鳌江口江南围垦对径流下泄及余流的影响

王黎，蒋国俊

（浙江师范大学 地理与环境科学学院，浙江 金华 321004）

河口滩涂是宝贵的自然资源，也是重要的环境资源；且河口处于海陆汇聚的枢纽区位，物质、能量、信息流动的空间维数多，受季风、波浪、潮汐、海流等多种动力作用，物理、化学、生物和地质过程复杂。河口通常也是人口最稠密，经济发展最活跃的区域，由于人们利用河口地区的水利、水运资源的需求不断提高，人口对土地造成的压力随着人口的不断增长而上升，导致人们对河口土地资源的开发热情也日益增强，尤其是某些具有广阔滩涂的河口地区。为了解决人口与土地资源之间的矛盾，在众多入海河口已建或拟建围垦（围涂）工程（辛文杰，1997）。在河口区，当上游出现洪峰的情况下，口门内径流动力增强，沿河道越向上游径流效应越发明显；而向口外，受潮汐作用的影响，径流动力减弱，主要以潮汐的作用为主，潮径共同作用导致口门附近的水动力较口内复杂（陈道信等，2009）。围垦（围涂）工程造成的地形、边界形状和水流动力条件的改变，破坏了河口区原有的水动力地貌环境的平衡与稳定，这些可能会引起水位壅高、流域泄洪受阻、滩槽演变加剧、航道淤积、渔业资源减少、污染物滞留以及风暴潮增水、海平面上升等环境问题（郑敬云，2010）。因此研究河口地区由于围垦（围涂）所引发的边界、径流变化而触发的一系列水动力的改变对于深入了解河口演变是有一定帮助的，也为日后围垦工程的规划和开发机制及具体工程的实施提供一定的理论支持和决策指导。

1 研究区域概况

鳌江位于温州南部，南与福建省相邻，为浙江省7条独流入海的河流之一，主要支流有南港、梅溪、带溪、怀溪等。它发源于文成县南雁荡山乡山脉的吴地山（海拔1 124 m）南麓桂库（835 m），在平阳县杨屿山出东海，流域面积为1 520 km2，干流长91.1 km，总落差为835 m，平均坡降为0.937%。自詹家埠、下峥至河口为鳌江下游，长48.67 km，为感潮河段，此段受潮汐影响。

根据1956-2009年的实测资料分析，鳌江多年年平均流量为16.33 m3/s，最大值29.12 m3/s，最小值8.38 m3/s。实测最大洪峰流量3 680 m3/s。最小枯水量0.57 m3/s。洪枯水之比极大，是典型的山溪性河流。这类河流有着共同的特点：枯水期河道内径流量有限，大部分时间接近于0，洪水期流量大（受降雨影响）且洪水汹涌、水位暴涨，主流在主河槽内运行，河道断面复杂多变，河道底坡变化大。鳌江口海域是典型的半日潮区，潮汐特性由南麂岛的正规半日潮演变为琵琶山附近的非正规半日潮。鳌江口海域涨潮历时略小于落潮历时，但是受到鳌江径流和河道地形的共同影响，鳌江口内落潮历时几乎达到涨潮历时的两倍，呈现显著的不对称性。

2007年，鳌江口江南海涂围垦工程全面开工建设，围区面积约为28.4 km2。江南滩涂面积宽广，滩涂平坦，纵坡在1/1 300左右，围垦规划北端为大北堤，东侧为大顺堤，南侧为大舥艚堤。工程建成后，宽广的江南海涂变成陆地，改变了鳌江口南岸的地形，使入海口及南侧海岸线向外推进，进而改变附近水域的水动力条件。

本文以鳌江口江南围垦为背景，通过数值模拟分析河口的水动力变化。计算区域（图1）是鳌江—飞云江—南麂—洞头海域，此区域位于浙南沿海，其潮波动力主要受东南部半日潮汐系统控制，其潮汐比值（HK1+KO1）/HM2在0.18～0.28之间，可见M2分潮在整个潮波中动力作用占极大比重，而HM4/HM2比值鳌江为0.15，南麂和洞头均只有0.01，因此鳌江口区的潮汐类型属于非正规半日潮，而南麂和洞头属于正规半日潮。根据之前1979年和1994年的水文调查表明在鳌江口外海涨潮流方向在 310°～350°之间，平均流速 0.39～0.86 m/s。

图1 计算区域（北京54坐标，下同）

2 模型介绍

本文采用Delft3D软件来分析鳌江河口区围垦工程前后的水动力变化。Delft3d的flow水动力模块建立在Navier-Stokes方程的基础上，求解基于有限差分法—ADI（alternating direction implicit）法。

2.1 控制方程

在正交曲线坐标系ξ-η下，潮流运动基本方程可表示为如下形式：

式中：u，v表示ξ，η方向上的速度分量，ζ表示水位，d表示水深。表示曲线坐标系与直角坐标系间的转换系数，Fξ，Fη为ξ，η方向的紊动动量通量；Mξ，Mη为ξ，η方向的动量源或汇，ρ0为水体密度；VV为竖向涡动系数；f是科氏力参数。Pξ和 Pη为（ξ，η，σ）坐标系中 ξ，η 方向的静水压力梯度。

2.2 定解条件

2.2.1 流场初始条件

2.2.2 开边界条件

图2 鳌江流量频率曲线（Cv=0.64，Cs=0.83）

表1 埭头站各频率洪峰流量表

图3 计算采用的流量过程线

模型上界飞云江、鳌江采用实测水位过程线，外海开边界采用相关资料分析分潮调和常数预报的潮位过程。根据鳌江的水文特点，在本文中讨论的枯水期时刻是特指鳌江径流为0的情况；本文采用径流流量过程为埭头站实测洪峰流量，根据埭头水文站1956-2009年最大径流量资料频率分析发现，该径流量流量接近5年一遇的频率（图2、图3、表1），在实际模型运行的过程中，急流、憩流的时间被调整到洪峰时刻（流速介于0～0.2 m/s为憩流，流速介于1.5～1.8 m/s为急流）。分别用A、B、C、D代表洪峰与涨急时刻相遇、洪峰与落急时刻相遇、洪峰与涨憩时刻相遇、洪峰与落憩时刻相遇4种工况（由于研究区域及工程的地理位置的关系，选择验证点p1附近的7#断面为相遇断面）。

2.2.3 运动边界

2.2.4 底边界

式中：τbξ，τbη为底部切应力在 ξ，η 方向上的分量，垂线平均流动为垂线平均流速的大小。

2.3 模型验证

模型采用2003年6月7-16日的大、小潮的潮汐资料作为计算潮型进行模型计算，采用同步实测的琵琶门站潮位作为潮位验证点，同时期实测的p1-p3作为潮流验证点。

图4 潮流验证图

通过验证可知，潮位、潮流流速、流向的计算值同实测值吻合良好，说明模型采用的参数合理，计算方法可靠，能够很好地模拟鳌江口的水动力特性，可用于探讨围垦对河口动力的影响。

3 讨论与分析

观察断面1#-11#枯水期与4个工况时的急流与憩流时刻的水位（取断面深泓点进行研究，位置如图1）。结果如图5所示。

考虑到围垦工程的建设改变了鳌江口南岸的地形，本文只研究大北堤与大顺堤对鳌江口区域的影响，这两条堤坝使得鳌江的入海口向海延伸，本文选择大北堤东侧的4#断面与大顺堤拐角处的7#断面为研究断面。

结合图5与表2来探讨工程对河口水动力的影响，工程导致的特征时刻的潮位变化较大的范围主要集中在鳌江口门段，工程对水位的影响主要表现为潮位抬升，观察枯水期发现，2#-7#断面之间在低潮时的水位较工程前增加30 cm左右，1#-6#断面之间在涨潮时的水位工程后较工程前增加3～16 cm。这说明工程致使河口缩窄，河道延长，导致了水体在涨潮的时候涨不上去，落潮的时候落不下来，河口缩窄已经对潮流过程产生影响。

结合表2及图5可以发现4#、7#断面可以说是水动力研究的一个转折点。4#断面位于大北堤的终点，也是大顺堤的起点。大北堤延长了河道，缩窄了河口，大北堤所在之处原来可以积蓄部分潮水，现在却被堤坝取代，反而增加了断面流量。这也导致4#断面的涨潮流速增大，落潮流速变化不大。7#断面以东，堤坝角度向南增大，落潮流下泄断面加大，速度迅速减小。可以说4#、7#断面很好地说明了边界变化对水动力的影响。

断面潮量包含了水深和时间的因素。由于计算潮量需断面封闭且不受工程影响，现以1#断面为例进行说明。工程实施后，鳌江口的落潮潮量减小11.04%，涨潮潮量减少10.81%，工程后河口缩窄，河口区的过水断面减小，断面的涨、落潮的潮量有所减小；另外，表3显示断面的落潮潮量的减少幅度大于涨潮的。这主要是因为涨潮主要受到外海潮汐动力的控制，而落潮主要受制于统计断面以上的潮蓄量（倪永强，2003）。大规模围涂后，垦区上游容积明显减小，故河口断面出现落潮潮量减小的情况，但总体上涨落潮潮量基本处于平衡的状态。

山溪性强潮河流的特点就是洪水下泄集中，水位暴涨暴落，而强潮河口则是潮差大，潮流作用强。讨论洪水期的4种工况。由于工程缩窄了鳌江口的过水断面，导致了涨潮潮量减小，落潮潮量增大，加之上游洪水下泄。水位壅高主要集中在大北堤-大顺堤北部区域，A工况4#断面涨潮水位抬升约为5 cm，7#断面抬升约为15 cm。观察落潮潮位，4#断面上升约15 cm，7#断面抬升约为12 cm。同样C工况，洪峰与潮流的涨憩时刻相遇，即洪峰与高潮位相遇，此4#断面高潮位为3.905 m。7#断面抬升约为15 cm，达到4.112 m。4#断面的落潮潮位抬升约40 cm，7#断面的落潮潮位升高约15 cm。再看B、D。当洪峰与落潮流相遇的时候，落潮潮位会有所增加。D工况中的低潮潮位由工程前的-1.530 m增加到-1.118 m。分析水文资料分析，鳌江站历年来最高高潮位为4.82m，3年一遇的高潮潮位约为4.13 m，最高低潮位为1.029 m。高潮位抬升会顶托径流，低潮位抬升影响河水下泄，不利于河道排涝。总体上水位的壅高随距离工程越远而减小，但是工程对径流下泄影响明显，对物质输运有所影响。而从流速的角度分析，水位的壅高对潮流的流速也有影响（图8）。A工况的涨潮流流速小于枯水期，落潮流流速大于枯水期，这种流速上的变化会对河口区余流产生影响。

图5 各个断面特征时刻潮位（实线为工程前，虚线为工程后）

表2 工程前后的潮位变化（85高程）

表3 工程前后全潮周期内断面潮量变化（“-”表示减小）

图6 工程前后流速相对变化图（“+”表示工程后较工程前增加，“-”表示减小；单位m/s，下同）

图7 4#、7#断面枯水期与四种工况工程前后的流速过程线

观察图9与图10工程对鳌江口余流的影响。首先，根据水文资料分析，图中所示区域为感潮河段，受潮汐影响明显。在龙港，余流的方向仍向上游。而径流的影响体现在潮流的上溯范围上。正是由于径流，潮流的上溯范围缩小，余流的0 m/s线向海移动，河口区域余流的数值也有所减小。对比图9（Ⅰ）与图10（Ⅰ）发现堤坝的建立使得河口缩窄，断面位置的潮量发生变化，此区域的余流方向由向河口转而向海。也正是由于堤坝的建立，河口区的涨、落潮流速发生变化（图7），这使得河口区域的余流流速变大。图10（Ⅱ）工程后的潮动力减弱，径流作用加强，这使得0 m/s线向海移动明显，河口区余流的数值较枯水期有所增大。

4 结论

图8 工程前后4#、7#断面枯水期与洪水期流速过程线

图9 鳌江口枯水期、洪水期余流数值等值线（“+”表示向海方向，“-”表示向河口方向）

图10 工程后鳌江口枯水期、洪水期余流数值等值线（“+”表示向海方向，“-”表示向河口方向）

通过模拟鳌江口江南围垦工程前后枯水期、洪水期水动力变化研究工程对泄洪与余流的影响。工程使得河口缩窄、河道延长，这导致水体在涨潮的时候涨不上去，落潮的时候落不下来，计算断面的潮量值出现变化。涨潮潮量、落潮潮量均有所减小，基本保持平衡；洪水期时，根据不同的工况其变化程度有所不同。工程造成河口区水位的壅高。其壅高区域在大北堤-大顺堤北部，洪水期高潮水位壅高后接近3年一遇的高潮潮位，对河口防洪的压力不是很大，低潮潮位壅高值较大；高潮位壅高顶托径流，低潮位抬升不利于与排涝。水位的壅高影响潮流，进而影响余流变化。研究余流发现，在感潮河段，余流方向指向上游，枯水期工程后，河口的过水断面减小使得进入鳌江河口的潮量变化，涨潮流速增大，落潮流速减小，这也导致在工程区域的余流值较工程前增大。洪水期，径流削弱潮流作用，使得指向上游的余流数值有所减小。

陈道信，陈木永，张弛，2009.围垦工程对温州近海及河口水动力的影响.河海大学学报（自然科学版），37（4）：457-462.

倪勇强，林洁，2003.河口区治江围涂对杭州湾水动力及海床影响分析.海洋工程，21（3）：73-77.

辛文杰，1997.河口边滩围垦的潮波变形数值模拟.水利水运科学研究，4：310-319.

郑敬云，2010.河口地区围涂开发的水环境动力特征研究.北京：清华大学.