長江口北槽丁壩壩田區(qū)潮流及污染物遷移擴散特征

路川藤,黃華聰,錢明霞

(1. 南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室, 江蘇 南京　210029;2. 上海河口海岸科學(xué)研究中心,上?！?01201)

長江口北槽丁壩壩田區(qū)潮流及污染物遷移擴散特征

路川藤1,黃華聰2,錢明霞1

(1. 南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室, 江蘇 南京210029;2. 上海河口海岸科學(xué)研究中心,上海201201)

摘要：為研究長江口深水航道北槽壩田水流結(jié)構(gòu),基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格FVM法,建立了長江口大范圍二維潮流水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型,在數(shù)學(xué)模型驗證良好的基礎(chǔ)上,對北槽漲落潮水流結(jié)構(gòu)及壩田污染物擴散進行了研究。結(jié)果表明,北槽中上段北壩田高潮位明顯高于主槽,北槽下段,高潮位與主槽相近;南壩田高潮位大都高于主槽,南北壩田低潮位與主槽相近;壩田污染物落潮時釋放擴散速度較快,南側(cè)壩田污染物擴散速度比北壩田快,大潮壩田污染物擴散速度比小潮快,壩田外部污染物擴散速度比壩田內(nèi)部快;壩田釋放污染源后,污染物隨漲落潮流在壩田與主槽內(nèi)運動,短時間內(nèi)污染物進入航道的量較少。

關(guān)鍵詞：長江口;北槽;CJK3D-WEM;丁壩壩田;FVM;污染物;擴散

長江口深水航道治理工程完成后,北槽主槽形成了一條具有一定寬度和深度的水道,相應(yīng)的北槽丁壩群壩田普遍淤積,丁壩壩田與主槽河床形態(tài)的變化密切相關(guān),相互影響。本文通過數(shù)學(xué)模型研究北槽壩田污染物遷移擴散規(guī)律,進而揭示壩田與主槽水流運動的關(guān)系。

多年來,國內(nèi)外學(xué)者對丁壩壩田水流的研究成果頗豐富。長江口北槽丁壩群屬于淹沒丁壩,淹沒丁壩壩頭、壩頂均存在水流分離現(xiàn)象,其強弱隨淹沒程度的不同而變化[1]。由于壩頂?shù)倪^水作用,丁壩的阻水作用相對降低,丁壩上游的雍水及下游的主回流長度會有所減弱。水流越過壩頂后,存在明顯的水頭損失[2-3],同時部分水流下潛,增加了淹沒丁壩流態(tài)的復(fù)雜性。泥沙多通過余平流進入淹沒丁壩壩田形成淤積[4]。關(guān)于壩田水流結(jié)構(gòu)機理研究,多數(shù)學(xué)者的研究方式是將染色水體注入水槽試驗的壩田中,觀察染色水體的變化,如Uijttewaal等[5]通過丁壩壩田內(nèi)染色水體研究了壩田與主水道的通量交換,認為主通道與壩田的通量交換主要通過剪切層與壩田內(nèi)主回流區(qū)完成, Weitbrecht等[6]通過水槽物理模型試驗研究不同壩長、壩間距的丁壩間的流態(tài)及壩田懸浮物質(zhì)與主流的交換情況,確定了壩田與主流的懸浮物交換系數(shù)范圍為0.014～0.051。壩田水流結(jié)構(gòu)還受外界因素的影響,如船行波[7]、波浪等。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,深入研究長江口北槽現(xiàn)狀條件下,丁壩群壩田水流結(jié)構(gòu)及壩田污染物遷移擴散情況,為長江口北槽深水航道治理提供技術(shù)支持。

1數(shù) 學(xué) 模 型

CJK3D-WEM[8-9]于2014 年取得國家軟件著作權(quán)登記,適用于江河湖泊、河口海岸等涉水工程中的水動力、泥沙、水質(zhì)、溫排、溢油模擬預(yù)測研究。

1.1控制方程

水流、水質(zhì)運動方程可寫為

(1)

式中:H——總水深;z——水位;u、v——流速矢量沿x、y方向的速度分量;t——時間;f——科氏系數(shù);g——重力加速度;Nx、Ny——x、y向水流紊動黏性系數(shù);C——水質(zhì)濃度;Ax、Ay——x、y向水質(zhì)擴散系數(shù);S——水質(zhì)源匯項;k——水質(zhì)衰減系數(shù)。

采用三角形網(wǎng)格對計算區(qū)域進行離散,并將單一的網(wǎng)格單元作為控制單元,水深布置在網(wǎng)格頂點,其他物理變量配置在每個單元的中心,采用有限體積法對式(1)進行離散求解,具體求解過程見文獻[10-12]。

1.2長江口深水航道治理工程

長江口深水航道治理工程(圖1)按照“一次規(guī)劃,分期治理”的原則,分三期實施[13]。一期工程于1998年1月開工,2001年3月竣工,航道水深由7 m增加到8.5 m(理論深度基準面,下同)。二期工程于2002年4月開工,2005年3月底竣工,航道水深由8.5 m增加到10 m。三期工程于2006年9月底開工,2010年3月通過國家驗收,航道全長92.2 km,350～400 m的航道實現(xiàn)了12.5 m水深的全線貫通。目前,長江口深水航道治理工程,共有2條導(dǎo)堤,19座丁壩(圖1中N1～N10，S1～S9),且丁壩均為淹沒丁壩。

1.3數(shù)學(xué)模型范圍

數(shù)學(xué)模型上邊界至大通,外邊界至-50 m等深線,模型東西向總長約700 km。模型北至江蘇鹽城港附近,南至浙江寧波,南北向接近600 km。

模型長江口江陰至口外-20 m等深線范圍內(nèi)地形采用2011年實測地形,江陰以上至大通地形采用2005年實測地形,其余地形采用最新海圖拼接。數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格數(shù)149 901個,網(wǎng)格最小邊長10 m,時間步長5 s,紊動黏性系數(shù)取0.1,動邊界控制水深為0.02 m,上游邊界采用流量控制,外海邊界采用潮位過程控制。

1.4數(shù)學(xué)模型驗證

采用2011年8月14—18日共計5 d的長江口實測同步水文資料對模型進行驗證，潮位驗證結(jié)果見圖2,潮流驗證見圖3。具體潮位站點及水文測驗垂線位置見圖1。從驗證結(jié)果看,各潮位站高低潮位偏差基本在0.10 m之內(nèi),潮流測站流速偏差基本在10%以內(nèi),驗證良好。

圖1　長江口深水航道治理工程Fig. 1　Deep-water channel regulation project in Yangtze Estuary

圖2　牛皮礁站潮位驗證Fig. 2　Tidal level verification at Niupijiao Station

圖3　潮流站 CSW′潮流驗證Fig. 3　Tidal current verification at CSW′ Station

2北槽水動力特征

2.1主槽與丁壩壩田潮位特征

長江口深水航道治理工程三期工程完成后,北槽治導(dǎo)線放寬率由上而下先減小后增大,即自S1丁壩至S4丁壩附近,北槽放寬率為負值。受此影響,潮波自北槽下游向上游傳播過程中,高潮位先增大后減小。壩田高潮位與主槽相比,北槽上段的壩田高潮位高于主槽,北槽下段的壩田與主槽高潮位相近,主要因為北槽下段壩田與主槽高程差小,北槽上段高程差大。低潮位時,自下游至上游,低潮位逐漸升高,主槽與壩田低潮位基本相近,差別相對較小。小潮時,壩田與主槽潮位變化特征與大潮類似。

2.2北槽主槽與丁壩壩田潮流特征

北槽丁壩群壩田水深遠遠小于主槽水深,壩田潮流較主槽具有先漲先落的特點。長江口潮波通過2種方式進入北槽,一種方式為潮波通過北槽下口進入北槽主槽,主槽內(nèi)潮流在整治建筑物的作用下,流向與治導(dǎo)線方向基本一致;另一種方式為潮波越過南導(dǎo)堤進入北槽,潮波越過南導(dǎo)堤后,南壩田漲潮流方向為西北向,漲潮流越過南壩田進入北槽主槽后,潮流方向與治導(dǎo)線方向基本一致。因此,漲潮時,南壩田與主槽潮流方向具有明顯的差別,北壩田漲潮流方向與主槽相對較一致。由于漲潮時水位高,北槽丁壩群大部分時刻均為淹沒丁壩,壩田回流現(xiàn)象相對不明顯。落潮時,北槽主槽潮流方向與治導(dǎo)線方向一致,南、北丁壩群壩田均形成明顯的回流,南壩田擋沙堤內(nèi)潮流微弱。

3北槽壩田污染物擴散特征

在北槽航道北側(cè)N4～N5丁壩之間,航道南側(cè)S5～S6丁壩之間放置濃度為1(相對濃度)的保守污染物。N4～N5丁壩壩田面積約為1.57×107m2,平均水深約為1.85 m(吳淞基面,下同),S5～S6丁壩之間的壩田面積約為1.13×107m2(其中南壩田擋沙堤內(nèi)面積約為0.66×107m2,新壩田面積約為0.47×107m2),平均水深約為1.92 m。

壩田釋放污染物分為落潮初期釋放和漲潮初期釋放2種情況,潮型分大潮和小潮2種。

3.1落潮初期釋放污染物及其擴散特征

圖4為大潮落潮過程中污染物的運移分布。由圖4可知,壩田污染物隨落潮流向北槽口外輸移,北側(cè)N4～N5丁壩壩田之間的污染物基本分布在航道北側(cè),南側(cè)S5～S6丁壩壩田之間的污染物基本分布在航道南側(cè)。

圖4　大潮落潮時壩田污染物分布Fig. 4　Pollutant distribution in spur dike field during ebb of spring tides

圖5為大潮落潮初期釋放污染物時,北壩田和南壩田污染物變化情況,采樣點位置如圖1所示。南壩田與北壩田污染物隨落潮流向下游運動,對于北壩田,污染物擴散速度自壩田上游至下游逐漸減慢,壩田東北角CN2#點,污染物擴散速度最慢。落憩時,CN1#及壩田中部污染物濃度值接近0,CN2#濃度約為0.33。漲潮后,壩田污染物濃度逐漸升高,北壩田濃度最高約為0.59。壩田污染物濃度隨落潮流和漲潮流更替變化,且濃度值呈降低趨勢,2 d后,污染物基本消失。對于南壩田,由于南壩田擋沙堤的作用,擋沙堤內(nèi)部CS2#污染物濃度擴散快,約0.5 d后,擋沙堤內(nèi)污染物基本消失,壩田內(nèi)CS1#污染物濃度衰減速度稍慢,與北壩田類似,壩田內(nèi)污染物濃度隨漲落潮流更替變化,約1.5 d后,壩田內(nèi)污染物基本消失。

圖5　大潮落潮初期壩田污染物擴散Fig. 5　Pollutant diffusion in spur dike field in initial stage of ebb of spring tides

小潮時水動力弱,壩田污染物擴散速度慢。對于北壩田,靠近北導(dǎo)堤CN2#、CN3#壩田污染物擴散速度較慢,壩田中部CN4#污染物擴散速度最快。對于南壩田,壩田內(nèi)CS1#點污染物擴散速度明顯快于擋沙堤內(nèi)CS2#點,與大潮有所差異。南北壩田約2.5 d后,壩田內(nèi)污染物濃度小于0.05。

3.2漲潮初期釋放污染物及其擴散特征

圖6為大潮漲潮過程中污染物的運移分布。由圖6可知,壩田污染物隨漲潮流向北槽上游輸移,北側(cè)N4～N5丁壩壩田之間的污染物基本分布在航道北側(cè),南側(cè)S5～S6丁壩壩田之間的污染物基本分布在航道南側(cè)。

圖7為大潮漲潮初期壩田釋放污染物時,污染物濃度變化情況。對于北壩田,污染物擴散速度自壩田下游至上游、外部至內(nèi)部逐漸減慢,壩田東北角CN2#點及壩田中心CN4#點,污染物擴散速度較快,西北角CN1#點污染物擴散最慢。漲憩時,CN2#及壩田中部CN4#污染物濃度值接近0,CN1#、CN3#污染物濃度仍較高,接近1.0,漲轉(zhuǎn)落后,CN2#與CN4#污染物濃度迅速回升,之后壩田污染物濃度隨落潮流下降較快,壩田污染物濃度隨落潮流和漲潮流更替變化,且濃度值呈逐漸降低趨勢,2 d后,污染物基本消失。對于南壩田,由于大潮水動力強,且壩田漲潮流流向為西北向,因此,南壩田污染物濃度隨漲潮流迅速降低,漲憩時,壩田污染物濃度基本接近0,污染物進入北槽主槽后,只有少量污染物隨落潮流再進入南壩田。

小潮時,對于北壩田中部CN4#點,污染物擴散較快,與大潮類似, CN2#與CN3#壩田污染物擴散較慢。壩田中部CN4#點,約1.5 d后,污染物濃度基本小于0.1,壩田內(nèi)部CN1#、CN3#在3 d后,污染物濃度小于0.1。對于南壩田內(nèi)CS1#點污染物擴散速率明顯快于擋沙堤內(nèi)CS2#點,南壩田約2.5 d后,壩田內(nèi)污染物濃度本小于0.1。

圖6　漲潮壩田污染物分布Fig. 6　Pollutant distribution in spur dike field during flood tides

圖7　大潮漲潮初期壩田污染物擴散Fig. 7　Pollutant diffusion in spur dike field in initial stage of flood of spring tides

總體來說,壩田污染物落潮時釋放擴散速度較快,南側(cè)壩田污染物擴散速度比北壩田快,大潮壩田污染物擴散速度比小潮快。壩田外部污染物擴散速度比壩田內(nèi)部快。

3.3航道污染物濃度特征

落潮時,污染物隨落潮流向北槽口外運動;漲潮時,污染物隨漲潮流向上游運動。北槽落轉(zhuǎn)漲、漲轉(zhuǎn)落轉(zhuǎn)流時刻,平面水流結(jié)構(gòu)相對雜亂,部分污染物進入航道。大潮落潮初期壩田釋放污染物時,22 h后,航道局部出現(xiàn)瞬時濃度值約0.2的污染物水體,但出現(xiàn)時間較短,小于1 h,主要來自北壩田污染源,其余時段航道內(nèi)污染物濃度較低,大部分時刻小于0.02。大潮漲潮初期,壩田釋放污染源時,污染物基本不進入航道。

小潮時,落潮初期壩田釋放污染源,污染物基本不進入航道,漲潮初期壩田釋放污染源,航道內(nèi)污染物濃度相對較高,但基本小于0.05。

總體來說,由于北槽主槽水流以往復(fù)流為主,壩田釋放污染源后,污染物隨漲落潮流在壩田與主槽內(nèi)運動,污染物進入航道的量較少。

4結(jié)論

a. 基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格FVM法,建立了長江口大范圍二維潮流水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型,數(shù)學(xué)模型驗證良好,說明模型具有模擬長江口水流運動的能力。

b. 北槽中上段北壩田高潮位明顯高于主槽,北槽下段,高潮位與主槽相近;南壩田高潮位大都高于主槽,南北壩田低潮位與主槽相近。

c. 污染物落潮時釋放擴散速度較快,南側(cè)壩田污染物擴散速度比北壩田快,大潮壩田污染物擴散速度比小潮快,壩田外部污染物擴散速度比壩田內(nèi)部快。

d. 壩田釋放污染源后,污染物隨漲落潮流在壩田與主槽內(nèi)運動,污染物進入航道的量相對較少。

參考文獻：

[1] 于守兵. 淹沒丁壩對水流結(jié)構(gòu)的調(diào)整作用研究[D]. 南京:南京水利科學(xué)研究院,2010.

[2] 陳國祥, 張錦琦, 陳耀庭. 淹沒丁壩雍水規(guī)律試驗研究[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 1991, 19(5): 88-93.(CHEN Guoxiang, ZHANG Jinqi, CHEN Yaoting. Experimental study on superelevation for submerged spur dikes[J]. Journal of Hohai University(Natural Sciences), 1991,19 (5): 88-93.(in Chinese))

[3] 應(yīng)強, 孔祥柏. 淹沒丁壩群雍水試驗研究[J]. 水利水運科學(xué)研究, 1995, 3(1): 13-21.(YING Qiang, KONG Xiangbai. Experimental study on superelevation for submerged spur dikes [J]. Hydro Science and Engineering, 1995, 3(1): 13-21.(in Chinese))

[4] MOHAMED Y, HUI B de V. Sediment exchange between a river and its groyne fields: mobile-bed experiment[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2010, 136(9):610-625.

[5] UIJTTEWAAL W S J, LEHMANN D, VAN M A. Exchange processes between a river and its groyne fields: model experiments[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2001, 127(11): 928-936.

[6] WEITBRECHT V, SOCOLOFSKY S A. Experiments on mass exchange between groin fields and main stream in rivers[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2008, 134(2):173-183.

[7] ALEXANDER S, CHRISTOF E. Case study: turbulent flow and sediment distributions in a groyne field [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2004,130(1):1-9.

[8] 羅小峰, 王登婷. 河口海岸數(shù)值模擬可視化編程[M]. 北京: 海洋出版社, 2012.

[9] 湯任, 宋雙, 葛天明, 等. 長江口局部河段三維潮流數(shù)值模擬研究[J]. 人民長江, 2015, 46(7): 80-83.(TANG Ren, SONG Shuang, GE Tianming, et al. 3D numerical simulation for tidal flow in local sections of Yangtze estuary[J]. Yangtze River, 2015, 46(7):80-83. (in Chinese))

[10] 路川藤, 羅小峰. 基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的高分辨率隱式算法研究及應(yīng)用[J]. 海洋通報, 2015, 34(1): 59-64.(LU Chuanteng, LUO Xiaofeng. Study of the unstructured grid implicit algorithm and its applictation[J]. Marine Science Bulletin, 2015, 34(1): 59-64. (in Chinese))

[11] 路川藤. 長江口潮波傳播模擬研究及主要影響因素分析[D]. 南京: 南京水利科學(xué)研究院,2013.

[12] 何杰. 半封閉港池水交換的數(shù)值模擬及其應(yīng)用[D]. 南京:南京水利科學(xué)研究院,2009.

[13] 陳志昌, 羅小峰. 長江口深水航道治理工程物理模型試驗研究成果綜述[J]. 水運工程, 2006(12): 134-140.(CHEN Zhichang, LUO Xiaofeng. Physical model research result of Yangtze estuary deepwater channel regulation project[J]. Port & Waterway Engineering, 2006(12): 134-140. (in Chinese))

Tidal current and pollutant diffusion characteristics in spur dike field of North Passage in Yangtze Estuary

LU Chuanteng1, HUANG Huacong2, QIAN Mingxia1

(1.StateKeyLabofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China;2.ShanghaiEstuarineandCoastalScienceResearchCenter,Shanghai201201,China)

Abstract:In order to study the flow structure in a spur dike field of the North Passage in the Yangtze Estuary, a two-dimensional large-scale coupling model for tidal current and water quality was established using the finite volume method (FVM) and unstructured grids. Based on model verification, the flow structure and pollutant diffusion in the spur dike field of the North Passage during flood tides and ebb tides were studied. The following conclusions are drawn: the high tide level in the north spur dike field in the middle-upper reach of the North Passage is significantly higher than that in the main channel, while the high tide level in the lower reach of the North Passage is close to that in the main channel; the high tide level in the south spur dike field is mostly higher than that in the main channel, and the low tide levels in the north and south spur dike fields are close to that in the main channel; the rate of pollutant diffusion in the south spur dike field is higher than that in the north spur dike field, with a relatively high rate of diffusion during ebb tides; the rate of pollutant diffusion in the spur dike field is higher during spring tides than during neap tides, with a relatively high rate of pollutant diffusion outside the spur dike field in contrast to that inside the spur dike field; after release of pollutants in the spur dike field, the pollutants are transported within the spur dike field and the main channel following flood tides and ebb tides, and lesser amounts enter into the waterway in a short period.

Key words:Yangtze Estuary; North Passage; CJK3D-WEM; spur dike field; FVM; pollutant; diffusion

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.03.013

收稿日期：2015-06-02

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金(51509161)；水利部公益性行業(yè)科研專項(201201070)

作者簡介：路川藤(1983—)，男，山東煙臺人，工程師，博士，主要從事河口動力學(xué)研究。E-mail：lct000abc@163.com

中圖分類號：TV131

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1980(2016)03-0265-07