長江口深水航道工程南導(dǎo)堤越堤通量時(shí)空變化數(shù)值研究

許　鵬， 葛建忠， 丁平興， 付　桂

（1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上?！?00062；2.上海長江口航道管理局，上?！?00003）

長江口深水航道工程南導(dǎo)堤越堤通量時(shí)空變化數(shù)值研究

許鵬1， 葛建忠1， 丁平興1， 付桂2

（1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062；2.上海長江口航道管理局，上海200003）

在長江口北槽深水航道工程的背景下，以實(shí)測地形資料為基礎(chǔ)，利用FVCOM，模擬南導(dǎo)堤越堤水流的時(shí)空變化.通過對越堤流過水?dāng)嗝嫱康挠?jì)算，分析工程前后越堤流的時(shí)空變化規(guī)律.導(dǎo)堤丁壩的修建，使得南北槽之間的水動力條件顯著改變，工程之后，橫向水流凈通量指向北槽，且量值較大.越堤水流的沿程分布，以導(dǎo)堤轉(zhuǎn)角為界，上半段逐漸減小，下半段逐漸增大，上半段凈通量小于下半段；越堤流的凈通量，在季節(jié)上變幅不大，在潮周期內(nèi)呈周期性波動，凈通量與潮位呈良好的線性相關(guān).

南導(dǎo)堤； 越堤水流； 時(shí)空變化； 數(shù)值模擬

0　引　言

長江河口作為中國最大的河口，三級分汊，四口入海，豐水多沙，因其特殊的地理位置、復(fù)雜多變的水沙運(yùn)動以及與之相關(guān)的航道、港口工程等社會價(jià)值，歷來為國內(nèi)外眾多學(xué)者所重視.而這其中，河口地區(qū)的水沙輸移是河口研究的熱點(diǎn)問題之一，水沙在分汊河口的分配及輸移對河口區(qū)域的演變以及河口工程的興建具有重要意義.

長江口深水航道工程的巨大作用不言而喻，但與此同時(shí)，航道的回淤問題也亟待解決.研究表明，航道回淤量遠(yuǎn)超預(yù)期，回淤分布高度集中且洪枯季差異明顯，2010年以后的12.5 m航道通航維護(hù)期內(nèi)全槽年回淤方量已達(dá)7 000萬m3以上［1］.針對此問題，眾多單位和學(xué)者從不同角度、利用多種方法進(jìn)行了探討和研究，已得出一系列成果［2-10］.多年以來，有關(guān)北槽進(jìn)出口的水沙輸移運(yùn)動研究較多，葛建忠［11-12］，范中亞［13］等利用FVCOM模型模擬了深水航道工程后長江口北槽附近流場的變化，研究表明，導(dǎo)堤丁壩的束水作用使得主槽流向集中，壩田區(qū)域產(chǎn)生渦旋.但在已發(fā)表的研究成果中，關(guān)于北槽南邊界，即關(guān)于對南導(dǎo)堤越堤水沙運(yùn)動的研究仍然較少.劉猛等［14-15］通過2008年10月和11月兩次水文觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行分析，指出存在越過南導(dǎo)堤指向北槽的凈輸沙運(yùn)動，越堤水流所攜帶的泥沙絕大部分可以通過壩田進(jìn)入北槽.胡志鋒等［16］在通過物模研究九段沙北側(cè)輸沙對長江口深水航道影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，九段沙的底沙能夠越堤進(jìn)入長江口深水航道.劉高峰等［17］通過在南導(dǎo)堤和南灘地上開展一系列觀測，研究結(jié)果表明在南導(dǎo)堤被淹沒期間，除中上小段有微弱的由北槽指向九段沙的泥沙凈輸移運(yùn)動外，其余區(qū)段均有較強(qiáng)的由九段沙指向北槽的泥沙凈輸移運(yùn)動，從整個南導(dǎo)堤來看，指向北槽的凈輸沙運(yùn)動占絕對優(yōu)勢.前人在對工程后南導(dǎo)堤越堤水沙的研究上已取得一定成果，但限于觀測條件的不足，對越堤流的研究還很不詳盡，例如缺乏對不同時(shí)間尺度上的水流凈通量的研究，缺乏對不同時(shí)期沿程越堤水流分布的研究等.

本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上，利用率定驗(yàn)證后的FVCOM導(dǎo)堤丁壩模式，模擬長江口深水航道工程影響下的越堤水流并計(jì)算其時(shí)空變化特征，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行初步的分析與討論.

1　長江口北槽數(shù)值模型

1.1模型的介紹和設(shè)置

本文采用無結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格、有限體積、自由表面、三維原始方程的海洋模型FVCOM模型對長江河口及鄰近海域進(jìn)行水動力場模擬.該模型結(jié)合了有限元法和有限差分法的優(yōu)點(diǎn)，適合模擬淺海復(fù)雜邊界，主要包括水質(zhì)模塊、生態(tài)模塊、泥沙輸運(yùn)模塊、流場—波浪—泥沙耦合模塊等，其中改進(jìn)后的導(dǎo)堤丁壩模塊適用于有人工修建的壩體建筑物的水體，能夠更好地模擬深水航道附近的水流［11］.

多數(shù)海洋模型中，對于導(dǎo)堤丁壩的多采用緩坡地形近似處理，而葛建忠等［12］開發(fā)的導(dǎo)堤丁壩模塊運(yùn)用窄堤算法，即忽略導(dǎo)堤丁壩的寬度，將導(dǎo)堤定義為邊界進(jìn)行計(jì)算，能有效保證兩側(cè)水體質(zhì)量守恒.具體計(jì)算中將導(dǎo)堤布置分為直線型、丁字型和十字型，垂向上根據(jù)堤頂高程和當(dāng)?shù)厮铌P(guān)系考慮三種情況：①淹沒式，計(jì)算水體分為兩層，上層自由流過堤頂，下層被堤身阻擋，按固邊界處理；②出水堤，則將整個建筑物按固邊界處理；③半潛堤，即潛堤在高潮位淹沒，在低潮位露出水體，此種情況在每個時(shí)間段判斷堤頂高程和當(dāng)?shù)厮坏年P(guān)系.確定采用①或者②方法處理.當(dāng)?shù)躺頌槌鏊虝r(shí)，堤身兩側(cè)當(dāng)做兩個固邊界；當(dāng)?shù)躺頌檠蜎]堤時(shí)，分為上層自由流和下方固邊界計(jì)算，當(dāng)?shù)躺頌檠蜎]堤時(shí)，上方自由層求解方程為

式中，ω為垂向流速，Ωl和Ωr為左右兩個控制體的面積，ζ為自由表面水位，D為總水深，l為堤身長度，k為垂向分層數(shù)，Δσk=σk-σk-1.

本文的計(jì)算區(qū)域包括了長江口、杭州灣及鄰近海域，通過對海圖數(shù)字化得到計(jì)算區(qū)域的地形資料.計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示，在外海區(qū)域空間分辨率較低，在河口區(qū)域尤其是北槽航道處空間分辨率較高，達(dá)到200—300 m.外海開邊界處由潮位驅(qū)動，考慮M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1和Q18個主要分潮.長江徑流量從長江水文網(wǎng)上發(fā)布的大通水文站獲得.風(fēng)場由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）網(wǎng)站下載獲得，下載所得風(fēng)場數(shù)據(jù)與實(shí)測風(fēng)場數(shù)據(jù)部分對比如圖2所示.初始溫度和鹽度場由海洋圖集上的月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化并插值得到.模型的主要參數(shù)，不同區(qū)域底摩擦系數(shù)給不同的值，大致上近岸大、離岸小，采用sigma坐標(biāo)，垂向分為20層，采用Mellor-Yamada 2.5階湍流閉合模型，能夠更好模擬近岸的垂向混合.為了研究南北槽水流交換在深水航道工程不同階段的變化，本文選取1997年、2001年、2005年和2009年對應(yīng)深水航道工程前、工程一期后、工程二期后和工程三期后的地形；為了分析水流交換在不同季節(jié)的變化，本文選取1月份和7月份分別代表枯季和洪季進(jìn)行計(jì)算.

圖1　計(jì)算網(wǎng)格Fig.1　Model grid

圖2　大戢山風(fēng)場數(shù)據(jù)對比Fig.2　Comparisons of wind data between observed data（solid lines）and downloaded data（black points）at Dajishan station

1.2FVCOM模型的驗(yàn)證

1.2.1潮位驗(yàn)證

潮位的變化對越堤流的影響很大，北槽南導(dǎo)堤設(shè)計(jì)的初衷也是截?cái)嘀谐蔽灰韵碌哪媳辈壑g的水沙進(jìn)出，因此對潮位的驗(yàn)證很有必要.本文選取對越堤流影響較大的北槽中站和橫沙站進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)測資料是2012年2月份和2012年8月份的潮位資料.驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示，從結(jié)果來看，北槽中站和橫沙站的潮位模擬吻合良好，計(jì)算比較精確.

圖3　北槽中站和橫沙站潮位驗(yàn)證Fig.3　Comparisons of water level between the modeled results（solid lines）and observed data（black points）at Beicaozhong and Hengsha station

1.2.2流速、流向、鹽度驗(yàn)證

本文利用2013年7月份和2014年1月份兩次長江口公共航次的水文觀測資料，對模型計(jì)算的流速和流向進(jìn)行了驗(yàn)證，由于篇幅所限，這里僅列出對越堤流影響較大的K1406、K1408、K1409、K1411測站在2014年1月份大潮期間的驗(yàn)證結(jié)果，2014年公共航次測站位置如圖4所示，驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示.通過驗(yàn)證結(jié)果可以看到，4個測站的流速、流向和鹽度模擬與觀測結(jié)果均吻合較好，無論從趨勢上還是精度上都能夠較好地刻畫北槽深水航道附近的流場，這對越堤流的計(jì)算提供了良好的精度保證.

圖4　測站分布圖Fig.4　The distribution of the observation stations

1.2.3越堤流沿程單寬凈通量驗(yàn)證

由于長江口深水航道南導(dǎo)堤兩側(cè)灘面現(xiàn)場觀測環(huán)境較為惡劣，加之對南導(dǎo)堤越堤流的研究到目前為止還較少，現(xiàn)有的觀測資料很少.劉猛、劉高峰等［14］在2008年10月14日至10月20日在南導(dǎo)堤堤頂布置了三腳架進(jìn)行觀測，得到了沿程的越堤流和越堤沙的數(shù)據(jù)，本文以此作為參考，將計(jì)算所得的越堤流沿程分布與該數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對驗(yàn)證，結(jié)果如圖6所示.通量的計(jì)算時(shí)間與觀測時(shí)間一致，為2008年10月14日至10月20日.單寬通量的計(jì)算方法說明：流量的計(jì)算是法向流速與過水面積的乘積，首先計(jì)算導(dǎo)堤上每一點(diǎn)的法向流速，過水面積通過積分得到，將南導(dǎo)堤沿程分段，計(jì)算每一小段每一個小時(shí)的流量（模型每小時(shí)輸出一個結(jié)果），并對計(jì)算時(shí)段所有流量求平均值，再根據(jù)單寬流量的定義，將每一小段的流量除以每段長度.從比對結(jié)果來看，模型計(jì)算值與觀測數(shù)據(jù)從趨勢和數(shù)值上基本一致，也從另一個側(cè)面印證了該模型模擬結(jié)果的合理性和可靠性.

2　長江口北槽南導(dǎo)堤越堤水流時(shí)空變化特征

2.1越堤水流通量沿程變化特征

長江口北槽深水航道整治工程如圖1所示，主要包括修建南北雙導(dǎo)堤、丁壩和進(jìn)行河槽疏浚.工程分三期進(jìn)行，一期1998年1月開始，2001年6月完工，目標(biāo)水深8.5 m；二期工程2002年4月開工，主體工程2004年12月完成，2005年3月實(shí)現(xiàn)10 m目標(biāo)水深，2005年11月驗(yàn)收；三期工程于2006年9月開工到2010年5月交工，實(shí)現(xiàn)12.5 m北槽航道全線貫通［14］.長江口深水航道工程三期之后地形如圖15所示，為了更方便地研究通量的沿程變化，以丁壩位置為界，將南導(dǎo)堤劃分為9段，并編號A，S1，……，S9.

圖5　K1406、K1408、K1409和K1411站表、中、底層流速、流向、鹽度驗(yàn)證Fig.5　Comparisons of surface，middle and bottom velocity，direction and salinity between the modeled results（solid lines）and observed data（black points）at K1406，K1408，K1409 and K1411 station

圖6　南導(dǎo)堤沿程單寬凈通量驗(yàn)證Fig.6　Comparisons of the spatial variations of the unit width net water flux overtopping the South Leading Jetty between the modeled results and observed data

圖7　導(dǎo)堤丁壩位置示意圖Fig.7　The distribution of the dikes and groynes in the Deep Waterway channel

2.1.1枯季越堤流凈通量沿程變化特征

如前文所述，本文選取1997年、2001年、2005年和2009年分別代表工程之前、一期工程之后、二期工程之后和三期工程之后，選取各自年份的1月份代表枯季，7月份代表洪季. 1月份月平均的單寬越堤潮通量沿程變化如圖8所示，各段導(dǎo)堤通過的潮量如表1所示.

導(dǎo)堤修建之前，南北槽之間的水流有較強(qiáng)的橫向交換，A—S7段凈通量均指向北槽，S7—S9段凈通量指向南槽.其中指向北槽的潮流最大值出現(xiàn)在S5附近，指向南槽的最大值出現(xiàn)在最末端S9附近.S1—S2、S3—S4、S7—S8段指向南槽和北槽的潮流強(qiáng)度相當(dāng)，單寬凈通量較小，整個1月份水流交換凈通量僅在1億m3左右，A—S1和S8—S9段水流交換的凈通量最大，達(dá)到10億m3左右（1個整月，下同）.

一期工程（即A—S5段）完成之后，A—S5段凈通量的變化相對于導(dǎo)堤修建之前變得較為平順，單寬越堤凈通量維持在20—30（×103m2）之間.S7—S9段凈通量仍然指向南槽，但相較于導(dǎo)堤修建之前，流向南槽的凈通量有所減小，總量由10.15億m3減小到6.49億m3.

二期工程（即S5—S9段）完成之后，S5—S9段的潮流凈通量由既有指向北槽也有指向南槽變成均指向北槽，且呈現(xiàn)兩側(cè)小，中間大的態(tài)勢.全程來看，以S4為界，凈通量先減小后增大，且上半段（13.51億m3）明顯小于下半段（28.37億m3）.

三期工程（隔堤）完成之后，總體來看，沿程變化趨勢與二期工程后基本相同，仍然以S4為界，先減小后增大，但全程越堤流凈通量分布更為平均，上半段（19億m3）與下半段（23.42億m3）之間的差值已明顯減小.

圖8　枯季單寬越堤凈通量沿程分布Fig.8　The spatial variations of the unit width net water flux overtopping the South Leading Jetty in the dry season

表1　工程前后枯季導(dǎo)堤各段越堤流凈通量Tab.1　The net water flux overtopping variable sections of the South Leading Jetty in the dry season

潮汐的潮時(shí)、潮位和潮向?qū)λ魇欠衲茉竭^導(dǎo)堤以及流往北槽或南槽有很重要的影響，因此研究越堤流變化特征時(shí)，有必要分別討論大潮和小潮對越堤流沿程變化的影響.通過潮汐表分別查到1月份和7月份對應(yīng)的大小潮的潮時(shí)，計(jì)算得到相應(yīng)的越堤流單寬凈通量沿程分布，枯季大潮期間和小潮期間越堤流單寬凈通量沿程變化分別如圖9、圖10所示.

導(dǎo)堤修建之前，小潮期間凈通量幾乎都指向南槽，大潮期間凈通量幾乎都指向北槽（S8—S9段除外），從凈通量的數(shù)值上看，大潮期間的凈通量遠(yuǎn)大于小潮期間凈通量.大潮期間單寬凈通量基本呈先減小后增大的趨勢，在S3附近最小，在S5附近最大，而小潮期間的單寬凈通量，在S6之前量值及變幅均較小，S6—S9段出現(xiàn)較大的指向南槽的凈流量.

一期工程（即A—S5段）修建之后，在小潮期間的主要變化是上半段指向南槽的凈流量減小至微弱且指向北槽，大潮期間沿程凈通量由原先波動較大調(diào)整為波動較小.

二期工程（即S5—S9段）修建之后，小潮期間的一個顯著變化是，S5—S9段凈通量原先指向南槽，且量值較大，導(dǎo)堤修建之后，凈通量指向北槽，且量值減?。淮蟪逼陂g，在S1處多出一個峰值，S4—S5段越堤凈通量有明顯增幅，整個下半段（S4為界）的沿程通量趨于平均，波動幅度減小.

三期工程（隔堤）修建之后，小潮期間的沿程單寬凈通量基本無變化，A—S2段有小幅的增加；大潮期間的沿程單寬凈通量全程趨于平均，波動幅度進(jìn)一步減小，上段小幅增大，下段小幅減小.

圖9　枯季大潮期間單寬越堤凈通量沿程分布Fig.9　The spatial variations of the unit width net water flux overtopping the South Leading Jetty in the spring period of dry season

圖10　枯季小潮期間單寬越堤凈通量沿程分布Fig.10　The spatial variations of the unit width net water flux overtopping the South Leading Jetty in the neap period of dry season

2.1.2洪季越堤流凈通量沿程變化特征

洪季（7月份）月平均的單寬越堤潮通量沿程變化如圖11所示，各段導(dǎo)堤通過的潮量如表2所示，總體來看，除導(dǎo)堤修建之前最末端S9處有微弱的指向南槽的凈潮流（0.45億m3）外，洪季南北槽之間的水流橫向交換均為指向北槽的凈潮流.

圖11　洪季單寬越堤凈通量沿程分布Fig.11　The spatial variations of the unit width net water flux overtopping the South Leading Jetty in the flooding season

相較于枯季，在導(dǎo)堤修建之前，洪季南北槽之間流向北槽的潮流更為強(qiáng)勁，極值上最大單寬凈流量100.34（×103m2）明顯大于枯季的最大單寬凈流量66.56（×103m2），各段的凈通量也明顯大于枯季各段凈通量.沿程分布上看，凈通量的變化趨勢基本是先減小，后增大，再減小，在S3附近出現(xiàn)最小值，在S5附近出現(xiàn)最大值.

一期工程（即A—S5段）修建之后，沿程凈通量變化相對平順，主要表現(xiàn)在A—S1、S4—S6和S8—S9段，變幅分別為7.27億m3、11.76億m3和3.06億m3，趨勢上與枯季相似，以S4為界，前半段相對穩(wěn)定，在S4附近減小，后半段逐漸增大后趨于穩(wěn)定.

二期工程（即S5—S9段）修建之后，整體態(tài)勢基本不變，S3—S4段越堤通量進(jìn)一步減小，由3.79億m3減少至1.79億m3，導(dǎo)堤末端流向北槽的流量增大，達(dá)到5.02億m3.

三期工程（隔堤）修建之后，各段導(dǎo)堤越堤流通量更為接近，單寬越堤凈通量在S1附近出現(xiàn)較大值，在S4附近出現(xiàn)較小值.除此之外，全導(dǎo)堤沿程單寬越堤凈通量均在30～50（× 103m2）之間，沿程分布較為平均.

表2　工程前后洪季導(dǎo)堤各段越堤流凈通量Tab.2　The net water flux overtopping variable sections of the South Leading Jetty in the flooding season

洪季大潮期間和小潮期間越堤流單寬凈通量沿程變化分別如圖12、圖13所示.從量值上看，大潮期間的越堤流量明顯大于小潮期間越堤流量，變動幅度上大潮也大于小潮.

圖12　洪季大潮期間單寬越堤凈通量沿程分布Fig.12　The spatial variations of the unit width net water flux overtopping the South Leading Jetty in the spring period of flooding season

圖13　洪季小潮期間單寬越堤凈通量沿程分布Fig.13　The spatial variations of the unit width net water flux overtopping the South Leading Jetty in the neap period of flooding season

導(dǎo)堤修建之前，無論是大潮期間還是小潮期間，南北槽之間水流凈通量基本指向北槽（除小潮期間S8—S9段外），以S4為界，上段凈通量遠(yuǎn)小于下段凈通量，大潮期間單寬凈通量最大值196.41（×103m2），小潮期間單寬凈通量最大值90.92（×103m2）.

一期工程（即A—S5段）修建之后，大潮期間沿程單寬凈通量變幅較大，小潮期間沿程單寬凈通量變幅較小，大潮和小潮期間最大變幅均出現(xiàn)在A—S1段和S4—S5段，減少量超過50%，單寬越堤凈通量最小值均出現(xiàn)在S4附近，在10（×103m2）左右.

二期工程（即S5—S9段）修建之后，在下半段（S5—S9）大潮期間的指向北槽的強(qiáng)潮流量減小，小潮期間的指向南槽的強(qiáng)潮流量轉(zhuǎn)向北槽且量值減小，大潮沿程越堤流變幅較大，小潮則變幅較小.

三期工程（隔堤）修建之后，小潮越堤流僅在S5—S9段有較明顯減小，大潮則在A—S4段出現(xiàn)明顯增幅，在S5—S9段出現(xiàn)明顯減幅.

無論是在洪、枯季，還是在大、小潮期間，南導(dǎo)堤沿程越堤流凈通量基本指向北槽，并且沿程的分布特征主要呈現(xiàn)上段小、下段大的態(tài)勢，南導(dǎo)堤轉(zhuǎn)彎角附近凈通量最小.導(dǎo)堤的修建使得沿程凈通量的分布趨于均勻，且導(dǎo)堤的存在使得水流的凈方向指向北槽.

在南導(dǎo)堤修建之前，南北槽之間的水流凈通量洪、枯季差異顯著，洪季水流凈通量明顯高于枯季水流凈通量，且洪季的水流凈通量沿程變幅較大，枯季在下半段出現(xiàn)部分指向南槽的凈流量，而洪季凈流量均指向北槽；在南導(dǎo)堤修建之后，南北槽之間的越堤流凈通量洪、枯季無明顯差異，洪季略大于枯季.

在南導(dǎo)堤修建前后，大、小潮期間南北槽之間的凈通量沿程分布均有較大差異，主要體現(xiàn)在兩個方面，一是大潮期間沿程凈通量明顯大于小潮期間，二是大潮期間凈通量沿程有明顯先減小后增大的特征，而小潮期間凈通量沿程分布特征是前半段較小且波動幅度小，下半段較大且逐漸增大后趨于平穩(wěn).

2.2越堤水流通量隨時(shí)間變化特征

2.2.1全導(dǎo)堤越堤流凈通量隨時(shí)間變化特征

將整個南導(dǎo)堤作為一個整體，計(jì)算通過整個南導(dǎo)堤的越堤流凈通量，可以討論越堤流在時(shí)間上的一些變化特征，這樣能夠更加清晰地認(rèn)識水流交換凈通量的變化規(guī)律.各期工程前后南北槽之間的橫向水流凈通量值如圖14所示，可以看到，在工程前后南北槽之間的水流凈通量均指向北槽，不同的季節(jié)導(dǎo)堤修建與否對凈通量的影響不盡相同.在枯季，工程之前南北槽之間的水流凈通量為23.45億m3，一期工程之后往北槽的凈通量減小至17.22億m3，二期工程之后凈通量大幅增加，達(dá)到41.88億m3，三期工程影響較小，凈通量為42.43億m3，幾乎與二期之后持平；在洪季工程之前有較大的流向北槽的凈通量，為55.03億m3，經(jīng)過一期工程之后，有較大減幅，減至44.26億m3，而此后二期、三期工程帶來的影響較小，越堤流的凈通量也維持在46億m3左右.由此數(shù)據(jù)分析可以得知，枯季凈通量受一期、二期工程影響均很大，而且一期工程使得往北槽凈通量減小，二期工程使得往北槽凈通量增大；洪季凈通量受一期工程影響很大，而受二期工程影響很小，且一期工程使得往北槽凈通量減小，二期工程使得往北槽凈通量增大，三期工程對洪、枯季凈通量的影響都很小.

2.2.2導(dǎo)堤典型位置越堤流單寬流量隨時(shí)間變化

導(dǎo)堤上具體某一點(diǎn)的單寬流量變化，能夠更加直觀地反映越堤流的變化過程.根據(jù)前文的分析結(jié)果來看，南導(dǎo)堤越堤流凈通量的沿程變化主要表現(xiàn)為以S4為界，上段較小，下段較大，有一個先減小后增大的過程.據(jù)此規(guī)律，選取導(dǎo)堤上典型位置點(diǎn)進(jìn)行分析，位置點(diǎn)示意圖如圖15，上中下三段各取一點(diǎn)，且能夠代表越堤凈通量的最大值，最小值和中間值.

圖14　工程前后全導(dǎo)堤越堤凈通量Fig.14　Monthly changes of the net water flux overtopping the South Leading Jetty

圖15　導(dǎo)堤典型位置點(diǎn)示意圖Fig.15　Locations of representative points at the dike

將上、中、下三段上的三點(diǎn)分別編號為A，B，C，計(jì)算時(shí)間為1月12—21日和7月17—26日，計(jì)算時(shí)長包括了大、中、小潮，分別代表枯季和洪季.計(jì)算結(jié)果如圖16所示，紅線表示南導(dǎo)堤修建之前，藍(lán)線表示南導(dǎo)堤全線修建之后.

總體來看，導(dǎo)堤上各點(diǎn)的單寬過流量在工程前后都呈明顯的周期性變化，流量變化過程與潮位變化過程基本一致，導(dǎo)堤的修建攔截了通往南槽的潮流，對通往北槽的潮流也有一定的影響.具體來看，上段A點(diǎn)，在小潮期間導(dǎo)堤使得流向北槽的水流減小，但在大潮期間高潮位時(shí)反而使得流向北槽的水流增大，導(dǎo)堤的存在使過水量的變化沒有潮位變化那樣平緩，同樣是漲潮時(shí)段，高水位下過流量遠(yuǎn)大于低水位下過流量；中段B點(diǎn)，在導(dǎo)堤修建以前，該點(diǎn)還有較強(qiáng)的流向北槽的凈流量，導(dǎo)堤修建之后此處的凈流量已減小至微弱，隨時(shí)間的變化上，在大潮期間仍有較明顯的周期變化，在小潮期間已接近于零，沒有明顯變化特征；下段C點(diǎn)，在導(dǎo)堤修建之前，枯季通往北槽的凈流量小于洪季，通往南槽的凈流量大于洪季，導(dǎo)堤修建之后，凈通量基本指向北槽，且洪、枯季量值相當(dāng).

從總量上看，僅計(jì)算的1月份和7月份而言，南北槽之間水流的橫向交換凈通量（指向北槽）在一期工程之后有所減小，由78.48億m3減小至61.48億m3，二期工程之后回升至88.10億m3，三期工程之后基本維持不變.從季節(jié)上看，工程前以及工程一期之后洪、枯季的凈通量有顯著差異，洪季凈通量明顯大于枯季凈通量，工程二期以及三期之后，洪、枯季的凈通量差異已很小，量值相當(dāng).從單點(diǎn)的單寬凈通量來看，工程前后均有明顯的周期性變化，工程前是流向南槽與流向北槽交替周期性變化，工程后僅有流向北槽的周期性變化，沿程不同點(diǎn)的單寬凈通量從量值和波動幅度上均有顯著差異.

圖16　導(dǎo)堤典型位置點(diǎn)單寬通量隨時(shí)間變化圖Fig.16　The temporal variations of the net unit width water flux overtopping the South Leading Jetty of representative points at the dike

3　討　論

流量是單位時(shí)間通過某一過水?dāng)嗝娴牧黧w的量，計(jì)算上取法向流速與過水?dāng)嗝婷娣e的乘積，在此討論法向流速和斷面面積這兩個影響過水通量的因素.

討論沿程通量的變化跟過水?dāng)嗝婷娣e的相關(guān)關(guān)系，對于單點(diǎn)單寬凈通量，由于底部河床（導(dǎo)堤）高程基本不變，因此可簡化為討論過水通量與潮位的關(guān)系.取前文所述單寬過流量較大和較小兩點(diǎn)A，B，以洪季為例，分別討論工程前后水通量與潮位的關(guān)系.計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工程前水通量與潮位沒有非常明顯的線性相關(guān)關(guān)系，考慮可能是工程前此處流速變化較大，無明顯變化規(guī)律；工程后水通量與潮位關(guān)系如圖17所示，當(dāng)潮位小于0.4 m左右時(shí)，潮通量幾乎為零，當(dāng)潮位大于0.4 m時(shí)，水通量與潮位呈良好的線性相關(guān)關(guān)系，去除潮位小于0.4 m以下點(diǎn)，計(jì)算得到A點(diǎn)水通量與潮位的相關(guān)系數(shù)為0.941 7，B點(diǎn)水通量與潮位的相關(guān)系數(shù)為0.869 9，可見導(dǎo)堤修建之后越堤流凈通量與潮位有很強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系.

圖17　A、B點(diǎn)單寬通量與潮位關(guān)系Fig.17　The relevance of the unit width net water flux and water level at point A and point B

影響越堤流的另外一個重要因素是流速，尤其是垂直于導(dǎo)堤方向的法向流速，現(xiàn)僅以洪季為例，討論潮位最大時(shí)刻導(dǎo)堤沿程流速的分布情況，模擬計(jì)算結(jié)果如圖18所示.

圖18　洪季高潮位時(shí)刻工程前后沿程流速分布圖Fig.18　The spatial velocity of the South Leading Jetty at the time of high water level

導(dǎo)堤修建之前，在高潮位時(shí)刻，沿程流速總體均勻，處于0.5～1m/s之間，但在S1和S3附近段流速很小，接近于零，由對應(yīng)的洪季沿程凈通量分布可以知道，S1—S3段凈通量也是較小值；一期工程之后，導(dǎo)堤建成段流速小于未建成段，此特征與相應(yīng)的沿程分布也基本吻合；二期工程之后，部分導(dǎo)堤段已有少量淤漲，流速的沿程分布分段明顯，高速水流與低速水流交替分布，S1處流速最大，在S4—S5段流速也有較明顯增大，這在凈通量的沿程分布中均有所體現(xiàn)；三期工程之后，部分導(dǎo)堤段淤漲更為明顯，且出現(xiàn)在凈通量最小的地方（即導(dǎo)堤的轉(zhuǎn)彎角處），但沿程流速變化不大，下半段流速整體減小，這在凈通量的沿程分布中也有對應(yīng)體現(xiàn).總體來看，導(dǎo)堤的修建反而使得流速的沿程變化不均勻，但這應(yīng)當(dāng)是對原先分布不均的凈通量的調(diào)整過程，從另外一個角度說，流速的變化也大大的影響了凈通量的變化.

4　結(jié)　論

通過數(shù)值模型的手段對深水航道工程前后導(dǎo)堤處的水流進(jìn)行模擬，對模擬的水流進(jìn)行計(jì)算分析，能夠較為清晰的了解到北槽南導(dǎo)堤越堤流的量值以及時(shí)空變化特征.從所模擬的兩個月來看，三期工程后，南導(dǎo)堤全線每月通往北槽凈通量在45億m3左右.概括來講，南導(dǎo)堤的修建對當(dāng)?shù)氐乃鳁l件產(chǎn)生了巨大的影響，相應(yīng)地，南北槽之間的橫向水流交換由原先的凈通往南槽與凈通往北槽潮量相當(dāng)變化為基本通往北槽.凈通量的沿程分布主要特點(diǎn)是以轉(zhuǎn)彎角處為界，上段逐漸減小，下段逐漸增大，上段總量小于下段，導(dǎo)堤的修建使得凈通量的沿程分布趨于均勻.工程的不同階段，洪、枯季的沿程分布變化過程不同，但結(jié)果相同，最終三期工程之后洪、枯季的凈通量沿程分布無明顯差異，量值上洪季略高于枯季；大、小潮期間的沿程分布不僅變化過程不同，結(jié)果也不同，大潮期間凈通量沿程變化較大，小潮期間凈通量沿程變化較小，最終三期工程之后，大潮期間沿程分別呈“兩高兩低”態(tài)勢，小潮期間的分布特征則是上段小、下段大、變幅小，量值上大潮期間明顯大于小潮期間.單點(diǎn)的單寬流量在時(shí)間上呈現(xiàn)周期性變化，變化過程與潮位變化過程基本一致.高潮位時(shí)刻的流速分布在工程之后的沿程變化特征，上段變化較大，下段變化較小.

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（責(zé)任編輯：李萬會）

Numerical simulation about temporal and spatial variations of overtopping flow flux at the south leading jetty in the deep waterway project of the Changjiang Estuary

XU Peng1， GE Jian-zhong1， DING Ping-xing1， FU Gui2
（1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai200062，China；2.Yangtze Estuary Waterway Administration，Shanghai200003，China）

A numerical model based on the in-situ measured topographic data was implemented，using the unstructured-grid，three-dimensional primitive equation，finite-volume coastal ocean model（FVCOM）including a dike-groyne module，for the study of temporal and spatial variations of overtopping flow at the south leading jetty constructed in the deep waterway channel.We investigated the temporal and spatial changes of overtopping flow by computing cross-section water flux before and after the project.The hydrodynamic condition around the north passage showed noticeable changes after the building of dikes and groynes.After the construction，respectively，net lateral current between the two channels points to the north passage with a relatively large amount of discharge.As estimated，spatiallyvarying unit width net overtopping water flux had a significant feature，which was bounded at the corner，showed that the flux increased gradually at the upper half and decreased at the latter with a larger value.On a time scale the amplitude appeared no remarkable changes seasonally but on the other hand paced periodically in a tidal cycle.Moreover，the results showed a strong linear correlation between net water flux and tidal level.

the south leading jetty； overtopping flow； temporal and spatial variations； numerical simulation

P751

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2016.02.014

1000-5641（2016）02-0112-16

2015-02

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201501517-2）；長江口北支水沙鹽輸運(yùn)模擬技術(shù)研究（2013BAB12B03）；國家自然科學(xué)基金（51320105005）

許鵬，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锢砗Ｑ髮W(xué).

丁平興，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲锢砗Ｑ髮W(xué).E-mail：pxding@sklec.ecnu.edu.cn.