不同水文條件下通州沙河段沿程分流分沙特征

王金華，聞云呈，章衛(wèi)勝

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210029)

不同水文條件下通州沙河段沿程分流分沙特征

王金華，聞云呈，章衛(wèi)勝

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210029)

通州沙河段受徑流與潮流雙重作用，江中沙洲、暗灘交替分布，江心洲灘沖淤演變劇烈，航道邊界條件不穩(wěn)定。通過三維水沙數(shù)學(xué)模型對天然河段洪、枯季水流條件的沿程分流、分沙比及灘槽過渡斷面的水沙交換特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，通州沙東水道是主要的漲落潮通道，落潮時(shí)上游分流比約90%，往下游分流比逐漸減小至75%左右；漲潮時(shí)東水道下游分流比約70%，上游段受西水道漫灘流影響東水道分流比增至85%～90%。洪、枯季落潮期間通州沙東水道的分沙比較對應(yīng)的分流比有所增加，洪季漲潮期間通州沙東水道的分沙比較對應(yīng)的分流比有所減小，枯季時(shí)變化相對不明顯。通州沙下段左緣水流交換和懸沙交換的格局相同，均以槽向?yàn)橹?，狼山沙右緣水沙交換通量較小。

通州沙； 潮流泥沙數(shù)學(xué)模型； 分流比； 分沙比

長江下游通州沙河段，受徑流與潮流雙重作用，江中沙洲、暗灘交替分布，江心洲灘沖淤演變劇烈，航道邊界條件極不穩(wěn)定[1]，是長江南京以下12.5 m深水航道工程的主要礙航淺段之一。該河段分布有通州沙、狼山沙、新開沙、褲子港沙以及鐵黃沙等沙體。通州沙沙體上有五干河對開斜向竄溝和左緣姚港對開竄溝發(fā)育，通州沙及狼山沙沙體間有萎縮的狼山沙中水道，水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

通州沙東水道、狼山沙東水道的航道主導(dǎo)右邊界持續(xù)沖刷后退，河道展寬，深槽向?qū)挏\方向發(fā)展而導(dǎo)致水流分散，新開沙和褲子港沙下段不斷淤積南下，左岸近岸低邊灘淤積南壓擠壓主航槽，造成通州沙東水道與狼山沙水道之間存在淺段，局部水深不足，成為海輪進(jìn)江航道的阻礙[1]。

針對通州沙河段相繼開展了包括現(xiàn)場觀測[2-3]、物理模型[4-7]及數(shù)學(xué)模型[8-10]等研究工作，這些研究增進(jìn)了對該河段河床沖淤變化的認(rèn)識，為河段整治規(guī)劃提供了有力支撐?，F(xiàn)有數(shù)學(xué)模型研究主要采用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型。由于該河段水流結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且考慮到通州沙河段的分流分沙特性與該河段的灘槽演變緊密相關(guān)，對天然河段條件下沿程的分流分沙變化規(guī)律仍有待深入研究。綜合上述因素，本文基于三維水沙數(shù)學(xué)模型，在模型驗(yàn)證基礎(chǔ)上著重對通州沙河段不同水沙條件下的水沙交換特性進(jìn)行模擬分析。

1 數(shù)學(xué)模型建立與驗(yàn)證

采用三維非結(jié)構(gòu)有限體積波流泥沙耦合數(shù)學(xué)模型[11-12]進(jìn)行模擬。模型垂向采用Sigma坐標(biāo)系，使用改進(jìn)后的Mellor-Yamada 2.5階紊流閉合模型[13]和Smagorinsky公式[14]分別計(jì)算垂向與水平渦黏性系數(shù)，利用模分離技術(shù)求解動量方程。

模型范圍為上游的江陰至下游的徐六涇，總長約90 km。上下游開邊界采用水位和流量進(jìn)行控制，網(wǎng)格單元數(shù)60 591個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)31 112個(gè)，垂向分為8個(gè)Sigma層。模型選取2010年7月和2012年12月作為洪、枯季的代表水文條件。

圖2 潮位驗(yàn)證Fig.2 Tidal level verification

數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證主要針對水位、水流及含沙量，驗(yàn)證點(diǎn)位置見圖1，選擇2010年7月洪季實(shí)測水文條件進(jìn)行驗(yàn)證。圖2給出了模擬水位與實(shí)測值對比結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)模型較好地再現(xiàn)了模擬河段的水位變化過程，潮汐振幅及高低潮發(fā)生時(shí)刻均與實(shí)測值吻合良好，潮位平均誤差小于0.10 m。洪季大潮水流流速流向驗(yàn)證結(jié)果見圖3，模擬的表、中、底層水流流速、流向及水流變化過程與實(shí)測結(jié)果吻合良好；水流流速表層較大，向底層流速漸小，幾個(gè)測點(diǎn)處的表底層流向較為一致；模擬期間的上游來流量較大，導(dǎo)致模擬區(qū)域的上游流向基本為落潮流向，區(qū)域下游附近漲潮動力較強(qiáng)，在一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)一段漲潮流，漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí)。圖4給出了含沙量分層驗(yàn)證結(jié)果，幾個(gè)測點(diǎn)的含沙量模擬結(jié)果與實(shí)測值吻合良好，再現(xiàn)了懸沙的垂向及沿程變化。驗(yàn)證結(jié)果表明建立的數(shù)學(xué)模型較好地模擬了長江三沙河段的水沙運(yùn)動特性，為下文水沙交換的研究奠定了基礎(chǔ)。

圖1 計(jì)算范圍及驗(yàn)證點(diǎn)位置Fig.1 Calculation area and positions of verification points

圖3 分層流速流向驗(yàn)證Fig.3 Tidal velocity and direction verification

圖4 分層含沙量驗(yàn)證Fig.4 Multi-level sediment concentration verification

2 通州沙河段分流分沙比

2.1 枯洪季通州沙河段沿程分流比

圖5 洪枯季通州沙河段沿程分流比Fig.5 Diversion ratio of flow along Tongzhousha reach during flood and dry seasons

圖5給出了通州沙河段的沿程分流比。從洪、枯季漲落潮期間的分流比來看，通州沙東水道、狼山沙東水道是通州沙河段的主要漲落潮通道，受灘槽水流交換的影響，沿程分流比發(fā)生變化。

洪季大潮漲潮時(shí)，狼山沙東水道、西水道、福山水道的分流比分別為68.7%，27.8%和3.5%，隨著漲潮流上溯，一部分狼山沙東水道的水體經(jīng)狼山沙與通州沙之間的竄溝向通州沙中部及西水道運(yùn)動，在營船港斷面處通州沙東水道、沙體中部、西水道分流比分別為62.7%，17.6%和19.7%，在任港、西界港斷面處東水道的分流比達(dá)到83.8%。

洪季大潮落潮時(shí)，通州沙河段上游任港與西界港斷面處，東水道分流超過90%；下游通州沙東水道部分水流向通州沙中部及通州沙西水道分流，至營船港斷面處，通州沙東水道、中間竄溝、西水道的分流比分別為82.6%，9.1%和8.3%；在狼山沙斷面處，部分東水道內(nèi)的水流經(jīng)狼山沙與通州沙之間的竄溝向狼山沙西水道分流，狼山沙東水道的分流比進(jìn)一步減小至74.6%，西水道的分流比增加至24.4%，而鐵黃沙西側(cè)的福山水道分流比僅占1.0%。

枯季大潮漲落潮期間的分流比見圖5(c)和(d)。可以發(fā)現(xiàn)枯季大潮在漲落潮期間各斷面分流比與洪季大潮期間各斷面分流比基本相同，洪、枯季雖然上游來流量不同，但受通州沙水下地形格局控制，漲落潮分流比仍以通州沙東水道為主。其中漲、落潮時(shí)通州沙東水道分流比較洪季有所增加，漲、落潮時(shí)營船港斷面處東水道分流比增加了8.7%和2.4%，這是由于枯季時(shí)水位較洪季偏低，漲落潮流主要集中于主水道內(nèi)，淺灘流相對較弱所導(dǎo)致。

2.2 枯洪季通州沙河段沿程懸沙分沙比

各汊道懸沙的分沙比與分流比沿程變化情況基本相似(圖6)，洪季大潮漲潮時(shí)，懸沙隨漲潮流從狼山沙東、西水道向上游輸移，其中狼山沙東水道懸沙所占比例較大約75%，在通州沙中部，部分東水道泥沙越過灘面向西水道及中間竄溝輸運(yùn)，而在通州沙沙頭附近灘面上的泥沙又部分匯入東水道。落潮時(shí)，通州沙東水道水體中部分懸沙進(jìn)入灘面，懸沙輸移仍以通州沙東水道為主，分沙比超過90%?？菁緷q落潮期間的分沙比與洪季時(shí)相似。對比洪枯季的沿程分流、分沙比，洪、枯季落潮期間通州沙東水道的分沙比較對應(yīng)的分流比有所增加、洪季漲潮期間通州沙東水道的分沙比較對應(yīng)的分流比有所減小，枯季時(shí)變化相對不明顯。分析其原因，主要是因?yàn)楹榧韭涑绷鬏^大、通州沙東水道懸沙量有所增加，而漲潮期間，受上游大徑流頂托影響，東水道懸沙量有所減小有關(guān)。

2.3 灘槽交界處水沙交換

為進(jìn)一步了解灘槽交界處的水沙交換過程，選取了圖6(d)中分別位于通州沙與狼山沙竄溝及狼山沙右緣灘槽交界處的E，W兩點(diǎn)，給出了洪季、枯季兩個(gè)點(diǎn)位處的水位、單寬流量、單寬泥沙通量過程(見圖7)，其中單寬流量、泥沙量的正值代表灘向槽方向的輸運(yùn)，而負(fù)值代表槽向?yàn)┓较虻妮斶\(yùn)。

圖6 洪枯季通州沙河段沿程分沙比Fig.6 Diversion ratio of sediment along Tongzhousha reach during flood and dry seasons

圖7 洪枯季灘槽水沙交換過程Fig.7 Water-sediment exchange along shoal-ditch section during flood and dry seasons

洪季大潮時(shí)，通州沙灘槽交界上(E點(diǎn))的單寬流量、輸沙過程線與相位基本一致，與水位存在1～2 h的相位差，漲落潮時(shí)以向?yàn)┓较蜉斏痴贾鲗?dǎo)，其中向?yàn)┓较蜃畲髥螌捿斏沉考s0.5 kg/(s·m)發(fā)生于低潮位后1～2 h，隨水位升高向?yàn)┓较虻妮斏沉繚u減，灘槽水沙交換量與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果相近[3]。狼山沙灘槽交界上(W點(diǎn))灘向槽、槽向?yàn)┑膯螌捘嗌惩烤鄬^小，最大值僅為0.05 kg/(s·m)，灘向槽的最大單寬輸沙量發(fā)生于高水位前2 h左右，槽向?yàn)┑陌l(fā)生于高水位后2～3 h。枯季大潮時(shí)，E點(diǎn)單寬流量、輸沙過程變化特征與洪季類似，槽向?yàn)┑妮斏痴贾鲗?dǎo)，其最大單寬輸沙量約0.15 kg/(s·m)發(fā)生于低潮位后1 h左右，隨水位升高輸沙量漸減。W點(diǎn)灘向槽、槽向?yàn)┑膯螌捘嗌惩烤鄬^小，最大約0.01 kg/(s·m)，灘向槽最大單寬輸沙量發(fā)生于高水位前3 h左右，槽向?yàn)┑陌l(fā)生于高水位后2～3 h。

圖8 洪枯季灘槽斷面流速和含沙量分布特征Fig.8 Distribution characteristics of flow and sediment along shoal-ditch section during flood and dry seasons

圖8給出了狼山沙斷面在洪、枯季漲落潮期間的灘槽斷面流速及含沙量分布，近底含沙量大小與河床底部水動力大小緊密相關(guān)。從流速分布來看槽內(nèi)流速相對較大，對應(yīng)的東西水道內(nèi)近底層含沙量也相對較高，洪季流速大于枯季，其近底含沙量也大于枯季，模擬結(jié)果與現(xiàn)場觀測結(jié)果吻合較好[15]。灘槽斷面的流速、含沙量分布也在一定程度上決定了該河段灘槽交界處的水沙交換特征。

3 結(jié) 語

建立了三沙河段三維水沙數(shù)學(xué)模型，模擬分析結(jié)果與實(shí)測值吻合良好，再現(xiàn)了洪、枯季水流條件下三沙河段的水沙運(yùn)動過程，在此基礎(chǔ)上著重分析了通州沙天然河段洪、枯季的沿程分流、分沙變化，以及灘槽過渡斷面的水沙交換特征。

研究表明，通州沙東水道是主要的漲落潮通道，落潮時(shí)上游分流比約90%，往下游分流比逐漸減小至75%左右，西水道分流比逐漸增加；漲潮時(shí)東水道下游分流比約70%，至上段受西水道漫灘流影響東水道分流比增至85%～90%。對比洪枯季的沿程分流、分沙比，通州沙東水道沿程分流比與分沙比變化趨勢相同，洪、枯季落潮期間通州沙東水道的分沙比較對應(yīng)的分流比有所增加，洪季漲潮期間通州沙東水道的分沙比較對應(yīng)的分流比有所減小，枯季時(shí)變化相對不明顯。通州沙下段左緣水流交換和懸沙交換的格局相同，均以槽向?yàn)橹鳎巧缴秤揖壦辰粨Q通量較小。

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Water-sediment diversion ratio along Tongzhousha shoal reach under different hydrological conditions

WANG Jinhua， WEN Yuncheng， ZHANG Weisheng

(StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

The river regime of the Tongzhousha shoal is controlled by both the actions of the river runoff and tidal current. There are many shoals and ditches existing in the river, and a rapid evolution by erosion and deposition makes the channel boundary conditions become unstable. Using a three-dimension mathematical model, the analyses of the diversion ratio of flow and sediment in flood and dry seasons and the water-sediment exchange characteristics along the shoal-ditch section were carried out. The analysis results indicate that the east waterway is the main channel. During the ebb tide, the upstream diversion ratio is about 90%, and the diversion ratio decreases by 75% at the downstream. The diversion ratio is about 70% in the downstream, and increases by 85%～ 90% during the flood tide as a result of the overflow from the west waterway. During the ebb tide, the sediment diversion ratio, comparing corresponding diversion ratio, increases in both flood and dry seasons. In contrast, the diversion ratio of sediment during the flood tide in the flood season decreases, comparing corresponding diversion ratio, while no significant changes are found during the dry season. The same water-sediment exchange characteristics are found along the left side at the lower Tongzhousha shoal, and the primary transport direction is from the ditch to the shoal, and there is a smaller water-sediment exchange flux at the right side of the Langshansha shoal.

Tongzhousha shoal; mathematical model for tidal current and sediment; diversion ratio of flow; diversion ratio of sediment

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.001

2016-06-29

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0401505)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51309157)；交通運(yùn)輸部重大科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201132874660)

王金華(1984—)，男，江蘇連云港人，高級工程師，博士，主要從事潮流泥沙數(shù)值模擬研究。 E-mail: whj6610@163.com

TV147; O352

A

1009-640X(2017)03-0001-07

王金華， 聞云呈， 章衛(wèi)勝. 不同水文條件下通州沙河段沿程分流分沙特征[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2017(3): 1-7. (WANG Jinhua, WEN Yuncheng, ZHANG Weisheng. Water-sediment diversion ratio along Tongzhousha shoal reach under different hydrological conditions[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(3): 1-7. (in Chinese))