甌江靈昆南口封堵工程對水動(dòng)力及碼頭航道的影響

張舒羽，倪勇強(qiáng)

甌江靈昆南口封堵工程對水動(dòng)力及碼頭航道的影響

張舒羽，倪勇強(qiáng)

（浙江省水利河口研究院，杭州310020）

“甌江靈昆南口封堵工程”具有解決土地需求、提供城市東擴(kuò)發(fā)展空間、緩解水資源緊缺、縮短抗臺防潮的堤塘長度、改善龍灣東片的排澇條件等綜合效益，因此，自20世紀(jì)70年代初提出至今30多年來，一直受到溫州市政府和人民的關(guān)注。通過二維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算，探討了工程實(shí)施對沿程洪水位、流速及對龍灣至口外沿程碼頭航道的影響。研究結(jié)果表明，若工程實(shí)施，風(fēng)暴潮時(shí)的河口高水位將增加0．03～0．05 m，龍灣港區(qū)和航道流速有5%～10%的減小，北汊沿程的漲落潮流速相應(yīng)增加，大潮期流速增幅為8%～14%，百年一遇洪水時(shí)流速增幅為10%～25%，口外航道大潮期流速增加0．08 m／s左右。研究成果可為甌江河口的綜合開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

甌江；靈昆南口；封堵工程；數(shù)學(xué)模型

1 概述

自20世紀(jì)70年代起，為解決土地緊缺的矛盾，溫州市提出“甌江靈昆南口封堵工程”方案（圖1）（以下簡稱“南口工程”）?！澳峡诠こ獭比裟軐?shí)施，可獲得土地15．7 km2，解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展中土地需求的燃眉之急，為實(shí)施“海上溫州”的戰(zhàn)略目標(biāo)提供空間和土地的保障；可大大改善靈昆島、洞頭縣與溫州的交通聯(lián)系，促進(jìn)溫州深水良港的建設(shè)，為城市東擴(kuò)提供發(fā)展空間；可建南口蓄淡水庫，緩解水資源緊缺矛盾；可縮短河口地區(qū)抗臺防潮的堤塘長度，節(jié)省海塘建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用；可改善龍灣東片的排澇條件。因此，南口工程具有顯著的綜合效益。

南口工程規(guī)模大，而甌江河口又為強(qiáng)潮河口、水流泥沙條件復(fù)雜，因此，必須進(jìn)行科學(xué)的論證分析工程實(shí)施的可行性。本文建立了甌江河口的二維水流數(shù)學(xué)模型，探討工程實(shí)施對沿程洪水位、流速及對龍灣至口外沿程碼頭和航道的影響。研究成果可為甌江河口的綜合開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)學(xué)模型的建立和驗(yàn)證

2．1水流模型

二維水流計(jì)算的基本方程選用沿垂線積分的二維淺水潮波方程：

式中：z為潮位（m）；u，v分別為x，y方向上的垂線平均流速分量（m／s）；H為水深（m）；g為重力加速度（9．81 m／s2）；f為柯氏力參數(shù)（f＝2ωsinφ，φ為緯度，ω為地球自轉(zhuǎn)速度）；Cz為謝才系數(shù)（Cz＝H1／6／n，n為糙率系數(shù)）；εx，εy分別為x，y方向的渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；Wx，Wy分別為x，y方向的風(fēng)應(yīng)力分量。

方程（1）為水流連續(xù)方程，方程（2）、（3）為x，y方向動(dòng)量守恒方程。上述方程中有z，u，v三個(gè)未知數(shù)，在一定的初始條件和邊界條件下采用無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的顯式迎流有限元模式求出方程的數(shù)值解。

2．2床面沖淤模型

南口工程的實(shí)施將使海域水動(dòng)力條件產(chǎn)生變化，具體體現(xiàn)在納潮量的改變、含沙量的變化、海域流場的調(diào)整和海床的沖淤變化。泥沙運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的床面沖淤變化，是一個(gè)極為復(fù)雜的物理過程，分析計(jì)算難度極大。泥沙問題本身的復(fù)雜性，決定了其研究途徑的多樣性，其中數(shù)學(xué)模型比較適宜于計(jì)算大范圍的床面沖淤變化，由于受網(wǎng)格離散等多方面的限制，計(jì)算精度也受到限制，而且本工程附近缺乏長歷時(shí)水文泥沙地形實(shí)測資料，因此，工程實(shí)施后床面沖淤變化的預(yù)測方法，主要通過定床計(jì)算得到的水流要素，采用半經(jīng)驗(yàn)半理論的途徑進(jìn)行估算和預(yù)測。

其中：S*1，S*2為工程前后飽和挾沙能力；q1，q2為工程前后半潮單寬流量；H1為工程前水深；ΔH為沖淤幅度。

2．3模型范圍和驗(yàn)證

模型上邊界選在甌江的梅岙，下邊界取在坎門-南麂-飛云江一線，計(jì)算范圍總面積約3 250 km2（圖2）。計(jì)算域內(nèi)共布設(shè)了11 188個(gè)三角形單元和6 041

根據(jù)劉家駒的經(jīng)驗(yàn)公式S*＝αγs·工程建造前后各物理量下標(biāo)分別以1，2表示，則有VH代入，并通過方程變換，得到工程實(shí)施后的淤積強(qiáng)度計(jì)算公式其式中：S*為飽和挾沙能力；α為系數(shù)；γs為泥沙重度，V1，V2分別表示風(fēng)吹流和潮流的平均流速；H為水深；g為重力加速度。忽個(gè)有效節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格的最小空間步長為30 m，計(jì)算時(shí)間步長3 s。驗(yàn)證采用2005年6月的水文測驗(yàn)資料。驗(yàn)證結(jié)果為：高低潮位的驗(yàn)證誤差大部分在±0．20 m以內(nèi)；大部分點(diǎn)據(jù)的流量的相對誤差控制在±20%之內(nèi)（圖3），模擬精度能滿足工程研究的要求。

圖2 模型計(jì)算網(wǎng)格Fig．2 The sketch of computing grid

圖3 斷面流量過程驗(yàn)證Fig．3 Verifications of section discharge process

3 南口工程對水動(dòng)力及碼頭航道影響

3．1對甌江高水位的影響

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，甌江河口區(qū)的最高水位由臺風(fēng)期的風(fēng)暴潮控制。另外，大洪水時(shí)，甌江的水位也較高。通過數(shù)模計(jì)算，南口封堵后，百年一遇洪水遇大潮時(shí)，自溫州至黃華高水位沿程抬升0．02～0．22 m，越向上游影響越小。遭遇風(fēng)暴潮（9417號臺風(fēng)）時(shí)，由于工程引起的沿程水位抬高0．03～0．05 m。

3．2對甌江流速的影響

圖4 大潮期漲潮和落潮平均流速變化Fig．4 Variations of the average flow velocity of flood tide and ebb tide during spring tide

以龍灣上游河段、龍灣港區(qū)航道、靈昆北汊、口外航道4個(gè)區(qū)域來看流速的變化（圖4、圖5）。工程實(shí)施后，龍灣上游河段流速減小。在上游枯水流量遭遇下游大潮時(shí)，漲潮平均流速減小2%～11．5%，落潮平均流速減小1．7%～4．8%；百年一遇洪水時(shí)，流速減小0．3%～10．2%。龍灣港區(qū)和航道的流速也有所減少，上游枯水流量遭遇下游大潮時(shí)減少0．05～0．08 m／s，減少幅度為5%～10%；百年一遇洪水時(shí)的流速減小幅度在10%左右。靈昆北汊沿程漲落潮流速明顯增加，上游枯水流量遭遇下游大潮時(shí)，漲落潮流速增幅8%～14%；百年一遇洪水，增幅10%～25%。由于流速增大，可能造成堤腳淘刷、江岸坍塌。為穩(wěn)定北口深槽，應(yīng)避免單、雙昆山邊灘沖刷，建議進(jìn)行必要的堤塘加固措施。上游枯水流量遭遇下游大潮時(shí)，口外航道漲落潮流速增加了0．08 m／s左右。

3．3對甌江潮量的影響

表1說明了：枯水遇大潮時(shí)，七都南北汊和龍灣港區(qū)的漲落潮潮量均減小，幅度在5．3%～8．1%，七里港區(qū)的漲落潮潮量增加，幅度為12．6%～16%。百年一遇洪水遇大潮時(shí)，沿程各站均無漲潮流，在一個(gè)潮周期的時(shí)間里通過七都南北汊和龍灣港區(qū)的下泄水量減小3．1%～4．1%，通過七里港區(qū)的下泄水量增加26．3%。

圖5 百年一遇洪水時(shí)平均流速變化Fig．5 Variation of the average flow velocity during a 100-year flood

表1 南口工程實(shí)施前后甌江沿程各斷面的潮量變化Table 1 Variations of every section tidal capacity before and after the closure project

2．4對碼頭航道的影響

（1）對龍灣港區(qū)和航道的影響。根據(jù)公式（4）計(jì)算工程實(shí)施后，龍灣西港區(qū)碼頭前沿淤積0．2～0．4 m（圖6），龍灣東港區(qū)碼頭前沿淤積0．7 m左右，龍灣深潭最大淤積約0．9 m，過江水道南端略有淤積，北端略有沖刷，但沖淤幅度不大。據(jù)南京水利科學(xué)研究院物模結(jié)果，龍灣港區(qū)淤積幅度在0．5～0．6 m，龍灣過江淺灘淤積在0．3～0．5 m。因此，數(shù)模和物模的結(jié)果較為接近，計(jì)算成果較可靠。淤積可能對港區(qū)和航道水深帶來一些影響，但幅度不是很大，可通過一些整治工程減少此淤積影響，如2001年拋筑的盤石潛壩使龍灣淺灘流速增加3%～23%，龍灣西港區(qū)增加6%～15%，龍灣東港區(qū)增加10%左右，可完全抵消本工程的負(fù)效應(yīng)。

圖6 南口工程實(shí)施后床面沖淤變化Fig．6 Scour and deposit variations of bed surface after the closure project

（2）對北口碼頭和相關(guān)航道的影響。工程實(shí)施后，北口流速增大，大潮期增幅為8%～14%；百年一遇洪水增幅為10%～25%。流速的增加將使碼頭和航道沖刷。工程后，北口航道和碼頭區(qū)的沖刷為0．5～1．4 m。但北口流速增大，對北口江堤堤腳沖刷不利，應(yīng)采取工程措施加以保護(hù)。

（3）對口外航道的影響。在現(xiàn)有潛壩的基礎(chǔ)上如果進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)南口封堵，漲落潮全部從北口進(jìn)出，懸移質(zhì)沙量也全部從北口通道入海，北口的單寬潮量會進(jìn)一步增大，落潮流速也會進(jìn)一步增大，其結(jié)果會使中水道動(dòng)力進(jìn)一步加強(qiáng)，進(jìn)一步增加了航道水深。

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，靈昆南口封堵后，由風(fēng)暴潮控制的河口段高水位增加0．03～0．05 m。龍灣港區(qū)和相關(guān)航道的流速有所減小，幅度在5%～10%之間，將造成龍灣港區(qū)0．2～0．7 m的淤積。北口單寬進(jìn)出潮量增大，北汊沿程的漲落潮流速也相應(yīng)增加，在大潮期，漲落潮流速增幅在8%～14%，百年一遇洪水時(shí)流速增幅為10%～25%，北口航道和碼頭區(qū)的沖刷為0．5～1．4 m左右?？谕夂降来蟪睍r(shí)流速增加0．08 m／s，航道的水動(dòng)力增強(qiáng)，對航道的穩(wěn)定和水深增加有利。大潮期，七都南北汊和龍灣港區(qū)的漲落潮潮量減小5．3%～8．1%，七里港區(qū)的漲落潮潮量增加12．6%～16%。百年一遇洪水時(shí)，在一個(gè)潮周期的時(shí)間里通過七都南北汊和龍灣港區(qū)的下泄水量減小3．1%～4．1%，通過七里港區(qū)的下泄水量增加26．3%。

［1］甌江志編纂委員會．甌江志［G］．北京：水利電力出版社，1995：45-71．

［2］李孟國，王正林．溫州淺灘圍涂工程的可行性研究［J］．中國港灣建設(shè)，2001，（10）：30-33．

［3］陸永軍，李治麟，董壯，等．強(qiáng)潮河口圍海工程對水動(dòng)力環(huán)境的影響［J］．海洋工程，2002，（4）：17-25．

（編輯：曾小漢）

Influence of Closure Project of South Branch of Lingkun in Oujiang River on Hydrodynamic Force，Channel and Harbor

ZHANG Shu-yu，NI Yong-qiang
（Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary，Hangzhou 310020，China）

The closure project of the south branch of Lingkun in Oujiang River can bring out comprehensive benefits such as solving land demand，providing city development space，alleviating water resources shortage，shortening the length of sea embankment and improving the flood drainage condition in the east of Longwan area．Thus the closure project has been concerned by both government and people of Wenzhou since 1970s．On the basis of 2-D numerical simulation，this paper studies the influence on high water level，velocity，channel and harbor from Longwan to estuary mouth．The research result shows as follows：The south branch of Lingkun is in the state of siltation since 1960s．High water level during storm period would be increased by 0．03～0．05 m，velocity of Longwan harbor and channel decreased by 5%～10%，velocity of north branch and estuary mouth increased by 8%～14%during spring tide and 10%～25%during flood time．The velocity of channel outside would be increased by 0．08 m／s．It provides scientific basis for comprehensive development of Oujiang River estuary．

Oujiang River；south branch of Lingkun；closure project；mathematical model

TV856

A

1001-5485（2009）03-0021-03

2008-06-18

張舒羽（1976-），女，浙江寧波人，碩士，工程師，主要從事河口海岸工程水動(dòng)力研究，（電話）0571-86438376（電子郵箱）zsyjhy2000＠sina．com。