路川藤，陳志昌，羅小峰

(南京水利科學(xué)研究院 a.河流海岸研究所；b.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210029)

長江口北槽潮波傳播變化特征研究

路川藤a,b，陳志昌a,b，羅小峰a,b

(南京水利科學(xué)研究院 a.河流海岸研究所；b.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210029)

長江口深水航道治理工程實(shí)施后，北槽河勢發(fā)生了巨大變化，北槽河床形態(tài)、水深的變化必將影響長江口潮波傳播。為研究長江口潮波傳播的變化，利用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格FVM方法建立了大通至外海的大范圍數(shù)學(xué)模型，研究長江口深水航道治理工程各分期工程對潮波傳播的影響。研究表明：長江口深水航道治理一期工程因工程量相對較小，工程實(shí)施后，北槽潮波變化相對較小；二期工程后北槽潮波能量損失較大，高潮位略有抬升，低潮位大幅度抬升；三期工程后，潮波變化與二期工程基本一致。北槽導(dǎo)堤工程引起的潮波能量損失較小，丁壩工程致使潮波能量損失較大。

長江口；數(shù)學(xué)模型；北槽；潮波傳播；潮位

1 研究背景

長江口是一個豐水、多沙、中潮、有規(guī)律分汊的三角洲河口，在徐六涇以下先被崇明島分為南支和北支，南支在瀏河口以下被長興島和橫沙島分為南港和北港，南港在九段以下又被水下沙洲—九段沙分為南槽和北槽，從而形成了長江口3級分汊4口(北支、北港、南槽、北槽)入海的形勢。

長江口潮波傳播的研究由來已久，研究手段多，研究成果豐富。B.Sun等[1]修正了Ecomsed動邊界問題，成功復(fù)演了長江口潮波傳播。Guofang Li等[2]建立了長周期潮位預(yù)報(bào)模型，修正徑流和風(fēng)暴潮引起的潮位誤差，預(yù)報(bào)長江口潮位，計(jì)算精度可滿足科研及工程要求。Lei Zhiyi等[3]研究了長江口水動力問題，指出江陰以上水域徑流動力強(qiáng)，江陰以下水域潮汐動力強(qiáng)；若長江口無徑流作用，自口外至口內(nèi)，水位呈遞減趨勢，若無潮汐動力，則自口外至口內(nèi)，水位呈遞增趨勢。曹永芳[4]繪制了長江口天生港以下河段等潮時線及等振幅線，認(rèn)為由于月赤緯的變化，長江口潮波傳播方向存在擺動，九段東附近，長江口的潮差達(dá)到最大。陳志昌等[5]建立了長江口物理模型，有效段至江陰，首次解決了大型河口物理模型外海旋轉(zhuǎn)流的模擬問題，提高了物理模型研究河口潮波傳播的精確性。沈煥庭[6]討論了長江口徐六涇以下潮波傳播的基本特征。嚴(yán)以新等[7]采用經(jīng)Foreman改進(jìn)的Godin潮汐調(diào)和及預(yù)報(bào)程序，對長江口深水航道治理工程前后，北槽橫沙站和北槽中站的潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析，并比較了兩站平均海平面值和特征潮位的變化，指出深水航道工程對平均海平面值影響較小，對潮差影響較大。路川藤[8]研究了長江口江陰以下河段潮波傳播的影響因素，認(rèn)為河床水深的變化對潮波傳播影響最大，并分析了徑流變化對潮波傳播的影響。

以上學(xué)者的研究基本反映了長江口潮波傳播的現(xiàn)狀。自1998年長江口深水航道治理工程實(shí)施以來，北槽局部河勢發(fā)生了重大變化，河槽形態(tài)由“寬淺”型發(fā)展為“窄深”型，如圖1所示，原北槽攔門沙已不復(fù)存在，北槽河床形態(tài)、水深的變化必將影響長江口潮波的傳播。本文以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，研究長江口深水航道治理工程各分期工程對潮波傳播的影響。

圖1 長江口北槽典型斷面水深變化Fig.1 Variation of water depth in typical section of the north channel of Yangtze river estuary

2 數(shù)學(xué)模型簡介

2.1 長江口深水航道治理工程

長江口深水航道治理工程如圖2所示，按照“一次規(guī)劃，分期治理”的原則，分3期實(shí)施。一期工程于1998年1月開工，2001年3月竣工，航道水深由7 m增加到8.5 m(理論深度基準(zhǔn)面，下同)；二期工程于2002年4月開工，2005年3月底竣工，航道水深由8.5 m增加到10 m；三期工程于2006年9月底開工，2010年3月通過國家驗(yàn)收，航道全長92.2 km，350～400 m的航道實(shí)現(xiàn)了12.5 m水深的全線貫通。

圖2 長江口深水航道治理工程Fig.2 Deepwater channel regulation project at the Yangtze river estuary

2.2 數(shù)學(xué)模型求解

數(shù)學(xué)模型采用CJK3D-WEM計(jì)算，CJK3D-WEM于2014年取得國家軟件著作權(quán)登記，適用于江河湖泊、河口海岸等涉水工程中的水動力、泥沙、水質(zhì)、溫排、溢油模擬預(yù)測研究。

二維淺水控制方程向量形式可表示為

(1)

其中：U=(H,Hu,Hv)T；E=(F,G)；

水紊動擴(kuò)散項(xiàng)表示為Ed=(Fd,Gd)，其中：

源項(xiàng)M表示為

式中：H為總水深(m)；u,v為流速矢量V沿x，y方向的速度分量(m/s)；t為時間(s)；f為科氏系數(shù)(f=2wsinφ，w是地球自轉(zhuǎn)的角速度，φ是所在地區(qū)的緯度)；g為重力加速度(m/s2)；Nx，Ny為x，y向水流紊動黏性系數(shù)(m2/s)；M0x，M0y為x，y方向的河床底部高程變化；Mfx，Mfy為x，y方向的底摩擦項(xiàng)。

圖3 物理量布置Fig.3 Layout of physical quantities

采用三角形網(wǎng)格對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，并將單一的網(wǎng)格單元作為控制單元，水深布置在網(wǎng)格頂點(diǎn)，其他物理變量配置在每個單元的中心，如圖3所示。

將第i號控制元記為Ωi，在Ωi上對向量式的基本方程組公式(1)進(jìn)行積分，并利用Green公式將面積分化為線積分，得

(2)

式(2)求解主要分3部分：一為對流項(xiàng)求解;二為紊動項(xiàng)求解;三為底坡項(xiàng)處理。對流項(xiàng)數(shù)值通量可采用Roe格式的近似Riemann解，紊動項(xiàng)采用單元交界面的平均值計(jì)算通過該界面紊動黏性項(xiàng)的數(shù)值通量，有限體積法底坡項(xiàng)若不加任何處理，則會造成靜水的偽流動現(xiàn)象，本文采用“斜底模型”處理底坡項(xiàng)，具體求解過程參見文獻(xiàn)[9]。

2.3 數(shù)學(xué)模型范圍及計(jì)算參數(shù)

長江潮區(qū)界位于安徽大通，大通以上水域水位基本不受潮波影響，作為模型的上邊界；長江口外-50m等深線處受徑流影響可忽略不計(jì)，作為模型外邊界，模型總長700km有余；模型北至江蘇鹽城港附近，南至浙江寧波，寬接近600km。模型范圍如圖4所示，驗(yàn)證點(diǎn)如圖5，表1為本文數(shù)學(xué)模型計(jì)算參數(shù)。

圖4 數(shù)學(xué)模型范圍Fig.4 Domain of mathematical model

圖5 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of model verification points

表1 數(shù)學(xué)模型計(jì)算參數(shù)Table 1 Parameters of mathematical model

圖6 模型潮位驗(yàn)證Fig.6 Verification of tide level

2.4 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

圖7 模型潮流驗(yàn)證Fig.7 Verification of tidal current

模型驗(yàn)證時間為2005年8月18日至2005年8月25日各水文測點(diǎn)的同步潮位、潮流驗(yàn)證，如圖6、圖7，驗(yàn)證點(diǎn)位置見圖5，大通平均流量為41 485.7 m3/s。由圖6、圖7知，潮位與實(shí)測資料吻合程度高，驗(yàn)證良好，滿足規(guī)程[10]要求；潮流偏差相對較大，分析原因是由于北槽網(wǎng)格插值與實(shí)際地形有所偏差，漲落急偏差總體控制在15%之內(nèi)。

3 工程對北槽潮波傳播的影響研究

自長江口深水航道治理工程實(shí)施以來，北槽河床形態(tài)、水深發(fā)生了重大變化，這必將影響長江口潮波的傳播。以大潮位代表潮型，分析長江口深水航道治理工程各分期工程對潮波傳播的影響，采樣點(diǎn)見圖2。

3.1 工程對北槽潮波傳播影響

3.1.1 北槽高潮位變化

圖8 北槽沿程高潮位變化Fig.8 Variation of high tide level along the north channel

圖8為長江口深水航道治理工程各分期工程后北槽沿程高潮位的變化。由圖8可知：①工程前北槽高潮位受徑流頂托作用，自下游至上游逐漸升高;②一期工程后，北槽中以下水域，高潮位基本不變，北槽中以上水域，高潮位有所下降，變化幅度均小于0.05 m;③二期工程結(jié)束后，BC6點(diǎn)以下水域，高潮位變化較?。籅C4—BC5段，位于北槽的中段，整治線寬度最窄，潮波傳播至此時，能量輔聚，高潮位抬升約0.06 m；BC1—BC2段水域，高潮位略有下降；二期工程與一期工程高潮位的差別在于BC2—BC6段水域，二期工程高潮位略高，主要由于二期工程丁壩長度大于一期;④三期工程在二期工程的基礎(chǔ)上，部分丁壩有所加長，加長幅度相對較小，同時修建隔堤，本文研究丁壩加長對潮波傳播的影響，未考慮隔堤作用，三期工程后，高潮位變化與二期工程基本一致。

總體來說，深水航道治理工程對北槽高潮位影響較小，高潮位變化幅度均小于0.06 m。

3.1.2 北槽低潮位變化

圖9為長江口深水航道治理工程各分期工程后北槽低潮位的變化。低潮位水深淺，受工程影響大，其水位變化幅度遠(yuǎn)大于高潮位。工程前，受徑流頂托作用，低潮位自下游至上游，逐漸升高。各分期工程實(shí)施后，牛皮礁附近低潮位變化較小，北槽內(nèi)低潮位變化較大。

圖9 北槽沿程低潮位變化Fig.9 Variation of low tide level along the north channel

一期工程實(shí)施后，受工程作用產(chǎn)生潮波反射，BC3以外水域，低潮位不同程度降低，BC6點(diǎn)位于一期工程導(dǎo)堤外邊緣，低潮位降幅最大，約0.10 m，BC1—BC2段水域，低潮位有所抬升。

二期工程實(shí)施后，因?qū)У潭伍L度較長，潮流強(qiáng)，潮波能量損失與流速的N次方成正比，故潮波能量損失較大，低潮位整體抬升幅度較大，其中北槽下游抬升幅度大于北槽上游，BC7點(diǎn)最大升幅接近0.40 m。

三期工程實(shí)施后，低潮位變化趨勢與二期工程一致，三期工程丁壩主要加長在北槽中上段，與二期工程相比， BC4以下水域，整治線沿程放寬率增幅相對較大，從而潮波能量輔聚強(qiáng)，低潮位降低，BC4點(diǎn)以上水域，因整治線寬度的減小，低潮位有所抬升。

綜上所述，北槽出口處低潮位變化較小，北槽口內(nèi)，低潮位變化較大。一期工程結(jié)束后，北槽低潮位變化相對較小，二期工程后，北槽低潮位大幅度抬升，三期工程后，低潮位變化與二期工程基本一致。

3.1.3 北槽潮差變化

潮差是潮波能量的反映。圖10為北槽沿程潮差變化。工程前，北槽潮差受徑流、底摩擦等作用，自下游至上游逐漸減小。一期工程后，BC3以外水域，受潮波反射作用，潮差有所增大，BC6點(diǎn)因處于工程外邊緣，潮差最大增幅約0.12 m，越往下游，潮差增幅越小，BC1—BC3區(qū)域，潮差減小。二期工程后，北槽口外潮差基本不變，口內(nèi)潮差大幅度減小，北槽中下段減幅相對較大。三期工程后，相比二期工程，受整治線放寬率變化的影響，BC4以下水域，潮差有所增大，BC4以上水域，潮差略有減小。

圖10 北槽沿程潮差變化Fig.10 Variation of tidal range along the north channel

工程前與一期工程后，北槽平均潮差基本不變，約為4.3 m，二期工程與三期工程北槽平均潮差基本持平，約為4 m。

3.1.4 工程對北槽潮波傳播影響機(jī)制

河口攔門沙治理工程，大都采用導(dǎo)堤與丁壩組合的方式，導(dǎo)堤的作用在于導(dǎo)流，丁壩的作用在于束水，二者共同影響潮波傳播。以二期工程為例，討論導(dǎo)堤與丁壩對潮波傳播的影響，解釋工程對潮波傳播的影響機(jī)制。

表2為導(dǎo)堤工程和丁壩工程對潮波傳播的影響。導(dǎo)堤工程的主要作用在于導(dǎo)流，其改變了北槽附近局部水域的潮波傳播方向，致使北槽潮波傳播發(fā)生變化，高潮位、低潮位均抬升，潮波能量損失較小。丁壩工程使潮波能量損失明顯增大，致使高潮位降低，低潮位升高，導(dǎo)堤工程引起的高潮位升高與丁壩引起的高潮位下降相抵，便造成了北槽高潮位變化較小。同理，導(dǎo)堤工程引起的低潮位升高與丁壩引起的低潮位升高相疊加，造成北槽低潮位變化較大。

表2 導(dǎo)堤與丁壩對潮波傳播影響Table 2 Effects of jetties and groins on the tidal wave propagation m

3.2 潮波變形

分別以BC2，BC5和BC9點(diǎn)代表北槽上段、中段、下段。由圖11北槽潮位過程線知，一期工程完成后，各采樣點(diǎn)落潮水位過程線基本不變，漲潮水位過程線略有波動，變化較小。二期工程后，潮位過程線相位滯后程度較大，落潮水位過程線越靠近低潮位，相位滯后程度越大。三期工程后，潮位過程線與二期工程比較接近。北槽下段BC9點(diǎn)，因靠近口外，其潮位過程線變化相對較小。

圖11 北槽潮位過程線變化Fig.11 Variation of tide level graph in the north channel

潮位過程線的變化，說明各分期工程實(shí)施后，北槽潮位過程線變化總趨勢為相位滯后，落潮過程線波形變坦，漲潮過程線波形變陡，因此落潮歷時增加。

3.3 工程對北槽潮流影響

圖12為北槽潮流過程變化。與潮位過程變化相似，一期工程后，北槽上段潮流相位整體滯后，漲潮相位滯后程度大于落潮；北槽中段，潮流相位滯后程度小于北槽上段；北槽下段BC9潮流相位基本不變。二期工程后，北槽上段與中段落潮相位明顯滯后，漲潮相位與一期工程后接近，下段潮流相位整體滯后。三期工程工程量較小，潮流與二期工程后接近，變化較小。由于本文未考慮各分期工程水深的變化，這是本文研究的不足，水深變化后，潮流大小及相位將產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整，后續(xù)工作將深入研究。

圖12 北槽潮流過程線變化Fig.12 Variation of tidal current graph in the north channel

4 結(jié) 論

(1) 長江口深水航道治理一期工程因工程量相對較小，工程實(shí)施后，北槽潮位變化相對較小。

(2) 二期工程后北槽潮波變化較大，高潮位略有抬升，低潮位抬升幅度較大，三期工程后，潮波變化與二期工程基本一致。

(3) 北槽潮波能量損失主要由丁壩工程引起。工程后北槽高潮位變化較小是因?yàn)閷?dǎo)堤工程引起的高潮位升高與丁壩工程引起的高潮位降低相抵消；工程后北槽低潮位大幅度增加是因?yàn)閷?dǎo)堤工程引起的低潮位升高與丁壩工程引起的低潮位升高相疊加。

影響潮波傳播的因素很多，本文重點(diǎn)研究長江口深水航道治理工程對潮波傳播的影響，研究中未考慮工程實(shí)施后河床地形變化，這在實(shí)際工程應(yīng)用中是不完善的，后續(xù)工作將開展地形變化對潮波傳播的影響。

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(編輯：姜小蘭)

Variation Characteristics of Tidal Wave Propagationin the North Channel of Yangtze Estuary

LU Chuan-teng1，2, CHEN Zhi-chang1,2, LUO Xiao-feng1,2

(1. River Harbor Engineering Department,Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China;2. State Key Laboratory of Hydrology Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029, China)

The regime in the north channel of Yangtze river estuary has changed remarkably after the implementation of deepwater channel regulation projects. Variations in the riverbed morphology and water depth will affect the tidal wave propagation. In view of this, a mathematical model of Datong-offshore was built through unstructured grid FVM to research the impacts of deepwater channel regulation projects at Yangtze river estuary on the tidal propagation. Results show that tidal wave propagation in the north channel changed little after the first phase of the project due to small engineering quantities. But after the second phase, the high tide level rose slightly while low tide level rose remarkably. The tidal wave propagation kept consistent after the third phase. The loss of tidal wave energy is caused slightly by jetties but mainly by groin works.

Yangtze river estuary; mathematical model; north channel; tidal wave propagation; tide level

2014-03-06；

2014-04-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51009095)

路川藤(1983-)，男，山東煙臺人，工程師，博士，主要從事河口動力學(xué)研究，(電話)13901590840(電子信箱)lct000abc@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.002

TV86;P332

A

1001-5485(2015)08-0009-06

2015,32(08):9-14