長江口工程群對上游水動(dòng)力影響及累加效應(yīng)研究

白一冰，路川藤，丁 偉，張功瑾

(1.南京水利科學(xué)研究院，河流海岸研究所，江蘇 南京210029；2.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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210029)

長江口是我國最大的河口，平面呈喇叭形，為中潮河口，入海水道地形復(fù)雜，經(jīng)過多年的自然演變及人類活動(dòng)影響，現(xiàn)呈三級分汊、四口入海形式[1]。自20世紀(jì)末至今，為更好地開發(fā)利用及穩(wěn)固河勢，長江口實(shí)施了眾多大型工程，已形成一定規(guī)模的工程群。

自1998—2016年，長江口主要建設(shè)的大型工程如圖1所示。其中，長江口北槽深水航道治理工程分三期實(shí)施，分別使北槽航道水深增至8.5、10.0和12.5 m；橫沙東灘促淤圈圍工程從2003年開始，工程共分八期，至2016年圈圍范圍如圖1所示；新瀏河沙護(hù)灘、中央沙青草沙圈圍工程共同組成南北港分界點(diǎn)；南匯東灘圈圍工程包括一期圈圍、二期促淤工程；白茆沙護(hù)灘工程穩(wěn)固了白茆沙沙體及南北水道。

關(guān)于工程對長江口河勢的影響，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了很多研究，其中北槽深水航道治理工程，部分學(xué)者分析工程實(shí)施后對周邊水域水動(dòng)力、潮量[2]、地形沖淤[3]、水體交換[4]的變化；劉杰等[5]、王維佳等[6]等通過分析實(shí)測資料，研究橫沙東灘的演變規(guī)律及未來發(fā)展；劉曙光等[7]通過數(shù)學(xué)模型探討三峽工程蓄水后的水沙變化對南匯邊灘演變的影響；陳琳等[8]分析新瀏河沙護(hù)灘工程局部沖刷的原因；陳偉倫等[9]通過數(shù)學(xué)模型探討青草沙水庫對周邊河床沖淤演變的影響。相對于單個(gè)工程的影響，工程群的不斷實(shí)施會產(chǎn)生累積效應(yīng)。陳珺等[10]、張細(xì)兵等[11]分別分析在寧波甬江流域、長江中下游區(qū)域中橋梁和碼頭工程群的累積影響；一些學(xué)者研究萊州灣[12]、羅源灣[13]、廈門灣[14]等地區(qū)多年圍填海工程群的累積影響；李振青等[15]探討長江下游世業(yè)洲河段岸線開發(fā)利用對河段防洪的累積影響。長久以來，隨著工程的不斷增加，長江口水域已經(jīng)建成有一定規(guī)模的工程群，工程群使長江口變成了有相對固定邊界的較穩(wěn)定河口，很多的岸段不易變化，與自然河口差別較大。大多學(xué)者主要關(guān)注單個(gè)工程實(shí)施后對周邊河勢的影響，針對多個(gè)工程的累積效應(yīng)研究較少。本文建立大范圍二維數(shù)學(xué)模型，以長江口中下游工程群為研究對象，分析工程群對長江口上游水動(dòng)力的累加影響，并探討不同工程對長江口影響的差異性。

1 研究方法

1.1 模型范圍及參數(shù)設(shè)置

為探討工程群建設(shè)對水動(dòng)力的影響，采用CJK3D-WEM軟件[16]進(jìn)行數(shù)值模擬研究。CJK3D-WEM水環(huán)境數(shù)值模擬軟件適用于江河湖泊、河口海岸等涉水工程中的水動(dòng)力、泥沙、水質(zhì)、溫排水、溢油模擬預(yù)測研究。該軟件采用有限體積法，算法穩(wěn)定，可編制出完整的河口海岸數(shù)值模擬可視化系統(tǒng)，具有系統(tǒng)集成性好、操作界面友好、可視化程度高、借鑒可視化編程思路、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。具體數(shù)值求解方法參見文獻(xiàn)[17]。

數(shù)學(xué)模型范圍選取上游至大通水文站段，下游至長江口外海100 km左右。模型東西總長約510 km，南北總寬約210 km，模型總范圍及長江口地形如圖2所示。

圖2 模型總范圍及長江口地形

模型采用三角形網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格總數(shù)56 681個(gè)，網(wǎng)格空間步長最小為70 m、最大為5 000 m，局部工程區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密。糙率設(shè)置隨水深的變化而變化0.012+0.013/h(h>1 m，h為水深)，上限為0.025，紊動(dòng)黏性系數(shù)取Khv*(其中K為系數(shù)，取0.5～1.0，v*為摩阻流速)，判斷干濕的動(dòng)邊界水深取0.05 m，Coriolis系數(shù)取f=zΩsinφ(其中Ω為地球自轉(zhuǎn)角速率，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?。

1.2 模型驗(yàn)證

模型采用2015-07-30T05:00—2015-08-03T08:00的長江口實(shí)測同步水文資料進(jìn)行驗(yàn)證。水文驗(yàn)證點(diǎn)位置如圖2a)所示，數(shù)學(xué)模型潮位、流速與流向驗(yàn)證見圖3、4?？梢钥闯?，大潮期間潮位誤差基本在0.10 m內(nèi)，平均流速和平均流向驗(yàn)證誤差基本在10%以內(nèi)，模型總體驗(yàn)證良好，能夠反映長江口附近海域的潮流運(yùn)動(dòng)。

圖3 潮位驗(yàn)證

圖4 流速與流向驗(yàn)證

2 工程群水動(dòng)力影響分析

水文條件考慮有代表性的徑流潮汐條件，以反映工程對長江口的整體影響。模型上游選用大通站2003—2018年多年統(tǒng)計(jì)流量為計(jì)算條件，其中枯季流量選用11月—次年2月平均流量，為1.55萬m3/s，洪季流量選用6—9月平均流量，為4萬m3/s。模型外海潮差控制條件采用綠華山站1996年1月—2009年12月累積頻率分別為10%、90%的典型潮差控制，分別為3.6、1.5 m。數(shù)學(xué)模型采用1998年地形作為計(jì)算地形。為探討工程群的累加效應(yīng)，按照工程實(shí)際實(shí)施的先后順序設(shè)置多組工況，模擬計(jì)算工程群對長江口水動(dòng)力的累加影響，研究工況見表1。

表1 數(shù)學(xué)模型工況

2.1 對潮差的影響

潮差與徑流的相對比值被認(rèn)為是潮流和徑流水動(dòng)力的變化過程[18]，潮差的變化一定程度上反映了潮波能量的變化。工程群的實(shí)施整體改變了河口的地貌，除了改變周邊水域水動(dòng)力，對上游也有著深遠(yuǎn)的影響。隨著逐個(gè)工程的實(shí)施，上游南支河段深泓線沿程潮差變化見圖5。由于工程的實(shí)施一定程度上增加了河口潮波的上溯阻力，隨著工程群的逐步實(shí)施，南支潮差逐漸降低。單個(gè)工程影響相對較小，工程群實(shí)施后，累加影響使得上游潮差變化較大。統(tǒng)計(jì)各個(gè)水文條件下工程群實(shí)施后徐六涇區(qū)域潮差變化，枯季大潮條件降低6.22%，洪季大潮降低6.51%，枯季小潮降低5.50%，洪季小潮降低6.60%。上游徑流越大，潮波上溯消耗的能量越大，故工程群實(shí)施后，洪季條件下潮差減小幅度略大于枯季。

圖5 工程群實(shí)施后上游南支河段深泓線沿程潮差變化

2.2 對上游流速的影響

工程的實(shí)施明顯改變了地貌，使周邊水域的流速發(fā)生明顯變化，關(guān)于工程實(shí)施后對周邊水域水動(dòng)力的影響已有多位學(xué)者做過相應(yīng)的研究，本文不再描述。由前文可知，工程群的實(shí)施使上游潮差沿程降低，這同時(shí)也會引起上游潮波動(dòng)力減弱。徐六涇附近采樣點(diǎn)一個(gè)潮周期內(nèi)的漲落急流速變化情況見表2。可見工程群實(shí)施后，上游流速整體降低，其中落急流速減幅約為4%，漲急流速減幅為10%左右。由于徑流的持續(xù)下泄，使得落潮流速受工程影響的程度相對較小，落急流速變化率整體小于漲急流速。對于落急流速，隨著徑流的增加，受工程影響而導(dǎo)致的潮波動(dòng)力減弱部分占比降低，故洪季的流速減幅低于枯季；隨著潮差的增加，潮波能量增加，受工程影響導(dǎo)致的潮波能量降低部分占比增加，使大潮的流速減幅大于小潮。對于漲急流速，其減幅隨著洪枯季的變化規(guī)律與潮差相同。

表2 工程群實(shí)施后長江口上游(徐六涇)最大流速變化

2.3 對潮量的影響

工程群的實(shí)施使上游潮差降低，潮流動(dòng)力減弱，相應(yīng)的也會對河口納潮量產(chǎn)生一定的影響。工程群實(shí)施后徐六涇斷面處一個(gè)潮波周期內(nèi)的漲潮量變化情況見圖6?？梢钥闯?，隨著工程群的逐步實(shí)施，徐六涇斷面漲潮量不斷降低，最終在枯季大潮條件下降低8.15%，洪季大潮條件下降低11.14%，枯季小潮條件下降低14.04%，洪季小潮條件下降低24.26%。洪季漲潮量減幅略大于枯季，這與潮差和流速的變化規(guī)律相同。潮差越大，潮波能量越大，受到徑流的影響程度越小，故工程群實(shí)施后，小潮條件下的漲潮量減幅大于大潮。

圖6 工程群實(shí)施后徐六涇斷面漲潮量變化

2.4 對分流比的影響

工程群實(shí)施后，北槽、北港落潮分流比的變化見圖7。北槽深水航道治理工程整體縮窄了北槽的過水?dāng)嗝?，隨著工程不斷進(jìn)行，北槽的分流比逐漸減小，由初始情況的60%逐漸減小至40%左右，北港分流比稍有增加。橫沙東灘圈圍、新瀏河沙護(hù)灘、中央沙青草沙圈圍工程的實(shí)施使南北港的過流斷面均有縮窄，北港分流比變化不大。南匯邊灘圈圍工程實(shí)施后，縮窄了南槽的過水?dāng)嗝?，使北槽分流比稍有增加。工程群?shí)施后，北港的分流比略有增加，總體變化不大。

圖7 工程群實(shí)施后北槽、北港分流比

3 工程群的累加效應(yīng)分析

3.1 潮差累加效應(yīng)分析

為探討徐六涇潮差變化中各個(gè)工程所占的比例，計(jì)算單個(gè)工程引起的徐六涇區(qū)域潮差變化分布比例見圖8。整體來看，北槽深水航道治理工程對上游潮差影響最大，約占整體減小幅度的50%，其次為南匯邊灘圈圍工程。由于北槽中一期工程歸順了北槽流向，阻礙了南北槽及北港橫向的水體交換，對潮波傳播改變程度較大，后續(xù)工程均在一期工程的基礎(chǔ)上實(shí)施，故一期工程對上游的影響整體較二、三期更大。北槽深水航道工程沿程長約56 km，其南北導(dǎo)堤和丁壩幾乎覆蓋了北槽的全部區(qū)域，故整體對上游的影響最大。長江口為喇叭口形，南匯邊灘處在長江口入?？谔?，雖然其過流斷面相對較大，但其圈圍面積大，從而對上游潮量影響也較大。橫沙東灘圈圍工程影響最小，這是由于北槽導(dǎo)堤、長興島和橫沙島的導(dǎo)流作用，使其圈圍面積雖然較大，但對上游影響最小。由于北槽深水航道治理一期和二期工程導(dǎo)堤及丁壩高程最高為2 m，與中水位相近，這使得小潮條件下潮波受影響程度相對較小，故小潮條件下北槽深水治理工程的影響比例小于大潮條件。

圖8 徐六涇潮差變化分布比例

3.2 流速累加效應(yīng)分析

計(jì)算單個(gè)工程引起的徐六涇區(qū)域流速變化分布比例見圖9?？傮w而言，北槽深水航道治理工程對徐六涇流速影響最大，約占總影響的50%，其次為南匯邊灘圈圍工程。工況5的實(shí)施對漲落急流速影響程度差別較大，這是由于徐六涇區(qū)域距離南北港分流口較遠(yuǎn)，潮波傳播存在相位差引起的。徐六涇區(qū)域漲潮流速最大時(shí)，南支末端處在最高潮位附近，而使新瀏河沙護(hù)灘工程被淹沒水下，工況5的實(shí)施對徐六涇漲急流速影響很小。當(dāng)徐六涇落潮流速最大時(shí)，南支末端處于中低潮水位，新瀏河沙工程出水，對潮波傳播影響較大，從而工況5的實(shí)施對徐六涇落急流速的影響程度較大。

圖9 徐六涇流速變化分布比例

3.3 潮量累加效應(yīng)分析

為探討徐六涇潮量變化中各個(gè)工程所占的比例，計(jì)算單個(gè)累加的工程引起的潮量變化分布比例見圖10。分析可知，北槽深水航道治理工程的實(shí)施對長江口漲潮量影響最大，約占總變化的50%，其次為南匯邊灘圈圍工程，這是由于其圈圍面積相對較大所致。橫沙東灘圈圍工程對上游潮量的影響最小。

圖10 潮量變化分布比例

3.4 分流比累加效應(yīng)分析

工程群實(shí)施后，北槽分流比主要受深水航道治理工程的影響，分別統(tǒng)計(jì)深水航道治理的三期工程影響比例見圖11。可以看出，一期工程的影響程度最大，約占北槽分流比變化的50%。

圖11 北槽分流比變化分布比例

4 結(jié)論

1)單個(gè)工程的實(shí)施會增加潮波上溯能量的消耗，工程群實(shí)施后，徐六涇漲潮量、潮差、流速均有所降低，累加影響較大。

2)工程群實(shí)施后，徐六涇漲潮量降低約10%，潮差降低約6%，漲急流速降低約9%，落急降低約4%，在不同的水文條件中，落急流速在枯季大潮條件降幅最大，其他物理量在洪季小潮條件下降幅最大。北槽分流比主要受深水航道治理工程的影響，工程實(shí)施后由60%逐漸減小至40%左右，其中一期工程的實(shí)施對分流比影響最大。北港的分流比變化不大。

3)在眾多工程中，北槽深水航道治理工程對上游影響程度最大，約占工程群總影響的50%左右，其中一期工程所占比重較大；其次南匯邊灘圈圍工程對上游影響程度較大；橫沙東灘促淤圈圍工程最小。

4)工程實(shí)施后會改變周圍水動(dòng)力，水動(dòng)力變化引起河床地形調(diào)整，進(jìn)而減小工程對周圍水動(dòng)力的影響范圍和程度。本文數(shù)學(xué)模型暫未考慮地形的變化，故工程影響計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際有所差別，未來將進(jìn)一步探討工程群對河勢的持續(xù)影響。