錢(qián)塘江河口鹽水入侵二維數(shù)值模型研究

章 潔，盧 勇，張紅武(.杭州市蕭山區(qū)浦陽(yáng)江流域管理處,浙江 杭州 0；.杭州市蕭山區(qū)錢(qián)塘江灌區(qū)管理處,浙江 杭州 0；.清華大學(xué) 水利水電工程系 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 00084)

錢(qián)塘江河口鹽水入侵二維數(shù)值模型研究

章 潔1，盧 勇2，張紅武3
(1.杭州市蕭山區(qū)浦陽(yáng)江流域管理處,浙江 杭州 311201；2.杭州市蕭山區(qū)錢(qián)塘江灌區(qū)管理處,浙江 杭州 311201；3.清華大學(xué) 水利水電工程系 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

錢(qián)塘江河口鹽水入侵研究是錢(qián)塘江河口水資源配置和利用的基礎(chǔ).采用荷蘭Delft-3D模型的Flow模塊，建立了二維水流、鹽度數(shù)學(xué)模型，對(duì)富春江電站以下至杭州灣澉浦至陶家路閘斷面之間的河段進(jìn)行了模擬驗(yàn)證計(jì)算，利用實(shí)測(cè)所得潮位、潮流和鹽度資料對(duì)二維水流鹽度模型進(jìn)行了多次率定、驗(yàn)證.驗(yàn)證的結(jié)果相似性較好，表明模型具有一定的模擬能力，且能較準(zhǔn)確地模擬研究區(qū)域的二維水動(dòng)力條件；能夠較好的反映富春江電站以下至杭州灣澉浦至陶家路閘范圍內(nèi)潮波的傳播過(guò)程及鹽水入侵的情況.

錢(qián)塘江河口；數(shù)值模擬；鹽水入侵

0 引 言

河口是鹽水與淡水的交匯地帶，河口出現(xiàn)的多種物理、化學(xué)、生物過(guò)程，如河口環(huán)流、細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降、最大渾濁帶等都與鹽水入侵密切相關(guān)，鹽水入侵及其進(jìn)一步惡化；同時(shí)，錢(qián)塘江河口潮強(qiáng)流急、涌潮兇涌為典型的強(qiáng)潮河口，河口區(qū)平面呈典型的喇叭狀，受徑流和潮流的相互作用，鹽水入侵極其復(fù)雜，錢(qián)塘江河口鹽水入侵研究是錢(qián)塘江河口水資源配置和利用的基礎(chǔ).是當(dāng)前錢(qián)塘江河口亟待解決的問(wèn)題之一，因此，研究錢(qián)塘江河口鹽水入侵對(duì)全面深入了解河口過(guò)程具有重要的理論意義.有鑒于此，本文有必要通過(guò)建立鹽水入侵的模型來(lái)研究錢(qián)塘江河口區(qū)鹽水入侵和鹽度場(chǎng)的輸移規(guī)律，使得典型的強(qiáng)潮河口又是淡水資源供應(yīng)地——錢(qián)塘江河口區(qū)域更合理地開(kāi)發(fā)利用有限的淡水資源，為解決該地區(qū)人們的用水供需矛盾和合理配置錢(qián)塘江河口水資源提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)以水資源的可持續(xù)利用，促進(jìn)河口區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-8].

1 錢(qián)塘江河口概況及鹽水入侵的特性

錢(qián)塘江是浙江省最大的河流，地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候溫和濕潤(rùn)、四季分明、雨量充沛、日照充足.錢(qián)塘江河口區(qū)上起富春江水電站，下至杭州灣灣口，全長(zhǎng)282 km.根據(jù)各段水動(dòng)力因素的強(qiáng)、弱和河床演變特性的不同，河口至上而下分為三段：即富春江水電站至杭州市東江嘴(蕭山聞家堰)與浦陽(yáng)江匯合處，河長(zhǎng)約75 km，為近口段，它以河川徑流作用為主，又稱(chēng)徑流段；東江嘴以下稱(chēng)錢(qián)塘江，至海鹽縣澉浦的長(zhǎng)山閘與余姚市西山閘的連線斷面，長(zhǎng)約122 km，為河口段，它是徑流和潮流消長(zhǎng)變化、共同作用的河段，又稱(chēng)過(guò)渡段；澉浦?jǐn)嗝嬉韵轮辽虾Ｊ心蠀R縣蘆潮港閘與寧波市鎮(zhèn)海區(qū)外游山的灣口斷面注入東海，長(zhǎng)約85 km，稱(chēng)潮流段，或叫杭州灣，以潮流作用為主.

河流下泄的淡水與漲潮流上溯的咸水相互摻混，致使河口沿程鹽度(氯度)不一致的現(xiàn)象稱(chēng)為鹽水入侵.潮汐河口是河流與海的過(guò)渡地段，河流下泄的徑流(淡水)和由入?？谏纤莸难匕逗Ｋ?，在河口上下游流動(dòng)過(guò)程中摻混，混合成含有一定鹽度的河口混合水(沖淡水).錢(qián)塘江河口上有錢(qián)塘江，下為喇叭形的杭州灣，是一條強(qiáng)潮河口.在上述徑流、潮流、沿岸流和地形等要素綜合作用下，構(gòu)成了錢(qián)塘江河口混合水鹽度的時(shí)空分布特性.

2 二維數(shù)學(xué)模型

采用荷蘭Delft水工所的Delft-3D模型的FlOW模塊，建立二維水流、鹽度數(shù)學(xué)模型.

FLOW模塊是一個(gè)多維(二維或三維)水動(dòng)力學(xué)(和物質(zhì)輸運(yùn))模擬程序，采用邊界擬合較好的曲線網(wǎng)格離散格式，可計(jì)算非穩(wěn)定流和物質(zhì)輸運(yùn)現(xiàn)象，已經(jīng)成功應(yīng)用于大量工程和科研領(lǐng)域.

DELFT3D-FLOW基本方程有：

(1)連續(xù)方程

(1)

(2)平動(dòng)量方程

(2)

(3)

其中水平方向的壓力項(xiàng)Px和Py由下式給出(Boussinesq近似)

(4)

(5)

Fx和Fy為水平雷諾應(yīng)力項(xiàng)，對(duì)于大尺度范圍的數(shù)值模擬，可簡(jiǎn)化為：

(6)

(7)

Mx和My表示外部源和匯的動(dòng)量.U表示x方向流速，V表示y方向流速；νV表示垂直方向動(dòng)力粘滯系數(shù)，νH表示水平方向動(dòng)力粘滯系數(shù)；ρ0，ρ分別表示水的參考密度和水體實(shí)際密度(包括了鹽度、溫度與泥沙等)；g表示重力加速度；h表示水深；ζ表示水位；u,v,ω分別表示σ坐標(biāo)下的x,y,z方向速度；f表示柯氏力的影響.

(3)紊流方程

紊流方程選用k-ε雙方程模型.

(8)

(9)

式中各符號(hào)意義見(jiàn)文獻(xiàn)[3].

3 模型的建立與率定

3.1 模型的計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

模型的計(jì)算區(qū)域?yàn)楦淮航娬疽韵轮梁贾轂充髌帧占衣烽l斷面的干流(見(jiàn)圖1)，全長(zhǎng)約197 km，支流主要考慮曹娥江，整個(gè)計(jì)算域的面積約779 km2.采用Delft-3D軟件自帶的RGFGRID工具生成正交曲線網(wǎng)格.整個(gè)計(jì)算域內(nèi)模型網(wǎng)格總數(shù)為785×164個(gè).上游河寬較窄，空間步長(zhǎng)為100 m左右，考慮到下游灣口斷面較寬，約18 km，為提高計(jì)算精度，故布設(shè)21個(gè)矩形網(wǎng)格，空間步長(zhǎng)約為800 m(見(jiàn)圖2).

圖1 計(jì)算區(qū)域布置圖

圖2 計(jì)算網(wǎng)格示意圖

3.2 模型的計(jì)算資料與參數(shù)設(shè)置

模擬計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取為30 s.

由于上下游控制邊界距離較遠(yuǎn)，河道放寬率很大，糙率的取值在模擬計(jì)算中相當(dāng)重要.謝才系數(shù)采用曼寧公式：

C=n-1H1/6

(10)

式中：n—糙率；H—水深.

考慮到地形差異應(yīng)分段賦值.經(jīng)過(guò)大量的調(diào)試最后從上邊界到下邊界依次率定為0.025、0.015、0.006、0.012、0.006、0.007和0.008，具體(見(jiàn)圖3，圖4).

圖3 計(jì)算網(wǎng)格的水下地形圖

圖4 計(jì)算網(wǎng)格的沿程糙率圖

3.3 模型計(jì)算的邊界條件

本次模型上邊界由一次大范圍水文測(cè)驗(yàn)測(cè)得的10下旬6日的逐日流量控制(分別對(duì)應(yīng)為289 m3/s、313 m3/s、302 m3/s、308 m3/s、291 m3/s、255 m3/s)，鹽度邊界取為0.01 ppt；下邊界由澉浦和陶家路閘兩個(gè)水位站相應(yīng)時(shí)間的逐時(shí)潮位資料，分布到21個(gè)網(wǎng)格斷面上線性插值給出，鹽度邊界采用710點(diǎn)6日的逐時(shí)鹽度資料.

3.4 模型的驗(yàn)證

10月，錢(qián)塘江河口地區(qū)進(jìn)入枯水、大潮季節(jié)，下泄徑流較小，而鹽水入侵的上溯距離相對(duì)而言可以達(dá)到較大值，因此取這個(gè)時(shí)間段模擬研究的意義較大.經(jīng)過(guò)大量調(diào)試，最終還是取得了比較滿意的驗(yàn)證效果.潮流驗(yàn)證為鹽度計(jì)算提供了良好的基礎(chǔ).經(jīng)過(guò)調(diào)試，鹽度的驗(yàn)證效果良好，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合，鹽度過(guò)程變化的相位和幅度也基本上與原型相似.

4 錢(qián)塘江河口鹽度場(chǎng)特征分析

鹽度分布圖以閘口站潮流場(chǎng)的變化時(shí)刻為依據(jù)，圖5～圖8給出了研究區(qū)域一個(gè)潮流周期內(nèi)漲、落憩時(shí)刻鹽度分布圖.根據(jù)國(guó)際國(guó)內(nèi)給水標(biāo)準(zhǔn)，飲用水的氯化物含量一般不能超過(guò)250 mg/L，因此截取并放大了鹽度值為0.25‰附近區(qū)域的河段(閘口至七堡之間).

圖5 漲憩時(shí)刻鹽度場(chǎng)圖

圖6 落憩時(shí)刻鹽度場(chǎng)圖

圖7 漲憩時(shí)刻鹽度場(chǎng)局部放大圖

圖8 落憩時(shí)刻鹽度場(chǎng)局部放大圖

從圖5和圖6中可以看出，無(wú)論是漲憩還是落憩，縱向分布均是自下游向上游沿程遞減的，這與本文前述中錢(qián)塘江河口鹽水入侵的空間分布特性相吻合.在澉浦?jǐn)嗝嫣廂}度值基本在6.8‰附近，隨著上游徑流下泄時(shí)的稀釋作用含鹽度逐漸減小，在七堡附近及以上斷面，鹽度值基本在1‰以下.從橫向斷面上看，由于受柯氏力影響，在同一河槽內(nèi)漲、落潮流路產(chǎn)生分離，在南側(cè)以落潮流占優(yōu)，而北側(cè)以漲潮流占優(yōu)，因此漲憩時(shí)從圖5可看出北側(cè)的鹽度等值線大于南側(cè).從灘槽地形的差異的角度來(lái)看鹽度場(chǎng)的分布可知，在漲、落憩前后的時(shí)段內(nèi)，由于深槽的流速大于淺灘的流速，加快了深槽鹽度的運(yùn)動(dòng)，造成鹽度在同一橫斷面上的不均勻分布，從而形成了楔狀的等鹽度線，且深槽與淺灘地形差異越大，楔狀等鹽度線越明顯.

由于本次模擬的時(shí)間并非位于天文大潮期，漲憩和落憩時(shí)刻等鹽度線的變化過(guò)程基本一致，但從局部放大圖7和8中對(duì)比可以看出，其鹽度分布存在明顯的差異，落憩時(shí)等鹽度線0.25‰位于七堡附近，漲憩時(shí)上溯到七堡上游約2 km處.其余等鹽度線漲憩時(shí)也相應(yīng)比落憩時(shí)明顯上溯到更靠上游的位置.落憩時(shí)，等鹽度線以楔狀伸向下游，且楔狀體的軸線方向基本與落潮槽的走向一致，而在漲憩時(shí)等鹽度線的形狀則恰恰相反，等鹽度線以楔狀伸向上游，楔狀體的軸線方向基本與漲潮槽的走向基本重合.這一點(diǎn)體現(xiàn)在圖上的鹽度等值線最小值0.025‰處尤其明顯.

5 結(jié) 論

本文采用荷蘭Delft水工所Delft-3D模型的FlOW模塊，建立了二維水流、鹽度數(shù)學(xué)模型，對(duì)富春江電站以下至杭州灣澉浦——陶家路閘斷面之間的河段進(jìn)行了模擬計(jì)算.利用一次大范圍水文測(cè)驗(yàn)定點(diǎn)實(shí)測(cè)所得潮位、潮流和鹽度資料對(duì)建立的二維水流鹽度模型進(jìn)行了多次率定、驗(yàn)證，驗(yàn)證的結(jié)果相似性較好.表明模型具有一定的模擬能力，且能較準(zhǔn)確地模擬研究區(qū)域的二維水動(dòng)力條件；能夠較好的反映富春江電站以下至杭州灣澉浦——陶家路閘范圍內(nèi)潮波的傳播過(guò)程及鹽水入侵的情況，并在準(zhǔn)確模擬錢(qián)塘江河口水動(dòng)力特征和鹽度分布的基礎(chǔ)上，對(duì)一個(gè)周期鹽度場(chǎng)的特征進(jìn)行了分析論證.

[1] 姬戰(zhàn)生,孫映宏.杭州錢(qián)塘江灌區(qū)河網(wǎng)增加取水規(guī)模取水可靠性分析[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2015(2):12-16.

[2] 孫浙英,孫志林,許 丹.錢(qián)塘江飲用水源地含氯度受潮汐與徑流影響分析[J].人民長(zhǎng)江,2013(9):11-14.

[3] 許 丹,孫志林,祝麗麗,等.錢(qián)塘江河口鹽度數(shù)值模擬[J].海洋與湖沼,2013(4):829-836.

[4] 尤愛(ài)菊,吳芝瑛,韓曾萃,等.引水等綜合整治后杭州西湖氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)空變化(1985-2013年)[J].湖泊科學(xué),2015(3):371-377.

[5] 辜 勇.錢(qián)塘江杭州段深槽水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析與中心排放試驗(yàn)研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2013.

[6] 蔡 彥.紹興三江閘歷史考證[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2016,28(1):7-13.

[7] 浙江水利水電學(xué)院網(wǎng).浙江省水利學(xué)會(huì)水文化專(zhuān)業(yè)委員會(huì)會(huì)議暨“五水共治”背景下的水文化創(chuàng)新與實(shí)踐研討會(huì)在我校舉行[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2015,27(4):27.

[8] 邱志榮,魏義君.湘湖與浙東運(yùn)河的申遺建議和思考[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2015,27(1):1-6.

2D Numerical Simulation on Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

ZHANG Jie1, LU Yong2, ZHANG Hong-wu3

(1.Puyang River Basin Managemet of Xiaoshan District, Hangzhou 311201, China; 2.Qiantang River Irrigation District Management Office of Xiaoshan District, Hangzhou 311201, China; 3.State Key Lab of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Qiantang River is the longest river in Zhejiang province, famous for strong tide and tidal bore, with a typical estuary with strong tide. The plane of the estuary is a trumpet-shaped area, and as the flow and the tide interact, the intrusion of the saltwater is quite complicated. FLOW module from Delft-3D model built by Delft Water Conservancy Office in Netherlands is adopted, and a mathematical 2D model of flow and salinity is built, to simulate, validate and calculate the reach from Ganpu-Taojialu brake in Hangzhou Bay to Fuchun River plant, and the actual information of the tide level, the tidal wave and the salinity is utilized to rate and validate the mathematical 2D model of flow and salinity over and over again. The result is quite good, which indicates that the model has a capability of simulation, and can exactly simulate the 2D dynamical conditions of the studied area, and well reflect the wave transmission and the saltwater intrusion in the reach from Ganpu-Taojialu brake in Hangzhou Bay to Fuchun River plant.

Qiantang Estuary; numerical simulation; saltwater intrusion

2016-04-13

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2016YFC0402500);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51039003)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(M503254)

章 潔(1984-)，女，浙江杭州人，工程師，主要從事水利工程建設(shè)管理和規(guī)劃工作.

TV131.4

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1008-536X(2016)08-0014-05