李 彤,李適宇
(中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510275)
廣州珠江河網(wǎng)屬于典型的潮汐水道,上游徑流的水期差異以及下游河口的潮汐過(guò)程均能顯著影響河網(wǎng)水力特征;同時(shí),由于河網(wǎng)汊口眾多、河道河涌交織成網(wǎng),水流往往需幾經(jīng)分流、匯流,方能順利下泄,這也導(dǎo)致珠江河網(wǎng)廣州段水動(dòng)力與物質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程具有較高的復(fù)雜性[1-3]。
在河網(wǎng)輸沙及河床演變研究方面,前人業(yè)已展開(kāi)了較為豐富的研究工作。喬彭年[4]對(duì)廣州河道沖淤變化原因進(jìn)行了分析,認(rèn)為邊界條件的永久性改變及水沙條件的差異性是導(dǎo)致廣州珠江河網(wǎng)獨(dú)特的河床演變特征的主要原因;羅宗業(yè)[5]則主要從聯(lián)圍筑閘、河道淤積及河道束窄對(duì)珠江洪水位壅高度的貢獻(xiàn)進(jìn)行了綜合分析;江沛霖[6]分析了1955-1975年上游淡水來(lái)量、河口斷面因素及河道縮窄對(duì)前后航道沖淤影響,并從中總結(jié)了徑流及河岸邊界變化條件下河床沖淤變化規(guī)律;何用等[3]采用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型,對(duì)廣州珠江河網(wǎng)中的南航道在洪、枯季條件下,底泥沖淤過(guò)程以及不同水文條件下河床的極限沖刷量進(jìn)行了數(shù)值模擬。但總的來(lái)看,過(guò)去的研究多以長(zhǎng)尺度歷史地形資料對(duì)比分析為主[4-6],借以數(shù)值模擬方法為預(yù)測(cè)手段的研究還相對(duì)較少,針對(duì)廣州河網(wǎng)整體水沙輸運(yùn)過(guò)程及底泥沖淤過(guò)程的研究也不多見(jiàn)。
鑒于此,本文基于EFDC模型,構(gòu)建廣州珠江河網(wǎng)三維水動(dòng)力與泥沙輸運(yùn)模型,對(duì)洪枯季水動(dòng)力過(guò)程、懸沙輸運(yùn)過(guò)程以及河床沖淤過(guò)程進(jìn)行模擬研究。探討不同水期條件下,懸沙在廣州河網(wǎng)水道中的輸移特征及沖淤分布特征,為航道管理部門預(yù)測(cè)航道整治范圍,同時(shí)也能為泥沙吸附態(tài)污染物的輸運(yùn)、累積等環(huán)境問(wèn)題提供有益的參考。
本文研究的廣州珠江河網(wǎng)始于鴉崗斷面以下白坭河,經(jīng)白鵝潭汊口分別向東和向南分流至前航道和南航道;前者在魚(yú)珠碼頭附近經(jīng)黃埔斷面匯入獅子洋,后者在牙髻沙汊口與北江分流水道——平洲水道匯合流入瀝滘水道,并進(jìn)一步分流,分別經(jīng)官洲河、新造水道經(jīng)黃埔匯入獅子洋,如圖1。
根據(jù)1999年7月與2001年2月兩次較大范圍的水文與泥沙聯(lián)合觀測(cè)結(jié)果,廣州珠江河網(wǎng)的水體懸移質(zhì)主要以粘粒和粉粒為主[8]。其中,典型枯水期時(shí)(2001年2月,后簡(jiǎn)稱“0102”),河網(wǎng)懸沙的中數(shù)粒徑一般在0.010~0.018 mm之間,而洪季時(shí)(1999年7月,后簡(jiǎn)稱“9907”)在0.006~0.030 mm之間。河床質(zhì)上看,枯季時(shí)的河床泥沙較細(xì),主要由粘粒和粉粒組成,中數(shù)粒徑與懸移質(zhì)相近,在0.016~0.021 mm之間;洪季時(shí),老鴉崗和沙洛圍兩個(gè)主要輸沙斷面的底泥泥沙組成較細(xì),中數(shù)粒徑分別為0.002和0.003 mm。但河網(wǎng)中的浮標(biāo)廠粉粒比例有所增加,中數(shù)粒徑為0.018 mm;黃沙斷面沙粒組分較高,中數(shù)粒徑達(dá)1.080 mm。參考以往研究[9-12],本文采用EFDC模型模擬珠江河網(wǎng)的泥沙輸運(yùn)過(guò)程;此外,考慮到珠江河道推移質(zhì)輸沙率不及總輸沙率的15%[13],研究中暫沒(méi)有考慮推移質(zhì)輸移過(guò)程,而主要以懸移質(zhì)模擬為主。
圖1 研究區(qū)域及模擬邊界及河網(wǎng)地形、網(wǎng)格及主要驗(yàn)證站點(diǎn)分布
采用美國(guó)EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)模型建立廣州珠江河網(wǎng)水動(dòng)力模型、泥沙模型。EFDC是由美國(guó)弗吉尼亞海洋科學(xué)研究所(Virginia Institute of Marine Science)John Hamrick教授開(kāi)發(fā),并由數(shù)家科研單位(Tetre Tech Inc.,Dynamic Solutions等)后期維護(hù)下發(fā)展起來(lái)的,可用于近岸海洋及陸地地表水水動(dòng)力-水質(zhì)模擬的三維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型[14-15]。平面上EFDC采用曲線正交坐標(biāo),垂向采用Sigma無(wú)量綱化坐標(biāo),具有較好的邊界擬合能力。水動(dòng)力模型采用EFDC-Hydro模塊進(jìn)行模擬;泥沙模型采用EFDC-SED模塊,對(duì)懸浮泥沙的對(duì)流擴(kuò)散、沉降再懸浮過(guò)程進(jìn)行模擬[16-17]。
EFDC基于靜水壓假定和Bossinesq近似,對(duì)不可壓縮、自由表面水體的連續(xù)、動(dòng)量及狀態(tài)方程進(jìn)行求解。各控制方程如下[14]
u,v方向動(dòng)量方程
?t(mHu)+?x(myHuu)+?y(mxhvu)+?z(mwu)-
(mf+v?xmy-u?ymx)Hv=-myH?x(gζ+p)-
my(?xh-z?xH)?zp+?z(mH-1Av?zu)+Qu
(1)
?t(mHv)+?x(myHuv)+?y(mxhvv)+?z(mwv)-
(mf+v?xmy-u?ymx)Hu=-mxH?y(gζ+p)-
mx(?yh-z?yH)?zp+?z(mH-1Av?zu)+Qv
(2)
連續(xù)方程
?t(mξ)+?x(myHu)+?y(mxHv)+?z(mw)=0
(3)
其中,u,v和w分別是x,y,z方向流速;mx,my,mz為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換張量;ζ是水位,h為河床高程,H=h+ζ為總水深;p為壓強(qiáng),g為重力加速度;Av和Ab為垂向紊動(dòng)黏性系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù),采用Mellor和Yamada模型求解。Qu和Qv為u,v方向動(dòng)量源匯項(xiàng);f為科氏力系數(shù)。
泥沙模型由懸浮泥沙的對(duì)流擴(kuò)散、沉降再懸浮過(guò)程組成[15]
?t(mxmyHS)+?x(myHuS)+?y(mxHvS)+
(4)
其中,KH和Kv分別為泥沙水平和垂向擴(kuò)散系數(shù);ws為泥沙沉降速度;S為水體含沙濃度。QE和Qt分別為懸沙源匯項(xiàng)。
“西湖山水還依舊……看到斷橋橋未斷,我寸腸斷,一片深情付東流!”白衣女子一揮水袖,哀怨的歌聲隱隱傳來(lái)。
對(duì)廣東省航道勘察設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪的1999年珠江河網(wǎng)地形圖(1∶5 000)進(jìn)行數(shù)字化,提取河床底部高程后,對(duì)地形進(jìn)行插值、平滑;采用GEFDC(EFDC模型自帶網(wǎng)格生成程序)對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,生成貼體曲線網(wǎng)格(如圖1b所示)。計(jì)算域的水平網(wǎng)格為204行×250列,最小單元為46.7 m×22.6 m,最大為114.8 m×551.9 m;垂向水體按水深均勻分5個(gè)σ層。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取值5 s。
基于珠江水利委員會(huì)1999年與2001年兩次水文泥沙聯(lián)測(cè)資料以及中山大學(xué)《廣州、佛山跨市水污染綜合整治方案》項(xiàng)目2001年1月和6月兩次水文聯(lián)測(cè)資料,選取2001年1月和2001年2月兩個(gè)枯季時(shí)段以及1999年7月和2001年6月兩個(gè)洪季時(shí)段的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),用于模型相關(guān)的率定與驗(yàn)證。驗(yàn)證的指標(biāo)有水位、流量、流速、流向和泥沙濃度5項(xiàng),其中水文要素為每小時(shí)監(jiān)測(cè)一次,泥沙濃度為兩小時(shí)監(jiān)測(cè)一次;流速、流向及水體懸沙數(shù)據(jù)為斷面平均值。率定與驗(yàn)證案例的基礎(chǔ)信息如表1所示。水動(dòng)力模型邊界采用“上游流量過(guò)程驅(qū)動(dòng),下游水位過(guò)程控制”的原則進(jìn)行設(shè)置。模型在“冷啟”計(jì)算后,保留穩(wěn)定流場(chǎng)結(jié)果作為下次“熱啟”計(jì)算的初始場(chǎng)條件。
表1 水動(dòng)力與泥沙模擬概況及驗(yàn)證項(xiàng)目
通過(guò)后 “0102”枯水期實(shí)測(cè)資料對(duì)模型糙率(EFDC模型中表現(xiàn)為摩擦高度)進(jìn)行了率定,結(jié)果在在0.001~0.02 m之間,其中糙率值自上游河段向下游河段逐漸減??;上游河道在0.001 5~0.02 m之間,下游各河段在0.001 0~0.001 5 m之間;在水位模擬方面,驗(yàn)證的 7個(gè)站點(diǎn)的水位誤差值都在10 cm以內(nèi);流量結(jié)果的相對(duì)誤差較低,30%誤差以下的模擬時(shí)段占總模擬時(shí)段的67.7%~87.5%;斷面平均流速與流向與實(shí)測(cè)都基本吻合,說(shuō)明水動(dòng)力模型能夠客觀真實(shí)地反映河網(wǎng)內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài),可以為后續(xù)的研究提供可靠的動(dòng)力基礎(chǔ)。代表斷面的流量、水位及流向驗(yàn)證如圖2-圖4。
圖2 1999年7月浮標(biāo)廠斷面水位(a)、流量(b)驗(yàn)證
圖3 1999年7月黃沙斷面水位(a)、流量(b)驗(yàn)證
圖4 2001年1月4日至11日沙磚廠斷面平均流速(a)與流向驗(yàn)證(b)
基于枯季實(shí)測(cè)泥沙過(guò)程,對(duì)泥沙模型中的沉降速率WSED0、臨界沉積應(yīng)力TAUD、臨界再懸浮速率WRSP0以及臨界沖刷應(yīng)力TAUR進(jìn)行率定。泥沙顆粒的沉降速率在斯托克斯靜水沉速公式基礎(chǔ)上率定得到。臨界沖刷應(yīng)力與臨界沉積剪切應(yīng)力經(jīng)率得到的比值為1.6倍,與建議值1.2倍較為接近[18-19],本文在各參數(shù)取值為如表2所示。泥沙模型對(duì)各站點(diǎn)模擬的斷面平均泥沙濃度與實(shí)際值的相對(duì)誤差在27.2%~43.5%之間,平均誤差為35.5%。代表性斷面懸沙驗(yàn)證如圖5。
表2 泥沙模型主要參數(shù)率定結(jié)果
圖5 1999年7月黃沙站(a)與浮標(biāo)廠站(b)斷面平均懸沙濃度驗(yàn)證
廣州珠江河網(wǎng)縱橫,水道貫通,受徑流與潮汐雙重影響,水流運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜;加之歷史上人為河道窄縮工程,使得河網(wǎng)岸線發(fā)生一定程度的形變,進(jìn)一步影響了不同河段水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。其中,前航道形成的獨(dú)特的“上窄下寬”的喇叭型結(jié)構(gòu),使得水流在前航道上段流速相對(duì)較大,而行至下端,尤其是獵德大橋以下時(shí),河道逐漸放寬,水流減緩。以“9907”典型洪水期為例,上段海珠橋附近斷面絕對(duì)流速平均值約為0.46 m/s,而在獵德大橋附近時(shí),流速降至0.39 m/s;至下游“喇叭口”附近時(shí),流速進(jìn)一步降至約0.26 m/s。由于水流流速沿程逐漸降低,也勢(shì)必對(duì)水體懸沙的輸運(yùn)與淤積過(guò)程產(chǎn)生影響。模擬發(fā)現(xiàn),南航道漲潮流速大于落潮流速。以浮標(biāo)廠斷面為例,7月16日至20日之間,模擬的斷面平均最大漲潮流速在0.54~0.74 m/s之間,落潮最大流速在0.22~0.34 m/s之間,與實(shí)測(cè)值基本一致[1]。模擬結(jié)果還發(fā)現(xiàn),上溯水流還能長(zhǎng)驅(qū)直入白坭水道,并通過(guò)落潮過(guò)程分流進(jìn)至前航道。
在河網(wǎng)輸沙方面,由于白坭水道上游修建了蘆苞涌、西南涌水閘的修建,以往北江分流水沙通量均被大幅截?cái)?,北江分流至平洲水道的水流攜沙是珠江河網(wǎng)廣州段水體懸沙主要來(lái)源。從河網(wǎng)水期輸沙量上看,“9907”洪季平洲水道經(jīng)沙洛圍斷面輸沙量達(dá)108.28萬(wàn)噸,而“0102”枯季僅為2.96萬(wàn)噸[3]。由此可見(jiàn),北江向廣州珠江河網(wǎng)洪季的側(cè)向分流能夠深刻影響到河網(wǎng)的水量以及泥沙濃度,把握住洪季輸沙過(guò)程對(duì)于研究廣州珠江河網(wǎng)泥沙輸運(yùn)與分布特征至關(guān)重要。洪季模擬結(jié)果表明,高濃度的懸浮泥沙主要輸沙路徑是經(jīng)由平洲水道進(jìn)入廣州珠江河網(wǎng),并沿瀝滘水道、三枝香水道再進(jìn)入后航道,并分別經(jīng)新造水道、官洲水道向黃埔方向輸運(yùn)(如圖6所示)。同時(shí),平洲水道注入河網(wǎng)區(qū)的高濃度懸沙在潮汐頂托作用下,乘漲潮過(guò)程沿南航道上溯。大潮時(shí),能夠穿過(guò)白鵝潭汊點(diǎn)進(jìn)入西航道。當(dāng)發(fā)生落潮時(shí),高濃度泥沙水團(tuán)又經(jīng)由白鵝潭分流進(jìn)入前航道,形成間歇性的高濃度含沙水團(tuán),這與朱繼偉等[7]在對(duì)廣州內(nèi)港航道的水體懸沙分布分析中的發(fā)現(xiàn)的珠江南航道—前航道泥沙輸運(yùn)過(guò)程是一致的。這一特點(diǎn)將使得北江泥沙能夠在潮汐過(guò)程中分布到前后航道的各個(gè)河段水體,并在落淤過(guò)程沉積在河段底泥,這也勢(shì)必影響到泥沙表面的各類吸附態(tài)污染物在河網(wǎng)中的輸移和分布。
圖6 廣州珠江河網(wǎng)洪季8日平均懸沙濃度場(chǎng)
為了進(jìn)一步分析廣州珠江河網(wǎng)河床演變規(guī)律與趨勢(shì),對(duì)珠江河網(wǎng)在典型洪、枯季河床沖淤過(guò)程進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)。參考朱繼偉等[7]對(duì)廣州內(nèi)河航道1964-2006年近50年的河床演變過(guò)程的河網(wǎng)統(tǒng)計(jì)中的劃分方法,本文同樣將研究河網(wǎng)區(qū)劃分為白坭河、白沙河、沙貝海、前航道、南河道、瀝滘水道、官洲河以及新造水道九河段(如圖7),并以“9907”和“0102”典型洪、枯季河床沖淤特征及沖淤量進(jìn)行模擬,分別計(jì)算各時(shí)段的沖淤量,并按等比倍數(shù)疊加得到全年河床形變量。
圖7 廣州珠江河網(wǎng)沖淤分析河道分區(qū)示意圖
圖8 1999年7月(a)與2001年2月(b)洪、枯季廣州珠江河床沖刷與淤積量,m
模擬的珠江河網(wǎng)沖淤結(jié)果如圖8所示。以水體懸沙模擬結(jié)果穩(wěn)定后的168 h(共模擬192 h)的河床演變量為基礎(chǔ),統(tǒng)計(jì)7 d內(nèi)各網(wǎng)格的河床底泥容積變化量,通過(guò)加和各單元沖淤體積得到河段總沖淤量后,最后除以各河段總面積得到各河段平均沖淤厚度。從洪季模擬的河床沖淤態(tài)勢(shì)上看,廣州珠江河網(wǎng)主要以淤積為主。西航道的水口水道和白坭水道的鴉崗與硬頸海段、前航道“喇叭口”末段、南航道、瀝滘水道、三枝香以及官洲河下段、新造水道上段均以淤積趨勢(shì)為主。其中,以南航道淤積速率最大,達(dá)到18 cm/a。如前所述,受潮汐頂托作用,西北江經(jīng)平洲水道分流分沙與漲潮水沙疊加后涌入南航道,漲潮流速大,使得高濃度泥沙水流能長(zhǎng)驅(qū)上溯,將南航道河段平均泥沙濃度維持在較高的水平(如圖6);憩潮時(shí)水體懸沙大量落淤,形成較高的淤量。前航道上段及中段河道由于河段相對(duì)窄縮,水流較快,不易發(fā)生淤積而主要表現(xiàn)為沖刷,末端河口表現(xiàn)為淤積特點(diǎn)??菁緯r(shí),河網(wǎng)主要以沖刷過(guò)程為主,白坭水道、白沙河、沙貝海、南航道—新造水道以及前航道均表現(xiàn)出明顯的沖深特點(diǎn)。其中以新造水道、白沙河為最,年沖刷率可達(dá)6 cm/a和7 cm/a。
整體上看,廣州珠江河網(wǎng)(特指本節(jié)納入統(tǒng)計(jì)的九條河段)表現(xiàn)為洪季淤積枯季沖刷的特點(diǎn),洪季淤積速率約為5.7 cm/a,枯季沖刷速率約為1.7 cm/a,全年呈緩慢淤積趨勢(shì),速率約為2.0 cm/a(全河段淤積量除以河段總面積)。
圖9 珠江河網(wǎng)年沖淤厚度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較
模擬的9條河段河床的沖淤厚度(正數(shù)表示淤積,負(fù)數(shù)表示沖刷)及與前人研究的實(shí)際沖淤量對(duì)比如圖9所示。可見(jiàn),模型計(jì)算得到的珠江各河段沖淤厚度與前人的實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近。其中,在河網(wǎng)主要淤積河段——南航道平均淤積速率模擬值約為8.1 cm/a,與實(shí)測(cè)淤積速率8.9 cm/a較為吻合,與前人模擬結(jié)果(8 cm/a)也十分接近[3]。瀝滘水道淤積速率約為8.5 cm/a,與實(shí)測(cè)結(jié)果(9.3 cm/a)也比較接近。然而,白沙河和沙貝海兩個(gè)河段模擬的沖淤狀態(tài)與實(shí)測(cè)結(jié)果正好相反,并且白鵝潭和新造水道的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果也存在較大的誤差。經(jīng)分析,這可能有以下幾點(diǎn)原因:首先限于研究資料的不足,本文尚不能對(duì)河網(wǎng)全年水流輸沙過(guò)程進(jìn)行模擬,而是采用兩個(gè)不同年份洪、枯季節(jié)的沖淤過(guò)程加權(quán)得到,因此無(wú)法完整地反映河床長(zhǎng)時(shí)間尺度上的形變過(guò)程,而且引用的實(shí)測(cè)值也是前人對(duì)1999-2006年(或2005年)河網(wǎng)平均沖淤值,因此一定程度上影響到計(jì)算結(jié)果的精確性。其次,沙貝海雖表現(xiàn)為淤積趨勢(shì),但1999-2006年,沙貝海河道的平均河寬減少了近10 m,河道過(guò)水面積減少約36.1 m2,因此從斷面過(guò)水面積上看,該河段體現(xiàn)為淤積,但其水深卻有所增大,平均水深從4.49 m增加至4.54 m,年均沖深約1 cm[7],這與本文模擬的趨勢(shì)是一致的。此外,新造河道的模擬沖刷量小于實(shí)測(cè)值,這可能歷史上與人為的采砂活動(dòng)和航道疏浚工程有關(guān)[3]。如1998年洪、枯季,珠江干流分別就有8艘采砂船從事采砂活動(dòng)(其中有7條船是在新造水道作業(yè)),年采砂量達(dá)161萬(wàn)噸[13]。這對(duì)新造水道的河道地形勢(shì)必造成一定的影響,也可能是模擬值小于實(shí)際值的原因之一。從整體的沖淤模擬結(jié)果上看,本文使用的泥沙模型基本上把握住了珠江河網(wǎng)西航道、南航道及瀝滘水道的淤積的主要特點(diǎn),計(jì)算得到?jīng)_淤量與實(shí)際值總體上比較接近,能初步反映出珠江河網(wǎng)河床沖刷淤積的變化過(guò)程。
1)基于EFDC模型,構(gòu)建了廣州珠江河網(wǎng)三維水動(dòng)力與泥沙數(shù)學(xué)模型。通過(guò)1999年7月和2001年2月典型洪、枯季水流泥沙實(shí)例驗(yàn)證,表明模型能較好地模擬和反映河網(wǎng)感潮水流及輸沙特點(diǎn),計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料較為吻合。
2)洪季北江經(jīng)平洲水道分流分沙過(guò)程是廣州珠江河網(wǎng)主要泥沙通量來(lái)源,主要的輸沙路徑集中在后航道瀝滘水道—新造水道、官洲河—黃埔線。而受潮汐能量頂托作用,高濃度懸沙能經(jīng)由南航道上溯至白坭水道,并在落潮時(shí)通過(guò)白鵝潭分流進(jìn)入前航道,形成間歇性高濃度泥沙團(tuán),使得北江分沙得以在廣州珠江河網(wǎng)中廣泛分布。
3)通過(guò)預(yù)測(cè)主要河段的沖淤趨勢(shì)及厚度,結(jié)果顯示:21世紀(jì)初期,廣州珠江河網(wǎng)總體呈緩慢淤積態(tài)勢(shì),年淤積速率約為2.0 cm/a;且在不同水期主要表現(xiàn)為“枯沖洪淤”的特點(diǎn)。其中,南航道、瀝滘水道是主要的淤積河段,速率約在8~9 cm/a;而沙貝海、新造水道是主要沖刷河段,但人為窄縮河道、航道疏浚及人為采砂活動(dòng)對(duì)河道形變趨勢(shì)都能產(chǎn)生一定影響。
4)由于廣州珠江河網(wǎng)資料相對(duì)較少,模擬時(shí)段較短,本文僅對(duì)河網(wǎng)底泥沖淤分布進(jìn)行了初步的研究。在今后的研究中仍需進(jìn)一步收集長(zhǎng)時(shí)間尺度的水文泥沙資料,對(duì)河網(wǎng)河床演變過(guò)程進(jìn)行更深入的模擬分析。
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