波流共同作用下圍墾促淤計算方法研究

劉 紅,謝 軍,熊志強,陳 中,陳海英

(1.中交上海航道勘察設計研究院有限公司,上海 200124;2.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室,上海 200062)

波流共同作用下圍墾促淤計算方法研究

劉 紅1,2,謝 軍1,熊志強1,陳 中1,陳海英1

(1.中交上海航道勘察設計研究院有限公司,上海 200124;2.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室,上海 200062)

在改進王義剛等提出的淤泥質(zhì)海岸圍墾淤積計算方法基礎上,提出了波流共同作用下圍墾促淤計算方法。采用實測水沙資料對挾沙力公式進行率定,得到了橫沙東灘水域波流共同作用下半潮平均水沙關系式,其相關系數(shù)明顯優(yōu)于僅考慮潮流作用的水沙關系式。采用上述計算方法和水沙關系式對橫沙東灘促淤圈圍工程的淤積效果進行計算,計算結果與實測值較為接近。由于考慮了波浪作用對含沙量的貢獻,比僅考慮潮流作用的計算模式具有明顯優(yōu)勢,以后可進一步嘗試采用本模式研究砂質(zhì)和粉砂質(zhì)潮灘促淤效果問題。

橫沙東灘;淤泥質(zhì)海岸;波流共同作用;灘涂;圍墾;促淤;計算模式

灘涂處于陸海相互作用的過渡地帶,是一種重要的土地資源、空間資源和生態(tài)資源。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,城市用地的矛盾日漸突出,結合河勢控制和河口整治工程進行促淤圈圍不失為一種緩解城市用地矛盾的有效途徑。圍墾造地具有較大的成本優(yōu)勢[1],適度的灘涂圈圍還是河勢控制和河口整治的有效措施之一[2]。圈圍工程實施前需通過工程措施創(chuàng)造良好的淤積環(huán)境,充分利用本區(qū)域水文、泥沙條件,加快淤積和成陸建設進程,減少后期的吹填工程量,從而降低造地成本。因此,圍區(qū)內(nèi)的促淤效果分析是促淤圈圍工程關注的關鍵技術問題之一。

目前,分析促淤效果主要采用物理模型、泥沙數(shù)學模型和經(jīng)驗公式等手段[3],由于物理模型研究耗時長、投入較大,泥沙數(shù)學模型計算精度有限,因此,利用半理論半經(jīng)驗公式進行估算受到海岸工程學家的青睞。一個使用方便的經(jīng)驗公式至少需要滿足以下兩個條件:①物理概念清晰,②相關參數(shù)易于測量和率定。

前人在淤泥質(zhì)海岸促淤預報模式方面開展了許多有益的工作。劉家駒等[4]建立了淤泥質(zhì)海岸保灘促淤計算模式,并在江蘇呂四海岸促淤效果的計算中吻合較好,但劉家駒公式中未考慮當?shù)氐谋尘昂沉?僅突出了工程實施前、后波浪衰減的影響。王義剛等[5]建立了淤泥質(zhì)潮灘促淤預報模式,在南匯南灘促淤效果計算中取得滿意的結果,但該模式僅考慮了工程前后潮流動力變化對促淤效果的影響,未考慮波浪動力的影響,因此,在波浪作用不顯著的淤泥質(zhì)潮灘圍墾促淤計算中效果較好,但無法適用于波浪影響較大區(qū)域的圍墾促淤計算。

風浪和潮流是兩個相對獨立的動力因素,均對泥沙的起動、輸運和沉降具有重要作用,它們的挾沙能力可用各自的流速來體現(xiàn)?；谶@一思路,本文對王義剛模式進行了改進,選用波流共同作用下的挾沙力公式推導得出波流共同作用下的灘涂圍墾促淤計算模式,并以橫沙東灘促淤(四期)工程進行了驗證。

1 模式建立及參數(shù)率定

1.1 模式建立

竇國仁[6]潮汐水流懸沙運動微分方程為:

式中:A為河床斷面面積;S為含沙量;Qx為x方向的流量;α為泥沙沉降機率;B為河寬;ω為懸沙沉降速度; S*為水流挾沙能力。

令H為水深,q為x方向的單寬流量,則式(1)改寫為:

參照羅肇森[7]的研究方法,在潮周期內(nèi)對式(2)積分,并簡化得:

式中:P為年淤積強度(m/a);α為沉降機率;n為1年中的潮數(shù);k0為系數(shù),k0≤1,根據(jù)實測淤積資料率定;H為工程前的全潮平均水深(m);S*1,S*2為工程前、后的挾沙能力(kg/m3);泥沙干密度ρs=1 750(d50)0.183(kg/m3)。

曹祖德等[8]的波、流共同作用下挾沙力公式為:

式中:k為挾沙力系數(shù);m為挾沙力指數(shù),是水流和泥沙條件的函數(shù),需通過當?shù)貙崪y流速和含沙量資料,通過相關分析來確定;β為系數(shù),淤泥質(zhì)海岸β=0.5,粉砂質(zhì)海岸β=0.6,砂質(zhì)海岸β=0.7;uc為潮流流速;uw為波浪底部水質(zhì)點最大軌跡速度;g為重力加速度;ω為懸浮泥沙沉降速度(m/s)。

波浪底部水質(zhì)點最大軌跡速度uw可由下式計算:

式中:h為波高;T為波周期;L為波長。

將式(4)代入式(3)得到波、流共同作用下潮灘促淤預報模式:

式中:uc1,uc2為工程前、后的潮平均流速(m/s);uw1,uw2為工程前、后波浪底部水質(zhì)點最大軌跡速度(m/s)。王義剛等[5]僅考慮潮流作用下挾沙力公式得到的淤泥質(zhì)河口邊灘圍墾后的年淤積強度公式:

式中:u1,u2為工程前后的平均流速(m/s)。

本文得到的式(6)在式(7)基礎上有較大改進,在波浪影響很小的工程區(qū)域,兩式淤積效果計算(uw=0)的結果相差不大;然而對于波浪影響較大的工程區(qū)域,式(6)具有明顯的優(yōu)勢。

1.2 參數(shù)率定

當河口海岸區(qū)域床面為淤泥或粉砂時,羅肇森[7]計算了15℃、平均流速為0.4 m/s和憩流附近的沉降機率參考值:當泥沙粒徑d分別為＜0.03,0.05,0.10,0.15,0.20,＞0.20 mm時,沉降機率分別為0.67,0.68, 0.72,0.78,0.83和0.84。本次計算沉降機率根據(jù)橫沙東灘四期工程前后的實際促淤效果率定后給出,取值0.60～0.67。

1.2.2沉降速度ω 在淤泥質(zhì)海岸,水體中懸沙呈絮凝狀態(tài),絮凝沉速ω=0.000 4～0.000 5 m/s,相當于當量粒徑d=0.03 mm。對于粉砂質(zhì)和砂質(zhì)海岸,沉降速度可采用張瑞瑾[9]公式計算:

式中:ν為水的運動黏度;d為泥沙粒徑;γs和γ分別為泥沙和水的重度。

工程區(qū)附近的懸沙中值粒徑在0.010～0.015 mm之間,按照絮凝沉速ω取0.000 5 m/s。

圖1 半潮水沙關系式Fig.1 Flood and ebb averaged sediment-carrying capability formula

從相關系數(shù)上看(圖1),考慮波浪和潮流作用的半潮平均水沙關系明顯優(yōu)于僅考慮潮流作用的半潮平均水沙關系。

2 研究區(qū)概況

橫沙東灘位于長江口橫沙島東側,處于長江口北港與北槽之間,是長江口三大淺灘之一,也是上海市促淤圍墾的重點區(qū)域。在1998年長江口深水航道治理工程實施前,橫沙東灘處于自然條件演變下,除有少量南北向竄溝發(fā)育外,大部分灘面平坦、基本穩(wěn)定,高程始終保持在+1.0 m至-1.0 m之間。由于橫沙東灘東側區(qū)域潮流和風浪作用影響較大,橫沙東灘自然淤漲速度非常緩慢,橫沙東灘呈現(xiàn)“長大不長高”的狀態(tài)。隨著長江口深水航道北導堤和N23促淤潛堤的建成,橫沙東灘泥沙截留, N23潛堤西側灘面淤積。與長江口深水航道工程疏浚土處理相結合,橫沙東灘已進行了不少的促淤圈圍工程。自2003年以來,橫沙東灘一至六期工程,累計形成促淤面積 81.73 km2(12.26萬畝),圈圍面積17.33 km2(2.6萬畝)(圖2)。

2008年3月9—10日(農(nóng)歷二月初二至初三)大潮期間工程區(qū)域進行了水文測驗,垂線平均漲潮流速0.17～0.88 m/s,垂線平均落潮流速0.14～1.05 m/s。漲潮平均含沙量0.52～1.79 kg/m3,落潮平均含沙量0.33～1.22 kg/m3。

橫沙東灘水域主要受到NNE-ESE向波浪的影響,工程區(qū)東北側佘山站多年平均波高為0.9 m,臺風和寒潮引起的灘面沖刷對橫沙東灘促淤圈圍工程影響較大。據(jù)統(tǒng)計,影響上海的臺風每年平均有2～3個,在橫沙東灘四期工程促淤期間,2008年9月第13號臺風“森拉克”影響上海,總體而言,臺風個數(shù)較往年偏少。影響上海的寒潮天氣平均每年為3.5次,促淤期間2008年12月5日、2008年12月20—22日和2009年1月22—23日出現(xiàn)了3次明顯的寒潮過程,與多年平均值基本持平。

圖2 橫沙東灘已建工程及流速矢量Fig.2 Existing works and current velocity vector in the eastern Hengsha shoal

3 結果及分析

2008年3月橫沙東灘四期促淤工程建設,2009年5月工程完工。根據(jù)2008年3月和2009年10月地形統(tǒng)計(圖3),四期北側自然淤積0.36 m,按時間折算成年淤積強度為0.23 m/a,淤積量約為290萬m3。南側區(qū)域由于受到長江口深水航道疏浚土上灘的影響,淤積強度較大,淤積厚度為2.04 m,是自然淤積和疏浚土上灘的共同作用所致。本次采用四期北側自然淤積結果進行模式驗證和分析。將橫沙東灘促淤四期工程北側劃分為12塊區(qū)域,分別統(tǒng)計各區(qū)淤積強度的平均值進行分析。

根據(jù)波流共同作用下圍墾促淤計算模式,計算得到四期工程建設1年后北側平均淤積幅度0.24 m,除沿堤流和口門沖刷所在局部區(qū)域誤差較大外(驗證的1,4,8區(qū)),該模式預測的地形沖淤范圍和強度與實測值較為一致(圖4,表1)。因此,本次驗證結果較好地反映了橫沙四期促淤工程實施以來的促淤效果,相關參數(shù)取值合理。

若僅考慮潮流作用的式(7)采用相同參數(shù)進行計算,北側平均淤積幅度為0.18 m,與實測值相差較大,本文得到的式(6)計算結果好于式(7)(圖4(b),表1)。由于本文得到的計算方法既考慮工程實施后潮流流速減少、挾沙力降低對促淤效果的貢獻,又考慮了工程后波浪衰減對促淤效果的作用,而且物理概念清晰,因此,本文建立的波流共同作用下圍墾促淤預報模式具有明顯優(yōu)勢。

考慮到促淤工程實施后的第1年淤積效果最好,第2年以后淤積強度將會隨著灘面的不斷淤高而逐漸減小,直至沖淤平衡。多年淤積強度可按照地形迭代法進行數(shù)學模型計算,直至灘面沖淤相對平衡,或參照王義剛等[11]簡便方法近似估算。

由于淤積計算模式采用波、流共同作用下挾沙力公式,能較好地反映波浪掀沙對促淤效果的影響。因此,本模式進行率定后,可進一步嘗試研究砂質(zhì)和粉砂質(zhì)潮灘促淤效果問題。

圖3 橫沙東灘促淤圈圍四期和七期工程地形沖淤(2008-03—2009-10)(單位:m)Fig.3 Erosion-deposition variation in stages No.4 and No.7 reclamation works of the eastern Hengsha shoal from March 2008 to October 2009(unit:m)

圖4 橫沙東灘四期北側淤積強度(單位:m)Fig.4 Siltation intensity in the north side of stage No.4 reclamation work of the eastern Hengsha shoal(unit:m)

表1 橫沙東灘四期北側實測年淤積強度和預測值對比Tab.1 Comparison between the predicted and measured values of siltation intensity in the north side of stage No.4 reclamation work of the eastern Hengsha shoal (m·a-1)

4 結 語

采用長江口橫沙東灘水域水沙觀測資料對波流共同作用下挾沙力公式進行了率定,得到了波流共同作用下半潮平均水沙關系式,其相關系數(shù)明顯優(yōu)于僅考慮潮流作用的水沙關系式。

對王義剛等提出的淤泥質(zhì)促淤計算模式進行了改進,采用波、流共同作用下的挾沙力公式推導得到波、流共同作用下圍墾促淤計算模式,并對橫沙東灘促淤圈圍工程的淤積效果進行計算,結果與實測值較為接近。由于考慮了波浪作用對含沙量的貢獻,物理概念清晰,今后本模式進行率定后,可進一步嘗試開展砂質(zhì)和粉砂質(zhì)潮灘促淤效果的計算。

需要說明的是,本模式未能考慮極端天氣條件下促淤區(qū)的沖刷和沿堤流沖刷的問題,在淤積效果預測時需根據(jù)極端天氣資料對促淤效果進行局部校正。

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Analysis of silting calculation for reclamation works under wave and current interaction

LIU Hong1,2,XIE Jun1,XIONG Zhi-qiang1,CHEN Zhong1,CHEN Hai-ying1
(1.Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Shanghai 200124,China;2.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200062,China)

A new silting calculation method for the reclamation works under the wave and current interaction has been established by improving Wang Yi-gang′s calculation method applied to muddy coast shore reclamation.The coefficients of flood and ebb averaged sediment-carrying capability formula under the wave and current interaction are determined by the measured data of current velocity,wind speed and suspended sediment concentration,and the analysis results are significantly better than those which only consider the tidal flow.The siltation intensity of the eastern Hengsha shoal enclosure engineering has been calculated using the above method and the calibrated sediment-carrying capability formula,and the research results agree with the measured values.Because of considering the wave contribution to the sediment concentration,this model has obvious advantages over the calculation model only considering the tidal action.This model can be further tried to calculate the siltation intensity of the reclamation works placed in the silty and sandy tidal flat.

eastern Hengsha shoal;muddy coast;interactions of wave and current;shore reclamation;silting; calculation mode

TV148

A

1009-640X(2014)04-0022-06

2013-12-13

中交上海航道勘察設計研究院有限公司專業(yè)建設項目(2013-1065);河口海岸學國家重點實驗室開放基金項目(SKLEC-KF201201)

劉 紅(1978-),男,湖北宜昌人,高級工程師,博士,主要從事河口海岸水動力和工程泥沙研究。

E-mail:liuhongshiw@163.com