基于二维水沙数学模型分析挡潮闸闸下淤积特征

肖怀前 许永平 严后军

摘 要：以连云港沿海车轴河闸为例，建立了挡潮闸闸下引河平面二维水沙数学模型，对闸下引河的水动力过程和泥沙输运过程进行了数值模拟，分析了车轴河闸闸门开启3种放水状态下闸下淤积的特征。

关键词：二维水沙数学模型;挡潮闸;潮流;泥沙;回淤

文章编号：1004-7026（2020）04-0099-02         中国图书分类号：TV85        文献标志码：A

江苏海岸外有丰沛的泥沙供应，在潮流波浪的作用下，沿海泥沙运动活跃。沿海的连云港、盐城、南通3市具有约60条主要河道，汇集约30个入海口，修建不同规模的挡潮闸约110座。由于建闸导致的闸下引河纳潮量减少、径流变化、河口围垦、潮波变形和河道纳潮量减少等因素，闸下河道出现不同程度的淤积现象[1]。

车轴河位于江苏省连云港市沿海，全长44.2 km。车轴河闸1953年建于埒子河口上游16 km处，共8孔，单孔净宽6 m。因闸下引河较长，河道断面较小，高低水混排，年径流流量少，控制运行方式不完善，导致闸下引河逐年淤积。采用平面二维水沙数学模型分析其闸下引河回淤特征，具有重要意义。

1  平面二维水沙数学模型

2  车轴河闸闸下水沙数学模型建立

2.1  计算区域

因车轴河闸位于埒子河口上游16 km处，闸下淤积的泥沙主要为埒子河口附近的海域来沙，因数学模型边界条件的需要，本次计算时采用大小模型嵌套的方式。小模型计算河段选取车轴河闸下至下游8 km处。大小模型采用三角形六结点等参单元和四边形八结点等参单元来构成计算网格。

2.2  水文条件及参数

验证水文资料采用2017年9月水文实测资料。固壁边界的法向通量为零，开边界为强迫边界条件，岸滩边界采用干湿法。

计算选用的参数，根据资料率定糙率采用n=0.02～0.045，时间步长采用小时，露滩临界水深dh=0.05 m，紊动扩散系数？着=10～50 m2/s。

2.3  水动力和泥沙场验证

水位验证结果和实测值比较后，水位计算值和实测水位过程吻合很好，最大误差在3 cm以内。测流断面流速计算值和实测值比较后，各验证点计算流速和实测资料吻合较好，最大误差小于5%。悬沙变化过程验证后，数学模型计算的涨潮平均含沙量和落潮平均含沙量与实测值吻合较好，验证结果符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》（JTST231-2-2010）要求[2]。因此，沿程水位过程验证和附近河段断面水流悬沙过程验证结果表明建立的平面二维数学模型能模拟工程河段水流传播过程和水流运动规律。

2.4  流场分析

建立闸下引河段流场，大潮涨急时，潮流沿河道上溯，在车轴河和善后河交汇处的下游0.68 km处流速达到最大，约为0.85 m/s。由于潮流的顶托作用及河闸的限制，潮流在河道内壅高，水流流速在车轴河和善后河处达到一个极小值，约为0.3 m/s。潮流沿车轴河河道上溯，由于车轴河闸下河道至车轴河与善后河交汇处较短，仅约0.53 km，潮流没有加速空间，越靠近车轴河闸，水流流速越小。

从以上分析可以看出，大潮时期涨急时刻流速大于落急时刻流速，大潮涨急流速最大0.85 m/s，落急最大仅0.25 m/s。这主要是由于潮波传入河口以后，在地形阻力的影响下发生变形和反射，波形由前进波向驻波特性转换，而建闸后，潮波变形将加剧。

2.5  泥沙场分析

由于河道内潮波变形，以及河闸的反射作用，潮波性质由前进波转换为驻波，涨潮流流速增大，使得涨潮挟沙能力增加，悬浮泥沙由涨潮流挟带至闸附近沉降堆积，烧香河闸和善后新闸下游约0.36 km处悬沙浓度达到最大，约为1.3 kg/m3。车轴河闸附近悬沙浓度约为0.1 kg/m3，车轴河与善后河交汇处附近及下游悬沙浓度较为平均，大致在0.2～0.3 kg/m3之间。

由以上对比可以看出，大潮时期，涨急时刻含沙量明显高于落急时刻含沙量，车轴河闸分支含沙量明显低于善后新闸分支含沙量。涨急时刻最大含沙量达到1.30 kg/m3，落急时刻最大含沙量仅0.062 5 kg/m3。

3  车轴河闸闸下淤积特征

大潮期间对比研究车轴河闸开启与关闭状态下河床冲淤情况得出，闸门在开启放水状态下，当流量Q=0.5或1 m3/s时，距离闸较近区域淤积厚度明显减小，其他区域无明显变化。当流量Q=2 m3/s时，影响距离明显增大，淤积厚度随流量增大而减小。淤积厚度从车轴河闸沿特征线向河道分叉口逐渐增大，最大淤积厚度为0.007 m左右。

4  结论与建议

建立嵌套的大小二维潮流泥沙数学模型，对车轴河闸闸下游河道的水动力和悬沙输运过程进行了计算，得出以下结论与建议。

（1）潮波随河道上溯距离越远而变形越显著，且由于车轴河闸的阻滞作用，河道内整体呈现出涨潮流速大于落潮流速的特征，大潮涨急流速最大0.85 m/s，落急最大仅0.25 m/s。

（2）大潮時期，涨急时刻含沙量明显高于落急时刻含沙量，车轴河闸分支含沙量明显低于善后河闸分支含沙量。涨急时刻最大含沙量达到1.30 kg/m3，落急时刻最大含沙量仅0.062 5 kg/m3。车轴河闸下游引河高浓度泥沙主要集中在开始落潮至低潮位过程。

（3）对大潮期间，车轴河闸关闭，车轴河下泄流量分别为0.5 m3/s、1 m3/s、2 m3/s的河床冲淤情况进行计算，结果表明淤积厚度随流量增大而减小。淤积厚度从车轴河闸沿特征线向河道分叉口逐渐增大，最大淤积厚度为0.007 m左右。

参考文献：

[1]张长宽，陈锡林.江苏入海河道河口治导线研究[R].南京：河海大学，江苏省水文水资源勘测局，2009.

[2]“江苏沿海闸下港道淤积综合治理研究”项目组.江苏沿海闸下港道淤积综合治理研究技术总结[R].南京：江苏   省防汛防旱指挥部办公室，2009.