青草沙水库工程对附近水域河床冲淤的影响

郭超硕，朱建荣

(华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

青草沙水库工程对附近水域河床冲淤的影响

郭超硕，朱建荣

(华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

青草沙水库是长江河口的一个重大工程，显著改变了北港上段的河势。河势的变化会引起流场和泥沙质量浓度的变化，进而影响河床的冲淤。本文应用三维水动力和泥沙数值模式，计算和分析了青草沙水库工程对附近水域流场、泥沙质量浓度和冲淤的影响。青草沙水库工程建设后，北港河道束窄，导致水库北侧河道主槽流速和泥沙质量浓度增加。水库工程使得进入北港的径流量和纳潮量减少，导致青草沙水库以东、北港下段和拦门沙区域流速和泥沙质量浓度下降。应用半理论半经验河床冲淤公式和模式计算的工程前后流速、泥沙质量浓度和水位数据，给出了由水库工程造成的河床冲淤变化分布。在水库以北北港水域发生普遍冲刷，冲刷强度最大可达2～3 m，冲淤分布和量值与工程前后实测水深变化吻合良好。数值模式较好地模拟了青草沙水库工程对附近水域冲淤分布的影响和变化量值。

长江河口；青草沙水库；水动力；泥沙质量浓度；冲淤

0 引言

河床泥沙的冲淤受到水动力、泥沙特性等多方面因素的影响。在河道中修建大型水利工程，势必改变河道地形，使得工程区域的流场发生改变。水动力的强弱直接决定着河床泥沙的起动以及沉降，进而决定了河床的冲淤变化。当工程建设引起周边水域流场改变，会打破河床的冲淤平衡，产生冲淤变化。通过研究水利工程对工程周边的流场影响，可以有效预测评估工程造成的河床冲淤。在国内外，已有大量关于水利工程对河床冲淤影响的研究[1-3]。

为解决上海饮用水供给问题，经多年研究规划，上海市于2007年开始建设青草沙水库。该水库水域面积66.26 km2，有效库容达4.35×108m3[4]。青草沙水库工程地处崇明岛以南，南、北港分流口北港上段，是长江口区近百年来滩槽变化频繁、河床冲淤较为剧烈的河段，河势变化十分复杂[5]。青草沙水库工程使北港上段河道缩窄，会对来自上游的径流及来自下游的潮流造成影响，使得工程区域的流场发生明显变化。流场变化势必引起泥沙的起动与沉降发生改变，改变区域泥沙质量浓度，最终造成局部冲淤的新格局。本文利用改进的ECOM数值模式，计算和分析了青草沙水库工程对附近水域流场和泥沙质量浓度的影响，并结合半理论半经验公式，对河床冲淤变化进行了计算评估。

1 数值模式的设置

本文采用的数值模式为作者所在研究组多年应用与改进的ECOM-si模式，该模式已经在长江河口进行了大量水动力和盐水入侵研究，取得了众多研究成果[6-7]。模式使用水平曲线非正交网格[8]，研究范围西起长江河口枯季潮区界大通，东至125°E，北起33.5°N，南至27.5°N，包含了整个长江河口、杭州湾及临近海区。在青草沙水库研究区域，网格拥有较高的精度(图1a)。模式中青草沙水库区域如图1b中虚线区域所示，工程前为实际水域，工程后作为陆地处理。在之前的研究中，已对模式进行了大量的验证，计算结果与实测数据吻合较好，验证部分可参考文献[6-7]。

图1 数值模式使用网格(a)，青草沙水库周边地形(b)以及模式输出点的位置(c)Fig.1 The grids used in model calculation (a), topography nearby Qingcaosha reservoir (b) and the positions of model output sites (c)

模式外海开边界由16个分潮(M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，U2，V2，T2，L2，2N2，J1，M1和OO1)调和常数合成给出，资料源自NaoTide数据库。温、盐场在长江口外由海洋图集数字化给出[9]，口内由枯季多次实测资料插值得到。外海温、盐开边界采用辐射边界条件。模式水深为2007年青草沙水库建设前实测水深。上游各月径流为大通多年月平均径流量,以反映长江径流随时间的变化。模式上游来沙质量浓度为0.2 kg/m3，为长江口枯洪季平均值[10]。模式使用的风场为欧洲中期天气预报中心的月平均风场。模式泥沙中值粒径取为0.03 mm，泥沙沉积速率选用张瑞瑾公式，泥沙沉降及再悬浮系数由经验及模式率定给出。模式由2007年1月起算，计算至2008年1月。

2 计算结果与分析

2.1 模式输出点流速和悬浮泥沙质量浓度随时间变化

选择青草沙水库附近北港水域4个模式输出点A、B、C和D(图1c)，分析比较水库工程前后流速和泥沙质量浓度随时间的变化。输出点A、B和C分别位于水库北侧北港水域的上段、中段和下段，从图2和图3中可见，水库工程建设后因河道断面缩窄，A、B、C三点底层流速变大，最大增速约为5 cm/s。流速的增加使得底床的切应力增强，泥沙更易发生再悬浮，总体上导致悬浮泥沙质量浓度增加。模式输出点D位于横沙岛北侧，由于水库工程对北港河道的缩窄，工程后进入北港的总径流和纳潮量下降，使得水库工程以东的北港水域流速减小、悬浮泥沙质量浓度降低。

2.2 青草沙水库附近水域落潮及涨潮平均流速及其变化

工程前青草沙水库附近水域大潮涨潮表层平均流场和流速分布及工程导致的变化见图4和图5。工程造成北港缩窄，在水库中下段北侧水域流速发生了明显增加，量值达0.2 m/s。水库东侧由于涨潮流受到了水库东堤的阻拦，流速下降。在北港拦门沙区域因进入北港的径流量和纳潮量的减小，涨潮流速下降。流场变化与模式输出点的流速变化一致。

落潮期间(图略)，水库东侧由于东堤的阻挡，落潮流速减小。水库上段外侧，潮沟在工程后被封堵，使流速下降。在北港拦门沙区域，一方面进入北港的径流量减少，另一方面因水库工程缩窄河道，阻力增加使口门处涨潮量减少，导致平均落潮流减小，在减小较大区域量值达0.10～0.15 m/s。

图2 模式输出点底层流速随时间变化Fig.2 Temporal variation of bottom current speed at model output sites

图3 模式输出点泥沙质量浓度随时间变化Fig.3 Temporal variation of sediment concentration at model output sites

图4 工程前大潮涨潮表层平均流场分布(a)和工程导致的大潮涨潮表层平均流场变化(工程后减去工程前，b)Fig.4 Time-averaged surface flood current during spring tide before the project (a) and its difference caused by the project (after project minus before project, b)

图5 工程前大潮涨潮表层平均流速分布(a)和工程导致的大潮涨潮表层平均流速变化(工程后减去工程前，b)Fig.5 Time-averaged surface flood current speed during spring tide before the project (a) and its difference caused by the project (after project minus before project, b)

2.3 青草沙水库附近水域大潮和小潮期间余流分布及其受工程的影响

长江河口口门以内的余流主要由径流决定，主槽中余流比浅滩大。水库工程后大潮期间余流的变化向陆，表明工程使北港过水断面减小，进入北港的径流量减小，向海的余流变小(图6)。这也是上文提及的水库工程后进入北港径流量减少的佐证。

图6 工程前大潮期间表层余流分布(a)和工程导致的大潮期间表层余流变化(工程后减去工程前，b)Fig.6 Surface residual current during spring tide before the project (a) and its difference caused by the project (after project minus before project, b)

2.4 青草沙水库附近水域泥沙质量浓度分布及其变化

工程前大潮落憩时刻，在长江河口拦门沙区域、北支、崇明岛和长兴岛南侧区域的泥沙质量浓度较高，其它水域泥沙质量浓度较低(图略)。受重力作用，底层的泥沙质量浓度明显高于表层。工程后，在水库下段外侧泥沙质量浓度增加，水库上段泥沙质量浓度减小，拦门沙区域质量浓度减小。工程导致水库上段外侧区域、中下段外侧主槽的泥沙质量浓度增加，中下段北堤外侧以及拦门沙区域泥沙质量浓度降低。

工程前小潮落憩时刻，与大潮期间相比，因潮动力减弱，底部泥沙再悬浮量减少，泥沙质量浓度整体下降。工程导致水库中下段及横沙岛北侧泥沙质量浓度增加。水库中下段泥沙质量浓度的增加缘于工程后流速的增加，横沙岛北侧泥沙质量浓度的增加缘于来自于上游泥沙的平流。在水库上段及拦门沙区域泥沙质量浓度下降(图7)。工程前小潮涨憩时刻，涨潮期间底部湍流混合增强，泥沙质量浓度相比落潮期间增加。工程导致水库外侧北港河道泥沙质量浓度普遍增加，北港拦门沙水域泥沙质量浓度减少(图8)。工程导致的泥沙质量浓度变化与前面流场的变化动力成因相一致。

青草沙水库工程前后，模式的上游和外海泥沙质量浓度开边界条件和初始条件一致，因此总体上看，是水库工程引起了流场变化，从而引起泥沙质量浓度变化。模式中泥沙质量浓度主要由平流项及底部泥沙再悬浮决定。工程造成周边区域流场改变，使得底部泥沙再悬浮发生改变；工程前后，底部泥沙再悬浮差异造成了泥沙空间分布的差异，进而使得平流项输沙发生改变。

图7 小潮落憩时刻工程前泥沙质量浓度分布(a和b)和工程导致的泥沙质量浓度变化(工程后减去工程前，c和d)Fig.7 Sediment concentrations at ebb slack during neap tide before the project (a and b) and their difference caused by the project (after project minus before project, c and d)

图8 小潮涨憩时刻工程前泥沙质量浓度分布(a和b)和工程导致的泥沙质量浓度变化(c 和d)Fig.8 Sediment concentrations at flood slack during neap tide before the project (a and b) and their difference caused by the project (after project minus before project, c and d)

①赵鑫,姚文伟,熊李虎. 华能玉环电厂三期“上大压小”扩建工程海域水动力悬沙数值模拟专题研究[R].浙江：浙江省水利河口研究院,2013.

3 青草沙水库附近水域河床冲淤

使用模式计算得到的水库工程前后流场及泥沙质量浓度场，结合河床冲淤的半经验半理论工程公式，可以计算得到由水库工程造成的河床冲淤变化。若河床冲淤主要基于工程区域水动力和泥沙质量浓度的变化，可以采用半经验半理论公式①进行最终冲淤估算：

(1)

当Δt趋近于无穷时，可以得到底床最终冲淤量值:

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

式中：Δζb、γs、α和ω分别代表冲淤幅度、淤积泥沙干

容重、泥沙落淤几率和悬浮泥沙沉积速率；H1为工程实施前水深；V1和V2分别为工程前后模式计算流速，在计算时使用流速为全潮平均流速；S1和S2为工程前后模式计算所得泥沙质量浓度；S*1为工程实施前水流挟沙能力,计算涨、落潮时挟沙能力，采用如下经验公式：

(6)

(7)

式中：Vf和Ve分别为涨、落潮时的半潮平均流速，由模式计算所得；H为半潮平均水深，由模式输出的水位数据所得；g为重力加速度常数。

由冲淤公式计算的由青草沙水库工程导致的河床最终冲淤分布见图9，在青草沙附近的北港区域普遍发生了河道冲刷，北港河道北部区域冲刷较南侧更明显，在水库下段局部冲刷达到了2～3 m，原因在于工程使得河道过水断面缩窄，流速增加。在水库东侧区域，由于水动力环境减弱，发生了明显的淤积，且南部的淤积强于北部。

图9 模式计算的青草沙水库工程导致的河床冲淤分布Fig.9 Model calculated distribution of erosion and deposition induced by the Qingcaosha reservoir

青草沙水库工程前后北港附近水域实际水深变化见图10( 2011年实测水深减去2007年实测水深)。青草沙水库于2007年6月5日开工，于2010年10月竣工。在青草沙水库北侧北港河道，底床冲淤受到青草沙水库工程影响，其水深变化可较好验证模式计算的工程对附近区域的河床冲淤影响。在北港外拦门沙区域，由于同期的横沙东滩围垦工程对区域冲淤造成了更明显的影响，故不使用该区域水深变化与模式计算结果进行对比。由图10可见，在青草沙水库北侧水域，大部分发生了冲刷，冲刷幅度为1～3 m，这与模式计算结果基本一致；在青草沙水库东侧发生了淤积，与模式计算结果基本一致。总体上，本文选用的模式较好地模拟出了青草沙水库工程引起的附近水域冲淤变化，从冲淤分布和量值上与实测资料接近。

图10 青草沙水库附近水域实测河床冲淤变化(2011年实测水深—2007年实测水深)Fig.10 Observed water depth change (water depth measured in 2011 minus water depth measured in 2007)

4 结论

青草沙水库是长江河口的一个重大工程，使得北港上段河道缩窄，过水断面减小。河势的重大变化会引起流场和泥沙质量浓度的变化，进而影响河床的冲淤。本文应用三维水动力和泥沙数值模式，计算和分析了青草沙水库工程对附近水域流场、泥沙质量浓度和冲淤的影响。青草沙水库工程后，北港河道束窄，导致水库北侧河道主槽流速增加，涨潮平均流速增加最大可达0.2 m/s 。北港河道河势改变使得进入北港的径流量和纳潮量减少，导致青草沙水库以东、北港下段和拦门沙区域流速下降，减小较大区域可达0.10～0.15 m/s。数值模式计算得出的工程前后泥沙质量浓度变化与水动力变化一致，在流速降低的地方，水流对底部泥沙切应力减小，泥沙的再起动减弱，泥沙质量浓度降低；反之在流速增大的地方泥沙质量浓度增加。应用半理论半经验河床冲淤公式和模式计算的工程前后流速、泥沙质量浓度和水位数据，给出了由水库工程造成的河床冲淤变化分布。在水库以北北港水域发生了普遍的冲刷，冲刷强度最大可达2～3 m，冲淤分布和量值与工程前后实测水深变化吻合良好。数值模式较好地模拟了青草沙水库工程对附近水域冲淤分布的影响和变化量值。

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Impact of Qingcaosha reservoir project on the bed erosion and deposition nearby the water area

GUO Chao-shuo, ZHU Jian-rong

(StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

As a major project lying in the Changjiang Estuary, Qingcaosha reservoir leads to change of river regime in the North Channel markedly. The change of river regime could induce change of current field and sediment concentration, and then influence bed erosion and deposition. The three-dimensional hydrodynamic and sediment model were used to calculate and analyze the impacts of the project on current filed, sediment concentration, erosion and deposition in area around the reservoir. After the project, width of upper reaches of the North Channel was narrowed, which results in increase of both current speed and sediment concentration in the major channel on the north of Qingcaosha reservoir. On the contrary, the current speed and sediment concentration decrease in areas on east of the reservoir, lower reaches of the North Channel and sand bar due to the decrease of river discharge and tidal prism flowing into the North Channel. Using the formula of bed erosion and deposition based on experience and theory, and the modeled current, sediment concentration and water level, the erosion and deposition caused by reservoir project was calculated. Strong erosion occurs in the North Channel on north of reservoir, with maximum of 3 m, which matches well both in shapes and values with the observed depth change before and after the project. The numerical model simulated the distributions and magnitude of bed erosion and deposition fairly well caused by Qingcaosha reservoir project.

Changjiang Estuary; Qingcaosha reservoir; hydrodynamic; sediment concentration; erosion and deposition

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.005.

2015-05-05

2015-06-05

国家自然科学基金项目资助(41476077)；上海市科委重点项目资助(14231200402)

郭超硕(1990-)，男，河北石家庄市人，主要从事河口海岸动力学方面的研究。E-mail: guochaoshuo@126.com

*通讯作者:朱建荣(1964-)，男，浙江海宁市人，教授，主要从事河口海洋学方面的研究。E-mail: jrzhu@sklec.ecnu.edu.cn

TV14

A

1001-909X(2015)03-0034-08

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.005

郭超硕，朱建荣. 青草沙水库工程对附近水域河床冲淤的影响[J]. 海洋学研究,2015,33(3):34-41,

GUO Chao-shuo, ZHU Jian-rong. Impact of Qingcaosha reservoir project on the bed erosion and deposition nearby the water area[J]. Journal of Marine Sciences, 2015,33(3):34-41, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.005.