青草沙水庫工程對附近水域河床沖淤的影響

郭超碩，朱建榮

(華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062)

青草沙水庫工程對附近水域河床沖淤的影響

郭超碩，朱建榮

(華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062)

青草沙水庫是長江河口的一個重大工程，顯著改變了北港上段的河勢。河勢的變化會引起流場和泥沙質(zhì)量濃度的變化，進而影響河床的沖淤。本文應(yīng)用三維水動力和泥沙數(shù)值模式，計算和分析了青草沙水庫工程對附近水域流場、泥沙質(zhì)量濃度和沖淤的影響。青草沙水庫工程建設(shè)后，北港河道束窄，導(dǎo)致水庫北側(cè)河道主槽流速和泥沙質(zhì)量濃度增加。水庫工程使得進入北港的徑流量和納潮量減少，導(dǎo)致青草沙水庫以東、北港下段和攔門沙區(qū)域流速和泥沙質(zhì)量濃度下降。應(yīng)用半理論半經(jīng)驗河床沖淤公式和模式計算的工程前后流速、泥沙質(zhì)量濃度和水位數(shù)據(jù)，給出了由水庫工程造成的河床沖淤變化分布。在水庫以北北港水域發(fā)生普遍沖刷，沖刷強度最大可達2～3 m，沖淤分布和量值與工程前后實測水深變化吻合良好。數(shù)值模式較好地模擬了青草沙水庫工程對附近水域沖淤分布的影響和變化量值。

長江河口；青草沙水庫；水動力；泥沙質(zhì)量濃度；沖淤

0 引言

河床泥沙的沖淤受到水動力、泥沙特性等多方面因素的影響。在河道中修建大型水利工程，勢必改變河道地形，使得工程區(qū)域的流場發(fā)生改變。水動力的強弱直接決定著河床泥沙的起動以及沉降，進而決定了河床的沖淤變化。當(dāng)工程建設(shè)引起周邊水域流場改變，會打破河床的沖淤平衡，產(chǎn)生沖淤變化。通過研究水利工程對工程周邊的流場影響，可以有效預(yù)測評估工程造成的河床沖淤。在國內(nèi)外，已有大量關(guān)于水利工程對河床沖淤影響的研究[1-3]。

為解決上海飲用水供給問題，經(jīng)多年研究規(guī)劃，上海市于2007年開始建設(shè)青草沙水庫。該水庫水域面積66.26 km2，有效庫容達4.35×108m3[4]。青草沙水庫工程地處崇明島以南，南、北港分流口北港上段，是長江口區(qū)近百年來灘槽變化頻繁、河床沖淤較為劇烈的河段，河勢變化十分復(fù)雜[5]。青草沙水庫工程使北港上段河道縮窄，會對來自上游的徑流及來自下游的潮流造成影響，使得工程區(qū)域的流場發(fā)生明顯變化。流場變化勢必引起泥沙的起動與沉降發(fā)生改變，改變區(qū)域泥沙質(zhì)量濃度，最終造成局部沖淤的新格局。本文利用改進的ECOM數(shù)值模式，計算和分析了青草沙水庫工程對附近水域流場和泥沙質(zhì)量濃度的影響，并結(jié)合半理論半經(jīng)驗公式，對河床沖淤變化進行了計算評估。

1 數(shù)值模式的設(shè)置

本文采用的數(shù)值模式為作者所在研究組多年應(yīng)用與改進的ECOM-si模式，該模式已經(jīng)在長江河口進行了大量水動力和鹽水入侵研究，取得了眾多研究成果[6-7]。模式使用水平曲線非正交網(wǎng)格[8]，研究范圍西起長江河口枯季潮區(qū)界大通，東至125°E，北起33.5°N，南至27.5°N，包含了整個長江河口、杭州灣及臨近海區(qū)。在青草沙水庫研究區(qū)域，網(wǎng)格擁有較高的精度(圖1a)。模式中青草沙水庫區(qū)域如圖1b中虛線區(qū)域所示，工程前為實際水域，工程后作為陸地處理。在之前的研究中，已對模式進行了大量的驗證，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合較好，驗證部分可參考文獻[6-7]。

圖1 數(shù)值模式使用網(wǎng)格(a)，青草沙水庫周邊地形(b)以及模式輸出點的位置(c)Fig.1 The grids used in model calculation (a), topography nearby Qingcaosha reservoir (b) and the positions of model output sites (c)

模式外海開邊界由16個分潮(M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，U2，V2，T2，L2，2N2，J1，M1和OO1)調(diào)和常數(shù)合成給出，資料源自NaoTide數(shù)據(jù)庫。溫、鹽場在長江口外由海洋圖集數(shù)字化給出[9]，口內(nèi)由枯季多次實測資料插值得到。外海溫、鹽開邊界采用輻射邊界條件。模式水深為2007年青草沙水庫建設(shè)前實測水深。上游各月徑流為大通多年月平均徑流量,以反映長江徑流隨時間的變化。模式上游來沙質(zhì)量濃度為0.2 kg/m3，為長江口枯洪季平均值[10]。模式使用的風(fēng)場為歐洲中期天氣預(yù)報中心的月平均風(fēng)場。模式泥沙中值粒徑取為0.03 mm，泥沙沉積速率選用張瑞瑾公式，泥沙沉降及再懸浮系數(shù)由經(jīng)驗及模式率定給出。模式由2007年1月起算，計算至2008年1月。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 模式輸出點流速和懸浮泥沙質(zhì)量濃度隨時間變化

選擇青草沙水庫附近北港水域4個模式輸出點A、B、C和D(圖1c)，分析比較水庫工程前后流速和泥沙質(zhì)量濃度隨時間的變化。輸出點A、B和C分別位于水庫北側(cè)北港水域的上段、中段和下段，從圖2和圖3中可見，水庫工程建設(shè)后因河道斷面縮窄，A、B、C三點底層流速變大，最大增速約為5 cm/s。流速的增加使得底床的切應(yīng)力增強，泥沙更易發(fā)生再懸浮，總體上導(dǎo)致懸浮泥沙質(zhì)量濃度增加。模式輸出點D位于橫沙島北側(cè)，由于水庫工程對北港河道的縮窄，工程后進入北港的總徑流和納潮量下降，使得水庫工程以東的北港水域流速減小、懸浮泥沙質(zhì)量濃度降低。

2.2 青草沙水庫附近水域落潮及漲潮平均流速及其變化

工程前青草沙水庫附近水域大潮漲潮表層平均流場和流速分布及工程導(dǎo)致的變化見圖4和圖5。工程造成北港縮窄，在水庫中下段北側(cè)水域流速發(fā)生了明顯增加，量值達0.2 m/s。水庫東側(cè)由于漲潮流受到了水庫東堤的阻攔，流速下降。在北港攔門沙區(qū)域因進入北港的徑流量和納潮量的減小，漲潮流速下降。流場變化與模式輸出點的流速變化一致。

落潮期間(圖略)，水庫東側(cè)由于東堤的阻擋，落潮流速減小。水庫上段外側(cè)，潮溝在工程后被封堵，使流速下降。在北港攔門沙區(qū)域，一方面進入北港的徑流量減少，另一方面因水庫工程縮窄河道，阻力增加使口門處漲潮量減少，導(dǎo)致平均落潮流減小，在減小較大區(qū)域量值達0.10～0.15 m/s。

圖2 模式輸出點底層流速隨時間變化Fig.2 Temporal variation of bottom current speed at model output sites

圖3 模式輸出點泥沙質(zhì)量濃度隨時間變化Fig.3 Temporal variation of sediment concentration at model output sites

圖4 工程前大潮漲潮表層平均流場分布(a)和工程導(dǎo)致的大潮漲潮表層平均流場變化(工程后減去工程前，b)Fig.4 Time-averaged surface flood current during spring tide before the project (a) and its difference caused by the project (after project minus before project, b)

圖5 工程前大潮漲潮表層平均流速分布(a)和工程導(dǎo)致的大潮漲潮表層平均流速變化(工程后減去工程前，b)Fig.5 Time-averaged surface flood current speed during spring tide before the project (a) and its difference caused by the project (after project minus before project, b)

2.3 青草沙水庫附近水域大潮和小潮期間余流分布及其受工程的影響

長江河口口門以內(nèi)的余流主要由徑流決定，主槽中余流比淺灘大。水庫工程后大潮期間余流的變化向陸，表明工程使北港過水?dāng)嗝鏈p小，進入北港的徑流量減小，向海的余流變小(圖6)。這也是上文提及的水庫工程后進入北港徑流量減少的佐證。

圖6 工程前大潮期間表層余流分布(a)和工程導(dǎo)致的大潮期間表層余流變化(工程后減去工程前，b)Fig.6 Surface residual current during spring tide before the project (a) and its difference caused by the project (after project minus before project, b)

2.4 青草沙水庫附近水域泥沙質(zhì)量濃度分布及其變化

工程前大潮落憩時刻，在長江河口攔門沙區(qū)域、北支、崇明島和長興島南側(cè)區(qū)域的泥沙質(zhì)量濃度較高，其它水域泥沙質(zhì)量濃度較低(圖略)。受重力作用，底層的泥沙質(zhì)量濃度明顯高于表層。工程后，在水庫下段外側(cè)泥沙質(zhì)量濃度增加，水庫上段泥沙質(zhì)量濃度減小，攔門沙區(qū)域質(zhì)量濃度減小。工程導(dǎo)致水庫上段外側(cè)區(qū)域、中下段外側(cè)主槽的泥沙質(zhì)量濃度增加，中下段北堤外側(cè)以及攔門沙區(qū)域泥沙質(zhì)量濃度降低。

工程前小潮落憩時刻，與大潮期間相比，因潮動力減弱，底部泥沙再懸浮量減少，泥沙質(zhì)量濃度整體下降。工程導(dǎo)致水庫中下段及橫沙島北側(cè)泥沙質(zhì)量濃度增加。水庫中下段泥沙質(zhì)量濃度的增加緣于工程后流速的增加，橫沙島北側(cè)泥沙質(zhì)量濃度的增加緣于來自于上游泥沙的平流。在水庫上段及攔門沙區(qū)域泥沙質(zhì)量濃度下降(圖7)。工程前小潮漲憩時刻，漲潮期間底部湍流混合增強，泥沙質(zhì)量濃度相比落潮期間增加。工程導(dǎo)致水庫外側(cè)北港河道泥沙質(zhì)量濃度普遍增加，北港攔門沙水域泥沙質(zhì)量濃度減少(圖8)。工程導(dǎo)致的泥沙質(zhì)量濃度變化與前面流場的變化動力成因相一致。

青草沙水庫工程前后，模式的上游和外海泥沙質(zhì)量濃度開邊界條件和初始條件一致，因此總體上看，是水庫工程引起了流場變化，從而引起泥沙質(zhì)量濃度變化。模式中泥沙質(zhì)量濃度主要由平流項及底部泥沙再懸浮決定。工程造成周邊區(qū)域流場改變，使得底部泥沙再懸浮發(fā)生改變；工程前后，底部泥沙再懸浮差異造成了泥沙空間分布的差異，進而使得平流項輸沙發(fā)生改變。

圖7 小潮落憩時刻工程前泥沙質(zhì)量濃度分布(a和b)和工程導(dǎo)致的泥沙質(zhì)量濃度變化(工程后減去工程前，c和d)Fig.7 Sediment concentrations at ebb slack during neap tide before the project (a and b) and their difference caused by the project (after project minus before project, c and d)

圖8 小潮漲憩時刻工程前泥沙質(zhì)量濃度分布(a和b)和工程導(dǎo)致的泥沙質(zhì)量濃度變化(c 和d)Fig.8 Sediment concentrations at flood slack during neap tide before the project (a and b) and their difference caused by the project (after project minus before project, c and d)

①趙鑫,姚文偉,熊李虎. 華能玉環(huán)電廠三期“上大壓小”擴建工程海域水動力懸沙數(shù)值模擬專題研究[R].浙江：浙江省水利河口研究院,2013.

3 青草沙水庫附近水域河床沖淤

使用模式計算得到的水庫工程前后流場及泥沙質(zhì)量濃度場，結(jié)合河床沖淤的半經(jīng)驗半理論工程公式，可以計算得到由水庫工程造成的河床沖淤變化。若河床沖淤主要基于工程區(qū)域水動力和泥沙質(zhì)量濃度的變化，可以采用半經(jīng)驗半理論公式①進行最終沖淤估算：

(1)

當(dāng)Δt趨近于無窮時，可以得到底床最終沖淤量值:

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

式中：Δζb、γs、α和ω分別代表沖淤幅度、淤積泥沙干

容重、泥沙落淤幾率和懸浮泥沙沉積速率；H1為工程實施前水深；V1和V2分別為工程前后模式計算流速，在計算時使用流速為全潮平均流速；S1和S2為工程前后模式計算所得泥沙質(zhì)量濃度；S*1為工程實施前水流挾沙能力,計算漲、落潮時挾沙能力，采用如下經(jīng)驗公式：

(6)

(7)

式中：Vf和Ve分別為漲、落潮時的半潮平均流速，由模式計算所得；H為半潮平均水深，由模式輸出的水位數(shù)據(jù)所得；g為重力加速度常數(shù)。

由沖淤公式計算的由青草沙水庫工程導(dǎo)致的河床最終沖淤分布見圖9，在青草沙附近的北港區(qū)域普遍發(fā)生了河道沖刷，北港河道北部區(qū)域沖刷較南側(cè)更明顯，在水庫下段局部沖刷達到了2～3 m，原因在于工程使得河道過水?dāng)嗝婵s窄，流速增加。在水庫東側(cè)區(qū)域，由于水動力環(huán)境減弱，發(fā)生了明顯的淤積，且南部的淤積強于北部。

圖9 模式計算的青草沙水庫工程導(dǎo)致的河床沖淤分布Fig.9 Model calculated distribution of erosion and deposition induced by the Qingcaosha reservoir

青草沙水庫工程前后北港附近水域?qū)嶋H水深變化見圖10( 2011年實測水深減去2007年實測水深)。青草沙水庫于2007年6月5日開工，于2010年10月竣工。在青草沙水庫北側(cè)北港河道，底床沖淤受到青草沙水庫工程影響，其水深變化可較好驗證模式計算的工程對附近區(qū)域的河床沖淤影響。在北港外攔門沙區(qū)域，由于同期的橫沙東灘圍墾工程對區(qū)域沖淤造成了更明顯的影響，故不使用該區(qū)域水深變化與模式計算結(jié)果進行對比。由圖10可見，在青草沙水庫北側(cè)水域，大部分發(fā)生了沖刷，沖刷幅度為1～3 m，這與模式計算結(jié)果基本一致；在青草沙水庫東側(cè)發(fā)生了淤積，與模式計算結(jié)果基本一致?？傮w上，本文選用的模式較好地模擬出了青草沙水庫工程引起的附近水域沖淤變化，從沖淤分布和量值上與實測資料接近。

圖10 青草沙水庫附近水域?qū)崪y河床沖淤變化(2011年實測水深—2007年實測水深)Fig.10 Observed water depth change (water depth measured in 2011 minus water depth measured in 2007)

4 結(jié)論

青草沙水庫是長江河口的一個重大工程，使得北港上段河道縮窄，過水?dāng)嗝鏈p小。河勢的重大變化會引起流場和泥沙質(zhì)量濃度的變化，進而影響河床的沖淤。本文應(yīng)用三維水動力和泥沙數(shù)值模式，計算和分析了青草沙水庫工程對附近水域流場、泥沙質(zhì)量濃度和沖淤的影響。青草沙水庫工程后，北港河道束窄，導(dǎo)致水庫北側(cè)河道主槽流速增加，漲潮平均流速增加最大可達0.2 m/s 。北港河道河勢改變使得進入北港的徑流量和納潮量減少，導(dǎo)致青草沙水庫以東、北港下段和攔門沙區(qū)域流速下降，減小較大區(qū)域可達0.10～0.15 m/s。數(shù)值模式計算得出的工程前后泥沙質(zhì)量濃度變化與水動力變化一致，在流速降低的地方，水流對底部泥沙切應(yīng)力減小，泥沙的再起動減弱，泥沙質(zhì)量濃度降低；反之在流速增大的地方泥沙質(zhì)量濃度增加。應(yīng)用半理論半經(jīng)驗河床沖淤公式和模式計算的工程前后流速、泥沙質(zhì)量濃度和水位數(shù)據(jù)，給出了由水庫工程造成的河床沖淤變化分布。在水庫以北北港水域發(fā)生了普遍的沖刷，沖刷強度最大可達2～3 m，沖淤分布和量值與工程前后實測水深變化吻合良好。數(shù)值模式較好地模擬了青草沙水庫工程對附近水域沖淤分布的影響和變化量值。

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Impact of Qingcaosha reservoir project on the bed erosion and deposition nearby the water area

GUO Chao-shuo, ZHU Jian-rong

(StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

As a major project lying in the Changjiang Estuary, Qingcaosha reservoir leads to change of river regime in the North Channel markedly. The change of river regime could induce change of current field and sediment concentration, and then influence bed erosion and deposition. The three-dimensional hydrodynamic and sediment model were used to calculate and analyze the impacts of the project on current filed, sediment concentration, erosion and deposition in area around the reservoir. After the project, width of upper reaches of the North Channel was narrowed, which results in increase of both current speed and sediment concentration in the major channel on the north of Qingcaosha reservoir. On the contrary, the current speed and sediment concentration decrease in areas on east of the reservoir, lower reaches of the North Channel and sand bar due to the decrease of river discharge and tidal prism flowing into the North Channel. Using the formula of bed erosion and deposition based on experience and theory, and the modeled current, sediment concentration and water level, the erosion and deposition caused by reservoir project was calculated. Strong erosion occurs in the North Channel on north of reservoir, with maximum of 3 m, which matches well both in shapes and values with the observed depth change before and after the project. The numerical model simulated the distributions and magnitude of bed erosion and deposition fairly well caused by Qingcaosha reservoir project.

Changjiang Estuary; Qingcaosha reservoir; hydrodynamic; sediment concentration; erosion and deposition

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.005.

2015-05-05

2015-06-05

國家自然科學(xué)基金項目資助(41476077)；上海市科委重點項目資助(14231200402)

郭超碩(1990-)，男，河北石家莊市人，主要從事河口海岸動力學(xué)方面的研究。E-mail: guochaoshuo@126.com

*通訊作者:朱建榮(1964-)，男，浙江海寧市人，教授，主要從事河口海洋學(xué)方面的研究。E-mail: jrzhu@sklec.ecnu.edu.cn

TV14

A

1001-909X(2015)03-0034-08

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.005

郭超碩，朱建榮. 青草沙水庫工程對附近水域河床沖淤的影響[J]. 海洋學(xué)研究,2015,33(3):34-41,

GUO Chao-shuo, ZHU Jian-rong. Impact of Qingcaosha reservoir project on the bed erosion and deposition nearby the water area[J]. Journal of Marine Sciences, 2015,33(3):34-41, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.005.