新洋港入海港道沖淤保港需水量研究

鞠　彬,杭慶豐，李瓊芳,李　迷,李　煜

(1. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京　210098; 2. 河海大學(xué)國(guó)際河流研究所,江蘇 南京　210098;3. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局鹽城分局，江蘇 鹽城　224002;4. 上海市浦東新區(qū)水文水資源管理署,上?！?00129; 5. 河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇 南京　210098)

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新洋港入海港道沖淤保港需水量研究

鞠彬1,2,杭慶豐3，李瓊芳1,2,李迷4,李煜5

(1. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098; 2. 河海大學(xué)國(guó)際河流研究所,江蘇 南京210098;3. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局鹽城分局，江蘇 鹽城224002;4. 上海市浦東新區(qū)水文水資源管理署,上海200129; 5. 河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇 南京210098)

摘要：為解決入海港道修建擋潮閘后對(duì)涵閘排澇效率以及入海港道通航能力產(chǎn)生較大影響的閘下淤積問題，基于MIKE11模型中的CST模塊對(duì)鹽城市入海港道——新洋港沖淤保港需水量進(jìn)行研究。MIKE11模型中的CST模塊由水動(dòng)力學(xué)模型與泥沙輸移模型耦合而成，根據(jù)閘下60 m、970 m、3 030 m三處斷面的實(shí)測(cè)水位、流量和河床淤積高度資料，進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)模型和泥沙輸移模型參數(shù)率定，最終在設(shè)定閘下淤積高度不超過0.1 m的條件下，由MIKE11 CST模型確定出的新洋港沖淤保港生態(tài)流量為80 m3/s，接近于2006年12月新洋港引江沖淤實(shí)驗(yàn)中得出的不沖不淤情況下的保港流量85 m3/s。

關(guān)鍵詞：入海港道;閘下淤積;潮汐運(yùn)動(dòng);MIKE11模型;沖淤保港需水量;新洋港;鹽城市

沿海港口的潮汐運(yùn)動(dòng),是造成入海港道淤積的基本要素[1]。建閘后擋潮閘截?cái)嗔藵q潮流向上游河道的傳輸,改變了潮汐的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,加重了閘下港道的淤積程度[2]。港道回淤使得河道過水?dāng)嗝婷娣e變小,排水能力下降,對(duì)涵閘排澇效率以及入海港道通航能力有很大的影響[3]，因此,研究沿海港道沖淤保港需水量既具有理論意義又具有實(shí)用價(jià)值。近年來(lái)對(duì)于入海港道沖淤保港需水量的研究逐步增多,朱建英等[4]對(duì)里下河地區(qū)引江沖淤保港的聯(lián)合調(diào)度方式進(jìn)行研究,提出了地區(qū)最小有效沖淤總流量;丁玉前[5]對(duì)大豐王港閘下游港道淤積成因進(jìn)行了分析,并提出了相應(yīng)的沖淤保港對(duì)策;朱明成[6]對(duì)江蘇淤漲型海岸閘下淤積問題進(jìn)行分析。應(yīng)用耦合水動(dòng)力學(xué)模型和泥沙輸移模型計(jì)算沖淤保港需水量的相關(guān)研究,特別是針對(duì)江蘇沿海地區(qū)的研究鮮見報(bào)道。

本文選取鹽城市入海港道——新洋港作為研究對(duì)象。新洋港于1957年建成,是里下河地區(qū)澇水自排入海的主要通道之一,閘下港道長(zhǎng)17.5 km,因港道灘面較低,在潮流和風(fēng)浪作用下,建閘后平面變形,至20世紀(jì)60年代后期港道曾增長(zhǎng)到29 km。1971年春進(jìn)行閘下港道裁剪,漲潮流調(diào)節(jié)庫(kù)容量達(dá)600萬(wàn) m3,落潮流可增加流量約200 m3/s,使閘下港道的淤積狀況得到改善。但隨后幾年彎道段逐漸淤積,調(diào)節(jié)庫(kù)容逐步減少,閘下港道發(fā)生迅速回淤。1991年和2003年的洪水使得閘下河段淤積有所改善,但之后幾年淤積量加大,已達(dá)到洪水發(fā)生前的狀況。近幾年來(lái),閘下港道淤積情況總體上仍呈增加趨勢(shì)。研究其沖淤保港需水量對(duì)于保障港道排水能力很有必要。本文基于MIKE11模型中的CST模塊計(jì)算了新洋港沖淤保港需水量,并與沖淤實(shí)驗(yàn)所得到的不沖不淤流量進(jìn)行比較，成果可為沿海入海港道的管理維護(hù)提供參考。

1水動(dòng)力-泥沙耦合模型的構(gòu)建

1.1　水動(dòng)力-泥沙耦合模型的選擇

潮汐河道淤積的泥沙主要來(lái)源于兩方面[7]:一是下泄徑流從上游地區(qū)挾運(yùn)來(lái)的泥沙;二是漲潮流從河口以外區(qū)域挾運(yùn)來(lái)的泥沙。河口以外區(qū)域的泥沙來(lái)源只有2種可能,一種是來(lái)自該地區(qū)廣闊的潮灘,另一種是潮流從外海帶入的。

閔鳳陽(yáng)等[8]研究發(fā)現(xiàn),里下河地區(qū)河流長(zhǎng)度均較短(最長(zhǎng)的射陽(yáng)河僅210 km),屬弱潮海相型河口,河口以上的徑流多受河網(wǎng)或湖沼的調(diào)節(jié),下泄入海徑流少,流域內(nèi)產(chǎn)沙量也少,因此可認(rèn)為閘下河道內(nèi)的泥沙基本來(lái)自河口以外的區(qū)域即黃海。

分析鄰近河流灌河入?？诘难辔哺壅镜哪嗌硵?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),泥沙的平均粒徑為0.007 6~0.014 7 mm。根據(jù)泥沙顆粒分類標(biāo)準(zhǔn)可知,新洋港入海港道內(nèi)的泥沙屬于粉沙,故可選用MIKE11軟件中的CST模塊進(jìn)行模擬。MIKE11模型中的CST模塊由水動(dòng)力學(xué)模型與泥沙輸移模型兩部分耦合組成。

1.2　水動(dòng)力學(xué)模型

水動(dòng)力學(xué)模型的基本控制方程為圣維南方程組,圣維南方程組是由法國(guó)學(xué)者在1871年提出的一維明渠非恒定流方程組,包括連續(xù)方程和動(dòng)量守恒方程[9]。圣維南方程組可以用來(lái)描述工程應(yīng)用中的水流運(yùn)動(dòng)形式,如河道內(nèi)的洪水運(yùn)動(dòng)、感潮河段中的水流運(yùn)動(dòng)等,其具體形式如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中:A——斷面過流面積,m2;t——時(shí)間坐標(biāo),s;Q——斷面流量,m3/s;x——空間坐標(biāo),m;q——單位河長(zhǎng)的旁側(cè)入流流量,m2/s;α——垂向速度分布系數(shù);g——重力加速度,m2/s;h——水位,m;C——謝才系數(shù);R——水力半徑,m。

圣維南方程組屬于一階擬線性雙曲型的微分方程組,難以求出其解析解,目前多用數(shù)值離散的方法進(jìn)行近似解的求解。其中具備格式簡(jiǎn)單、求解方便等優(yōu)點(diǎn)的有限差分法在計(jì)算水力學(xué)中最為常用。本文采用Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式格式離散方程組,其可無(wú)條件穩(wěn)定,即使在相當(dāng)大的克朗數(shù)下,計(jì)算依然穩(wěn)定,不會(huì)出現(xiàn)彌散現(xiàn)象[10],故而可以在模型計(jì)算時(shí)選取較長(zhǎng)的時(shí)間步長(zhǎng),來(lái)節(jié)省計(jì)算的時(shí)間和存儲(chǔ)空間。

連續(xù)方程、動(dòng)量方程采用Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式格式離散后的形式，如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

其中

1.3　泥沙輸移模型

河道泥沙輸移模型主要包括沉降和沖刷兩部分[11]。當(dāng)河床切應(yīng)力τ小于等于沉降臨界切應(yīng)力τcd時(shí),沉降為主;當(dāng)河床切應(yīng)力τ大于等于沖刷臨界切應(yīng)力τce時(shí),沖刷為主。

其中沉降率D、沖刷率E計(jì)算公式如下:

(5)

式中:ω——平均懸移質(zhì)泥沙沉速,m/s;c——懸移質(zhì)泥沙濃度,kg/m3;h*——沉降超出平均水深,m;M*——河床侵蝕系數(shù),g/(m2·s-1);H——水深,m;f——侵蝕指數(shù)。

2水動(dòng)力-泥沙耦合模型在新洋港的應(yīng)用

2.1　應(yīng)用思路

鹽城新洋港的感潮河段由于潮汐帶入的大量泥沙沉積導(dǎo)致過水?dāng)嗝婷娣e變小,排水能力下降,因而本次研究的沖淤積保港需水量為保障河段維持一定的河槽容積和排水能力的需水量。計(jì)算思路是:在一定的河道水沙條件下,以河床淤積高度為控制對(duì)象,調(diào)節(jié)新洋港閘的下泄水量,使得控制斷面河床淤積高度處于給定范圍內(nèi),得到的下泄水量即為河段的沖淤保港需水量[8]。

2.2　步長(zhǎng)的選擇

一般來(lái)說(shuō),時(shí)間和空間步長(zhǎng)越小,模型的計(jì)算結(jié)果精度越高。但是時(shí)間和空間步長(zhǎng)越小要求的計(jì)算時(shí)間、存儲(chǔ)空間和計(jì)算量就越大。工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也表明,過大的時(shí)間步長(zhǎng)容易使得計(jì)算結(jié)果過分坦化而失真,過小的時(shí)間步長(zhǎng)容易使某些非線性的小擾動(dòng)導(dǎo)致計(jì)算失穩(wěn)[12]。鑒于這些考慮,此次模型計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取1 min,存儲(chǔ)時(shí)間步長(zhǎng)取60 min,而空間步長(zhǎng)選用200～500 m。

2.3　邊界條件設(shè)定

在非恒定流計(jì)算中,邊界條件的設(shè)定對(duì)模型計(jì)算的影響往往是至關(guān)重要的,邊界條件的設(shè)定必須符合水流的物理特性以及控制方程組的定解性質(zhì)。水動(dòng)力學(xué)模型邊界組合類型如表1所示。研究表明，采用第2種組合下的模型計(jì)算結(jié)果容易收斂,數(shù)據(jù)

表1　水動(dòng)力模型邊界條件組合方案Table 1　Combined schemes of boundary conditions for hydrodynamic model

本次研究選取新洋港閘下段為研究河段。因此在水動(dòng)力學(xué)模型率定、檢驗(yàn)和計(jì)算過程中,上邊界條件采用流量過程線,下邊界條件采用感潮河流的潮水位過程線。而在泥沙輸移模型率定、檢驗(yàn)和計(jì)算過程中,上邊界為新洋港閘下,認(rèn)為其含沙量為零;下邊界選取距離入?？谧罱挠泻沉繉?shí)測(cè)資料的監(jiān)測(cè)斷面。

2.4　參數(shù)率定

2.4.1水動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)率定

水動(dòng)力學(xué)模型率定的基本參數(shù)為河床糙率系數(shù)n。天然河道的糙率系數(shù)與很多因素有關(guān),不僅沿河道長(zhǎng)度方向會(huì)發(fā)生變化,而且在同一斷面也隨水位的變化而不同。在有實(shí)測(cè)資料的情況下,河床糙率系數(shù)可分段率定。本文采用試錯(cuò)法進(jìn)行率定,即根據(jù)閘下60 m、970 m、3 030 m斷面實(shí)測(cè)的水位資料或流量資料,調(diào)試河道的糙率系數(shù),使得計(jì)算水位流量過程與實(shí)測(cè)水位流量過程相吻合。

選用新洋港2006年12月的實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行模型參數(shù)率定,發(fā)現(xiàn)河床糙率系數(shù)沿空間分布介于0.02~0.03之間。選取新洋港的大、中、小潮的潮位過程作為下邊界,結(jié)合其他實(shí)測(cè)資料進(jìn)行模型的檢驗(yàn)，水動(dòng)力模型參數(shù)率定與檢驗(yàn)結(jié)果分別見圖1和圖2。

圖1　新洋港率定期計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量比較Fig. 1　Comparison of calculated and measured flow rates during calibration period at Xinyang Port

圖2　新洋港大、中、小潮過程計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量比較Fig. 2　Comparison of calculated and measured flow rates during great tide, moderate tide, and neap tide processes at Xinyang Port

從圖1可以看出,水動(dòng)力學(xué)模型模擬的新洋港流量過程與實(shí)測(cè)的流量過程擬合度總體較好,其確定性系數(shù)為0.63,峰值模擬總體較好,在20 h和80 h左右計(jì)算的峰值比實(shí)測(cè)的峰值要大,這是由于新洋港閘下斷面寬度沿程變化較大而實(shí)測(cè)斷面資料較少所導(dǎo)致的。圖2給出了新洋港大、中、小潮潮位過程計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量。計(jì)算流量過程和實(shí)測(cè)流量過程整體擬合度較好,其確定性系數(shù)分別為0.8、0.83和0.88,流量過程的峰值模擬也很好。

2.4.2泥沙輸移模型參數(shù)率定

選取距離新洋港閘60 m、970 m和3 030 m處的2006年12月的監(jiān)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行率定,泥沙模型的率定結(jié)果如圖3所示。閘下泥沙淤積量較小是目前數(shù)值模擬和物理模型實(shí)驗(yàn)中普遍存在的問題,但實(shí)測(cè)的河床淤積高度均勻分布在計(jì)算的閘下沿程河床淤積高度曲線兩側(cè),河床淤積高度平均誤差為27.58%,實(shí)測(cè)點(diǎn)模擬情況較好,表明該模型中參數(shù)選取是合理的,在現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上,所建立的模型能夠模擬新洋港閘下河床淤積高度變化。

圖3　新洋港閘下河床計(jì)算淤積高度和實(shí)測(cè)淤積高度比較Fig. 3　Comparison of calculated and measured siltation heights on riverbed downstream of gate at Xinyang Port

2.5　新洋港沖淤保港需水量計(jì)算

沿海地區(qū)徑流年內(nèi)分配不均,各擋潮閘排水量集中在汛期,汛期4個(gè)月排水量占全年排水量的60%~70%,非汛期8個(gè)月排水量只占全年排水量的30%~40%,而建閘后水流發(fā)生潮波變形,以及漲潮輸沙量大于落潮輸沙量的不平衡輸沙現(xiàn)象,造成非汛期閘下港道的普遍回淤。因此保持港道不淤或少淤的關(guān)鍵,在于增加枯水期落潮階段排水量。本次計(jì)算沖淤保港需水量設(shè)定河床的淤積高度保持在0.1 m以下[14]。

圖4為新洋港在落潮階段上邊界流量分別取40 m3/s和80 m3/s時(shí)計(jì)算的閘下河床淤積高度。當(dāng)上邊界流量為40 m3/s時(shí),閘下河床淤積高度在0.15 m左右;當(dāng)流量為80 m3/s時(shí),閘下河床淤積高度為0.02~0.08 m。故認(rèn)為新洋港沖淤保港需水量為80 m3/s以上。該結(jié)果與新洋港引江沖淤實(shí)驗(yàn)得出的新洋港不沖不淤所需流量85 m3/s很接近,表明由水動(dòng)力-泥沙耦合模型計(jì)算得到的沖淤保港需水量80 m3/s是可靠的。

圖4　新洋港上邊界流量分別取40 m3/s和80 m3/s時(shí)閘下河床淤積高度Fig. 4　Siltation height on riverbed downstream of gate at Xinyang Port with upper boundary flow rates of 40 m3/s and 80 m3/s

3結(jié)語(yǔ)

選取鹽城市五大入海港道中的新洋港作為研究對(duì)象,基于MIKE11模型CST模塊計(jì)算其沖淤保港需水量。在設(shè)定閘下淤積高度不超過0.1 m的條件下,由模型計(jì)算得到?jīng)_淤保港需水量為80 m3/s,并由新洋港引江沖淤實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其可靠性。研究成果為沿海港道沖淤保港需水量的計(jì)算提供了一條既經(jīng)濟(jì)又可行的途徑，也為沿海入海港道的管理維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

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Study of water requirement for silt scouring in

seaward channels at Xinyang Port

JU Bin1, 2, HANG Qingfeng3, LI Qiongfang1, 2, LI Mi4, LI Yu5

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

2.CenterforInternationalRiverResearch,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

3.YanchengBranch,JiangsuProvinceHydrologyandWaterResourcesInvestigationBureau,Yancheng224002,China;

4.HydrologyandWaterResourcesManagementAgencyofPudongNewArea,Shanghai200129,China;

5.CollegeofMechanicsandMaterials,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract:In order to reduce the siltation downstream of tide gates constructed in a seaward channel that has a significant impact on the efficiency of the drainage culvert and navigation capability of the seaward channel, the CST module in the MIKE11 model was used to study the water requirement for silt scouring in the seaward channel at the Xinyang Port in Yancheng City. The CST module was developed by coupling a hydrodynamic model and sediment transport model, with the model parameters calibrated using the measured data of water level, flow rate, and siltation height at three sections, located, respectively, 60 m, 970 m and 3 030 m downstream of the gate. The calculated ecological flow rate for silt scouring and port protection with the MIKE11 CST model was 80 m3/s under a siltation height of no more than 0.1 m. This value was close to the flow rate of 85 m3/s obtained from experiments on silt scouring by water diversion from the Yangtze River at the Xinyang Port in December 2006, under the conditions of no silting and no scouring.

Key words:seaward channel; siltation downstream of gate; tidal movement; MIKE11 model; water requirement for silt scouring and port protection; Xinyang Port; Yancheng City

中圖分類號(hào)：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-1980(2015)06-0537-05

通信作者：李瓊芳,教授。E-mail: qfli@hhu.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：鞠彬(1991—),男,江蘇泰州人,碩士研究生,主要從事水文學(xué)及水資源研究。E-mail: hhu09jubin@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41171220);“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAB03B03);水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201001069,201101052)

收稿日期：2015-01-30