閩江下游南北港分流比變化數值模擬分析

夏厚興

(1.福建省水利水電勘測設計研究院有限公司,福建 福州 350001;2.福建省水動力與水工程重點實驗室,福建 福州 350001)

閩江是福建省第一大河流,獨流入海,發源于武夷山脈,流域面積60 992 km2,約占全省面積的一半。閩江下游通常指水口水庫壩下至閩江口長約117 km河段,閩江下游河道過閩清、經閩侯至福州南臺島淮安分流口分為南、北港,南、北港繞南臺島于馬尾三江口匯合,而后進入入海通道。閩江下游河道見圖1。

圖1 閩江下游河道示意

閩江南北港分流比是指閩江下游干流來水經淮安分流口分流進入南北港后,南、北港流量分別占干流流量的百分比。歷史上,閩江南北港分流比有著枯水期“三七開”,洪水期“倒三七開”之說,即枯水期南港分流比約占30%、北港約占70%,洪水期則相反[1-4]。事實上,閩江南北港分流比是動態變化的,不同時期、不同流量下分流比不同,特別是20世紀80年代中后期以來,受閩江下游河道復雜演變的影響,南北港分流比變動頻繁、變幅較大,極為復雜。20世紀80年代中后期至世紀交替,閩江北港急劇刷深、分流比不斷增大,南港一度斷流,影響北港防洪安全和閩江下游航運。為此,部分學者曾開展過較為全面的研究探討。陳日華[2]利用1951—1956年和1975—1988年共20 a實測資料分析認為,北港控制斷面遭受毀變引起北港同水位流量明顯增大是導致北港分流比增大的主要原因;鄭鳴芳[5]利用閩江下游分流口河段水文泥沙、地形斷面、河床演變和整治建筑物建設等資料,同樣分析得出閩江南北港進口斷面面積變化是引起分流比改變的主要因素;陳祿[6]則針對北港分流比不斷增大對北港兩岸防洪安全的威脅,提出擴大侯官過水斷面積改造淮安頭分流壩,以減小北港分流比的工程整治措施建議。

進入21世紀以來,隨著閩江下游南港開發和涉河建設等人類干預活動影響加劇,南港河道劇烈演變、大幅下切[7-8],加上北港全面禁止采砂的影響,閩江下游水力特性和南北港分流比發生重大變化。20世紀末,困擾水利和港航部門的北港分流比不斷增大導致南港枯水斷流的難題在進入21世紀以后逐漸被扭轉,近年來,北港河道局部淤積、分流比持續減小,南港分流比不斷增大,又對南北港水流運動和防洪、供水、生態和涉河建筑物安全等涉河公共問題產生新的影響。

本文主要目的是分析閩江下游南北港分流比變化特征,反演20世紀末以來閩江南北港分流比變化過程,探討河道堤岸邊界變化和河床沖淤演變對分流比變化的影響,研究成果可為閩江下游南北港整治和保護管理及涉河開發建設等提供技術參考。

1 閩江下游南北港分流比變化特征

有實測資料以來,閩江下游南北港分流比變化大致可分為3個階段。

a)第一階段:1985年以前。這一時期,閩江南北港分流比整體相對穩定,不同年份、同一流量分流比變幅較小,干流流量20 000 m3/s時,北港分流比23%～28%,干流流量15 000 m3/s時,北港分流比26%～30%,干流流量10 000 m3/s時,北港分流比28%～35%,干流流量5 000 m3/s時,北港分流比33%～42%,北港分流比隨著干流流量增大而減小[1]。

b)第二階段:1985年至20世紀末。此階段,閩江下游南北港分流比最顯著變化特征是北港分流比不斷增大,南港減小、枯水斷流,干流流量約20 000 m3/s時,1984年北港分流比為27%,至世紀交替增大至約36%[9];1988—1993年,當閩江干流流量小于600 m3/s時,南港出現斷流[10],到世紀交替,閩江干流流量增大至1 500 m3/s時,南港斷流現象仍有發生[11]。

c)第三階段:21世紀初期至今。此階段,北港分流比不斷減小,南港分流比則持續增大,1999年,閩江竹岐實測洪峰流量20 800 m3/s(表1),北港實測分流比36.9%[9],至2016年閩江竹岐實測洪峰流量20 300 m3/s,北港實測分流比僅18.4%,較1999年減小約50%[12];2005年閩江竹岐實測洪峰流量29 400 m3/s,北港實測分流比26%,至2010年竹岐實測洪峰流量29 800 m3/s,北港分流比則降低至20.2%[10];2013年水口水庫日均下泄流量570 m3/s時,實測北港分流比僅為14%～26%[11],而20世紀末,枯水期一度水流全部流入北港[3,6,11,13]。

表1 閩江竹岐站歷次流量大于20 000 m3/s洪水北港實測分流比

2 數學模型及驗證

2.1 數學模型簡況

1997年福建省批復了閩江下游河道防洪岸線規劃,此后,隨著沿江開發建設力度加大和堤防體系的逐步完善,閩江下游河道堤岸邊界發生了較大變化,主要集中在竹岐至白巖潭河段,根據實測地形資料,1997、2009、2020年該河段堤岸邊界變化見圖2,可以看出,1997—2009年再到2020年,河道平面不斷束窄,堤岸趨于平順,1997—2009年間河道堤岸變化大于2009—2020年。

圖2 閩江竹岐至白巖潭段河道堤岸邊界變化示意

為分析河道堤岸邊界變化和河床沖淤變化對閩江南北港分流比的影響,分別基于1997年、2009年、2020年堤岸邊界和河道地形建立了3套不同地形邊界的閩江下游河道數學模型,分別是1997年河道數學模型、2009年河道數學模型和2020年河道數學模型。3套數學模型模擬范圍均為水口大壩壩下至閩江口。

模型采用丹麥DHI公司MIKE21軟件,模型基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程,并服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定,將三維水流沿水深方向積分,得到沿平均水深的二維淺水運動質量和動量守恒控制方程,在空間上采用非結構化網格下的有限體積法進行離散,在時間上采用顯性歐拉法進行離散[14-15]。模型河道堤岸邊界設置為閉合邊界,不考慮水流漫溢,模型進口和出口設置為開邊界,進口邊界采用流量,出口邊界采用水位;動邊界采用“干濕邊界”,水深大于0.1 m的單元為完全濕單元,水深小于0.005 m的單元為干單元、不參與計算,水深介于兩者之間的單元為半干單元,半干單元只有水量參與計算,動量則被忽略。3套模型網格尺度一致,均采用非結構三角形網格單元,最小網格尺度約10 m,淮安分流口河段1997年河道數學模型網格劃分見圖3。模型糙率根據驗證結果調整,由于3個不同年份河道灘槽分布不同,因此3套模型糙率平面分布上有所差異,但是灘槽糙率取值變化范圍3套模型相差不大,經驗證,水口壩下至淮安分流口河段主河槽糙率0.028～0.036,灘地糙率0.036～0.056,南港主河槽糙率0.024～0.035,灘地糙率0.036～0.054,北港主河槽糙率0.022～0.033,灘地糙率0.034～0.050,三江口以下主河槽糙率0.020～0.025,灘地糙率0.026～0.040。

圖3 淮安分流口河段1997年河道數學模型網格劃分

2.2 模型驗證

由于歷史實測資料有限,本次建立的3套數學模型主要利用與建模地形相鄰或相近年份的水文站實測資料進行流量、分流比和水位驗證,驗證成果分別見圖4—6。

1997年河道模型驗證采用1998年6月22日12時至1998年6月24日0時實測大洪水資料,計算北港分流比30.36%～34.53%、平均31.79%,實測北港分流比29.54%～35.00%、平均31.08%,計算值與實測值偏差值為-0.47%～1.27%;計算各水文(位)站水位變化過程相似,最大偏差0.14 m,平均偏差不超過10 cm。2009年河道模型驗證采用2010年6月18日6時至2010年6月20日6時實測洪水資料,計算北港分流比17.35%～22.65%、平均20.51%,實測17.98%～21.75%、平均20.18%,分流比變化范圍基本一致、數值較為接近,平均偏差0.33%,各水文測站計算水位與實測水位整體較為接近,平均偏差不大于10 cm。2020年河道模型驗證采用2016年5月7日20:00時至5月9日18:00時實測洪水資料,計算北港分流比11.71%～18.75%,實測分流比10.97%～18.65%,相差不大;計算竹岐站水位整體偏低0.16 m,應是受河床下切演變影響,計算文山里水文站和解放大橋上水位與實測值較為接近,平均偏差均為0.02 m,白巖潭站除部分時段外,整體水位偏差也不大于10 cm。總的來看,3套模型與原型相似性良好,滿足本次分流比研究需求。

a)竹岐站流量驗證

a)竹岐站流量驗證

a)竹岐站流量驗證

3 河道演變對分流比的影響

3.1 計算方案和邊界條件

本次數學模型研究,利用3套不同的河道數學模型分別計算反演閩江南北港分流比變化,并在此基礎上進一步探究河道演變對分流比的影響。河道演變主要表現為河道平面邊界(堤岸)變化和河床(水下地形)縱向變化,為區分堤岸邊界變化和河床沖淤變化對分流比的影響程度,數學模型計算方案考慮2種情況,一是考慮地形不變、改變河道堤岸邊界分析河道邊界對分流比的影響,即采用1997年河道模型地形分別搭配1997年河道邊界、2009年河道堤岸邊界以及2020年河道堤岸邊界;二是考慮河道邊界不變、改變河道地形分析河道地形條件對分流比的影響,即采用2020年河道堤岸邊界分別搭配1997年河道地形、2009年河道地形和2020年河道地形。

一方面潮流分流比十分復雜,另一方面由于歷史實測資料不足,本次建立的3套模型缺少大小潮期間潮流分流比驗證。因此,本次主要研究洪水分流比。模型計算邊界采用恒定流,上邊界采用竹岐站設計洪峰流量,50年一遇、100年一遇和200年一遇洪水,設計洪峰流量分別為32 800、35 700、38 300 m3/s;模型下邊界采用閩江口梅花潮位站設計潮位,該潮位站潮位特征較為穩定,受閩江河道演變和徑流作用影響不大,分別考慮洪水匹配梅花站4—7月份多年平均高潮位2.96 m和4—7月份多年平均低潮位-2.00 m。

3.2 閩江下游南北港分流比反演計算結果

不同洪水下閩江下游南北港分流比計算結果見表2。50年一遇、100年一遇、200年一遇洪水匹配高潮位工況,1997年北港分流比分別為30.4%、29.4%、28.7%,2009年北港分流比分別降低至20.1%、19.9%、19.7%,至2020年北港分流比進一步降低為17.7%、17.7%、17.6%;50年一遇、100年一遇、200年一遇洪水匹配低潮位工況,1997年北港分流比分別為30.7%、29.7%、28.9%,2009年北港分流比分別降低至20.2%、20.0%、19.8%,至2020年北港分流比進一步降低為17.6%、17.6%、17.4%。1998年閩江大洪水實測竹岐洪峰流量33 800 m3/s,流量介于50年一遇和100年一遇,北港分流比29.9%,與1997年河道數學模型50年一遇和100年一遇洪水分流比計算結果接近,且介于二者之間;2010年閩江大洪水竹岐實測洪峰流量約20年一遇,北港分流比為20.2%,與2009年河道數學模型計算50年一遇洪水北港分流比近似,2020年前后未發生大洪水,但是2020年河道數學模型經過2016年洪水驗證,因此,計算結果較為合理可信。計算表明:閩江口潮位變化對大洪水南北港分流比影響不大;1997—2020年的20多年間,閩江北港分流比大幅降低至歷史最低水平,且1997—2009年北港分流比降幅明顯大于2009—2020年北港分流比降幅;1997年河道條件下,北港分流比隨洪水量級的增大而減小,2009、2020年河道條件下不同頻率洪水分流比基本相同。

表2 閩江南北港洪水分流比反演計算結果

3.3 堤岸邊界變化對分流比的影響

河道不同堤岸邊界條件下閩江下游南北港洪水分流比計算結果見表3。對比不同堤岸邊界分流比計算結果可知:閩江下游洪水分流比受河道堤岸邊界變遷影響,堤岸邊界變化越大,分流比變化也越大。1997—2020年的20多年來,閩江下游河道堤岸變化(河道平面的束窄)導致洪水期北港分流比增大、南港分流比減小,影響幅度約為3%,這種變化主要是因為1997年以來閩江下游南港兩岸圍灘造地、束窄河道程度大于北港。1997—2009年河道堤岸邊界變化強度大于2009—2020年河道堤岸邊界變化,因此1997—2009年河道堤岸邊界變化導致50年一遇、100年一遇、200年一遇洪水下北港分流比分別增大2.2%、2.4%、2.4%,明顯大于2009—2020年閩江下游河道堤岸邊界變化導致的分流比變化。

3.4 河床沖淤變化對分流比的影響

相同河道堤岸邊界、不同河道地形條件下南北港洪水分流比計算結果見表4。對比不同河道地形條件分流比計算結果可知:河床沖淤變化對閩江南北港洪水分流比影響十分顯著,從1997—2020年的20多年間,閩江南北港河床的沖淤變化導致洪水期北港分流比大幅降低、南港分流比大幅增大,這種變化系20多年間南港河床整體下切幅度明顯大于北港河床下切幅度所致。1997—2009年,南北港河道河床下切的差異明顯大于2009—2020年,因此1997—2009年河道地形沖淤變化導致50年一遇、100年一遇、200年一遇洪水下北港分流比分別減小約13.1%、12.2%、11.7%,明顯大于2009—2020年閩江下游河床沖淤變化導致的分流比變化。1994年水口水庫建壩截流攔沙,1997年閩江北港全面禁止采砂、閩江下游采砂轉移至閩江下游干流和南港,南港航道整治疏浚以及潮流影響等是導致閩江下游南北港河道沖淤演變的原因[7]。

表4 不同地形條件閩江南北港洪水分流比模擬計算結果

4 結語

基于大量實測資料和前人相關研究成果,總結分析閩江下游南北港分流比變化特征,并建立3套不同河道堤岸邊界和地形條件的數學模型計算不同頻率洪水南北港分流比,探討河道演變對南北港分流比變化的影響,主要結論如下。

a)閩江下游南北港分流比變化大致可以分為3個階段,第一階段1985年以前,此階段,閩江南北港分流比整體相對穩定,基本維持動態平衡;第二階段1985年至20世紀末,這一時期,閩江北港分流比不斷增大,南港減小;第三階段21世紀初期至今,此階段,南港分流比持續增大,北港分流比不斷減小,已降至歷史最低水平。

b)1997—2020年的20多年間,閩江南北港分流比變化明顯,1997—2009年分流比變化程度強于2009—2020年,50～200年一遇洪水北港分流比減小約9.0%～10.5%;2009—2020年,北港分流比減小2.1%～2.6%。

c)20多年間,閩江下游河道地形沖淤變化對南北港分流比的影響明顯大于河道堤岸邊界變化對南北港分流比的影響,地形沖淤變化導致50～200年一遇洪水北港分流比減小9.1%～10.6%;河道平面束窄也對南北港分流比產生一定影響,影響幅度約3%。

建議對閩江下游河道進行系統治理,促進南北港河道演變平衡,穩定南北港分流比。