长江口北槽深水航道水沙输运特征三维数值模拟

长江口北槽深水航道水沙输运特征三维数值模拟
曹慧江;王大伟;郭超硕
【摘要】Based on hydrological observation data in the North Passage of the Yangtze River,we apply three-dimensional numerical model to simulate saline wedge,water current,and sediment transportation.The results show that obvious differences exist between the sediment of surface and bottom layer,and the distribution of sediment is uneven
vertically.Sediment is more likely to concentrate in the middle North Passage,due to saline wedge.At the same time, the distance from the upper North Passage to open seas is so long, that sediment could hardly be transported out of the North Passage during an ebb-tidal duration, which greatly increases the possibility for the sediment to transport cross the waterway.Especially, high-concentration sediment often silts in waterway when current changes direction with low velocity and long duration in the middle and lower North Passage.Even after the sediment is transported out of the North Passage,rotary current may carry part of the sediment back to the North Passage through Jiuduansha wetland and south jetty.This transport pattern happens repeatedly,which contributes to high sediment concentration in the North Passage.%基于长江口北槽实测水文观测资料,利用三维水流泥沙数学模型对北槽内盐水楔、水流及泥沙输运特征等进行模拟分析.结果表明:北槽中段泥沙表、底层差异明显,垂向分布不均匀,受盐水楔影响,泥沙更容易在中段聚集;泥沙北槽内输运距离较长,1个落潮过程难以输出北槽,在反复输移中跨越航槽几率大大增加,尤其北槽中下段涨转落低流速时段较长,底部
含沙量较高,易形成航道回淤;输出北槽的部分泥沙水体可能在旋转流作用下经九段沙及南导堤重新回到北槽,累积循环,成为北槽内含沙量较高的重要原因.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2017(000)011
【总页数】8页(P69-76)
【关键词】三维数学模型;航道;长江口;悬沙输移特性
【作者】曹慧江;王大伟;郭超硕
【作者单位】中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海200120;中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海200120;中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海200120
【正文语种】中文
【中图分类】TV142;U612.3
长江口是丰水多沙、中等强度的潮汐河口，口门附近发育有巨大的拦门沙系，自1998年起分阶段实施了长江口深水航道工程。

2010年12.5 m深水航道开通，在发挥巨大经济效益和社会效益的同时，由于长江口水沙运动的复杂性，其航道年均回淤量约8 900万m3，且时空分布高度集中(主要集中在洪季的北槽中下段)[1]。

在航道人工疏浚的作用下，北槽地貌意义上的拦门沙已不存在，但在河口最大浑浊带的水沙输运机制的作用下，航道回淤仍然集中在北槽中段，这与北槽河段的三维水沙输运特性有关。

前人对长江口区域的三维水沙输移特性进行了很多相关研究，如最大浑浊带水沙输移过程，底沙、悬沙运动规律，盐度变化分析等方面。

为弥补实测资料在空间补点
及水流泥沙拉格朗日运动研究方面的不足，本文基于长江口12.5 m深水航道附近洪枯季、大小潮水文观测资料建立了长江口三维水沙数学模型，并利用数学模型结合实测资料对洪、枯季北槽内盐水楔、泥沙输运特征、水质点拉各朗日运动等对北槽内的水沙输运特征进行模拟分析。

2012年2月及8月，在长江口南港—北槽河段进行了大、小潮全潮水文测验，洪枯季2次水文测验布置基本一致，均于航道底边线南侧300 m处布置了10个测点(洪季CS10测点处于航道底边线南侧1 km处)，见图1。

观测内容包括流速、流向、悬移质含沙量、含盐度等。

2.1 潮流方程求解
在流体不可压缩、Boussinesq假设和静压近似下，引入水平非正交曲线和垂向σ坐标系：ξ=ξ(x,y),η=η(x,y),σ=，其中x、y、z分别为向东、向北、向上的卡笛尔坐标，三维潮流控制方程组(包括动量、连续、温度、盐度和密度方程)变换为：-h2gD+σdσ-ρdσ+
式中：ζ为海表面波动；H为静止状态下的水深；u1、v1分别为ξ方向、η方向的速度分量；J为雅可比函数；s为盐度；f为科氏参数；g为重力加速度；Km为垂向涡动黏滞系数；Kh为热力垂向涡动扩散系数；Fx、Fy和Fs分别为水平动量和盐度扩散项；
模型水平方向采用非正交曲线网格，采用“C”网格有限差分格式；动量方程中的正压梯度力采用隐式方法，连续方程的求解采用半隐方法。

输运方程中平流项数值计算格式采用高阶的TVD数值格式，完全消除数值计算频散、大幅降低数值计算耗散，以及保障整个计算域的高度守恒性[2]。

2.2 悬沙输运方程求解
基于明确的悬沙输运物理机制，在三维水动力模式中耦合了泥沙输运模块，模块中涉及的悬沙输运方程为：
式中：Sc为悬浮泥沙浓度;ws为泥沙沉降速度。

方程的海底边界条件可用下式表示：
式中：F=qero-qdep，其中qero、qdep分别为海底的侵蚀通量、泥沙的沉积通量，计算如下：
式中：τ为海底拖曳力；τe为临界冲刷切应力；τd为临界淤积切应力。

3.1 泥沙沉降速度
模型考虑了盐度和含沙量对絮凝的影响，并利用絮凝公式计算沉降速度：
根据公式泥沙沉降速度取值在0.2 ～0.5 mms。

3.2 应力及系数取值
根据验证情况作一定的修正，τe取值在0.4～0.6 Pa，τd取值在0.1～0.3 Pa。

根据现场实测资料进行验算，初步估算模型冲刷系数范围为2×10-5～7×10-5。

而
后根据模型调试冲刷系数M，模型取值4×10-5；长江口沉降概率系数α′取值范
围为0.2～0.9,模型中取值为0.7。

3.3 水体密度与含沙量关系
底边界层的水动力研究中需要考虑悬沙的贡献，可建立海水的密度和含沙量之间的关系，考虑泥沙浓度的海水密度为:
式中：ρw为海水的密度；ρs为泥沙的密度；Sc为泥沙浓度。

3.4 模型计算网格及参数
模型计算范围见图2。

模型网格很好地拟合了长江口深水航道工程与自然岸线，并在工程区局部加密至空间步长最小为20 m，垂线分10层，时间步长为10～30 s。

采用2012年8月实测水位、水流、盐度、泥沙含量模型实测水文测验资料分别进行验证，计算值与实测值基本吻合，模型的验证符合相关规程要求(图3～5)。

5.1 北槽内纵向泥沙输运过程及模拟
本文对北槽内泥沙纵向输运过程中典型时刻的泥沙纵向输运过程进行逐时模拟分析，
结果如图6所示。

1)涨潮：口外低含沙量水体进入北槽后，动力增强，北槽河床泥沙起悬，含沙量增大，并随涨潮流向上输移；随着潮水位抬高，越过南导堤的涨潮流挟带高含沙水体进入北槽(越堤流含沙量大于北槽)，进一步增大北槽水体含沙量。

而后涨转落憩流自下而上在北槽沿程出现，逐渐形成的高含沙量水体在北槽中段遭遇较弱的动力和适宜絮凝的盐度，泥沙向底层聚集形成底部高含沙量层，且近底部分泥沙落淤。

2)落潮：落潮过程潮位逐渐降低，主流归槽，泥沙再悬浮后随落潮流向口外输移；但由于北槽距离长，泥沙无法在一个落潮过程输移出北槽下口，北槽中下段含沙量一直保持较高水平。

北槽自下而上出现的落转涨低流速时段内悬沙发生落淤；低流速时段过后，没有输出北槽下口的泥沙，又随涨潮流向上输移。

通过涨转落与落转涨对比可知，在一个潮周期内涨转落阶段高含沙量水体在北槽中段聚集、沉降；而落转涨阶段高含沙量水体则主要在北槽下段聚集、沉降。

5.2 北槽盐度场特征
从北槽潮期平均水、沙、盐的分布特征(图7)来看，北槽中段位于最大浑浊带区段，存在河口滞流点，尤其小潮期盐度层结明显，底层呈涨潮优势，垂向环流结构明显，含沙量高且垂向分布不均匀，含沙浓度洪季大、枯季小，差异明显；盐水楔发育明显，盐度基本在0.7%～1.2%，适合细颗粒泥沙絮凝。

5.3 北槽平面环流及水质点输运特征
北槽距离较长，且中段存在横向平面环流[5]，北槽进口段水沙在1个落潮过程中
不能输出北槽，从水质点运移路径来看，至少涨落往复2次，期间跨越航槽1～5次，且多数在转流时段跨越，前述分析中已指出转流低流速时段底部含沙量较高，此时水沙跨越航道更易形成航道回淤。

5.4 北槽中段的三重叠现象
北槽中段存在易发生淤积的“三重叠”现象：1)由于河口潮汐不对称现象，北槽涨
转落时刻比落转涨时刻要长；2)涨转落时刻存在平面上“漩涡状”的环流；3)该时刻中段底部含沙量较高。

易发生航道淤积的3种条件同时存在，应为北槽中下段回淤较为严重的主要原因(图10)。

5.5 泥沙与外界的交换循环特征
输出北槽的部分泥沙水体与南槽落潮末期含沙水体混合后在涨潮流作用下经九段沙及南导堤重新回到北槽，累积循环，容易形成局部含沙量的递增。

从四口沙量对比来看，南导堤来沙量最大，其对北槽内高含沙量水平做出了重要贡献。

1)在水沙输运规律及时空分布上，北槽中段航槽内存在易发生淤积的“三重叠”现象(涨转落低流速时刻、平面环流、底部高含沙量)，应为北槽中下段回淤较为集中的主要原因。

2)在泥沙来源上，输出北槽的部分泥沙水体与南槽落潮末期含沙水体混合后在涨潮流作用下经九段沙及南导堤重新回到北槽，累积循环，对北槽内高含沙量水平做出了重要贡献。

【相关文献】
[1] 中交上海航道勘察设计研究院有限公司.长江口南港-北槽深水航道常态回淤原因研究总报告[R].上海:中交上海航道勘察设计研究院有限公司,2013.
[2] 中交上海航道勘察设计研究院有限公司.三维风浪、潮流、泥沙数值模拟系统及开发[R].上海:中交上海航道勘察设计研究院有限公司,2015.
[3] 长江委水文局长江口水文水资源勘测局.长江口深水航道养护工程2012年8月长江口北槽水域水文测验[R].上海:长江委水文局长江口水文水资源勘测局,2012.
[4] 曹慧江,王大伟,袁文昊.长江口横沙东滩建港水动力泥沙环境三维数值模拟[J].水运工
程,2015(12):74-79.
[5] 曹慧江,王大伟.三维数值模拟研究模型成果可视化系统开发及研究[C]中国交通建设股份有限公司.2015年中国交建技术交流论文集,北京:[出版者不详]:55-59.。