基于水幕方法的珠江河口抑咸对策

2018-10-08吕紫君

水资源保护 2018年5期

王青，吕紫君，孙杰，吴彦，韩笑，孔俊

(1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京 210098； 2.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏南京 210006)

咸潮是河口地区特有的自然现象，多发于枯水干旱时期，是河口研究中的关键问题[1-4]。21世纪以来，由于上游径流量变化、航道疏浚和口外挖沙的影响，珠江口磨刀门咸潮上溯日趋严重，造成严重的生态危害，直接影响生活用水、工业用水以及农作物灌溉。进行抑咸对策研究具有重要的现实意义。

图1 研究区域地理位置和研究点布置

在非工程措施上，由于对珠江口磨刀门咸潮上溯认识存在分歧，众多学者在河口压咸时机的选择上各执一词。闻平等[5]认为最佳压咸补淡的时机为大潮转小潮期；尹小玲等[6]分析实测资料发现压咸应在盐水回落期；陈荣力等[7]认为大潮期是加大流量进行压咸的妥当时机；李春初[8]认为大潮向中潮的变化时期的压咸效果最佳。但是抑咸能否达到预期目标还依赖于上游的径流水量人工调蓄，受制于整个流域的水资源调配问题，操作难度较大。在工程措施上，许多国家采用在河口修建截流墙或人工潜坝等工程措施来阻挡咸潮的上溯。Luyun等[9]通过SEAWAT模型预测截流墙安装后的盐水楔入侵现象，试验和数值模拟结果表明较短的截流墙能更快去除残留盐水。Botero-Acosta等[10]通过注入淡水和提高含水层的水压头，建立液压屏障以减少咸潮上溯。Basdurak等[11]以注水井、抽水井、注水井和抽水井相结合以及地下屏障为防治手段，采用SWI(sea water intrusion)技术模拟理想化的矩形沿海含水层的地下水流动，以控制咸潮上溯。Abd-Elhamid[12]基于SEAWAT模型对尼罗河三角洲进行研究，发现减少抽水，增加流量补给，抽取咸水以及这3种的组合能够有效抑制咸潮，使得海岸线附近含水层咸潮上溯减少，保护土壤免受盐渍化。Abdoulhalik等[13]通过物理模型试验和数值模型研究，分析3种不同结构的截流墙对盐水楔的破坏作用。Abdoulhalik等[14]通过对传统的地下物理屏障进行改进，提出一种控制咸潮上溯的新型屏障系统，该系统将不透水防渗墙和半渗透性地下水坝进行结合，该系统相较不透水防渗墙和半渗透性地下水坝，分别使咸潮上溯距离减小62%和42%。程香菊等[15]基于FVCOM模型，发现人工潜坝能够使得0.5%盐度等值线向外海退缩；罗丹等[16]通过物理模型试验发现潜坝一方面能部分阻挡从底部上溯的盐水楔，另一方面能增强盐淡水掺混程度。但从河道防洪和通航的角度来看，构建水下障碍物并不可行，也易改变河道的长期演变趋势。

基于底层扰动盐水楔具有抑咸的作用，本文提出水幕方式,以珠江口磨刀门为研究对象，采用MIKE3软件,论证水幕方法进行盐水楔扰动研究咸潮变化的可行性，针对磨刀门河口小潮后期咸潮上溯最为严重的特征，小潮期在河道上游深槽设置水平喷水干扰盐水楔，减弱底层盐水浓度，使水体在河道纵向充分混合，比选不同喷水位置和流量的咸潮上溯特征，为确定磨刀门水道的最佳压咸措施提供科学依据。

1 研究区概况

选取珠江口磨刀门为研究区域，地理位置如图1所示，其中三灶为潮位测站，潮位数据为2009年1月2—31日的每小时实测数据。

2 盐水楔扰动模型

本文采用水幕方法进行盐水楔扰动，具体通过在河口可回收浮体上安装抽压水装置，抽取河道表层淡水，将其压入底层盐水楔中，加强底层盐淡水的混合，降低底层盐水浓度，达到减轻咸潮上溯强度的目的。本文的扰动装置系统造价低、能耗小、操作简便，可在枯季使用、洪季回收，使用方便。

2.1 控制方程

盐水楔扰动研究的控制方程是基于三维不可压的雷诺平均Navier-Stokes方程，遵循Boussinesq假定和静压假定，连续方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

其中

式中：t为时间；x、y、z为直角坐标系坐标；η为水面波动；d为静水水深；h为总水深(h=η+d)；u、v、w分别为x、y、z方向的速度分量；f为科氏力参数(f=2Ωsinφ，Ω为地球自转角速度，φ为纬度)；g为重力加速度；ρ为水的密度；sxx、sxy、syx、syy为波浪辐射应力；vv为垂向紊流系数；pa为大气压；ρ0为水的相对密度；Fu、Fv分别为x、y方向的应力项；A为黏性系数。

盐度扩散方程：

(3)

其中

式中：Fs为盐度水平扩散项；Dv为垂向扩散系数；Dh为水平扩散系数；s为盐度。

本文垂向紊流模型选择的是标准k-ε模型，水平向紊流模型选择的是Smagorinsky模型。

标准k-ε模型中，垂向紊流系数的表达式为

(4)

式中：cμ为经验常数；k为单元体的紊动动能；ε为单元体的紊动动能的耗散。

Smagorinsky模型中，黏性系数的表达式为

(5)

其中

式中：cs为常数；l为特性长度；Sij为应变率。

磨刀门盐水楔扰动计算区域见图1，上游河道边界给出流量过程，外海边界给出潮位过程，其中M1～M8为研究点。计算时间为2009年1月2日24：00至31日14：00，时间步长为900 s。

2.2 扰动时间选择

包芸等[17-18]通过对磨刀门水道盐度和流速的垂向精细观测，发现小潮期涨潮时间明显长于落潮时间，在涨潮流的驱动下，咸潮强烈上溯，使得小潮后期咸潮上溯最严重。Wang等[19]研究磨刀门水道发现咸潮上溯在小潮增强，在大潮减弱，咸界入侵最远出现在小潮之后的中潮。基于上述研究，笔者在小潮期间(2009年1月17日24：00至1月21日24：00)全天进行盐水楔扰动，通过在河道上游深槽设置水平喷水来研究盐水楔扰动对咸潮上溯的影响。三灶潮位过程和扰动时间见图2。

其实，也有人用纸笔测试的方式来评价学生的口语交际能力。可是这样的评价结果，我们只能看出学生口语交际能力的某些侧面，所以我们不提倡用这样的方式来考查学生。

图2 三灶潮位过程及扰动时间

2.3 扰动工况布置

为了研究盐水楔扰动下喷水位置和流量对咸潮上溯的影响，小潮期间在M3、M4和M5点所在横断面深槽布置扰动装置。

扰动装置的横断面布置见图3，总平面布置见图4。

图3 扰动装置沿河道横断面布置示意图

图4 扰动装置总平面布置

扰动装置具体操作方式如下：

a. 前期安装。参照图3，将由河口可回收浮体支承的耐腐平板安置在河道靠岸处，平板上安置抽压水装置。进水口的位置选取在表层河水浓度较低处，可较为向上游处布置进水口和进水管道。出水管道沿河岸下放，靠近河底处变向，垂直河道布置于河底，每100 m布置一个喷水口，共布置6个喷水口，喷口直径设计为1 m，使管道上的出水喷头横向放置。

b. 操作步骤。安装好扰动装置后，通过河口可回收浮体3上的抽压水装置4，小潮期间(2009年1月17日0：00至21日0：00)全天从本地抽取河道表层淡水，将其压入底层盐水楔中，加强底层盐淡水的混合，降低底层盐水浓度。具体扰动工况布置见表1。

表1 扰动工况

3 结果分析

3.1 盐水楔扰动对咸潮上溯距离的影响

考虑饮用水的盐度标准为不大于0.5‰，本文咸潮上溯距离定义为以口门附近M2点为起始点，向上游沿河道纵剖面到底部盐度为0.5‰处的距离。

首先考虑不喷水工况，无喷水时，咸潮上溯最大瞬时距离为34.88 km，出现在小潮之后的中潮(1月21日21点)，即咸潮上溯最严重的时期，以此作为基本工况判断抑咸效果。其他工况咸潮上溯最大瞬时距离见表2。

通过对工况1～5的分析，这5种工况的咸潮上溯最大瞬时距离均出现在1月21日21：00，即小潮后的中潮，这时正是咸潮上溯最严重的时期。由表2可知，5种工况的咸潮上溯最大瞬时距离均比不喷水工况有所减小，说明在M3点设置喷水能够有效减弱小潮后中潮期的咸潮上溯，其中工况4的咸潮

表2 不同扰动工况的咸潮上溯最大瞬时距离

上溯最大瞬时距离最小，为30.60 km，相较不喷水工况，减小4.28 km，说明在M3点设置喷水，工况4减弱咸潮上溯的效果最好。

3.1.2 M4点扰动

由工况6～10的可知，这5种工况的咸潮上溯最大瞬时距离均出现在1月21日21：00，即小潮后的中潮，正是咸潮上溯最严重的时期。由表2可知，5种工况的咸潮上溯最大瞬时距离均比不喷水工况有所减小，说明在M4点设置喷水能够有效减弱小潮后中潮期的咸潮上溯，其中工况7的咸潮上溯最大瞬时距离最小，为33.18 km，相较不喷水工况，减小1.70 km，说明在M4点设置喷水，工况7减弱咸潮上溯的效果最好。

对比在M3点和M4点喷水，发现相同的喷水流量下，M3点减小的咸潮上溯最大瞬时距离高于M4点，可知在M3点设置喷水的抑咸效果优于在M4点。

3.1.3 M5点扰动

通过对工况11～15的分析，发现这5种工况的咸潮上溯最大瞬时距离均出现在1月21日21：00，即小潮后的中潮，正是咸潮上溯最严重的时期。由表2可知，5种工况的咸潮上溯最大瞬时距离均比不喷水工况有所减小，说明在M5点设置喷水能够有效减弱小潮后中潮期的咸潮上溯，其中工况13对应的咸潮上溯最大瞬时距离最小，为31.09 km，相较不喷水工况减小3.79 km，说明在M5点设置喷水，工况13减弱咸潮上溯的效果最好。

3.1.4 综合分析

所有工况的咸潮上溯最大瞬时距离均出现在1月21日21：00，即小潮后的中潮，正是咸潮上溯最严重的时期。在小潮期设置喷水后，各工况的咸潮上溯最大瞬时距离均有所减小，其中小潮后的中潮期咸潮上溯强度减弱明显。

综合上述15种工况来看，喷水位置及流量选择对咸潮上溯距离的影响较大。相同喷水流量条件下，在底部高盐水团附近(M3点所在断面)喷水的抑咸效果优于其他断面(M4、M5点所在断面)。抑咸措施下，断面喷水流量存在最优值，当小于该值时，咸潮上溯距离随着流量的减小逐渐增大，这主要是因为流量较小时对盐水楔起不到顶冲作用，不足以破坏盐水楔，但是随着流量的增大，对盐水楔的破坏作用也随之增大，使得咸潮上溯距离越来越小；当大于该值时，咸潮上溯距离随着流量的增大而逐渐增大，这主要是因为流量较大时，直接破坏了盐水楔，盐水从原来的层化状态加速变成了掺混状态，相较不喷水的情况，盐水楔破坏导致的高浓盐度现象提前出现，使得咸潮上溯距离越来越大。其中M3断面喷水流量最优值为30 m3/s，M4断面喷水临界流量最优值为20 m3/s，M5断面喷水临界流量最优值为25 m3/s。在M3点所在断面进行盐水楔扰动，减弱咸潮上溯的效果最好，这主要是由于小潮期间磨刀门水道盐水楔位于M3点所在断面附近，当在该断面水平喷水时，盐水楔结构受到一定程度的破坏，底层高盐水无法持续蓄积，使得咸潮上溯强度减弱最为明显。

3.2 盐水楔扰动对纵向盐度分布的影响

研究时间为2009年1月16—31日，纵断面位置见图1的A—A断面，各个时刻与潮汐的对应关系见图2中的1～3，分别为小潮涨停时刻、咸潮上溯最严重时刻和大潮涨停时刻。由于不喷水工况咸潮上溯最严重的时刻出现在小潮之后的中潮(1月21日21：00)，所以中潮时期用咸潮上溯最严重时刻代替中潮涨停时刻进行分析，从而更显著地展示减弱咸潮的效果。因在M3点所在断面喷水对减弱咸潮上溯的效果最好，因此，对设置M3喷水情况下的小潮涨停时刻、咸潮上溯最严重时刻和大潮涨停时刻的纵断面盐度进行分析。

图5是设置M3喷水情况下的咸潮上溯最严重时刻的纵断面盐度分布图。相较不喷水工况，咸潮上溯最严重时刻的咸潮上溯强度明显减弱，0.5‰、1‰和5‰低盐度等值线向外海退缩程度显著，其中0.5‰盐度等值线作为最关心的取水依据，在喷水流量为30 m3/s时，它的上溯最远点由M8点附近向海退缩约4.2 km，而10‰、15‰和20‰这些高盐度等值线退缩程度较小。综合所有的盐度等值线变化情况发现，盐水楔扰动对低盐度区域的影响比较大，使得低盐度等值线显著向外海退缩。对比由图5可知，设置喷水流量30 m3/s时的减弱咸潮上溯的效果最好，与第3.1.4节的结论相同。

(a) Q=0 m3/s

(b) Q=20 m3/s

(d) Q=40 m3/s

相较不喷水工况，小潮涨停时刻的咸潮上溯强度明显减弱，低盐度等值线向外海退缩程度显著，高盐度等值线退缩程度较小；大潮涨停时刻的咸潮上溯强度减弱不明显，各个盐度等值线向外海退缩程度都较小。

3.3 盐水楔扰动对垂向盐度分布的影响

图6为不喷水工况和工况4的表层和底层盐度时间过程对比图。在M3点进行盐水楔扰动后(Q=30 m3/s)，平岗和联石湾的表层和底层盐度都明显减小，其中底层盐度减小的更加明显，主要原因是直接作用于底部盐水楔，对其进行扰动，加强底层盐淡水混合，降低底层盐水浓度，使得底层盐度减小明显。

(a) 平岗表层盐度

(b) 平岗底层盐度

(d) 联石湾底层盐度

研究表明，进行盐水楔扰动能有效减弱表层和底层盐度，为河口地区取水难题的解决提供了一种新方法，但是也存在一些缺陷。一方面，本研究未考虑风的影响，而河口取水多取表层水，风对表层盐度的影响比较大且不可忽略，因此本研究进行的盐水楔扰动对抑咸和对供水的作用存在一定局限性；另一方面，本研究选择小潮期间全天进行盐水楔扰动，未考虑长时间连续扰动产生的航运、生态和经济成本等方面的问题。