長江鎮(zhèn)江段河道采砂的影響及其控制利用的試驗(yàn)研究
毛 野1,黃才安2,陳建華3,周濟(jì)人2
( 1.河海大學(xué) 水利水電工程學(xué)院,江蘇 南京210098;2. 揚(yáng)州大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州225002;
3.河海大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京210098)
摘要:運(yùn)用微尺度模型和基于普通相機(jī)的近景攝影測量三維圖像解析技術(shù)針對(duì)河道采砂對(duì)長江鎮(zhèn)江段河床演變的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析了鎮(zhèn)江段河床演變的趨勢,指出在征潤洲北灘和五峰山附近科學(xué)合理地采砂有利于鎮(zhèn)江段河床穩(wěn)定.考慮到鎮(zhèn)江段較長時(shí)期的河勢穩(wěn)定除改善征潤洲焦山一帶態(tài)勢還應(yīng)遏制和暢洲南北汊逆轉(zhuǎn)的趨勢,必須采用包括河道采砂在內(nèi)的綜合治理措施.結(jié)果還表明微尺度模型可以用于河工動(dòng)床模型研究,特別適用于多方案的定性分析與比較,近景攝影測量三維圖像解析技術(shù)在數(shù)字化試驗(yàn)研究中可有良好的應(yīng)用前景.
關(guān)鍵詞:微尺度模型;河床演變;三維圖像解析;采砂
鎮(zhèn)江位于長江下游,自古以來是溝通東西南北的良港,1500年前即為南北漕運(yùn)中心.數(shù)百年來鎮(zhèn)江段河勢變化劇烈,1931年大洪水后呈淤積趨勢,1954年洪水后明顯加劇.鎮(zhèn)江老港因嚴(yán)重淤積影響運(yùn)行,后雖挖了進(jìn)港引航道,淤積態(tài)勢仍在繼續(xù),不得不在下游興建了大港港區(qū)(圖1).河道非法采砂在鎮(zhèn)江段曾一度蔓延,1996年初沙頭河口以東人民灘因非法采砂發(fā)生大規(guī)模窩崩,損失巨大.鎮(zhèn)江地區(qū)及長江下游地區(qū)的持續(xù)發(fā)展迫切需要深入研究該段河床的演變規(guī)律,研究如何正確引導(dǎo)河勢的變化[1,2],研究如何將河道采砂與河道整治相結(jié)合,采取積極措施穩(wěn)定河勢[5].采用微尺度河工模型是一次有益的嘗試.
1 試驗(yàn)裝置與安排
1.1 試驗(yàn)水池與模型砂
試驗(yàn)在鐵水箱和鐵架支撐的微尺度模型池內(nèi)進(jìn)行;模型池凈尺寸為1970mm×970mm×250 mm,由10mm厚的灰色塑料板焊接后加強(qiáng)化箍制成.模型置于模型池內(nèi)約5cm厚的底板上, 底坡為1%;水由模型池排入鐵制水箱,再由短管分別與兩個(gè)循環(huán)水泵相接(圖2)構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng).每臺(tái)泵配有調(diào)節(jié)閥門,采用三角堰量測流量.
圖1 長江鎮(zhèn)江段示意圖
Fig.1 The river situation near Zhenjiang
圖2 微尺度模型示意圖
Fig.2 The scheme of micromodel channel
兩臺(tái)泵同時(shí)工作的最大試驗(yàn)流量為1.134×10-3m3/s.模型上游設(shè)有整流器使得進(jìn)入模型池內(nèi)的水流盡可能平順,下游在尾門前設(shè)儲(chǔ)砂槽以攔截水流運(yùn)動(dòng)攜帶的泥沙,即使有少量細(xì)顆粒泥沙進(jìn)入水箱,在模型池出口處將被濾砂器再次攔截.邊岸用泡沫塑料制作,為克服浮力,除配有重物并用多個(gè)F型大夾具與模型池邊緊密連接以保證模型穩(wěn)定;縫間充填彈性優(yōu)良的泡沫體以確保進(jìn)入模型池的水體只能從模型河道中通過.
長江鎮(zhèn)江段河床多為粉細(xì)沙沉積物,顆粒間有一定的粘結(jié)力,故考慮在模擬試驗(yàn)中采用顆粒稍大的合成材料模型砂,其密度為1.4 g/cm3,主體為聚甲醛樹脂顆粒,平均篩徑為d50=3.0mm(圖3曲線A).為定性模擬沙洲岸灘表層對(duì)水流作用的阻抗,表面適量摻入d50 = 0.2mm電木粉以增加顆粒間粘結(jié)力,在試驗(yàn)中取樣分析知表層顆粒的平均粒徑約為d50=1.1mm(圖3曲線B和C).考慮即使在汛期長江水流的含沙量也相對(duì)較小,采用微尺度模型研究鎮(zhèn)江段河床演變試驗(yàn)歷時(shí)較短,故模擬試驗(yàn)中未在上游加沙.
1.2 模型試驗(yàn)參數(shù)與組次
圖3 模型試驗(yàn)用合成材料顆粒分布圖
Fig.3 The distribution of synthetic particles used in model tests
定義平面比尺λl為原型平面尺度與相應(yīng)的模型平面尺度之比,垂向比尺λh為原型垂向尺度與相應(yīng)的模型垂向尺度之比[3].模型制作時(shí)考慮了實(shí)驗(yàn)流態(tài)條件應(yīng)盡可能與原型接近以及觀 測河床演變的需要,決定采用變態(tài)率較大的變態(tài)模型[6,7].鎮(zhèn)江段地形的平面參數(shù)主要依 據(jù)國家海洋信息中心1994年1月印制的鎮(zhèn)江港平面圖,水下地形特別是深泓線則主要根據(jù)鎮(zhèn)江市水利局測繪大隊(duì)1996年實(shí)測地形圖.模型的平面比尺λl=18333,模型垂向比尺λh=500制作,模型幾何變態(tài)率ξ=λl/λh36.67.
歷史經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明,特大洪水對(duì)長江的河床演變起著決定性作用.采用大通站歷史實(shí)測最大洪水流量QPmax=92 600 m3/s,按照常用的河工模型理論[2,3]知流量比尺為λQ=λlλ3/2h=204 972 525, 故模型流量Qm= 4.158×10-4m3/s.長江洪水汛期較長,考慮典型汛期為一個(gè)月;模擬試驗(yàn)時(shí)由于采用模型變態(tài)和輕質(zhì)合成材料砂,其結(jié)果是達(dá)到推移質(zhì)變形所需的實(shí)驗(yàn)時(shí)間明顯縮短,確定為20'～30'.
雖然長江嚴(yán)禁汛期河道采砂,為研究苛刻條件下的河床演變在試驗(yàn)中采用特大洪水與采砂疊加.模型試驗(yàn)進(jìn)行了多次不考慮采砂但洪水期長短不同的河床演變試驗(yàn),考慮征潤洲北灘采砂影響的河床演變試驗(yàn)以及研究考慮都天廟—丹徒江沿線灘采砂與在和暢洲北汊口填筑底壩的綜合影響的試驗(yàn).
1.3 近景攝影測量三維圖像解析
河工動(dòng)床微尺度模型試驗(yàn)除用泡沫塑料顆粒和高錳酸鉀溶液示蹤顯示流場照相記錄外,試驗(yàn)結(jié)束后排水,采用近景攝影測量三維圖像解析技術(shù)對(duì)攝影圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析可確定河床形態(tài)的變化(參見圖4,A和B分別為左相機(jī)和右相機(jī)).
根據(jù)近景攝影測量原理,為了得到河床變形的三維模型坐標(biāo),必須進(jìn)行立體像對(duì)定向以建立圖像坐標(biāo)與模型三維坐標(biāo)之間建立解析關(guān)系.分析表明控制點(diǎn)至少為6個(gè).計(jì)算機(jī)分析是采用了直接線性變換的方法,以攝影構(gòu)像方程為基礎(chǔ),通過觀測若干控制點(diǎn)確定圖像外方位元素.
為計(jì)算河床地形某點(diǎn)的三維坐標(biāo)需知該地形點(diǎn)在左右圖像上的圖像坐標(biāo),測得左圖像坐標(biāo)后
圖4 模型試驗(yàn)三維拍照示意圖
Fig.4 The scheme of taking 3-D pictures for the model
按其影像灰度根據(jù)最小二乘法影響匹配技術(shù)在右圖像上搜索對(duì)應(yīng)匹配像點(diǎn),計(jì)算該點(diǎn)的右圖像坐標(biāo),最終可得該地形點(diǎn)的三維模型坐標(biāo).沿流從鎮(zhèn)江老港進(jìn)港航道到五峰山計(jì)布置了21個(gè)控制測點(diǎn)以確保從不同部位不同角度拍照時(shí)都能夠得到足夠的控制點(diǎn)圖像.各點(diǎn)表面安設(shè)了直徑為20mm的圓靶形十字絲控制標(biāo)記,試驗(yàn)前仔細(xì)測量了各點(diǎn)高程及水平距離形成三維坐標(biāo)控制網(wǎng).為方便拍攝整個(gè)模型試驗(yàn)池,專門搭設(shè)了高約3m的攝影臺(tái).從左右兩個(gè)方向分別用135Nikon 照相機(jī)A與B對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行交向攝影,相機(jī)焦距為50mm,黑白膠卷的感光敏感度為400.膠卷沖洗后用掃描儀(分辨率1200～2000dpi, 灰度級(jí)256)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像后進(jìn)行處理.
2 試驗(yàn)成果與分析
2.1 鎮(zhèn)江段河床演變大趨勢
試驗(yàn)表明特大洪水對(duì)鎮(zhèn)江段河床的穩(wěn)定有重要影響,鎮(zhèn)江老港依然淤積,繞焦山有順時(shí)針回流;瓜洲以下凹岸呈彎道水流沖刷態(tài)勢而征潤洲灘北淤積;洪水至和暢洲可見表層水流多走北汊,洪水前期底流在和暢洲頂沖下形成的回流造成丹徒和象山之間泥沙淤積,諫壁電廠碼頭附近亦有明顯泥沙淤積(圖5(a),圖中等高線值為略去負(fù)號(hào)的水面線以下值,間距為2.5m).隨著洪水作用加強(qiáng),和暢洲北汊河道逐漸加深,孟家港一帶嚴(yán)重沖刷而南汊卻因泥沙淤積流態(tài)復(fù)雜,諫壁電廠附近泥沙淤積加劇(圖5(b)).
2.2 征潤洲北采砂的影響
模擬運(yùn)行特大洪水時(shí)在征潤洲北灘(圖1左上角虛線)同步進(jìn)行了采砂作業(yè)試驗(yàn).結(jié)果是鎮(zhèn)江老港變化不大,征潤洲至焦山一線北部邊灘明顯減小,且有局部坍塌,主航道向南擺動(dòng).都天廟一帶為河道南擺的控制節(jié)點(diǎn)成為防守關(guān)鍵,淘刷泥沙向丹徒和諫壁電廠輸移阻塞航道(圖6).和暢洲西側(cè)洲頭沖刷加劇,至象山的回流減弱;和暢洲北汊成為主流通道逐漸刷深;大港港區(qū)及五峰山均有明顯沖刷.
2.3 和暢洲主航道控制
圖5 特大洪水作用下鎮(zhèn)江段河床變形等高線圖
Fig.5 The contour map of riverbed deformation due to the superflood
征潤洲北灘采砂雖可減輕瓜洲下游一線淘刷的壓力但仍可能導(dǎo)致深泓線移至和暢洲北汊,該變化 趨勢與不采砂情況相同.為遏制這個(gè)不利變化趨勢,考慮除繼續(xù)征潤洲北灘采砂,另沿丹徒以北沙洲(圖1中部虛線部位)采砂外在和暢洲北汊口門(圖1與圖3中標(biāo)有"x x x"部位)設(shè)置了15 mm×15mm×100mm 石條模擬底壩填筑,希望底壩可阻止底流在北汊的沖刷;模型中特大 洪水過流時(shí)間為30'. 由圖7所示,試驗(yàn)結(jié)果可見上述綜合措施使得六圩,都天廟一帶的深泓線明顯向右岸移動(dòng),征潤洲焦山以北的沙灘顯著減小,面流在和暢洲亦改向南汊,丹徒以北一線沙洲因采砂和水流沖刷而河道加深,有泥沙淤積在諫壁電廠.
圖6 特大洪水與灘采砂后征潤洲附近等高線圖
Fig.6 Contour map nearby the Zhengrun-shoal under the superflood and sand mining
圖7 綜合治理后焦山—和暢洲附近等高線圖
Fig.7 Contour map nearby Jiaoshan and the Zhengrun-shoal after comprehensive treatment
2.4 河床穩(wěn)定措施綜合分析
上述微尺度模型試驗(yàn)表明,多年來實(shí)際發(fā)生的鎮(zhèn)江段瓜洲,都天廟一帶岸坡被淘刷向北擺動(dòng)的演變趨勢仍將持續(xù)發(fā)展.由于泥沙淘刷后自然沉積在征潤洲北灘以及五峰山一帶,進(jìn)行科學(xué)合理的采砂有利于鎮(zhèn)江段河床穩(wěn)定,建議合法管理有序進(jìn)行.如果在北灘采砂宜注意采砂作業(yè)次序,引導(dǎo)采砂地點(diǎn)逆流而進(jìn)由東向西進(jìn)行對(duì)河床穩(wěn)定有利.
在和暢洲,由于水流作用河床淘刷泥沙淤積作用深泓線將逐漸移至北汊道,南北汊道將逐漸發(fā)生逆轉(zhuǎn).現(xiàn)南汊道是主航道,若聽任長江鎮(zhèn)江段河床演變自然發(fā)展,變化趨勢可能使諫壁電廠的碼頭淤積而孟家港附近因嚴(yán)重沖刷而造成嚴(yán)重?fù)p失.采取在丹徒以北沙灘采砂的措施可以治理丹徒與諫壁電廠碼頭淤積,但要不使北汊變?yōu)橹骱降肋€必須在北汊口門填筑底壩.結(jié)合科學(xué)合理采砂與修筑底壩等方法的綜合措施可以有效地穩(wěn)定和改進(jìn)鎮(zhèn)江段的河勢.
3 結(jié)語
微尺度模型可以用于河工動(dòng)床模型研究,具有投資小,效率高等優(yōu)點(diǎn),特別適用于定性分析進(jìn)行多方案分析與比較;運(yùn)用近景攝影測量三維圖像解析技術(shù)有助于河工模型試驗(yàn)研究向數(shù)字化邁進(jìn).試驗(yàn)研究表明瓜洲以下至都天廟一線將繼續(xù)淘刷是鎮(zhèn)江段河床演變大趨勢,從長遠(yuǎn)來看和暢洲南北汊有逆轉(zhuǎn)趨勢,一旦北汊成為主航道將產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p失.考慮到鎮(zhèn)江段較長時(shí)期的河勢穩(wěn)定必須采用積極的綜合治理措施,合理地采砂及在和暢洲口門填筑底壩有利于鎮(zhèn)江段河床穩(wěn)定.
參考文獻(xiàn):
[1]錢寧,張仁,周志德. 河床演變學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1987.499-530.
[2]謝鑒衡主編.河床演變及整治[M].北京:水利電力出版社,1992.213.
[3]惠遇甲,王桂仙. 河工模型試驗(yàn)[M].北京:中國水利電力出版社,1999.96-144.
[4]袁林,季成康.
長江下游砂料開采對(duì)河道演變的影響[J]. 人民長江,1997,28(7):33-34.
[5]毛野.初論采沙對(duì)河床的影響及控制[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),2000,vol.28,92-96.
[6]Davinroy R. River replication[J]. J of Civil Engineering, 1999.69(7):61-63.
[7]Gains, R. A., and Maynord, S. T. Microscale loosebed hydraulic models,[J] J of Hydraulic Engineering, 2001,127(5): 335-339.
收稿日期:2003-04-01
基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59979005)
作者簡介:毛野(1946-),男,江蘇武進(jìn)人,教授,主要從事紊流,泥沙運(yùn)動(dòng)及河床演變研究.
