鰲江口江南圍墾對徑流下泄及余流的影響

王黎，蔣國俊

（浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004）

河口灘涂是寶貴的自然資源，也是重要的環(huán)境資源；且河口處于海陸匯聚的樞紐區(qū)位，物質(zhì)、能量、信息流動的空間維數(shù)多，受季風(fēng)、波浪、潮汐、海流等多種動力作用，物理、化學(xué)、生物和地質(zhì)過程復(fù)雜。河口通常也是人口最稠密，經(jīng)濟發(fā)展最活躍的區(qū)域，由于人們利用河口地區(qū)的水利、水運資源的需求不斷提高，人口對土地造成的壓力隨著人口的不斷增長而上升，導(dǎo)致人們對河口土地資源的開發(fā)熱情也日益增強，尤其是某些具有廣闊灘涂的河口地區(qū)。為了解決人口與土地資源之間的矛盾，在眾多入海河口已建或擬建圍墾（圍涂）工程（辛文杰，1997）。在河口區(qū)，當上游出現(xiàn)洪峰的情況下，口門內(nèi)徑流動力增強，沿河道越向上游徑流效應(yīng)越發(fā)明顯；而向口外，受潮汐作用的影響，徑流動力減弱，主要以潮汐的作用為主，潮徑共同作用導(dǎo)致口門附近的水動力較口內(nèi)復(fù)雜（陳道信等，2009）。圍墾（圍涂）工程造成的地形、邊界形狀和水流動力條件的改變，破壞了河口區(qū)原有的水動力地貌環(huán)境的平衡與穩(wěn)定，這些可能會引起水位壅高、流域泄洪受阻、灘槽演變加劇、航道淤積、漁業(yè)資源減少、污染物滯留以及風(fēng)暴潮增水、海平面上升等環(huán)境問題（鄭敬云，2010）。因此研究河口地區(qū)由于圍墾（圍涂）所引發(fā)的邊界、徑流變化而觸發(fā)的一系列水動力的改變對于深入了解河口演變是有一定幫助的，也為日后圍墾工程的規(guī)劃和開發(fā)機制及具體工程的實施提供一定的理論支持和決策指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域概況

鰲江位于溫州南部，南與福建省相鄰，為浙江省7條獨流入海的河流之一，主要支流有南港、梅溪、帶溪、懷溪等。它發(fā)源于文成縣南雁蕩山鄉(xiāng)山脈的吳地山（海拔1 124 m）南麓桂庫（835 m），在平陽縣楊嶼山出東海，流域面積為1 520 km2，干流長91.1 km，總落差為835 m，平均坡降為0.937%。自詹家埠、下崢至河口為鰲江下游，長48.67 km，為感潮河段，此段受潮汐影響。

根據(jù)1956-2009年的實測資料分析，鰲江多年年平均流量為16.33 m3/s，最大值29.12 m3/s，最小值8.38 m3/s。實測最大洪峰流量3 680 m3/s。最小枯水量0.57 m3/s。洪枯水之比極大，是典型的山溪性河流。這類河流有著共同的特點：枯水期河道內(nèi)徑流量有限，大部分時間接近于0，洪水期流量大（受降雨影響）且洪水洶涌、水位暴漲，主流在主河槽內(nèi)運行，河道斷面復(fù)雜多變，河道底坡變化大。鰲江口海域是典型的半日潮區(qū)，潮汐特性由南麂島的正規(guī)半日潮演變?yōu)榕蒙礁浇姆钦?guī)半日潮。鰲江口海域漲潮歷時略小于落潮歷時，但是受到鰲江徑流和河道地形的共同影響，鰲江口內(nèi)落潮歷時幾乎達到漲潮歷時的兩倍，呈現(xiàn)顯著的不對稱性。

2007年，鰲江口江南海涂圍墾工程全面開工建設(shè)，圍區(qū)面積約為28.4 km2。江南灘涂面積寬廣，灘涂平坦，縱坡在1/1 300左右，圍墾規(guī)劃北端為大北堤，東側(cè)為大順堤，南側(cè)為大舥艚堤。工程建成后，寬廣的江南海涂變成陸地，改變了鰲江口南岸的地形，使入?？诩澳蟼?cè)海岸線向外推進，進而改變附近水域的水動力條件。

本文以鰲江口江南圍墾為背景，通過數(shù)值模擬分析河口的水動力變化。計算區(qū)域（圖1）是鰲江—飛云江—南麂—洞頭海域，此區(qū)域位于浙南沿海，其潮波動力主要受東南部半日潮汐系統(tǒng)控制，其潮汐比值（HK1+KO1）/HM2在0.18～0.28之間，可見M2分潮在整個潮波中動力作用占極大比重，而HM4/HM2比值鰲江為0.15，南麂和洞頭均只有0.01，因此鰲江口區(qū)的潮汐類型屬于非正規(guī)半日潮，而南麂和洞頭屬于正規(guī)半日潮。根據(jù)之前1979年和1994年的水文調(diào)查表明在鰲江口外海漲潮流方向在 310°～350°之間，平均流速 0.39～0.86 m/s。

圖1 計算區(qū)域（北京54坐標，下同）

2 模型介紹

本文采用Delft3D軟件來分析鰲江河口區(qū)圍墾工程前后的水動力變化。Delft3d的flow水動力模塊建立在Navier-Stokes方程的基礎(chǔ)上，求解基于有限差分法—ADI（alternating direction implicit）法。

2.1 控制方程

在正交曲線坐標系ξ-η下，潮流運動基本方程可表示為如下形式：

式中：u，v表示ξ，η方向上的速度分量，ζ表示水位，d表示水深。表示曲線坐標系與直角坐標系間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，F(xiàn)ξ，F(xiàn)η為ξ，η方向的紊動動量通量；Mξ，Mη為ξ，η方向的動量源或匯，ρ0為水體密度；VV為豎向渦動系數(shù)；f是科氏力參數(shù)。Pξ和 Pη為（ξ，η，σ）坐標系中 ξ，η 方向的靜水壓力梯度。

2.2 定解條件

2.2.1 流場初始條件

2.2.2 開邊界條件

圖2 鰲江流量頻率曲線（Cv=0.64，Cs=0.83）

表1 埭頭站各頻率洪峰流量表

圖3 計算采用的流量過程線

模型上界飛云江、鰲江采用實測水位過程線，外海開邊界采用相關(guān)資料分析分潮調(diào)和常數(shù)預(yù)報的潮位過程。根據(jù)鰲江的水文特點，在本文中討論的枯水期時刻是特指鰲江徑流為0的情況；本文采用徑流流量過程為埭頭站實測洪峰流量，根據(jù)埭頭水文站1956-2009年最大徑流量資料頻率分析發(fā)現(xiàn)，該徑流量流量接近5年一遇的頻率（圖2、圖3、表1），在實際模型運行的過程中，急流、憩流的時間被調(diào)整到洪峰時刻（流速介于0～0.2 m/s為憩流，流速介于1.5～1.8 m/s為急流）。分別用A、B、C、D代表洪峰與漲急時刻相遇、洪峰與落急時刻相遇、洪峰與漲憩時刻相遇、洪峰與落憩時刻相遇4種工況（由于研究區(qū)域及工程的地理位置的關(guān)系，選擇驗證點p1附近的7#斷面為相遇斷面）。

2.2.3 運動邊界

2.2.4 底邊界

式中：τbξ，τbη為底部切應(yīng)力在 ξ，η 方向上的分量，垂線平均流動為垂線平均流速的大小。

2.3 模型驗證

模型采用2003年6月7-16日的大、小潮的潮汐資料作為計算潮型進行模型計算，采用同步實測的琵琶門站潮位作為潮位驗證點，同時期實測的p1-p3作為潮流驗證點。

圖4 潮流驗證圖

通過驗證可知，潮位、潮流流速、流向的計算值同實測值吻合良好，說明模型采用的參數(shù)合理，計算方法可靠，能夠很好地模擬鰲江口的水動力特性，可用于探討圍墾對河口動力的影響。

3 討論與分析

觀察斷面1#-11#枯水期與4個工況時的急流與憩流時刻的水位（取斷面深泓點進行研究，位置如圖1）。結(jié)果如圖5所示。

考慮到圍墾工程的建設(shè)改變了鰲江口南岸的地形，本文只研究大北堤與大順堤對鰲江口區(qū)域的影響，這兩條堤壩使得鰲江的入?？谙蚝Ｑ由?，本文選擇大北堤東側(cè)的4#斷面與大順堤拐角處的7#斷面為研究斷面。

結(jié)合圖5與表2來探討工程對河口水動力的影響，工程導(dǎo)致的特征時刻的潮位變化較大的范圍主要集中在鰲江口門段，工程對水位的影響主要表現(xiàn)為潮位抬升，觀察枯水期發(fā)現(xiàn)，2#-7#斷面之間在低潮時的水位較工程前增加30 cm左右，1#-6#斷面之間在漲潮時的水位工程后較工程前增加3～16 cm。這說明工程致使河口縮窄，河道延長，導(dǎo)致了水體在漲潮的時候漲不上去，落潮的時候落不下來，河口縮窄已經(jīng)對潮流過程產(chǎn)生影響。

結(jié)合表2及圖5可以發(fā)現(xiàn)4#、7#斷面可以說是水動力研究的一個轉(zhuǎn)折點。4#斷面位于大北堤的終點，也是大順堤的起點。大北堤延長了河道，縮窄了河口，大北堤所在之處原來可以積蓄部分潮水，現(xiàn)在卻被堤壩取代，反而增加了斷面流量。這也導(dǎo)致4#斷面的漲潮流速增大，落潮流速變化不大。7#斷面以東，堤壩角度向南增大，落潮流下泄斷面加大，速度迅速減小?？梢哉f4#、7#斷面很好地說明了邊界變化對水動力的影響。

斷面潮量包含了水深和時間的因素。由于計算潮量需斷面封閉且不受工程影響，現(xiàn)以1#斷面為例進行說明。工程實施后，鰲江口的落潮潮量減小11.04%，漲潮潮量減少10.81%，工程后河口縮窄，河口區(qū)的過水斷面減小，斷面的漲、落潮的潮量有所減小；另外，表3顯示斷面的落潮潮量的減少幅度大于漲潮的。這主要是因為漲潮主要受到外海潮汐動力的控制，而落潮主要受制于統(tǒng)計斷面以上的潮蓄量（倪永強，2003）。大規(guī)模圍涂后，墾區(qū)上游容積明顯減小，故河口斷面出現(xiàn)落潮潮量減小的情況，但總體上漲落潮潮量基本處于平衡的狀態(tài)。

山溪性強潮河流的特點就是洪水下泄集中，水位暴漲暴落，而強潮河口則是潮差大，潮流作用強。討論洪水期的4種工況。由于工程縮窄了鰲江口的過水斷面，導(dǎo)致了漲潮潮量減小，落潮潮量增大，加之上游洪水下泄。水位壅高主要集中在大北堤-大順堤北部區(qū)域，A工況4#斷面漲潮水位抬升約為5 cm，7#斷面抬升約為15 cm。觀察落潮潮位，4#斷面上升約15 cm，7#斷面抬升約為12 cm。同樣C工況，洪峰與潮流的漲憩時刻相遇，即洪峰與高潮位相遇，此4#斷面高潮位為3.905 m。7#斷面抬升約為15 cm，達到4.112 m。4#斷面的落潮潮位抬升約40 cm，7#斷面的落潮潮位升高約15 cm。再看B、D。當洪峰與落潮流相遇的時候，落潮潮位會有所增加。D工況中的低潮潮位由工程前的-1.530 m增加到-1.118 m。分析水文資料分析，鰲江站歷年來最高高潮位為4.82m，3年一遇的高潮潮位約為4.13 m，最高低潮位為1.029 m。高潮位抬升會頂托徑流，低潮位抬升影響河水下泄，不利于河道排澇?？傮w上水位的壅高隨距離工程越遠而減小，但是工程對徑流下泄影響明顯，對物質(zhì)輸運有所影響。而從流速的角度分析，水位的壅高對潮流的流速也有影響（圖8）。A工況的漲潮流流速小于枯水期，落潮流流速大于枯水期，這種流速上的變化會對河口區(qū)余流產(chǎn)生影響。

圖5 各個斷面特征時刻潮位（實線為工程前，虛線為工程后）

表2 工程前后的潮位變化（85高程）

表3 工程前后全潮周期內(nèi)斷面潮量變化（“-”表示減?。?/p>

圖6 工程前后流速相對變化圖（“+”表示工程后較工程前增加，“-”表示減??；單位m/s，下同）

圖7 4#、7#斷面枯水期與四種工況工程前后的流速過程線

觀察圖9與圖10工程對鰲江口余流的影響。首先，根據(jù)水文資料分析，圖中所示區(qū)域為感潮河段，受潮汐影響明顯。在龍港，余流的方向仍向上游。而徑流的影響體現(xiàn)在潮流的上溯范圍上。正是由于徑流，潮流的上溯范圍縮小，余流的0 m/s線向海移動，河口區(qū)域余流的數(shù)值也有所減小。對比圖9（Ⅰ）與圖10（Ⅰ）發(fā)現(xiàn)堤壩的建立使得河口縮窄，斷面位置的潮量發(fā)生變化，此區(qū)域的余流方向由向河口轉(zhuǎn)而向海。也正是由于堤壩的建立，河口區(qū)的漲、落潮流速發(fā)生變化（圖7），這使得河口區(qū)域的余流流速變大。圖10（Ⅱ）工程后的潮動力減弱，徑流作用加強，這使得0 m/s線向海移動明顯，河口區(qū)余流的數(shù)值較枯水期有所增大。

4 結(jié)論

圖8 工程前后4#、7#斷面枯水期與洪水期流速過程線

圖9 鰲江口枯水期、洪水期余流數(shù)值等值線（“+”表示向海方向，“-”表示向河口方向）

圖10 工程后鰲江口枯水期、洪水期余流數(shù)值等值線（“+”表示向海方向，“-”表示向河口方向）

通過模擬鰲江口江南圍墾工程前后枯水期、洪水期水動力變化研究工程對泄洪與余流的影響。工程使得河口縮窄、河道延長，這導(dǎo)致水體在漲潮的時候漲不上去，落潮的時候落不下來，計算斷面的潮量值出現(xiàn)變化。漲潮潮量、落潮潮量均有所減小，基本保持平衡；洪水期時，根據(jù)不同的工況其變化程度有所不同。工程造成河口區(qū)水位的壅高。其壅高區(qū)域在大北堤-大順堤北部，洪水期高潮水位壅高后接近3年一遇的高潮潮位，對河口防洪的壓力不是很大，低潮潮位壅高值較大；高潮位壅高頂托徑流，低潮位抬升不利于與排澇。水位的壅高影響潮流，進而影響余流變化。研究余流發(fā)現(xiàn)，在感潮河段，余流方向指向上游，枯水期工程后，河口的過水斷面減小使得進入鰲江河口的潮量變化，漲潮流速增大，落潮流速減小，這也導(dǎo)致在工程區(qū)域的余流值較工程前增大。洪水期，徑流削弱潮流作用，使得指向上游的余流數(shù)值有所減小。

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