朱延熙，諸裕良，黃惠明，王燁人

(河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098)

圖1 王港河口工程區(qū)示意圖Fig.1 Wanggang estuary location

修建擋潮閘是潮汐河口地區(qū)防洪擋潮、御鹵蓄淡的重要工程措施，對城市水景觀的改善以及水文化的提升具有積極作用。然而，擋潮閘建成后亦會產(chǎn)生諸多負(fù)面影響，如閘下淤積、水體污染、阻隔洄游魚類生態(tài)通道等[1]，其中，閘下淤積是淤泥質(zhì)海岸河口建閘后普遍存在的問題[2]。隨著近年沿海圍墾工程的開展，淤積進(jìn)一步加劇，海岸線不斷向外擴(kuò)張[3]。針對閘下淤積：竇國仁[4]研究射陽河閘，總結(jié)出淤積的發(fā)生條件和影響因素；刑煥政[5]發(fā)現(xiàn)海河閘下泥沙源于河口水下三角洲和淤泥質(zhì)暗灘；張金善等[6]提出水流挾沙力不對稱、輸沙不均衡致使河道持續(xù)淤積；繳健等[7]通過多地閘下淤積案例得出，潮差越大，帶入河道泥沙越多，閘下河道越長，淤積總量越大；閘下淤積的主要沙源為海相來沙[8]。目前，有許多防淤清淤措施[9]，但對于長期淤堵的老舊河閘效果并不理想。為此，人們開展擋潮閘外遷工程，但因案例較少，外遷后相關(guān)影響研究仍較為欠缺。

河口概化模擬[10]是將研究對象進(jìn)行概化，得到具普遍性的河口模型，雖與原型河口不同，卻能反映內(nèi)在本質(zhì)。徐雪松[11]建立射陽河口概化模型，探討潮波變形的影響因素；江遼[12]對珠江黃茅海河口及崖門水道進(jìn)行概化模擬，開展數(shù)值試驗(yàn)；任艷粉[13]通過概化模型試驗(yàn)，分析黃河口演化過程。本文通過概化模擬王港河口，研究擋潮閘外遷對閘下水動(dòng)力特征的影響。

王港河口位于鹽城大豐港南部(圖1)，入海港道在王港閘遷移工程中被“裁彎取直”，河口平面形態(tài)較為規(guī)則，且口外潮流較強(qiáng)，外遷后閘下沖淤狀況穩(wěn)定，是擋潮閘外遷的良好工程案例。故以其為原型，建立潮汐河口三維水動(dòng)力概化數(shù)學(xué)模型，通過模擬擋潮閘遷移前、后兩種工況，對比閘下潮位、流速以及流向的特征變化，分析外遷的相關(guān)影響。分析結(jié)果可為類似的強(qiáng)潮流河口擋潮閘外遷論證以及外遷后的閘下淤積研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 河口概況

王港河口于江蘇954 km海岸線中部，為堆積型粉砂淤泥質(zhì)海岸，底質(zhì)中值粒徑范圍為0.015 4～0.087 9 mm，泥沙啟動(dòng)流速小、沉降速度大、沉積密實(shí)快。據(jù)資料，里下河地區(qū)的澇水主要依靠鹽城市沿海16條港道外排入海，然而，包括王港在內(nèi)的諸多港道均在建閘后發(fā)生不同程度的淤積。

王港閘建于1959年，設(shè)計(jì)最大流量1 060 m3/s、日均排澇流量306 m3/s。由于大豐沿海為典型的淤長型海岸，加以建閘后潮波變形等因素，致使王港閘下游港道淤積嚴(yán)重，港道長度由1.5 km淤長至19 km，對沿線防洪安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，現(xiàn)已將王港閘外遷至河口處。

1.2 海區(qū)概況

王港河口屬強(qiáng)潮區(qū)，潮汐為規(guī)則半日潮，東臨輻射沙洲北部的主要潮汐通道——西洋深槽。輻射沙洲地區(qū)潮汐環(huán)境特殊，受東海前進(jìn)潮波和南黃海旋轉(zhuǎn)潮波控制，兩潮波波峰線在弶港岸外交匯。在南、北兩個(gè)潮波系統(tǒng)作用下，西洋深槽總體相對穩(wěn)定，水深槽寬，由斗龍港向南，走向?yàn)镹NW—SSE，-10 m等深線長達(dá)55 km，寬達(dá)5 km以上，尾部伸向東臺海灘。

口外海區(qū)平均高潮位2.10 m，平均低潮位-1.58 m，平均潮差3.68 m。潮流主流向與岸線大致平行，近似呈南北向往復(fù)流，漲潮流向偏南，落潮流向偏北。潮流進(jìn)入河口后，因反射發(fā)生潮波變形，前進(jìn)波形轉(zhuǎn)化為駐波形，據(jù)實(shí)測資料，河口內(nèi)最大流速一般出現(xiàn)在中潮位附近，高低潮時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)流，漲潮流速大于落潮流速。

2 三維水動(dòng)力概化數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程及求解

三維連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：u,v,w分別是流速在笛卡兒坐標(biāo)中x,y,z方向的分量；g為重力加速度；veh=vth+v，vev=vtv+v分別為水平有效粘性系數(shù)和垂向有效粘性系數(shù)；f為科氏力系數(shù)；t為時(shí)間；ρ為水體密度；P為總壓力。

圖2 模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Model computational grid

基于有限體積方法進(jìn)行數(shù)值離散求解，外邊界由東中國海潮波數(shù)學(xué)模型提供Z邊界=ζ(t)，其中ζ(t)為邊界潮位。為避免模型計(jì)算不穩(wěn)定，采用干濕動(dòng)邊界處理方法，其中干水深、淹沒水深及濕水深分別設(shè)定為hdry=0.005 m、hflood=0.05 m和hwet=0.1 m。取上游流量Q=0 m3/s，時(shí)間步長Δt=0.5 min，模擬60 d內(nèi)閘下水動(dòng)力過程。

2.2 模擬范圍及網(wǎng)格劃分

以王港河口為原型，結(jié)合2016年衛(wèi)片資料及2010年水下地形資料，建立概化河口模型。據(jù)實(shí)測，設(shè)定概化港道長10 km，基槽寬200 m，基槽底高程-10 m，邊坡1：3，河口邊灘與航道軸線呈45°夾角。模擬區(qū)域合計(jì)南北長21.6 km、東西寬20 km。

如圖2，模型采用由外海向陸地逐步加密的非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格進(jìn)行離散，港道及河口區(qū)域網(wǎng)格邊長約40 m，外海區(qū)域網(wǎng)格邊長約400 m，共計(jì)9 345個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 模型率定和驗(yàn)證

圖3 潮位驗(yàn)證(大豐港二期碼頭)Fig.3 Tidal level verification (Dafeng port phase II terminal)

近年，對蘇北沿海河口的數(shù)值模擬成果頗豐。據(jù)以往研究成果[2]，河道糙率取0.02，灘地糙率取0.045，外海糙率隨水深變化，公式為n=0.013+0.01/H[14]。驗(yàn)證資料為王港河口北部大豐港二期碼頭的潮位資料及碼頭以北1 km處潮流實(shí)測點(diǎn)的同步流速、流向資料，驗(yàn)證時(shí)段為2010年5月31日14：00至6月1日17：00。

2.3.1 潮位驗(yàn)證

潮位驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示，大潮潮型，模擬值與實(shí)測值較吻合，較好反映了王港河口附近海域的潮位特征。

2.3.2 流速、流向驗(yàn)證

通過實(shí)測點(diǎn)表層、0.6H層、底層的流速、流向資料對模型進(jìn)行驗(yàn)證，如圖4所示，驗(yàn)證結(jié)果良好。

圖4 流速、流向驗(yàn)證(大豐港二期碼頭潮流實(shí)測點(diǎn))Fig.4 Flow rate, flow direction verification (Trend measurement point of Dafeng Port phase II terminal)

類別統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目大潮小潮平均漲潮歷時(shí)(h)5.35.5漲落歷時(shí)平均落潮歷時(shí)(h)76.8漲、落潮歷時(shí)差(h)1.71.3平均漲潮流速(m·s-1)1.551.27潮流流速平均落潮流速(m·s-1)1.241.2漲、落潮流速差(m·s-1)0.310.07

2.4 研究潮型的選擇

統(tǒng)計(jì)分析王港河口水文資料，由表1可知，該河口大潮時(shí)期的漲落潮歷時(shí)差和流速差均大于小潮時(shí)期，且大潮潮差、流速亦大于小潮，故大潮時(shí)期的潮不對稱性更加顯著，更易促進(jìn)港道內(nèi)的潮波變形現(xiàn)象。故下文中所對比分析的相關(guān)水動(dòng)力過程均選取在水動(dòng)力環(huán)境較強(qiáng)、潮汐不對稱性較明顯的大潮時(shí)期。

3 設(shè)計(jì)方案及成果分析

擋潮閘遷移前后的工況設(shè)計(jì)如圖5所示：遷移前(工況1)，舊閘門與河口間為10 km引河段；遷移后(工況2)，新閘門設(shè)立在河口處；在舊閘與新閘下40 m處分別設(shè)測點(diǎn)p1、p2，以對比新、舊閘下的潮位、流速及流向過程；在舊河口設(shè)測點(diǎn)p3，坐標(biāo)與p2相同，以對比新、舊河口的潮位特征。

3.1 河口流速場對比

對比新、舊河口大潮時(shí)期的漲、落急流速場，如圖6示：6-a、6-b分別為漲急時(shí)舊河口與新河口的流速場，6-c、6-d分別為落急時(shí)對應(yīng)的流速場。下文以“流速漸變帶”表示口外潮流速度受河口影響的區(qū)域。

由圖6-a、6-b對比發(fā)現(xiàn)，漲急時(shí)，新河口外的流速漸變帶略寬于舊河口，可能由河口建閘后漲潮流反射、近岸流擾亂導(dǎo)致；舊河口內(nèi)因潮波變形，處于轉(zhuǎn)流時(shí)刻，潮流進(jìn)入河口后流速顯著降低；新河口建閘后，潮流無法上溯，故口外水動(dòng)力環(huán)境較強(qiáng)。

圖5 擋潮閘遷移前后工況設(shè)計(jì)Fig.5 Cases design before & after sluice migration

由圖6-c、6-d對比發(fā)現(xiàn)，落急時(shí)，新、舊河口外的流速漸變帶大小相近，且均小于漲急時(shí)刻；舊河口內(nèi)仍處于轉(zhuǎn)流時(shí)刻，下泄流量較少、口外流速較低；新河口建閘后，無下泄流量，口外水動(dòng)力環(huán)境較弱。

綜合來說，擋潮閘外遷對河口外潮流的流速分布影響較小。閘門外遷后，河口水動(dòng)力環(huán)境在漲潮時(shí)期略增強(qiáng)、落潮時(shí)期略減弱。

6-a 舊河口漲急流速場6-b 新河口漲急流速場

6-c 舊河口落急流速場6-d 新河口落急流速場圖6 擋潮閘遷移前后河口漲(落)急流速場Fig.6 Estuarine velocity field during high(Ebb) tide period before & after sluice migration

3.2 潮位過程對比

圖7 閘下及河口潮位過程Fig.7 Tidal process under sluice & estuary

記錄舊閘測點(diǎn)p1、新閘(新河口)測點(diǎn)p2以及舊河口測點(diǎn)p3大潮時(shí)期的潮位過程，如圖7所示。

對比p1、p2，擋潮閘外遷后，閘下平均高潮位小幅降低，從1.61 m降至1.51 m；平均低潮位小幅升高，從-1.46 m升至-1.37 m；平均潮差減小，從3.07 m減至2.88 m。外遷前，閘下漲、落潮歷時(shí)比約0.73，為潮流進(jìn)入河口后潮波變形所致；外遷后，閘下漲、落潮歷時(shí)趨于相近，比值約0.89，潮汐不對稱性減弱。此外，由于擋潮閘外遷后，潮波無需通過港道傳至閘門，故新閘下潮位過程的時(shí)間相位較之舊閘略微提前。

對比p2、p3，舊河口與新河口的潮位過程很相近，潮差、漲落潮歷時(shí)以及時(shí)間相位均無顯著差距，說明擋潮閘外遷對河口原潮位特征無太大影響。

采用Elgar和Guza的方法[15]計(jì)算60 d內(nèi)潮位模擬過程的偏度Sx和不對稱度Ax

(5)

Ax=Simag(H(x))

(6)

表2 閘門遷移前后閘下及河口地區(qū)潮位、流速及潮位不對稱度計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation of tidal level, flow velocity and tidal asymmetry under the gate and estuary before and after the gate migration

計(jì)算結(jié)果如表2所示：易見，不論遷閘與否，閘下與河口地區(qū)的潮位不對稱度均為負(fù)值，即均為漲潮占優(yōu)。擋潮閘外遷后，閘下潮位不對稱度的絕對值變小，表明潮汐不對稱性減弱，有助于改善潮波變形現(xiàn)象；口外潮位、潮流特征無太大變化。

3.3 流速、流向過程對比

記錄同時(shí)段內(nèi)舊閘測點(diǎn)p1、新閘測點(diǎn)p2的流速、流向過程，如圖8所示，進(jìn)一步對比擋潮閘遷移前后，閘下平面流速、流向以及分層流速特征。

3.3.1 閘下流速、流向特征變化

對比圖7、圖8-a，舊閘下因潮波變形，p1流速過程與潮位過程出現(xiàn)2.5～3 h的時(shí)間相位差，流速峰值出現(xiàn)在中潮位，谷值出現(xiàn)在高、低潮位，駐波特性明顯，且漲潮流速略大于落潮流速，漲、落潮流速比約1.18；擋潮閘外遷后，新閘下p2流速過程與潮位過程無顯著時(shí)間相位差，漲潮流速仍大于落潮流速，漲、落潮流速比約1.21。新閘下的流速總體上高于舊閘，p1、p2平均流速比約1.26。

8-a 流速8-b 流向

8-c p1分層流速8-d p2分層流速圖8 閘下流速、流向過程Fig.8 Current speed & direction process under sluice

對比圖7、圖8-b，舊閘下p1流向基本沿港道方向，漲潮流由東向西，落潮流由西向東，呈東西(WE)往復(fù)流，而新閘下p2流向受沿岸流影響，大致沿南北(NS)方向，漲潮流由北向南，落潮流由南向北。舊閘下因潮波變形，漲潮歷時(shí)短于落潮，轉(zhuǎn)流發(fā)生在高、低潮位附近；擋潮閘外遷后，新閘下漲、落潮歷時(shí)相近，轉(zhuǎn)流發(fā)生在中潮位附近。

3.3.2 閘下分層流速特征變化

由圖8-c，擋潮閘遷移前，閘下p1垂向各層流速分布不均，從表層向底層，相鄰兩層流速的峰值差依次約0.004、0.007、0.012、0.022、0.054 m/s，表層與0.2H層的差值最小、流速幾乎相同，隨后鄰層間的流速差不斷增大，0.8H層與底層相差最大。流急時(shí)，表層流速約0.51 m/s，底層流速約0.41 m/s，表、底層流速比約1.24；流息時(shí)，各層流速相近，均值約0.1 m/s。

圖9 垂向各層流速對比(流急)Fig.9 Comparison of flow peaks in vertical layers

由圖8-d，擋潮閘遷移后，閘下p2垂向各層流速分布得更加均勻，從表層向底層，相鄰兩層流速的峰值差依次約0.029、0.033、0.041、0.056、0.061 m/s。流急時(shí)，表層流速約0.66 m/s，底層流速約0.44 m/s，表、底層流速比約1.5；流息時(shí)，各層流速相近，均值約0.16 m/s。

對比而言(圖9)，同水深條件下，閘門外遷后閘下垂向各層流速的分布更加均勻，且流速垂向的總體變化幅度(表、底層流速比)更大；流急時(shí)，新閘下的各層流速均高于舊閘，且由底層至表層，二者間流速差不斷增大；流息時(shí)，新、舊閘下的流速垂向分層均不明顯，但新閘下流速均值高于舊閘。

4 結(jié)論

(1)擋潮閘外遷后，閘下潮波變形現(xiàn)象減弱：閘下流速過程與潮位過程間的時(shí)間相位差縮小，轉(zhuǎn)流時(shí)刻由高低潮位趨于中潮位，駐波特性減弱；閘下潮差減小、漲落潮歷時(shí)趨于相近，潮汐不對稱性減弱，有利于改善漲落潮流輸沙不等現(xiàn)象。

(2)擋潮閘外遷后，閘下水動(dòng)力環(huán)境增強(qiáng)：閘下平均流速增大，且流向受沿岸流影響；同水深條件下，新閘下垂向各層流速的分布比舊閘更加均勻，且表、底層流速比更大；流急時(shí)，新閘下垂向各層流速均高于舊閘，有利于加強(qiáng)閘下沖刷、減輕淤積；流息時(shí)，流速垂向分層不明顯，但新閘下流速均值高于舊閘。

(3)擋潮閘外遷對河口外潮流的流速分布影響較小。外遷后，河口的水動(dòng)力環(huán)境在漲潮時(shí)期略增強(qiáng)、落潮時(shí)期略減弱。

(4)本文以王港河口為原型，初步探討了擋潮閘外遷對閘下水動(dòng)力特征及河口水動(dòng)力環(huán)境的影響，可為類似的強(qiáng)潮流河口擋潮閘外遷論證、外遷后的閘下淤積研究提供參考，具有實(shí)際意義。