钱塘江河口盐水入侵二维数值模型研究

章 洁，卢 勇，张红武(.杭州市萧山区浦阳江流域管理处,浙江 杭州 0；.杭州市萧山区钱塘江灌区管理处,浙江 杭州 0；.清华大学 水利水电工程系 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 00084)

钱塘江河口盐水入侵二维数值模型研究

章 洁1，卢 勇2，张红武3
(1.杭州市萧山区浦阳江流域管理处,浙江 杭州 311201；2.杭州市萧山区钱塘江灌区管理处,浙江 杭州 311201；3.清华大学 水利水电工程系 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)

钱塘江河口盐水入侵研究是钱塘江河口水资源配置和利用的基础.采用荷兰Delft-3D模型的Flow模块，建立了二维水流、盐度数学模型，对富春江电站以下至杭州湾澉浦至陶家路闸断面之间的河段进行了模拟验证计算，利用实测所得潮位、潮流和盐度资料对二维水流盐度模型进行了多次率定、验证.验证的结果相似性较好，表明模型具有一定的模拟能力，且能较准确地模拟研究区域的二维水动力条件；能够较好的反映富春江电站以下至杭州湾澉浦至陶家路闸范围内潮波的传播过程及盐水入侵的情况.

钱塘江河口；数值模拟；盐水入侵

0 引 言

河口是盐水与淡水的交汇地带，河口出现的多种物理、化学、生物过程，如河口环流、细颗粒泥沙絮凝沉降、最大浑浊带等都与盐水入侵密切相关，盐水入侵及其进一步恶化；同时，钱塘江河口潮强流急、涌潮凶涌为典型的强潮河口，河口区平面呈典型的喇叭状，受径流和潮流的相互作用，盐水入侵极其复杂，钱塘江河口盐水入侵研究是钱塘江河口水资源配置和利用的基础.是当前钱塘江河口亟待解决的问题之一，因此，研究钱塘江河口盐水入侵对全面深入了解河口过程具有重要的理论意义.有鉴于此，本文有必要通过建立盐水入侵的模型来研究钱塘江河口区盐水入侵和盐度场的输移规律，使得典型的强潮河口又是淡水资源供应地——钱塘江河口区域更合理地开发利用有限的淡水资源，为解决该地区人们的用水供需矛盾和合理配置钱塘江河口水资源提供依据，实现以水资源的可持续利用，促进河口区社会经济的可持续发展[1-8].

1 钱塘江河口概况及盐水入侵的特性

钱塘江是浙江省最大的河流，地处亚热带季风区，气候温和湿润、四季分明、雨量充沛、日照充足.钱塘江河口区上起富春江水电站，下至杭州湾湾口，全长282 km.根据各段水动力因素的强、弱和河床演变特性的不同，河口至上而下分为三段：即富春江水电站至杭州市东江嘴(萧山闻家堰)与浦阳江汇合处，河长约75 km，为近口段，它以河川径流作用为主，又称径流段；东江嘴以下称钱塘江，至海盐县澉浦的长山闸与余姚市西山闸的连线断面，长约122 km，为河口段，它是径流和潮流消长变化、共同作用的河段，又称过渡段；澉浦断面以下至上海市南汇县芦潮港闸与宁波市镇海区外游山的湾口断面注入东海，长约85 km，称潮流段，或叫杭州湾，以潮流作用为主.

河流下泄的淡水与涨潮流上溯的咸水相互掺混，致使河口沿程盐度(氯度)不一致的现象称为盐水入侵.潮汐河口是河流与海的过渡地段，河流下泄的径流(淡水)和由入海口上溯的沿岸海水，在河口上下游流动过程中掺混，混合成含有一定盐度的河口混合水(冲淡水).钱塘江河口上有钱塘江，下为喇叭形的杭州湾，是一条强潮河口.在上述径流、潮流、沿岸流和地形等要素综合作用下，构成了钱塘江河口混合水盐度的时空分布特性.

2 二维数学模型

采用荷兰Delft水工所的Delft-3D模型的FlOW模块，建立二维水流、盐度数学模型.

FLOW模块是一个多维(二维或三维)水动力学(和物质输运)模拟程序，采用边界拟合较好的曲线网格离散格式，可计算非稳定流和物质输运现象，已经成功应用于大量工程和科研领域.

DELFT3D-FLOW基本方程有：

(1)连续方程

(1)

(2)平动量方程

(2)

(3)

其中水平方向的压力项Px和Py由下式给出(Boussinesq近似)

(4)

(5)

Fx和Fy为水平雷诺应力项，对于大尺度范围的数值模拟，可简化为：

(6)

(7)

Mx和My表示外部源和汇的动量.U表示x方向流速，V表示y方向流速；νV表示垂直方向动力粘滞系数，νH表示水平方向动力粘滞系数；ρ0，ρ分别表示水的参考密度和水体实际密度(包括了盐度、温度与泥沙等)；g表示重力加速度；h表示水深；ζ表示水位；u,v,ω分别表示σ坐标下的x,y,z方向速度；f表示柯氏力的影响.

(3)紊流方程

紊流方程选用k-ε双方程模型.

(8)

(9)

式中各符号意义见文献[3].

3 模型的建立与率定

3.1 模型的计算区域与网格划分

模型的计算区域为富春江电站以下至杭州湾澉浦——陶家路闸断面的干流(见图1)，全长约197 km，支流主要考虑曹娥江，整个计算域的面积约779 km2.采用Delft-3D软件自带的RGFGRID工具生成正交曲线网格.整个计算域内模型网格总数为785×164个.上游河宽较窄，空间步长为100 m左右，考虑到下游湾口断面较宽，约18 km，为提高计算精度，故布设21个矩形网格，空间步长约为800 m(见图2).

图1 计算区域布置图

图2 计算网格示意图

3.2 模型的计算资料与参数设置

模拟计算的时间步长取为30 s.

由于上下游控制边界距离较远，河道放宽率很大，糙率的取值在模拟计算中相当重要.谢才系数采用曼宁公式：

C=n-1H1/6

(10)

式中：n—糙率；H—水深.

考虑到地形差异应分段赋值.经过大量的调试最后从上边界到下边界依次率定为0.025、0.015、0.006、0.012、0.006、0.007和0.008，具体(见图3，图4).

图3 计算网格的水下地形图

图4 计算网格的沿程糙率图

3.3 模型计算的边界条件

本次模型上边界由一次大范围水文测验测得的10下旬6日的逐日流量控制(分别对应为289 m3/s、313 m3/s、302 m3/s、308 m3/s、291 m3/s、255 m3/s)，盐度边界取为0.01 ppt；下边界由澉浦和陶家路闸两个水位站相应时间的逐时潮位资料，分布到21个网格断面上线性插值给出，盐度边界采用710点6日的逐时盐度资料.

3.4 模型的验证

10月，钱塘江河口地区进入枯水、大潮季节，下泄径流较小，而盐水入侵的上溯距离相对而言可以达到较大值，因此取这个时间段模拟研究的意义较大.经过大量调试，最终还是取得了比较满意的验证效果.潮流验证为盐度计算提供了良好的基础.经过调试，盐度的验证效果良好，计算值与实测值基本吻合，盐度过程变化的相位和幅度也基本上与原型相似.

4 钱塘江河口盐度场特征分析

盐度分布图以闸口站潮流场的变化时刻为依据，图5～图8给出了研究区域一个潮流周期内涨、落憩时刻盐度分布图.根据国际国内给水标准，饮用水的氯化物含量一般不能超过250 mg/L，因此截取并放大了盐度值为0.25‰附近区域的河段(闸口至七堡之间).

图5 涨憩时刻盐度场图

图6 落憩时刻盐度场图

图7 涨憩时刻盐度场局部放大图

图8 落憩时刻盐度场局部放大图

从图5和图6中可以看出，无论是涨憩还是落憩，纵向分布均是自下游向上游沿程递减的，这与本文前述中钱塘江河口盐水入侵的空间分布特性相吻合.在澉浦断面处盐度值基本在6.8‰附近，随着上游径流下泄时的稀释作用含盐度逐渐减小，在七堡附近及以上断面，盐度值基本在1‰以下.从横向断面上看，由于受柯氏力影响，在同一河槽内涨、落潮流路产生分离，在南侧以落潮流占优，而北侧以涨潮流占优，因此涨憩时从图5可看出北侧的盐度等值线大于南侧.从滩槽地形的差异的角度来看盐度场的分布可知，在涨、落憩前后的时段内，由于深槽的流速大于浅滩的流速，加快了深槽盐度的运动，造成盐度在同一横断面上的不均匀分布，从而形成了楔状的等盐度线，且深槽与浅滩地形差异越大，楔状等盐度线越明显.

由于本次模拟的时间并非位于天文大潮期，涨憩和落憩时刻等盐度线的变化过程基本一致，但从局部放大图7和8中对比可以看出，其盐度分布存在明显的差异，落憩时等盐度线0.25‰位于七堡附近，涨憩时上溯到七堡上游约2 km处.其余等盐度线涨憩时也相应比落憩时明显上溯到更靠上游的位置.落憩时，等盐度线以楔状伸向下游，且楔状体的轴线方向基本与落潮槽的走向一致，而在涨憩时等盐度线的形状则恰恰相反，等盐度线以楔状伸向上游，楔状体的轴线方向基本与涨潮槽的走向基本重合.这一点体现在图上的盐度等值线最小值0.025‰处尤其明显.

5 结 论

本文采用荷兰Delft水工所Delft-3D模型的FlOW模块，建立了二维水流、盐度数学模型，对富春江电站以下至杭州湾澉浦——陶家路闸断面之间的河段进行了模拟计算.利用一次大范围水文测验定点实测所得潮位、潮流和盐度资料对建立的二维水流盐度模型进行了多次率定、验证，验证的结果相似性较好.表明模型具有一定的模拟能力，且能较准确地模拟研究区域的二维水动力条件；能够较好的反映富春江电站以下至杭州湾澉浦——陶家路闸范围内潮波的传播过程及盐水入侵的情况，并在准确模拟钱塘江河口水动力特征和盐度分布的基础上，对一个周期盐度场的特征进行了分析论证.

[1] 姬战生,孙映宏.杭州钱塘江灌区河网增加取水规模取水可靠性分析[J].浙江水利水电学院学报,2015(2):12-16.

[2] 孙浙英,孙志林,许 丹.钱塘江饮用水源地含氯度受潮汐与径流影响分析[J].人民长江,2013(9):11-14.

[3] 许 丹,孙志林,祝丽丽,等.钱塘江河口盐度数值模拟[J].海洋与湖沼,2013(4):829-836.

[4] 尤爱菊,吴芝瑛,韩曾萃,等.引水等综合整治后杭州西湖氮、磷营养盐时空变化(1985-2013年)[J].湖泊科学,2015(3):371-377.

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[7] 浙江水利水电学院网.浙江省水利学会水文化专业委员会会议暨“五水共治”背景下的水文化创新与实践研讨会在我校举行[J].浙江水利水电学院学报,2015,27(4):27.

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2D Numerical Simulation on Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

ZHANG Jie1, LU Yong2, ZHANG Hong-wu3

(1.Puyang River Basin Managemet of Xiaoshan District, Hangzhou 311201, China; 2.Qiantang River Irrigation District Management Office of Xiaoshan District, Hangzhou 311201, China; 3.State Key Lab of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Qiantang River is the longest river in Zhejiang province, famous for strong tide and tidal bore, with a typical estuary with strong tide. The plane of the estuary is a trumpet-shaped area, and as the flow and the tide interact, the intrusion of the saltwater is quite complicated. FLOW module from Delft-3D model built by Delft Water Conservancy Office in Netherlands is adopted, and a mathematical 2D model of flow and salinity is built, to simulate, validate and calculate the reach from Ganpu-Taojialu brake in Hangzhou Bay to Fuchun River plant, and the actual information of the tide level, the tidal wave and the salinity is utilized to rate and validate the mathematical 2D model of flow and salinity over and over again. The result is quite good, which indicates that the model has a capability of simulation, and can exactly simulate the 2D dynamical conditions of the studied area, and well reflect the wave transmission and the saltwater intrusion in the reach from Ganpu-Taojialu brake in Hangzhou Bay to Fuchun River plant.

Qiantang Estuary; numerical simulation; saltwater intrusion

2016-04-13

国家重点研发计划专项基金资助项目(2016YFC0402500);国家自然科学基金资助项目(51039003)；浙江省自然科学基金资助项目(M503254)

章 洁(1984-)，女，浙江杭州人，工程师，主要从事水利工程建设管理和规划工作.

TV131.4

A

1008-536X(2016)08-0014-05