挡潮闸外迁对闸下水动力特征影响的概化模型研究

2019-03-28朱延熙诸裕良黄惠明王烨人

水道港口 2019年1期

朱延熙，诸裕良，黄惠明，王烨人

(河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

图1 王港河口工程区示意图Fig.1 Wanggang estuary location

修建挡潮闸是潮汐河口地区防洪挡潮、御卤蓄淡的重要工程措施，对城市水景观的改善以及水文化的提升具有积极作用。然而，挡潮闸建成后亦会产生诸多负面影响，如闸下淤积、水体污染、阻隔洄游鱼类生态通道等[1]，其中，闸下淤积是淤泥质海岸河口建闸后普遍存在的问题[2]。随着近年沿海围垦工程的开展，淤积进一步加剧，海岸线不断向外扩张[3]。针对闸下淤积：窦国仁[4]研究射阳河闸，总结出淤积的发生条件和影响因素；刑焕政[5]发现海河闸下泥沙源于河口水下三角洲和淤泥质暗滩；张金善等[6]提出水流挟沙力不对称、输沙不均衡致使河道持续淤积；缴健等[7]通过多地闸下淤积案例得出，潮差越大，带入河道泥沙越多，闸下河道越长，淤积总量越大；闸下淤积的主要沙源为海相来沙[8]。目前，有许多防淤清淤措施[9]，但对于长期淤堵的老旧河闸效果并不理想。为此，人们开展挡潮闸外迁工程，但因案例较少，外迁后相关影响研究仍较为欠缺。

河口概化模拟[10]是将研究对象进行概化，得到具普遍性的河口模型，虽与原型河口不同，却能反映内在本质。徐雪松[11]建立射阳河口概化模型，探讨潮波变形的影响因素；江辽[12]对珠江黄茅海河口及崖门水道进行概化模拟，开展数值试验；任艳粉[13]通过概化模型试验，分析黄河口演化过程。本文通过概化模拟王港河口，研究挡潮闸外迁对闸下水动力特征的影响。

王港河口位于盐城大丰港南部(图1)，入海港道在王港闸迁移工程中被“裁弯取直”，河口平面形态较为规则，且口外潮流较强，外迁后闸下冲淤状况稳定，是挡潮闸外迁的良好工程案例。故以其为原型，建立潮汐河口三维水动力概化数学模型，通过模拟挡潮闸迁移前、后两种工况，对比闸下潮位、流速以及流向的特征变化，分析外迁的相关影响。分析结果可为类似的强潮流河口挡潮闸外迁论证以及外迁后的闸下淤积研究提供参考。

1 研究区概况

1.1 河口概况

王港河口于江苏954 km海岸线中部，为堆积型粉砂淤泥质海岸，底质中值粒径范围为0.015 4～0.087 9 mm，泥沙启动流速小、沉降速度大、沉积密实快。据资料，里下河地区的涝水主要依靠盐城市沿海16条港道外排入海，然而，包括王港在内的诸多港道均在建闸后发生不同程度的淤积。

王港闸建于1959年，设计最大流量1 060 m3/s、日均排涝流量306 m3/s。由于大丰沿海为典型的淤长型海岸，加以建闸后潮波变形等因素，致使王港闸下游港道淤积严重，港道长度由1.5 km淤长至19 km，对沿线防洪安全构成严重威胁，现已将王港闸外迁至河口处。

1.2 海区概况

王港河口属强潮区，潮汐为规则半日潮，东临辐射沙洲北部的主要潮汐通道——西洋深槽。辐射沙洲地区潮汐环境特殊，受东海前进潮波和南黄海旋转潮波控制，两潮波波峰线在弶港岸外交汇。在南、北两个潮波系统作用下，西洋深槽总体相对稳定，水深槽宽，由斗龙港向南，走向为NNW—SSE，-10 m等深线长达55 km，宽达5 km以上，尾部伸向东台海滩。

口外海区平均高潮位2.10 m，平均低潮位-1.58 m，平均潮差3.68 m。潮流主流向与岸线大致平行，近似呈南北向往复流，涨潮流向偏南，落潮流向偏北。潮流进入河口后，因反射发生潮波变形，前进波形转化为驻波形，据实测资料，河口内最大流速一般出现在中潮位附近，高低潮时发生转流，涨潮流速大于落潮流速。

2 三维水动力概化数学模型

2.1 基本方程及求解

三维连续方程和运动方程

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：u,v,w分别是流速在笛卡儿坐标中x,y,z方向的分量；g为重力加速度；veh=vth+v，vev=vtv+v分别为水平有效粘性系数和垂向有效粘性系数；f为科氏力系数；t为时间；ρ为水体密度；P为总压力。

图2 模型计算网格Fig.2 Model computational grid

基于有限体积方法进行数值离散求解，外边界由东中国海潮波数学模型提供Z边界=ζ(t)，其中ζ(t)为边界潮位。为避免模型计算不稳定，采用干湿动边界处理方法，其中干水深、淹没水深及湿水深分别设定为hdry=0.005 m、hflood=0.05 m和hwet=0.1 m。取上游流量Q=0 m3/s，时间步长Δt=0.5 min，模拟60 d内闸下水动力过程。

2.2 模拟范围及网格划分

以王港河口为原型，结合2016年卫片资料及2010年水下地形资料，建立概化河口模型。据实测，设定概化港道长10 km，基槽宽200 m，基槽底高程-10 m，边坡1：3，河口边滩与航道轴线呈45°夹角。模拟区域合计南北长21.6 km、东西宽20 km。

如图2，模型采用由外海向陆地逐步加密的非结构三角网格进行离散，港道及河口区域网格边长约40 m，外海区域网格边长约400 m，共计9 345个节点。

2.3 模型率定和验证

图3 潮位验证(大丰港二期码头)Fig.3 Tidal level verification (Dafeng port phase II terminal)

近年，对苏北沿海河口的数值模拟成果颇丰。据以往研究成果[2]，河道糙率取0.02，滩地糙率取0.045，外海糙率随水深变化，公式为n=0.013+0.01/H[14]。验证资料为王港河口北部大丰港二期码头的潮位资料及码头以北1 km处潮流实测点的同步流速、流向资料，验证时段为2010年5月31日14：00至6月1日17：00。

2.3.1 潮位验证

潮位验证结果如图3所示，大潮潮型，模拟值与实测值较吻合，较好反映了王港河口附近海域的潮位特征。

2.3.2 流速、流向验证

通过实测点表层、0.6H层、底层的流速、流向资料对模型进行验证，如图4所示，验证结果良好。

图4 流速、流向验证(大丰港二期码头潮流实测点)Fig.4 Flow rate, flow direction verification (Trend measurement point of Dafeng Port phase II terminal)

类别统计项目大潮小潮平均涨潮历时(h)5.35.5涨落历时平均落潮历时(h)76.8涨、落潮历时差(h)1.71.3平均涨潮流速(m·s-1)1.551.27潮流流速平均落潮流速(m·s-1)1.241.2涨、落潮流速差(m·s-1)0.310.07

2.4 研究潮型的选择

统计分析王港河口水文资料，由表1可知，该河口大潮时期的涨落潮历时差和流速差均大于小潮时期，且大潮潮差、流速亦大于小潮，故大潮时期的潮不对称性更加显著，更易促进港道内的潮波变形现象。故下文中所对比分析的相关水动力过程均选取在水动力环境较强、潮汐不对称性较明显的大潮时期。

3 设计方案及成果分析

挡潮闸迁移前后的工况设计如图5所示：迁移前(工况1)，旧闸门与河口间为10 km引河段；迁移后(工况2)，新闸门设立在河口处；在旧闸与新闸下40 m处分别设测点p1、p2，以对比新、旧闸下的潮位、流速及流向过程；在旧河口设测点p3，坐标与p2相同，以对比新、旧河口的潮位特征。

3.1 河口流速场对比

对比新、旧河口大潮时期的涨、落急流速场，如图6示：6-a、6-b分别为涨急时旧河口与新河口的流速场，6-c、6-d分别为落急时对应的流速场。下文以“流速渐变带”表示口外潮流速度受河口影响的区域。

由图6-a、6-b对比发现，涨急时，新河口外的流速渐变带略宽于旧河口，可能由河口建闸后涨潮流反射、近岸流扰乱导致；旧河口内因潮波变形，处于转流时刻，潮流进入河口后流速显著降低；新河口建闸后，潮流无法上溯，故口外水动力环境较强。

图5 挡潮闸迁移前后工况设计Fig.5 Cases design before & after sluice migration

由图6-c、6-d对比发现，落急时，新、旧河口外的流速渐变带大小相近，且均小于涨急时刻；旧河口内仍处于转流时刻，下泄流量较少、口外流速较低；新河口建闸后，无下泄流量，口外水动力环境较弱。

综合来说，挡潮闸外迁对河口外潮流的流速分布影响较小。闸门外迁后，河口水动力环境在涨潮时期略增强、落潮时期略减弱。

6-a 旧河口涨急流速场6-b 新河口涨急流速场

6-c 旧河口落急流速场6-d 新河口落急流速场图6 挡潮闸迁移前后河口涨(落)急流速场Fig.6 Estuarine velocity field during high(Ebb) tide period before & after sluice migration

3.2 潮位过程对比

图7 闸下及河口潮位过程Fig.7 Tidal process under sluice & estuary

记录旧闸测点p1、新闸(新河口)测点p2以及旧河口测点p3大潮时期的潮位过程，如图7所示。

对比p1、p2，挡潮闸外迁后，闸下平均高潮位小幅降低，从1.61 m降至1.51 m；平均低潮位小幅升高，从-1.46 m升至-1.37 m；平均潮差减小，从3.07 m减至2.88 m。外迁前，闸下涨、落潮历时比约0.73，为潮流进入河口后潮波变形所致；外迁后，闸下涨、落潮历时趋于相近，比值约0.89，潮汐不对称性减弱。此外，由于挡潮闸外迁后，潮波无需通过港道传至闸门，故新闸下潮位过程的时间相位较之旧闸略微提前。

对比p2、p3，旧河口与新河口的潮位过程很相近，潮差、涨落潮历时以及时间相位均无显著差距，说明挡潮闸外迁对河口原潮位特征无太大影响。

采用Elgar和Guza的方法[15]计算60 d内潮位模拟过程的偏度Sx和不对称度Ax

(5)

Ax=Simag(H(x))

(6)

表2 闸门迁移前后闸下及河口地区潮位、流速及潮位不对称度计算结果Tab.2 Calculation of tidal level, flow velocity and tidal asymmetry under the gate and estuary before and after the gate migration

计算结果如表2所示：易见，不论迁闸与否，闸下与河口地区的潮位不对称度均为负值，即均为涨潮占优。挡潮闸外迁后，闸下潮位不对称度的绝对值变小，表明潮汐不对称性减弱，有助于改善潮波变形现象；口外潮位、潮流特征无太大变化。

3.3 流速、流向过程对比

记录同时段内旧闸测点p1、新闸测点p2的流速、流向过程，如图8所示，进一步对比挡潮闸迁移前后，闸下平面流速、流向以及分层流速特征。

3.3.1 闸下流速、流向特征变化

对比图7、图8-a，旧闸下因潮波变形，p1流速过程与潮位过程出现2.5～3 h的时间相位差，流速峰值出现在中潮位，谷值出现在高、低潮位，驻波特性明显，且涨潮流速略大于落潮流速，涨、落潮流速比约1.18；挡潮闸外迁后，新闸下p2流速过程与潮位过程无显著时间相位差，涨潮流速仍大于落潮流速，涨、落潮流速比约1.21。新闸下的流速总体上高于旧闸，p1、p2平均流速比约1.26。

8-a 流速8-b 流向

8-c p1分层流速8-d p2分层流速图8 闸下流速、流向过程Fig.8 Current speed & direction process under sluice

对比图7、图8-b，旧闸下p1流向基本沿港道方向，涨潮流由东向西，落潮流由西向东，呈东西(WE)往复流，而新闸下p2流向受沿岸流影响，大致沿南北(NS)方向，涨潮流由北向南，落潮流由南向北。旧闸下因潮波变形，涨潮历时短于落潮，转流发生在高、低潮位附近；挡潮闸外迁后，新闸下涨、落潮历时相近，转流发生在中潮位附近。

3.3.2 闸下分层流速特征变化

由图8-c，挡潮闸迁移前，闸下p1垂向各层流速分布不均，从表层向底层，相邻两层流速的峰值差依次约0.004、0.007、0.012、0.022、0.054 m/s，表层与0.2H层的差值最小、流速几乎相同，随后邻层间的流速差不断增大，0.8H层与底层相差最大。流急时，表层流速约0.51 m/s，底层流速约0.41 m/s，表、底层流速比约1.24；流息时，各层流速相近，均值约0.1 m/s。

图9 垂向各层流速对比(流急)Fig.9 Comparison of flow peaks in vertical layers

由图8-d，挡潮闸迁移后，闸下p2垂向各层流速分布得更加均匀，从表层向底层，相邻两层流速的峰值差依次约0.029、0.033、0.041、0.056、0.061 m/s。流急时，表层流速约0.66 m/s，底层流速约0.44 m/s，表、底层流速比约1.5；流息时，各层流速相近，均值约0.16 m/s。

对比而言(图9)，同水深条件下，闸门外迁后闸下垂向各层流速的分布更加均匀，且流速垂向的总体变化幅度(表、底层流速比)更大；流急时，新闸下的各层流速均高于旧闸，且由底层至表层，二者间流速差不断增大；流息时，新、旧闸下的流速垂向分层均不明显，但新闸下流速均值高于旧闸。