横向环流视角下福姜沙航道整治策略与效果评估.docxVIP

横向环流视角下福姜沙航道整治策略与效果评估

一、引言

1.1研究背景与意义

长江，作为我国的黄金水道，在国民经济发展中扮演着极为重要的角色，其航运价值不可估量。据统计，长江干线货物通过量连续多年位居世界内河首位，在2022年，长江干线完成货物通过量达到了惊人的35.9亿吨，同比增长了4.4%，这一数据直观地展现了长江航运在我国物流运输体系中的关键地位。而福姜沙航道作为长江航运中的重要节点，更是承担着巨大的运输任务，对区域经济乃至全国经济的稳定发展都起着举足轻重的支撑作用。

福姜沙航道位于长江下游澄通河段上段，上起江阴鹅鼻嘴，下至段山港，长约28.9公里。该航道被福姜沙、如皋沙群分隔为福南水道、福中水道、福北水道三汊水道，独特的地理特征使得其水流动力条件异常复杂。其中，福南水道为鹅头型支汊，长约17公里，沿右岸有黄山、肖山、长山等山麓面临江边，限制河身南摆，肖山至巫山港近岸有边滩，进口深槽窄浅，中段弯曲，下出口成S型河形，右汊右岸建有张家港港务局及货主码头群；福中水道航道狭窄弯曲，浅水效应明显，交汇水域多，通航密度大，通航环境复杂；福北水道主流沿左岸下泄，在靖江市新港附近进入如皋。这种复杂的河势和多样化的航道条件，给船舶的安全航行带来了诸多挑战，也使得福姜沙航道成为长江南京至浏河口段12.5m深水航道中主要的碍航浅段之一。

在过去的几十年中，长江航运发展迅速，但福姜沙水域由于航道条件艰苦、泥沙淤积、船舶通行能力低等问题，成为了交通瓶颈，限制了长江水运物资运输能力的进一步提升。例如，福南水道多年来存在着上口和中部两大浅区，汛后淤积明显，10米等深线一般均不能达到200米，实行调标等措施尚不能满足航道维护尺度的要求，由于10米等深线持续向航道内挤压，航道弯曲半径趋小，航宽甚窄，船舶航行避让困难，存在很大的不安全因素，为此，海事部门不得不对大型海轮实施单向通行管制。这不仅降低了航道的通行效率，增加了船舶的运营成本，还对区域经济的发展产生了一定的制约。

横向环流作为一种在弯曲河道中普遍存在的水流现象，对福姜沙航道的水流动力、泥沙输移和分流分沙情况有着深远的影响。在福姜沙南汉这样的典型弯道中，横向流速对横向输沙起着决定性作用。横向环流的存在使得河道内的泥沙分布不均匀，进一步加剧了航道的淤积和冲刷，影响着航道的水深和宽度。深入研究横向环流及其输沙规律，对于揭示福姜沙汉道分流分沙机理，把握深水航道整治方略具有重要的指导意义。

通过对横向环流的研究，我们可以改进环流流速和汉道分沙公式，从而更准确地预测航道的冲淤变化，为航道整治提供科学依据。例如，通过修正底部横向滑移流速，改进普朗特湍流横向切应力形式，并将修正后的滑移速度和湍流切应力应用于底部边界条件，可以改进横向环流流速公式，提高对横向环流流速的计算精度。同时，考虑环流输沙项导出新的汉道分沙比公式，能够更准确地计算分汉河段的分流分沙比，为航道整治方案的制定提供更可靠的数据支持。

此外，对横向环流的研究还有助于优化航道整治方案，降低整治成本，提高整治效果。以福北航道整治方案为例，通过计算不同方案下汉道内的水动力和分沙比，分析整治后的流速、流量以及含沙量的变化，可以对整治方案进行比较选取，从而确定最优方案。这不仅可以提高航道的通航能力，保障船舶的安全航行，还可以促进区域经济的发展，推动长江黄金水道的建设。

1.2国内外研究现状

在河流动力学领域，横向环流一直是研究的重点内容之一。国外学者对横向环流的研究起步较早，取得了一系列具有重要影响力的成果。例如，Engelund提出了弯道环流流速公式，该公式基于一定的理论假设，对弯道环流流速的计算提供了重要的参考依据，在很长一段时间内被广泛应用于相关研究和工程实践中。然而，随着研究的深入和实践的检验，发现该公式在边界条件处理方面存在一定的局限性，导致其计算结果与实际情况存在一定的偏差。

国内学者在借鉴国外研究成果的基础上，结合我国河流的实际特点，对横向环流进行了深入研究。在福姜沙航道整治方面，国内开展了大量的研究工作和工程实践。一些学者通过对福姜沙航道的水流动力、泥沙输移等进行现场观测和分析，揭示了该航道的演变规律和碍航原因。通过对福姜沙南汉典型弯道的研究，发现横向流速对横向输沙起着决定性作用，并针对Engelund弯道环流流速公式在边界条件处理中存在的问题，修正了底部横向滑移流速，改进了普朗特湍流横向切应力形式，进而改进了横向环流流速公式。利用实测资料对改进的环流流速公式进行验证，并与Engelund公式及其他公式进行对比，结果表明改进公式在计算精度上有了显著提高，更能准确地反映实际的横向环流流速情况。

在航道整治工程实践方面，长江南京以下12.5m深水航道二期工程在福姜沙水道实施了一系列航道整治工