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    感潮河道河口建閘對(duì)水動(dòng)力影響研究

    2022-07-27 10:06:04
    水利技術(shù)監(jiān)督 2022年8期
    關(guān)鍵詞:黃浦過(guò)程線黃浦江

    韓 景

    (上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200434)

    黃浦江是一條中等感潮河道,上承太湖,下接長(zhǎng)江口[1],貫穿上海城區(qū),是構(gòu)成上海水系最大的骨干河道,具有防洪、供水、排水、航運(yùn)、生態(tài)、景觀、旅游等綜合功能。

    受全球氣候變化、海平面上升、風(fēng)暴潮加劇、地面沉降等自然環(huán)境因素及人類活動(dòng)的影響[2],黃浦江沿岸水位出現(xiàn)了趨勢(shì)性抬升,現(xiàn)狀黃浦江防汛墻設(shè)防[3]高程已不能滿足新形勢(shì)下千年一遇的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),上海城市防洪風(fēng)險(xiǎn)日益增大。

    歷史上直接登陸上海的臺(tái)風(fēng)較少,但是近幾年全球變暖導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)朝北或北偏西方向移動(dòng),臺(tái)風(fēng)登陸上海的幾率逐漸增大。2021年,對(duì)上海影響較大的的臺(tái)風(fēng)有“煙花”和“燦都”,受臺(tái)風(fēng)“煙花”和天文大潮的雙重影響,黃浦江米市渡站的最高水位達(dá)到4.79m,創(chuàng)造歷史新高。因此,迫切需要采取相應(yīng)的工程措施來(lái)提高黃浦江堤防的防洪(潮)能力。比較有效的方案是在黃浦江河口建擋潮閘[4],阻止河口的高潮上溯。

    陳瑞方[5]和崔冬[6]等人曾采用一維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行黃浦江河口建閘的水動(dòng)力初步研究,經(jīng)過(guò)了近10a,黃浦江水下地形和水情發(fā)生了較大改變,老模型已不再適用。為了更精確反映黃浦江蜿蜒曲折的岸線和復(fù)雜的水下地形,本文根據(jù)2021年的水下地形資料構(gòu)建黃浦江三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型,重點(diǎn)研究黃浦江河口閘的擋潮效果和閘外水位振蕩情況,為黃浦江河口閘的方案設(shè)計(jì)和調(diào)度運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

    1 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

    本文采用丹麥DHI公司開(kāi)發(fā)的MIKE 3軟件中的HD水動(dòng)力模塊來(lái)構(gòu)建黃浦江三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。

    1.1 模型原理

    MIKE 3模型建立在三維不可壓雷諾平均N-S方程的基礎(chǔ)之上,方程包含了Boussinesq和流體靜壓假定[7]。淺水控制方程如下。

    局部連續(xù)方程:

    (1)

    x方向和y方向上的水平動(dòng)量方程分別為:

    (2)

    (3)

    式中,t—時(shí)間,s;x,y和z—笛卡爾坐標(biāo)系,m;η—水面高度,m;d—靜水深,m;h—總水深,m,h=η+d;u—x方向的速度分量,m/s;v—y方向的速度分量,m/s;w—z方向的速度分量,m/s;f—科里奧利參數(shù),無(wú)量綱,f=2Ωsinφ;g—重力加速度,m/s2;ρ—水的密度,kg/m3;sxx,sxy,syx和syy—輻射應(yīng)力張量的分量,Pa;vt—垂向湍流粘度(或渦粘),m2/s;pa—大氣壓強(qiáng),N/m2;ρ0—水的參考密度,kg/m3;S—點(diǎn)源的流量大小,m3/s;us、vs—流入周圍環(huán)境水的速度大小,m/s。

    湍流建模采用渦粘理論[8],分別考慮垂向和水平方向上的渦粘,水平方向采用Smagorinsky模型,垂向采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

    1.2 模型地形

    本次構(gòu)建的黃浦江三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型地形南起吳涇公園北至吳淞口,全長(zhǎng)約52km,水下地形數(shù)據(jù)依據(jù)2021年黃浦江實(shí)測(cè)地形資料確定。模型計(jì)算地形采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,可以較精確地?cái)M合蜿蜒曲折的黃浦江岸線和沿江碼頭。根據(jù)研究需求加密局部區(qū)域,模型地形的網(wǎng)格尺寸為5~50m,允許最小三角形角度為30°,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為6961個(gè),網(wǎng)格單元總數(shù)為12775個(gè)。黃浦江三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的計(jì)算地形如圖1所示。

    圖1 黃浦江數(shù)學(xué)模型計(jì)算地形

    1.3 計(jì)算條件

    黃浦江三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型率定的時(shí)間段選取1997年11號(hào)臺(tái)風(fēng)期間,吳涇公園和吳淞口2個(gè)邊界采用1997年11號(hào)臺(tái)風(fēng)期間的實(shí)測(cè)水位過(guò)程,吳淞最高潮位為5.99m,是歷史最高實(shí)測(cè)潮位[9]。

    上海市區(qū)的防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)是千年一遇,根據(jù)相關(guān)規(guī)定,黃浦江河口閘的建設(shè)和防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)不得低于千年一遇,因此選取千年一遇的風(fēng)暴潮作為計(jì)算水情進(jìn)行研究。對(duì)1997年11號(hào)臺(tái)風(fēng)期間的吳淞口實(shí)測(cè)水位過(guò)程進(jìn)行同倍比放大,得到吳淞口千年一遇潮位過(guò)程,最高潮位為6.60m。

    1.4 模型率定

    黃浦江三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型率定計(jì)算時(shí)采用1997年11號(hào)臺(tái)風(fēng)期間的水位資料,率定計(jì)算成果如圖2所示。

    由圖2可知,黃浦公園的計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位吻合良好。

    圖2 1997年11號(hào)臺(tái)風(fēng)期間黃浦公園水位過(guò)程

    1.5 計(jì)算方案

    計(jì)算方案考慮不同的閘門選址和調(diào)度運(yùn)行規(guī)則。閘門選址選取離河口1.8km的軍工路碼頭和離河口5.7km的海軍碼頭進(jìn)行對(duì)比分析。閘門調(diào)度運(yùn)行規(guī)則涉及眾多因素,本文主要研究啟閉歷時(shí)和起關(guān)潮位。河口閘規(guī)模較大,為了便于操作,閘門的調(diào)度方式初步擬定為:平時(shí)以敞開(kāi)為主,遭遇風(fēng)暴潮時(shí)關(guān)閘擋潮,當(dāng)閘外水位上升到某一特定潮位時(shí)開(kāi)始關(guān)閉閘門,等閘外水位下降到跟閘內(nèi)水位齊平時(shí)開(kāi)啟閘門泄水。考慮到吳淞口多年平均高潮位為3.25m,黃浦公園警戒水位為4.55m,因此河口閘起關(guān)潮位選取3.5、4.0和4.5m 3種方案進(jìn)行研究。國(guó)外已建的大型擋潮閘的閘門啟閉歷時(shí)大都在0.5~1.0h之間,因此黃浦江河口閘啟閉歷時(shí)選取20、40和60min 3種方案進(jìn)行研究。由于河口閘的門型方案還在深入研究中,本文先以常見(jiàn)的直升門為例進(jìn)行計(jì)算分析。

    2 計(jì)算結(jié)果分析

    2.1 建閘前黃浦江水動(dòng)力分析

    根據(jù)吳淞口潮位站歷史資料統(tǒng)計(jì),吳淞口多年平均高潮位是3.25m,平均潮差是2.20m,平均漲潮歷時(shí)是4.57h,平均落潮歷時(shí)是7.87h,落潮歷時(shí)大于漲潮歷時(shí),屬于不規(guī)則半日潮[10]。受長(zhǎng)江口潮流的影響,黃浦江水流呈往復(fù)運(yùn)動(dòng),潮波自吳淞口向黃浦江上游逐漸變形,潮差減小,漲潮歷時(shí)縮短,落潮歷時(shí)延長(zhǎng)。

    根據(jù)計(jì)算,在千年一遇風(fēng)暴潮水情下,吳淞口最高潮位為6.60m,黃浦公園最高潮位為6.25m。本文重點(diǎn)關(guān)注的黃浦江北段的漲急和落急流場(chǎng)如圖3—4所示。

    圖3 黃浦江北段漲急流場(chǎng)分布(單位:m)

    圖4 黃浦江北段落急流場(chǎng)分布(單位:m)

    由圖3—4可以看出,漲潮時(shí)水體從吳淞口流向黃浦江上游,落潮時(shí)水體從黃浦江上游流向吳淞口,凹岸流速大于凸岸流速。軍工路碼頭處某時(shí)刻的斷面垂向流速分布如圖5所示。

    由圖5可以看出,表層流速遠(yuǎn)大于底層流速。

    圖5 軍工路碼頭斷面垂向流速分布(單位:m)

    2.2 建閘后黃浦江三維水動(dòng)力影響

    2.2.1閘門起關(guān)潮位影響

    以軍工路碼頭閘址、閘門啟閉歷時(shí)20min為例,對(duì)比分析不同起關(guān)潮位(3.5、4.0、4.5m)的結(jié)果。

    千年一遇風(fēng)暴潮水情下,不同閘門起關(guān)潮位條件下的閘址處流量過(guò)程如圖6所示,閘內(nèi)和黃浦公園水位過(guò)程如圖7—8所示。

    圖6 不同閘門起關(guān)潮位條件下閘址處流量過(guò)程線

    圖7 不同閘門起關(guān)潮位條件下閘內(nèi)側(cè)水位過(guò)程線

    計(jì)算結(jié)果表明,河口閘關(guān)閉后,黃浦江進(jìn)潮量顯著減小,閘內(nèi)側(cè)和黃浦公園高水位大幅降低,3種起關(guān)潮位條件下的一個(gè)潮周期擋潮量分別為1.32億、1.24億、1.11億m3,閘內(nèi)側(cè)最高水位分別為3.50、4.01、4.52m,黃浦公園最高水位分別為3.34、3.72、4.19m,黃浦公園水位降幅分別為2.91、2.53、2.06m??梢?jiàn),河口閘具有顯著的擋潮效果,且河口閘起關(guān)潮位越低,擋潮量越大,閘內(nèi)高水位越低,擋潮效果越好。

    不同閘門起關(guān)潮位條件下的閘外水位過(guò)程如圖9所示。

    圖9 不同閘門起關(guān)潮位條件下閘外側(cè)水位過(guò)程線

    計(jì)算結(jié)果表明,河口閘關(guān)閉堵住了河口高潮的上溯通道,激發(fā)了閘外的水位振蕩,水位振蕩幅度自閘門向口外逐漸減小,漲潮期間的水位振蕩幅度大于落潮期間,3種起關(guān)潮位條件下的閘外側(cè)水位最大振幅分別為1.15、1.42、1.60m,閘外側(cè)最高水位分別壅高0.51、0.57、0.70m,閘外水位振蕩周期都為34min。可見(jiàn),河口閘關(guān)閉會(huì)使閘外水位發(fā)生振蕩,且河口閘起關(guān)潮位越高,閘外水位的振蕩幅度越大,起關(guān)潮位對(duì)水位振蕩周期無(wú)影響。

    圖8 不同閘門起關(guān)潮位條件下黃浦公園水位過(guò)程線

    2.2.2閘門啟閉歷時(shí)影響

    以軍工路碼頭閘址、閘門起關(guān)潮位4.0m為例,對(duì)比分析不同啟閉歷時(shí)(20、40、60min)的結(jié)果。

    千年一遇風(fēng)暴潮水情下,不同閘門啟閉歷時(shí)條件下的閘址處流量過(guò)程如圖10所示,閘內(nèi)和黃浦公園水位過(guò)程如圖11—12所示。

    圖10 不同閘門啟閉歷時(shí)條件下閘址處流量過(guò)程線

    圖11 不同閘門啟閉歷時(shí)條件下閘內(nèi)水位過(guò)程線

    計(jì)算結(jié)果表明,3種啟閉歷時(shí)條件下的一個(gè)潮周期擋潮量分別為1.24億、1.21億、1.15億m3,閘內(nèi)側(cè)最高水位分別為4.01、4.08、4.30m,黃浦公園最高水位分別為3.72、3.76、3.90m,黃浦公園水位降幅分別為2.53、2.49、2.35m??梢?jiàn),河口閘啟閉歷時(shí)越短,擋潮量越大,閘內(nèi)高水位越低,擋潮效果越好。

    不同閘門啟閉歷時(shí)條件下的閘外水位過(guò)程如圖13所示。

    圖12 不同閘門啟閉歷時(shí)條件下黃浦公園水位過(guò)程線

    圖13 不同閘門啟閉歷時(shí)條件下閘外水位過(guò)程線

    計(jì)算結(jié)果表明,3種啟閉歷時(shí)條件下的閘外側(cè)水位最大振幅分別為1.42、0.76、0.54m,閘外側(cè)最高水位分別壅高0.57、0.29、0.18m,閘外側(cè)水位振蕩周期都為34min??梢?jiàn),河口閘啟閉歷時(shí)越短,閘外側(cè)水位振蕩幅度越大,啟閉歷時(shí)對(duì)水位振蕩周期無(wú)影響。

    2.2.3閘門選址影響

    以閘門起關(guān)潮位4.0m、啟閉歷時(shí)40min為例,對(duì)比分析不同閘址(離河口5.7km的軍工路碼頭、離河口1.8km的海軍碼頭)的結(jié)果。

    千年一遇風(fēng)暴潮水情下,不同閘址條件下的閘址處流量過(guò)程如圖14所示,閘內(nèi)側(cè)和黃浦公園水位過(guò)程如圖15—16所示。

    圖14 不同閘址條件下閘址處流量過(guò)程線

    圖15 不同閘址條件下閘內(nèi)側(cè)水位過(guò)程線

    計(jì)算結(jié)果表明,2種不同閘址條件下的一個(gè)潮周期擋潮量分別為1.23億、1.25億m3,閘內(nèi)側(cè)最高水位分別為4.08、3.99m,黃浦公園最高水位分別為3.76、3.72m,水位降幅分別為0.23、0.25m。可見(jiàn),河口閘位置離河口越近,擋潮量越大,閘內(nèi)高水位越低,擋潮效果越好。

    不同閘址條件下的閘外側(cè)水位過(guò)程如圖17所示。

    圖16 不同閘址條件下黃浦公園水位過(guò)程線

    圖17 不同閘址條件下閘外側(cè)水位過(guò)程線

    計(jì)算結(jié)果表明,2種閘址條件下的閘外側(cè)水位最大振幅分別為0.76、0.43m,閘外側(cè)最高水位分別壅高0.29、0.12m,閘外水位振蕩周期分別為34、14min。可見(jiàn),閘門位置離河口越遠(yuǎn),閘外水位振蕩幅度越大,水位振蕩周期越長(zhǎng)。

    3 結(jié)語(yǔ)

    本文構(gòu)建了黃浦江三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型,計(jì)算分析了黃浦江河口建閘的擋潮效果和閘外水位振蕩情況,得出以下結(jié)論。

    (1)黃浦江河口建閘可以有效防御千年一遇風(fēng)暴潮,大幅減少黃浦江進(jìn)潮量,降低閘內(nèi)高水位,降低上海城區(qū)防洪風(fēng)險(xiǎn);河口閘閘門啟閉歷時(shí)越短,起關(guān)潮位越低,閘址離河口越近,擋潮量越大,閘內(nèi)高水位越低,河口閘的擋潮效果越好。

    (2)河口閘擋潮的同時(shí)會(huì)激發(fā)閘外水位振蕩,振蕩周期跟起關(guān)潮位和啟閉歷時(shí)無(wú)關(guān),僅跟閘門位置有關(guān),閘門位置離河口越遠(yuǎn),閘外水位振蕩周期越大;閘門位置離河口越遠(yuǎn),起關(guān)潮位越高,啟閉歷時(shí)越短,閘外水位振蕩幅度越大。

    (3)振蕩使閘外高水位進(jìn)一步壅高,在閘門設(shè)計(jì)和調(diào)度運(yùn)行中需引起足夠的重視。

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