南匯東灘圈圍工程對長江口河勢影響的數(shù)值模擬分析

顧 杰, 鄭宇華

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南匯東灘圈圍工程對長江口河勢影響的數(shù)值模擬分析

顧 杰, 鄭宇華

(上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306)

基于驗(yàn)證的MIKE21軟件長江口二維潮流數(shù)值模型, 計(jì)算和重點(diǎn)分析了南匯東灘促淤圈圍工程對長江口南槽、北槽和橫沙通道的影響。結(jié)果表明: 南匯東灘促淤圈圍工程束窄了南槽下段河道, 較大幅度地減小了該段的潮流量; 但南槽中段以下河段流速增加幅度較大, 河槽將會刷深, 河勢將得到發(fā)展; 江亞北槽將會得到發(fā)展, 北槽中段泥沙淤積現(xiàn)象將會加劇; 橫沙通道漲落潮流量大幅減少, 橫沙通道漲落潮流量與南槽漲落潮流量存在非常高的相關(guān)性, 這對橫沙通道作為航道開發(fā)和利用會帶來較為不利的影響。

長江口; 圈圍工程; 河勢演變; MIKE21軟件

河口地區(qū)屬于徑流與潮流相互作用最劇烈的地區(qū), 具有復(fù)雜的動力過程。長江作為我國第一大河, 其河口洋山港又是世界上最大的集裝箱港口, 因此一直受到許多研究者的重視。近年來, 隨著上海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 長江口許多重大涉水工程特別是圍墾工程的相繼實(shí)施, 對長江河口地區(qū)的水文、泥沙和河道地形等產(chǎn)生了較大的改變。趙恩寶等[1]通過建立三維潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析了橫沙東灘促淤圈圍工程對北槽深水航道的影響, 認(rèn)為工程實(shí)施后北槽中段航道回淤量略有減少, 而下段回淤量略有增加。李林江[2]等研究認(rèn)為南匯邊灘圍墾工程實(shí)施后, 南槽喇叭口形狀減小, 改變了漲潮流并減小了納潮量, 提高了南槽的分流比。劉紅[3]等認(rèn)為南槽上段近期地形沖刷是對長江口深水航道治理工程和南匯促淤圈圍工程等引起的落潮動力增強(qiáng)的自適應(yīng)反饋, 而南槽口外的沖刷過程則是對長江入海泥沙量減少的自適應(yīng)過程。劉高偉等[4]分析了南匯南灘的水沙現(xiàn)狀和變化特征, 認(rèn)為南匯南灘水域洪季落潮優(yōu)勢增強(qiáng)、枯季落潮優(yōu)勢減弱的主要原因是東海大橋及周邊促淤圍墾工程的影響。陳維等[5]認(rèn)為在深水航道工程等長江口周邊涉水工程的影響下, 北槽深水航道將持續(xù)淤積, 南槽河勢將得到發(fā)展。季嵐等[6]、程海峰等[7]認(rèn)為由于位于橫沙通道上游的北港主槽和其下游的北槽河勢比較穩(wěn)定, 橫沙通道的河槽容積和水深將保持穩(wěn)定, 未來橫沙通道可作為1萬~3萬t級船舶的航道開發(fā)。

現(xiàn)有的研究成果, 都是基于長江口深水航道工程、南匯邊灘及橫沙東灘促淤圈圍工程等工程實(shí)施后, 對長江河口地區(qū)的水文、泥沙和河道地形等發(fā)生變化的探索, 而對長江口深水航道淤積機(jī)理, 特別是對橫沙通道的演變認(rèn)識尚有不足。本文利用MIKE21軟件建立長江口二維潮流數(shù)學(xué)模型, 計(jì)算分析了南匯東灘近期促淤圈圍工程對長江口河勢演變的影響, 為長江口灘涂資源可持續(xù)利用、橫沙通道開發(fā)以及深水航道的維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 南匯東灘促淤圈圍工程介紹

南匯東灘促淤圈圍一、二期工程促淤總面積為1.49萬hm2, 其中大治河以北促淤面積為0.61 萬hm2,大治河以南促淤面積為0.88 萬hm2(見圖1)[8]。整個促淤區(qū)南北向長 23.9~27.3 km, 東西向?qū)?2.6~9.8 km。工程位于南槽右側(cè)邊灘, 南槽是約70%船只進(jìn)出長江口的交通航道, 南槽左側(cè)是九段沙國家生態(tài)保護(hù)區(qū), 左外側(cè)是北槽深水航道, 工程區(qū)上接浦東國際機(jī)場和外高橋港區(qū), 下臨上海臨港新城, 外接洋山深水港, 工程的河勢影響和環(huán)境影響極為敏感。

2 研究方法

2.1 模型簡介

MIKE21是丹麥水力研究所(DHI)研發(fā)的系列水動力學(xué)軟件之一, 主要模擬河流、湖泊、河口、海洋及海岸的水流、波浪、泥沙及環(huán)境變化, 為工程應(yīng)用、海岸管理及規(guī)劃提供了正確有效的分析設(shè)計(jì)環(huán)境。Mike 21 Flow Model(FM)子模塊屬于二維潮流模型, 根據(jù)Boussinesq假設(shè)、靜水壓力假設(shè)、淺水條件和適定邊界條件, 通過控制體積法求解不可壓縮的雷諾平均Navier-Stokes概化的淺水方程[9]。

2.2 模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格

模型的計(jì)算范圍西起長江口的潮流界江陰, 東至外海–40 m等深線, 北至連興港的北側(cè), 南至金山區(qū)北向東延伸。其跨度為: 東西280 km, 南北210 km。模型采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格, 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為13 613個, 網(wǎng)格單元數(shù)為25 420個, 網(wǎng)格由外向內(nèi)包括工程區(qū)域逐漸加密, 模型計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。近海及河道地形數(shù)據(jù)主要采用2008~2012年測量數(shù)據(jù)。

2.3 參數(shù)設(shè)置與驗(yàn)證

模型上邊界江陰采用實(shí)測流量控制, 外海邊界采用同濟(jì)大學(xué)提供的東中國海大模型推導(dǎo)的全球潮汐調(diào)和常數(shù)控制[10], 陸邊界采用不可移滑條件。模型計(jì)算時間步長取0.1~30 s(收斂條件CFL<1); 水平渦黏性系數(shù)(Samagorinsky)取0.28; 模型采用干濕動邊界處理技術(shù), 干點(diǎn)臨界水深取0.005 m, 濕點(diǎn)臨界水深取0.05 m; 底部糙率曼寧數(shù)取0.012 5。選用2004年5月5日6: 00~2004年5月6日6: 00間主河道里3個潮位觀測點(diǎn)及3個流速觀測點(diǎn)的實(shí)測潮位及流速資料[11]進(jìn)行驗(yàn)證, 驗(yàn)證結(jié)果見圖3。從圖中可以看出, 高橋、共青圩和六滧測點(diǎn)的潮位計(jì)算值及bg0、CS0和CS1測點(diǎn)的流速、流向計(jì)算值均與實(shí)測值擬合較好(圖3)。因此, 本模型可用于計(jì)算分析南匯東灘促淤圈圍工程對長江口河勢演變的影響。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

為分析南匯東灘促淤圈圍工程對長江口河勢演變產(chǎn)生的影響, 本研究共設(shè)定了4個方案進(jìn)行模擬計(jì)算, 分別是枯季工程前、枯季工程后、洪季工程前和洪季工程后?？菁灸M計(jì)算時間設(shè)定為2004年1~ 4月, 上邊界流量取概率為50%的16 300 m3/s; 洪季模擬計(jì)算時間設(shè)定為2004年6~9月, 上邊界流量取概率為50%的39 600 m3/s[10]。主要河道中設(shè)置潮位、流速、流向觀測點(diǎn)及流量觀測斷面(如圖4), 為敘述方便, 下文所述北槽上段為北槽觀測斷面1(BC1)~斷面2(BC2), 北槽中段為觀測斷面2~斷面3(BC3), 北槽下段為觀測斷面3~斷面4(BC4); 南槽上段為觀測斷面1(NC1)~斷面2(NC2), 南槽中段為觀測斷面2~斷面3(NC3), 南槽下段為觀測斷面3~斷面4(NC4)。

3.1 各汊道洪、枯季最大流速的變化

最大流速表征挾沙能力的大小, 根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果(表1), 各汊道分析如下:

1) 橫沙通道漲落潮最大流速出現(xiàn)了較大幅度的減小, 最大流速減小程度枯季大于洪季、漲潮流大于落潮流, 漲潮流最大流速減小程度為8.42%, 落潮流最大流速減小程度為3.22%; 顯然, 工程對橫沙通道水動力影響較為顯著, 漲落潮最大動能顯著減小。

2) 北槽上中下4個觀測點(diǎn)洪、枯季漲落潮最大流速變化都很接近。洪、枯季落潮流流速上段增加, 下段減小, 但增大和減小程度都小于1.0%; 洪枯季漲潮時, 最大流速均出現(xiàn)了一定程度的減小, 特別在北槽中段, 洪季漲潮流最大流速減小程度都超過3.0%, 而北槽深水航道中段回淤量一直比較大, 漲潮流最大流速的減小說明北槽中段的回淤量會有增加的趨勢。

3) 南槽沿程5個觀測點(diǎn), 漲落潮最大流速變化不一。觀測點(diǎn)nc1洪、枯季漲落潮最大流速減小程度落潮流大于漲潮流, 落潮最大流速減小程度達(dá)4.37%。而北槽觀測點(diǎn)bc1落潮流最大流速是增加的, 且斷面BC1比NC1斷面平均水深要深2 m左右, 顯然, 工程后會有更多的泥沙從北槽走。

觀測點(diǎn)nc2洪、枯季漲落潮最大流速增加較為明顯, 增加程度落潮流枯季大于洪季, 漲潮流洪季大于枯季, 增加最大的為10.44%, 增加最小的也達(dá)6.69%。從流向上看, 落潮流沿河槽走; 而漲潮時, 流向指向北槽, 顯然, 工程后南槽中段增大的流速對上段并沒有產(chǎn)生動力上的影響。

表1 洪、枯季工程前后落、漲潮流最大流速及總流速的變化率

注: “–”代表流速變小

觀測點(diǎn)nc3洪、枯季最大流速變化表現(xiàn)為落潮流增大漲潮流減小, 洪、枯季落潮流最大流速增大程度基本接近, 為5.4%左右, 且落潮流沿著主槽走; 漲潮流最大流速減小程度枯季大于洪季, 枯季為4.93%, 洪季僅為0.75%, 漲潮流流向指向北槽。

觀測點(diǎn)nc4洪、枯季漲落潮最大流速都是增加的, 增加程度落潮流大于漲潮流。落潮流流速變化洪枯季為3.0%左右, 落潮流仍沿著主槽走; 漲潮流流速變化洪枯季為略大于1.0%, 漲潮流流向仍然指向北槽。

觀測點(diǎn)nc5洪枯季最大流速變化落潮流增大漲潮流減小, 但落潮流最大流速增加程度小于0.93%, 而漲潮流最大流速減小程度大于2%, 流向與上述3個觀測點(diǎn)一致。

由此可以判斷, 工程后, 落潮流將使南槽河段從中段至下段河槽河勢得到發(fā)展; 而漲潮流指向北槽, 主要沿江亞北槽流向北槽, 江亞北槽將會得到發(fā)展, 江亞南沙與九段沙在一定程度上會受到侵蝕; 水流經(jīng)江亞北槽進(jìn)入北槽后, 北槽中段漲潮流將會受到抑制, 對北槽中段以下河段會產(chǎn)生較為不利的影響。

3.2 各汊道洪、枯季漲落潮總流速的變化

觀測點(diǎn)流速的累加值表征該點(diǎn)單寬總動量的大小, 根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果(表1), 各汊道分析如下:

1) 橫沙通道漲落潮總流速出現(xiàn)了較大幅度的減小, 減小程度洪季大于枯季、漲潮流大于落潮流。洪季漲、落潮總流速減小程度最大分別為10.45%和6.21%; 枯季漲、落潮總流速減小程度最大分別為8.83%和5.13%。顯然, 橫沙通道洪、枯季漲落潮總動量大幅減小, 對泥沙輸運(yùn)將會產(chǎn)生不利的影響。

2) 觀測點(diǎn)bc1總流速變化為漲潮流減小、落潮流增加, 漲潮流總流速洪、枯季減小程度大于4.0%, 而落潮流總流速增大程度小于1.0%。北槽其余3個觀測點(diǎn)洪、枯季漲落潮總流速都出現(xiàn)了一定程度的減小, 總流速減小程度漲潮流洪季大于枯季、落潮流枯季大于洪季。其中, 洪季漲、落潮流總流速減小程度最大分別為5.11%和1.12%, 枯季漲、落潮流總流速減小程度最大分別為3.57%和2.22%, 且漲、落潮總流速減小程度都較顯著。顯然, 工程對北槽全河段的影響都是不利的, 尤其對北槽中段以下河段的影響較為顯著。

3) 南槽沿程5個觀測點(diǎn), 洪、枯季漲落潮總流速變化不一。觀測點(diǎn)nc1洪、枯季漲落潮總流速都有所減小, 減小程度大于1.73%; 觀測點(diǎn)nc2洪、枯季漲落潮總流速都出現(xiàn)了較大程度的增加, 增加程度大于5.0%; 觀測點(diǎn)nc3洪、枯季總流速落潮流增加、漲潮流減小, 落潮流總流速增加程度大于2.30%, 漲潮流總流速減小程度小于2.78%; 觀測點(diǎn)nc4洪、枯季漲落潮總流速都出現(xiàn)了一定程度的增加, 總流速增加程度洪季大于枯季、落潮流大于漲潮流, 落潮流總流速增加程度最大為2.87%, 漲潮流總流速增加程度最小為2.30%。顯然, 觀測點(diǎn)nc2~nc4河段, 由于漲落潮單寬總動量凈增加較大, 河段將出現(xiàn)持續(xù)的沖刷。觀測點(diǎn)nc5洪、枯季漲落潮總流速都有所減小, 且減小程度大于1.5%, 而觀測點(diǎn)nc5設(shè)置在南匯東灘促淤圈圍工程河段深槽中, 河段縮窄后, 觀測點(diǎn)nc5洪、枯季漲落潮總流速理應(yīng)增加, 顯然, 觀測點(diǎn)nc5河段高流速區(qū)發(fā)生了改變, 即觀測點(diǎn)nc5河段水下深槽位置將發(fā)生改變。

3.3 圍墾工程對河道流量的影響

在南匯東灘促淤圍墾工程影響下, 由于南槽納潮量減小了, 各汊道觀測斷面的流量變化如下。

1) 表2和表3分別為模擬計(jì)算得到的南槽主要觀測斷面工程前后洪、枯季漲落潮流量變化情況。落潮時, 水流從斷面NC1 流至NC4時工程后流量都減小了, 但水流至各斷面流量變化有些差異。水流從斷面NC1 流至NC2時, 流量是減小的, 說明工程后由北槽流入南槽的水變少了; 水流從斷面NC2 流至NC3時, 流量是增加的, 但洪枯季絕對增加量工程前后基本相同, 說明水從北槽流進(jìn)南槽的量維持不變; 從斷面NC3 流至NC4時, 流量也是增加的, 但工程后增加程度變小了, 這與北槽斷面NC3流量變小有一定關(guān)系, 且洪、枯季由北槽進(jìn)入南槽的水基本相同。進(jìn)一步分析南槽各斷面流量之比及它們的關(guān)系曲線(如圖5), 工程后南槽洪枯季沿程斷面流量之比幾乎是一條直線, 說明南槽沿程容積與流量關(guān)系變化趨于一個常數(shù), 即北槽沿程進(jìn)入南槽多少水量是由南槽容積大小決定的, 這對南槽的河勢發(fā)展較為有利, 而對北槽的河勢發(fā)展應(yīng)該是不利的, 因?yàn)楸辈垩爻潭荚谙蚰喜邸柏暙I(xiàn)”一定的河勢動力。漲潮時, 枯季由于徑流動力弱, 漲潮量遠(yuǎn)大于洪季漲潮量(表3), 但水流從斷面NC4流至NC1時, 沿程流量變化也都是減小的, 說明南槽沿程都有水進(jìn)入北槽, 而工程后, 洪、枯季沿程斷面流量之比變小了, 說明由南槽進(jìn)入北槽的水量減小了。由圖5可知, 由南槽進(jìn)入北槽的水, 主要是通過江亞北槽進(jìn)入北槽, 北槽中下段河勢處于較為不利的形勢。

表2 南槽各斷面落潮流流量及其變化

注:“前”表示“工程前”, “后”表示“工程后”。(表3、表4、表5、表6同)

表3 南槽各斷面漲潮流流量及其變化

2) 北槽沿程4個斷面洪、枯季漲、落潮工程前后流量變化有較大的差異(表4、表5)。落潮時, 斷面BC1和BC2流量略有增加, 斷面BC1流量增加, 主要是南港進(jìn)入北槽的水分流比增加了, 斷面BC2流量增加, 則是北港和橫沙通道共同增加流入的水; 斷面BC3和BC4流量略有減少, 減少的流量主要進(jìn)入了南槽; 斷面BC1與BC2、斷面BC3與BC4工程前后斷面間的流量比值洪、枯季完全相同(圖6), 比值不變河段容積大小在這里起了主要作用; 斷面BC2~BC3, 兩斷面的流量比工程后洪枯季都是增大的, 說明斷面BC2~BC3河段工程后流量增加量變小了, 即工程后該河段有更多的水通過江亞北槽進(jìn)入了南槽。漲潮時, 盡管工程后漲潮流量有所減小(表5),但工程前后枯季與枯季、洪季與洪季漲潮流量沿程變化率及各斷面之間的比值基本相同(圖6), 顯然, 北槽沿程各斷面之間漲潮流量存在一個確定的關(guān)系,若某一斷面流量發(fā)生較大的改變, 沿程流量都會隨之調(diào)整。從斷面BC4~BC3, 流量是減小的, 減小的流量主要通過橫沙東灘淺灘流入北港; 從斷面BC3~BC2, 流量是增加的, 增加的流量由南槽的漲潮流通過江亞北槽進(jìn)入北槽; 從斷面BC2~BC1, 流量是減小的, 減小的流量主要通過橫沙通道流向北港。北槽沿程流量的減小與增加顯然由北槽沿程容積與流量關(guān)系控制了, 而江亞北槽在平衡北槽沿程容積與流量關(guān)系中扮演了重要的角色, 南槽、江亞北槽、北槽中上段和橫沙通道構(gòu)成了較強(qiáng)的河系關(guān)系, 這對北槽中下段河段會產(chǎn)生不利的影響。

表4 北槽各斷面落潮流流量及其變化

表5 北槽各斷面漲潮流流量及其變化

3) 南匯東灘促淤圈圍工程對北槽流量的影響最大不超過4.0%(表4、表5), 對橫沙通道漲潮流流量的影響卻接近9.0%, 對落潮流流量的影響也超過5.0%(表6), 雖然橫沙通道與北槽直接連通, 與南槽的聯(lián)系隔著北槽, 但南匯東灘促淤圍墾工程對橫沙通道的水流影響更大, 顯然, 橫沙通道水流與南槽水流存在聯(lián)系。

表6 橫沙通道工程前后洪、枯季觀測斷面流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為了分析橫沙通道流量與南槽、北槽流量相關(guān)程度, 用斷面HS、NC3、BC3作為分析對象, 將計(jì)算時段兩個月的潮周期里的流量按漲落潮各自累加, 得到潮周期漲落潮流量過程(如圖7), 再利用這個流量過程分析它們的相關(guān)性。圖8、圖9分別是斷面HS與NC3、BC3漲落潮流量關(guān)系散點(diǎn)圖, 從圖中可以看出, HS與NC3比HS與BC3在流量上有更好的相關(guān)性。通過計(jì)算得到: 落潮時, HS與NC3的相關(guān)系數(shù)為0.957, 與BC3的相關(guān)系數(shù)為0.872; 漲潮時, 兩者分別為0.988和0.93。可以看出, HS流量與NC3流量相關(guān)系數(shù)更大, 特別是漲潮流流量兩者相關(guān)系數(shù)接近于1.0, 顯然, 斷面HS流量與NC3流量有著更緊密的聯(lián)系, 這個聯(lián)系正是通過江亞北槽構(gòu)成的。由于北港輸沙量較南港輸沙量大兩倍左右, 而橫沙通道直接貫通了北港和北槽之間的水沙交換[5], 因此, 南匯東灘促淤圈圍工程對橫沙通道會產(chǎn)生較大的影響, 特別對橫沙通道作為航道開發(fā)與利用會帶來極為不利的影響。

4 結(jié)論

本文利用MIKE21建立的長江口二維潮流數(shù)值模型, 分析了南匯東灘促淤圈圍工程對長江口南槽、北槽和橫沙通道的影響, 得到的結(jié)論主要如下:

1) 南匯東灘促淤圈圍工程束窄了南槽下段河道, 改變了南槽河道邊界, 較大幅度地減小了南槽漲落潮流量, 增加了南槽中段以下河段的流速。南槽河勢的改變對橫沙通道、北槽流速及流量都產(chǎn)生了較大的影響, 橫沙通道洪枯季漲落潮流速與流量減小都較大, 北槽減小次之。

2) 南槽中段以下河段洪枯季漲落潮流速增加幅度較大, 南槽中段以下河槽將會刷深, 河勢將得到發(fā)展。

3) 江亞南沙和九段沙會受到一定程度的侵蝕, 江亞北槽會得到發(fā)展, 而江亞北槽的發(fā)展, 在一定程度上會減小北槽中段的流速及流量, 對北槽中段河勢發(fā)展較為不利。

4) 橫沙通道流量和南槽流量存在非常高的相關(guān)性, 工程后因橫沙通道水流流速與流量減小都較大, 未來對橫沙通道作為航道開發(fā)和利用會帶來較為不利的影響。

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Numerical analysis of the impact of the Nanhui East Tidal Flat reclamation project on river regime evolution in the Yangtze Estuary

GU Jie, ZHENG Yu-hua

(College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

To study the impact of the Nanhui East Tidal Flat reclamation project on river regime evolution in the Yangtze Estuary, a two-dimensional tidal flow numerical model of the estuary was established based on the MIKE21 model. The model was calibrated with field data and the analysis focused on the North, South, and Hengsha Passages. The numerical results show that after the reclamation project the tidal discharge greatly decreases and the velocity significantly increases in the South Passage due to a reduction in river width. This results in river bed scour and the river regime developing downstream from the middle of the South Passage. Although the Jiangya North Passage will be developed, the sedimentation in the middle of the North Passage will be intensified. The tidal discharge in the Hengsha Passage shows a high correlation with that in the South Passage and dramatically decreases. This may have a negative effect on the development and utilization of the Hengsha Passage as a navigation channel. These research results present significant scientific guidelines on both unpredictable problems in river regime control and the reclamation project itself.

the Yangtze Estuary; reclamation project; river regime evolution; MIKE21 model

TV147.5

A

1000-3096(2017)01-0065-11

10.11759/hykx20160807001

2016-08-07;

2016-11-28

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2012CB957704)

顧杰(1961-), 男, 江蘇興化人, 教授, 博士, 主要從事水文、海岸工程和環(huán)境工程等研究, E-mail: jgu@shou.edu.cn; 鄭宇華, 女, 通信作者, 碩士, 電話: 18516587308, E-mail: yuvaz@sina.com

Aug. 7, 2016

[National Key Basic Research Development Program of China, No.2012CB957704]

(本文編輯: 劉珊珊)