白玉川, 洪育超, 王 勇, 徐海珏, 陆婷婷, 苏俐珊



概念性河口及长江口淤积机制分析模拟

白玉川1, 洪育超1, 王 勇2, 徐海珏1, 陆婷婷3, 苏俐珊1

(1. 天津大学水利仿真与安全国家重点实验室, 天津 300072; 2. 南通滨海园区港口发展有限公司, 江苏南通226333; 3. 南通大学交通学院, 江苏南通226019)

为了探求河口淤积原因, 从概念河口的角度出发, 通过概化河口形态建立概念性河口模型, 以二维水沙数学模型为工具, 模拟分析了5种河口淤积机制; 建立了长江口水沙二维数学模型, 对长江口区域水沙特征及淤积状况进行了模拟分析。研究表明, 建立概念性河口有助于研究不同形式河口的淤积机制, 对于长江口水域, 其不同区域淤积机制不一, 其治理措施也应有所区别, 找出河口不同区域起主导作用的泥沙淤积机制, 有利于人们更合理地治理河口。

概念性河口; 淤积机制; 长江口; 二维数值模拟

河口是河流的终段, 是与海洋交接的区域。我国沿海各河口均存在不同程度的淤积, 促使岸线演变, 造成航道淤积和水工结构损坏, 严重的则会影响河口功能发挥[1-2]。河口区域由于受到径流、潮流、风浪及盐水等因素的影响, 加之河口区域一般也是工程建设较密集的区域, 河口的淤积成因, 有自然因素也有人为因素, 淤积机制复杂。为了研究河口泥沙淤积的组合机制, 总结淤积规律, 在参考河口普遍平面形态的基础上, 通过提出几种概念性河口建立了简化了的二维悬沙数学模型, 并以此概化出单一代表的5种河口淤积机制, 用概念性河口淤积模型加以模拟分析。

河段展宽淤积: 指径流下泄至口门附近, 河流断面在入海处变宽, 径流脱离河岸的约束, 水流扩散, 流速骤减, 水流挟沙能力下降, 上游流域的大量来沙在口门附近堆积, 导致泥沙淤积。

潮径顶托淤积: 指河口段水流受径流和潮流影响, 在涨潮时, 外海水位上升, 上溯潮流对下泄径流产生顶托作用, 使下泄水流减弱甚至转向, 削弱径流输沙能力, 从而造成淤积。河口潮径顶托现象可利用欧拉余流[3]判断, 欧拉余流为零的点可称为滞流点[4]。

河势不顺淤积: 指当水动力轴线与河流深泓线之间夹角过大, 或者涨落潮动力轴线有较大差异, 河口水流流动不顺畅, 阻力增大, 泥沙输移受阻而形成淤积。在航道工程中, 若航道走向与涨、落潮流路夹角太大, 水流跨航道时, 发生河势受阻的水流现象, 导致泥沙在航道内淤积[5]。自然河口由于长期演变调整, 河势不顺现象比较不突出, 所以本文分析重点主要是航道。

局部环流淤积: 指为加大航道落潮流速, 加强径流冲刷, 维护航道水深, 通常会在航道两端修筑导堤丁坝工程, 起到束水攻沙, 减淤、导流等效果[6]。然而, 在这些导堤丁坝之间, 在涨落潮水流的作用下, 形成正反向环流, 当遇到航道疏浚加深等地形条件改变时, 航道与坝田间坡度变大, 平衡被打破, 随着坝田淤高, 航道纳潮量减少以及航道冲刷粗化, 水流对航道的冲刷调整效果减弱。此时, 在坝田内局部环流作用下, 或形成高含沙异重水流, 或落淤于丁坝间或下潜于航道。

异重流潜入淤积: 异重流是两种密度不同的液体, 因为密度差异而发生相对运动, 如清水与挟沙水流相遇时, 由于前者的密度比后者小, 挟沙水流就会潜入清水底部继续流动, 形成异重流[7]。如前所述, 丁坝之间形成高含沙异重水流, 会落淤于丁坝间或下潜入航道, 造成部分航道淤积。其他研究也表明, 在河口海岸区域异重流淤积占总淤积量的比重不容忽视[8]。

1 计算模型

1.1 基本方程

航道形成异重流的条件

参照范家骅先生[11-12]的研究成果, 式中:为垂线平均流速;为浑水密度;为水体的密度差;为水深;为重力加速度;为无量纲系数, 范家骅先生根据水槽实验, 建议取值为0.78。

1.2 数值方法

方程采用有限元方法在三角形网格上用分步法进行离散求解, 考虑到模型模拟的时间跨度较长, 为节省计算时间和计算机内存, 提高计算效率, 用集中质量法[13-14]简化单元系数矩阵。为计算稳定, 选用半隐差分格式, 通过离散方程由前一步的、、计算出下一步的、, 再利用、和求得的值, 由前一步的、、算出下一步的, 并利用床面变形方程的离散由算出下一步的[15]。

1.3 概念性河口模型

所谓概念性河口, 就是在参考现实河流平面形态、水动力和泥沙特征的基础上, 通过简化的手段创建的虚拟河口模型。本文针对概念性河口淤积模型: 河段展宽淤积、潮径顶托淤积、河势不顺淤积、丁坝局部环流淤积、异重流潜入淤积, 建立了相关二维概念性河口模型, 对淤积情况进行模拟分析。

如图1所示, 4个模型东西走向40 km, 南北跨度50 km, 河流上边界距离入海断面8 km, 入海前河流宽度2 km。

模型Ⅰ是初始状态下没有任何工程措施的河口, 用来模拟分析河段展宽和潮径顶托两种淤积机制; 模型Ⅱ、Ⅲ分别在模型Ⅰ的基础上, 开挖走向不同的航道, 用来对比分析河势“顺与不顺”的淤积机制; 模型Ⅳ中设置双导堤长丁坝结构, 导堤间有深水航道, 用来模拟分析局部环流淤积机制。

模型Ⅳ在距入海断面4 km处设有双导堤长丁坝工程, 设定为非掩护结构, 即不考虑工程中越浪影响。导堤长5.5 km, 间距4.1 km, 丁坝长0.85 km, 坝田宽3 km。河流上边界在水深7 m处, 外海边界水深15 m处, 床面整体坡度为0.000 2。

模型Ⅱ、Ⅲ中航道水深12.5 m, 航道底部和两边边坡宽度均为400 m。模型Ⅳ中航道水深12.5 m, 底部和边坡宽度均为600 m, 导堤内边坡坡度0.016, 坝田区水深自内向外为0.5~3 m。

4个模型泥沙中值粒径0.06 mm, 按一定级配分成10组[16]。考虑到冲淤对床面泥沙粗化细化的影响, 模型Ⅳ中坝田中值粒径0.04~0.05 mm, 边坡中值粒径0.05~0.08 mm, 航道底部泥沙中值粒径0.08 mm。

边界条件设定, 上边界平均流量为30 000 m3/s, 外海潮汐为不规则半日潮, 潮周期简化为12 h, 涨落潮历时分别是5 h和7 h, 边界潮差3 m, 高潮位3.5 m,低潮位0.5 m。4个模型模拟时间跨度均为90 d, 即模拟一个季度的冲淤情况。

1.4 长江口模型

长江口模型, 如图2、图3, 西起江阴, 东至外海–40 m等水深处, 北起吕四港, 南至芦潮港, 其中北槽处网格最小尺度为50 m, 外海网格最大尺度5 000 m, 时间步长4 s。模型模拟的是长江口洪季的冲淤情况, 时间为2013年8月1日到8月31日, 基准面采用吴淞基面。上游边界采用大通站概化流量, 南、北边界的边界水位选用芦潮港、大戢山、绿华、吕四潮位站水位资料, 外海潮位采用Chinatide软件计算水位[17]。上边界泥沙浓度采用江阴站实测资料, 模型床沙级配分10组[18], 糙率在0.008~0.02之间。

图4为6个潮位站的水位验证, 水位误差均在10%以内, 验证结果良好, 口门外模拟效果略好于口门内。图5为7个测点的流速、流向验证, 验证结果良好。南北槽落潮分流比为61︰39, 亦与实际相符。

2 模拟分析

2.1 概念性河口模拟分析

2.1.1 河段展宽机制模拟分析

图6为模型Ⅰ在落急和涨急时刻的流场和流速分布。从图中可看出, 流速在展宽区域变化很大, 展宽断面上游流速明显大于下游, 另外, 展宽区域的垂直平均含沙量分布也具有相同的特点(图7), 即展宽断面上游含沙量明显大于下游。河段展宽引发口外流速和水流挟沙力下降, 使上游来沙在口门处淤积, 这从图8的淤积图可看出,=15 km处淤积最严重, 且由于科氏力的影响, 淤积中心偏下。

2.1.2 潮径顶托机制模拟分析

潮流场计算稳定以后, 在潮周期内求潮流场积分的平均值[4], 即得到欧拉余流分布, 表示水质点潮周期内的净流程, 如图9。从图中可看出, 在径流、潮流共同作用下, 河口整体处于净下泄状态, 且在科氏力作用下偏右运动。在局部区域, 如A处, 径流和潮流出现相互顶托的现象; 而B处, 在径、潮流共同作用下, 欧拉余流呈现出环流状态。径流在A、B处因潮径顶托的影响而下泄受阻, 水流把泥沙带到A、B处形成淤积, 这从图8相应位置即可看出。

2.1.3 河势不顺机制模拟分析

航道顺着河口时(模型Ⅱ), 河势顺畅; 航道斜着布置时(模型Ⅲ), 水动力轴线与航道存在一定的夹角, 水流跨航道运动时, 河势不顺, 航道外泥沙易被带到主槽形成淤积。对比图10两个模型的冲淤图可看出, 泥沙在河口处形成环状淤积带的特点没有差异, 淤积程度都大于60 mm, 冲淤区别主要在航道, 在模型Ⅱ中, 同一航道断面, 槽内淤积明显比槽外少, 而模型Ⅲ, 航道同一断面, 槽内淤积比槽外严重, 通过此对比即可说明河势不顺的促淤作用。

2.1.4 局部环流机制模拟分析

由于双导堤长丁坝工程具有减淤、导流、挡沙等效果, 工程完成初期确实有冲刷航道, 淤积坝田的积极作用, 但随着坝田区淤高, 航道疏浚加深等因素的影响, 冲淤规律可能会发生变化。从图12冲淤图显示, B、C、D区域淤积, A、E区域冲刷。从图11的余流图可看出, 在C处有余流环流, 环流区流速较小, 泥沙在此聚集, 是淤积最严重的部分; D区域处丁坝最深处, 受丁坝掩护良好, 且因环流存在而不受到主槽水流内切的影响, 具有较好的淤积环境; 而航道部分, 由于A断面过流面积小于B断面, 所以出现A冲刷B淤积的现象; 结合余流和淤积状况可判断E区域的冲刷源于下泄坝田环流的输运, 泥沙在局部环流作用下归槽。

2.2 长江口模拟分析

2.2.1 河段展宽机制

长江口四海入口, 在北支、北港、北槽、南槽入海处都有较明显的河流断面展宽现象, 且多有浅滩形成(如北支的东黄瓜沙、北港的崇明浅滩等)。冲淤模拟结果(图13)显示, 在北支和北港入海口浅滩区域出现了淤积, 北支入海口最大淤积可达400 mm, 北港可达500 mm, 其中, 崇明浅滩处淤积区域位置偏北, 可能与外海自南向北潮波的作用有关。北槽出口处也有长条状的轻微回淤区(图14), 从北槽下泄的水流在口门处形成扩散, 泥沙落淤, 该区域洪季月回淤量为70 mm左右。

2.2.2 潮径顶托机制

受径流、潮流变化的影响, 长江口滞流点随着洪枯季、大小潮的变化而出现上下移动。其中北槽滞流点活动区间可达60 km, 上至横沙水文站, 下至口外, 呈现出洪季外移, 枯季内移的特征; 南槽滞流点活动范围在南港小九段和口外之间[19]。本文从欧拉余流的角度分析南槽的潮径顶托淤积现象。如图15, 在南槽口门处南潜堤下段附近, 下泄水流与口外北上潮流形成顶托现象, 受此影响, 该处形成东北-西南走向的淤积带, 月淤积量可达400 mm。另外, 在九段沙附近, 受下泄水流和地形影响, 该区域形成环流余流, 从对应的冲淤图可看出, 九段沙附近形成了较大淤积带, 最大淤积量为600 mm。

图5 长江口各测点流速、流向验证图

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

2.2.3 河势不顺机制

长江口属分汊型河口, 汊道繁多, 潜堤交替, 航道河势复杂, 涨、落潮动力轴线往往差异较大, 本文以新桥通道为例加以分析。新桥通道位于下扁担沙和中央沙之间, 连接南支和北港, 下泄时, 南支水流顺着通道流向北港, 流势较顺畅; 上溯时, 部分南港水流沿瑞丰沙通道和新浏河沙横跨新桥通道上游段, 造成上段流势不顺, 同时易把新浏河沙的床沙带入新桥通道内, 造成上段淤积。由图17中可看出, 新桥通道上游段是该通道淤积最严重的区域, 月淤积量在200 mm左右。

2.2.4 局部环流机制

修有双导堤长丁坝工程的航道, 一般都存在主槽冲刷, 坝田淤积的现象, 但当主槽通过疏浚等手段加大水深, 且坝田回淤已达饱和状态时, 冲淤状况可能会发生变化。图18为北槽冲淤模拟结果, 从图中可看出, 北槽坝田整体依旧处于淤积状态, 其中, N6~N7、N7~N8、N8~N9、S6~S7、S7~S8、S8~S9区坝田只出现淤积现象, 而其余坝田或多或少存在冲刷区域, 但总体上冲刷区域面积较小, 北槽上段坝田、上中段导堤坝田以及最接近口门的坝田较易出现冲刷区域。南北导堤相对应的坝田, 南坝田比北坝田冲刷现象更明显, 尤其是上段坝田, 南坝田冲刷量是北坝田数十倍。图19是北槽不同时刻的流场分布, 落急时, 环流隐藏较深, 流速较小; 涨急时, S4~S5以下, N5~N6以上有环流出现, 环流位于坝田下游丁坝旁边, 强度较落急时刻强, 且环流离丁坝根部较远; 落憩时, 只在北坝田上游四个坝田出现环流, 环流中心速度0.02 m/s, 位置处于坝田中心偏外。涨憩时, 南坝田下段, 北坝田中段出现环流, 坝田强度较小, 位于下游丁坝坝头旁。

下面就北槽上段坝田S1~S4冲刷比N1~N4大进行原因分析。(1)可能与该区丁坝长短有关, 南坝田丁坝较短, 泥沙缺乏有效保护段; (2)北槽下泄时, 从横沙通道进入北槽的水流使下泄流动力轴线往南偏, 主槽水流较易切入南坝田; (3)模拟结果显示, 北槽上段南坝田含沙量和流速都比北坝田高, 泥沙起悬明显。在这种情况下, 北槽上段南坝田泥沙在局部环流作用下更具备被冲走的条件。坝田在下泄流和环流作用下冲刷, 很可能进入主槽, 虽冲刷量较小,难以造成主槽大量淤积, 但也是河口泥沙淤积机制之一。

2.2.5 异重流潜入机制

受模型限制, 本文尚未对该淤积机制进行深入模拟。根据2007年8月, 长江口水文水资源勘测局曾测得43 kg/m3的极高含沙量, 华东师范大学在航道南侧测得25 kg/m3的含沙量; 2008年1月, 上海河口海岸科学研究中心测得最高含沙量达26.21 kg/m3, 这种近底部高含沙量均与风浪作用有关[20]。因此, 在较大风浪的作用下, 长江口深水航道含沙量可达25 kg/m3以上。

目前, 长江口深水航道水深为12.5 m, 即在现有流速、含沙量和水深条件下可以满足(6)式形成异重流的条件, 泥沙可在重力作用下以异重流形式潜入航道造成淤积, 这方面有待进一步深入研究。

3 结语

本文以概念性河口模型为工具, 总结并提出河段展宽、潮径顶托、河势不顺、局部环流、异重流潜入5种淤积机制。文中对5种淤积机制进行相对独立模拟分析, 然而现实河口淤积是多种机制综合作用的结果, 找出河口不同区域起主导作用的泥沙淤积机制, 有利于人们更合理地治理河口。

本文建立的长江口水沙二维数学模型, 模拟潮流作用下水位、流速、含沙率和冲淤量与实际情况吻合良好, 能很好地模拟该区域的悬沙和床面变化趋势。

就长江口而言, 不同的区域发挥主导作用的机制不一样。分汊入海展宽处, 河段展宽机制发挥主导作用, 河段展宽越明显, 淤积越大; 口外浑浊带, 潮径顶托形成滞留点、盐水异重流潜入是主要原因; 在浅滩交错的南支、北港, 河势顺与不顺在很大程度上影响航道的冲淤状况; 北槽深水航道, 北槽自10 m水深疏浚至12.5 m水深后, 局部环流淤积和异重流潜入淤积加剧, 可能是北槽中段三期工程以后回淤量猛增的原因所在。

总之, 长江口环境复杂, 在多种机制相互作用下, 形成现在长江口及深水航道的淤积特点。

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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

(本文编辑: 刘珊珊)

[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

国家自然科学基金(41576093, 51279124); 国家自然科学基金创新研究群体基金(51321065)

白玉川(1967-), 男, 山西神池人, 教授, 主要从事泥沙运动及河流研究, E-mail: ychbai@tju.edu.cn; 徐海珏(1977-), 通信作者, 女, 上海人, 副教授, 主要从事河流海岸泥沙运动力学, E-mail: xiaoxiaoxu_2004@163.com