水沙數(shù)學(xué)模型技術(shù)在長江河口整治中的應(yīng)用

徐學(xué)軍 唐建華 王玉臻 趙升偉

摘要：為給河口整治提供參考和借鑒，基于DELFT3D模型系統(tǒng)建立了長江河口水沙數(shù)學(xué)模型，并利用實測水文、泥沙數(shù)據(jù)進行了率定、驗證。大量實測資料驗證結(jié)果表明，該模型的潮位、潮流和含沙量模擬平均精度分別可達91%，86%和72%，模型具有較好的模擬精度。該模型在長江河口治理規(guī)劃研究、整治工程方案設(shè)計、施工設(shè)計、航道治理等方面應(yīng)用效果良好，可為相關(guān)整治工程的決策和設(shè)計提供一定的技術(shù)支撐，值得進一步推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：潮流數(shù)學(xué)模型; 泥沙數(shù)學(xué)模型; 整治工程; 長江河口

中圖法分類號： TV148.1文獻標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.008

長三角地區(qū)是目前中國經(jīng)濟發(fā)展速度最快、經(jīng)濟總量規(guī)模最大、最具發(fā)展?jié)摿Φ膮^(qū)域，長江河口水土資源的開發(fā)利用對該區(qū)域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展舉足輕重。目前，包括長江口河勢控制、航道治理等在內(nèi)的一系列整治工程正在如火如荼的進行中。水沙數(shù)學(xué)模型作為重要的技術(shù)手段，在長江河口大量整治工程的規(guī)劃、設(shè)計、研究工作中發(fā)揮了重要作用，為相關(guān)整治工程的決策和設(shè)計提供了重要的技術(shù)支撐[1-4]。

筆者長期從事長江河口治理的相關(guān)工作，建立和完善了一套長江河口潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)，該系統(tǒng)在長江河口治理規(guī)劃研究、整治工程方案設(shè)計、施工設(shè)計、航道治理等方面發(fā)揮了一定的作用。本文對該水沙數(shù)學(xué)模型及其在長江河口整治中的應(yīng)用進行了闡述，旨在進一步推廣該模型技術(shù)，為類似的研究和河口整治提供參考和借鑒。

1長江河口水沙數(shù)學(xué)模型介紹

1.1水沙數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的選用

本研究所采用的水沙數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)為荷蘭代爾夫特水工研究所的DELFT3D。該模型是世界上最先進的模型系統(tǒng)之一，包含水動力、波浪、泥沙、水質(zhì)、地形演變和生態(tài)等多個模塊，各模塊之間完全在線動態(tài)耦合，可用于河流、河口、海岸、湖庫等水體的模擬[5]。

DELFT3D模型系統(tǒng)在國際上的應(yīng)用十分廣泛，應(yīng)用范圍包括荷蘭、俄羅斯、德國、澳大利亞、美國、西班牙、英國、新加坡等。20世紀(jì)70年代中國香港地區(qū)開始使用，80年代開始在中國大陸有越來越多的應(yīng)用，用于長江口、杭州灣、渤海灣、滇池等地區(qū)的研究[6-7]。

關(guān)于該模型的公式、求解方法等理論基礎(chǔ)詳見參考文獻[5]，本文不再贅述。

1.2長江河口水沙數(shù)學(xué)模型的建立

長江河口水沙（本文為潮流和泥沙）數(shù)學(xué)模型計算范圍為整個長江口、杭州灣及近海水域，北至北緯32°17′呂泗，東至東經(jīng)123°45′一線，南至北緯29°11′象山一帶，西邊界長江至大通、錢塘江至海寧。模擬范圍東西向長約500 km，南北向?qū)捈s350 km（見圖1）。采用DELFT3D模型系統(tǒng)自帶的網(wǎng)格生成工具生成曲線正交網(wǎng)格，生成過程中兼顧網(wǎng)格的正交性、與岸線和河道走向的一致性以及與水下地形的協(xié)調(diào)性，并保持合適的分辨率，口內(nèi)為100～500 m，局部加密至50 m左右，外海網(wǎng)格間距最大為7 km左右;網(wǎng)格總數(shù)為698×578（見圖1）。

模型采用計算對應(yīng)時段最新的水下地形。其中，外海采用對應(yīng)時段的最新海圖，河口水域結(jié)合近年測量資料綜合取得，最終地形統(tǒng)一歸化至85高程后插值至各網(wǎng)格點。

水動力模型北、東、南部開邊界為外海潮位邊界，采用經(jīng)長期實測資料分析得到的11個分潮（4個日分潮：Q1、O1、P1、K1;4個半日分潮：M2、S2、K2、N2;3個淺水分潮：M4、MS4、M6）的調(diào)和常數(shù)預(yù)報的潮位。長江大通和錢塘江入海流量邊界按實際的流量過程給定。對于泥沙模型，長江大通、錢塘江邊界由實測含沙量過程控制;口外北、東、南部開邊界結(jié)合歷史實測資料采用概化的含沙量控制。

模型計算的初始水位、流速均取為0，初始含沙量由實測資料插值并結(jié)合衛(wèi)星遙感圖片解譯取得。計算時間步長為30 s;糙率在深槽取值為0.010～0.016，淺灘取值為0.016～0.025;紊動黏滯系數(shù)為30 m?2/s;臨界沖刷切應(yīng)力為0.15～0.30 Pa，臨界淤積切應(yīng)力為0.05～0.10 Pa，沖刷常數(shù)為10-4～10-5 kg/（m?2·s），沉速為0.4～0.6 mm/s。

1.3水沙數(shù)學(xué)模型率定驗證

為保證所建立的長江河口水沙數(shù)學(xué)模型的計算精度，采用長江口大量的實測水文、泥沙資料對模型進行了率定、驗證。結(jié)果表明：無論是潮位、潮流、含沙量還是河床的沖淤，模型的計算值與實測值均吻合良好，模型模擬的重現(xiàn)度高。

為節(jié)省篇幅，本文僅給出部分水域潮位、潮流和含沙量的驗證效果圖，見圖2～4。

1.4水沙數(shù)學(xué)模型模擬精度

為進一步說明水沙數(shù)學(xué)模型模擬的可靠性，本文按下式（1），根據(jù)模型計算值與實測值的對比，定量統(tǒng)計了潮位、潮流、含沙量的模擬精度。結(jié)果表明：長江河口水沙數(shù)學(xué)模型模擬潮位、潮流和含沙量的平均精度分別為91%，86%和72%（見表1）。

精度（%）=1-1樣本數(shù)∑樣本數(shù)i=1×|計算值i-實測值i|實測值i×100%（1）

2在河口整治中的應(yīng)用

2.1在河口整治規(guī)劃階段的應(yīng)用

長江河口南槽、南匯邊灘為長江口與杭州灣的交匯地帶，對該水域的整治既涉及到長江河口水土、航道資源的開發(fā)利用，也可能影響到長江口與杭州灣的水體交換，進而對杭州灣產(chǎn)生一定的影響。為此，利用建立的長江河口三維潮流數(shù)學(xué)模型，對長江口、杭州灣的水體交換規(guī)律進行了研究探討，以期為長江河口南槽、南匯邊灘的整治規(guī)劃提供參考和依據(jù)。

杭州灣灣口水域水動力結(jié)構(gòu)和代表斷面余流的模擬計算及分析研究表明：長江口和杭州灣的水體交換主要在杭州灣北岸的近岸水域。由長江口向杭州灣擴散的水體主要在長江口與杭州灣交匯的匯角——蘆潮港沿岸岸線以外4～5 km的-6～-8 m等高線以內(nèi)范圍，這股由長江口下泄、擴散的水團隨漲潮流沿杭州灣北岸進入杭州灣，對長江口和杭州灣的物質(zhì)交換具有重要作用。由北岸進入杭州灣的長江口水體在灣內(nèi)漲、落潮流及錢塘江徑流的綜合作用下，最終在灣口中南部向外海輸運、擴散（見圖5）。此成果與陳吉余等[8]的研究結(jié)論基本一致。

2.2在河勢控制工程設(shè)計中的應(yīng)用

長江河口某河段擬在現(xiàn)狀已完成的圈圍工程基礎(chǔ)上再實施促淤工程，以進一步縮窄該河段的河寬，達到保護岸灘、穩(wěn)定整體河勢的目的。為了給該工程的方案設(shè)計提供依據(jù)，利用建立的長江河口三維潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型，對促淤工程的平面布置方案、促淤壩頂高程進行了多方案的比選和優(yōu)化，最終推薦給出了如圖6中虛線所示的促淤工程平面布置方案。該方案中，促淤工程總體上沿該水域的現(xiàn)狀-3 m等高線布置，中部由一道“T”形促淤壩將促淤區(qū)分隔為兩塊，兩促淤區(qū)均預(yù)留3 km寬口門;促淤壩頂高程均為0 m。

潮流數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果表明，推薦的整治方案實施后，漲潮期在“T”形促淤壩東側(cè)促淤區(qū)內(nèi)流速降低明顯，最大降幅達0.3 m/s;在“T”形促淤壩西側(cè)促淤區(qū)內(nèi)流速有所降低，最大降幅為0.2 m/s;促淤壩沿線水域流速也有所降低，最大降幅為0.2 m/s（見圖6）。落潮期，在東側(cè)促淤區(qū)內(nèi)流速降低更為明顯，最大降幅達0.5 m/s;在西側(cè)促淤區(qū)內(nèi)流速有所降低，最大降幅為0.3 m/s;促淤壩沿線水域流速也有所降低，最大降幅為0.4 m/s（見圖6）。泥沙數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果表明，推薦的整治方案促淤效果明顯;整治方案實施后，東側(cè)促淤區(qū)內(nèi)最大淤積厚度約2.0 m;西側(cè)促淤區(qū)由于現(xiàn)狀灘面本身較高，促淤后上灘泥沙量有限，淤積厚度較小，該區(qū)域最大淤積厚度約1.0 m（見圖7）。

2.3在河口整治工程施工中的應(yīng)用

河口整治工程施工往往涉及到龍口合龍。龍口合龍是在前期預(yù)留的口門上修筑最后一段圍堤，由于口門過窄，水流集中，流速增加，對施工非常不利，尤其是隨著龍口的進一步縮窄，水流條件愈加惡劣，如龍口施工設(shè)計不合理而造成合龍失敗，影響巨大，后果嚴(yán)重，必須慎重對待[9]。本研究以長江河口某整治工程龍口為例，利用建立的長江河口三維潮流數(shù)學(xué)模型，推求合龍過程中龍口水域的流速變化過程及規(guī)律，為龍口的施工設(shè)計提供依據(jù)。

在龍口進占過程中，隨著龍口寬度的減小和底坎高程的增加，龍口水域最大流速的變化如圖8所示（龍口進流最大流速一般大于出流最大流速，限于篇幅僅給出進流的分析）。利用龍口水域最大流速等值線圖（見圖8），便可獲知龍口進占過程中不同階段的最大流速，合理安排龍口的壓縮寬度、底坎的進占高程以及龍口的防護設(shè)計。

以龍口進占至寬200 m、底高程-1.0 m的階段為例，說明龍口進占過程中龍口水域的水動力特征，見圖9、圖10。受龍口口門縮窄影響，龍口水域水流呈射流形態(tài)，若以1.0 m/s的流速作為分界，則龍口水域射流的寬度一般與龍口的口門寬度相適應(yīng)，離口門越遠(yuǎn)，1.0 m/s的流速帶的寬度越小。射流的長度一般為1～2倍的龍口口門寬度;受射流特殊的水動力影響，在龍口進占過程中不僅需在龍口沿線水域采取防沖護底措施，還需根據(jù)射流的范圍在龍口上下游一定范圍內(nèi)的河床采取防沖措施。由于龍口堤頭凸出，水流輻聚，三維結(jié)構(gòu)明顯，堤頭水域流速最大，需采取必要的防護措施。

2.4在河口航道整治工程中的應(yīng)用

長江河口某河段擬實施航道整治工程。通過整治將現(xiàn)狀航道向南調(diào)整并疏浚，最小挖深0.7 m，最大挖深3.5 m，平均挖深2.0 m。為給航道的設(shè)計和維護提供參考，本研究利用建立的長江河口三維潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型，模擬了航道整治后航道沿線的回淤過程及規(guī)律。結(jié)果表明：航道整治后，由于所在水域含沙量較高（平均為1.5～2.0 kg/m?3），航道沿線水域有不同程度的回淤，第一年平均回淤厚度約0.9 m，最大淤積在航道中上段的疏浚深度最大處，第一年回淤厚度達2.0 m（見圖11）;考慮航道整治后回淤的影響，航道沿線的水深仍滿足該段維護水深的要求。

為進一步驗證泥沙數(shù)模計算所得的航道水域回淤厚度的可靠性，采用JTS145-2015《港口與航道水文規(guī)范》推薦的經(jīng)驗公式[10]估算了航道整治后沿線的回淤厚度，并與泥沙數(shù)模的結(jié)果進行比較，見圖12。由圖12可知：泥沙數(shù)模模擬與經(jīng)驗公式估算所得的航道沿線回淤厚度的分布總體上基本一致。兩種方法得到的航道沿線回淤厚度的量值基本一致，故泥沙數(shù)模模擬的航道沿線水域的回淤厚度結(jié)果可靠。

為了解航道整治后的回淤過程，以航道中段水域為例給出了回淤厚度的時間變化過程，見圖13。由于擬整治航道水域含沙量較大，航道整治工程實施后的0.5～1 a內(nèi)航道回淤迅速，0.5 a和1 a內(nèi)的回淤厚度分別占累計厚度的80%和90%以上。2 a內(nèi)的回淤厚度占累計淤積厚度的96%以上。3 a后航道回淤基本達到平衡。

3結(jié) 語

本文基于DELFT3D模型系統(tǒng)，建立了長江河口水沙數(shù)學(xué)模型，大量實測資料的率定驗證表明該模型具有較好的模擬精度，潮位、潮流和含沙量模擬的平均精度分別為91%，86%和72%。該水沙數(shù)學(xué)模型作為重要的技術(shù)手段，在長江河口大量整治工程的規(guī)劃、設(shè)計、研究工作中發(fā)揮出了一定的作用，為相關(guān)整治工程的決策和設(shè)計提供了技術(shù)支撐，可進一步推廣應(yīng)用。

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[10]JTS145-2015港口與航道水文規(guī)范[S].

引用本文：徐學(xué)軍，唐建華，王玉臻，趙升偉.水沙數(shù)學(xué)模型技術(shù)在長江河口整治中的應(yīng)用[J].人民長江，2019，50（2）：42-46.

Application of tidal flow and sediment numerical model in regulating Yangtze River estuary

XU Xuejun， TANG Jianhua， WANG Yuzhen， ZHAO Shengwei

（Shanghai Branch， Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Shanghai 200439， China）

Abstract： In order to provide reference and guidance for regulating river estuary， we built a tidal flow and sediment numerical model for Yangtze River estuary based on DELFT3D model system. Based on the measured hydrology and sediment data， the model was calibrated and verified. The verification results of a large number of measured data showed that the average accuracy of tidal level， tidal current and sediment concentration simulation can reach 91%，86% and 72% respectively. The model has good simulation accuracy and performs well in the application of Yangtze River estuary regulation planning， project design， construction design and regulation of river channels. This model provides technical support for the decision-making and the design of such regulation projects， which is worthy of further promotion.

Key words：tidal flow numerical model; sediment numerical model; Yangtze River estuary; regulation project