感潮河道河口建閘對(duì)水動(dòng)力影響研究

韓 景

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

黃浦江是一條中等感潮河道，上承太湖，下接長(zhǎng)江口[1]，貫穿上海城區(qū)，是構(gòu)成上海水系最大的骨干河道，具有防洪、供水、排水、航運(yùn)、生態(tài)、景觀、旅游等綜合功能。

受全球氣候變化、海平面上升、風(fēng)暴潮加劇、地面沉降等自然環(huán)境因素及人類活動(dòng)的影響[2]，黃浦江沿岸水位出現(xiàn)了趨勢(shì)性抬升，現(xiàn)狀黃浦江防汛墻設(shè)防[3]高程已不能滿足新形勢(shì)下千年一遇的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，上海城市防洪風(fēng)險(xiǎn)日益增大。

歷史上直接登陸上海的臺(tái)風(fēng)較少，但是近幾年全球變暖導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)朝北或北偏西方向移動(dòng)，臺(tái)風(fēng)登陸上海的幾率逐漸增大。2021年，對(duì)上海影響較大的的臺(tái)風(fēng)有“煙花”和“燦都”，受臺(tái)風(fēng)“煙花”和天文大潮的雙重影響，黃浦江米市渡站的最高水位達(dá)到4.79m，創(chuàng)造歷史新高。因此，迫切需要采取相應(yīng)的工程措施來(lái)提高黃浦江堤防的防洪(潮)能力。比較有效的方案是在黃浦江河口建擋潮閘[4]，阻止河口的高潮上溯。

陳瑞方[5]和崔冬[6]等人曾采用一維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行黃浦江河口建閘的水動(dòng)力初步研究，經(jīng)過(guò)了近10a，黃浦江水下地形和水情發(fā)生了較大改變，老模型已不再適用。為了更精確反映黃浦江蜿蜒曲折的岸線和復(fù)雜的水下地形，本文根據(jù)2021年的水下地形資料構(gòu)建黃浦江三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)研究黃浦江河口閘的擋潮效果和閘外水位振蕩情況，為黃浦江河口閘的方案設(shè)計(jì)和調(diào)度運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

本文采用丹麥DHI公司開(kāi)發(fā)的MIKE 3軟件中的HD水動(dòng)力模塊來(lái)構(gòu)建黃浦江三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。

1.1 模型原理

MIKE 3模型建立在三維不可壓雷諾平均N-S方程的基礎(chǔ)之上，方程包含了Boussinesq和流體靜壓假定[7]。淺水控制方程如下。

局部連續(xù)方程：

(1)

x方向和y方向上的水平動(dòng)量方程分別為：

(2)

(3)

式中，t—時(shí)間，s；x，y和z—笛卡爾坐標(biāo)系，m；η—水面高度，m；d—靜水深，m；h—總水深，m，h=η+d；u—x方向的速度分量，m/s；v—y方向的速度分量，m/s；w—z方向的速度分量，m/s；f—科里奧利參數(shù)，無(wú)量綱，f=2Ωsinφ；g—重力加速度，m/s2；ρ—水的密度，kg/m3；sxx，sxy，syx和syy—輻射應(yīng)力張量的分量，Pa；vt—垂向湍流粘度(或渦粘)，m2/s；pa—大氣壓強(qiáng)，N/m2；ρ0—水的參考密度，kg/m3；S—點(diǎn)源的流量大小，m3/s；us、vs—流入周圍環(huán)境水的速度大小，m/s。

湍流建模采用渦粘理論[8]，分別考慮垂向和水平方向上的渦粘，水平方向采用Smagorinsky模型，垂向采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

1.2 模型地形

本次構(gòu)建的黃浦江三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型地形南起吳涇公園北至吳淞口，全長(zhǎng)約52km，水下地形數(shù)據(jù)依據(jù)2021年黃浦江實(shí)測(cè)地形資料確定。模型計(jì)算地形采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，可以較精確地?cái)M合蜿蜒曲折的黃浦江岸線和沿江碼頭。根據(jù)研究需求加密局部區(qū)域，模型地形的網(wǎng)格尺寸為5～50m，允許最小三角形角度為30°，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為6961個(gè)，網(wǎng)格單元總數(shù)為12775個(gè)。黃浦江三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的計(jì)算地形如圖1所示。

圖1 黃浦江數(shù)學(xué)模型計(jì)算地形

1.3 計(jì)算條件

黃浦江三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型率定的時(shí)間段選取1997年11號(hào)臺(tái)風(fēng)期間，吳涇公園和吳淞口2個(gè)邊界采用1997年11號(hào)臺(tái)風(fēng)期間的實(shí)測(cè)水位過(guò)程，吳淞最高潮位為5.99m，是歷史最高實(shí)測(cè)潮位[9]。

上海市區(qū)的防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)是千年一遇，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，黃浦江河口閘的建設(shè)和防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)不得低于千年一遇，因此選取千年一遇的風(fēng)暴潮作為計(jì)算水情進(jìn)行研究。對(duì)1997年11號(hào)臺(tái)風(fēng)期間的吳淞口實(shí)測(cè)水位過(guò)程進(jìn)行同倍比放大，得到吳淞口千年一遇潮位過(guò)程，最高潮位為6.60m。

1.4 模型率定

黃浦江三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型率定計(jì)算時(shí)采用1997年11號(hào)臺(tái)風(fēng)期間的水位資料，率定計(jì)算成果如圖2所示。

由圖2可知，黃浦公園的計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位吻合良好。

圖2 1997年11號(hào)臺(tái)風(fēng)期間黃浦公園水位過(guò)程

1.5 計(jì)算方案

計(jì)算方案考慮不同的閘門選址和調(diào)度運(yùn)行規(guī)則。閘門選址選取離河口1.8km的軍工路碼頭和離河口5.7km的海軍碼頭進(jìn)行對(duì)比分析。閘門調(diào)度運(yùn)行規(guī)則涉及眾多因素，本文主要研究啟閉歷時(shí)和起關(guān)潮位。河口閘規(guī)模較大，為了便于操作，閘門的調(diào)度方式初步擬定為：平時(shí)以敞開(kāi)為主，遭遇風(fēng)暴潮時(shí)關(guān)閘擋潮，當(dāng)閘外水位上升到某一特定潮位時(shí)開(kāi)始關(guān)閉閘門，等閘外水位下降到跟閘內(nèi)水位齊平時(shí)開(kāi)啟閘門泄水。考慮到吳淞口多年平均高潮位為3.25m，黃浦公園警戒水位為4.55m，因此河口閘起關(guān)潮位選取3.5、4.0和4.5m 3種方案進(jìn)行研究。國(guó)外已建的大型擋潮閘的閘門啟閉歷時(shí)大都在0.5～1.0h之間，因此黃浦江河口閘啟閉歷時(shí)選取20、40和60min 3種方案進(jìn)行研究。由于河口閘的門型方案還在深入研究中，本文先以常見(jiàn)的直升門為例進(jìn)行計(jì)算分析。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 建閘前黃浦江水動(dòng)力分析

根據(jù)吳淞口潮位站歷史資料統(tǒng)計(jì)，吳淞口多年平均高潮位是3.25m，平均潮差是2.20m，平均漲潮歷時(shí)是4.57h，平均落潮歷時(shí)是7.87h，落潮歷時(shí)大于漲潮歷時(shí)，屬于不規(guī)則半日潮[10]。受長(zhǎng)江口潮流的影響，黃浦江水流呈往復(fù)運(yùn)動(dòng)，潮波自吳淞口向黃浦江上游逐漸變形，潮差減小，漲潮歷時(shí)縮短，落潮歷時(shí)延長(zhǎng)。

根據(jù)計(jì)算，在千年一遇風(fēng)暴潮水情下，吳淞口最高潮位為6.60m，黃浦公園最高潮位為6.25m。本文重點(diǎn)關(guān)注的黃浦江北段的漲急和落急流場(chǎng)如圖3—4所示。

圖3 黃浦江北段漲急流場(chǎng)分布(單位：m)

圖4 黃浦江北段落急流場(chǎng)分布(單位：m)

由圖3—4可以看出，漲潮時(shí)水體從吳淞口流向黃浦江上游，落潮時(shí)水體從黃浦江上游流向吳淞口，凹岸流速大于凸岸流速。軍工路碼頭處某時(shí)刻的斷面垂向流速分布如圖5所示。

由圖5可以看出，表層流速遠(yuǎn)大于底層流速。

圖5 軍工路碼頭斷面垂向流速分布(單位：m)

2.2 建閘后黃浦江三維水動(dòng)力影響

2.2.1閘門起關(guān)潮位影響

以軍工路碼頭閘址、閘門啟閉歷時(shí)20min為例，對(duì)比分析不同起關(guān)潮位(3.5、4.0、4.5m)的結(jié)果。

千年一遇風(fēng)暴潮水情下，不同閘門起關(guān)潮位條件下的閘址處流量過(guò)程如圖6所示，閘內(nèi)和黃浦公園水位過(guò)程如圖7—8所示。

圖6 不同閘門起關(guān)潮位條件下閘址處流量過(guò)程線

圖7 不同閘門起關(guān)潮位條件下閘內(nèi)側(cè)水位過(guò)程線

計(jì)算結(jié)果表明，河口閘關(guān)閉后，黃浦江進(jìn)潮量顯著減小，閘內(nèi)側(cè)和黃浦公園高水位大幅降低，3種起關(guān)潮位條件下的一個(gè)潮周期擋潮量分別為1.32億、1.24億、1.11億m3，閘內(nèi)側(cè)最高水位分別為3.50、4.01、4.52m，黃浦公園最高水位分別為3.34、3.72、4.19m，黃浦公園水位降幅分別為2.91、2.53、2.06m?？梢?jiàn)，河口閘具有顯著的擋潮效果，且河口閘起關(guān)潮位越低，擋潮量越大，閘內(nèi)高水位越低，擋潮效果越好。

不同閘門起關(guān)潮位條件下的閘外水位過(guò)程如圖9所示。

圖9 不同閘門起關(guān)潮位條件下閘外側(cè)水位過(guò)程線

計(jì)算結(jié)果表明，河口閘關(guān)閉堵住了河口高潮的上溯通道，激發(fā)了閘外的水位振蕩，水位振蕩幅度自閘門向口外逐漸減小，漲潮期間的水位振蕩幅度大于落潮期間，3種起關(guān)潮位條件下的閘外側(cè)水位最大振幅分別為1.15、1.42、1.60m，閘外側(cè)最高水位分別壅高0.51、0.57、0.70m，閘外水位振蕩周期都為34min。可見(jiàn)，河口閘關(guān)閉會(huì)使閘外水位發(fā)生振蕩，且河口閘起關(guān)潮位越高，閘外水位的振蕩幅度越大，起關(guān)潮位對(duì)水位振蕩周期無(wú)影響。

圖8 不同閘門起關(guān)潮位條件下黃浦公園水位過(guò)程線

2.2.2閘門啟閉歷時(shí)影響

以軍工路碼頭閘址、閘門起關(guān)潮位4.0m為例，對(duì)比分析不同啟閉歷時(shí)(20、40、60min)的結(jié)果。

千年一遇風(fēng)暴潮水情下，不同閘門啟閉歷時(shí)條件下的閘址處流量過(guò)程如圖10所示，閘內(nèi)和黃浦公園水位過(guò)程如圖11—12所示。

圖10 不同閘門啟閉歷時(shí)條件下閘址處流量過(guò)程線

圖11 不同閘門啟閉歷時(shí)條件下閘內(nèi)水位過(guò)程線

計(jì)算結(jié)果表明，3種啟閉歷時(shí)條件下的一個(gè)潮周期擋潮量分別為1.24億、1.21億、1.15億m3，閘內(nèi)側(cè)最高水位分別為4.01、4.08、4.30m，黃浦公園最高水位分別為3.72、3.76、3.90m，黃浦公園水位降幅分別為2.53、2.49、2.35m?？梢?jiàn)，河口閘啟閉歷時(shí)越短，擋潮量越大，閘內(nèi)高水位越低，擋潮效果越好。

不同閘門啟閉歷時(shí)條件下的閘外水位過(guò)程如圖13所示。

圖12 不同閘門啟閉歷時(shí)條件下黃浦公園水位過(guò)程線

圖13 不同閘門啟閉歷時(shí)條件下閘外水位過(guò)程線

計(jì)算結(jié)果表明，3種啟閉歷時(shí)條件下的閘外側(cè)水位最大振幅分別為1.42、0.76、0.54m，閘外側(cè)最高水位分別壅高0.57、0.29、0.18m，閘外側(cè)水位振蕩周期都為34min?？梢?jiàn)，河口閘啟閉歷時(shí)越短，閘外側(cè)水位振蕩幅度越大，啟閉歷時(shí)對(duì)水位振蕩周期無(wú)影響。

2.2.3閘門選址影響

以閘門起關(guān)潮位4.0m、啟閉歷時(shí)40min為例，對(duì)比分析不同閘址(離河口5.7km的軍工路碼頭、離河口1.8km的海軍碼頭)的結(jié)果。

千年一遇風(fēng)暴潮水情下，不同閘址條件下的閘址處流量過(guò)程如圖14所示，閘內(nèi)側(cè)和黃浦公園水位過(guò)程如圖15—16所示。

圖14 不同閘址條件下閘址處流量過(guò)程線

圖15 不同閘址條件下閘內(nèi)側(cè)水位過(guò)程線

計(jì)算結(jié)果表明，2種不同閘址條件下的一個(gè)潮周期擋潮量分別為1.23億、1.25億m3，閘內(nèi)側(cè)最高水位分別為4.08、3.99m，黃浦公園最高水位分別為3.76、3.72m，水位降幅分別為0.23、0.25m。可見(jiàn)，河口閘位置離河口越近，擋潮量越大，閘內(nèi)高水位越低，擋潮效果越好。

不同閘址條件下的閘外側(cè)水位過(guò)程如圖17所示。

圖16 不同閘址條件下黃浦公園水位過(guò)程線

圖17 不同閘址條件下閘外側(cè)水位過(guò)程線

計(jì)算結(jié)果表明，2種閘址條件下的閘外側(cè)水位最大振幅分別為0.76、0.43m，閘外側(cè)最高水位分別壅高0.29、0.12m，閘外水位振蕩周期分別為34、14min。可見(jiàn)，閘門位置離河口越遠(yuǎn)，閘外水位振蕩幅度越大，水位振蕩周期越長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文構(gòu)建了黃浦江三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析了黃浦江河口建閘的擋潮效果和閘外水位振蕩情況，得出以下結(jié)論。

(1)黃浦江河口建閘可以有效防御千年一遇風(fēng)暴潮，大幅減少黃浦江進(jìn)潮量，降低閘內(nèi)高水位，降低上海城區(qū)防洪風(fēng)險(xiǎn)；河口閘閘門啟閉歷時(shí)越短，起關(guān)潮位越低，閘址離河口越近，擋潮量越大，閘內(nèi)高水位越低，河口閘的擋潮效果越好。

(2)河口閘擋潮的同時(shí)會(huì)激發(fā)閘外水位振蕩，振蕩周期跟起關(guān)潮位和啟閉歷時(shí)無(wú)關(guān)，僅跟閘門位置有關(guān)，閘門位置離河口越遠(yuǎn)，閘外水位振蕩周期越大；閘門位置離河口越遠(yuǎn)，起關(guān)潮位越高，啟閉歷時(shí)越短，閘外水位振蕩幅度越大。

(3)振蕩使閘外高水位進(jìn)一步壅高，在閘門設(shè)計(jì)和調(diào)度運(yùn)行中需引起足夠的重視。