不同引河长度下河口闸下淤积形态数值研究

马洪亮，董 佳，曲红玲

（江苏省交通规划设计院股份有限公司，南京 210005）

不同引河长度下河口闸下淤积形态数值研究

马洪亮，董 佳，曲红玲

（江苏省交通规划设计院股份有限公司，南京 210005）

闸下淤积是河口建闸的关键问题，直接关系到工程的成败。基于甬江及口外海域金塘水道实测水文泥沙资料，建立平面二维水沙数学模型，分析计算不同引河长度下的闸下淤积特点以及对北仑港区、镇海港区水沙运动和地形变化的影响。计算结果表明：在上游径流及外海来沙相同的条件下，闸址离河口越近，闸下河道因建闸引起的淤积量越小，但闸下淤积强度越高；建闸对北仑港区无显著影响，对镇海港区影响较大，当闸址位于镇海港区上游时，闸址距港区越近，淤积影响越显著。

河口建闸；闸下淤积；平面二维水沙模型

Biography：MA Hong-liang（1987-），male，master student.

随着社会经济不断发展，河口地区的重要性日益凸显。为满足船舶航运、防洪排涝以及水资源综合利用等需求，越来越多的河口均已建闸，成为改善河口条件的重要手段之一［1］。但是已有工程经验表明，占显著比例的建闸河口闸下淤积严重，引发通航、行洪、水环境等一系列的问题，闸下淤积的预报及防淤减淤措施一直是水利工程中亟待解决的问题。关于这方面的研究目前采用较多的是现场资料分析［2－3］、半经验半理论公式［4－11］以及针对某一河口建立河工模型［12－14］或一、二维数学模型［15－17］，但系统研究考虑上游一定径流量下不同引河长度建闸后闸下河道淤积形态及最大淤积强度特征的还不多见。采用平面二维水沙模型，研究引河长度由长变短乃至口外建闸闸下淤积形态和淤积特点，可为河口建闸规划与设计提供参考。本文以甬江建闸工程为例，计算不同闸址方案实施后的年泥沙回淤分布情况。

1 甬江建闸工程

1.1 自然条件

（1）水下地形。甬江位于浙江省东部沿海，杭州湾以南，东临舟山群岛（图1）。上游有奉化江、姚江两大支流，汇合于宁波市区的三江口，三江口以下至镇海出海口段为甬江干流，全长25.6 km。甬江属平原弯曲型河流，岸线曲折、水深较浅、河宽较窄，河道宽度210～400 m。在河道弯曲的凹岸一般有深槽，水深达5～10 m，口门段的水深也达5～10 m，其余的水深在5 m以内。口外海域岛屿星罗棋布，水道纵横交错，沟槽、浅滩相间分布，水深悬殊多变，地形地貌十分复杂。水域内分布有舟山岛、金塘岛、大榭岛以及册子岛等大小数十个岛屿，岛屿间多为深槽水道，自南向北分别为螺头水道、金塘水道和册子水道，最大水深达120 m，是该水域涨落潮的主要输水输沙通道。

（2）径流。甬江入海径流量为奉化江径流量和姚江闸排水量的总和。甬江多年平均径流量为29.12亿m3，最大年径流量为44.53亿m3（1983年），最小为11.89亿m3（2003年）。

（3）潮汐。研究海域受东中国海前进潮波控制。外海潮波从螺头水道及舟山南侧的十几条水道进入本水域，于大榭岛附近分成两股：一股向西经金塘水道进入杭州湾，另一股向西北经册子水道，又分成二支从西候门和富翅门水道汇入杭州湾。根据实测潮位资料的调和分析，本海域潮性系数介于0.5～2.0，且日潮不等现象较为显著，属不规则半日潮混合潮。据宁波、镇海及定海3个长期验潮站2008年全年实测潮位资料，该海域潮差相对较小，平均潮差1.67～2.01 m，最大潮差也仅3.91 m，是浙江沿海潮差较小的海区之一。

图1 甬江及口外海域水下形势图Fig.1 Sketch of Yongjiang river and sea area

（4）潮流。本海域潮流为半日潮流。洪枯两季外海7条水文垂线的实测资料显示（V1～V7，图1），该水域潮流总体特征表现为顺岸的往复流，各垂线涨潮流向为NW，落潮流向为SE，流向主轴和岸线或深槽走向一致。

海区流速较大，潮流动力强劲，最大实测流速达2.17 m/s（V4）。大、中潮流速差异不明显，小潮流速较小，落潮平均流速略大于涨潮平均流速。金塘水道北部海域的平均流速较大，而河道及南部海域流速相对较小，水动力条件总体呈现“北强南弱”的平面分布特点。

（5）余流。河口地区的水流受潮汐影响呈现往复流状态，因此水体及其携带物质的运动方式也具有循环往复的特点，但在一个潮周期后，水质点往往不会回到原处，而是有一个净位移，这种净位移称之为长期输送，余流就是指长期输送中的水体净输移。由于潮流是泥沙运动的载体，因此余流在一定程度上可指示水沙的净运移方向。近海余流的计算较为复杂，本文采用简化的欧拉余流计算方法，即将一个潮周期内所测各时刻的潮流作矢量合成，得出余流的大小和方向。

根据实测资料，受甬江径流下泄影响，口门处（V2）余流流速较大，达0.39 m/s，流向为ESE；外海浅滩处（V1、V7）余流较小，介于0.1～0.12 m/s，指向SSW—WSW；深槽处除V3测点受大、小黄蟒山及中门柱岛扰动影响外，其余测点余流流速均较大，介于0.33～0.35 m/s，流向均为SE向。由各测点的余流数据可知，甬江口外海域水体的净输移方向大致从北部的杭州湾指向南部的螺头水道。

（6）波浪。金塘水道海域有舟山群岛的金塘、大榭、黄蟒、中柱等岛作屏障，外海涌浪难以传入，主要波浪是局部水域产生的风生浪。根据北仑水文站1983～1988年波浪观测统计资料，常浪向为NW—NNW向，统计频率占29.2%，强浪向为NW—NNE向［18］。

（7）泥沙。研究水域悬沙颗粒较细，平均中值粒径D50介于0.007～0.009 mm，属粉砂质泥沙，易在盐水中发生絮凝现象。底质中值粒径D50介于0.01～0.118 mm，较悬沙中值粒径略粗，这种悬沙、底沙细而一致的性质，为海域来沙的属性，且决定了泥沙运动以悬移为主。

甬江上游的姚江和奉化江为平原河流，来沙量相对较小，因此甬江干流的泥沙来源主要是海域来沙。本海区泥沙主要来自长江口和杭州湾，长江口和杭州湾输出的泥沙在东海沿岸流的作用下南下输移，向邻近海域扩散，对本区悬沙输移影响较大，成为浙江近海沉积和滨海平原发育的主要泥沙来源之一。

1.2 闸址方案

拟定的4个闸址方案分别位于宁波大学、镇海电厂附近河道、甬江河口内侧及河口外侧，依次命名为方案一～方案四。闸址距河口距离为17.6 km、8.2 km、1.5 km（方案四位于口门外侧），各闸址方案均包括船闸、导流堤、泄洪闸及堵坝等水工建筑物。

2 计算方法

2.1 水动力方程

水流运动的基本方程包括水体连续性方程和动量守恒方程，即

2.2 悬沙输运及床面变形方程

2.3 定解条件

对于边界条件，水边界给定已知的潮位过程，岸边界采用垂向不可入切向可滑移条件。对于初始条件，潮位取开始计算时刻的水边界潮位值，流速以零起动形式给出。

2.4 数值解法

采用有限差分法离散微分方程。在离散时，时间上采用前差分；空间上采用四边形交错网格。采用追赶法求解离散后的线性代数方程组。

2.5 甬江建闸水沙模型

由于甬江河道窄长，岸线蜿蜒曲折，将计算坐标系的X轴设置成与甬江河道的走向近似一致（东偏北25°），为精确反映闸下引河内的水流特征及泥沙淤积形态，河道内网格取为15 m×30 m（图2）。潮流数学模型时间步长取10 s，悬沙输送数学模型时间步长取600 s。水平涡动粘性系数采用Smagorinsky公式［19］计算。外海开边界潮位由东中国海潮波数学模型［20］提供，河道开边界采用实测潮位资料。此外，本海域处于河口近岸区域，潮滩分布广泛，随着潮位的涨落，边滩间歇性淹没和露出，模型采用阻塞函数法［21］处理动边界问题。

图2 甬江河道模型网格Fig.2 Model grid of Yongjiang river

2.6 挟沙能力公式的选取

通过实测水文泥沙资料可以看出，金塘水道北部测点的涨落潮含沙量差别明显（图3），在一个涨落潮周期中，流速出现2个峰值，分别为落急和涨急，但含沙量仅出现一个峰值，且在落急后1～2 h，含沙量随涨落急半潮变化显著，若采用全潮平均挟沙力公式似有不妥，而悬沙输运正确与否又对闸下淤积计算成果至关重要，故文中采用按涨落潮区分的半潮挟沙力公式（图4）。

图3 潮流泥沙过程线（V7大潮）Fig.3Hydrograph of tidal current and sediment（V7 spring tide）

2.7 模型验证

为检验二维潮汐潮流预报以及悬沙输运数值模式能否良好地复演甬江及口外海域水沙运动，模型计算了2010年7月大中小3种潮汛的流场及悬沙场，对潮位、潮流和含沙量的计算结果进行验证。计算结果与实测资料吻合较好（图5），说明本文所建立的平面二维水沙模型及选用的参数是合理可行的，能够模拟海域实际的水体运动和悬沙输运。

图5 水位、流速及含沙量验证曲线Fig.5 Verification of tidal level，velocity and sediment concentration

2.8 水闸泄流内边界条件

泄洪闸的处理是本次数值模拟中需要谨慎对待的问题。当上游径流不足时，泄洪闸关闭蓄水，此时，水闸将甬江隔为相互独立的闸上段与闸下段；当上游来水较大时，泄洪闸打开泄洪排涝，此时，闸上与闸下河道复为连通域。本课题研究中，泄洪闸按线边界处理，计算典型年上游河道径流量下产生的闸下淤积量，当泄洪闸关闭时，将其作为固边界；当泄洪闸打开时，根据堰流公式（6）计算下泄流量作为内边界条件

式中：Q为泄流流量，m3/s；σ为淹没系数；m为流量系数；ε为侧收缩系数；B为闸孔净宽，m；H0为上下游水位差，m。

3 成果分析

3.1 流速变化

水是泥沙运动的载体，对泥沙输运特征的分析至关重要。河口海岸地区主要存在潮流、波浪等经常性动力因素以及风暴潮等偶然性动力因素，甬江及口外海域受岛屿屏蔽作用，波浪较小，因此在常态天气下，潮流是影响泥沙输运的主导因素，潮流运动的强度变化反映了水流挟沙能力的变化，可为分析河道的冲淤特性提供参考。图6为方案二实施前后河道及北仑港附近水域涨落潮平均流速的变化对比情况（闸址为起点桩号，下同）。

图6 建闸前后涨落潮流速对比（方案二）Fig.6 Comparison of flood and ebb speed between pre and post construction of barrage（scheme 2）

建闸前，研究水域的涨落潮流速虽有不同，但差别不大；建闸后，由于水闸对水流的阻滞效应，涨落潮流速均小于建闸前，且离闸址越近，减小幅度越大，闸址处几乎由动水变为静水，河口及北仑港区海域水动力几乎不变；建闸后，河道内涨潮流速一般都大于落潮流速，导致涨潮挟沙力大于落潮挟沙力，涨潮输沙量大于落潮输沙量，造成闸下河道泥沙淤积。其他闸址方案的水动力变化情况与此类似，限于篇幅，不再列出。

3.2 淤积强度和淤积量

图7～图8分别为方案二实施后在水闸调度运行下的河道年泥沙冲淤分布范围及泥沙回淤强度沿程变化。图9为各方案实施后的年最大回淤强度。

图7 泥沙回淤强度分布（方案二）Fig.7 Distribution of sedimentation intensity（scheme 2）

图8 回淤强度沿程变化（方案二）Fig.8 Variation of sedimentation intensity（scheme 2）

图9 各方案闸下最大淤强Fig.9 The maximum siltation intensity for each scheme

由图7～图8可知，除泄洪闸下游近区因泄水而引起河床冲深外，闸下河道普遍处于淤积状态，且堵坝处的淤积强度最大，离闸址越远，淤积强度越小，这也可由建闸前后河道水动力的变化印证。从回淤范围分布图中也可看出，镇海电厂闸址方案实施后对北仑港区无淤积影响，但对镇海港区影响较大。

根据所绘各闸址方案实施后泥沙回淤强度分布图及回淤量表（表1）可以得到：

（1）各个闸址方案因泄洪闸泄水，闸下为冲刷区；对于方案一和方案二，冲刷区的下游为泥沙回淤区，由上游向河口回淤强度逐渐减小，最大淤积区紧邻闸下冲刷区，分别在闸下约600 m和1 150 m，年回淤强度分别达0.99 m/a和1.12 m/a；对于方案三和方案四，闸下没有两岸河岸的掩护，完全处于外海强潮流的动力环境，为冲淤平衡区。

（2）堵坝下游为闸下泥沙回淤最为严重的区域，年回淤强度达到2.05～2.28 m/a，其中，宁波大学闸址方案淤强最小，河口闸址方案淤强最大（图9）。对于方案一和方案二，船闸下游区域有泥沙淤积，淤强0.0～1.0 m/a；对于方案三和方案四，右岸船闸下游水域发生泥沙淤积，淤强0.0～1.5 m/a，但左岸船闸附近水域无泥沙淤积。

（3）各个闸址方案实施后对北仑港区的泥沙淤积没有影响，但对镇海港区有影响，其中，方案一和方案二的影响较大，2个方案在镇海港区的年回淤强度分别为0.38 m/a和0.61 m/a；对于方案三和方案四，因镇海港区位于闸上且上游来沙很少，镇海港区基本没有泥沙回淤。

表1 各方案泥沙年回淤量Tab.1 Back-silting quantities for each scheme

（4）各个闸址方案实施后的闸下淤积面积及淤积方量各不相同，其中，宁波大学闸址方案实施后的闸下淤积面积和淤积方量最大，分别为598.7万m2和381.0万m3，河口内侧闸址方案最小，分别为43.3万m2和59.3万m3。按淤积面积和淤积方量由小到大排序，依次为河口内侧闸址方案、河口外侧闸址方案、镇海电厂闸址方案和宁波大学闸址方案。

4 结语

采用平面二维水沙数值模型研究了不同引河长度条件下闸下泥沙淤积范围、淤积强度及淤积总量。以甬江建闸工程为例，在上游径流一定且外海来沙不变的条件下：对于不同闸址方案，闸址离河口越近，闸下泥沙淤积总量越小，但淤积强度越大；对于同一闸址方案，泥沙淤积强度自闸址向河口逐渐减小。建闸工程对北仑港区泥沙淤积无显著影响，但对镇海港区影响较大，当闸址位于港区上游时，闸址距港区越近，淤积影响越显著。

［1］吴贻范.潮汐建闸河口分类初探［D］.上海：华东师范大学，1984.

［2］韩曾萃，周文波，邵雅琴.上浦闸闸下淤积的预测与实测对比［J］.河口与海岸工程，1997（4）：1-8.

HAN C C，ZHOU W B，SHAO Y Q.Comparsion between prediction and observation of downstream siltation of ShangPu barrage［J］.Estuarine and Coastal Engineering，1997（4）：1-8.

［3］罗肇森.射阳河口泥沙模型试验及现场比较［J］.泥沙研究，1994（1）：90-96.

LUO Z S.Comparsion between sedimental model experiment and observation in Sheyang estuarine ［J］.Journal of Sediment Research，1994（1）：90-96.

［4］Eysink W D，Vermaas H.Computation Methods To Estimate the Sedimentation in Dredged Channels and Harbour Basins in Estuarine Environments［C］//Coast Conservation Division.International Conference on Coastal and Port Engineering in Developing Countries.Sri Lanka：Colombo，1983.

［5］孙林云，黄建维，刘建军，等.永定新河河口区水动力条件及泥沙运动特性分析研究［C］//中国海洋工程学会.第十届中国海岸工程学术讨论会论文集.北京：海洋出版社，2001.

［6］严凯，梁其荀.海岸工程［M］.北京：海洋出版社，2002.

［7］刘家驹，喻国华.海岸工程泥沙的研究和应用［J］.水利水运科学研究，1995（3）：221-233.

LIU J J，YU G H.Study and application on sediment of coastal engineering［J］.Hydro-Science and Engineering，1995（3）：221-233.

［8］刘家驹.淤泥质海岸航道港池淤积计算方法及其应用推广［J］.水利水运科学研究，1993（4）：301-320.

LIU J J.Siltation prediction for navigation channels and harbor basins on muddy beach［J］.Hydro-Science and Engineering，1993（4）：301-320.

［9］罗勇，罗肇森.上海外高桥电厂取排水域中潮位下极限淤积估算［J］.泥沙研究，2001（5）：67-72.

LUO Y，LUO Z S.Estimation of Ultimate Sedimentation under the Mean Tidal Level in the Basin of Intake and Output of the Wai Gao Qiao Electric Power Plant（WEPP）in Shanghai［J］.Journal of Sediment Research，2001（5）：67-72.

［10］罗肇森.波、流共同作用下的近底泥沙输移及航道骤淤预报［J］.泥沙研究，2004（6）：1-9.

LUO Z S.Sediment transport under the coexisting action of waves and currents and the prediction of sudden sedimentation in navigation channel［J］.Journal of Sediment Research，2004（6）：1-9.

［11］罗肇森.河口航道开挖后的回淤计算［J］.泥沙研究，1987（2）：13-20.

LUO Z S.Computation of Siltation in Dredged Channels in Estuaries［J］.Journal of Sediment Research，1987（2）：13-20.

［12］宋立松.闸下淤积过程灰色预警分析探讨［J］.泥沙研究，2004（2）：47-50.

SONG L S.Preliminary study on warning-forecast of sedimentation downstream tide gates by using grey model［J］.Journal of Sediment Research，2004（2）：47-50.

［13］何用，黄伟，李荣，等.河口节制闸下淤积冲淤效果耦合模型计算［J］.武汉大学学报：工学版，2004（8）：16-20.

HE Y，HUANG W，LI R，et al.Analysis of deposition in downstream area of regulating gates at estuaries and modeling water flushing effect by coupled model［J］.Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering：Engineering and Technology Edition，2004（8）：16-20.

［14］俞月阳，潘存鸿，韩曾萃.曹娥江大闸闸下冲刷水槽试验的研究［J］.浙江水利科技，2003（4）：18-19，30.

YU Y Y，PAN C H，HAN C C.Study on flume experiment of downstream erosion in CaoEr river barrage［J］.Zhejiang Hydrotechnics，2003（4）：18-19，30.

［15］耿兆铨，卢祥兴.黄湾建闸后闸下潮汐、潮流变化和淤积趋势预估［J］.东海海洋，1990，8（1）：18-26.

GENG Z Q，LU X X.Variation of the tide current and deposit tendency caused by constructing the gate［J］.Journal of Marine Sciences，1990，8（1）：18-26.

［16］赵今声.挡潮闸下河道淤积原因和防淤措施［J］.天津大学学报，1978（1）：73-85.

ZHAO J S.Causes and protection measures of river siltation downstream barrage［J］.Journal of Tianjin University，1978（1）：73-85.

［17］白玉川，顾元棪，朱保粮，等.海河口拖淤泥沙运动规律及清淤工程效益数学模拟研究［J］.水利学报，1998（12）：8-16，28.

BAI Y C，GU Y Y，ZHU B L，et al.Research on law of sediment movement agitated by dredger and mathematical modeling of the dredging benefit［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1998（12）：8-16，28.

［18］高 峰，张宏阳，刘海成，等.北仑电厂码头改扩建工程潮流泥沙数值模拟［J］.水道港口，2010，31（1）：12-19.

GAO F，ZHANG H Y，LIU H C，et al.Numerical modeling of tidal current and sediment of reconstruction and extension projects of wharf in Beilun power plant［J］.Journal of Waterway and Harbor，2010，31（1）：12-19.

［19］Smagorinsky J.General circulation experiments with the primitive equations I：the basic experiment［J］.Journal of Computational Physics，1990，86（1）：56-74.

［20］张东生，张君伦.黄海海底辐射沙洲区的 M2潮波［J］.河海大学学报，1996，24（5）：35-40.

ZHANG D S，ZHANG J L.M2Tidal Wave in the Yellow Sea Radiate Shoal Region［J］.Journal of Hohai University，1996，24（5）：35-40.

［21］陈一梅，王震，黄永葛.感潮河段整治工程对河床冲淤影响预测［J］.海洋工程，2002，8（3）：87-93.

CHEN Y M，WANG Z，HUANG Y G.Influence of regulation works on scouring and silting of riverbed in tidal reaches［J］.The Ocean Engineering，2002，8（3）：87-93.

study on profile of siltation downstream tidal barrage according to different irrigation channel lengths

MA Hong-liang,DONG Jia,QU Hong-ling
（Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.,Ltd.,Nanjing210005,China）

Siltation at the downstream of tidal barrage is the key problem of the construction in estuaries,which is directly related to the success of the project.According to the hydrologic and sediment observation data of Yongjiang river and sea area nearby,a 2D water and sediment mathematical model was established in this paper.The amount of siltation was calculated based on different irrigation channel lengths,and the influence of the barrage on Beilun Port and Zhenhai Portwas also analyzed.The results show that when the runoff and incoming sediment from sea remain the same,the closer the barrage away from the estuary,the less siltation increases,while the higher siltation intensity it is.The project of barrage has no influence on sediment deposition of Beilun Port,but remarkable influence on Zhenhai Port.When the barrage locates upstream against the port area,the closer the barrage away from the port,the greater the strength of siltation.

barrage at the estuary;siltation downstream tidal barrier;2D mathematical model

TV 148+.1；O 242.1

A

1005-8443（2013）04-0344-08

2012-11-22；

2012-12-05

马洪亮（1987-），男，江苏省张家港人，硕士研究生，主要从事河口海岸水动力模拟研究。