在96年大水、98年大洪水、“9711”風(fēng)暴潮等實(shí)測資料分析的基礎(chǔ)上，采用實(shí)測以及典型組合條件相結(jié)合的方式對沿程洪潮水位的影響進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算的工程邊界條件考慮航道整治工程、河勢控制工程、沿程碼頭工程以及長江中下游河道治理規(guī)劃工程等，計(jì)算工況見表1。計(jì)算研究主要包括不同地形條件下沿程水位變化、2012年地形條件下風(fēng)暴潮增減水對沿程水位影響、2012年地形條件下支流匯入對沿程水位影響范圍及幅度、2012年地形以及2012年+長江中下游河道治理規(guī)劃整治工程實(shí)施后沿程水位變化四個(gè)方面的研究。

1)不同地形條件下沿程水位變化研究

A: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+對應(yīng)的外海潮型；

B: 上游97風(fēng)暴潮流量(45 500 m3/s)+“9711”對應(yīng)的外海風(fēng)暴潮。

2)2012年地形條件下風(fēng)暴潮增減水對沿程水位影響研究

C: 上游97風(fēng)暴潮流量(45 500 m3/s)+“9711”對應(yīng)的外海天文大潮；

D: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+“9711”對應(yīng)的外海天文大潮；

E: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+“9711”風(fēng)暴潮潮型；

F: 上游96年大水流量(68 000 m3/s)+“9711”風(fēng)暴潮潮型+支流匯入。

3)2012年地形條件下支流匯入對沿程水位影響范圍及幅度研究

E: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+對應(yīng)的外海潮型+水陽江、青弋江支流入?yún)R(3 000 m3/s)；

F: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+對應(yīng)的外海潮型+淮河支流入?yún)R(7 000 m3/s、10 000 m3/s、12 000 m3/s、15 000 m3/s)；

G: 上游98大洪水流量(82 300m3/s)+對應(yīng)的外海潮型+青弋江、水陽江支流入?yún)R(3 000 m3/s)+淮河支流入?yún)R(7 000 m3/s、10 000 m3/s、12 000 m3/s、15 000 m3/s)。

4)2012年地形以及2012年+長江中下游河道治理規(guī)劃整治工程實(shí)施后沿程水位變化研究

A: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+對應(yīng)的外海潮型；

B: 上游97風(fēng)暴潮流量(45 500 m3/s)+“9711”對應(yīng)的外海風(fēng)暴潮；

D: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+“9711”對應(yīng)的外海天文大潮；

I: 上游98大洪水流量(82 300 m3/s)+“9711”風(fēng)暴潮潮型+支流匯入；

J: 上游96年大水流量(68 000 m3/s)+“9711”風(fēng)暴潮潮型。

表1 計(jì)算工況表

3 沿江洪潮設(shè)計(jì)水位變化分析

3.1 河床沖淤變化影響

利用1998年和2012年實(shí)測地形對河床沖淤進(jìn)行比較分析，鎮(zhèn)揚(yáng)河段、揚(yáng)中河段以及江陰以下河段平均水位下的沖淤量見表2。1998-2012年各河段平均水位下的河床總體呈現(xiàn)沖刷趨勢，河槽容積有所增加。

采用98大洪水流量、97風(fēng)暴潮潮型以及1998年地形、2012年地形進(jìn)行計(jì)算，分析不同地形以及工情等變化對沿程潮位的影響。沿江工程建設(shè)使得沿程阻力增加、局部河道斷面減小，引起高低潮位的增加；而三峽蓄水、含沙量大幅減小，河道總體沖刷趨勢使得沿程高低潮位有所降低。新的水沙、新的工情條件下長江江蘇段沿程主要站點(diǎn)水位過程比較以及高潮位變化見圖4和圖5。研究表明，兩種地形條件下沿程潮波沒有發(fā)生明顯變形，高低水位變化較小，其變化幅度一般在0.05～0.10 m。說明相同水文條件下，1998年、2012年不同地形下沿程水位的變化總體較小，但局部工程附近仍存在較大變化。

表2 各河段沖淤量統(tǒng)計(jì)(平均水位以下)

圖4 2012年與1998年地形下沿程高水位變化(98大洪水)

圖5 2012年與1998年地形下沿程高水位變化(97風(fēng)暴潮)

3.2 風(fēng)暴潮增水影響

采用大通不同流量分別與“9711”外海風(fēng)暴潮潮型和“9711”外海天文大潮組合計(jì)算，對比分析外風(fēng)暴潮增水對沿程水位的影響(圖6)。

圖6 不同流量下沿程增減水變化

研究表明，沿程增水幅度與上游徑流、外海潮汐以及風(fēng)暴潮等密切相關(guān)，南京及其以上河段主要受徑流影響，南京至江陰段則是徑流、外海潮汐、風(fēng)暴潮三者的共同作用，江陰以下主要受外海潮汐及風(fēng)暴潮的影響。97風(fēng)暴潮發(fā)生時(shí)段正值外海風(fēng)暴潮、天文大潮“兩碰頭”，上游流量(45 500 m3/s)相對較小，風(fēng)暴潮增減水對南京以下河段影響均較大，其中天生港附近增水幅度最大。其中南京附近增水約0.61 m，鎮(zhèn)江附近增水約1.12 m，三江營附近增水約1.24 m，江陰附近增水約1.45 m，天生港附近增水最大，增幅約1.65 m，徐六涇附近增水約1.45 m，吳淞口附近約1.22 m。上游大徑流(68 000 m3/s和82 300 m3/s)+外?！?711”風(fēng)暴潮組合屬于上游大徑流、外海天文大潮與風(fēng)暴潮“三碰頭”的特殊情況，隨著上游大徑流下泄、外海風(fēng)暴潮頂托作用更趨明顯，最大增水出現(xiàn)在江陰附近。

3.3 支流入?yún)R影響

水陽江、青弋江入?yún)R(Q=3 000 m3/s)條件下沿程高潮位變化見圖7。沿程高潮位略有抬升，越往下游影響越小，其中南京下關(guān)附近高潮位抬升約0.15 m，鎮(zhèn)江高潮位抬升約0.11 m，三江營高潮位抬升約0.08 m，江陰高潮位抬升約0.04 m，天生港高潮位抬升約0.02 m，吳淞口附近基本無變化。

淮河入江水道單獨(dú)入?yún)R不同流量下沿程高潮位變化見圖8。沿程高潮位略有抬升，其中三江營附近抬升最大，為0.26～0.50 m，南京下關(guān)附近高潮位抬升0.15～0.29 m，鎮(zhèn)江高潮位抬升0.21～0.42 m，江陰高潮位抬升0.17～0.35 m，天生港高潮位抬升0.11～0.24 m，吳淞口高潮位抬升0.03～0.10 m。

青弋江、水陽江、淮河三者同時(shí)入?yún)R條件下，長江江蘇段沿程高潮位變化見圖9。江陰以上各站高位均有所抬升，但小于兩者單獨(dú)入?yún)R的累加值；江陰以下與淮河單獨(dú)入?yún)R下沿程高潮位的抬升值基本一致，變化幅度較小。

圖7 水陽江、青弋江入?yún)R時(shí)沿程高潮位變化

圖8 淮河入江水道單獨(dú)入?yún)R時(shí)沿程高潮位變化

圖9 三河同時(shí)入?yún)R時(shí)沿程高潮位變化

3.4 規(guī)劃工程實(shí)施影響

在現(xiàn)狀工程邊界條件計(jì)算的基礎(chǔ)上考慮規(guī)劃工程實(shí)施對沿程潮位的影響。98大洪水、97風(fēng)暴潮、上游98大洪水流量+下游“9711”風(fēng)暴潮潮型以及上游96年大水流量+下游“9711”風(fēng)暴潮潮型條件下規(guī)劃工程實(shí)施前后沿程高低潮位變化見圖10。

圖10 不同水文條件下沿程高低潮位變化

規(guī)劃工程的實(shí)施對長江江蘇段的沿程高、低水位有一定的影響，低潮位變化幅度相對高潮位要大。就高潮變化而言，98大洪水條件下，南京、鎮(zhèn)江、三江營、江陰附近增幅約0.03 m，天生港附近增幅約0.05 m，白茆河口附近增幅約0.10 m，吳淞口附近增幅約0.03 m。98大洪水+“9711”風(fēng)暴潮組合條件下，南京、鎮(zhèn)江、三江營附近增幅約0.04 m，江陰附近增幅約0.05 m，天生港附近增幅約0.09 m，白茆河口附近增幅約0.14 m。96大洪水+“9711”風(fēng)暴潮組合條件下，南京、鎮(zhèn)江、三江營、江陰附近增幅約0.04 m，天生港附近增幅約0.09 m，白茆河口附近增幅約0.11 m。

3.5 不同水文條件下沿程洪潮水位與現(xiàn)有設(shè)計(jì)水位對比分析

為了分析現(xiàn)狀地形不同水文條件下的沿程水位變化，選取工況C、F以及J等來進(jìn)行研究，分析現(xiàn)狀條件下洪潮水位的變化，水位變化見表3。

計(jì)算研究表明，現(xiàn)狀地形“98大洪水”條件南京水位為10.52 m；96年大水加“9711”風(fēng)暴潮潮型條件下，鎮(zhèn)江、三江營水位為8.90 m、8.41 m；97風(fēng)暴潮條件下，江陰、天生港以及吳淞口水位為7.29 m、7.11 m以及6.26 m。對比長江江蘇段現(xiàn)行的洪潮設(shè)計(jì)水位(蘇水計(jì)〔1997〕210號)，各條件下南京、鎮(zhèn)江、三江營、江陰、天生港以及吳淞口等主要站點(diǎn)水位均沒有超過洪潮設(shè)計(jì)水位。根據(jù)研究成果，江蘇省水利廳印發(fā)了《江蘇省長江堤防防洪能力提升工程建設(shè)前期工作指導(dǎo)意見》(蘇水計(jì)〔2015〕20號)，作為當(dāng)前長江江蘇段堤防防洪能力提升工程建設(shè)前期工作的依據(jù)。

表3 不同工況下沿程高潮位與現(xiàn)狀設(shè)計(jì)水位比較(無臺風(fēng)，單位：m)

Tab.3 Comparison between the high tide level and the current design water level under different working conditions(ignoring the effect of typhoon, unit: m)

地名長流規(guī)水位無臺風(fēng)有臺風(fēng)1997年210號文98大洪水條件96年大水條件+“9711”風(fēng)暴潮潮型條件97風(fēng)暴潮條件南京10.6011.1011.0710.529.988.62鎮(zhèn)江8.859.509.248.888.998.08三江營8.35/8.438.378.417.71江陰7.258.047.566.827.127.29天生港6.73/7.186.256.717.11吳淞口6.016.546.415.145.686.26

5 結(jié) 語

1)在不同河床地形和工情條件下，沿江工程建設(shè)使得沿程阻力增加、局部河道斷面減小，引起局部高低潮位的增加；三峽蓄水、含沙量大幅減小，河道總體成沖刷趨勢，河槽容積有所增加。沿程水位總體變化較小。

2)“9711”風(fēng)暴潮發(fā)生時(shí)段上游流量相對較小，外海風(fēng)暴潮、天文大潮“兩碰頭”，風(fēng)暴潮增減水對南京以下河段影響均較大，其中天生港附近增水幅度最大，增幅約1.65 m。上游大徑流、外海天文大潮與風(fēng)暴潮“三碰頭”的特殊情況下，隨著上游大徑流下泄、外海風(fēng)暴潮頂托作用更趨明顯，最大增水出現(xiàn)在江陰附近。

3)水陽江、青弋江和淮河支流入?yún)R會抬升沿程高潮位，沿程最高潮位抬升不超過0.5 m。

4)長江規(guī)劃工程實(shí)施后對沿程高、低水位產(chǎn)生一定的影響，低潮位變化幅度相對高潮位要大。最大增幅發(fā)生上游大徑流、外海天文大潮與風(fēng)暴潮“三碰頭”時(shí)，白茆河口附近增幅約0.14 m。

5)根據(jù)研究主要成果形成的《江蘇省長江堤防防洪能力提升工程建設(shè)前期工作指導(dǎo)意見》已經(jīng)印發(fā)，作為當(dāng)前長江江蘇段堤防防洪能力提升工程建設(shè)前期工作的依據(jù)。