地形下切对钱塘江盐水入侵的影响分析

林一楠，孙志林，高 运

(浙江大学 港口海岸与近海工程研究所，杭州 310058)

地形下切对钱塘江盐水入侵的影响分析

林一楠，孙志林，高 运

(浙江大学 港口海岸与近海工程研究所，杭州 310058)

钱塘江是杭州市的重要饮用水源，长期以来咸潮入侵对杭州市饮用水安全构成威胁。采用二维数学模型对闻家堰到仓前河段的水动力和盐度进行了数值模拟，复演了大中小潮情况下水动力和盐度的变化过程，着重分析了地形下切对咸潮入侵程度的影响。结果表明：闸口站断面、七堡站断面平均下切分别为1.64，1.12 m时，可导致闸口站、七堡站大潮潮差分别增加22，9 cm，涨憩后0.5盐度线上移3.7 km，七堡站大潮盐度峰值上升17%。地形下切导致七堡断面凸岸边滩处盐度变化大于深泓线附近，因此，地形下切导致的盐度峰值增大对凸岸处取水口造成的影响较凹岸处更大。

地形变化；盐水入侵；潮位；盐度；钱塘江；数值模拟

1 研究背景

钱塘江是杭州市主要饮用水源地，作为典型强潮河口，咸潮入侵现象严重，尤其是枯水期，咸潮上溯至取水口，盐度超标严重时影响水厂正常取水。研究钱塘江盐水入侵对于保障杭州市饮用水安全有重要意义。有关河口盐水入侵问题不少学者做过研究。Savenije[1]通过大量河口盐水入侵曲线研究，归纳出“递降”(recession)、“铃”(bell)、“拱顶”(dome)及“驼”(humpback)4种类型。黄惠明[2]采用一维和平面二维数学模型，对三峡及南水北调工程前后枯季长江口盐水入侵的影响进行了研究。史英标等[3]根据钱塘江河口段实测水文氯度资料，构建考虑斜压作用的二维水流、盐度输移的耦合数学模型，对径流和潮汐对钱塘江河口段盐水入侵的影响进行了数值分析。 李禔来等[4]采用正交曲线坐标系下二维潮流和盐度数学模型，较好地模拟了长江口内外旋转流和往复流的特征，反映了北支盐水倒灌的运移特性，讨论了整治工程对减轻长江口盐水入侵的作用。

钱塘江存在明显的年内和年际丰枯交替的水文周期，由于丰枯径流量差异大，河床的冲淤变化剧烈，对盐水入侵长度造成明显影响，然而钱塘江地形变化对盐水入侵的影响却鲜有人研究。本文拟采用二维水流盐度数学模型，对地形下切后盐水入侵强度的变化进行研究。

2 控制方程及定解条件

模型采用二维不可压缩雷诺平均方程。

2.1 控制方程

水深平均的动量方程和连续方程为：

(1)

(2)

(3)

盐度传输方程在水深方向积分得到二维盐度方程为

2.2 初始条件

2.2.1 流场初始条件

本模型的流场初始潮位和初始流速都给定了常数，即采用“冷起动”模式，相当于处于憩流状态。

2.2.2 盐度模块初始条件

为加速数值模型收敛，初始盐度场通过实测盐度资料在计算域内插值得到，使之能贴近真实盐度。

2.3 开边界条件

上边界为闻家堰，下边界为仓前，潮流上边界通过流量过程线来控制(通过实测潮位控制上下开边界的水动力模型计算后提取出流量边界)，下边界通过潮位过程线来控制，盐度由盐度过程线来控制。

2.4 闭边界条件

2.5 动边界

本模型采用“冻结法”处理动边界问题。动边界处理技术基于Zhao等[5]和Sleigh等[6]的研究，采用hdry(干水深)、hflood(淹没水深)和hwet(湿水深)3个参数判定网格单元的干湿程度，来决定网格单元是否参与计算。通常hdry

图1 计算网格及验证点位Fig.1 Model grids and measurement points

3 模型验证

图2 闸口站和七堡站潮位验证Fig.2 Validation of tidal level at Zhakou station and Qibao station

研究区域如图1所示。根据收集的实测资料，潮位验证取闸口站和七堡站的实测潮位，盐度验证取闸口站与七堡站附近的水文测验资料。本模型采用三角网格，能很好地贴合不顺直的区域边界。网格步长变化于134～205 m之间，共有节点3 469个，网格单元6 335个。计算区域地形复杂变化剧烈，因此根据网格单元的水深给出相应的谢才系数，形成一个场文件，谢才系数在61～95之间。据前人经验，盐度扩散系数取值在10～500之间，经过率定，研究区域的扩散系数取100。模型的验证采用2012年9月1日0：00至13日23:00的数据进行连续13 d的模拟，其中包含了大潮、中潮、小潮3种潮况，较全面地反映了不同潮差作用下水动力和盐度的验证状况(见图2、图3)。由图可见，闸口和七堡站潮位模拟结果(假象基面)与实际资料吻合度较高，能反映钱塘江的潮位变化特征，在此基础上对闸口和七堡2站的盐度变化过程进行验证，吻合程度也较高，能反映出该河段的盐度变化过程。

图3 闸口站和七堡站盐度验证Fig.3 Validation of salinity at Zhakou station and Qibao station

4 咸潮上溯对地形下切的响应

4.1 地形的下切

为模拟洪水冲刷对水源地咸潮上溯的影响，设计将闻家堰下游约3 km处至仓前上游约3 km处的河床自两端向中间逐步加深。鉴于洪水期河床冲刷往往在深槽附近最为强烈，故根据各断面地形按比例进行加深。设置闸口站和七堡站2个断面观察变化前后的地形，断面位置见图1所示。闸口站断面(图4(a))处于顺直河段，深槽位于河道中心，最深处深度增加2.13 m，最浅处深度增加1.12 m，断面平均下切1.64 m。七堡站断面(图4(b))处于弯曲河段，凹岸深槽最深处深度增加2.09 m，凸岸浅滩深度增加0.53 m，断面平均下切1.12 m。比较地形加深前后的水动力和盐度模拟结果，可以分析地形下切对盐水入侵的影响。

图4 新旧地形对比Fig.4 The original and new sectional topography

4.2 地形下切对潮位的影响

地形下切对闸口站和七堡站潮位的影响如表1、表2所示。新地形下闸口站和七堡站高潮位略有减小而低潮位均有明显降低，因此潮差增大。闸口站大潮潮差增加22 cm，中潮潮差增加23 cm，小潮潮差增加19 cm。七堡站大潮潮差增加9 cm，中潮潮差增加8 cm，小潮潮差增加5 cm。

4.3 地形下切对盐度的影响

潮差的增大使河口的纳潮量增大，势必会导致盐水上溯距离的增加和水体盐度的增大。地形下切之后闸口站和七堡站盐度峰值均有明显增加(见表1，表2)。闸口站大潮日盐度峰值增加0.003，增加百分比为5%，中潮日盐度峰值增加0.002，增加百分比为4%，小潮日盐度峰值增加0.006，增加百分比为11%。七堡站大潮日盐度峰值增加0.22，增加百分比为17%，中潮日盐度峰值增加0.04，增加百分比为11%，小潮日盐度峰值增加0.07，增加百分比为20%。

表1 不同地形下闸口站的潮位和盐度最大值Table 1 Tidal level and salinity peak at Zhakou stationbefore and after topography change

表2 不同地形下七堡站的潮位和盐度最大值Table 2 Tidal level and salinity peak at Qibao stationbefore and after topography change

图5是原地形和新地形下大潮涨憩时刻的盐度分布图，0.5盐度线是水厂可取水的重要标志。从图中可以看出地形下切后大潮盐水上溯的距离明显增加，0.5盐度线上移了约3.7 km。

闸口站和七堡站断面大潮落急时刻的盐度分布如图6。在闸口站断面，新地形下盐度增加了0.02左右。七堡站断面南岸浅滩处盐度始终比深槽低，地形变化前后分别为0.53和1.19，北岸深槽盐度较高，地形变化前后分别为1.26和1.54，这是因为弯曲河段沿深槽盐水入侵距离较远的缘故。

图5 新老地形大潮涨憩0.5盐度线对比

Fig.5 Comparison of 0.5 salinity line between the original topography and new topography

图6 新老地形大潮涨憩盐度分布

Fig.6 Salinity distribution in different topography

5 结 论

本文基于Boussinesq涡黏、静水压力假定下盐度传输方程，采用非结构网格和有限体积法进行离散，对闻家堰至仓前河段水动力和盐度变化过程进行数值模拟。模型经实测潮位和盐度资料验证，均较符合实际情况。通过对地形变化前后的数值模拟结果分析，获得以下结论。

(1) 河床下切会使低潮位明显降低，而高潮位略有降低，因而潮差增加，引起钱塘江河口纳潮量的增大。当闸口站断面河床平均下切1.64 m、七堡站断面河床平均下切1.12 m时，会使闸口站大潮潮差增大22 cm，七堡站大潮潮差增大9 cm。

(2) 潮差增大引起纳潮量的增大，使盐水上溯距离增加。地形下切后大潮涨憩时刻0.5盐度线向上游移动3.7 km。

(3) 地形变化使盐度在闸口站断面均匀增加约0.02，而在七堡站断面上盐度呈不均匀分布；地形变化前后盐度最大值始终在深泓线附近，分别为1.26和1.54，凸岸的盐度值始终较小，分别为0.53和1.19,但凸岸盐度峰值的变化幅度较大，因此地形下切导致的盐度峰值增大对凸岸处取水口造成的影响较凹岸处更大。

[1] SAVENIJE H. Rapid Assessment Technique for Salt Intrusion in Alluvial Estuaries[R]. Delft, Netherlands: International Institute for Infrastructural, Hydraulic, and Environmental Engineering, 1992.

[2] 黄惠明. 长江河口盐水入侵一、二维数值计算研究[D].南京:河海大学,2006.(HUANG Hui-ming. One-dimensional and Two-dimensional Numerical Computation on the Salt Water Intrusion at Yangtze River Estuary[D]. Nanjing: Hohai University, 2006. (in Chinese))

[3] 史英标,潘存鸿,程文龙,等.钱塘江河口段盐水入侵的时空变化及预测模型[J].水科学进展,2012,23(3): 409-418. (SHI Ying-biao, PAN Cun-hong, CHENG Wen-long,etal. Temporal-spatial Variation of Salt Water Intrusion in the Estuarine Reach of Qiantang River and Its Numerical Simulation[J]. Advances in Water Science, 2012, 23(3): 409-418. (in Chinese))

[4] 李褆来, 李谊纯, 高祥宇，等. 长江口整治工程对盐水入侵影响研究[J]. 海洋工程, 2005, 23(3): 31-38. (LI Ti-lai, LI Yi-chun, GAO Xiang-yu,etal. Effects of Regulation Project on Salinity Intrusion in Yangtze Estuary[J]. Ocean Engineering, 2005, 23(3): 31-38. (in Chinese))[5] ZHAO D H, SHEN H W, TABIOS G Q,etal. Finite-volume Two-dimensional Unsteady-flow Model for River Basins[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1994, 120(7): 863-883.

[6] SLEIGH P A, GASKELL P H, BERZINS M,etal. An Unstructured Finite-volume Algorithm for Predicting Flow in Rivers and Estuaries[J]. Computers & Fluids, 1998, 27(4): 479-508.

(编辑：陈 敏)

Influence of Topographical Descending on Saltwater Intrusionin Qiantang River

LIN Yi-nan, SUN Zhi-lin, GAO Yun

(Institute of Port, Coastal and Offshore Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Saltwater intrusion in Qiantang River has threatened the drinking water safety of Hangzhou city especially when upstream runoff descends. The topography varies fiercely as upstream runoff changes with different seasons and years. To reveal the influence of topographical descending on saltwater intrusion in Qiantang River we built amodel to simulate the variation of hydrodynamics and salinity in the reach from Wenjiayan to Cangqian in the presence of spring tide, moderate tide and neap tide, and employed finite volume method to discrete the space. The result shows that the computation values of tidal level and salinity are consistent with the measured data. When the section of Zhakou station descends 1.6m and Qibao station 1.1m in average, the tidal range increases 22cm at Zhakou and 9cm at Qibao. The salinity line (0.5) moves 3.7km upwards and the maximum salinity at Qibao increases 17%. The salinity at the convex bank of Qibao section changes more strongly than that in the adjacent of thalweg, therefore the increment of salinity caused by topographical descending exerts more influence on water intakes at convex bank than those at concave bank.

topographical descending; saltwater intrusion; tidal level; salinity; Qiantang River; numerical simulation

2013-10-11；

2013-11-08

浙江省科技厅优先主题重点社会发展项目(2009C13016)

林一楠(1989-)，男，浙江杭州人，硕士研究生，主要从事河口水动力数值模拟研究，(电话)13735576832(电子信箱)157221196@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.007

X52

A

1001-5485(2015)02-0030-04

2015,32(02):30-33,52