河口航道雙丁壩影響下異重流運(yùn)動特性

黃 碩， 黃文銳， 劉曙光， 婁 廈， 沈 淇

（1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2. 佛羅里達(dá)州立大學(xué) 工程學(xué)院， 塔拉哈西 32310；3. 上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201）

異重流指的是兩種密度不同的流體，因密度差異而發(fā)生相對運(yùn)動的現(xiàn)象［1］。河口作為河流與海洋的交匯區(qū)域，鹽度梯度大，海洋鹽水由底層潛入上溯，河流淡水則由上層下泄，進(jìn)而形成了河口航道鹽淡水異重流。

河口地區(qū)的鹽淡水混合與分層化是一個重要的物理過程［2］，河口水平方向上的密度梯度在重力作用下引起河口環(huán)流［3］，導(dǎo)致了河口地區(qū)最大渾濁帶的形成和航道內(nèi)泥沙的大量淤積［4-5］。為緩解河口航道泥沙淤積并提高通航能力，世界各地的大型河口通常采用修建導(dǎo)堤和丁壩群的方式開展航道整治工作［6-7］，但部分航道仍存在疏浚量遠(yuǎn)超預(yù)估值的問題［8］。

河口航道內(nèi)的丁壩群等整治建筑物改變了航道區(qū)域的水流結(jié)構(gòu)［9-10］，加大了上游徑流下泄和外海高鹽水體入侵的阻力，影響著異重流的運(yùn)動。由于航道回淤與河口異重流關(guān)系密切，是亟待解決的重要問題，近年來對河口航道內(nèi)鹽淡水異重流的研究日益增多。Huang 等［11］利用河口現(xiàn)場實(shí)測資料，將潮汐信號從時間序列數(shù)據(jù)中過濾出去，得出了異重流和鹽度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。Zhu［12］等研究了長江口深水航道整治工程后束窄的航道對分層流受潮汐作用的響應(yīng)過程。Ma 等［13］對比分析了長江口深水航道內(nèi)有無導(dǎo)堤與丁壩對河口環(huán)流和鹽度分布的影響。Shen［14］基于北槽深水航道實(shí)測資料分析了航道近底高含沙量橫、縱向運(yùn)移規(guī)律及泥沙捕集機(jī)制。然而由于航道流場受到徑流、潮汐、風(fēng)浪和密度梯度等多種動力因素的共同影響［15］，使得航道內(nèi)水動力變化非常復(fù)雜。相較于潮流等往復(fù)流作用和風(fēng)暴潮等突發(fā)性作用，河口異重流對航道內(nèi)泥沙淤積的影響很難從實(shí)測數(shù)據(jù)或數(shù)值模擬中單獨(dú)分離出來，于是一些學(xué)者通過開展水槽實(shí)驗(yàn)對異重流特性進(jìn)行直接研究。郭浩淼［16］利用PIV開展了不同水深及鹽度差條件下異重流水槽實(shí)驗(yàn)，并研究了鹽淡水異重流湍流特性。Huang［17］等通過水槽實(shí)驗(yàn)，研究了不同長度的單丁壩對異重流的影響。此外還有研究人員分析了雙重淹沒式障礙物對異重流的影響［18-19］，但研究重點(diǎn)是異重流頭部運(yùn)動及摻混特性等。目前對于丁壩群束窄的航道內(nèi)鹽淡水異重流的運(yùn)動特性及異重流通過丁壩群束窄斷面的輸移量的研究還比較少。

雙丁壩是最簡單的丁壩群，可以作為研究丁壩群的單元［20］。因此本文利用PIV開展了概化室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)，通過研究雙丁壩對異重流運(yùn)動特性的影響表征河口航道內(nèi)丁壩群束窄作用對鹽水楔異重流引起的河口環(huán)流的影響，相關(guān)成果可以為河口航道的整治與管理提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)在矩形有機(jī)玻璃水槽中完成，水槽長180 cm，寬（W0）22 cm，高30 cm，底部與地面平行。水槽右側(cè)為長30 cm 的鹽水室，左側(cè)為長150 cm 的淡水室，并由密封鋁制隔板隔離分開，兩側(cè)的水深（h0）均為15 cm。丁壩由透明有機(jī)玻璃制成，長度為Lg，高度為18 cm，厚度為2 cm。隨著隔板被瞬間拉起，左側(cè)的鹽水沿水槽底部侵入淡水形成異重流。對于開閘式異重流的運(yùn)動過程，Huppter 等［1］通過理論分析和實(shí)驗(yàn)證實(shí)異重流生成后首先經(jīng)歷短暫的加速階段，隨后會進(jìn)入坍塌階段并以定常速度傳播行進(jìn)約10 倍鹽水閘室長度［21］，最后進(jìn)入減速階段。實(shí)驗(yàn)中丁壩1放置在距離閘門70 cm位置處（約2.3倍閘室長度），異重流將會以定常速度運(yùn)動至丁壩斷面并受到丁壩的阻擋作用。水體的鹽度通過鹽度計(jì)（WTW-Multi 3410）測量得出，為保證實(shí)驗(yàn)中鹽水鹽度的準(zhǔn)確性，所有實(shí)驗(yàn)均在20℃室溫下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意（單位：cm）Fig.1 Schematic view of experimental setup (unit: cm)

實(shí)驗(yàn)所用的PIV系統(tǒng)生產(chǎn)自美國TSI公司，光源為雙脈沖激光，激光能量為200 mj，電荷耦合器件（CCD）相機(jī)分辨率為2 048 × 2 048像素，通過同步器控制激光與相機(jī)的同步觸發(fā)，系統(tǒng)采集頻率為7.25 Hz，用于追蹤粒子的示蹤劑直徑為5 μm。為了獲得異重流在垂直和水平兩個方向的流場信息，相機(jī)分別放置在水槽的正前方與正上方。垂直激光設(shè)置在距離水槽側(cè)壁11 cm處，觀測區(qū)域大小為15 cm × 30 cm；水平激光設(shè)置在高于水槽底部3 cm處，觀測區(qū)域大小為22 cm ×30 cm，觀測區(qū)域位置如圖1所示，所有數(shù)據(jù)采集均于異重流碰到水槽左端邊壁前完成。為便于后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，選擇丁壩1與丁壩2位置為特征斷面1-1、2-2，并以壩頭連線為分界線將觀測區(qū)分為航道區(qū)與擴(kuò)散區(qū)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案與參數(shù)

異重流的驅(qū)動力是密度差（Δρ），即航道內(nèi)淡水和海水的鹽度差（ΔS）。異重流在固定水深的航道內(nèi)傳播時，鹽度（密度）梯度是影響密度流運(yùn)動速度的決定性因素［16］。長江口深水航道內(nèi)的鹽度范圍約在15 ppt 至20 ppt 之間［14，22］，而靠近海洋、距離陸地最遠(yuǎn)的丁壩附近水體鹽度約為20 ppt［23］，因此本文選取鹽水鹽度Ss= 20 ppt 作為實(shí)驗(yàn)的鹽度，淡水鹽度（Sf）近似為0 可忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)水深（h0）固定為15 cm，前后雙丁壩長度相同，參照長江口深水航道整治工程中丁壩群長度與間距比例，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)水槽PIV 觀測范圍，最終確定兩個丁壩同側(cè)放置，間距（D）為9 cm。選擇兩種不同丁壩長度并以無丁壩情況為對照組開展實(shí)驗(yàn)。當(dāng)初始寬度為W0的航道受到雙丁壩束窄作用后，丁壩處特征斷面的航道區(qū)寬度W為

航道的束窄系數(shù)Nc則可以定義為

因此，Nc=0意味著航道內(nèi)不存在丁壩，Nc=1則表示航道被丁壩完全截?cái)?。?shí)驗(yàn)具體參數(shù)如表1所示，其中，h0為水深；ΔS為鹽度差；Ss為鹽水鹽度；Sf為淡水鹽度；Lg為丁壩長度；Nc為束窄系數(shù)；D為丁壩間距。

表1 實(shí)驗(yàn)初始工況及參數(shù)Tab.1 Main initial parameters of the experimental runs

2 結(jié)果分析

處于坍塌階段內(nèi)的開閘式異重流經(jīng)過丁壩束窄斷面后，受到丁壩的阻擋作用其定常速度運(yùn)動狀態(tài)被干擾，隨著異重流的繼續(xù)運(yùn)動及向壩后區(qū)域的擴(kuò)散，在經(jīng)過一個不穩(wěn)定的調(diào)整階段后，丁壩斷面附近區(qū)域內(nèi)的異重流存在一個高度、流速和流態(tài)等在前后時刻比較接近的相對穩(wěn)定階段，Huang等［17］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，之后丁壩斷面區(qū)域附近的異重流流速、高度等逐漸降低。本文的結(jié)果分析主要針對在PIV觀測區(qū)域內(nèi)處于相對穩(wěn)定階段的異重流開展，用來表征河口區(qū)域由密度梯度引起的河口環(huán)流的持續(xù)入流狀態(tài)。

2.1 PIV 觀測區(qū)域內(nèi)異重流處于相對穩(wěn)定狀態(tài)的流速場特性

2.1.1 異重流垂直方向流速場（正視）及高度

在河口航道中，異重流沿著航道底部向陸運(yùn)動，與上層淡水的運(yùn)動方向相反，水平流速也表征著異重流沿航道運(yùn)動的實(shí)際速度大小，直接影響著航道內(nèi)異重流的通量。圖2描述了穩(wěn)定階段內(nèi)不同束窄系數(shù)下異重流垂直方向上的水平流速云圖。為進(jìn)一步分析不同束窄系數(shù)對異重流高度及流速的影響，提取穩(wěn)定狀態(tài)下異重流的輪廓線，如圖3a所示，并計(jì)算異重流在x=0～30 cm范圍內(nèi)各垂線上的最大流速umax，得到垂線最大流速沿x方向分布情況，如圖3b所示。

圖2 不同束窄系數(shù)Nc下異重流水平流速云圖（正視圖）Fig.2 Horizontal velocity fields of density current under different narrowing coefficients (front view)

圖3 不同束窄系數(shù)Nc 下異重流高度及垂線最大流速沿x方向分布情況Fig.3 Distribution of height and vertical maximum velocity along x direction of the density current under different narrowing coefficients

結(jié)合圖2與圖3可以得出，當(dāng)Nc= 0時同一深度下異重流水平流速沿x方向變化不大，異重流高度波動程度也較小。隨著雙丁壩的加入，異重流在丁壩1、2之間的航道區(qū)內(nèi)水平流速與高度分布特性與無丁壩時幾乎相同，雙丁壩的束窄效果主要作用于丁壩2 斷面后部區(qū)域（x= 10～30 cm）。2-2 特征斷面右側(cè)的航道區(qū)與擴(kuò)散區(qū)內(nèi)存在密度梯度與速度梯度，異重流在經(jīng)過丁壩2 后在向右側(cè)縱向流動的同時還存在橫向擴(kuò)散，異重流高度塌陷，但流速增大。此外，通過對比圖2b 與圖2c 可以發(fā)現(xiàn)，束窄系數(shù)越大，意味著更多的異重流在第二個丁壩斷面后發(fā)生橫向擴(kuò)散流向擴(kuò)散區(qū)，因此在2-2特征斷面右側(cè)區(qū)域內(nèi)異重流的高度越低，同時最大流速也越大。

2.1.2 異重流水平方向流速場（俯視）

通常為了簡化對異重流的分析，可以忽略水槽的寬度，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為二維的研究，這時僅需關(guān)注異重流垂直方向的特性。然而當(dāng)丁壩存在時，由于丁壩的阻擋作用導(dǎo)致異重流向擴(kuò)散區(qū)運(yùn)動，簡單的垂向分析已不再適用，還應(yīng)該對水平方向異重流特性進(jìn)行分析。因此，為了進(jìn)一步研究丁壩對異重流的影響，選擇高于水槽底部3 cm 的水平面，探究不同束窄系數(shù)下水平剖面的異重流特性，穩(wěn)定狀態(tài)俯視流速場如圖4所示。

圖4 不同束窄系數(shù)Nc下異重流流速云圖（俯視圖）Fig.4 Horizontal velocity fields of density current under different narrowing coefficients (top view)

對于Nc= 0 情況，異重流水平方向上的流速分布特征在橫向沿程上變化不大，并且在縱向上同樣分布均勻。從圖4b、4c中可以發(fā)現(xiàn)，異重流在雙丁壩之間的擴(kuò)散區(qū)內(nèi)流速很小，而在丁壩2 左側(cè)的航道區(qū)內(nèi)流速分布整體較為一致，在2-2特征斷面右側(cè)區(qū)域，異重流的橫向擴(kuò)散增大了其在航道區(qū)內(nèi)的流速。

根據(jù)俯視流場，異重流沿x方向上的航道區(qū)平均流速uˉ可以計(jì)算為

式中：W為航道區(qū)寬度，Vi為異重流流速。不同工況下異重流航道區(qū)平均流速沿x方向分布情況如圖5所示。

雖然雙丁壩的束窄作用使得兩個丁壩區(qū)域內(nèi)的異重流流速大大降低，但對1-1 至2-2 特征斷面航道區(qū)范圍的流速影響不大。從圖5 中可以看出，異重流在丁壩1、2之間的航道區(qū)流速與無丁壩情況流速較為接近，雙丁壩的束窄作用主要影響了2-2特征斷面右側(cè)區(qū)域的異重流流速，導(dǎo)致流速增大，并且束窄系數(shù)越大，異重流在此區(qū)域的流速越大。

圖5 不同束窄系數(shù)Nc 下異重流航道區(qū)平均流速沿x 方向分布情況Fig.5 Distribution of the average velocity along x direction of the density current in the channel zone under different narrowing coefficients

2.2 PIV 觀測區(qū)域內(nèi)異重流處于相對穩(wěn)定階段的湍流特性

湍流強(qiáng)度（I）是分析異重流湍流特性的一個重要參數(shù)，代表著異重流在運(yùn)動過程中湍流的強(qiáng)弱程度，可以計(jì)算為［24］

式中：u′、v′分別為水平與垂直方向上的流速脈動值，為平均流速。一般來說，I＜1%時為低湍流強(qiáng)度，I介于1～10%時為中等湍流強(qiáng)度，I＞10%時為高湍流強(qiáng)度。

2.2.1 垂直方向湍流強(qiáng)度特性

選取異重流穩(wěn)定階段通過PIV獲得的連續(xù)1s時間內(nèi)的流速數(shù)據(jù)，得到不同束窄系數(shù)下垂直方向異重流湍流強(qiáng)度分布特性，如圖6 所示。在未受到丁壩作用時，上層淡水與下層異重流相向運(yùn)動，兩層水體之間的分界線近乎水平，從圖6a中可以發(fā)現(xiàn)，湍流強(qiáng)度較大的區(qū)域主要集中在鹽淡水交界面區(qū)域，意味著在上層淡水與下層鹽水之間存在著較強(qiáng)的流體微團(tuán)的交換。而在淡水上部區(qū)域及鹽水下部區(qū)域內(nèi)湍流強(qiáng)度較小，屬于低湍流強(qiáng)度。隨著水槽被雙丁壩束窄，兩個丁壩之間區(qū)域水體的湍流強(qiáng)度略有增大但變化不大，且湍流強(qiáng)度較大區(qū)域依舊集中在鹽淡水交界面之間。而對于2-2特征斷面右側(cè)水域，湍流強(qiáng)度較大區(qū)域的位置發(fā)生了變化，強(qiáng)混合區(qū)域由原本無丁壩工程下的保持水平態(tài)勢轉(zhuǎn)變?yōu)橛卸巫饔孟碌南蛳聝A斜狀態(tài)，與圖2 異重流垂直方向流速云圖對比發(fā)現(xiàn)，湍流強(qiáng)度較大區(qū)域的與異重流流速較大區(qū)域范圍大致相同，即異重流在經(jīng)過丁壩2 后存在明顯橫向擴(kuò)散，流速增大進(jìn)而湍流強(qiáng)度加強(qiáng)，表明在此區(qū)域異重流與上層淡水摻混劇烈。此外，丁壩長度的增大導(dǎo)致異重流在壩后的高度進(jìn)一步降低及流速進(jìn)一步增大，因而束窄系數(shù)越大，湍流強(qiáng)度最大值越大，且集中范圍越靠近水槽底部。

圖6 不同束窄系數(shù)Nc下垂直方向異重流湍流強(qiáng)度分布（正視圖）Fig.6 Turbulence intensity distribution of the density current under different narrowing coefficients(front view)

2.2.2 異重流水平方向湍流強(qiáng)度特性

圖7展示了不同工況下水平方向上異重流的湍流強(qiáng)度分布特征。當(dāng)水槽內(nèi)無丁壩時，與水平方向上的異重流分布特性相似，俯視下異重流湍流強(qiáng)度在水平面上各向分布都較為均勻，湍流強(qiáng)度大致在1%左右，屬于中低湍流強(qiáng)度。而當(dāng)水槽被雙丁壩束窄，異重流運(yùn)動進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后湍流強(qiáng)度分布如圖7b、7c 所示，在兩個丁壩特征斷面之間的區(qū)域，較大的湍流強(qiáng)度主要集中在兩個丁壩壩頭連線附近，這是因?yàn)槎蔚氖饔脤?dǎo)致異重流在壩間區(qū)域內(nèi)的流速較小，航道區(qū)內(nèi)的異重流經(jīng)過該水域時在壩頭連線附近存在較大的橫向速度梯度，此區(qū)域的湍流強(qiáng)度約在2%左右，屬于中等湍流強(qiáng)度。在第二個丁壩右側(cè)范圍，異重流湍流強(qiáng)度較大的區(qū)域與異重流經(jīng)過丁壩后向壩后擴(kuò)散區(qū)傳播的邊界相重合，這表明異重流在向擴(kuò)散區(qū)塌陷傳播的過程中，與交界面附近水體的流體微團(tuán)有著較強(qiáng)的能量交換。而湍流強(qiáng)度最大的區(qū)域則位于丁壩下游航道區(qū)內(nèi)接近擴(kuò)散區(qū)附近，最大值約為3%至4.5%之間，同樣屬于中等湍流強(qiáng)度。通過與無丁壩對比，可以發(fā)現(xiàn)雙丁壩的存在增大了異重流的湍流強(qiáng)度，并且束窄系數(shù)增大導(dǎo)致異重流在經(jīng)過丁壩后向擴(kuò)散區(qū)運(yùn)動的縱深路徑增長，加強(qiáng)了異重流與擴(kuò)散區(qū)水體之間的摻混作用，因此湍流強(qiáng)度也相應(yīng)變強(qiáng)。

圖7 不同束窄系數(shù)Nc下水平方向異重流湍流強(qiáng)度分布（俯視圖）Fig.7 Turbulence intensity distribution of the density current under different narrowing coefficients (top view)

2.3 異重流特征斷面處單寬流量與總流量

河口地區(qū)的異重流與航道內(nèi)泥沙淤積關(guān)系密切，為進(jìn)一步探究雙丁壩束窄作用對異重流輸移量的影響，需要定量分析異重流通過丁壩斷面進(jìn)入航道的異重流總量。異重流在某一斷面的總流量可以計(jì)算為

其中，A為斷面上異重流的面積。

由前文對不同束窄系數(shù)水平方向上異重流的流速分布特征分析可知，異重流在1-1 和2-2 特征斷面范圍內(nèi)，流速沿水槽寬度方向變化不大，為便于計(jì)算異重流在特征斷面的流量參數(shù)，可以近似地認(rèn)為異重流流速在這兩個特征斷面上沿橫向相同，因此根據(jù)異重流的速度剖面特征（圖8），在1-1 和2-2 特征斷面處異重流的單寬流量和總流量可以表示為

圖8 異重流垂向速度剖面Fig.8 Vertical velocity profile of the density current

式中：m= 0，1，2，代表不同束窄系數(shù)工況，n= 1，2，表示特征斷面位置；W為丁壩位置特征斷面的寬度。

圖9展示了三種束窄系數(shù)時異重流在1-1和2-2兩個特征斷面的單寬流量隨時間的變化情況，從圖中可以看到在異重流產(chǎn)生的前期，1-1斷面的異重流單寬流量要大于2-2斷面，隨著兩個丁壩之間區(qū)域不斷從航道區(qū)內(nèi)涌入高鹽度水體，此區(qū)域逐漸飽和，與航道區(qū)之間的鹽度梯度逐漸降低，兩個丁壩特征斷面處的單寬流量隨時間變化曲線逐漸水平并重合，表明異重流在觀測區(qū)域的運(yùn)動進(jìn)入了較為穩(wěn)定的階段。

圖9 不同束窄系數(shù)Nc 下異重流特征斷面處單寬流量變化情況Fig.9 Variation of unit flowrate at the narrowed section of density current under different narrowing coefficients

對比三種工況下異重流在PIV觀測范圍內(nèi)的運(yùn)動進(jìn)入穩(wěn)定階段的時間節(jié)點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，相比于水槽內(nèi)無丁壩，有丁壩情況下異重流自生成至進(jìn)入穩(wěn)定階段所經(jīng)歷的時間更長，特別是Nc= 0.36 工況，進(jìn)入穩(wěn)定階段滯后其他兩種工況約3～4 s，這是因?yàn)楫愔亓髟谑艿诫p丁壩束窄作用后，受第一個丁壩的阻擋作用，初始階段內(nèi)兩個壩之間區(qū)域水體鹽度很小，隨著異重流的不斷擴(kuò)散進(jìn)入，區(qū)域內(nèi)的鹽度逐步增大，較大的束窄系數(shù)意味著丁壩間有更大的擴(kuò)散區(qū)，需要更長時間的擴(kuò)散來補(bǔ)充水體的鹽度直至與航道區(qū)水體鹽度接近。

對于采用修筑丁壩進(jìn)行整治的河口航道，異重流在丁壩斷面的單寬流量及斷面寬度直接決定著自海洋流經(jīng)丁壩斷面侵入航道內(nèi)異重流的總量。為更加深入對比穩(wěn)定階段下不同束窄系數(shù)工況的異重流在前后兩個丁壩斷面流量的變化特征，定義以下相對單寬流量參數(shù)：

（1）qm，1/q0，1，即以穩(wěn)定階段無丁壩工況下異重流在1-1特征斷面處的單寬流量為基準(zhǔn)，計(jì)算不同束窄系數(shù)下異重流經(jīng)過特征斷面1-1的單寬流量與其的比值，用于分析航道斷面在受到不同程度收縮情況下異重流在第一個丁壩斷面的單寬流量變化情況；

（2）qm，2/q0，2，即以穩(wěn)定階段無丁壩工況下異重流在2-2特征斷面處的單寬流量為基準(zhǔn)，計(jì)算不同束窄系數(shù)下異重流經(jīng)過特征斷面2-2的單寬流量與其的比值，用于分析航道斷面在受到不同程度收縮情況下異重流在第2個丁壩斷面的單寬流量變化情況。

上述兩種相對單寬流量參數(shù)與特征斷面相對寬度（W/W0）關(guān)系如圖10 所示。從圖中可以看到，各相對單寬流量參數(shù)的值在航道不同束窄情況下都近為1，說明在異重流處于穩(wěn)定階段時，異重流在1-1特征斷面與2-2 特征斷面的單寬流量與航道內(nèi)有無丁壩幾乎無關(guān)，對丁壩長度的變化同樣也不敏感。

圖10 異重流在兩個束窄斷面相對單寬流量與相對寬度關(guān)系Fig.10 Relationship between the relative unit flowrate and relative width of density current in the two narrowed sections

根據(jù)式（7）可以計(jì)算出穩(wěn)定階段異重流在1-1特征斷面與2-2特征斷面的總流量，參照前文中的相對單寬流量參數(shù)概念，定義異重流在兩個束窄斷面的相對總流量參數(shù)：①Q(mào)m，1/Q0，1；②Qm，2/Q0，2。圖11展示了各相對總流量參數(shù)與特征斷面相對寬度（W/W0）關(guān)系，在前文中對相對單寬流量的分析得出異重流在兩個特征斷面處的單寬流量幾乎相同，因此異重流在1-1特征斷面和2-2特征斷面處的總流量則主要受特征斷面的寬度影響，具體關(guān)系式如下：

圖11 異重流在兩個束窄斷面相對總流量與相對寬度關(guān)系Fig.11 Relationship between the relative total flowrate and relative width of density current in the two narrowed sections

為對比分析航道束窄系數(shù)相同時，異重流在穩(wěn)定狀態(tài)下經(jīng)過2-2 特征斷面的單寬流量及總流量相對1-1特征斷面的變化特性，定義異重流在兩丁壩束窄斷面的前后相對單寬流量與前后相對總流量分別為qm，2/qm，1、Qm，2/Qm，1。根據(jù)圖10可知，對于同一工況，異重流前后相對單寬流量的值都近似為1，并且在不同束窄系數(shù)時相對單寬流量的值近似為1；而從圖11 中可以得到，針對同一束窄程度，穩(wěn)定階段航道內(nèi)異重流在前后兩個丁壩位置特征斷面的總流量也大致相同，與單寬流量變化趨勢相一致。這表明在穩(wěn)定狀態(tài)下，航道內(nèi)的異重流經(jīng)過丁壩特征斷面的總流量與該斷面的寬度成正比，丁壩越長意味著更少的異重流經(jīng)過束窄斷面進(jìn)入航道。此外，由于在1-1 與2-2 兩處特征斷面的異重流總流量近似相同，因此由兩個丁壩特征斷面組成的控制體內(nèi)異重流在相同時間內(nèi)的流入量與流出量相同，控制體內(nèi)異重流總量保持不變。

3 討論

河口航道通?？v向上存在較大的密度差，密度較小的徑流淡水沿著上層下泄至海洋，受密度梯度的影響，密度較大的海水在下層沿著航道向上游入侵，并在上溯過程中不斷與上層淡水進(jìn)行摻混，最終形成河口鹽淡水異重流（重力環(huán)流）［25］。而對于長江口這種由密度梯度引起的重力環(huán)流是河口環(huán)流的重要組成部分［26］，能夠持續(xù)不斷地將徑流下泄、驅(qū)動海水上溯［27］，進(jìn)而造成河口航道淤積。Shen 等［28］基于數(shù)值模型及北槽實(shí)測地形資料，指出了重力環(huán)流影響下河口上、下游余流輸沙匯聚是造成長江口深水航道淤積的重要影響因素。黃晨［29］通過建立數(shù)值模型，采用了深水航道整治工程前和工程后兩個方案進(jìn)行了對比，分析了深水航道整治工程對長江口北槽內(nèi)鹽水楔的影響，結(jié)果表明在大、中潮情況下工程后北槽內(nèi)鹽度明顯大于工程前且在漲憩時鹽度變化最大，然而在小潮漲憩時航道被束窄后鹽度反而變小。對于水深較大，徑流及潮流作用強(qiáng)度適中的河口，決定河口環(huán)流的驅(qū)動因素是縱向的密度梯度［30］，而長江口北槽小潮作用時則屬于這種情況［31］，即北槽航道在同等密度差驅(qū)動情況下，航道被束窄后鹽度相比未被束窄有所下降，這可能是由于丁壩的存在阻擋了一部分異重流侵入航道，使得在相同徑流條件下航道內(nèi)水體鹽度下降，這一點(diǎn)也從本實(shí)驗(yàn)中得到進(jìn)一步證實(shí)。

對于通過丁壩群等建筑物整治后的航道，航道口門處的寬度直接影響著侵入航道內(nèi)異重流總量。但本文只考慮了單側(cè)布置丁壩的方案，相同口門寬度的對稱布置方案與單側(cè)布置方案對異重流在斷面處流量的影響是否相同還有待驗(yàn)證。而當(dāng)河口區(qū)域徑流增大時，會使得航道內(nèi)上層密度較小向海的淡水流速增大，減弱下層向陸的異重流流速［32］，對異重流的運(yùn)動有一定的抑制作用，進(jìn)而減少異重流侵入航道的總量。

4 結(jié)論

河口地區(qū)由水平密度梯度引起的異重流是影響河口航道泥沙輸移和引發(fā)泥沙淤積的主要因素之一，丁壩群也是河口航道整治工程中常用的水工建筑物。本文采用PIV實(shí)驗(yàn)研究了不同束窄系數(shù)下，航道內(nèi)雙丁壩對穩(wěn)定狀態(tài)時異重流的運(yùn)動特性的影響，主要結(jié)論如下：

（1）異重流在兩個丁壩之間掩護(hù)區(qū)內(nèi)的流速較小，異重流攜帶的泥沙會在此區(qū)域沉積。在兩丁壩掩護(hù)區(qū)域相對的航道水域，異重流的高度、流速都較為穩(wěn)定，且分布較為均勻。當(dāng)異重流流經(jīng)丁壩2后，異重流過流斷面擴(kuò)大，呈現(xiàn)迅速的橫向擴(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致異重流高度的下降。雙丁壩的束窄作用加大了異重流的流速，并且丁壩越長，異重流的最大流速越大。

（2）航道內(nèi)湍流強(qiáng)度較大的區(qū)域在垂直方向上主要集中在異重流與上層水體的交界面之間，在水平方向上則是集中在壩頭連線附近及第二個丁壩右側(cè)航道區(qū)內(nèi)接近擴(kuò)散區(qū)附近，并且雙丁壩的存在增大了異重流的湍流強(qiáng)度。

（3）穩(wěn)定階段的異重流在兩個特征斷面處的總流量相等，控制體內(nèi)的異重流保持著動態(tài)平衡。異重流從生成至進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時長與航道的束窄系數(shù)有關(guān)，丁壩越長，異重流進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時間越滯后。

（4）異重流處于穩(wěn)定階段時，在兩個特征斷面處的單寬流量與航道內(nèi)有無丁壩及丁壩長度幾乎無關(guān)，不同束窄系數(shù)下兩處的單寬流量都近似相同。航道內(nèi)的異重流經(jīng)過丁壩特征斷面的總流量與斷面寬度成正比，調(diào)整丁壩長度可以控制異重流侵入航道的總量。

作者貢獻(xiàn)聲明：

黃碩：構(gòu)思框架，數(shù)據(jù)處理，論文撰寫；

黃文銳：論文整體研究方法設(shè)計(jì)；

劉曙光：指導(dǎo)論文撰寫，全文審閱；

婁廈：指導(dǎo)論文思路，論文修改；

沈淇：論文修改。