擋潮閘外遷對閘下水動力特征影響的概化模型研究

朱延熙，諸裕良，黃惠明，王燁人

(河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098)

圖1 王港河口工程區(qū)示意圖Fig.1 Wanggang estuary location

修建擋潮閘是潮汐河口地區(qū)防洪擋潮、御鹵蓄淡的重要工程措施，對城市水景觀的改善以及水文化的提升具有積極作用。然而，擋潮閘建成后亦會產(chǎn)生諸多負(fù)面影響，如閘下淤積、水體污染、阻隔洄游魚類生態(tài)通道等[1]，其中，閘下淤積是淤泥質(zhì)海岸河口建閘后普遍存在的問題[2]。隨著近年沿海圍墾工程的開展，淤積進一步加劇，海岸線不斷向外擴張[3]。針對閘下淤積：竇國仁[4]研究射陽河閘，總結(jié)出淤積的發(fā)生條件和影響因素；刑煥政[5]發(fā)現(xiàn)海河閘下泥沙源于河口水下三角洲和淤泥質(zhì)暗灘；張金善等[6]提出水流挾沙力不對稱、輸沙不均衡致使河道持續(xù)淤積；繳健等[7]通過多地閘下淤積案例得出，潮差越大，帶入河道泥沙越多，閘下河道越長，淤積總量越大；閘下淤積的主要沙源為海相來沙[8]。目前，有許多防淤清淤措施[9]，但對于長期淤堵的老舊河閘效果并不理想。為此，人們開展擋潮閘外遷工程，但因案例較少，外遷后相關(guān)影響研究仍較為欠缺。

河口概化模擬[10]是將研究對象進行概化，得到具普遍性的河口模型，雖與原型河口不同，卻能反映內(nèi)在本質(zhì)。徐雪松[11]建立射陽河口概化模型，探討潮波變形的影響因素；江遼[12]對珠江黃茅海河口及崖門水道進行概化模擬，開展數(shù)值試驗；任艷粉[13]通過概化模型試驗，分析黃河口演化過程。本文通過概化模擬王港河口，研究擋潮閘外遷對閘下水動力特征的影響。

王港河口位于鹽城大豐港南部(圖1)，入海港道在王港閘遷移工程中被“裁彎取直”，河口平面形態(tài)較為規(guī)則，且口外潮流較強，外遷后閘下沖淤狀況穩(wěn)定，是擋潮閘外遷的良好工程案例。故以其為原型，建立潮汐河口三維水動力概化數(shù)學(xué)模型，通過模擬擋潮閘遷移前、后兩種工況，對比閘下潮位、流速以及流向的特征變化，分析外遷的相關(guān)影響。分析結(jié)果可為類似的強潮流河口擋潮閘外遷論證以及外遷后的閘下淤積研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 河口概況

王港河口于江蘇954 km海岸線中部，為堆積型粉砂淤泥質(zhì)海岸，底質(zhì)中值粒徑范圍為0.015 4～0.087 9 mm，泥沙啟動流速小、沉降速度大、沉積密實快。據(jù)資料，里下河地區(qū)的澇水主要依靠鹽城市沿海16條港道外排入海，然而，包括王港在內(nèi)的諸多港道均在建閘后發(fā)生不同程度的淤積。

王港閘建于1959年，設(shè)計最大流量1 060 m3/s、日均排澇流量306 m3/s。由于大豐沿海為典型的淤長型海岸，加以建閘后潮波變形等因素，致使王港閘下游港道淤積嚴(yán)重，港道長度由1.5 km淤長至19 km，對沿線防洪安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，現(xiàn)已將王港閘外遷至河口處。

1.2 海區(qū)概況

王港河口屬強潮區(qū)，潮汐為規(guī)則半日潮，東臨輻射沙洲北部的主要潮汐通道——西洋深槽。輻射沙洲地區(qū)潮汐環(huán)境特殊，受東海前進潮波和南黃海旋轉(zhuǎn)潮波控制，兩潮波波峰線在弶港岸外交匯。在南、北兩個潮波系統(tǒng)作用下，西洋深槽總體相對穩(wěn)定，水深槽寬，由斗龍港向南，走向為NNW—SSE，-10 m等深線長達(dá)55 km，寬達(dá)5 km以上，尾部伸向東臺海灘。

口外海區(qū)平均高潮位2.10 m，平均低潮位-1.58 m，平均潮差3.68 m。潮流主流向與岸線大致平行，近似呈南北向往復(fù)流，漲潮流向偏南，落潮流向偏北。潮流進入河口后，因反射發(fā)生潮波變形，前進波形轉(zhuǎn)化為駐波形，據(jù)實測資料，河口內(nèi)最大流速一般出現(xiàn)在中潮位附近，高低潮時發(fā)生轉(zhuǎn)流，漲潮流速大于落潮流速。

2 三維水動力概化數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程及求解

三維連續(xù)方程和運動方程

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：u,v,w分別是流速在笛卡兒坐標(biāo)中x,y,z方向的分量；g為重力加速度；veh=vth+v，vev=vtv+v分別為水平有效粘性系數(shù)和垂向有效粘性系數(shù)；f為科氏力系數(shù)；t為時間；ρ為水體密度；P為總壓力。

圖2 模型計算網(wǎng)格Fig.2 Model computational grid

基于有限體積方法進行數(shù)值離散求解，外邊界由東中國海潮波數(shù)學(xué)模型提供Z邊界=ζ(t)，其中ζ(t)為邊界潮位。為避免模型計算不穩(wěn)定，采用干濕動邊界處理方法，其中干水深、淹沒水深及濕水深分別設(shè)定為hdry=0.005 m、hflood=0.05 m和hwet=0.1 m。取上游流量Q=0 m3/s，時間步長Δt=0.5 min，模擬60 d內(nèi)閘下水動力過程。

2.2 模擬范圍及網(wǎng)格劃分

以王港河口為原型，結(jié)合2016年衛(wèi)片資料及2010年水下地形資料，建立概化河口模型。據(jù)實測，設(shè)定概化港道長10 km，基槽寬200 m，基槽底高程-10 m，邊坡1：3，河口邊灘與航道軸線呈45°夾角。模擬區(qū)域合計南北長21.6 km、東西寬20 km。

如圖2，模型采用由外海向陸地逐步加密的非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格進行離散，港道及河口區(qū)域網(wǎng)格邊長約40 m，外海區(qū)域網(wǎng)格邊長約400 m，共計9 345個節(jié)點。

2.3 模型率定和驗證

圖3 潮位驗證(大豐港二期碼頭)Fig.3 Tidal level verification (Dafeng port phase II terminal)

近年，對蘇北沿海河口的數(shù)值模擬成果頗豐。據(jù)以往研究成果[2]，河道糙率取0.02，灘地糙率取0.045，外海糙率隨水深變化，公式為n=0.013+0.01/H[14]。驗證資料為王港河口北部大豐港二期碼頭的潮位資料及碼頭以北1 km處潮流實測點的同步流速、流向資料，驗證時段為2010年5月31日14：00至6月1日17：00。

2.3.1 潮位驗證

潮位驗證結(jié)果如圖3所示，大潮潮型，模擬值與實測值較吻合，較好反映了王港河口附近海域的潮位特征。

2.3.2 流速、流向驗證

通過實測點表層、0.6H層、底層的流速、流向資料對模型進行驗證，如圖4所示，驗證結(jié)果良好。

圖4 流速、流向驗證(大豐港二期碼頭潮流實測點)Fig.4 Flow rate, flow direction verification (Trend measurement point of Dafeng Port phase II terminal)

類別統(tǒng)計項目大潮小潮平均漲潮歷時(h)5.35.5漲落歷時平均落潮歷時(h)76.8漲、落潮歷時差(h)1.71.3平均漲潮流速(m·s-1)1.551.27潮流流速平均落潮流速(m·s-1)1.241.2漲、落潮流速差(m·s-1)0.310.07

2.4 研究潮型的選擇

統(tǒng)計分析王港河口水文資料，由表1可知，該河口大潮時期的漲落潮歷時差和流速差均大于小潮時期，且大潮潮差、流速亦大于小潮，故大潮時期的潮不對稱性更加顯著，更易促進港道內(nèi)的潮波變形現(xiàn)象。故下文中所對比分析的相關(guān)水動力過程均選取在水動力環(huán)境較強、潮汐不對稱性較明顯的大潮時期。

3 設(shè)計方案及成果分析

擋潮閘遷移前后的工況設(shè)計如圖5所示：遷移前(工況1)，舊閘門與河口間為10 km引河段；遷移后(工況2)，新閘門設(shè)立在河口處；在舊閘與新閘下40 m處分別設(shè)測點p1、p2，以對比新、舊閘下的潮位、流速及流向過程；在舊河口設(shè)測點p3，坐標(biāo)與p2相同，以對比新、舊河口的潮位特征。

3.1 河口流速場對比

對比新、舊河口大潮時期的漲、落急流速場，如圖6示：6-a、6-b分別為漲急時舊河口與新河口的流速場，6-c、6-d分別為落急時對應(yīng)的流速場。下文以“流速漸變帶”表示口外潮流速度受河口影響的區(qū)域。

由圖6-a、6-b對比發(fā)現(xiàn)，漲急時，新河口外的流速漸變帶略寬于舊河口，可能由河口建閘后漲潮流反射、近岸流擾亂導(dǎo)致；舊河口內(nèi)因潮波變形，處于轉(zhuǎn)流時刻，潮流進入河口后流速顯著降低；新河口建閘后，潮流無法上溯，故口外水動力環(huán)境較強。

圖5 擋潮閘遷移前后工況設(shè)計Fig.5 Cases design before & after sluice migration

由圖6-c、6-d對比發(fā)現(xiàn)，落急時，新、舊河口外的流速漸變帶大小相近，且均小于漲急時刻；舊河口內(nèi)仍處于轉(zhuǎn)流時刻，下泄流量較少、口外流速較低；新河口建閘后，無下泄流量，口外水動力環(huán)境較弱。

綜合來說，擋潮閘外遷對河口外潮流的流速分布影響較小。閘門外遷后，河口水動力環(huán)境在漲潮時期略增強、落潮時期略減弱。

6-a 舊河口漲急流速場6-b 新河口漲急流速場

6-c 舊河口落急流速場6-d 新河口落急流速場圖6 擋潮閘遷移前后河口漲(落)急流速場Fig.6 Estuarine velocity field during high(Ebb) tide period before & after sluice migration

3.2 潮位過程對比

圖7 閘下及河口潮位過程Fig.7 Tidal process under sluice & estuary

記錄舊閘測點p1、新閘(新河口)測點p2以及舊河口測點p3大潮時期的潮位過程，如圖7所示。

對比p1、p2，擋潮閘外遷后，閘下平均高潮位小幅降低，從1.61 m降至1.51 m；平均低潮位小幅升高，從-1.46 m升至-1.37 m；平均潮差減小，從3.07 m減至2.88 m。外遷前，閘下漲、落潮歷時比約0.73，為潮流進入河口后潮波變形所致；外遷后，閘下漲、落潮歷時趨于相近，比值約0.89，潮汐不對稱性減弱。此外，由于擋潮閘外遷后，潮波無需通過港道傳至閘門，故新閘下潮位過程的時間相位較之舊閘略微提前。

對比p2、p3，舊河口與新河口的潮位過程很相近，潮差、漲落潮歷時以及時間相位均無顯著差距，說明擋潮閘外遷對河口原潮位特征無太大影響。

采用Elgar和Guza的方法[15]計算60 d內(nèi)潮位模擬過程的偏度Sx和不對稱度Ax

(5)

Ax=Simag(H(x))

(6)

表2 閘門遷移前后閘下及河口地區(qū)潮位、流速及潮位不對稱度計算結(jié)果Tab.2 Calculation of tidal level, flow velocity and tidal asymmetry under the gate and estuary before and after the gate migration

計算結(jié)果如表2所示：易見，不論遷閘與否，閘下與河口地區(qū)的潮位不對稱度均為負(fù)值，即均為漲潮占優(yōu)。擋潮閘外遷后，閘下潮位不對稱度的絕對值變小，表明潮汐不對稱性減弱，有助于改善潮波變形現(xiàn)象；口外潮位、潮流特征無太大變化。

3.3 流速、流向過程對比

記錄同時段內(nèi)舊閘測點p1、新閘測點p2的流速、流向過程，如圖8所示，進一步對比擋潮閘遷移前后，閘下平面流速、流向以及分層流速特征。

3.3.1 閘下流速、流向特征變化

對比圖7、圖8-a，舊閘下因潮波變形，p1流速過程與潮位過程出現(xiàn)2.5～3 h的時間相位差，流速峰值出現(xiàn)在中潮位，谷值出現(xiàn)在高、低潮位，駐波特性明顯，且漲潮流速略大于落潮流速，漲、落潮流速比約1.18；擋潮閘外遷后，新閘下p2流速過程與潮位過程無顯著時間相位差，漲潮流速仍大于落潮流速，漲、落潮流速比約1.21。新閘下的流速總體上高于舊閘，p1、p2平均流速比約1.26。

8-a 流速8-b 流向

8-c p1分層流速8-d p2分層流速圖8 閘下流速、流向過程Fig.8 Current speed & direction process under sluice

對比圖7、圖8-b，舊閘下p1流向基本沿港道方向，漲潮流由東向西，落潮流由西向東，呈東西(WE)往復(fù)流，而新閘下p2流向受沿岸流影響，大致沿南北(NS)方向，漲潮流由北向南，落潮流由南向北。舊閘下因潮波變形，漲潮歷時短于落潮，轉(zhuǎn)流發(fā)生在高、低潮位附近；擋潮閘外遷后，新閘下漲、落潮歷時相近，轉(zhuǎn)流發(fā)生在中潮位附近。

3.3.2 閘下分層流速特征變化

由圖8-c，擋潮閘遷移前，閘下p1垂向各層流速分布不均，從表層向底層，相鄰兩層流速的峰值差依次約0.004、0.007、0.012、0.022、0.054 m/s，表層與0.2H層的差值最小、流速幾乎相同，隨后鄰層間的流速差不斷增大，0.8H層與底層相差最大。流急時，表層流速約0.51 m/s，底層流速約0.41 m/s，表、底層流速比約1.24；流息時，各層流速相近，均值約0.1 m/s。

圖9 垂向各層流速對比(流急)Fig.9 Comparison of flow peaks in vertical layers

由圖8-d，擋潮閘遷移后，閘下p2垂向各層流速分布得更加均勻，從表層向底層，相鄰兩層流速的峰值差依次約0.029、0.033、0.041、0.056、0.061 m/s。流急時，表層流速約0.66 m/s，底層流速約0.44 m/s，表、底層流速比約1.5；流息時，各層流速相近，均值約0.16 m/s。

對比而言(圖9)，同水深條件下，閘門外遷后閘下垂向各層流速的分布更加均勻，且流速垂向的總體變化幅度(表、底層流速比)更大；流急時，新閘下的各層流速均高于舊閘，且由底層至表層，二者間流速差不斷增大；流息時，新、舊閘下的流速垂向分層均不明顯，但新閘下流速均值高于舊閘。

4 結(jié)論

(1)擋潮閘外遷后，閘下潮波變形現(xiàn)象減弱：閘下流速過程與潮位過程間的時間相位差縮小，轉(zhuǎn)流時刻由高低潮位趨于中潮位，駐波特性減弱；閘下潮差減小、漲落潮歷時趨于相近，潮汐不對稱性減弱，有利于改善漲落潮流輸沙不等現(xiàn)象。

(2)擋潮閘外遷后，閘下水動力環(huán)境增強：閘下平均流速增大，且流向受沿岸流影響；同水深條件下，新閘下垂向各層流速的分布比舊閘更加均勻，且表、底層流速比更大；流急時，新閘下垂向各層流速均高于舊閘，有利于加強閘下沖刷、減輕淤積；流息時，流速垂向分層不明顯，但新閘下流速均值高于舊閘。

(3)擋潮閘外遷對河口外潮流的流速分布影響較小。外遷后，河口的水動力環(huán)境在漲潮時期略增強、落潮時期略減弱。

(4)本文以王港河口為原型，初步探討了擋潮閘外遷對閘下水動力特征及河口水動力環(huán)境的影響，可為類似的強潮流河口擋潮閘外遷論證、外遷后的閘下淤積研究提供參考，具有實際意義。