黄浦江河口建闸挡潮效果初步分析

崔 冬,赵庚润,卢永金

(上海市水利工程设计研究院,上海 200061)

黄浦江上接太湖,下通长江口,穿越上海市中心城区,是区域行洪除涝的重要排水河道,其两岸防汛墙是保障上海市区防汛安全的重要屏障。受全球气候变化、地面沉降及流域工情和水情变化等因素的影响,当前黄浦江两岸防汛墙实际防御水平由原定的千年一遇降为约200年一遇[1],远低于国家要求的千年一遇设防标准,急需采取有效措施以提高城市防汛能力。

风暴潮是上海地区防汛面临的最大问题[2],仅20世纪上海遭遇的特大和严重潮灾就有 10次,灾害损失严重。参照国外许多成功案例,有关研究认为在黄浦江河口建闸挡风暴潮是彻底解决上海中心城区防汛保安问题的有效措施之一[3-4],而挡潮效果是进行河口建闸前期决策的重要依据,展开相关研究非常必要,但受流域来水、闸门运行等条件的限制,河口闸的挡潮效果难以计算。

针对上述问题,本文研究了挡潮效果的计算水情和水闸调度运行方案,采用3种尺度的河网模型计算建闸前后闸内进潮量和闸内高潮位的变化,对建闸挡潮效果进行定量分析,还研究了水闸不同起关潮位与关闸历时对挡潮效果的影响,可为项目的前期决策提供重要技术支撑,也可为类似工程提供参考。

1 黄浦江自然条件及初拟水闸闸址方案

黄浦江是太湖流域最大的入江河流,也是流域目前唯一敞口的通江河道。干流自米市渡至吴淞口长约80km(图1),水深河宽,上、中段水深7～10m,下段水深达12m,河宽400～500m,绝大部分河段已形成了与来水来沙相适应的相对稳定的河床。黄浦江水系为平原感潮河网,潮汐属于非正规浅海半日潮。口门吴淞站平均高潮位为3.24m(上海吴淞基面 ,下同),历史最高潮位为 5.99m(发生于“9711”号台风期间),千年一遇设计高潮位为6.60m[5]。

图1 黄浦江河网模型模拟范围

黄浦江下游段岸线利用已经饱和,前期经过多轮遴选,初定了离河口5.8km的长航锚地闸址方案(图1),但该方案存在拆迁量大、水流不够顺畅、闸下岸线过长等不利因素[6]。当前有关部门正在组织开展吴淞口闸址方案的相关研究,该方案闸址位于黄浦江入长江口口门,是最能发挥建闸挡潮效益的理想选址,但因吴淞口的重要地位及其对黄浦江河势的控制作用,该方案是否可行尚无定论。本文仅针对前期初定的长航锚地闸址方案展开相关研究,其中闸址断面江面宽度约为 550m,河床形态呈“V”字形,深槽侧靠浦西,最低高程为-12m,初拟闸孔总净宽为375m,闸底高程为-12m[7]。

2 计算模型与计算条件

2.1 河网模型

一维数学模型是研究河网水动力问题的有效手段[8-10],但由于水闸调度运行期间会将黄浦江的流态由往复流改变为向下的单向流,势必会对上游较大范围内的水流边界条件产生一定影响。为消除这种影响,需考虑建闸对流域来水的影响,因此应扩大模型范围,在上海市区乃至太湖流域范围展开相关研究,但大尺度河网模型在模拟局部问题时往往存在精度不高的缺点。

为考虑建闸对上游流域来水的影响并保证模型模拟局部问题时的精度,采用太湖流域河网模型[11]、上海市区河网模型[12]、黄浦江河网模型[13]等3种尺度的模型联合分析计算,其中太湖流域河网模型用来为上海市区河网模型提供建闸前后的水流边界条件,上海市区河网模型用来为黄浦江河网模型提供建闸前后的水流边界条件,黄浦江河网模型用来精细模拟研究方案。

黄浦江河网模型和太湖流域河网模型的模拟范围如图1、图 2所示,限于篇幅,仅介绍黄浦江河网模型。由于黄浦江两岸支流均已采用泵闸控制,黄浦江河网模型模拟范围主要集中在上游米市渡至下游吴淞口之间的干流段。模型采用丹麦水力学研究所(DHI)研发的MIKE 11一维模型中的水动力学模块(HD模块)进行模拟计算,基本方程为一维非恒定流的圣维南方程组,解法为“追赶法”。该模型可以较为方便地设置水利枢纽控制结构物的各种调度规则,可以精确模拟水闸复杂的调度运行方式。模型采用2002年10月6—10日的实测水文资料对黄浦江主要测站的潮位过程、流量过程进行率定验证,率定验证成果符合相关规范要求[13]。

图2 太湖流域河网模型模拟范围

2.2 计算条件

除水闸闸址、闸孔规模外,研究挡潮效果的重要基础条件还包括计算水情、水闸调度运行条件等,这些基础条件的选取与设定直接影响挡潮效果的定量分析成果。

2.2.1 计算水情

计算水情应根据水闸防洪(潮)标准进行选择。根据国家有关规定,上海市区防洪(潮)标准为千年一遇。根据CJJ50—1992《城市防洪工程设计规范》规定,城市范围内的河道及沿岸土地利用必须服从行洪要求,各项工程建设及其防洪标准不得低于该城市的防洪标准。因此,水闸建成后的防御对象主要为千年一遇标准以内的风暴潮,选取黄浦江遭遇千年一遇风暴潮时的水情作为研究挡潮效果的计算水情,具有较好的代表性和较高的保证率。

由于千年一遇风暴潮水情并未发生过,需采用实际发生过的较大水情进行构造。以引发黄浦江吴淞口历史最高潮位的“9711”号台风期间水情为基础,对下游吴淞口“9711”号台风期间实测潮位过程进行同倍比放大,放大后的潮型高高潮位为千年一遇设计高潮位6.60m,最大潮差为4.8m。上游流域各边界仍采用“9711”号台风期间实况水位过程,区间降雨采用“9711”号台风期间实况降雨过程。模拟时段内黄浦江两翼地区按照防汛排涝安全要求实行统一调度,向黄浦江排水。

2.2.2 水闸调度运行条件

水闸调度运行条件包括调度方式及起关潮位与启闭历时等。

a.调度方式。黄浦江河口建闸实施挡潮调度的目的是阻挡闸下高潮位的上溯,保证上游流域来水的及时排泄以及闸内的防汛安全。采用涨潮挡水、落潮泄水的调度方式可实现此目的。较为理想的调度方式为当闸址处水流方向朝上游时关闸挡潮,当落潮过程闸内外两侧水位齐平时开闸泄水。但由于水流运动的复杂性及闸门启闭操作的延时性,上述调度方式在实际操作过程中很难实现,尤其是涨潮过程闸门起关时刻较难把握。相对而言,涨至某一特定潮位时关闸挡潮较为现实。因此,为研究挡潮效果,初步拟定水闸的调度方式为:涨潮过程中涨至某一特定高潮位时关闸挡潮,落潮过程中当闸内外水位齐平时开闸泄水。需要说明的是,由于水闸规模大,水闸实际调度运行中可能不会如此频繁启闭,上述拟定的调度方式仍然较为理想。

b.起关潮位。由于潮位上涨速度较快,过低的起关潮位可能导致闸内外过大的潮位差进而影响水闸结构安全;而潮位过高则影响挡潮效果,增加闸内防汛墙的防汛压力。拟根据建闸后闸内各站点的警戒水位设置水闸起关潮位,即水闸的起关潮位应保证关闸后闸内站点水位基本不超过警戒水位。根据黄浦公园4.55m的警戒水位要求,认为水闸的起关潮位可初拟为3.75m左右。

c.启闭历时。启闭历时包括开闸历时与关闸历时(即完成一次开闸或关闸运行所需的时间),其中关闸历时的长短直接影响挡潮效果。关闸太快会产生激振波,太慢则影响水闸挡潮功能的发挥。国外大型挡潮闸关闸历时大多在30min以上,如荷兰的马斯兰特闸、意大利的威尼斯泻湖闸关闸历时为2.5h,荷兰的东谢尔德闸关闸历时为1h,英国的泰晤士闸、俄罗斯的涅瓦河口闸关闸历时为30min。为研究挡潮效果,初步拟定黄浦江河口闸的关闸历时为40min。

3 计算结果分析

运用上述3种尺度的河网模型联合计算,采用初步拟定的计算水情及水闸调度运行条件,通过分析建闸前后闸址断面进潮量与闸内高潮位的变化,对黄浦江建闸挡潮效果进行定量研究,进一步分析水闸不同调度运行参数(起关潮位及关闸历时)对挡潮效果的影响。

3.1 建闸前后闸址断面进潮量的变化

在计算水情下,建闸前后闸址处涨落潮流量过程曲线如图3所示(图中流量正值表示落潮流量,负值表示涨潮流量,下同),涨潮过程累积进潮量如图4所示。

图3 建闸前后闸址处流量过程曲线

图4 建闸前后闸址处累积进潮量

由图3和图4可以看出:遭遇计算水情时,建闸前后一个涨潮过程内通过闸址断面的累积进潮量分别为1.6×108m3与0.3×108m3,建闸后进潮量比建闸前减少了约80%。因此,黄浦江河口建闸可大幅度减少风暴潮期间涨潮过程的进潮量,有效阻止高潮位的上溯。

3.2 建闸前后闸内高潮位的变化

遭遇计算水情时,建闸前后闸址处上游侧潮位过程曲线如图5所示,黄浦江闸内河段沿程高潮位的分布情况如图6所示。

图5 建闸前后闸址处上游侧潮位过程曲线

图6 建闸前后黄浦江闸内河段沿程高潮位的分布

由图5和图6可以看出:遭遇计算水情时,建闸前闸址断面(距米市渡73.5km)最高潮位可达6.6m,而建闸后最高潮位降至4.2m,降幅达2.4m。建闸前黄浦江闸内河段高潮位在5.3～6.6m之间,上游低下游高,外滩黄浦公园(距米市渡54.8km)处为6.4m;而建闸后通过闸门的调度,可将黄浦江闸内河段高潮位普遍控制在3.6～4.2m之间,与建闸前相比闸内沿程高潮位有1.7～2.4m的降幅,且自金汇港北闸(距米市渡25.5km)至闸址段降幅均在2m以上。因此,黄浦江河口建闸能有效降低风暴潮期间闸内河段的高潮,对减轻闸内防潮压力极为有利。

综上,若闸址选在长航锚地,闸孔总净宽375m,水闸按起关潮位3.75m、关闸历时40min进行调度,则在遭遇千年一遇风暴潮水情时闸址内侧进潮量减少80%,黄浦江闸内干流段高潮位普遍降低1.7～2.4m,挡潮效果明显,能有效提高上海市区防汛能力。

3.3 起关潮位的影响

起关潮位共研究了3.00m,3.75m和4.50m这3组工况(关闸历时以 40min为例)。图 7为不同起关潮位下建闸前后闸址处流量过程曲线。计算结果表明,3组起关潮位下,闸址断面一个涨潮过程内累积进潮量分别为 0.164×108m3,0.318×108m3,0.508×108m3,与建闸前相比分别降低了 90%,80%,68%。即3组起关潮位均能起到较好的挡潮效果,且水闸起关潮位越低,挡潮效果越好。

图7 不同起关潮位下闸址处流量过程曲线

3.4 关闸历时的影响

关闸历时共研究了20min,40min和60min这3组工况(起关潮位以3.75m为例)。图8为不同关闸历时下建闸前后闸址处流量过程曲线。计算结果表明,3组关闸历时下,闸址断面一个涨潮过程内累积进潮量分别为 0.214×108m3,0.318×108m3,0.426×108m3,与建闸前相比分别降低了 87%,80%,73%。即3组关闸历时均能起到较好的挡潮效果,且关闸历时越短,挡潮效果越好。

图8 不同关闸历时下闸址处流量过程曲线

4 结 语

本文在前期已有成果所推荐的闸址和规模的基础上,初步拟定计算水情、水闸调度运行方案等重要基础条件,采用太湖流域、上海区域和黄浦江干流3种尺度的河网模型联合分析计算,对黄浦江河口建闸的挡潮效果进行定量分析,并研究了不同调度参数对挡潮效果的影响。研究结果表明,若闸址选在长航锚地,闸孔总净宽375m,水闸按起关潮位 3.75m、关闸历时40min进行调度,则在遭遇千年一遇风暴潮水情时,闸址内侧进潮量减少80%,黄浦江闸内干流段高潮位普遍降低1.7～2.4m,挡潮效果明显,能有效提高上海市区防汛能力。就水闸调度参数对挡潮效果的影响而言,水闸起关潮位越低,关闸历时越短,挡潮效果越好。

致谢:本研究得到了太湖流域管理局水利发展研究中心杨洪林教授级高级工程师、章杭惠高级工程师,上海市水务规划设计研究院徐贵泉教授级高级工程师、唐迎洲工程师的大力协助,在此致以衷心的感谢!

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