基于水幕方法的珠江河口抑咸對策

王 青，呂紫君，孫 杰，吳 彥，韓 笑，孔 俊

(1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210006)

咸潮是河口地區(qū)特有的自然現(xiàn)象，多發(fā)于枯水干旱時期，是河口研究中的關(guān)鍵問題[1-4]。21世紀(jì)以來，由于上游徑流量變化、航道疏浚和口外挖沙的影響，珠江口磨刀門咸潮上溯日趨嚴(yán)重，造成嚴(yán)重的生態(tài)危害，直接影響生活用水、工業(yè)用水以及農(nóng)作物灌溉。進(jìn)行抑咸對策研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 研究區(qū)域地理位置和研究點(diǎn)布置

在非工程措施上，由于對珠江口磨刀門咸潮上溯認(rèn)識存在分歧，眾多學(xué)者在河口壓咸時機(jī)的選擇上各執(zhí)一詞。聞平等[5]認(rèn)為最佳壓咸補(bǔ)淡的時機(jī)為大潮轉(zhuǎn)小潮期；尹小玲等[6]分析實(shí)測資料發(fā)現(xiàn)壓咸應(yīng)在鹽水回落期；陳榮力等[7]認(rèn)為大潮期是加大流量進(jìn)行壓咸的妥當(dāng)時機(jī)；李春初[8]認(rèn)為大潮向中潮的變化時期的壓咸效果最佳。但是抑咸能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)還依賴于上游的徑流水量人工調(diào)蓄，受制于整個流域的水資源調(diào)配問題，操作難度較大。在工程措施上，許多國家采用在河口修建截流墻或人工潛壩等工程措施來阻擋咸潮的上溯。Luyun等[9]通過SEAWAT模型預(yù)測截流墻安裝后的鹽水楔入侵現(xiàn)象，試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果表明較短的截流墻能更快去除殘留鹽水。Botero-Acosta等[10]通過注入淡水和提高含水層的水壓頭，建立液壓屏障以減少咸潮上溯。Basdurak等[11]以注水井、抽水井、注水井和抽水井相結(jié)合以及地下屏障為防治手段，采用SWI(sea water intrusion)技術(shù)模擬理想化的矩形沿海含水層的地下水流動，以控制咸潮上溯。Abd-Elhamid[12]基于SEAWAT模型對尼羅河三角洲進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)減少抽水，增加流量補(bǔ)給，抽取咸水以及這3種的組合能夠有效抑制咸潮，使得海岸線附近含水層咸潮上溯減少，保護(hù)土壤免受鹽漬化。Abdoulhalik等[13]通過物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模型研究，分析3種不同結(jié)構(gòu)的截流墻對鹽水楔的破壞作用。Abdoulhalik等[14]通過對傳統(tǒng)的地下物理屏障進(jìn)行改進(jìn)，提出一種控制咸潮上溯的新型屏障系統(tǒng)，該系統(tǒng)將不透水防滲墻和半滲透性地下水壩進(jìn)行結(jié)合，該系統(tǒng)相較不透水防滲墻和半滲透性地下水壩，分別使咸潮上溯距離減小62%和42%。程香菊等[15]基于FVCOM模型，發(fā)現(xiàn)人工潛壩能夠使得0.5%鹽度等值線向外海退縮；羅丹等[16]通過物理模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)潛壩一方面能部分阻擋從底部上溯的鹽水楔，另一方面能增強(qiáng)鹽淡水摻混程度。但從河道防洪和通航的角度來看，構(gòu)建水下障礙物并不可行，也易改變河道的長期演變趨勢。

基于底層擾動鹽水楔具有抑咸的作用，本文提出水幕方式,以珠江口磨刀門為研究對象，采用MIKE3軟件,論證水幕方法進(jìn)行鹽水楔擾動研究咸潮變化的可行性，針對磨刀門河口小潮后期咸潮上溯最為嚴(yán)重的特征，小潮期在河道上游深槽設(shè)置水平噴水干擾鹽水楔，減弱底層鹽水濃度，使水體在河道縱向充分混合，比選不同噴水位置和流量的咸潮上溯特征，為確定磨刀門水道的最佳壓咸措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

選取珠江口磨刀門為研究區(qū)域，地理位置如圖1所示，其中三灶為潮位測站，潮位數(shù)據(jù)為2009年1月2—31日的每小時實(shí)測數(shù)據(jù)。

2 鹽水楔擾動模型

本文采用水幕方法進(jìn)行鹽水楔擾動，具體通過在河口可回收浮體上安裝抽壓水裝置，抽取河道表層淡水，將其壓入底層鹽水楔中，加強(qiáng)底層鹽淡水的混合，降低底層鹽水濃度，達(dá)到減輕咸潮上溯強(qiáng)度的目的。本文的擾動裝置系統(tǒng)造價低、能耗小、操作簡便，可在枯季使用、洪季回收，使用方便。

2.1 控制方程

鹽水楔擾動研究的控制方程是基于三維不可壓的雷諾平均Navier-Stokes方程，遵循Boussinesq假定和靜壓假定，連續(xù)方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

其中

式中：t為時間；x、y、z為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；η為水面波動；d為靜水水深；h為總水深(h=η+d)；u、v、w分別為x、y、z方向的速度分量；f為科氏力參數(shù)(f=2Ωsinφ，Ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度)；g為重力加速度；ρ為水的密度；sxx、sxy、syx、syy為波浪輻射應(yīng)力；vv為垂向紊流系數(shù)；pa為大氣壓；ρ0為水的相對密度；Fu、Fv分別為x、y方向的應(yīng)力項(xiàng)；A為黏性系數(shù)。

鹽度擴(kuò)散方程：

(3)

其中

式中：Fs為鹽度水平擴(kuò)散項(xiàng)；Dv為垂向擴(kuò)散系數(shù)；Dh為水平擴(kuò)散系數(shù)；s為鹽度。

本文垂向紊流模型選擇的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，水平向紊流模型選擇的是Smagorinsky模型。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，垂向紊流系數(shù)的表達(dá)式為

(4)

式中：cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；k為單元體的紊動動能；ε為單元體的紊動動能的耗散。

Smagorinsky模型中，黏性系數(shù)的表達(dá)式為

(5)

其中

式中：cs為常數(shù)；l為特性長度；Sij為應(yīng)變率。

磨刀門鹽水楔擾動計算區(qū)域見圖1，上游河道邊界給出流量過程，外海邊界給出潮位過程，其中M1～M8為研究點(diǎn)。計算時間為2009年1月2日24：00至31日14：00，時間步長為900 s。

2.2 擾動時間選擇

包蕓等[17-18]通過對磨刀門水道鹽度和流速的垂向精細(xì)觀測，發(fā)現(xiàn)小潮期漲潮時間明顯長于落潮時間，在漲潮流的驅(qū)動下，咸潮強(qiáng)烈上溯，使得小潮后期咸潮上溯最嚴(yán)重。Wang等[19]研究磨刀門水道發(fā)現(xiàn)咸潮上溯在小潮增強(qiáng)，在大潮減弱，咸界入侵最遠(yuǎn)出現(xiàn)在小潮之后的中潮?；谏鲜鲅芯?，筆者在小潮期間(2009年1月17日24：00至1月21日24：00)全天進(jìn)行鹽水楔擾動，通過在河道上游深槽設(shè)置水平噴水來研究鹽水楔擾動對咸潮上溯的影響。三灶潮位過程和擾動時間見圖2。

其實(shí)，也有人用紙筆測試的方式來評價學(xué)生的口語交際能力?？墒沁@樣的評價結(jié)果，我們只能看出學(xué)生口語交際能力的某些側(cè)面，所以我們不提倡用這樣的方式來考查學(xué)生。

圖2 三灶潮位過程及擾動時間

2.3 擾動工況布置

為了研究鹽水楔擾動下噴水位置和流量對咸潮上溯的影響，小潮期間在M3、M4和M5點(diǎn)所在橫斷面深槽布置擾動裝置。

擾動裝置的橫斷面布置見圖3，總平面布置見圖4。

圖3 擾動裝置沿河道橫斷面布置示意圖

圖4 擾動裝置總平面布置

擾動裝置具體操作方式如下：

a. 前期安裝。參照圖3，將由河口可回收浮體支承的耐腐平板安置在河道靠岸處，平板上安置抽壓水裝置。進(jìn)水口的位置選取在表層河水濃度較低處，可較為向上游處布置進(jìn)水口和進(jìn)水管道。出水管道沿河岸下放，靠近河底處變向，垂直河道布置于河底，每100 m布置一個噴水口，共布置6個噴水口，噴口直徑設(shè)計為1 m，使管道上的出水噴頭橫向放置。

b. 操作步驟。安裝好擾動裝置后，通過河口可回收浮體3上的抽壓水裝置4，小潮期間(2009年1月17日0：00至21日0：00)全天從本地抽取河道表層淡水，將其壓入底層鹽水楔中，加強(qiáng)底層鹽淡水的混合，降低底層鹽水濃度。具體擾動工況布置見表1。

表1 擾動工況

3 結(jié)果分析

3.1 鹽水楔擾動對咸潮上溯距離的影響

考慮飲用水的鹽度標(biāo)準(zhǔn)為不大于0.5‰，本文咸潮上溯距離定義為以口門附近M2點(diǎn)為起始點(diǎn)，向上游沿河道縱剖面到底部鹽度為0.5‰處的距離。

首先考慮不噴水工況，無噴水時，咸潮上溯最大瞬時距離為34.88 km，出現(xiàn)在小潮之后的中潮(1月21日21點(diǎn))，即咸潮上溯最嚴(yán)重的時期，以此作為基本工況判斷抑咸效果。其他工況咸潮上溯最大瞬時距離見表2。

通過對工況1～5的分析，這5種工況的咸潮上溯最大瞬時距離均出現(xiàn)在1月21日21：00，即小潮后的中潮，這時正是咸潮上溯最嚴(yán)重的時期。由表2可知，5種工況的咸潮上溯最大瞬時距離均比不噴水工況有所減小，說明在M3點(diǎn)設(shè)置噴水能夠有效減弱小潮后中潮期的咸潮上溯，其中工況4的咸潮

表2 不同擾動工況的咸潮上溯最大瞬時距離

上溯最大瞬時距離最小，為30.60 km，相較不噴水工況，減小4.28 km，說明在M3點(diǎn)設(shè)置噴水，工況4減弱咸潮上溯的效果最好。

3.1.2 M4點(diǎn)擾動

由工況6～10的可知，這5種工況的咸潮上溯最大瞬時距離均出現(xiàn)在1月21日21：00，即小潮后的中潮，正是咸潮上溯最嚴(yán)重的時期。由表2可知，5種工況的咸潮上溯最大瞬時距離均比不噴水工況有所減小，說明在M4點(diǎn)設(shè)置噴水能夠有效減弱小潮后中潮期的咸潮上溯，其中工況7的咸潮上溯最大瞬時距離最小，為33.18 km，相較不噴水工況，減小1.70 km，說明在M4點(diǎn)設(shè)置噴水，工況7減弱咸潮上溯的效果最好。

對比在M3點(diǎn)和M4點(diǎn)噴水，發(fā)現(xiàn)相同的噴水流量下，M3點(diǎn)減小的咸潮上溯最大瞬時距離高于M4點(diǎn)，可知在M3點(diǎn)設(shè)置噴水的抑咸效果優(yōu)于在M4點(diǎn)。

3.1.3 M5點(diǎn)擾動

通過對工況11～15的分析，發(fā)現(xiàn)這5種工況的咸潮上溯最大瞬時距離均出現(xiàn)在1月21日21：00，即小潮后的中潮，正是咸潮上溯最嚴(yán)重的時期。由表2可知，5種工況的咸潮上溯最大瞬時距離均比不噴水工況有所減小，說明在M5點(diǎn)設(shè)置噴水能夠有效減弱小潮后中潮期的咸潮上溯，其中工況13對應(yīng)的咸潮上溯最大瞬時距離最小，為31.09 km，相較不噴水工況減小3.79 km，說明在M5點(diǎn)設(shè)置噴水，工況13減弱咸潮上溯的效果最好。

3.1.4 綜合分析

所有工況的咸潮上溯最大瞬時距離均出現(xiàn)在1月21日21：00，即小潮后的中潮，正是咸潮上溯最嚴(yán)重的時期。在小潮期設(shè)置噴水后，各工況的咸潮上溯最大瞬時距離均有所減小，其中小潮后的中潮期咸潮上溯強(qiáng)度減弱明顯。

綜合上述15種工況來看，噴水位置及流量選擇對咸潮上溯距離的影響較大。相同噴水流量條件下，在底部高鹽水團(tuán)附近(M3點(diǎn)所在斷面)噴水的抑咸效果優(yōu)于其他斷面(M4、M5點(diǎn)所在斷面)。抑咸措施下，斷面噴水流量存在最優(yōu)值，當(dāng)小于該值時，咸潮上溯距離隨著流量的減小逐漸增大，這主要是因?yàn)榱髁枯^小時對鹽水楔起不到頂沖作用，不足以破壞鹽水楔，但是隨著流量的增大，對鹽水楔的破壞作用也隨之增大，使得咸潮上溯距離越來越?。划?dāng)大于該值時，咸潮上溯距離隨著流量的增大而逐漸增大，這主要是因?yàn)榱髁枯^大時，直接破壞了鹽水楔，鹽水從原來的層化狀態(tài)加速變成了摻混狀態(tài)，相較不噴水的情況，鹽水楔破壞導(dǎo)致的高濃鹽度現(xiàn)象提前出現(xiàn)，使得咸潮上溯距離越來越大。其中M3斷面噴水流量最優(yōu)值為30 m3/s，M4斷面噴水臨界流量最優(yōu)值為20 m3/s，M5斷面噴水臨界流量最優(yōu)值為25 m3/s。在M3點(diǎn)所在斷面進(jìn)行鹽水楔擾動，減弱咸潮上溯的效果最好，這主要是由于小潮期間磨刀門水道鹽水楔位于M3點(diǎn)所在斷面附近，當(dāng)在該斷面水平噴水時，鹽水楔結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞，底層高鹽水無法持續(xù)蓄積，使得咸潮上溯強(qiáng)度減弱最為明顯。

3.2 鹽水楔擾動對縱向鹽度分布的影響

研究時間為2009年1月16—31日，縱斷面位置見圖1的A—A斷面，各個時刻與潮汐的對應(yīng)關(guān)系見圖2中的1～3，分別為小潮漲停時刻、咸潮上溯最嚴(yán)重時刻和大潮漲停時刻。由于不噴水工況咸潮上溯最嚴(yán)重的時刻出現(xiàn)在小潮之后的中潮(1月21日21：00)，所以中潮時期用咸潮上溯最嚴(yán)重時刻代替中潮漲停時刻進(jìn)行分析，從而更顯著地展示減弱咸潮的效果。因在M3點(diǎn)所在斷面噴水對減弱咸潮上溯的效果最好，因此，對設(shè)置M3噴水情況下的小潮漲停時刻、咸潮上溯最嚴(yán)重時刻和大潮漲停時刻的縱斷面鹽度進(jìn)行分析。

圖5是設(shè)置M3噴水情況下的咸潮上溯最嚴(yán)重時刻的縱斷面鹽度分布圖。相較不噴水工況，咸潮上溯最嚴(yán)重時刻的咸潮上溯強(qiáng)度明顯減弱，0.5‰、1‰和5‰低鹽度等值線向外海退縮程度顯著，其中0.5‰鹽度等值線作為最關(guān)心的取水依據(jù)，在噴水流量為30 m3/s時，它的上溯最遠(yuǎn)點(diǎn)由M8點(diǎn)附近向海退縮約4.2 km，而10‰、15‰和20‰這些高鹽度等值線退縮程度較小。綜合所有的鹽度等值線變化情況發(fā)現(xiàn)，鹽水楔擾動對低鹽度區(qū)域的影響比較大，使得低鹽度等值線顯著向外海退縮。對比由圖5可知，設(shè)置噴水流量30 m3/s時的減弱咸潮上溯的效果最好，與第3.1.4節(jié)的結(jié)論相同。

(a) Q=0 m3/s

(b) Q=20 m3/s

(c) Q=30 m3/s

(d) Q=40 m3/s

相較不噴水工況，小潮漲停時刻的咸潮上溯強(qiáng)度明顯減弱，低鹽度等值線向外海退縮程度顯著，高鹽度等值線退縮程度較小；大潮漲停時刻的咸潮上溯強(qiáng)度減弱不明顯，各個鹽度等值線向外海退縮程度都較小。

3.3 鹽水楔擾動對垂向鹽度分布的影響

圖6為不噴水工況和工況4的表層和底層鹽度時間過程對比圖。在M3點(diǎn)進(jìn)行鹽水楔擾動后(Q=30 m3/s)，平崗和聯(lián)石灣的表層和底層鹽度都明顯減小，其中底層鹽度減小的更加明顯，主要原因是直接作用于底部鹽水楔，對其進(jìn)行擾動，加強(qiáng)底層鹽淡水混合，降低底層鹽水濃度，使得底層鹽度減小明顯。

(a) 平崗表層鹽度

(b) 平崗底層鹽度

(c) 聯(lián)石灣表層鹽度

(d) 聯(lián)石灣底層鹽度

研究表明，進(jìn)行鹽水楔擾動能有效減弱表層和底層鹽度，為河口地區(qū)取水難題的解決提供了一種新方法，但是也存在一些缺陷。一方面，本研究未考慮風(fēng)的影響，而河口取水多取表層水，風(fēng)對表層鹽度的影響比較大且不可忽略，因此本研究進(jìn)行的鹽水楔擾動對抑咸和對供水的作用存在一定局限性；另一方面，本研究選擇小潮期間全天進(jìn)行鹽水楔擾動，未考慮長時間連續(xù)擾動產(chǎn)生的航運(yùn)、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)成本等方面的問題。

4 結(jié) 論

a. 本研究所有工況的咸潮上溯最大瞬時距離均出現(xiàn)在1月21日21：00，即小潮后的中潮，正是咸潮上溯最嚴(yán)重的時期。在小潮期進(jìn)行鹽水楔擾動后，各工況的咸潮上溯最大瞬時距離均有所減小。

b. 相同噴水流量條件下，在底部高鹽水團(tuán)附近(M3點(diǎn)所在斷面)噴水的抑咸效果優(yōu)于其他斷面。

c. 抑咸措施下，噴水流量存在最優(yōu)值，當(dāng)小于該值時，咸潮上溯距離隨著流量的減小逐漸增大；當(dāng)大于該值時，咸潮上溯距離隨著流量的增大逐漸增大。

d. 在M3點(diǎn)進(jìn)行鹽水楔擾動后，以小潮期和中潮期抑制咸水上溯的作用最優(yōu)，表現(xiàn)為低鹽度和高鹽度等值線都呈現(xiàn)向海后退的趨勢，低鹽區(qū)的后退趨勢更為明顯。

e. 鹽水楔擾動后，河道內(nèi)平崗和聯(lián)石灣的表層鹽度和底層鹽度明顯減小。