长江口深水航道工程南导堤越堤通量时空变化数值研究

长江口深水航道工程南导堤越堤通量时空变化数值研究
许鹏;葛建忠;丁平兴;付桂
【摘要】在长江口北槽深水航道工程的背景下,以实测地形资料为基础,利用FVCOM,模拟南导堤越堤水流的时空变化.通过对越堤流过水断面通量的计算,分析工程前后越堤流的时空变化规律.导堤丁坝的修建,使得南北槽之间的水动力条件显著改变,工程之后,横向水流净通量指向北槽,且量值较大.越堤水流的沿程分布,以导堤转角为界,上半段逐渐减小,下半段逐渐增大,上半段净通量小于下半段;越堤流的净通量,在季节上变幅不大,在潮周期内呈周期性波动,净通量与潮位呈良好的线性相关.【期刊名称】《华东师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(000)002
【总页数】16页(P112-127)
【关键词】南导堤;越堤水流;时空变化;数值模拟
【作者】许鹏;葛建忠;丁平兴;付桂
【作者单位】华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062;上海长江口航道管理局,上海200003
【正文语种】中文
【中图分类】P751
长江河口作为中国最大的河口，三级分汊，四口入海，丰水多沙，因其特殊的地理位置、复杂多变的水沙运动以及与之相关的航道、港口工程等社会价值，历来为国
内外众多学者所重视.而这其中，河口地区的水沙输移是河口研究的热点问题之一，水沙在分汊河口的分配及输移对河口区域的演变以及河口工程的兴建具有重要意义. 长江口深水航道工程的巨大作用不言而喻，但与此同时，航道的回淤问题也亟待解决.研究表明，航道回淤量远超预期，回淤分布高度集中且洪枯季差异明显，2010年以后的12.5 m航道通航维护期内全槽年回淤方量已达7 000万m3以上［1］.针对此问题，众多单位和学者从不同角度、利用多种方法进行了探讨和研究，已得出一系列成果［2-10］.多年以来，有关北槽进出口的水沙输移运动研究较多，葛
建忠［11-12］，范中亚［13］等利用FVCOM模型模拟了深水航道工程后长江
口北槽附近流场的变化，研究表明，导堤丁坝的束水作用使得主槽流向集中，坝田区域产生涡旋.但在已发表的研究成果中，关于北槽南边界，即关于对南导堤越堤
水沙运动的研究仍然较少.刘猛等［14-15］通过2008年10月和11月两次水文
观测数据，结合数值模拟进行分析，指出存在越过南导堤指向北槽的净输沙运动，越堤水流所携带的泥沙绝大部分可以通过坝田进入北槽.胡志锋等［16］在通过物
模研究九段沙北侧输沙对长江口深水航道影响时发现，九段沙的底沙能够越堤进入长江口深水航道.刘高峰等［17］通过在南导堤和南滩地上开展一系列观测，研究
结果表明在南导堤被淹没期间，除中上小段有微弱的由北槽指向九段沙的泥沙净输移运动外，其余区段均有较强的由九段沙指向北槽的泥沙净输移运动，从整个南导堤来看，指向北槽的净输沙运动占绝对优势.前人在对工程后南导堤越堤水沙的研
究上已取得一定成果，但限于观测条件的不足，对越堤流的研究还很不详尽，例如缺乏对不同时间尺度上的水流净通量的研究，缺乏对不同时期沿程越堤水流分布的研究等.
本文拟在前人研究的基础上，利用率定验证后的FVCOM导堤丁坝模式，模拟长
江口深水航道工程影响下的越堤水流并计算其时空变化特征，在此基础上进行初步的分析与讨论.
1.1 模型的介绍和设置
本文采用无结构三角网格、有限体积、自由表面、三维原始方程的海洋模型FVCOM模型对长江河口及邻近海域进行水动力场模拟.该模型结合了有限元法和有限差分法的优点，适合模拟浅海复杂边界，主要包括水质模块、生态模块、泥沙输运模块、流场—波浪—泥沙耦合模块等，其中改进后的导堤丁坝模块适用于有人工修建的坝体建筑物的水体，能够更好地模拟深水航道附近的水流［11］.
多数海洋模型中，对于导堤丁坝的多采用缓坡地形近似处理，而葛建忠等［12］开发的导堤丁坝模块运用窄堤算法，即忽略导堤丁坝的宽度，将导堤定义为边界进行计算，能有效保证两侧水体质量守恒.具体计算中将导堤布置分为直线型、丁字型和十字型，垂向上根据堤顶高程和当地水深关系考虑三种情况：①淹没式，计算水体分为两层，上层自由流过堤顶，下层被堤身阻挡，按固边界处理；②出水堤，则将整个建筑物按固边界处理；③半潜堤，即潜堤在高潮位淹没，在低潮位露出水体，此种情况在每个时间段判断堤顶高程和当地水位的关系.确定采用①或者②方法处理.当堤身为出水堤时，堤身两侧当做两个固边界；当堤身为淹没堤时，分为上层自由流和下方固边界计算，当堤身为淹没堤时，上方自由层求解方程为
式中，ω为垂向流速，Ωl和Ωr为左右两个控制体的面积，ζ为自由表面水位，D 为总水深，l为堤身长度，k为垂向分层数，Δσk=σk-σk-1.
本文的计算区域包括了长江口、杭州湾及邻近海域，通过对海图数字化得到计算区域的地形资料.计算网格如图1所示，在外海区域空间分辨率较低，在河口区域尤其是北槽航道处空间分辨率较高，达到200—300 m.外海开边界处由潮位驱动，考虑M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1和Q18个主要分潮.长江径流量从长江水文网上发布的大通水文站获得.风场由欧洲中期天气预报中心（ECMWF）网站下载获得，下载所得风场数据与实测风场数据部分对比如图2所示.初始温度和盐度场由海洋图集上的月平均数据进行数字化并插值得到.模型的主要参数，不同区域底
摩擦系数给不同的值，大致上近岸大、离岸小，采用sigma坐标，垂向分为20层，采用Mellor-Yamada 2.5阶湍流闭合模型，能够更好模拟近岸的垂向混合.为了研究南北槽水流交换在深水航道工程不同阶段的变化，本文选取1997年、2001年、2005年和2009年对应深水航道工程前、工程一期后、工程二期后和
工程三期后的地形；为了分析水流交换在不同季节的变化，本文选取1月份和7
月份分别代表枯季和洪季进行计算.
1.2 FVCOM模型的验证
1.2.1 潮位验证
潮位的变化对越堤流的影响很大，北槽南导堤设计的初衷也是截断中潮位以下的南北槽之间的水沙进出，因此对潮位的验证很有必要.本文选取对越堤流影响较大的
北槽中站和横沙站进行验证，实测资料是2012年2月份和2012年8月份的潮位资料.验证结果如图3所示，从结果来看，北槽中站和横沙站的潮位模拟吻合良好，计算比较精确.
1.2.2 流速、流向、盐度验证
本文利用2013年7月份和2014年1月份两次长江口公共航次的水文观测资料，对模型计算的流速和流向进行了验证，由于篇幅所限，这里仅列出对越堤流影响较大的K1406、K1408、K1409、K1411测站在2014年1月份大潮期间的验证结果，2014年公共航次测站位置如图4所示，验证结果如图5所示.通过验证结果
可以看到，4个测站的流速、流向和盐度模拟与观测结果均吻合较好，无论从趋势上还是精度上都能够较好地刻画北槽深水航道附近的流场，这对越堤流的计算提供了良好的精度保证.
1.2.3 越堤流沿程单宽净通量验证
由于长江口深水航道南导堤两侧滩面现场观测环境较为恶劣，加之对南导堤越堤流的研究到目前为止还较少，现有的观测资料很少.刘猛、刘高峰等［14］在2008
年10月14日至10月20日在南导堤堤顶布置了三脚架进行观测，得到了沿程的越堤流和越堤沙的数据，本文以此作为参考，将计算所得的越堤流沿程分布与该数据进行了比对验证，结果如图6所示.通量的计算时间与观测时间一致，为2008
年10月14日至10月20日.单宽通量的计算方法说明：流量的计算是法向流速与过水面积的乘积，首先计算导堤上每一点的法向流速，过水面积通过积分得到，将南导堤沿程分段，计算每一小段每一个小时的流量（模型每小时输出一个结果），并对计算时段所有流量求平均值，再根据单宽流量的定义，将每一小段的流量除以每段长度.从比对结果来看，模型计算值与观测数据从趋势和数值上基本一致，也
从另一个侧面印证了该模型模拟结果的合理性和可靠性.
2.1 越堤水流通量沿程变化特征
长江口北槽深水航道整治工程如图1所示，主要包括修建南北双导堤、丁坝和进
行河槽疏浚.工程分三期进行，一期1998年1月开始，2001年6月完工，目标水深8.5 m；二期工程2002年4月开工，主体工程2004年12月完成，2005年3月实现10 m目标水深，2005年11月验收；三期工程于2006年9月开工到2010年5月交工，实现12.5 m北槽航道全线贯通［14］.长江口深水航道工程三期之后地形如图15所示，为了更方便地研究通量的沿程变化，以丁坝位置为界，将南导堤划分为9段，并编号A，S1，……，S9.
2.1.1 枯季越堤流净通量沿程变化特征
如前文所述，本文选取1997年、2001年、2005年和2009年分别代表工程之前、一期工程之后、二期工程之后和三期工程之后，选取各自年份的1月份代表枯季，7月份代表洪季. 1月份月平均的单宽越堤潮通量沿程变化如图8所示，各段导堤
通过的潮量如表1所示.
导堤修建之前，南北槽之间的水流有较强的横向交换，A—S7段净通量均指向北槽，S7—S9段净通量指向南槽.其中指向北槽的潮流最大值出现在S5附近，指向
南槽的最大值出现在最末端S9附近.S1—S2、S3—S4、S7—S8段指向南槽和北
槽的潮流强度相当，单宽净通量较小，整个1月份水流交换净通量仅在1亿m3
左右，A—S1和S8—S9段水流交换的净通量最大，达到10亿m3左右（1个整月，下同）.
一期工程（即A—S5段）完成之后，A—S5段净通量的变化相对于导堤修建之前变得较为平顺，单宽越堤净通量维持在20—30（×103m2）之间.S7—S9段净通量仍然指向南槽，但相较于导堤修建之前，流向南槽的净通量有所减小，总量由10.15亿m3减小到6.49亿m3.
二期工程（即S5—S9段）完成之后，S5—S9段的潮流净通量由既有指向北槽也有指向南槽变成均指向北槽，且呈现两侧小，中间大的态势.全程来看，以S4为界，净通量先减小后增大，且上半段（13.51亿m3）明显小于下半段（28.37亿
m3）.
三期工程（隔堤）完成之后，总体来看，沿程变化趋势与二期工程后基本相同，仍然以S4为界，先减小后增大，但全程越堤流净通量分布更为平均，上半段（19
亿m3）与下半段（23.42亿m3）之间的差值已明显减小.
潮汐的潮时、潮位和潮向对水流是否能越过导堤以及流往北槽或南槽有很重要的影响，因此研究越堤流变化特征时，有必要分别讨论大潮和小潮对越堤流沿程变化的影响.通过潮汐表分别查到1月份和7月份对应的大小潮的潮时，计算得到相应的
越堤流单宽净通量沿程分布，枯季大潮期间和小潮期间越堤流单宽净通量沿程变化分别如图9、图10所示.
导堤修建之前，小潮期间净通量几乎都指向南槽，大潮期间净通量几乎都指向北槽（S8—S9段除外），从净通量的数值上看，大潮期间的净通量远大于小潮期间净通量.大潮期间单宽净通量基本呈先减小后增大的趋势，在S3附近最小，在S5附近最大，而小潮期间的单宽净通量，在S6之前量值及变幅均较小，S6—S9段出
现较大的指向南槽的净流量.
一期工程（即A—S5段）修建之后，在小潮期间的主要变化是上半段指向南槽的净流量减小至微弱且指向北槽，大潮期间沿程净通量由原先波动较大调整为波动较小.
二期工程（即S5—S9段）修建之后，小潮期间的一个显著变化是，S5—S9段净通量原先指向南槽，且量值较大，导堤修建之后，净通量指向北槽，且量值减小；大潮期间，在S1处多出一个峰值，S4—S5段越堤净通量有明显增幅，整个下半段（S4为界）的沿程通量趋于平均，波动幅度减小.
三期工程（隔堤）修建之后，小潮期间的沿程单宽净通量基本无变化，A—S2段有小幅的增加；大潮期间的沿程单宽净通量全程趋于平均，波动幅度进一步减小，上段小幅增大，下段小幅减小.
2.1.2 洪季越堤流净通量沿程变化特征
洪季（7月份）月平均的单宽越堤潮通量沿程变化如图11所示，各段导堤通过的潮量如表2所示，总体来看，除导堤修建之前最末端S9处有微弱的指向南槽的净潮流（0.45亿m3）外，洪季南北槽之间的水流横向交换均为指向北槽的净潮流. 相较于枯季，在导堤修建之前，洪季南北槽之间流向北槽的潮流更为强劲，极值上最大单宽净流量100.34（×103m2）明显大于枯季的最大单宽净流量66.56（×103m2），各段的净通量也明显大于枯季各段净通量.沿程分布上看，净通量的变化趋势基本是先减小，后增大，再减小，在S3附近出现最小值，在S5附近出现最大值.
一期工程（即A—S5段）修建之后，沿程净通量变化相对平顺，主要表现在A—S1、S4—S6和S8—S9段，变幅分别为7.27亿m3、11.76亿m3和3.06亿
m3，趋势上与枯季相似，以S4为界，前半段相对稳定，在S4附近减小，后半段逐渐增大后趋于稳定.
二期工程（即S5—S9段）修建之后，整体态势基本不变，S3—S4段越堤通量进一步减小，由3.79亿m3减少至1.79亿m3，导堤末端流向北槽的流量增大，达到5.02亿m3.
三期工程（隔堤）修建之后，各段导堤越堤流通量更为接近，单宽越堤净通量在
S1附近出现较大值，在S4附近出现较小值.除此之外，全导堤沿程单宽越堤净通
量均在30～50（× 103m2）之间，沿程分布较为平均.
洪季大潮期间和小潮期间越堤流单宽净通量沿程变化分别如图12、图13所示.从
量值上看，大潮期间的越堤流量明显大于小潮期间越堤流量，变动幅度上大潮也大于小潮.
导堤修建之前，无论是大潮期间还是小潮期间，南北槽之间水流净通量基本指向北槽（除小潮期间S8—S9段外），以S4为界，上段净通量远小于下段净通量，大潮期间单宽净通量最大值196.41（×103m2），小潮期间单宽净通量最大值
90.92（×103m2）.
一期工程（即A—S5段）修建之后，大潮期间沿程单宽净通量变幅较大，小潮期
间沿程单宽净通量变幅较小，大潮和小潮期间最大变幅均出现在A—S1段和S4—S5段，减少量超过50%，单宽越堤净通量最小值均出现在S4附近，在10
（×103m2）左右.
二期工程（即S5—S9段）修建之后，在下半段（S5—S9）大潮期间的指向北槽
的强潮流量减小，小潮期间的指向南槽的强潮流量转向北槽且量值减小，大潮沿程越堤流变幅较大，小潮则变幅较小.
三期工程（隔堤）修建之后，小潮越堤流仅在S5—S9段有较明显减小，大潮则在A—S4段出现明显增幅，在S5—S9段出现明显减幅.
无论是在洪、枯季，还是在大、小潮期间，南导堤沿程越堤流净通量基本指向北槽，并且沿程的分布特征主要呈现上段小、下段大的态势，南导堤转弯角附近净通量最
小.导堤的修建使得沿程净通量的分布趋于均匀，且导堤的存在使得水流的净方向
指向北槽.
在南导堤修建之前，南北槽之间的水流净通量洪、枯季差异显著，洪季水流净通量明显高于枯季水流净通量，且洪季的水流净通量沿程变幅较大，枯季在下半段出现部分指向南槽的净流量，而洪季净流量均指向北槽；在南导堤修建之后，南北槽之间的越堤流净通量洪、枯季无明显差异，洪季略大于枯季.
在南导堤修建前后，大、小潮期间南北槽之间的净通量沿程分布均有较大差异，主要体现在两个方面，一是大潮期间沿程净通量明显大于小潮期间，二是大潮期间净通量沿程有明显先减小后增大的特征，而小潮期间净通量沿程分布特征是前半段较小且波动幅度小，下半段较大且逐渐增大后趋于平稳.
2.2 越堤水流通量随时间变化特征
2.2.1 全导堤越堤流净通量随时间变化特征
将整个南导堤作为一个整体，计算通过整个南导堤的越堤流净通量，可以讨论越堤流在时间上的一些变化特征，这样能够更加清晰地认识水流交换净通量的变化规律.各期工程前后南北槽之间的横向水流净通量值如图14所示，可以看到，在工程前后南北槽之间的水流净通量均指向北槽，不同的季节导堤修建与否对净通量的影响不尽相同.在枯季，工程之前南北槽之间的水流净通量为23.45亿m3，一期工程
之后往北槽的净通量减小至17.22亿m3，二期工程之后净通量大幅增加，达到41.88亿m3，三期工程影响较小，净通量为42.43亿m3，几乎与二期之后持平；在洪季工程之前有较大的流向北槽的净通量，为55.03亿m3，经过一期工程之后，有较大减幅，减至44.26亿m3，而此后二期、三期工程带来的影响较小，越堤流的净通量也维持在46亿m3左右.由此数据分析可以得知，枯季净通量受一期、二期工程影响均很大，而且一期工程使得往北槽净通量减小，二期工程使得往北槽净通量增大；洪季净通量受一期工程影响很大，而受二期工程影响很小，且一期工程
使得往北槽净通量减小，二期工程使得往北槽净通量增大，三期工程对洪、枯季净通量的影响都很小.
2.2.2 导堤典型位置越堤流单宽流量随时间变化
导堤上具体某一点的单宽流量变化，能够更加直观地反映越堤流的变化过程.根据前文的分析结果来看，南导堤越堤流净通量的沿程变化主要表现为以S4为界，上段较小，下段较大，有一个先减小后增大的过程.据此规律，选取导堤上典型位置点进行分析，位置点示意图如图15，上中下三段各取一点，且能够代表越堤净通量的最大值，最小值和中间值.
将上、中、下三段上的三点分别编号为A，B，C，计算时间为1月12—21日和7月17—26日，计算时长包括了大、中、小潮，分别代表枯季和洪季.计算结果如图16所示，红线表示南导堤修建之前，蓝线表示南导堤全线修建之后.
总体来看，导堤上各点的单宽过流量在工程前后都呈明显的周期性变化，流量变化过程与潮位变化过程基本一致，导堤的修建拦截了通往南槽的潮流，对通往北槽的潮流也有一定的影响.具体来看，上段A点，在小潮期间导堤使得流向北槽的水流减小，但在大潮期间高潮位时反而使得流向北槽的水流增大，导堤的存在使过水量的变化没有潮位变化那样平缓，同样是涨潮时段，高水位下过流量远大于低水位下过流量；中段B点，在导堤修建以前，该点还有较强的流向北槽的净流量，导堤修建之后此处的净流量已减小至微弱，随时间的变化上，在大潮期间仍有较明显的周期变化，在小潮期间已接近于零，没有明显变化特征；下段C点，在导堤修建之前，枯季通往北槽的净流量小于洪季，通往南槽的净流量大于洪季，导堤修建之后，净通量基本指向北槽，且洪、枯季量值相当.
从总量上看，仅计算的1月份和7月份而言，南北槽之间水流的横向交换净通量（指向北槽）在一期工程之后有所减小，由78.48亿m3减小至61.48亿m3，二期工程之后回升至88.10亿m3，三期工程之后基本维持不变.从季节上看，工程
前以及工程一期之后洪、枯季的净通量有显著差异，洪季净通量明显大于枯季净通量，工程二期以及三期之后，洪、枯季的净通量差异已很小，量值相当.从单点的
单宽净通量来看，工程前后均有明显的周期性变化，工程前是流向南槽与流向北槽交替周期性变化，工程后仅有流向北槽的周期性变化，沿程不同点的单宽净通量从量值和波动幅度上均有显著差异.
流量是单位时间通过某一过水断面的流体的量，计算上取法向流速与过水断面面积的乘积，在此讨论法向流速和断面面积这两个影响过水通量的因素.
讨论沿程通量的变化跟过水断面面积的相关关系，对于单点单宽净通量，由于底部河床（导堤）高程基本不变，因此可简化为讨论过水通量与潮位的关系.取前文所
述单宽过流量较大和较小两点A，B，以洪季为例，分别讨论工程前后水通量与潮位的关系.计算结果发现，工程前水通量与潮位没有非常明显的线性相关关系，考
虑可能是工程前此处流速变化较大，无明显变化规律；工程后水通量与潮位关系如图17所示，当潮位小于0.4 m左右时，潮通量几乎为零，当潮位大于0.4 m时，水通量与潮位呈良好的线性相关关系，去除潮位小于0.4 m以下点，计算得到A
点水通量与潮位的相关系数为0.941 7，B点水通量与潮位的相关系数为0.869 9，可见导堤修建之后越堤流净通量与潮位有很强的线性相关关系.
影响越堤流的另外一个重要因素是流速，尤其是垂直于导堤方向的法向流速，现仅以洪季为例，讨论潮位最大时刻导堤沿程流速的分布情况，模拟计算结果如图18
所示.
导堤修建之前，在高潮位时刻，沿程流速总体均匀，处于0.5～1m/s之间，但在
S1和S3附近段流速很小，接近于零，由对应的洪季沿程净通量分布可以知道，
S1—S3段净通量也是较小值；一期工程之后，导堤建成段流速小于未建成段，此特征与相应的沿程分布也基本吻合；二期工程之后，部分导堤段已有少量淤涨，流速的沿程分布分段明显，高速水流与低速水流交替分布，S1处流速最大，在S4—
S5段流速也有较明显增大，这在净通量的沿程分布中均有所体现；三期工程之后，部分导堤段淤涨更为明显，且出现在净通量最小的地方（即导堤的转弯角处），但沿程流速变化不大，下半段流速整体减小，这在净通量的沿程分布中也有对应体现.总体来看，导堤的修建反而使得流速的沿程变化不均匀，但这应当是对原先分布不均的净通量的调整过程，从另外一个角度说，流速的变化也大大的影响了净通量的变化.
通过数值模型的手段对深水航道工程前后导堤处的水流进行模拟，对模拟的水流进行计算分析，能够较为清晰的了解到北槽南导堤越堤流的量值以及时空变化特征.
从所模拟的两个月来看，三期工程后，南导堤全线每月通往北槽净通量在45亿
m3左右.概括来讲，南导堤的修建对当地的水流条件产生了巨大的影响，相应地，南北槽之间的横向水流交换由原先的净通往南槽与净通往北槽潮量相当变化为基本通往北槽.净通量的沿程分布主要特点是以转弯角处为界，上段逐渐减小，下段逐
渐增大，上段总量小于下段，导堤的修建使得净通量的沿程分布趋于均匀.工程的
不同阶段，洪、枯季的沿程分布变化过程不同，但结果相同，最终三期工程之后洪、枯季的净通量沿程分布无明显差异，量值上洪季略高于枯季；大、小潮期间的沿程分布不仅变化过程不同，结果也不同，大潮期间净通量沿程变化较大，小潮期间净通量沿程变化较小，最终三期工程之后，大潮期间沿程分别呈“两高两低”态势，小潮期间的分布特征则是上段小、下段大、变幅小，量值上大潮期间明显大于小潮期间.单点的单宽流量在时间上呈现周期性变化，变化过程与潮位变化过程基本一致.高潮位时刻的流速分布在工程之后的沿程变化特征，上段变化较大，下段变化
较小.
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