基于二維水沙數(shù)學(xué)模型分析擋潮閘閘下淤積特征

肖懷前 許永平 嚴后軍

摘 要：以連云港沿海車軸河閘為例，建立了擋潮閘閘下引河平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，對閘下引河的水動力過程和泥沙輸運過程進行了數(shù)值模擬，分析了車軸河閘閘門開啟3種放水狀態(tài)下閘下淤積的特征。

關(guān)鍵詞：二維水沙數(shù)學(xué)模型;擋潮閘;潮流;泥沙;回淤

文章編號：1004-7026（2020）04-0099-02 ? ? ? ? 中國圖書分類號：TV85 ? ? ? ?文獻標志碼：A

江蘇海岸外有豐沛的泥沙供應(yīng)，在潮流波浪的作用下，沿海泥沙運動活躍。沿海的連云港、鹽城、南通3市具有約60條主要河道，匯集約30個入?？?，修建不同規(guī)模的擋潮閘約110座。由于建閘導(dǎo)致的閘下引河納潮量減少、徑流變化、河口圍墾、潮波變形和河道納潮量減少等因素，閘下河道出現(xiàn)不同程度的淤積現(xiàn)象[1]。

車軸河位于江蘇省連云港市沿海，全長44.2 km。車軸河閘1953年建于埒子河口上游16 km處，共8孔，單孔凈寬6 m。因閘下引河較長，河道斷面較小，高低水混排，年徑流流量少，控制運行方式不完善，導(dǎo)致閘下引河逐年淤積。采用平面二維水沙數(shù)學(xué)模型分析其閘下引河回淤特征，具有重要意義。

1 ?平面二維水沙數(shù)學(xué)模型

2 ?車軸河閘閘下水沙數(shù)學(xué)模型建立

2.1 ?計算區(qū)域

因車軸河閘位于埒子河口上游16 km處，閘下淤積的泥沙主要為埒子河口附近的海域來沙，因數(shù)學(xué)模型邊界條件的需要，本次計算時采用大小模型嵌套的方式。小模型計算河段選取車軸河閘下至下游8 km處。大小模型采用三角形六結(jié)點等參單元和四邊形八結(jié)點等參單元來構(gòu)成計算網(wǎng)格。

2.2 ?水文條件及參數(shù)

驗證水文資料采用2017年9月水文實測資料。固壁邊界的法向通量為零，開邊界為強迫邊界條件，岸灘邊界采用干濕法。

計算選用的參數(shù)，根據(jù)資料率定糙率采用n=0.02～0.045，時間步長采用小時，露灘臨界水深dh=0.05 m，紊動擴散系數(shù)？著=10～50 m2/s。

2.3 ?水動力和泥沙場驗證

水位驗證結(jié)果和實測值比較后，水位計算值和實測水位過程吻合很好，最大誤差在3 cm以內(nèi)。測流斷面流速計算值和實測值比較后，各驗證點計算流速和實測資料吻合較好，最大誤差小于5%。懸沙變化過程驗證后，數(shù)學(xué)模型計算的漲潮平均含沙量和落潮平均含沙量與實測值吻合較好，驗證結(jié)果符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》（JTST231-2-2010）要求[2]。因此，沿程水位過程驗證和附近河段斷面水流懸沙過程驗證結(jié)果表明建立的平面二維數(shù)學(xué)模型能模擬工程河段水流傳播過程和水流運動規(guī)律。

2.4 ?流場分析

建立閘下引河段流場，大潮漲急時，潮流沿河道上溯，在車軸河和善后河交匯處的下游0.68 km處流速達到最大，約為0.85 m/s。由于潮流的頂托作用及河閘的限制，潮流在河道內(nèi)壅高，水流流速在車軸河和善后河處達到一個極小值，約為0.3 m/s。潮流沿車軸河河道上溯，由于車軸河閘下河道至車軸河與善后河交匯處較短，僅約0.53 km，潮流沒有加速空間，越靠近車軸河閘，水流流速越小。

從以上分析可以看出，大潮時期漲急時刻流速大于落急時刻流速，大潮漲急流速最大0.85 m/s，落急最大僅0.25 m/s。這主要是由于潮波傳入河口以后，在地形阻力的影響下發(fā)生變形和反射，波形由前進波向駐波特性轉(zhuǎn)換，而建閘后，潮波變形將加劇。

2.5 ?泥沙場分析

由于河道內(nèi)潮波變形，以及河閘的反射作用，潮波性質(zhì)由前進波轉(zhuǎn)換為駐波，漲潮流流速增大，使得漲潮挾沙能力增加，懸浮泥沙由漲潮流挾帶至閘附近沉降堆積，燒香河閘和善后新閘下游約0.36 km處懸沙濃度達到最大，約為1.3 kg/m3。車軸河閘附近懸沙濃度約為0.1 kg/m3，車軸河與善后河交匯處附近及下游懸沙濃度較為平均，大致在0.2～0.3 kg/m3之間。

由以上對比可以看出，大潮時期，漲急時刻含沙量明顯高于落急時刻含沙量，車軸河閘分支含沙量明顯低于善后新閘分支含沙量。漲急時刻最大含沙量達到1.30 kg/m3，落急時刻最大含沙量僅0.062 5 kg/m3。

3 ?車軸河閘閘下淤積特征

大潮期間對比研究車軸河閘開啟與關(guān)閉狀態(tài)下河床沖淤情況得出，閘門在開啟放水狀態(tài)下，當(dāng)流量Q=0.5或1 m3/s時，距離閘較近區(qū)域淤積厚度明顯減小，其他區(qū)域無明顯變化。當(dāng)流量Q=2 m3/s時，影響距離明顯增大，淤積厚度隨流量增大而減小。淤積厚度從車軸河閘沿特征線向河道分叉口逐漸增大，最大淤積厚度為0.007 m左右。

4 ?結(jié)論與建議

建立嵌套的大小二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，對車軸河閘閘下游河道的水動力和懸沙輸運過程進行了計算，得出以下結(jié)論與建議。

（1）潮波隨河道上溯距離越遠而變形越顯著，且由于車軸河閘的阻滯作用，河道內(nèi)整體呈現(xiàn)出漲潮流速大于落潮流速的特征，大潮漲急流速最大0.85 m/s，落急最大僅0.25 m/s。

（2）大潮時期，漲急時刻含沙量明顯高于落急時刻含沙量，車軸河閘分支含沙量明顯低于善后河閘分支含沙量。漲急時刻最大含沙量達到1.30 kg/m3，落急時刻最大含沙量僅0.062 5 kg/m3。車軸河閘下游引河高濃度泥沙主要集中在開始落潮至低潮位過程。

（3）對大潮期間，車軸河閘關(guān)閉，車軸河下泄流量分別為0.5 m3/s、1 m3/s、2 m3/s的河床沖淤情況進行計算，結(jié)果表明淤積厚度隨流量增大而減小。淤積厚度從車軸河閘沿特征線向河道分叉口逐漸增大，最大淤積厚度為0.007 m左右。

參考文獻：

[1]張長寬，陳錫林.江蘇入海河道河口治導(dǎo)線研究[R].南京：河海大學(xué)，江蘇省水文水資源勘測局，2009.

[2]“江蘇沿海閘下港道淤積綜合治理研究”項目組.江蘇沿海閘下港道淤積綜合治理研究技術(shù)總結(jié)[R].南京：江蘇? ?省防汛防旱指揮部辦公室，2009.