长江口南汇嘴潮滩围垦工程潮流数学模型研究

左书华，李蓓，张征，黄玉新，许婷

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，港口水工建筑技术国家工程实验室，天津300456；2.交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

长江口南汇嘴潮滩围垦工程潮流数学模型研究

左书华1，2，李蓓1，2，张征1，2，黄玉新1，2，许婷1，2

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，港口水工建筑技术国家工程实验室，天津300456；2.交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

为探讨围垦工程建设前后南汇嘴海域水动力变化，采用数学模型的方法，建立了长江口—杭州湾的二维潮流数学模型，模拟了南汇嘴潮滩促淤圈围前后水流动力变化情况。结果表明：围垦工程实施后，没有改变长江口、杭州湾及其附近海域大范围的流场特征，其影响范围主要集中在工程附近海域，受导堤影响，涨、落潮分流嘴位置明显有所外移；工程的实施使长江口南槽过水断面有所缩窄，涨、落潮流速均增加；受到促淤堤的阻水影响，促淤堤拐角东侧，涨、落流速都是减小的；杭州湾北岸芦潮港附近水域，工程后流速都是增加的。工程的实施会使南槽和芦潮港附近水域地形有所冲刷，而促淤堤东侧有所淤积。

长江口；南汇嘴；潮滩；潮流；数学模型

0 引言

南汇嘴潮滩地处长江河口最大浑浊带，水体含沙量很高，又属长江口与杭州湾交汇的缓流区，泥沙容易落淤，长期以来属于长江河口淤涨速度最快的岸滩，对上海的滩涂土地资源开发、水产养殖及其港口开发与建设起着十分重要的作用。为了开发这块宝贵的资源，多年来许多研究者或单位对南汇边滩的动力过程、剖面塑造机制、演变规律以及泥沙交换进行过探讨和分析[1-10]，为今后的研究工作提供了良好的基础。

近几十年来，受围滩造地、建堤护岸等一系列人类活动的影响，使南汇嘴潮滩的水动力和泥沙运移发生了变化，从而影响到了潮滩的地形发生变化[1，3，5，7]。

建立长江口—杭州湾大范围潮流数学模型，在实测水文资料的验证基础上，深入探讨围垦工程建设前后南汇嘴海域水动力变化以及对周围海域影响，为长江口滩涂资源的开发利用和港口航道建设提供基本依据。

1 南汇嘴潮滩水沙特征

南汇嘴海域处在长江河口与杭州湾口交汇区，属于中等强度的潮汐区域，因受地形影响，潮波变形明显，为非正规半日潮，中浚站多年平均潮差分别为2.67 m；在历时上，均是落潮历时大于涨潮历时[1-2]。

潮流是塑造岸滩的主要动力因素之一，根据实测水文资料分析[1-2]，该海域潮流运动形式主要呈往复流运动，涨落潮流都较强，垂线最大流速在2.00 m/s以上，大潮涨、落潮垂线平均流速约为1.00 m/s，小潮涨、落潮垂线平均流速约为0.70 m/s。南汇嘴潮滩位于东西向潮流和西北东南向潮流的落潮合流范围内，属于长江口与杭州湾交汇的缓流区，泥沙容易落淤，这是南汇边滩淤涨的有利动力条件。

根据长江口引水船多年的波浪资料统计[11]，南汇嘴潮滩的波浪以风浪为主，约占80%，平均以E浪向为最多，频率为14%，ENE、ESE浪向居次，频率分别为11%、9.8%，平均波高在1.0 m左右，一般大风引起的最大波高均在3.3 m左右，台风期目测最大波高达6.2 m。

南汇嘴潮滩由于地处长江河口最大浑浊带区域，实测水体含沙量较高，垂线平均含沙量在1.0 kg/m3左右，其中涨潮平均含沙量可在1.0 kg/m3以上，落潮平均含沙量都在1.0 kg/m3以下，说明目前南汇边滩仍呈较高含沙量水体进滩，低含沙量水体下滩，有部分泥沙在浅滩上落淤沉积，也正表明岸滩快速淤涨具备了充足泥沙条件。同时，浅滩区表现为涨潮优势输沙，而邻近河槽呈落潮优势输沙，这样在一个全潮过程中，河槽出沙，滩地进沙，在平面上存在顺时针输沙环流过程，潮下带泥沙向海运动，潮间带泥沙向陆运动，促使潮滩不断淤涨。

2 潮流数学模型

2.1 基本方程

连续方程：

式中：x、y为水平坐标轴；u、v分别为x、y轴向流速；t为时间变量；g为重力加速度；h为水深；α0为滩面高程；ρ为水流密度；f为柯氏力参数（f=2ωsin φ，ω为地球旋转角速度，φ为纬度）；εxx、εxy、εyy为紊动黏滞系数；c为谢才系数，c= h1/6/n，n为糙率系数。

2.2 定解条件

1）边界条件

数学模型通常使用开边界（水边）和闭边界（岸边）两种边界条件。外海开边界，采用潮位过程进行控制，潮位值由潮汐预测模型Chinatide[12]计算给出。

对于长江上游边界则采取实测平均流量控制。

对于闭边界则根据不可入原理，取法向流速为0，即：

对于频繁淹没和露出的潮滩，采用干湿判别的动边界处理技术进行处理，即当某点水深小于一浅水深εdry（如0.1 m）时，令该处流速为零，滩地干出，当该处水深大于εflood（如0.2 m）时，参与计算，潮水上滩。

2）初始条件

计算开始时，整个计算区域内各点的水位、流速值就是计算的初始条件，即：

一般情况下，模型初始潮位取平均潮位，初始流速取零。初始条件产生的误差，在计算过程中会随着时间的增加而逐渐消失。

2.3 计算范围及有关参数

本模型计算范围东至123°20′E，北起江苏吕四港，南至浙江石浦，长江口西起天生港，杭州湾上至杭州附近，南北长约330 km，东西宽约160 km，如图1。

图1 模型计算范围及验证点分布Fig.1The calculated region and the positions of hydrologic stations

计算海域的糙率是个综合影响因素，是数值计算中十分重要的参数，经调试，根据各海域的不同特点，糙率n取值为0.009～0.018。模型采用的时间步长Δt=10 min。

涡黏系数，根据Smagorinsky公式确定。

式中：U、V分别为x、y方向垂线平均流速；Δ为网格间距；Cs为计算参数，一般选0.25

2.4模型的验证

模型验证资料采用2003年9月中旬大潮潮位、潮流资料进行验证。水文测点位置示意图见图1，潮位和潮流验证结果见图2、图3。由图可以看出潮位、潮流的模拟过程与实测资料所反映的过程基本一致，符合良好（限于篇幅，选取了代表测站）。表明数学模型较好地模拟了南汇嘴一带复杂的水流运动情况，这从另一个角度反映了本文建立的数学模型流场数值模拟的合理性，可用于南汇嘴潮滩附近海域相关问题的研究与讨论。

图2 芦潮港潮位站潮位验证图Fig.2Verification of the tidal level on tidal station of Luchao Port

图3 工程区附近海域（N13）潮流流速、流向验证图Fig.3Verification of flow velocity and direction on the waters around the project area（N13）

3 结果与分析

本文数学模型研究主要通过流场在工程前后的变化分析，为此拟定2个计算方案：

1）围垦工程前，以2006年底岸线作为现状边界；

2）围垦工程后，以南汇嘴围垦工程规划方案线作为工程后边界。

3.1 涨、落急流态分析

图4为工程前涨、落急流场图。由图可以看出，涨潮时，来自东海的涨潮流流向近海时，受水下地形的影响，潮波发生变形，到达南汇浅滩后又受陆域边界的影响，产生南、北两支分流，分流点在石皮勒一带，其中北支涨潮流进入长江口，南支涨潮流则进入杭州湾；进入杭州湾北岸的涨潮流主流向为西向，逐渐从西向西南方向运动。落潮时，杭州湾北岸落潮流基本上与涨潮流相反，在湾内主流向为东向，沿岸落潮流基本上与岸线平行，在人工半岛一侧附近，与长江口南岸的落潮流汇合，向东南方向的外海流去。

南汇嘴潮滩围垦工程实施后没有改变长江口、杭州湾及其附近海域大范围的流场特征，其影响范围主要集中在工程附近海域（图5）。由于围堤外延，受导堤影响，涨、落潮分流嘴位置明显有所外移。分流嘴北侧区域，近岸的流速大小和方向变幅都较大；分流嘴以南的区域，由于受导堤影响，局部流速略有增加。

图4 工程前现状下南汇嘴潮滩海域局部涨、落急流场Fig.4Maximum flood and ebb field of Nanhuizui tidal flat before project

图5 工程后南汇嘴潮滩海域局部涨、落急流场Fig.5Maximum flood and ebb field of Nanhuizui tidal flat after project

3.2 涨、落平均流速变化分析

图6工程前后平均流速比值变化线Fig.6Isomer changes of the averaged velocity before and after the project

图6 是工程前后工程区域涨、落潮时平均流速比值变化图。围垦工程方案实施后，工程区域涨、落潮时平均流速有所变化；工程的实施使长江口南槽过水断面有所缩窄，涨、落潮流速均增加1%～9%，呈中间幅度大四周幅度小的趋势；促淤堤拐角东侧，涨、落流速与工程前相比都是减小的，减小幅度在5%左右，最大在10%以上，说明促淤堤有一定的阻水影响；杭州湾北岸芦潮港附近水域，工程后流速都增加1%～9%，说明涨潮时从东海来的潮水进入杭州湾将略有增加，而落潮时落潮水流有一定的挤压，而使流速有所增加。这样的流速变化趋势会使南槽和芦潮港附近水域地形有所冲刷，而促淤堤东侧有所淤积。

4 结语

1）南汇嘴海域处在长江河口与杭州湾口交汇区，属于中等强度的潮汐区域，中浚站多年平均潮差分别为2.67 m。潮流是塑造岸滩的主要动力因素之一。南汇嘴潮滩由于地处长江河口最大浑浊带区域，又属长江口与杭州湾交汇的缓流区，水体含沙量较高，泥沙容易落淤，是长江河口淤涨速度最快的岸滩。

2）采用二维潮流数学模型的方法，对南汇嘴潮滩围垦工程实施前后流场进行了模拟研究。围垦工程实施后，没有改变长江口、杭州湾及其附近海域大范围的流场特征，其影响范围主要集中在工程附近海域。由于围堤外延，岸线外推后，受导堤影响，涨、落潮分流嘴位置明显有所外移。

3）工程的实施使长江口南槽过水断面有所缩窄，涨、落潮流速均增加；受到促淤堤的阻水影响；促淤堤拐角东侧，涨、落流速都是减小的；杭州湾北岸芦潮港附近水域，工程后流速都是增加的。工程的实施会使南槽和芦潮港附近水域地形有所冲刷，而促淤堤东侧有所淤积。

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Tidal flow mathematical model of the reclamation project at Nanhuizui tidal flat of Yangtze River

ZUO Shu-hua1,2,LI Bei1,2,ZHANG Zheng1,2,HUANG Yu-xin1,2,XU Ting1,2
（1.National Engineering Laboratory of Port Hydraulic Construction Technology,Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China;2.Key Laboratory of Engineering Sediment of Ministry of Transport,Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China）

In order to discuss the hydrodynamic change before and after the reclamation project,we established a 2-D tidal flow mathematical model of Yangtze Estuary to Hangzhou Bay to predict the change and discuss the influence of the project on the water area around.The results show that after reclamation project implementation,the flow field characteristics of the Yangtze Estuary and the Hangzhou Bay are not changed and the influenced region focus on the waters around project scope. The position of the split-flow mouth is moved outward obviously by the embankment.In the south channel of Yangtze Estuary, the flood and ebb velocity are all increased due to the narrowed section by the project.Because the embankment blocks the flow,the flood and ebb velocity are all decreased at the east of the embankment.However,the current velocity in the north of Hangzhou Bay is increased slightly.It is found that after the reclamation project,the seabed is scoured in the south channel and Luchao Port,while the seabed is silted in the east of embankment.

Yangtze Estuary;Nanhuizui;tidal flat;tidal flow;mathematical model

U617.3；P751

A

2095-7874（2017）07-0001-05

10.7640/zggwjs201707001

2016-09-27

2017-03-21

上海市科委科研计划项目（15DZ1202300）；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(TKS150207，TKS150210）

左书华（1979—），男，河北邱县人，博士，副研究员，主要从事河口海岸动力地貌及数值模拟研究。E-mail：zsh0301@163.com