概念性河口及長江口淤積機制分析模擬

白玉川, 洪育超, 王 勇, 徐海玨, 陸婷婷, 蘇俐珊

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概念性河口及長江口淤積機制分析模擬

白玉川1, 洪育超1, 王 勇2, 徐海玨1, 陸婷婷3, 蘇俐珊1

(1. 天津大學水利仿真與安全國家重點實驗室, 天津 300072; 2. 南通濱海園區(qū)港口發(fā)展有限公司, 江蘇南通226333; 3. 南通大學交通學院, 江蘇南通226019)

為了探求河口淤積原因, 從概念河口的角度出發(fā), 通過概化河口形態(tài)建立概念性河口模型, 以二維水沙數(shù)學模型為工具, 模擬分析了5種河口淤積機制; 建立了長江口水沙二維數(shù)學模型, 對長江口區(qū)域水沙特征及淤積狀況進行了模擬分析。研究表明, 建立概念性河口有助于研究不同形式河口的淤積機制, 對于長江口水域, 其不同區(qū)域淤積機制不一, 其治理措施也應有所區(qū)別, 找出河口不同區(qū)域起主導作用的泥沙淤積機制, 有利于人們更合理地治理河口。

概念性河口; 淤積機制; 長江口; 二維數(shù)值模擬

河口是河流的終段, 是與海洋交接的區(qū)域。我國沿海各河口均存在不同程度的淤積, 促使岸線演變, 造成航道淤積和水工結構損壞, 嚴重的則會影響河口功能發(fā)揮[1-2]。河口區(qū)域由于受到徑流、潮流、風浪及鹽水等因素的影響, 加之河口區(qū)域一般也是工程建設較密集的區(qū)域, 河口的淤積成因, 有自然因素也有人為因素, 淤積機制復雜。為了研究河口泥沙淤積的組合機制, 總結淤積規(guī)律, 在參考河口普遍平面形態(tài)的基礎上, 通過提出幾種概念性河口建立了簡化了的二維懸沙數(shù)學模型, 并以此概化出單一代表的5種河口淤積機制, 用概念性河口淤積模型加以模擬分析。

河段展寬淤積: 指徑流下泄至口門附近, 河流斷面在入海處變寬, 徑流脫離河岸的約束, 水流擴散, 流速驟減, 水流挾沙能力下降, 上游流域的大量來沙在口門附近堆積, 導致泥沙淤積。

潮徑頂托淤積: 指河口段水流受徑流和潮流影響, 在漲潮時, 外海水位上升, 上溯潮流對下泄徑流產生頂托作用, 使下泄水流減弱甚至轉向, 削弱徑流輸沙能力, 從而造成淤積。河口潮徑頂托現(xiàn)象可利用歐拉余流[3]判斷, 歐拉余流為零的點可稱為滯流點[4]。

河勢不順淤積: 指當水動力軸線與河流深泓線之間夾角過大, 或者漲落潮動力軸線有較大差異, 河口水流流動不順暢, 阻力增大, 泥沙輸移受阻而形成淤積。在航道工程中, 若航道走向與漲、落潮流路夾角太大, 水流跨航道時, 發(fā)生河勢受阻的水流現(xiàn)象, 導致泥沙在航道內淤積[5]。自然河口由于長期演變調整, 河勢不順現(xiàn)象比較不突出, 所以本文分析重點主要是航道。

局部環(huán)流淤積: 指為加大航道落潮流速, 加強徑流沖刷, 維護航道水深, 通常會在航道兩端修筑導堤丁壩工程, 起到束水攻沙, 減淤、導流等效果[6]。然而, 在這些導堤丁壩之間, 在漲落潮水流的作用下, 形成正反向環(huán)流, 當遇到航道疏浚加深等地形條件改變時, 航道與壩田間坡度變大, 平衡被打破, 隨著壩田淤高, 航道納潮量減少以及航道沖刷粗化, 水流對航道的沖刷調整效果減弱。此時, 在壩田內局部環(huán)流作用下, 或形成高含沙異重水流, 或落淤于丁壩間或下潛于航道。

異重流潛入淤積: 異重流是兩種密度不同的液體, 因為密度差異而發(fā)生相對運動, 如清水與挾沙水流相遇時, 由于前者的密度比后者小, 挾沙水流就會潛入清水底部繼續(xù)流動, 形成異重流[7]。如前所述, 丁壩之間形成高含沙異重水流, 會落淤于丁壩間或下潛入航道, 造成部分航道淤積。其他研究也表明, 在河口海岸區(qū)域異重流淤積占總淤積量的比重不容忽視[8]。

1 計算模型

1.1 基本方程

航道形成異重流的條件

參照范家驊先生[11-12]的研究成果, 式中:為垂線平均流速;為渾水密度;為水體的密度差;為水深;為重力加速度;為無量綱系數(shù), 范家驊先生根據(jù)水槽實驗, 建議取值為0.78。

1.2 數(shù)值方法

方程采用有限元方法在三角形網格上用分步法進行離散求解, 考慮到模型模擬的時間跨度較長, 為節(jié)省計算時間和計算機內存, 提高計算效率, 用集中質量法[13-14]簡化單元系數(shù)矩陣。為計算穩(wěn)定, 選用半隱差分格式, 通過離散方程由前一步的、、計算出下一步的、, 再利用、和求得的值, 由前一步的、、算出下一步的, 并利用床面變形方程的離散由算出下一步的[15]。

1.3 概念性河口模型

所謂概念性河口, 就是在參考現(xiàn)實河流平面形態(tài)、水動力和泥沙特征的基礎上, 通過簡化的手段創(chuàng)建的虛擬河口模型。本文針對概念性河口淤積模型: 河段展寬淤積、潮徑頂托淤積、河勢不順淤積、丁壩局部環(huán)流淤積、異重流潛入淤積, 建立了相關二維概念性河口模型, 對淤積情況進行模擬分析。

如圖1所示, 4個模型東西走向40 km, 南北跨度50 km, 河流上邊界距離入海斷面8 km, 入海前河流寬度2 km。

模型Ⅰ是初始狀態(tài)下沒有任何工程措施的河口, 用來模擬分析河段展寬和潮徑頂托兩種淤積機制; 模型Ⅱ、Ⅲ分別在模型Ⅰ的基礎上, 開挖走向不同的航道, 用來對比分析河勢“順與不順”的淤積機制; 模型Ⅳ中設置雙導堤長丁壩結構, 導堤間有深水航道, 用來模擬分析局部環(huán)流淤積機制。

模型Ⅳ在距入海斷面4 km處設有雙導堤長丁壩工程, 設定為非掩護結構, 即不考慮工程中越浪影響。導堤長5.5 km, 間距4.1 km, 丁壩長0.85 km, 壩田寬3 km。河流上邊界在水深7 m處, 外海邊界水深15 m處, 床面整體坡度為0.000 2。

模型Ⅱ、Ⅲ中航道水深12.5 m, 航道底部和兩邊邊坡寬度均為400 m。模型Ⅳ中航道水深12.5 m, 底部和邊坡寬度均為600 m, 導堤內邊坡坡度0.016, 壩田區(qū)水深自內向外為0.5~3 m。

4個模型泥沙中值粒徑0.06 mm, 按一定級配分成10組[16]。考慮到沖淤對床面泥沙粗化細化的影響, 模型Ⅳ中壩田中值粒徑0.04~0.05 mm, 邊坡中值粒徑0.05~0.08 mm, 航道底部泥沙中值粒徑0.08 mm。

邊界條件設定, 上邊界平均流量為30 000 m3/s, 外海潮汐為不規(guī)則半日潮, 潮周期簡化為12 h, 漲落潮歷時分別是5 h和7 h, 邊界潮差3 m, 高潮位3.5 m,低潮位0.5 m。4個模型模擬時間跨度均為90 d, 即模擬一個季度的沖淤情況。

1.4 長江口模型

長江口模型, 如圖2、圖3, 西起江陰, 東至外海–40 m等水深處, 北起呂四港, 南至蘆潮港, 其中北槽處網格最小尺度為50 m, 外海網格最大尺度5 000 m, 時間步長4 s。模型模擬的是長江口洪季的沖淤情況, 時間為2013年8月1日到8月31日, 基準面采用吳淞基面。上游邊界采用大通站概化流量, 南、北邊界的邊界水位選用蘆潮港、大戢山、綠華、呂四潮位站水位資料, 外海潮位采用Chinatide軟件計算水位[17]。上邊界泥沙濃度采用江陰站實測資料, 模型床沙級配分10組[18], 糙率在0.008~0.02之間。

圖4為6個潮位站的水位驗證, 水位誤差均在10%以內, 驗證結果良好, 口門外模擬效果略好于口門內。圖5為7個測點的流速、流向驗證, 驗證結果良好。南北槽落潮分流比為61︰39, 亦與實際相符。

2 模擬分析

2.1 概念性河口模擬分析

2.1.1 河段展寬機制模擬分析

圖6為模型Ⅰ在落急和漲急時刻的流場和流速分布。從圖中可看出, 流速在展寬區(qū)域變化很大, 展寬斷面上游流速明顯大于下游, 另外, 展寬區(qū)域的垂直平均含沙量分布也具有相同的特點(圖7), 即展寬斷面上游含沙量明顯大于下游。河段展寬引發(fā)口外流速和水流挾沙力下降, 使上游來沙在口門處淤積, 這從圖8的淤積圖可看出,=15 km處淤積最嚴重, 且由于科氏力的影響, 淤積中心偏下。

2.1.2 潮徑頂托機制模擬分析

潮流場計算穩(wěn)定以后, 在潮周期內求潮流場積分的平均值[4], 即得到歐拉余流分布, 表示水質點潮周期內的凈流程, 如圖9。從圖中可看出, 在徑流、潮流共同作用下, 河口整體處于凈下泄狀態(tài), 且在科氏力作用下偏右運動。在局部區(qū)域, 如A處, 徑流和潮流出現(xiàn)相互頂托的現(xiàn)象; 而B處, 在徑、潮流共同作用下, 歐拉余流呈現(xiàn)出環(huán)流狀態(tài)。徑流在A、B處因潮徑頂托的影響而下泄受阻, 水流把泥沙帶到A、B處形成淤積, 這從圖8相應位置即可看出。

2.1.3 河勢不順機制模擬分析

航道順著河口時(模型Ⅱ), 河勢順暢; 航道斜著布置時(模型Ⅲ), 水動力軸線與航道存在一定的夾角, 水流跨航道運動時, 河勢不順, 航道外泥沙易被帶到主槽形成淤積。對比圖10兩個模型的沖淤圖可看出, 泥沙在河口處形成環(huán)狀淤積帶的特點沒有差異, 淤積程度都大于60 mm, 沖淤區(qū)別主要在航道, 在模型Ⅱ中, 同一航道斷面, 槽內淤積明顯比槽外少, 而模型Ⅲ, 航道同一斷面, 槽內淤積比槽外嚴重, 通過此對比即可說明河勢不順的促淤作用。

2.1.4 局部環(huán)流機制模擬分析

由于雙導堤長丁壩工程具有減淤、導流、擋沙等效果, 工程完成初期確實有沖刷航道, 淤積壩田的積極作用, 但隨著壩田區(qū)淤高, 航道疏浚加深等因素的影響, 沖淤規(guī)律可能會發(fā)生變化。從圖12沖淤圖顯示, B、C、D區(qū)域淤積, A、E區(qū)域沖刷。從圖11的余流圖可看出, 在C處有余流環(huán)流, 環(huán)流區(qū)流速較小, 泥沙在此聚集, 是淤積最嚴重的部分; D區(qū)域處丁壩最深處, 受丁壩掩護良好, 且因環(huán)流存在而不受到主槽水流內切的影響, 具有較好的淤積環(huán)境; 而航道部分, 由于A斷面過流面積小于B斷面, 所以出現(xiàn)A沖刷B淤積的現(xiàn)象; 結合余流和淤積狀況可判斷E區(qū)域的沖刷源于下泄壩田環(huán)流的輸運, 泥沙在局部環(huán)流作用下歸槽。

2.2 長江口模擬分析

2.2.1 河段展寬機制

長江口四海入口, 在北支、北港、北槽、南槽入海處都有較明顯的河流斷面展寬現(xiàn)象, 且多有淺灘形成(如北支的東黃瓜沙、北港的崇明淺灘等)。沖淤模擬結果(圖13)顯示, 在北支和北港入海口淺灘區(qū)域出現(xiàn)了淤積, 北支入海口最大淤積可達400 mm, 北港可達500 mm, 其中, 崇明淺灘處淤積區(qū)域位置偏北, 可能與外海自南向北潮波的作用有關。北槽出口處也有長條狀的輕微回淤區(qū)(圖14), 從北槽下泄的水流在口門處形成擴散, 泥沙落淤, 該區(qū)域洪季月回淤量為70 mm左右。

2.2.2 潮徑頂托機制

受徑流、潮流變化的影響, 長江口滯流點隨著洪枯季、大小潮的變化而出現(xiàn)上下移動。其中北槽滯流點活動區(qū)間可達60 km, 上至橫沙水文站, 下至口外, 呈現(xiàn)出洪季外移, 枯季內移的特征; 南槽滯流點活動范圍在南港小九段和口外之間[19]。本文從歐拉余流的角度分析南槽的潮徑頂托淤積現(xiàn)象。如圖15, 在南槽口門處南潛堤下段附近, 下泄水流與口外北上潮流形成頂托現(xiàn)象, 受此影響, 該處形成東北-西南走向的淤積帶, 月淤積量可達400 mm。另外, 在九段沙附近, 受下泄水流和地形影響, 該區(qū)域形成環(huán)流余流, 從對應的沖淤圖可看出, 九段沙附近形成了較大淤積帶, 最大淤積量為600 mm。

圖5 長江口各測點流速、流向驗證圖

Fig. 5 Verification of flow velocity and flow direction at each measurement point in the Yangtze River Estuary

2.2.3 河勢不順機制

長江口屬分汊型河口, 汊道繁多, 潛堤交替, 航道河勢復雜, 漲、落潮動力軸線往往差異較大, 本文以新橋通道為例加以分析。新橋通道位于下扁擔沙和中央沙之間, 連接南支和北港, 下泄時, 南支水流順著通道流向北港, 流勢較順暢; 上溯時, 部分南港水流沿瑞豐沙通道和新瀏河沙橫跨新橋通道上游段, 造成上段流勢不順, 同時易把新瀏河沙的床沙帶入新橋通道內, 造成上段淤積。由圖17中可看出, 新橋通道上游段是該通道淤積最嚴重的區(qū)域, 月淤積量在200 mm左右。

2.2.4 局部環(huán)流機制

修有雙導堤長丁壩工程的航道, 一般都存在主槽沖刷, 壩田淤積的現(xiàn)象, 但當主槽通過疏浚等手段加大水深, 且壩田回淤已達飽和狀態(tài)時, 沖淤狀況可能會發(fā)生變化。圖18為北槽沖淤模擬結果, 從圖中可看出, 北槽壩田整體依舊處于淤積狀態(tài), 其中, N6~N7、N7~N8、N8~N9、S6~S7、S7~S8、S8~S9區(qū)壩田只出現(xiàn)淤積現(xiàn)象, 而其余壩田或多或少存在沖刷區(qū)域, 但總體上沖刷區(qū)域面積較小, 北槽上段壩田、上中段導堤壩田以及最接近口門的壩田較易出現(xiàn)沖刷區(qū)域。南北導堤相對應的壩田, 南壩田比北壩田沖刷現(xiàn)象更明顯, 尤其是上段壩田, 南壩田沖刷量是北壩田數(shù)十倍。圖19是北槽不同時刻的流場分布, 落急時, 環(huán)流隱藏較深, 流速較小; 漲急時, S4~S5以下, N5~N6以上有環(huán)流出現(xiàn), 環(huán)流位于壩田下游丁壩旁邊, 強度較落急時刻強, 且環(huán)流離丁壩根部較遠; 落憩時, 只在北壩田上游四個壩田出現(xiàn)環(huán)流, 環(huán)流中心速度0.02 m/s, 位置處于壩田中心偏外。漲憩時, 南壩田下段, 北壩田中段出現(xiàn)環(huán)流, 壩田強度較小, 位于下游丁壩壩頭旁。

下面就北槽上段壩田S1~S4沖刷比N1~N4大進行原因分析。(1)可能與該區(qū)丁壩長短有關, 南壩田丁壩較短, 泥沙缺乏有效保護段; (2)北槽下泄時, 從橫沙通道進入北槽的水流使下泄流動力軸線往南偏, 主槽水流較易切入南壩田; (3)模擬結果顯示, 北槽上段南壩田含沙量和流速都比北壩田高, 泥沙起懸明顯。在這種情況下, 北槽上段南壩田泥沙在局部環(huán)流作用下更具備被沖走的條件。壩田在下泄流和環(huán)流作用下沖刷, 很可能進入主槽, 雖沖刷量較小,難以造成主槽大量淤積, 但也是河口泥沙淤積機制之一。

2.2.5 異重流潛入機制

受模型限制, 本文尚未對該淤積機制進行深入模擬。根據(jù)2007年8月, 長江口水文水資源勘測局曾測得43 kg/m3的極高含沙量, 華東師范大學在航道南側測得25 kg/m3的含沙量; 2008年1月, 上海河口海岸科學研究中心測得最高含沙量達26.21 kg/m3, 這種近底部高含沙量均與風浪作用有關[20]。因此, 在較大風浪的作用下, 長江口深水航道含沙量可達25 kg/m3以上。

目前, 長江口深水航道水深為12.5 m, 即在現(xiàn)有流速、含沙量和水深條件下可以滿足(6)式形成異重流的條件, 泥沙可在重力作用下以異重流形式潛入航道造成淤積, 這方面有待進一步深入研究。

3 結語

本文以概念性河口模型為工具, 總結并提出河段展寬、潮徑頂托、河勢不順、局部環(huán)流、異重流潛入5種淤積機制。文中對5種淤積機制進行相對獨立模擬分析, 然而現(xiàn)實河口淤積是多種機制綜合作用的結果, 找出河口不同區(qū)域起主導作用的泥沙淤積機制, 有利于人們更合理地治理河口。

本文建立的長江口水沙二維數(shù)學模型, 模擬潮流作用下水位、流速、含沙率和沖淤量與實際情況吻合良好, 能很好地模擬該區(qū)域的懸沙和床面變化趨勢。

就長江口而言, 不同的區(qū)域發(fā)揮主導作用的機制不一樣。分汊入海展寬處, 河段展寬機制發(fā)揮主導作用, 河段展寬越明顯, 淤積越大; 口外渾濁帶, 潮徑頂托形成滯留點、鹽水異重流潛入是主要原因; 在淺灘交錯的南支、北港, 河勢順與不順在很大程度上影響航道的沖淤狀況; 北槽深水航道, 北槽自10 m水深疏浚至12.5 m水深后, 局部環(huán)流淤積和異重流潛入淤積加劇, 可能是北槽中段三期工程以后回淤量猛增的原因所在。

總之, 長江口環(huán)境復雜, 在多種機制相互作用下, 形成現(xiàn)在長江口及深水航道的淤積特點。

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Simulation of deposition mechanisms in the Yangtze River and conceptual estuaries

BAI Yu-chuan1, HONG Yu-chao1, WANG Yong2, XU Hai-jue1, LU Ting-ting3, SU Li-shan1

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2.Nantong Binhai Port Development Co., Ltd, Nantong 226333, China; 3. School of Transportation, Nantong University, Nantong 226019, China)

To identify the reasons for deposition in estuaries, we first establish a two-dimensional mathematical model of flow and suspended sediment transport in the Yangtze River and conceptual estuaries by generalizing estuarine morphology; next, we simulate and analyze five types of deposition mechanism in the conceptual estuaries; then, we simulate the hydrodynamic characteristics of the flow and sediments and discuss reasons for deposition in the Yangtze River Estuary. It can be safely concluded that the establishment of the model of conceptual estuaries contributed to the understanding of the deposition mechanism in different estuaries. In the Yangtze River Estuary, the deposition mechanisms in different reaches vary; therefore, appropriate measures should be taken during any engineering work. This research can help the efficient use of estuaries as a resource for society.

conceptual estuary; sedimentation mechanisms; the Yangtze River Estuary; two-dimensional numerical simulation

(本文編輯: 劉珊珊)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41576093, No.51279124; the Science Fund for Creative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China, No. 51321065]

Nov. 23, 2015

TP79

A

1000-3096(2016)08-0138-12

10.11759/hykx20151123002

2015-11-23;

2016-01-09

國家自然科學基金(41576093, 51279124); 國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體基金(51321065)

白玉川(1967-), 男, 山西神池人, 教授, 主要從事泥沙運動及河流研究, E-mail: ychbai@tju.edu.cn; 徐海玨(1977-), 通信作者, 女, 上海人, 副教授, 主要從事河流海岸泥沙運動力學, E-mail: xiaoxiaoxu_2004@163.com