长江口北支崇启大桥处潮位和盐度过程研究

童朝锋 ，刘丰阳 ，邵宇阳 ，孙运佳 ，吕立锐

（1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098）

长江口北支崇启大桥处潮位和盐度过程研究

童朝锋1，2，刘丰阳2，邵宇阳2，孙运佳2，吕立锐2

（1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098）

位于长江口北支的崇启大桥处于盐淡水交替区，其混凝土桥墩易受海水腐蚀。为给桥墩抗腐试验提供必要的潮位变动区范围和盐度试验参数，建立了基于无结构网格的长江口盐水数值模型，计算分析了在不同径流量和外海潮汐边界条件下，崇启大桥断面潮位变幅及盐度变动过程。研究表明崇启大桥处潮位变幅大，潮汐是控制崇启大桥处水位变动范围的关键因素；桥墩处盐度整体取决于入海径流量，流量增加促使盐度降低，反之亦然；潮汐作用促使桥墩处呈现短周期性振荡盐度，盐度范围为10‰～26‰，其中枯季盐度平稳，洪季变幅大。

潮型；盐度；数值模拟；长江口；崇启大桥

Biography：TONG Chao-feng（1973-），male，associate professor.

崇启大桥是上海至西安国家高速公路的重要组成部分，是我国东部沿海地区与中西部地区通往上海的又一便捷通道。其横跨长江口北支，南起上海崇明岛陈家镇，与崇明越江通道相接；北接启东市汇龙镇，与宁启（南京—南通—启东）高速公路相接（图1）。崇启大桥的建设将对长三角交通运输体系的建设，发挥长三角地区的整体效应，提升长三角地区国际竞争力产生深远的影响。大桥建成后，桥墩将长期受到盐淡水交替浸泡腐蚀作用，且因潮汐和波浪影响，使大桥桥墩部分区段处于水位变动区。

以往海水对混凝土侵蚀性研究表明［1-4］，海水对混凝土结构有巨大的腐蚀性，由于海水与混凝土接触部位的不同，产生的腐蚀性也不尽相同，其中在水位变化区，即潮汐潮落区，混凝土受到的腐蚀最为严重。在这一区域，涨潮时，混凝土直接受到海水的冲刷、浸泡；落潮时，混凝土要经历干湿循环、冻融循环等物理化学综合作用。桥墩混凝土腐蚀将影响大桥使用寿命。为提出合理有效的混凝土桥墩防腐蚀措施，在进行崇启大桥桥墩混凝土防腐试验研究时，需提供水位变动和盐度变化过程，为试验提供试验参数。

图1 崇启大桥区域位置图Fig.1 Location of Chongqi Bridge

利用TELEMAC模型系统，建立了基于无结构网格的长江口盐水数值模型，计算分析了不同径流量和外海潮汐边界条件下，崇启大桥桥墩区域的潮位及盐度变动过程，旨在为崇启大桥桥墩防腐蚀研究提供合理的试验参数。

1TELEMAC数学模型简介

TELEMAC模型是主要用于明渠水流设计的软件系统，模型采用有限单元方法开发且具有强大的数字化和图形化工具。该模型系统包括二维和三维模块，可用来研究计算水流、泥沙、波浪和水质等［6-8］。TELEMAC-2D二维程序可用来求解由Barré de Saint-Venant于1871年推得的沿水深平均自由表面流方程，可以计算网格各节点的水位和沿水深平均流速分量。其中包括连续方程及动量方程。

（1）连续方程

（2）u方向和v方向的动量方程

式中：h为水深；Z为表面高程；t为时间；u和v分别为笛卡尔坐标下沿x，y方向的平均速度值；g为重力加速度；Fx、Fy为方程组的源项，包括底部摩擦、表面风应力、科氏力、大气压力等；ve为紊动粘性扩散系数。

SUBIEF-2D模型可用于研究二维自由表面流中一种或几种示踪剂的输运，包括二维自由表面流的盐度。对流—扩散方程按下式给出

式中：T为盐度；FT为方程组的源项；vT为紊动粘性扩散系数。

与TELEMAC-2D一样，SUBIEF-2D也采用有限单元法构建的二维软件：在水体中，每一种物质的浓度假定为不变。SUBIEF2D程序独立于水动力方程，水动力事先由TELEMAC-2D计算，SUBIEF2D随后读入其结果以用于构建输运方程中的对流分量。

1.1 长江口水动力和盐水模型

图2 模型控制范围Fig.2 Domain of model

1.1.1 模型范围

长江口盐水入侵主要受长江上游径流和外海潮汐共同作用的影响，长江口与杭州湾也存在水体交换，为方便给出相对稳定的盐度边界条件，模型范围确定为上游到江阴，外海北边界至 32.5°N，南边界至 29.5°N，东边界至 124.5°E。模型覆盖了整个长江口和杭州湾，总面积约104 400 km2。图2为模型的计算范围。

1.1.2 地形及网格

模型所使用的地形外海采用的2005年版海图，长江口内所使用的地形包含了南汇嘴围垦、青草沙水库、横沙东滩促淤等工程。整个模型三角形网格数为45 135，节点数为23 492，模型中外海平均网格尺寸有10 000 m，长江口外网格平均尺寸为1 000～4 000 m，江阴段到长江口网格尺寸为500～600 m。图2中水深基准面为1985年国家高程系统。

1.1.3 边界条件

模型的上游水动力边界在江阴，也是潮流界的上限，上游水动力边界由安庆到徐六泾段的二维水动力模型提供流量过程［9］，外海边界由东中国海平面二维数学模型计算提供［10］。

盐度模型边界上游开边界盐度取0‰，根据文献［4］，外海南边界盐度由西向东按15‰～30‰，东边界盐度由南向北按30‰～35‰，北边界盐度由西向东按30‰～35‰。

1.2 参数选取及验证

长江口水动力模型和盐水入侵模型的时间步长间隔是60 s，曼宁系数0.011～0.018，随水深变化，不考虑局部风的作用。

模型验证的时期是从2002年3月1日00：00至2002年3月15日24：00，期间由大潮到小潮。盐度验证的时期是从2002年2月28日14：30至2002年3月15日14：30。图3为北支潮位、流速、流向和盐度验证结果，其中由于小潮时其主要分潮M2和S2相位相差约6 h，高、低潮位为两者的峰、谷值相减。根据数值计算的原理，2个大数相减往往会产生较大的误差，而相加则产生的误差较小。因此，数值模拟中，小潮水位的模拟精度往往较低。验证结果总体表明模型可以很好地模拟崇启大桥区域的潮汐运动及盐度变化。图4为相应的盐度等值线分布及盐水入侵图。

2 崇启大桥处水位变幅

2.1 水位变幅影响关键因素分析

河口区域的水位受上游径流流量和外海潮汐控制。影响崇启大桥水位变幅因素包括长江入海径流量和外海潮汐，为了解控制因素对崇启大桥水位变幅影响关系，分别计算分析了不同径流量和不同潮位过程对桥位处水面的影响。

图3 潮位和流速、盐度过程验证Fig.3 Comparison of simulated and measured tidal level，velocity and salinity

图4 盐度等值线分布及盐水入侵图Fig.4 Salinity isoline distribution and salt water intrusion

根据长江大通站历年的入海径流量范围，选取了9种不同的径流量，分别为4 620、8 170、11 000、16 700、20 000、24 600、40 130、75 900 m3/s，其中 24 600 m3/s为洪季平均水位，167 00 m3/s为枯季平均水位。选取2002年2月24日至2002年03月30日的外海潮位过程做外模型外海边界，此潮位过程包括了整个大潮、中潮和小潮。图5为不同流量下大桥处在计算的2002年2月24日至2002年03月30日期间的最高潮位和最低潮位关系。

结果表明：长江入海流量越大，崇启大桥桥墩处最高潮位和最低潮位略有抬升，但抬升幅度很小，桥墩处的水位过程几乎重合。因此，崇启大桥桥墩处水位受上游径流量影响较小，比较外海潮位过程发现，外海潮位是控制崇启大桥桥墩处水位的关键因素。根据计算，枯水时期和洪水时期的高、低潮位相近，高潮位约为2.85 m，低潮位约为-1.60 m。

图5 长江入海径流量与崇启大桥处高低潮位影响关系Fig.5 Relationship between the upstream discharge and the high and low tidal level in Chongqi Bridge

2.2 水面变动特征值范围确定

崇启大桥桥墩处尚无长期的潮位观测资料，为得到不同重现期的高低潮位，需利用附近潮位站的资料进行推算。长江口区域有不少潮位站，这些潮位站地理位置邻近、潮汐性质相似及受河流径流的影响相似。利用相关分析法［11］，由模型得出大桥桥墩处各特征潮位值与其他具有多年历史资料的潮位站的特征潮位的相关关系，以此关系并依据已知潮位站多年历史资料统计得到的历史特征潮位来推求崇启大桥桥墩处特征潮位。

图6为根据上述长江口数值模型计算统计的崇启大桥墩处与横沙站潮位高低潮位之间的相关关系。其中大桥处和横沙站高潮、低潮的潮位关系分别为

式中：Hhigh为高潮位，两站高潮位相关系数为0.981 5；Hlow为低潮位，两站高潮位相关系数为0.941 2。

由此根据横沙站的1915～2005年资料统计的特征潮位得出，崇启大桥高低潮位范围-3.21～4.79 m，年平均水位变动区为-1.50～1.85 m，五十年一遇的高潮位为4.21 m，百年一遇为高潮位为4.40 m，千年一遇高潮位为5.02 m。

图6 崇启大桥桥墩处与横沙站潮位高低潮位之间的相关关系Fig.6 Correlation between Chongqi Bridge′s pier and the high and low tidal level in Hengsha Station

3 崇启大桥处盐度特征分析

影响河口区域盐度变化的因素主要包括长江上游的径流量、外海的盐度和潮汐等，各因素由于其本身的变化周期和程度的差异对河口盐度产生不同的影响。外海的盐度变化主要受西太平洋的洋流影响，包括台湾暖流、黑潮以及江苏沿岸流等影响，洋流主要变化是季节性的。其变化幅度相对比较稳定，且变化幅度相对比较小，其中外海盐度冬季为32‰～34‰，夏季为31‰～33‰。因此，没有讨论外海盐度变化对大桥处盐度影响。

长江上游的径流量对长江河口的盐度具有冲淡作用，径流量对长江口的盐度变化实际上起控制作用，直接关系到长江口盐度。从时间尺度而言，径流量的变化主要体现在年内季度性变化和年际变化。由于潮汐的周期相对比较小，因此其对盐度影响的时间尺度也相对比较小。本次计算主要是潮位变化和径流量组合下对桥位处的盐度影响。

3.1 外海潮型对桥位处盐度变化影响

图7为枯季平均流量167 00 m3/s时崇启大桥处潮位与盐度过程，时间为15 d，包括大、中、小潮。盐度增大过程与潮汐的涨潮过程是同步的，但盐度最大峰值的时刻要比高潮时刻滞后。导致这一现象的原因是潮位降低时实际上大量的海水还在涌入，增加了该处的盐度值。盐度过程与该处的潮位过程类似，一天中出现半日周期现象，涨潮时候的盐度增大，落潮时期大都减小；一月中出现半月周期特性，大潮时期的平均盐度为25.51‰，要比小潮时期平均盐度25.45‰大，其中大潮时盐度最大值为25.68‰、最小值25.38‰；小潮时盐度最大值为25.5‰、最小值25.39‰。计算显示，桥墩处的盐度变化随潮型变化的变化幅度不大，幅度基本在1.0 ppt以内，显然，洪季时外海潮型不是控制桥墩处盐度变化的关键因素。

图7 枯季平均流量时崇启大桥处潮位过程与盐度过程Fig.7 Tidal level and salinity process of Chongqi Bridge in dry season（mean discharge）

图8为洪季平均流量24 600 m3/s时崇启大桥处潮位与盐度过程，包括大、中、小潮，共15 d。盐度过程日变化规律和月变化基本规律同枯季，日呈半日周期变化，月呈半月周期变化。大潮时平均盐度为19.57‰，小潮时平均盐度16.96‰；大潮时盐度最大值为22.11‰、最小值15.72‰，差值为7.65‰；小潮时盐度最大值为20.59‰、最小值12.93‰，差值为6.39‰。计算显示，洪季时大桥处盐度变化明显大于枯季，大潮对桥位处盐度影响要强于小潮。

3.2 径流对桥位处盐度变化影响

图9为在9种径流量条件下统计的崇启大桥桥墩处高盐度值、低盐度值以及平均盐度值。结果表明：径流量是影响崇启大桥桥墩处盐度高低的关键因素，入海径流量越大，崇启大桥桥墩处盐度越小；反之，入海径流量越小，崇启大桥桥墩处盐度越大，但是盐度基本控制在10‰～26‰，与北支长期监测到的盐度范围一致［4］。在潮汐动力作用下，崇启大桥桥墩处盐度发生波动，而且流量越大，其波动的幅度相对较大；对比不同潮型对盐度影响，大潮由于动力强，纳潮量多，盐度峰值也高，小潮相对减小。

图8 洪季平均流量时崇启大桥处潮位过程与盐度过程Fig.8 Tidal level and salinity process of Chongqi Bridge in flood season（mean discharge）

图9 不同入海径流量下崇启大桥处盐度变化值Fig.9 Salinity variation ranges of Chongqi Bridge corresponding to different water discharges

4 结论

根据潮流数学模型及已知潮位站的潮位资料，通过相关性分析推算出崇启大桥处从1915～2005年历史高低潮位范围，同时计算分析了不同径流量和外海全潮边界条件下，崇启大桥桥墩处连续全潮潮位、盐度过程。得出以下结论：

（1）崇启大桥从1915～2005年历史高低潮位范围-3.21～4.79 m，年平均水位变动区为-1.50～1.85 m，五十年一遇的高潮位为4.21 m，百年一遇高潮位为4.40 m，千年一遇高潮位为5.02 m。

（2）长江入海径流量对崇启大桥桥墩处特征潮位值影响很小，外海潮位是控制崇启大桥桥墩处水位的关键因素。

（3）径流量是影响崇启大桥桥墩处盐度高低的关键因素。入海径流量越大，崇启大桥桥墩处盐度越小，反之，入海径流量越小，崇启大桥处盐度越大。

（4）潮汐作用对桥墩处盐度变化洪季时要比枯季时影响大，大潮时盐度要比小潮时大，与大潮时纳潮量多有关。

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A modeling study on tidal and salinity process at Chongqi Bridge cross section located in North Branch of Yangtze Estuary

TONG Chao-feng1，2，LIU Feng-yang2，SHAO Yu-yang2，SUN Yun-jia2，LV Li-rui2
（1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China；2.College of Harbour，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China）

For the Chongqi Bridge located in the mixing zone of fresh-salt water in the North Branch of Yangtze Estuary，the concrete of piers can be eroded easily in the salt water.In order to provide the tidal fluctuation zone in vertical direction and the salinity values required in the anti-erosion tests of concrete，a hydrodynamic and saltwater intrusion model of Yangtze Estuary was developed and calibrated by the TELEMAC model.The tidal level and the salinity at the cross section of the bridge were simulated under conditions of the different characteristic discharges corresponding to the different cumulative frequencies.The results show that tide is the key factor resulting in the water level fluctuation，and the salinity at the cross section is decided by the runoff from Yangtze River watershed.The more flow rate is，the lower salinity is.The salinity also ranges within 10‰～26‰ in the same period with the tide under the action of tide.The fluctuation extent in spring season is larger than that in dry season although the salinity is smaller.

tide；alinity；numerical model；Yangtze Estuary；Chongqi Bridge

TV 148+.5

A

1005-8443（2012）04-0291-08

2012-01-05；

2012-02-22

水文水资源与水利工程科学国家重点实验室基本科研业务费自主研究项目（2010585312）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2009ZX07317-007-05）；河海大学中央高校基本科研业务费项目（2009B09614）

童朝锋（1973-），男，浙江省宁波人，副教授，博士，主要从事河口海岸水动力学研究。