不同引河長度下河口閘下淤積形態(tài)數(shù)值研究

馬洪亮，董 佳，曲紅玲

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京 210005）

不同引河長度下河口閘下淤積形態(tài)數(shù)值研究

馬洪亮，董 佳，曲紅玲

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京 210005）

閘下淤積是河口建閘的關(guān)鍵問題，直接關(guān)系到工程的成敗?；陴翱谕夂Ｓ蚪鹛了缹?shí)測水文泥沙資料，建立平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，分析計(jì)算不同引河長度下的閘下淤積特點(diǎn)以及對北侖港區(qū)、鎮(zhèn)海港區(qū)水沙運(yùn)動和地形變化的影響。計(jì)算結(jié)果表明：在上游徑流及外海來沙相同的條件下，閘址離河口越近，閘下河道因建閘引起的淤積量越小，但閘下淤積強(qiáng)度越高；建閘對北侖港區(qū)無顯著影響，對鎮(zhèn)海港區(qū)影響較大，當(dāng)閘址位于鎮(zhèn)海港區(qū)上游時(shí)，閘址距港區(qū)越近，淤積影響越顯著。

河口建閘；閘下淤積；平面二維水沙模型

Biography：MA Hong-liang（1987-），male，master student.

隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，河口地區(qū)的重要性日益凸顯。為滿足船舶航運(yùn)、防洪排澇以及水資源綜合利用等需求，越來越多的河口均已建閘，成為改善河口條件的重要手段之一［1］。但是已有工程經(jīng)驗(yàn)表明，占顯著比例的建閘河口閘下淤積嚴(yán)重，引發(fā)通航、行洪、水環(huán)境等一系列的問題，閘下淤積的預(yù)報(bào)及防淤減淤措施一直是水利工程中亟待解決的問題。關(guān)于這方面的研究目前采用較多的是現(xiàn)場資料分析［2－3］、半經(jīng)驗(yàn)半理論公式［4－11］以及針對某一河口建立河工模型［12－14］或一、二維數(shù)學(xué)模型［15－17］，但系統(tǒng)研究考慮上游一定徑流量下不同引河長度建閘后閘下河道淤積形態(tài)及最大淤積強(qiáng)度特征的還不多見。采用平面二維水沙模型，研究引河長度由長變短乃至口外建閘閘下淤積形態(tài)和淤積特點(diǎn)，可為河口建閘規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供參考。本文以甬江建閘工程為例，計(jì)算不同閘址方案實(shí)施后的年泥沙回淤分布情況。

1 甬江建閘工程

1.1 自然條件

（1）水下地形。甬江位于浙江省東部沿海，杭州灣以南，東臨舟山群島（圖1）。上游有奉化江、姚江兩大支流，匯合于寧波市區(qū)的三江口，三江口以下至鎮(zhèn)海出海口段為甬江干流，全長25.6 km。甬江屬平原彎曲型河流，岸線曲折、水深較淺、河寬較窄，河道寬度210～400 m。在河道彎曲的凹岸一般有深槽，水深達(dá)5～10 m，口門段的水深也達(dá)5～10 m，其余的水深在5 m以內(nèi)?？谕夂Ｓ驆u嶼星羅棋布，水道縱橫交錯，溝槽、淺灘相間分布，水深懸殊多變，地形地貌十分復(fù)雜。水域內(nèi)分布有舟山島、金塘島、大榭島以及冊子島等大小數(shù)十個島嶼，島嶼間多為深槽水道，自南向北分別為螺頭水道、金塘水道和冊子水道，最大水深達(dá)120 m，是該水域漲落潮的主要輸水輸沙通道。

（2）徑流。甬江入海徑流量為奉化江徑流量和姚江閘排水量的總和。甬江多年平均徑流量為29.12億m3，最大年徑流量為44.53億m3（1983年），最小為11.89億m3（2003年）。

（3）潮汐。研究海域受東中國海前進(jìn)潮波控制。外海潮波從螺頭水道及舟山南側(cè)的十幾條水道進(jìn)入本水域，于大榭島附近分成兩股：一股向西經(jīng)金塘水道進(jìn)入杭州灣，另一股向西北經(jīng)冊子水道，又分成二支從西候門和富翅門水道匯入杭州灣。根據(jù)實(shí)測潮位資料的調(diào)和分析，本海域潮性系數(shù)介于0.5～2.0，且日潮不等現(xiàn)象較為顯著，屬不規(guī)則半日潮混合潮。據(jù)寧波、鎮(zhèn)海及定海3個長期驗(yàn)潮站2008年全年實(shí)測潮位資料，該海域潮差相對較小，平均潮差1.67～2.01 m，最大潮差也僅3.91 m，是浙江沿海潮差較小的海區(qū)之一。

圖1 甬江及口外海域水下形勢圖Fig.1 Sketch of Yongjiang river and sea area

（4）潮流。本海域潮流為半日潮流。洪枯兩季外海7條水文垂線的實(shí)測資料顯示（V1～V7，圖1），該水域潮流總體特征表現(xiàn)為順岸的往復(fù)流，各垂線漲潮流向?yàn)镹W，落潮流向?yàn)镾E，流向主軸和岸線或深槽走向一致。

海區(qū)流速較大，潮流動力強(qiáng)勁，最大實(shí)測流速達(dá)2.17 m/s（V4）。大、中潮流速差異不明顯，小潮流速較小，落潮平均流速略大于漲潮平均流速。金塘水道北部海域的平均流速較大，而河道及南部海域流速相對較小，水動力條件總體呈現(xiàn)“北強(qiáng)南弱”的平面分布特點(diǎn)。

（5）余流。河口地區(qū)的水流受潮汐影響呈現(xiàn)往復(fù)流狀態(tài)，因此水體及其攜帶物質(zhì)的運(yùn)動方式也具有循環(huán)往復(fù)的特點(diǎn)，但在一個潮周期后，水質(zhì)點(diǎn)往往不會回到原處，而是有一個凈位移，這種凈位移稱之為長期輸送，余流就是指長期輸送中的水體凈輸移。由于潮流是泥沙運(yùn)動的載體，因此余流在一定程度上可指示水沙的凈運(yùn)移方向。近海余流的計(jì)算較為復(fù)雜，本文采用簡化的歐拉余流計(jì)算方法，即將一個潮周期內(nèi)所測各時(shí)刻的潮流作矢量合成，得出余流的大小和方向。

根據(jù)實(shí)測資料，受甬江徑流下泄影響，口門處（V2）余流流速較大，達(dá)0.39 m/s，流向?yàn)镋SE；外海淺灘處（V1、V7）余流較小，介于0.1～0.12 m/s，指向SSW—WSW；深槽處除V3測點(diǎn)受大、小黃蟒山及中門柱島擾動影響外，其余測點(diǎn)余流流速均較大，介于0.33～0.35 m/s，流向均為SE向。由各測點(diǎn)的余流數(shù)據(jù)可知，甬江口外海域水體的凈輸移方向大致從北部的杭州灣指向南部的螺頭水道。

（6）波浪。金塘水道海域有舟山群島的金塘、大榭、黃蟒、中柱等島作屏障，外海涌浪難以傳入，主要波浪是局部水域產(chǎn)生的風(fēng)生浪。根據(jù)北侖水文站1983～1988年波浪觀測統(tǒng)計(jì)資料，常浪向?yàn)镹W—NNW向，統(tǒng)計(jì)頻率占29.2%，強(qiáng)浪向?yàn)镹W—NNE向［18］。

（7）泥沙。研究水域懸沙顆粒較細(xì)，平均中值粒徑D50介于0.007～0.009 mm，屬粉砂質(zhì)泥沙，易在鹽水中發(fā)生絮凝現(xiàn)象。底質(zhì)中值粒徑D50介于0.01～0.118 mm，較懸沙中值粒徑略粗，這種懸沙、底沙細(xì)而一致的性質(zhì)，為海域來沙的屬性，且決定了泥沙運(yùn)動以懸移為主。

甬江上游的姚江和奉化江為平原河流，來沙量相對較小，因此甬江干流的泥沙來源主要是海域來沙。本海區(qū)泥沙主要來自長江口和杭州灣，長江口和杭州灣輸出的泥沙在東海沿岸流的作用下南下輸移，向鄰近海域擴(kuò)散，對本區(qū)懸沙輸移影響較大，成為浙江近海沉積和濱海平原發(fā)育的主要泥沙來源之一。

1.2 閘址方案

擬定的4個閘址方案分別位于寧波大學(xué)、鎮(zhèn)海電廠附近河道、甬江河口內(nèi)側(cè)及河口外側(cè)，依次命名為方案一～方案四。閘址距河口距離為17.6 km、8.2 km、1.5 km（方案四位于口門外側(cè)），各閘址方案均包括船閘、導(dǎo)流堤、泄洪閘及堵壩等水工建筑物。

2 計(jì)算方法

2.1 水動力方程

水流運(yùn)動的基本方程包括水體連續(xù)性方程和動量守恒方程，即

2.2 懸沙輸運(yùn)及床面變形方程

2.3 定解條件

對于邊界條件，水邊界給定已知的潮位過程，岸邊界采用垂向不可入切向可滑移條件。對于初始條件，潮位取開始計(jì)算時(shí)刻的水邊界潮位值，流速以零起動形式給出。

2.4 數(shù)值解法

采用有限差分法離散微分方程。在離散時(shí)，時(shí)間上采用前差分；空間上采用四邊形交錯網(wǎng)格。采用追趕法求解離散后的線性代數(shù)方程組。

2.5 甬江建閘水沙模型

由于甬江河道窄長，岸線蜿蜒曲折，將計(jì)算坐標(biāo)系的X軸設(shè)置成與甬江河道的走向近似一致（東偏北25°），為精確反映閘下引河內(nèi)的水流特征及泥沙淤積形態(tài)，河道內(nèi)網(wǎng)格取為15 m×30 m（圖2）。潮流數(shù)學(xué)模型時(shí)間步長取10 s，懸沙輸送數(shù)學(xué)模型時(shí)間步長取600 s。水平渦動粘性系數(shù)采用Smagorinsky公式［19］計(jì)算。外海開邊界潮位由東中國海潮波數(shù)學(xué)模型［20］提供，河道開邊界采用實(shí)測潮位資料。此外，本海域處于河口近岸區(qū)域，潮灘分布廣泛，隨著潮位的漲落，邊灘間歇性淹沒和露出，模型采用阻塞函數(shù)法［21］處理動邊界問題。

圖2 甬江河道模型網(wǎng)格Fig.2 Model grid of Yongjiang river

2.6 挾沙能力公式的選取

通過實(shí)測水文泥沙資料可以看出，金塘水道北部測點(diǎn)的漲落潮含沙量差別明顯（圖3），在一個漲落潮周期中，流速出現(xiàn)2個峰值，分別為落急和漲急，但含沙量僅出現(xiàn)一個峰值，且在落急后1～2 h，含沙量隨漲落急半潮變化顯著，若采用全潮平均挾沙力公式似有不妥，而懸沙輸運(yùn)正確與否又對閘下淤積計(jì)算成果至關(guān)重要，故文中采用按漲落潮區(qū)分的半潮挾沙力公式（圖4）。

圖3 潮流泥沙過程線（V7大潮）Fig.3Hydrograph of tidal current and sediment（V7 spring tide）

2.7 模型驗(yàn)證

為檢驗(yàn)二維潮汐潮流預(yù)報(bào)以及懸沙輸運(yùn)數(shù)值模式能否良好地復(fù)演甬江及口外海域水沙運(yùn)動，模型計(jì)算了2010年7月大中小3種潮汛的流場及懸沙場，對潮位、潮流和含沙量的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測資料吻合較好（圖5），說明本文所建立的平面二維水沙模型及選用的參數(shù)是合理可行的，能夠模擬海域?qū)嶋H的水體運(yùn)動和懸沙輸運(yùn)。

圖5 水位、流速及含沙量驗(yàn)證曲線Fig.5 Verification of tidal level，velocity and sediment concentration

2.8 水閘泄流內(nèi)邊界條件

泄洪閘的處理是本次數(shù)值模擬中需要謹(jǐn)慎對待的問題。當(dāng)上游徑流不足時(shí)，泄洪閘關(guān)閉蓄水，此時(shí)，水閘將甬江隔為相互獨(dú)立的閘上段與閘下段；當(dāng)上游來水較大時(shí)，泄洪閘打開泄洪排澇，此時(shí)，閘上與閘下河道復(fù)為連通域。本課題研究中，泄洪閘按線邊界處理，計(jì)算典型年上游河道徑流量下產(chǎn)生的閘下淤積量，當(dāng)泄洪閘關(guān)閉時(shí)，將其作為固邊界；當(dāng)泄洪閘打開時(shí)，根據(jù)堰流公式（6）計(jì)算下泄流量作為內(nèi)邊界條件

式中：Q為泄流流量，m3/s；σ為淹沒系數(shù)；m為流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；B為閘孔凈寬，m；H0為上下游水位差，m。

3 成果分析

3.1 流速變化

水是泥沙運(yùn)動的載體，對泥沙輸運(yùn)特征的分析至關(guān)重要。河口海岸地區(qū)主要存在潮流、波浪等經(jīng)常性動力因素以及風(fēng)暴潮等偶然性動力因素，甬江及口外海域受島嶼屏蔽作用，波浪較小，因此在常態(tài)天氣下，潮流是影響泥沙輸運(yùn)的主導(dǎo)因素，潮流運(yùn)動的強(qiáng)度變化反映了水流挾沙能力的變化，可為分析河道的沖淤特性提供參考。圖6為方案二實(shí)施前后河道及北侖港附近水域漲落潮平均流速的變化對比情況（閘址為起點(diǎn)樁號，下同）。

圖6 建閘前后漲落潮流速對比（方案二）Fig.6 Comparison of flood and ebb speed between pre and post construction of barrage（scheme 2）

建閘前，研究水域的漲落潮流速雖有不同，但差別不大；建閘后，由于水閘對水流的阻滯效應(yīng)，漲落潮流速均小于建閘前，且離閘址越近，減小幅度越大，閘址處幾乎由動水變?yōu)殪o水，河口及北侖港區(qū)海域水動力幾乎不變；建閘后，河道內(nèi)漲潮流速一般都大于落潮流速，導(dǎo)致漲潮挾沙力大于落潮挾沙力，漲潮輸沙量大于落潮輸沙量，造成閘下河道泥沙淤積。其他閘址方案的水動力變化情況與此類似，限于篇幅，不再列出。

3.2 淤積強(qiáng)度和淤積量

圖7～圖8分別為方案二實(shí)施后在水閘調(diào)度運(yùn)行下的河道年泥沙沖淤分布范圍及泥沙回淤強(qiáng)度沿程變化。圖9為各方案實(shí)施后的年最大回淤強(qiáng)度。

圖7 泥沙回淤強(qiáng)度分布（方案二）Fig.7 Distribution of sedimentation intensity（scheme 2）

圖8 回淤強(qiáng)度沿程變化（方案二）Fig.8 Variation of sedimentation intensity（scheme 2）

圖9 各方案閘下最大淤強(qiáng)Fig.9 The maximum siltation intensity for each scheme

由圖7～圖8可知，除泄洪閘下游近區(qū)因泄水而引起河床沖深外，閘下河道普遍處于淤積狀態(tài)，且堵壩處的淤積強(qiáng)度最大，離閘址越遠(yuǎn)，淤積強(qiáng)度越小，這也可由建閘前后河道水動力的變化印證。從回淤范圍分布圖中也可看出，鎮(zhèn)海電廠閘址方案實(shí)施后對北侖港區(qū)無淤積影響，但對鎮(zhèn)海港區(qū)影響較大。

根據(jù)所繪各閘址方案實(shí)施后泥沙回淤強(qiáng)度分布圖及回淤量表（表1）可以得到：

（1）各個閘址方案因泄洪閘泄水，閘下為沖刷區(qū)；對于方案一和方案二，沖刷區(qū)的下游為泥沙回淤區(qū)，由上游向河口回淤強(qiáng)度逐漸減小，最大淤積區(qū)緊鄰閘下沖刷區(qū)，分別在閘下約600 m和1 150 m，年回淤強(qiáng)度分別達(dá)0.99 m/a和1.12 m/a；對于方案三和方案四，閘下沒有兩岸河岸的掩護(hù)，完全處于外海強(qiáng)潮流的動力環(huán)境，為沖淤平衡區(qū)。

（2）堵壩下游為閘下泥沙回淤最為嚴(yán)重的區(qū)域，年回淤強(qiáng)度達(dá)到2.05～2.28 m/a，其中，寧波大學(xué)閘址方案淤強(qiáng)最小，河口閘址方案淤強(qiáng)最大（圖9）。對于方案一和方案二，船閘下游區(qū)域有泥沙淤積，淤強(qiáng)0.0～1.0 m/a；對于方案三和方案四，右岸船閘下游水域發(fā)生泥沙淤積，淤強(qiáng)0.0～1.5 m/a，但左岸船閘附近水域無泥沙淤積。

（3）各個閘址方案實(shí)施后對北侖港區(qū)的泥沙淤積沒有影響，但對鎮(zhèn)海港區(qū)有影響，其中，方案一和方案二的影響較大，2個方案在鎮(zhèn)海港區(qū)的年回淤強(qiáng)度分別為0.38 m/a和0.61 m/a；對于方案三和方案四，因鎮(zhèn)海港區(qū)位于閘上且上游來沙很少，鎮(zhèn)海港區(qū)基本沒有泥沙回淤。

表1 各方案泥沙年回淤量Tab.1 Back-silting quantities for each scheme

（4）各個閘址方案實(shí)施后的閘下淤積面積及淤積方量各不相同，其中，寧波大學(xué)閘址方案實(shí)施后的閘下淤積面積和淤積方量最大，分別為598.7萬m2和381.0萬m3，河口內(nèi)側(cè)閘址方案最小，分別為43.3萬m2和59.3萬m3。按淤積面積和淤積方量由小到大排序，依次為河口內(nèi)側(cè)閘址方案、河口外側(cè)閘址方案、鎮(zhèn)海電廠閘址方案和寧波大學(xué)閘址方案。

4 結(jié)語

采用平面二維水沙數(shù)值模型研究了不同引河長度條件下閘下泥沙淤積范圍、淤積強(qiáng)度及淤積總量。以甬江建閘工程為例，在上游徑流一定且外海來沙不變的條件下：對于不同閘址方案，閘址離河口越近，閘下泥沙淤積總量越小，但淤積強(qiáng)度越大；對于同一閘址方案，泥沙淤積強(qiáng)度自閘址向河口逐漸減小。建閘工程對北侖港區(qū)泥沙淤積無顯著影響，但對鎮(zhèn)海港區(qū)影響較大，當(dāng)閘址位于港區(qū)上游時(shí)，閘址距港區(qū)越近，淤積影響越顯著。

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study on profile of siltation downstream tidal barrage according to different irrigation channel lengths

MA Hong-liang,DONG Jia,QU Hong-ling
（Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.,Ltd.,Nanjing210005,China）

Siltation at the downstream of tidal barrage is the key problem of the construction in estuaries,which is directly related to the success of the project.According to the hydrologic and sediment observation data of Yongjiang river and sea area nearby,a 2D water and sediment mathematical model was established in this paper.The amount of siltation was calculated based on different irrigation channel lengths,and the influence of the barrage on Beilun Port and Zhenhai Portwas also analyzed.The results show that when the runoff and incoming sediment from sea remain the same,the closer the barrage away from the estuary,the less siltation increases,while the higher siltation intensity it is.The project of barrage has no influence on sediment deposition of Beilun Port,but remarkable influence on Zhenhai Port.When the barrage locates upstream against the port area,the closer the barrage away from the port,the greater the strength of siltation.

barrage at the estuary;siltation downstream tidal barrier;2D mathematical model

TV 148+.1；O 242.1

A

1005-8443（2013）04-0344-08

2012-11-22；

2012-12-05

馬洪亮（1987-），男，江蘇省張家港人，碩士研究生，主要從事河口海岸水動力模擬研究。