入海河口閘下淤積機(jī)理及模擬技術(shù)研究進(jìn)展

王向明，張新周，竇希萍，趙曉冬，徐雪松，曲紅玲

(1.南京水利科學(xué)研究院 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029;2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230;3.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210005)

為了擋潮蓄淡、發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，20世紀(jì)50年代起我國沿海修建了大量的擋潮閘，目前有300多座.我國潮汐河口建閘之多，閘下河道淤積之嚴(yán)重，均屬世界罕見.據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅江蘇沿海修建的58座排水流量大于100 m3/s的擋潮閘中，基本淤廢的有5座，閘下嚴(yán)重淤積的有15座，一般淤積的有20座.海河流域35個(gè)建閘河口中，有22座淤積嚴(yán)重，閘下河道的過水能力下降了60%［1］.在國外，河口擋潮閘的大量興建，對(duì)航運(yùn)、防洪排澇、漁類及環(huán)境也造成了嚴(yán)重影響.20世紀(jì)30至50年代，美國不少人建議在舊金山灣建造擋潮閘，1957年舊金山灣模型建成并試驗(yàn)證明了建造擋潮閘有許多害處，因而沒有建造.日本和印度的中小河流，閘下淤積也相當(dāng)嚴(yán)重，河口完全被堵塞.從環(huán)境生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益上全面考慮，河口建閘在國際上還有爭(zhēng)議［2］.

由于河口動(dòng)力條件復(fù)雜，泥沙運(yùn)動(dòng)的影響因素眾多，對(duì)于閘下淤積機(jī)理的研究還不夠深入.現(xiàn)有的物理模型和數(shù)學(xué)模型等研究手段還無法對(duì)閘前近區(qū)泥沙的運(yùn)動(dòng)特性和淤積過程進(jìn)行合理準(zhǔn)確的模擬和預(yù)測(cè)，有必要對(duì)國內(nèi)外相關(guān)的研究成果進(jìn)行認(rèn)真總結(jié)，以推進(jìn)閘下淤積模擬技術(shù)的深入研究，為擋潮閘淤積治理、閘址設(shè)計(jì)及沿海水土、港口航道等資源的綜合利用提供科學(xué)依據(jù).

1 閘下淤積機(jī)理

國外針對(duì)閘下淤積的研究成果較少，主要集中在建閘對(duì)河口環(huán)境和生態(tài)影響的研究.我國在20世紀(jì)50年代末即開展了閘下淤積成因分析研究工作.竇國仁［3］分析了射陽河建閘前后潮汐、潮流、徑流等要素以及泥沙來源、泥沙輸移數(shù)量和河段沖淤規(guī)律等的變化得出閘下淤積發(fā)生的條件和主要影響因素.羅肇森等［4］通過分析海相來沙資料，得到與河床斷面面積、泥沙因素、潮波變形等相關(guān)的平衡流量關(guān)系式.金元?dú)g等［5］在分析我國主要建閘河口河道沖淤資料的基礎(chǔ)上，對(duì)不同物質(zhì)組成、不同類型的河口，以及同一河口閘上、閘下河道在不同時(shí)間內(nèi)的沖淤特性，作了較為系統(tǒng)的論述.邢煥政［6］認(rèn)為海河閘下4 km以內(nèi)普遍淤積，其泥沙來源是河口本身水下三角洲和淤泥質(zhì)暗灘.辛文杰等［1］認(rèn)為由于水流挾沙能力和含沙量的不對(duì)稱導(dǎo)致閘下河道發(fā)生持續(xù)性淤積.伍冬領(lǐng)等［7］研究了永寧江樞紐引航道和擋潮閘下淤積，認(rèn)為閘港泥沙淤積過程主要是靜水沉降過程，是由于泥沙粒徑較細(xì)，易于絮凝.胡華峰等 指出，口外風(fēng)浪天漲潮攜帶的泥沙經(jīng)潮流“接力”向里輸運(yùn)，淤積由上而下，并以淤槽為主.李大山等［9］認(rèn)為，在淤泥質(zhì)海岸由于近岸波浪、水流作用，掀起了大量的細(xì)顆粒泥沙，從而形成了一條寬闊的沿岸渾水帶，在一定條件下，由于含沙渾水與清水的密度差，在重力作用下渾水會(huì)潛入清水形成異重流.

目前，一般認(rèn)為潮波變形是造成閘下淤積的基本動(dòng)力因素，海相泥沙是閘下淤積的主要來源，河口不平衡輸沙是閘下淤積的基本模式［1］.潮波傳入河口以后，在河道地形阻力影響下發(fā)生變形和反射，波形由前進(jìn)波向駐波特性轉(zhuǎn)換.如果在河口內(nèi)建閘，將加劇潮波變形.潮波受閘阻擋發(fā)生全反射，使潮位過程線與流速過程線之間產(chǎn)生明顯的相位差，并使高潮位抬高，低潮位降低，漲潮歷時(shí)縮短，落潮歷時(shí)增長.漲潮平均水深減小，落潮平均水深增大，從而使?jié)q潮流速相對(duì)增大，落潮流速相對(duì)減小，漲潮挾沙能力增大，落潮挾沙能力減弱，河口地區(qū)廣闊的泥質(zhì)淺灘，在漲潮時(shí)提供了豐富的沙源，使?jié)q潮期從河口帶進(jìn)大量泥沙，而在落潮期又不能被全部帶出，造成閘下河段的淤積.另外，閘下淤積的時(shí)空分布也具有一定的特征，表1為1959—1995年海河閘下11 km河道淤積量的沿程分布.從中可以看出近閘段(0～2 km)淤積最為嚴(yán)重，內(nèi)深淵段(2.0～6.0 km)次之，外深淵段(6～8 km)及大沽沙口門(8～11 km)淤積相對(duì)較輕［10］，淤積強(qiáng)度從河口到近閘段逐漸增強(qiáng).另外，閘下引河長度對(duì)于閘下淤積的過程和形態(tài)也有十分明顯的影響.引河長度不同，河道內(nèi)流動(dòng)特征也不相同，從而影響泥沙的輸移過程，文獻(xiàn)［11］對(duì)長、短引河閘下淤積過程的不同進(jìn)行了詳細(xì)的論述，表明建閘河口的引河長度與閘下淤積情況及淤積形態(tài)密切相關(guān).

表1 1959—1995年海河閘下河道淤積量沿程分布Tab.1 Distribution of siltation along the channel downstream of a sluice in the Haihe River(1959－1995)

2 閘下淤積模擬技術(shù)

河口建閘后閘下游河段的河床變形過程比較緩慢，往往需要經(jīng)過數(shù)年方能達(dá)到平衡狀態(tài).為了粗略估算建閘以后閘下游河床調(diào)整到平衡時(shí)的斷面尺度，可根據(jù)實(shí)測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)分析，采用河相關(guān)系建立經(jīng)驗(yàn)公式來對(duì)閘下淤積進(jìn)行預(yù)報(bào)，竇國仁［3］進(jìn)行了有益的探討和研究.在進(jìn)行河口建閘工程可行性論證時(shí)，也往往需要采用物理模型和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)研究，以便更精確地預(yù)測(cè)閘下淤積的時(shí)空變化特征.

2.1 閘下淤積物理模型模擬

20世紀(jì)70年代，竇國仁提出了全沙模型相似理論，為泥沙物理模型的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供了理論支撐.此后，羅肇森等［12］采用木粉作模型沙，對(duì)江蘇射陽河閘下裁彎后河道淤積進(jìn)行了渾水和局部動(dòng)床模型試驗(yàn).潘存鴻等［13］采用塑料沙作模型沙進(jìn)行動(dòng)床模型試驗(yàn)，對(duì)錢塘江河口支流曹娥江口門建閘后的閘下淤積形態(tài)和淤積速率進(jìn)行了研究.王明才等［14］結(jié)合上海蘇州河河口水閘工程整體水工模型試驗(yàn)，選用電木粉作模型沙進(jìn)行了渾水定床物理模型模擬，研究了不同閘門寬度和底檻高程對(duì)河口淤積的影響.黃建維［15］對(duì)永定新河閘位選址等開展了試驗(yàn)研究，得到淤積率與閘下河道長度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式.

目前，閘下淤積懸沙渾水物理模型中常用木粉和塑料沙作為模型沙，考慮閘下淤積相似時(shí)首先滿足沉速相似，并以此確定模型沙粒徑.通常情況下，模型水深基本在5～10 cm，常用模型沙臨界起動(dòng)流速都在6 cm/s以上，達(dá)到河床淤積泥沙沖淤明顯的大量運(yùn)動(dòng)的模型流速應(yīng)在8～10 cm/s以上.而一般模型比尺條件下閘下河段模型流速較難達(dá)到該流速值.從閘下淤積的機(jī)理分析，閘下河口在潮流作用下河床面形成一個(gè)由懸沙、高含沙濃度層、浮泥體和底質(zhì)構(gòu)成的沉積系統(tǒng).海域來沙必須經(jīng)歷多次潮起潮落搬運(yùn)－沉積－再搬運(yùn)－再沉積，經(jīng)歷懸移質(zhì)與底浮泥的多次沖淤交換和輸運(yùn)才能到達(dá)河道閘下.而在物理模型中，由于模型沙選擇及模型變率的限制，閘下附近河段潮流非常小，泥沙沉降后難以再懸浮而到達(dá)閘前，渾水動(dòng)床物模復(fù)演和模擬閘下泥沙輸移過程非常困難，造成物理模型模擬閘下近區(qū)泥沙淤積的時(shí)空分布特征和實(shí)際情況并不一致.

2.2 閘下淤積的數(shù)學(xué)模型模擬

由于三維模擬技術(shù)的復(fù)雜性，目前潮汐河口閘下淤積數(shù)學(xué)模型主要是一維和二維泥沙數(shù)學(xué)模型.蔣建華等［16］建立了縱向一維、垂向二維數(shù)學(xué)模型，研究了甬江建閘前后的沖淤特性.胡華鋒等［8］采用一維水沙數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)了辛集閘閘下至河口段的河床沖淤變化趨勢(shì).施春香［17］運(yùn)用平面二維潮流數(shù)學(xué)模型分析研究了王港閘下游河道非恒定流，探討王港閘下游河道淤積原因.一般認(rèn)為，渾水的挾沙能力與水流流速通常成3次方或2次方關(guān)系.閘門關(guān)閉時(shí)，閘前流速幾乎為零，近似于靜水，挾沙能力必然也趨于零，因此漲潮流實(shí)際上已無法將大量的泥沙輸運(yùn)到閘前.前述現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料顯示，河口建閘初期擋潮閘近區(qū)淤積最強(qiáng)，采用現(xiàn)有的泥沙數(shù)學(xué)模型無法得到由河口至閘下淤積逐步增大的結(jié)果.馬進(jìn)榮等［18］分析了感潮河段閘下淤積機(jī)理及用平面二維懸沙數(shù)學(xué)模型模擬閘下淤積存在的缺陷，提出采用分析模式預(yù)測(cè)近閘段的泥沙平均淤厚，其余河段由平面二維懸沙數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)淤積分布相結(jié)合的方法.分析原因，主要是由于目前對(duì)建閘河口閘下近區(qū)泥沙淤積過程認(rèn)識(shí)的欠缺，現(xiàn)有的計(jì)算模式也很難反映出閘下黏性泥沙運(yùn)動(dòng)特性及淤積過程.

3 閘下淤積概化物理模型試驗(yàn)

3.1 原型條件

概化模型以射陽河建閘河口地形條件為基礎(chǔ)，模型邊界距離河口約6.5 km(外海－7 m等深線附近)，南北邊界范圍包括河口軸線南北向?qū)挾燃s7.2 km范圍內(nèi)海域(圖1).進(jìn)入河口后，引河地形進(jìn)行概化設(shè)計(jì)，總長約77 km，引河寬約660 m，引河航道底寬約220 m，底標(biāo)高－4.0 m，航道邊坡1∶8，邊灘底標(biāo)高約3.0 m.

概化物理模型共設(shè)計(jì) 5 種閘址(1# ～5#閘址)分別距離河口約 6.0，12.0，30.0，48.4 和 57.2 km.在選用原型的動(dòng)力條件時(shí)，也以射陽河口的實(shí)際情況為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在射陽河枯季關(guān)閘外海潮汐過程水文組合的基礎(chǔ)上進(jìn)行概化潮位(圖2中1#潮型)，然后采用相同的外海水動(dòng)力條件，研究不同閘址建閘河口水動(dòng)力變化和泥沙淤積過程.

圖1 概化物理模型河口區(qū)地形Fig.1 Topography of the generalized physical model

圖2 概化物理模型設(shè)計(jì)潮型Fig.2 Designed tidal stencils of the generalized physical model

3.2 閘下淤積概化物理模型試驗(yàn)

如前所述，由于模型沙選擇及模型變率的限制，渾水動(dòng)床物理模型難以復(fù)演閘下泥沙輸移過程.采用原設(shè)計(jì)潮型(1#潮型)時(shí)，泥沙很難被輸送到閘前(圖3).而天然河道中，近底新淤泥(起動(dòng)流速在0.2～0.4 m/s)可在漲潮流作用下再起動(dòng)、再懸浮、向上游輸移和淤積.結(jié)合對(duì)閘下泥沙淤積機(jī)理的分析，在模型試驗(yàn)中要保證懸沙輸運(yùn)－沉降－再懸?。佥斶\(yùn)過程的相似性，只有通過加強(qiáng)潮動(dòng)力來達(dá)到輸沙相似或探尋合適的模型沙來解決.在沒有合適模型沙的前提下，在概化模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了另外3種潮型(2#～4#潮型)，觀測(cè)潮動(dòng)力強(qiáng)弱對(duì)閘下淤積過程的影響，圖4為4#潮型閘下淤積的情況，圖5為4種潮型下閘下沿程淤積分布.

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用動(dòng)力較強(qiáng)的4#潮型，可模擬漲潮過程中閘下引河沿程含沙量自河口向閘逐漸增大的原型特征(圖6)，也可較好模擬建閘初期近閘下淤積較大的淤積分布規(guī)律.因此，在不能取得理想模型沙的條件下，閘下淤積特性試驗(yàn)應(yīng)以滿足河口內(nèi)淤積泥沙再起動(dòng)輸移特征來確定潮型.

圖3 1#潮型近閘區(qū)域泥沙淤積Fig.3 Siltation downstream of the sluice of 1#tidal stencil

圖4 4#潮型閘下淤積分布Fig.4 Siltation downstream of the sluice of 4#tidal stencil

圖5 不同潮型閘下淤積分布Fig.5 Change in sediment concentration downstream of the sluice

圖6 漲落潮過程沿程含沙量觀測(cè)Fig.6 Siltation downstream of the sluice of different tides

4 存在的問題

20世紀(jì)50年代以來，國內(nèi)對(duì)潮汐河口閘下淤積機(jī)理進(jìn)行了較深入研究，但對(duì)于閘下尤其是近閘區(qū)域泥沙的運(yùn)動(dòng)形式和輸運(yùn)機(jī)理仍缺乏正確的認(rèn)識(shí).在模擬技術(shù)方面，從河相關(guān)系出發(fā)，采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式進(jìn)行定性估算，還缺乏有理論支撐的定量研究.采用現(xiàn)有的物理模型設(shè)計(jì)方法和數(shù)學(xué)模型計(jì)算模式研究閘下淤積問題時(shí)，無法得到閘下近區(qū)泥沙淤積的過程和形態(tài).閘下淤積機(jī)理和模擬技術(shù)的研究，還需要解決以下問題.

4.1 機(jī)理研究方面

(1)異重流的影響.閘下河道近閘水域的靜水段內(nèi)水體含沙量很小，接近清水，該清水段與下游渾水交界面附近由于清、渾水比重的差異，極有可能形成異重流，異重流潛入清水底部繼續(xù)向閘前運(yùn)動(dòng).這樣就造成了閘前淤積厚度最大，然后自閘下向河口逐漸遞減的淤積形態(tài).閘下異重流的存在條件和存在形態(tài)以及對(duì)閘下淤積過程的影響需要深入研究.

(2)浮泥的影響.閘下淤積的泥沙來源主要是河口地區(qū)的黏性泥沙，在大風(fēng)天氣下，口外含沙量增大，這種黏性泥沙經(jīng)絮凝沉降到床面后，在尚未密實(shí)之前，是具有顯著流動(dòng)性的浮泥層.由于潮波變形及徑流量的匱乏，潮流掀起河底浮泥，使水體的含沙量沿程發(fā)生變化，并造成閘下河道淤積.

4.2 模擬技術(shù)方面

(1)潮汐河口閘下泥沙輸移的動(dòng)力機(jī)制.閘下淤積是典型的三維水流泥沙運(yùn)動(dòng)，關(guān)閘時(shí)近閘段的行進(jìn)流速幾乎為零，垂向水流的作用如何?閘下泥沙輸移的主要?jiǎng)恿κ鞘裁?模型如何才能合理地反映閘下泥沙運(yùn)動(dòng)的實(shí)際物理過程等等，這些問題都有待進(jìn)一步研究.

(2)物理模型的相似理論和試驗(yàn)方法.建閘河口泥沙在潮流作用下不斷地起動(dòng)、沉降、再懸浮和沉積，并向閘前輸移，懸沙和近底高含沙量進(jìn)行著強(qiáng)烈沖淤交換，河床淤泥的重度也在不斷變化，影響到底床黏性泥沙的再懸浮.目前常用的模型沙(電木粉、塑料沙等)很難全部滿足天然泥沙的起動(dòng)、沉降和再懸浮相似.此外，由于場(chǎng)地限制，河口物理模型往往設(shè)計(jì)成變態(tài)模型，變率對(duì)于閘下泥沙運(yùn)動(dòng)的影響也需要研究.

(3)數(shù)學(xué)模型中關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算模式.目前，大多數(shù)數(shù)學(xué)模型對(duì)于近底含沙量及挾沙能力的計(jì)算、黏性泥沙的沉積、再懸浮和固結(jié)過程的模擬等方面處理得不夠完善或者過于簡單，根據(jù)閘下泥沙運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，需要建立浮泥挾沙能力公式以及浮泥層沉積、再懸浮模型，以便充分考慮河口河床的分層特性以及浮泥層對(duì)閘下淤積的影響.

5 結(jié)語

對(duì)閘下淤積機(jī)理和模擬技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了概述和分析，得到了如下結(jié)論:

(1)在閘下淤積機(jī)理方面，閘下淤積的泥沙來源、產(chǎn)生原因已經(jīng)明確，但閘下泥沙輸移的動(dòng)力機(jī)制和運(yùn)動(dòng)特性仍不清楚，尤其是近閘區(qū)域泥沙淤積過程仍需深入研究.

(2)閘下淤積過程和淤積分布的模擬以對(duì)閘下淤積機(jī)理的清晰認(rèn)識(shí)為前提，在閘下淤積物理模型設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法上均需進(jìn)一步完善，尤其是模型沙的選擇和變率影響的修正.數(shù)學(xué)模型需要對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算模式進(jìn)行改進(jìn)，尤其是近底含沙量和挾沙能力的計(jì)算.

(3)若無法取得理想模型沙，閘下淤積特性試驗(yàn)應(yīng)以滿足河口內(nèi)淤積泥沙再起動(dòng)輸移特征來確定潮型.

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