二維潮流數學模型在潮汐河口圈圍工程大型龍口合龍過程中的應用

俞相成 趙庚潤

（上海市水利工程設計研究院 上海 200061）

1 引言

近年來，圈圍造地已逐漸成為緩解沿海城市用地矛盾的有效途徑。隨著河口促淤圈圍工程低灘化、規模化的發展，工程實施難度越來越高，工程投資也越來越大。

龍口合龍作為圈圍工程施工過程中重要環節，對圈圍工程的工期和投資有重大的影響。目前龍口合龍施工主要有三種工藝［1］：第一種為拋石合龍，主要用在龍口規模大、合龍過程中龍口水流流速大的工程，如青草沙水源地工程，龍口寬800m；第二種為拋石合龍與水力充填合龍相結合的方式，主要用在龍口規模較大、合龍過程中龍口水流流速較大的工程，一般先在龍口外側拋石減緩水流流速，再在龍口處采用水力充填的方式進行合龍，如浦東國際機場圍海造地工程等，通常口寬200～300m；第三種為水力充填合龍，主要用在龍口規模較小、合龍過程中龍口水流流速較小的工程，如上海臨港新城蘆潮港西側灘涂圈圍工程等，通常口寬100m左右 （中高灘位置圈圍采用該工藝，合龍口寬一般可達200m左右）。

拋石合龍雖然合龍成功率較高，但成本較高，尤其對于上海等建筑石料主要采用外來石料的地區。水力充填合龍成本較低，但對合龍過程中水力條件要求較高，龍口處水流流速過大、水位較高時均不適用［2］。因此，隨著促淤圈圍工程規模化的發展，大中型促淤圈圍工程主要采用拋石合龍與水力充填合龍相結合的方式，既保證龍口合龍的成功率，又節約了工程成本。

隨著當前數值模擬技術的迅猛發展，數學模型廣泛應用于工程規劃、設計過程中的各個環節［3］。針對水力充填對合龍過程中水力條件要求較高的特點，如果能準確計算出合龍過程中龍口處水力條件，則可根據計算結果合理安排合攏過程中各個施工步驟，將水力充填合龍運用在大型促淤圈圍工程中，最大程度發揮水力充填合龍的優勢。這樣既能保證龍口合龍的成功率，又可以節約工程成本，對大型促淤圈圍工程有重要的指導意義。在此將以橫沙東灘促淤圈圍六期工程1＃圍區龍口為例，具體說明二維潮流數學模型如何指導大型龍口合龍的施工。

2 項目簡況及初擬龍口合龍方案

橫沙東灘位于橫沙島尾的東端，長江口深水航道北導堤以北，北港以南，是長江口發育比較好的淺灘之一，經過一期、二期和四期促淤工程多年的促淤，已具備圈圍成陸的條件。橫沙東灘圈圍六期工程圈圍成陸面積約4．85萬畝，屬中潮灘圈圍，其中1＃圍區位于工程最西段，面積1．4萬畝，龍口寬度600m，底高程為1．6m （吳淞高程，下同）。

雖然六期工程各圍區及龍口規模均較大，但從工程位置及地形上看，1＃圍區外高程較高，平均灘面高程低于平均潮位，略高于平均低潮位，拋石船進出極為困難，且可作業時間很短。如果采用傳統的拋石合龍與水力充填合龍相結合的方式，施工難度大，且合龍成本較高。因此，初步考慮只采用水力充填的方式進行龍口合龍。

結合水力充填作業特點，初步擬定1＃龍口合龍的步驟為：首先采用平堵的方式將龍口底高程由原來的1．6m抬高至2．1m；其次采用立堵將龍口兩側抬高至3．6m，龍口中央縮窄至100m；然后將龍口平堵至3．6m，最后平堵完成整個龍口合龍。具體實施步驟見表1。

表1 1＃龍口初擬收縮步驟

3 二維潮流數學模型及計算水文條件

采用丹麥水力學研究所（DHI）最新研發的MIKE21 Flow Model（FM）模塊進行計算。該模塊可以模擬各種流場問題（如港口、河流、湖泊、河口海岸和海洋等），具有網格剖分靈活、計算速度快、數值收斂迅速等優點，目前在長江口杭州灣應用比較成熟，在河口中低灘促淤圈圍工程中積累了相當的工程經驗。

3．1 基本方程及主要參數［4］

基本方程為水流連續方程和水流運動方程。

糙率系數：通過模型的率定與驗證來確定，并參照相關工程經驗，取值范圍為0．011～0．018。渦粘系數：根據Smagorinsky公式確定。

3．2 模型率定驗證

模型范圍上邊界取至江陰，東邊界至外海123°30′，北邊界至32°15′，南邊界至29°33′。利用2009年8月20日～9月5日水文測量結果對模型多處水位流速進行率定驗證結果表明：模型所采用的參數合理，結果可靠，符合《水利工程水利計算規范》［5］中感潮河段水力學計算的要求。工程附近測點水位、流速及流向驗證結果見圖1。

圖1 工程附近測點水位、流速、流向驗證結果

3．3 龍口合龍過程計算水文條件

結合工期要求，并真實反應龍口在合龍期階段的水力條件，合龍期計算潮型選用工程地點2011年11月10日～2012年1月20日期間連續3日最小潮型中最大潮差的潮型，如圖2所示。該潮型下，工程區低潮位為0．75m，高潮位為 3．25m，最大潮差為2．5m。漲潮過程中單小時最大漲幅為0．62m，落潮過程中單小時最大落幅為0．48m。

圖2 工程區外側潮位過程線

4 模擬計算結果分析

4．1 合龍階段龍口處典型水深流速過程

由模擬計算結果可知，合龍階段龍口處典型水深流速過程如下：

（1）當龍口處水深較淺時，即落潮末期，龍口處水流流速較低，當龍口處潮位由落轉漲時，水流流速為0；

（2）在漲潮初期，龍口處水深逐漸增加，流速則迅速增大，當龍口水位抬高到一定程度時，水流流速達到最大；

（3）龍口處水位持續抬升，但流速逐漸減小，漲潮末期，龍口內外水位相同時，龍口處流速為0；

（4）落潮初始時，龍口處水位逐漸下降，流速逐漸增大，當龍口水深下降到一定程度時，水流流速達到最大；

（5）之后龍口水深繼續下降，流速也逐漸減小為0。

根據上述分析，龍口處漲潮初期雖然水深較淺，但水深和流速提升過快；漲潮末期和落潮初期則水深較深，這些時段均不適合龍口水下部分收縮作業。最適合龍口收縮作業的階段應為龍口處落潮中段至落潮末期，這一時段中龍口水深逐漸下降，水流流速逐漸較小，且持續時間較長。

同時根據多年工程經驗，在采取必要輔助措施配合下，一般在龍口水深小于0．4m，流速不超過1．0～1．2m／s時為水力充填最佳作業時段；龍口水深小于0．7m，流速不超過1．5m／s時為水力充填可作業時段；龍口水深超過0．7m，流速超過1．5m／s時為水力充填不可作業時段。因此，明確各合龍步驟中水力充填可作業時段的持續時間，可為施工單位具體計劃合龍方案、籌備合龍作業提供重要依據，也是數學模型計算的重點工作內容。

4．2 收縮合龍過程中各步驟龍口處水力特性

結合表1龍口收縮各步驟，利用數學模型計算出1＃龍口各收縮步驟后龍口處水深流速過程線，各收縮步驟水力充填最佳作業時段和可作業時段歷時。由龍口各收縮步驟后龍口處水深流速過程線可知，在計算潮型下，合龍步驟1（平堵抬高0．5m）中水力充填最佳作業時段歷時3．6～6．3h，可作業時段歷時6．8～8h，合龍過程中龍口上最小水深為0．1～0．15m，最大流速為2．5m／s。合龍步驟2（龍口兩側立堵收窄）中水力充填最佳作業時段歷時3．6～5h，可作業時段歷時8．5～11．1h，合龍過程中龍口上最小水深為0．1～0．25m，最大流速為2．3m／s。合龍步驟2（龍口中央平堵斷流）中水力充填最佳作業時段歷時4～8．1h，可作業時段歷時8．7～10．1h，合龍過程中龍口上最小水深為0．25m，最大流速為2．4m／s。

4．3 龍口合龍施工計劃安排

根據數模計算結果，結合合龍期預計潮位過程，編制出1＃龍口合龍過程工作安排表，詳見表2～表3。橫沙東灘促淤圈圍六期工程1＃龍口于2012年1月1日開始合龍施工，當月3日成功合龍斷流，完成了國內罕見的單純采用水力充填方式合龍大型龍口的高難度施工。1＃龍口的順利合龍 成功也證明了在準確數學模型指導 下，單純采用水力充填方式合龍大型龍口的可行性。

表2 1＃龍口平堵抬高工作安排

表3 1＃龍口立堵抬高工作安排

5 結語

水力充填方式合龍雖然成本較低，但對合龍期水力條件要求較高，一般只運用在規模較小的龍口或外海側有拋石壩減緩龍口水流的大中型龍口。上述以橫沙東灘促淤圈圍六期工程為例，利用數學模型，結合龍口合龍施工中具體收縮步驟，分析了合龍期龍口處典型水深流速過程，并計算出各收縮步驟中水力充填合龍的最佳作業時段和可作業時段，為施工單位具體安排施工強度、配套設備等提供了重要支撐。1＃龍口的順利合龍成功也證明了在準確數學模型指導下，單純采用水力充填方式也可運用于中潮灘大型龍口的合龍，為類似條件的大型促淤圈圍工程龍口合龍施工提供了參考。

1 茅志昌，李九發，吳華林 ．上海市灘涂促淤圈圍研究［J］．泥沙研究，2003，（2）．

2 王文杰，余祈文 ．土工編織袋拋壩促淤施工及經濟效益分析［J］．浙江水利科技，2002，（1）．

3 劉新成，盧永金，杜小弢，潘麗紅 ．長江口青草沙水庫與河勢關聯的若干工程問題的數學模型分析［J］．人類活動與河口，2008．

4 MIKE 21 ＆MIKE 3 Flow Model FM Hydrodynamic and Transport Module Scientific Documentation．DHI，2008，3－5．

5 SL104－95，水利工程水利計算規范［S］．