崇明东滩鸟类栖息地优化工程区海堤水闸外侧引水渠冲淤数值模拟

鲁佩仪 朱建荣 钱伟伟 袁琳

摘要：在河口水动力模式的基础上，耦合泥沙模块和底部冲淤方程，建立了崇明东滩鸟类保护区海堤外侧引水渠冲淤三维数值模式，模式上游闸门水通量由堰流公式计算，内侧水位由随塘河水动力模式计算，模式下游水位、盐度、泥沙浓度由长江河口大区域数值模式计算，利用2018年7月28-30日优化工程区水闸开闸冲淤前后实测引水渠底部高程进行验证，模式计算的高程与实测值吻合良好，表明模式能较好地模拟引水渠冲淤变化，冲淤计算结果表明，闸下引水渠在自然状态下，涵闸关闭60d后基本淤平，闸口淤积量最大，淤积程度自闸口向外海逐渐减小，引水渠自然淤积2个月后，随塘河蓄水至3.0m开闸放水，引水渠平均冲淤量为96mm：随塘河蓄水至3.8m开闸放水，引水渠平均冲淤量为133mm;纳潮冲淤一天，引水渠平均冲淤量为625mm，纳潮冲淤是最为有效的冲淤方式，研究成果可为崇明东滩国家级自然保护区生态修复工程区的保护与管理、引水渠冲淤方案提供科技指导。

关键词：崇明东滩;候鸟保护区;闸下淤积：引水渠冲淤：数值模拟

中图分类号：P731.23文献标志码：A DOI：10.3969/j，issn，1000-5641.201941013

0引言

在我国沿海大部分中小人海河口建闸以挡潮御卤、排洪蓄淡，以及防台抗暴，但河口建闸面临的一个重要问题是闸下淤积，我国建闸河口闸下淤积非常严重，显著影响上游河道的防洪排涝，闸下淤积预报和减淤措施研究一直是水利工程中急需解决的问题之一，在以海相来沙为主的潮汐河口建闸，闸下淤积问题相当普遍，海河流域35个河口建闸后，22座发生严重淤积，江苏沿海修建的58座大中型挡潮闸中，5座基本淤死，浙江省甬江支流姚江建闸后闸下河段及甬江河床发生严重淤积，金元欢和沈焕庭指出，建闸河口淤积的主要原因是水动力条件发生了改变，淤泥质河口与砂质河口冲淤特性差异很大，大部分闸门第一年淤积速度最大，在泥沙含量较高的水域，由于密度差的作用，浑水会流向清水形成异重流，李大山、任汝述基于对射阳河建闸前后径流量、潮动力条件等水力要素的比对，对该地区泥沙来源和泥沙输运量进行分析，窦国仁得出射阳河发生闸下淤积的条件和影响因素，伍冬领等对永宁江枢纽引航道和挡潮闸下淤积等问题进行了深入研究，认为该处闸港泥沙粒径较细，易发生絮凝，曲红岭等采用数学模型研究了短引河河道型、短引河滩槽型和长引河河道型三种类型建闸河口闸下淤积特征，结果表明闸下淤积与闸下河道特征密切相关，河口建闸后，由于潮波变形及径流量的匮乏，浮泥随纳潮水体进入闸下河道形成泥沙淤积，成建、刘德荣结合江苏沿海一些挡潮闸，全面分析了闸下港道淤积泥沙来源和泥沙淤积的原因，比较全面地介绍了一些可行的治理措施，徐雪松等总结影响闸下淤积形态的多个因素，包括潮流作用、闸下引河长度、河口泥沙的动力特性、闸下港道类型以及建闸位置等，王文杰认为闸下河道发生持续性淤积是由水流挟沙能力和含沙量的不对称所导致，杨元平等研究得出曹娥江大闸闸下淤积现状及减淤对策，认为尖山河段主槽靠近曹娥江口，曹娥江大闸闸下淤积不明显;一旦出现主槽偏离南岸，闸下滩面较宽时，闸下淤积问题就会出现Ⅲ，朱明成分析了闸下淤积的影响因素，论证了闸址条件不同时闸下淤积情况，其中闸下河道类型、闸下河道长度、径流条件、植被条件和闸下河道人海方向都起到一定作用，钱建平等分析了小洋口闸下港槽淤积成因，提出了减淤的措施。

以往研究提出的闸下减淤的对策有：（1）水力冲淤，将势能转化为动能，利用水流的携沙能力达到清淤的效果，水位清淤适用于闸门上下河道比降大且水源较为充足的河流，开闸放水的时机也要考虑到潮汐能量的变化，纳潮冲淤指在涨潮期利用河道纳潮，待有一定水头差时开闸冲淤，一般在上游水源不足或潮汐能量强的地区可考虑该方法，或者，大潮期间打开闸门，增强纳潮量和落潮流速，达到清淤效果，（2）机械清淤，机船拖耙清淤，是以机动船拖动耙具耙起淤泥，利用推进器，搅动水体，使部分耙起的淤泥变成悬沙，随水流流走，水力挖塘机组，抓斗式或链斗式挖泥船亦可用于引河清淤，也可采用绞吸式、抓斗式或链斗式挖泥船清淤，（3）工程措施，整治闸上河道和闸下引河，扩大排泄量;闸下裁弯、切滩，增加泄流能力;以清顶浑，对于较短的港槽可以在涨潮前2-3h，在引河中预先开闸放水，减少进入引河的浑水，选好闸址，应考虑冲淤水源、港口的稳定性、闸下引河的长短等条件;围垦时保留冲港滩面水;植物拦沙减淤，阻止滩面产沙、进入引河;修筑导堤，束水攻沙，切断由风浪掀起的海滩泥沙补给源，减少泥沙進入引河。

长江口挟沙量巨大，崇明东滩鸟类保护区新建大堤外区域的淤涨明显，海堤水闸外侧引水渠极易淤积，为了提高冲淤效果，降低开闸能耗，保障调控优化工程区生态用水安全，就需要了解引水渠自然淤积情况，以及开闸放水冲淤的效果，本文对此开展研究，给出在水闸关闭下引水渠自然淤平所需时间、开闸冲淤和纳潮冲淤效果，研究成果可为崇明东滩保护区大型湿地修复工程水闸运行提供关键技术支撑，对崇明东滩鸟类保护区湿地资源保育具有重要的理论意义和应用价值。

1区域概况

崇明东滩位于长江口崇明岛东端，是东亚一澳大利亚候鸟迁飞路线的中段，这里植被分布广，有大量的底栖动物，适宜水鸟停歇、越冬，是候鸟迁徙的中转站，1998年上海市政府成立崇明东滩鸟类保护区，2005年成为国家级自然保护区，上海市政府以遏制互花米草扩张，改善崇明东滩生态系统，优化鸟类栖息地，稳定鸟类食物来源为目标，在崇明东滩鸟类国家级自然保护区内开展了规模巨大的互花米草生态控制及鸟类栖息地优化工程（以下简称优化工程），该优化工程北边在八激闸门，南边接崇明东滩1998大堤中部，西边以崇明东滩1998大堤为界，东边界为新建的海塘大堤，优化工程范围达240km2.于2016年12月竣工，本文研究区域为优化工程区c区（见图1）。

该优化工程包括内部生境区、随塘河、大堤和涵闸，生态修复工程区的南部c区，内部生境区分为C1N、C1S、C2W、C2E、C3、C4六个不同的生境区块（见图1），随塘河围绕内部生境区域一圈，是内部生境与外界进行水交换的重要水域，由于蒸发、降水、植物蒸散和土壤下渗，生境区的水深随时间变化，当水深不在候鸟合适的水深范围内，就需要保护区管理人员从随塘河引水或排水，以维持不同内部生境区适宜水深，在调控优化工程区新建海堤上建有水闸，当内部生境区和随塘河水位低、不能满足生态用水时，需要开闸引进闸外崇明东滩水体;当降水量大，如梅雨季节，内部生境区和随塘河水位超过临界值时，需要开闸放水，在一年中的大部分时间，由于降水的补充和生态耗水，内部生境区和随塘河的水位一般能满足要求，大部分时间水闸是关闭的，长时间的水闸关闭，以及崇明东滩高泥沙浓度环境，极易导致闸外引水渠淤积，引水渠淤积后就难以开闸取水，需要开闸冲淤，为了提高闸下冲淤效率，优化工程区在闸口外建立了宽50m、长300m的引水渠（见图2），引水渠两岸是由挡水建筑物建成的导堤，在高潮位时也不会被淹没，闸门开启期间，当随塘河水位低于外海时，水体由引水渠自外海引入;当随塘河水位高于外海时，水体自引水渠向外海流出，水流受到引水渠导堤的约束，动能相对集中，作用在底床泥沙的时间增长，底切应力增大，可提高冲刷效率。

2数值模式建立和验证

2.1水动力数值模式

水动力模式采用作者课题组长期改进和应用的三维数值模式ECOM-si（semi-implicit Estuarine，Costal and Ocean Model），该模式是基于海洋数值模式POM（Princeton Ocean Model）的基础上研发的可设置包括潮流、径流、风、波浪等各种动力因子，改进的ECOM-si模式在长江口水动力过程和盐水入侵等方面研究中得到广泛的应用，取得了大量研究成果，为了节省篇幅，有关模式介绍可参考已发表的文献。

2.2泥沙数值模式

三维泥沙数值模式是在上述水动力模式基础上耦合泥沙模块建立起来的，本文中泥沙模块运用是基于刘高峰改进后的泥沙模块，该模式考虑了泥沙的沉降过程和底部临界启动应力，具体模块介绍和参数设置参照文献，这里简单介绍泥沙控制方程，悬沙输运模块控制方程为（4）式和（5）式中，τ为模式计算所得的底部切应力，Te为临界起动应力，Td为临界沉降应力，M为底床冲刷系数，表示了水底冲刷的难易程度，取值范围为1×10^-5-4×10^-3kg/（m2.a），α为泥沙发生沉降的概率，根据经验一般取值为0.67-0.84。

波浪与潮流共同作用下的底切应力参考Liang and Li中给出的计算公式，泥沙沉速使用的是吴宇帆…经过多次沉降实验建立的絮凝沉降公式，悬沙粒径的设定决定了静水沉速的计算结果，对于三维水动力泥沙数值模式的模拟至关重要，长江口及邻近海域悬沙组分多样，在平面上和垂向上悬沙粒径变化明显，需依靠实测数据确定该海域悬沙粒径，刘红等在对崇明东滩悬浮泥沙进行采集分析后指出，崇明东滩护花米草和泥滩表层沉积物较细，悬浮泥沙中值粒径为8-16um，自岸向海逐渐变粗，模式中泥沙中值粒径统一取15um，详细的长江口泥沙絮凝沉降公式可参见文献。

计算底部泥沙通量的关键参数是临界起动应力，临界起动应力受到多种因素影响，难以使用具体公式计算，通过实测含沙量进行调试率定，设置经验值是目前最有效的计算方法，本文根据临界起动应力，利用经验公式来换算临界沉降应力，即Td=4/9Te。

河床底部高程的变化直接受到底部泥沙净通量的影响，泥沙净通量为负时，河床发生冲刷，河床底高程减小;泥沙净通量为正时，发生淤积，河床底高程增大，引水渠内局地高程变化Ah的计算公式为

2.3计算区域和边界条件

2.3.1引水渠

新建大堤水闸外侧引水渠淤积和冲刷是本文研究的要点，引水渠西边接涵闸闸口，东边直通崇明东滩，导堤两边为优化工程建设挡水的堤坝，最高点为5.0m，外海潮水基本不会漫过导堤，因此可以将其作为固边界设定（见图2），使用Delft3D网格生成软件设计的闸下引水渠正交化网格精度为2m（见图3）。

水表面风应力由长江口崇明东滩实测月平均风速和风向给出_28J，刘红在对崇明东滩表层沉积物进行采集分析后指出，崇明东滩护花米草和泥滩表层沉积物粒径由岸向海逐渐增大，靠近外海处的中值粒径为33～84um，本文取80um，本文依据淤泥质海滩，泥沙临界起动应力取值为0.05N/m2。

闸下引水渠侧向开边界为西侧的闸门和东侧的崇明东滩，水闸闭合时为固边界，打开时为开边界，因闸门内外水位不连续和网格不同，过闸水通量由堰流公式计算，引水渠东侧开边界由长江口大区域模式计算所得的水位、盐度和泥沙浓度提供。

2.3.2随塘河

建立随塘河模式是为了计算闸内随时间变化的水位，采用堰流公式计算可靠的过闸水通量，随塘河的网格见图4.网格分辨率为10m，关闸时，随塘河的流动主要由风应力驱动;开闸时，受过闸流量和风应力的共同作用。

由闸孔出流流量计算公式可知，闸门水通量的计算同时受到闸内水位与闸外水位的制约，闸内水位由随塘河模式计算，闸外水位由长江口大区域模式计算。

2.3.3长江口

长江口大区域数值模式为引水渠模式提供水位、盐度和泥沙浓度开边界条件，模式的网格设置见图5.模式中外海开边界条件、风场、泥沙沉降速度、底部泥沙临界起动应力的设置和给出，以及波浪场的计算等，可参见罗志发博士的学位论文，模式的计算区域和网格见图5.包括整个长江河口、杭州湾和邻近海域。

随塘河闸外海域7月闸外水位、盐度模拟计算结果过程见图6.由于崇明东滩地势较高，高潮位时淹没，低潮位时露出，此时水位即为滩地高程，随时间不变，盐度不连续，随塘河三维泥沙模式采用长江口大区域三维泥沙模式计算的悬浮泥沙浓度作为泥沙边界条件，7月随塘河闸外泥沙浓度见图6。

2.4冲淤验证

本文三维水动力和泥沙数值模式已做了大量验证，结果表明此模式能很好地模拟水文、流速、流向和盐度的变化，也能较好地模擬泥沙浓度的变化，为了节省篇幅，有关模式验证等可参考文献。

本文采用2018年7月引水渠开闸前后底高程观测资料验证模式，崇明东滩候鸟保护区优化工程区的涵闸开启调度情况为：2018年7月27日21时开启涵闸，从外海引水，7月28日1时关闭涵闸;7月28日21时30分开启涵闸，从外海引水，7月29日2时关闭涵闸;7月29日22时开启涵闸，从外海引水，7月30日1时20分关闭涵闸，闸门开启时，过闸水流不断冲刷闸下引水渠，采用三维红外激光扫描仪于7月27日开闸前测量闸下引水渠断面底高程，于7月30日关闸后测量闸下引水渠断面底高程，通过反复调整模型中底部泥沙临界启动应力，确定最佳值，实测高程与模型计算数据的比较见图7.由实测数据可得引水渠内平均冲淤122mm，模型计算值为123mm，RMSE（Root Mean squareError）、CC（相关系数Correlation Coefficent）、ss值（skill Score）分别为0.0625m、0.74、0.8511.验证结果良好。

3模拟结果和分析

3.1闸下自然淤积

在自然状态下，引水渠西侧闸门关闭，只有东侧与崇明东滩水域相连，随涨落潮交换水体、盐分和泥沙，模式设置计算时段为1月1日至3月1日，引水渠东侧开边界由水位、盐度和泥沙浓度给出，资料来自大区域模式计算的结果，引水渠初始设置为无泥沙淤积，底高程为1.0m。

模式计算的闸下淤积厚度的分布见图8.涵闸关闭两个月后，引水渠靠近闸门处基本淤平，引水渠内淤积严重，涵闸关闭时，引水渠内受到外海潮涨潮落的影响，高潮位时长江口携带大量悬浮泥沙的盐水进入闸下引水渠，进入引水渠后水体动能逐渐减小，水流携沙能力逐渐减小，到达闸口时水流流速最小，底切应力减小，泥沙发生沉降，难以再次起悬，此时最易发生淤积，闸下引水渠靠近外海侧受到外海潮动力的影响，水动力泥沙易悬浮，较难沉降，此处淤积程度不高。

由关闸后引水渠中的底高程变化可以看出，引水渠闸口淤积量最大，靠近外海淤积量较小，引水渠内淤积程度自闸口向外海逐渐减小，同时靠近西北侧一岸淤积量较大，闸前水流流速很小，几乎为零，在异重流的作用下，闸门附近的底部泥沙向闸下输运，闸下底部切应力很小，泥沙无法被落潮的水流带走，基本全部沉降下来，因此闸前淤积程度最高，在科里奥利惯性力（科氏力）的作用下，涨潮时，进入引水渠内的水体向北偏移，北部水体挟沙能力较大;落潮时，离开引水渠的水流向南偏移，南部水体挟沙能力较大，泥沙冲刷量较大，引水渠南北两岸挟沙能力的不平衡导致了引水渠内淤积厚度不同。

3.2闸下冲淤

闸门淤积厚度较低时，冲刷效果不明显，频繁开启闸门进行冲淤耗时耗力，不利于优化工程区的管理;闸门淤积程度高时，长时间不开启闸门则很有可能淤死，本节分别选择自然淤积两个月后的淤积程度进行冲淤效果模拟，分为3种工况进行：（1）随塘河蓄水至3.0m，开闸放水至2.0m;（2）随塘河蓄水至3.8m，开闸放水至2.0m;（3）随塘河蓄水至3.0m，选择大潮时期开闸一天，本节分别模拟和分析自然淤积两个月情况下3种不同工况的冲淤效果。

模式初始底高程为淤积两个月后的引水渠内底高程，冲淤前引水渠底高程图见图8.随塘河蓄水至3.0m，放水至2.0m，开闸放水持续时间长达20h后的冲淤效果见图9.引水渠内平均总冲淤厚度为96mm，闸前冲刷效果最好，这是因为靠近闸口处流态复杂，流线急剧弯曲，湍流动能大，底床冲刷效果明显，由于淤积时间长、引水渠内淤积程度高，在相同的水力条件下，水深较小，底部切应力较大，冲淤效果明显。

随塘河蓄水至3.8m，放水至2.0m，开闸放水时长达22h后的冲淤效果见图10.引水渠闸前冲刷效果较好，渠内平均总冲淤厚度为133mm。

随塘河蓄水至3.0m，外海高水位进水，开闸一天后的纳潮冲淤效果见图11.纳潮冲淤时，引水渠内受到外海潮动力的作用，引水渠内整体冲淤效果较好，渠内平均总冲淤厚度为625mm，闸前冲淤效果比较好，在冲淤的模式验证中，3d的平均冲淤幅度为122mm，远比这里的平均冲淤量值小，原因是：（1）模式验证时涵闸只在夜间涨潮时开启，3d的开闸时间总和约为12h，而这里开闸时长为24h，少了一半，（2）验证时段前期，台风安比2018年7月22日12时30分在上海崇明登陆，大量降雨使得保护区水闸打开排涝，冲刷了引水渠，模式验证时引水渠初始淤积高程较低，导致模式验证时总的冲淤幅度较小，（3）这里纳潮冲淤选择的外边界水位是7月最高潮位的一天，比验证计算中的外边界水位更高。

4结论

本文在河口水动力模式的基础上，耦合泥沙模块和底部冲淤方程，建立了崇明东滩鸟类保护区海堤外侧引水渠冲淤三维数值模式，模式上游闸门水通量由堰流公式计算，内侧水位由随塘河水动力模式计算，模式下游水位、盐度、泥沙浓度由长江河口大区域数值模式计算，利用2018年7月2830日优化工程区水闸开闸冲淤前后实测引水渠底部高程，模式计算的高程与实测值吻合良好，表明模式能较好地模拟引水渠冲淤变化。

模式計算结果表明，引水渠在自然状态下关闭60d后闸口处基本淤平，无法使用，涵闸闸前淤积厚度约达2.0m，引水渠靠近外海处淤积厚度约为1.0m，需要开闸冲淤，淤积厚度较高时，冲淤效果明显，仅在随塘河水力冲淤、无外海潮动力作用时，闸前冲淤效果明显，靠近外海处冲淤厚度几乎为0.

引水渠自然淤积两个月后，随塘河蓄水至3.0m、放水至2.0m，引水渠内平均冲淤厚度为96mm;随塘河蓄水至3.8m、放水至2.0m，引水渠内平均冲淤厚度为133mm，引水渠内淤积程度高，开闸冲淤时，流量相同的情况下，水深较浅，流速较大，冲淤量也因此增加，纳潮冲淤后，引水渠内整体冲淤效果好，平均冲淤厚度为625mm。

分析比较不同工况下引水渠内的冲淤厚度，淤积程度越高，冲淤效果越明显，利用随塘河蓄水冲淤时，闸前冲淤效果好，总体冲淤厚度较小，水位下降快，水量损失较大，不利于维护优化工程区闸内生态系统的稳定，在高潮位纳潮冲淤时，水动力强，闸下引水渠整体冲淤效果明显，引水渠内淤积的泥沙基本清除，此时随塘河内水量损失较少，有利于优化工程区内鸟类栖息地的建设与修复，本文研究成果可为崇明东滩国家级自然保护区生态修复工程区的保护与管理、引水渠冲淤方案提供科技指导，