长江口北槽潮波传播变化特征研究

路川藤，陈志昌，罗小峰

(南京水利科学研究院 a.河流海岸研究所；b.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京 210029)

长江口北槽潮波传播变化特征研究

路川藤a,b，陈志昌a,b，罗小峰a,b

(南京水利科学研究院 a.河流海岸研究所；b.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京 210029)

长江口深水航道治理工程实施后，北槽河势发生了巨大变化，北槽河床形态、水深的变化必将影响长江口潮波传播。为研究长江口潮波传播的变化，利用非结构网格FVM方法建立了大通至外海的大范围数学模型，研究长江口深水航道治理工程各分期工程对潮波传播的影响。研究表明：长江口深水航道治理一期工程因工程量相对较小，工程实施后，北槽潮波变化相对较小；二期工程后北槽潮波能量损失较大，高潮位略有抬升，低潮位大幅度抬升；三期工程后，潮波变化与二期工程基本一致。北槽导堤工程引起的潮波能量损失较小，丁坝工程致使潮波能量损失较大。

长江口；数学模型；北槽；潮波传播；潮位

1 研究背景

长江口是一个丰水、多沙、中潮、有规律分汊的三角洲河口，在徐六泾以下先被崇明岛分为南支和北支，南支在浏河口以下被长兴岛和横沙岛分为南港和北港，南港在九段以下又被水下沙洲—九段沙分为南槽和北槽，从而形成了长江口3级分汊4口(北支、北港、南槽、北槽)入海的形势。

长江口潮波传播的研究由来已久，研究手段多，研究成果丰富。B.Sun等[1]修正了Ecomsed动边界问题，成功复演了长江口潮波传播。Guofang Li等[2]建立了长周期潮位预报模型，修正径流和风暴潮引起的潮位误差，预报长江口潮位，计算精度可满足科研及工程要求。Lei Zhiyi等[3]研究了长江口水动力问题，指出江阴以上水域径流动力强，江阴以下水域潮汐动力强；若长江口无径流作用，自口外至口内，水位呈递减趋势，若无潮汐动力，则自口外至口内，水位呈递增趋势。曹永芳[4]绘制了长江口天生港以下河段等潮时线及等振幅线，认为由于月赤纬的变化，长江口潮波传播方向存在摆动，九段东附近，长江口的潮差达到最大。陈志昌等[5]建立了长江口物理模型，有效段至江阴，首次解决了大型河口物理模型外海旋转流的模拟问题，提高了物理模型研究河口潮波传播的精确性。沈焕庭[6]讨论了长江口徐六泾以下潮波传播的基本特征。严以新等[7]采用经Foreman改进的Godin潮汐调和及预报程序，对长江口深水航道治理工程前后，北槽横沙站和北槽中站的潮位资料进行调和分析，并比较了两站平均海平面值和特征潮位的变化，指出深水航道工程对平均海平面值影响较小，对潮差影响较大。路川藤[8]研究了长江口江阴以下河段潮波传播的影响因素，认为河床水深的变化对潮波传播影响最大，并分析了径流变化对潮波传播的影响。

以上学者的研究基本反映了长江口潮波传播的现状。自1998年长江口深水航道治理工程实施以来，北槽局部河势发生了重大变化，河槽形态由“宽浅”型发展为“窄深”型，如图1所示，原北槽拦门沙已不复存在，北槽河床形态、水深的变化必将影响长江口潮波的传播。本文以数学模型为基础，研究长江口深水航道治理工程各分期工程对潮波传播的影响。

图1 长江口北槽典型断面水深变化Fig.1 Variation of water depth in typical section of the north channel of Yangtze river estuary

2 数学模型简介

2.1 长江口深水航道治理工程

长江口深水航道治理工程如图2所示，按照“一次规划，分期治理”的原则，分3期实施。一期工程于1998年1月开工，2001年3月竣工，航道水深由7 m增加到8.5 m(理论深度基准面，下同)；二期工程于2002年4月开工，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月底开工，2010年3月通过国家验收，航道全长92.2 km，350～400 m的航道实现了12.5 m水深的全线贯通。

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

2.2 数学模型求解

数学模型采用CJK3D-WEM计算，CJK3D-WEM于2014年取得国家软件著作权登记，适用于江河湖泊、河口海岸等涉水工程中的水动力、泥沙、水质、温排、溢油模拟预测研究。

二维浅水控制方程向量形式可表示为

(1)

其中：U=(H,Hu,Hv)T；E=(F,G)；

水紊动扩散项表示为Ed=(Fd,Gd)，其中：

源项M表示为

式中：H为总水深(m)；u,v为流速矢量V沿x，y方向的速度分量(m/s)；t为时间(s)；f为科氏系数(f=2wsinφ，w是地球自转的角速度，φ是所在地区的纬度)；g为重力加速度(m/s2)；Nx，Ny为x，y向水流紊动黏性系数(m2/s)；M0x，M0y为x，y方向的河床底部高程变化；Mfx，Mfy为x，y方向的底摩擦项。

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

采用三角形网格对计算区域进行离散，并将单一的网格单元作为控制单元，水深布置在网格顶点，其他物理变量配置在每个单元的中心，如图3所示。

将第i号控制元记为Ωi，在Ωi上对向量式的基本方程组公式(1)进行积分，并利用Green公式将面积分化为线积分，得

(2)

式(2)求解主要分3部分：一为对流项求解;二为紊动项求解;三为底坡项处理。对流项数值通量可采用Roe格式的近似Riemann解，紊动项采用单元交界面的平均值计算通过该界面紊动黏性项的数值通量，有限体积法底坡项若不加任何处理，则会造成静水的伪流动现象，本文采用“斜底模型”处理底坡项，具体求解过程参见文献[9]。

2.3 数学模型范围及计算参数

长江潮区界位于安徽大通，大通以上水域水位基本不受潮波影响，作为模型的上边界；长江口外-50m等深线处受径流影响可忽略不计，作为模型外边界，模型总长700km有余；模型北至江苏盐城港附近，南至浙江宁波，宽接近600km。模型范围如图4所示，验证点如图5，表1为本文数学模型计算参数。

图4 数学模型范围Fig.4 Domain of mathematical model

图5 数学模型验证点示意图Fig.5 Schematic diagram of model verification points

表1 数学模型计算参数Table 1 Parameters of mathematical model

图6 模型潮位验证Fig.6 Verification of tide level

2.4 数学模型验证

图7 模型潮流验证Fig.7 Verification of tidal current

模型验证时间为2005年8月18日至2005年8月25日各水文测点的同步潮位、潮流验证，如图6、图7，验证点位置见图5，大通平均流量为41 485.7 m3/s。由图6、图7知，潮位与实测资料吻合程度高，验证良好，满足规程[10]要求；潮流偏差相对较大，分析原因是由于北槽网格插值与实际地形有所偏差，涨落急偏差总体控制在15%之内。

3 工程对北槽潮波传播的影响研究

自长江口深水航道治理工程实施以来，北槽河床形态、水深发生了重大变化，这必将影响长江口潮波的传播。以大潮位代表潮型，分析长江口深水航道治理工程各分期工程对潮波传播的影响，采样点见图2。

3.1 工程对北槽潮波传播影响

3.1.1 北槽高潮位变化

图8 北槽沿程高潮位变化Fig.8 Variation of high tide level along the north channel

图8为长江口深水航道治理工程各分期工程后北槽沿程高潮位的变化。由图8可知：①工程前北槽高潮位受径流顶托作用，自下游至上游逐渐升高;②一期工程后，北槽中以下水域，高潮位基本不变，北槽中以上水域，高潮位有所下降，变化幅度均小于0.05 m;③二期工程结束后，BC6点以下水域，高潮位变化较小；BC4—BC5段，位于北槽的中段，整治线宽度最窄，潮波传播至此时，能量辅聚，高潮位抬升约0.06 m；BC1—BC2段水域，高潮位略有下降；二期工程与一期工程高潮位的差别在于BC2—BC6段水域，二期工程高潮位略高，主要由于二期工程丁坝长度大于一期;④三期工程在二期工程的基础上，部分丁坝有所加长，加长幅度相对较小，同时修建隔堤，本文研究丁坝加长对潮波传播的影响，未考虑隔堤作用，三期工程后，高潮位变化与二期工程基本一致。

总体来说，深水航道治理工程对北槽高潮位影响较小，高潮位变化幅度均小于0.06 m。

3.1.2 北槽低潮位变化

图9为长江口深水航道治理工程各分期工程后北槽低潮位的变化。低潮位水深浅，受工程影响大，其水位变化幅度远大于高潮位。工程前，受径流顶托作用，低潮位自下游至上游，逐渐升高。各分期工程实施后，牛皮礁附近低潮位变化较小，北槽内低潮位变化较大。

图9 北槽沿程低潮位变化Fig.9 Variation of low tide level along the north channel

一期工程实施后，受工程作用产生潮波反射，BC3以外水域，低潮位不同程度降低，BC6点位于一期工程导堤外边缘，低潮位降幅最大，约0.10 m，BC1—BC2段水域，低潮位有所抬升。

二期工程实施后，因导堤丁坝长度较长，潮流强，潮波能量损失与流速的N次方成正比，故潮波能量损失较大，低潮位整体抬升幅度较大，其中北槽下游抬升幅度大于北槽上游，BC7点最大升幅接近0.40 m。

三期工程实施后，低潮位变化趋势与二期工程一致，三期工程丁坝主要加长在北槽中上段，与二期工程相比， BC4以下水域，整治线沿程放宽率增幅相对较大，从而潮波能量辅聚强，低潮位降低，BC4点以上水域，因整治线宽度的减小，低潮位有所抬升。

综上所述，北槽出口处低潮位变化较小，北槽口内，低潮位变化较大。一期工程结束后，北槽低潮位变化相对较小，二期工程后，北槽低潮位大幅度抬升，三期工程后，低潮位变化与二期工程基本一致。

3.1.3 北槽潮差变化

潮差是潮波能量的反映。图10为北槽沿程潮差变化。工程前，北槽潮差受径流、底摩擦等作用，自下游至上游逐渐减小。一期工程后，BC3以外水域，受潮波反射作用，潮差有所增大，BC6点因处于工程外边缘，潮差最大增幅约0.12 m，越往下游，潮差增幅越小，BC1—BC3区域，潮差减小。二期工程后，北槽口外潮差基本不变，口内潮差大幅度减小，北槽中下段减幅相对较大。三期工程后，相比二期工程，受整治线放宽率变化的影响，BC4以下水域，潮差有所增大，BC4以上水域，潮差略有减小。

图10 北槽沿程潮差变化Fig.10 Variation of tidal range along the north channel

工程前与一期工程后，北槽平均潮差基本不变，约为4.3 m，二期工程与三期工程北槽平均潮差基本持平，约为4 m。

3.1.4 工程对北槽潮波传播影响机制

河口拦门沙治理工程，大都采用导堤与丁坝组合的方式，导堤的作用在于导流，丁坝的作用在于束水，二者共同影响潮波传播。以二期工程为例，讨论导堤与丁坝对潮波传播的影响，解释工程对潮波传播的影响机制。

表2为导堤工程和丁坝工程对潮波传播的影响。导堤工程的主要作用在于导流，其改变了北槽附近局部水域的潮波传播方向，致使北槽潮波传播发生变化，高潮位、低潮位均抬升，潮波能量损失较小。丁坝工程使潮波能量损失明显增大，致使高潮位降低，低潮位升高，导堤工程引起的高潮位升高与丁坝引起的高潮位下降相抵，便造成了北槽高潮位变化较小。同理，导堤工程引起的低潮位升高与丁坝引起的低潮位升高相叠加，造成北槽低潮位变化较大。

表2 导堤与丁坝对潮波传播影响Table 2 Effects of jetties and groins on the tidal wave propagation m

3.2 潮波变形

分别以BC2，BC5和BC9点代表北槽上段、中段、下段。由图11北槽潮位过程线知，一期工程完成后，各采样点落潮水位过程线基本不变，涨潮水位过程线略有波动，变化较小。二期工程后，潮位过程线相位滞后程度较大，落潮水位过程线越靠近低潮位，相位滞后程度越大。三期工程后，潮位过程线与二期工程比较接近。北槽下段BC9点，因靠近口外，其潮位过程线变化相对较小。

图11 北槽潮位过程线变化Fig.11 Variation of tide level graph in the north channel

潮位过程线的变化，说明各分期工程实施后，北槽潮位过程线变化总趋势为相位滞后，落潮过程线波形变坦，涨潮过程线波形变陡，因此落潮历时增加。

3.3 工程对北槽潮流影响

图12为北槽潮流过程变化。与潮位过程变化相似，一期工程后，北槽上段潮流相位整体滞后，涨潮相位滞后程度大于落潮；北槽中段，潮流相位滞后程度小于北槽上段；北槽下段BC9潮流相位基本不变。二期工程后，北槽上段与中段落潮相位明显滞后，涨潮相位与一期工程后接近，下段潮流相位整体滞后。三期工程工程量较小，潮流与二期工程后接近，变化较小。由于本文未考虑各分期工程水深的变化，这是本文研究的不足，水深变化后，潮流大小及相位将产生相应的调整，后续工作将深入研究。

图12 北槽潮流过程线变化Fig.12 Variation of tidal current graph in the north channel

4 结 论

(1) 长江口深水航道治理一期工程因工程量相对较小，工程实施后，北槽潮位变化相对较小。

(2) 二期工程后北槽潮波变化较大，高潮位略有抬升，低潮位抬升幅度较大，三期工程后，潮波变化与二期工程基本一致。

(3) 北槽潮波能量损失主要由丁坝工程引起。工程后北槽高潮位变化较小是因为导堤工程引起的高潮位升高与丁坝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为导堤工程引起的低潮位升高与丁坝工程引起的低潮位升高相叠加。

影响潮波传播的因素很多，本文重点研究长江口深水航道治理工程对潮波传播的影响，研究中未考虑工程实施后河床地形变化，这在实际工程应用中是不完善的，后续工作将开展地形变化对潮波传播的影响。

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(编辑：姜小兰)

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

国家自然科学基金项目(51009095)

路川藤(1983-)，男，山东烟台人，工程师，博士，主要从事河口动力学研究，(电话)13901590840(电子信箱)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