闽江下游南北港分流比变化数值模拟分析

夏厚兴

(1.福建省水利水电勘测设计研究院有限公司,福建 福州 350001;2.福建省水动力与水工程重点实验室,福建 福州 350001)

闽江是福建省第一大河流,独流入海,发源于武夷山脉,流域面积60 992 km2,约占全省面积的一半。闽江下游通常指水口水库坝下至闽江口长约117 km河段,闽江下游河道过闽清、经闽侯至福州南台岛淮安分流口分为南、北港,南、北港绕南台岛于马尾三江口汇合,而后进入入海通道。闽江下游河道见图1。

图1 闽江下游河道示意

闽江南北港分流比是指闽江下游干流来水经淮安分流口分流进入南北港后,南、北港流量分别占干流流量的百分比。历史上,闽江南北港分流比有着枯水期“三七开”,洪水期“倒三七开”之说,即枯水期南港分流比约占30%、北港约占70%,洪水期则相反[1-4]。事实上,闽江南北港分流比是动态变化的,不同时期、不同流量下分流比不同,特别是20世纪80年代中后期以来,受闽江下游河道复杂演变的影响,南北港分流比变动频繁、变幅较大,极为复杂。20世纪80年代中后期至世纪交替,闽江北港急剧刷深、分流比不断增大,南港一度断流,影响北港防洪安全和闽江下游航运。为此,部分学者曾开展过较为全面的研究探讨。陈日华[2]利用1951—1956年和1975—1988年共20 a实测资料分析认为,北港控制断面遭受毁变引起北港同水位流量明显增大是导致北港分流比增大的主要原因;郑鸣芳[5]利用闽江下游分流口河段水文泥沙、地形断面、河床演变和整治建筑物建设等资料,同样分析得出闽江南北港进口断面面积变化是引起分流比改变的主要因素;陈禄[6]则针对北港分流比不断增大对北港两岸防洪安全的威胁,提出扩大侯官过水断面积改造淮安头分流坝,以减小北港分流比的工程整治措施建议。

进入21世纪以来,随着闽江下游南港开发和涉河建设等人类干预活动影响加剧,南港河道剧烈演变、大幅下切[7-8],加上北港全面禁止采砂的影响,闽江下游水力特性和南北港分流比发生重大变化。20世纪末,困扰水利和港航部门的北港分流比不断增大导致南港枯水断流的难题在进入21世纪以后逐渐被扭转,近年来,北港河道局部淤积、分流比持续减小,南港分流比不断增大,又对南北港水流运动和防洪、供水、生态和涉河建筑物安全等涉河公共问题产生新的影响。

本文主要目的是分析闽江下游南北港分流比变化特征,反演20世纪末以来闽江南北港分流比变化过程,探讨河道堤岸边界变化和河床冲淤演变对分流比变化的影响,研究成果可为闽江下游南北港整治和保护管理及涉河开发建设等提供技术参考。

1 闽江下游南北港分流比变化特征

有实测资料以来,闽江下游南北港分流比变化大致可分为3个阶段。

a)第一阶段:1985年以前。这一时期,闽江南北港分流比整体相对稳定,不同年份、同一流量分流比变幅较小,干流流量20 000 m3/s时,北港分流比23%～28%,干流流量15 000 m3/s时,北港分流比26%～30%,干流流量10 000 m3/s时,北港分流比28%～35%,干流流量5 000 m3/s时,北港分流比33%～42%,北港分流比随着干流流量增大而减小[1]。

b)第二阶段:1985年至20世纪末。此阶段,闽江下游南北港分流比最显著变化特征是北港分流比不断增大,南港减小、枯水断流,干流流量约20 000 m3/s时,1984年北港分流比为27%,至世纪交替增大至约36%[9];1988—1993年,当闽江干流流量小于600 m3/s时,南港出现断流[10],到世纪交替,闽江干流流量增大至1 500 m3/s时,南港断流现象仍有发生[11]。

c)第三阶段:21世纪初期至今。此阶段,北港分流比不断减小,南港分流比则持续增大,1999年,闽江竹岐实测洪峰流量20 800 m3/s(表1),北港实测分流比36.9%[9],至2016年闽江竹岐实测洪峰流量20 300 m3/s,北港实测分流比仅18.4%,较1999年减小约50%[12];2005年闽江竹岐实测洪峰流量29 400 m3/s,北港实测分流比26%,至2010年竹岐实测洪峰流量29 800 m3/s,北港分流比则降低至20.2%[10];2013年水口水库日均下泄流量570 m3/s时,实测北港分流比仅为14%～26%[11],而20世纪末,枯水期一度水流全部流入北港[3,6,11,13]。

表1 闽江竹岐站历次流量大于20 000 m3/s洪水北港实测分流比

2 数学模型及验证

2.1 数学模型简况

1997年福建省批复了闽江下游河道防洪岸线规划,此后,随着沿江开发建设力度加大和堤防体系的逐步完善,闽江下游河道堤岸边界发生了较大变化,主要集中在竹岐至白岩潭河段,根据实测地形资料,1997、2009、2020年该河段堤岸边界变化见图2,可以看出,1997—2009年再到2020年,河道平面不断束窄,堤岸趋于平顺,1997—2009年间河道堤岸变化大于2009—2020年。

图2 闽江竹岐至白岩潭段河道堤岸边界变化示意

为分析河道堤岸边界变化和河床冲淤变化对闽江南北港分流比的影响,分别基于1997年、2009年、2020年堤岸边界和河道地形建立了3套不同地形边界的闽江下游河道数学模型,分别是1997年河道数学模型、2009年河道数学模型和2020年河道数学模型。3套数学模型模拟范围均为水口大坝坝下至闽江口。

模型采用丹麦DHI公司MIKE21软件,模型基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程,并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定,将三维水流沿水深方向积分,得到沿平均水深的二维浅水运动质量和动量守恒控制方程,在空间上采用非结构化网格下的有限体积法进行离散,在时间上采用显性欧拉法进行离散[14-15]。模型河道堤岸边界设置为闭合边界,不考虑水流漫溢,模型进口和出口设置为开边界,进口边界采用流量,出口边界采用水位;动边界采用“干湿边界”,水深大于0.1 m的单元为完全湿单元,水深小于0.005 m的单元为干单元、不参与计算,水深介于两者之间的单元为半干单元,半干单元只有水量参与计算,动量则被忽略。3套模型网格尺度一致,均采用非结构三角形网格单元,最小网格尺度约10 m,淮安分流口河段1997年河道数学模型网格划分见图3。模型糙率根据验证结果调整,由于3个不同年份河道滩槽分布不同,因此3套模型糙率平面分布上有所差异,但是滩槽糙率取值变化范围3套模型相差不大,经验证,水口坝下至淮安分流口河段主河槽糙率0.028～0.036,滩地糙率0.036～0.056,南港主河槽糙率0.024～0.035,滩地糙率0.036～0.054,北港主河槽糙率0.022～0.033,滩地糙率0.034～0.050,三江口以下主河槽糙率0.020～0.025,滩地糙率0.026～0.040。

图3 淮安分流口河段1997年河道数学模型网格划分

2.2 模型验证

由于历史实测资料有限,本次建立的3套数学模型主要利用与建模地形相邻或相近年份的水文站实测资料进行流量、分流比和水位验证,验证成果分别见图4—6。

1997年河道模型验证采用1998年6月22日12时至1998年6月24日0时实测大洪水资料,计算北港分流比30.36%～34.53%、平均31.79%,实测北港分流比29.54%～35.00%、平均31.08%,计算值与实测值偏差值为-0.47%～1.27%;计算各水文(位)站水位变化过程相似,最大偏差0.14 m,平均偏差不超过10 cm。2009年河道模型验证采用2010年6月18日6时至2010年6月20日6时实测洪水资料,计算北港分流比17.35%～22.65%、平均20.51%,实测17.98%～21.75%、平均20.18%,分流比变化范围基本一致、数值较为接近,平均偏差0.33%,各水文测站计算水位与实测水位整体较为接近,平均偏差不大于10 cm。2020年河道模型验证采用2016年5月7日20:00时至5月9日18:00时实测洪水资料,计算北港分流比11.71%～18.75%,实测分流比10.97%～18.65%,相差不大;计算竹岐站水位整体偏低0.16 m,应是受河床下切演变影响,计算文山里水文站和解放大桥上水位与实测值较为接近,平均偏差均为0.02 m,白岩潭站除部分时段外,整体水位偏差也不大于10 cm。总的来看,3套模型与原型相似性良好,满足本次分流比研究需求。

a)竹岐站流量验证

a)竹岐站流量验证

a)竹岐站流量验证

3 河道演变对分流比的影响

3.1 计算方案和边界条件

本次数学模型研究,利用3套不同的河道数学模型分别计算反演闽江南北港分流比变化,并在此基础上进一步探究河道演变对分流比的影响。河道演变主要表现为河道平面边界(堤岸)变化和河床(水下地形)纵向变化,为区分堤岸边界变化和河床冲淤变化对分流比的影响程度,数学模型计算方案考虑2种情况,一是考虑地形不变、改变河道堤岸边界分析河道边界对分流比的影响,即采用1997年河道模型地形分别搭配1997年河道边界、2009年河道堤岸边界以及2020年河道堤岸边界;二是考虑河道边界不变、改变河道地形分析河道地形条件对分流比的影响,即采用2020年河道堤岸边界分别搭配1997年河道地形、2009年河道地形和2020年河道地形。

一方面潮流分流比十分复杂,另一方面由于历史实测资料不足,本次建立的3套模型缺少大小潮期间潮流分流比验证。因此,本次主要研究洪水分流比。模型计算边界采用恒定流,上边界采用竹岐站设计洪峰流量,50年一遇、100年一遇和200年一遇洪水,设计洪峰流量分别为32 800、35 700、38 300 m3/s;模型下边界采用闽江口梅花潮位站设计潮位,该潮位站潮位特征较为稳定,受闽江河道演变和径流作用影响不大,分别考虑洪水匹配梅花站4—7月份多年平均高潮位2.96 m和4—7月份多年平均低潮位-2.00 m。

3.2 闽江下游南北港分流比反演计算结果

不同洪水下闽江下游南北港分流比计算结果见表2。50年一遇、100年一遇、200年一遇洪水匹配高潮位工况,1997年北港分流比分别为30.4%、29.4%、28.7%,2009年北港分流比分别降低至20.1%、19.9%、19.7%,至2020年北港分流比进一步降低为17.7%、17.7%、17.6%;50年一遇、100年一遇、200年一遇洪水匹配低潮位工况,1997年北港分流比分别为30.7%、29.7%、28.9%,2009年北港分流比分别降低至20.2%、20.0%、19.8%,至2020年北港分流比进一步降低为17.6%、17.6%、17.4%。1998年闽江大洪水实测竹岐洪峰流量33 800 m3/s,流量介于50年一遇和100年一遇,北港分流比29.9%,与1997年河道数学模型50年一遇和100年一遇洪水分流比计算结果接近,且介于二者之间;2010年闽江大洪水竹岐实测洪峰流量约20年一遇,北港分流比为20.2%,与2009年河道数学模型计算50年一遇洪水北港分流比近似,2020年前后未发生大洪水,但是2020年河道数学模型经过2016年洪水验证,因此,计算结果较为合理可信。计算表明:闽江口潮位变化对大洪水南北港分流比影响不大;1997—2020年的20多年间,闽江北港分流比大幅降低至历史最低水平,且1997—2009年北港分流比降幅明显大于2009—2020年北港分流比降幅;1997年河道条件下,北港分流比随洪水量级的增大而减小,2009、2020年河道条件下不同频率洪水分流比基本相同。

表2 闽江南北港洪水分流比反演计算结果

3.3 堤岸边界变化对分流比的影响

河道不同堤岸边界条件下闽江下游南北港洪水分流比计算结果见表3。对比不同堤岸边界分流比计算结果可知:闽江下游洪水分流比受河道堤岸边界变迁影响,堤岸边界变化越大,分流比变化也越大。1997—2020年的20多年来,闽江下游河道堤岸变化(河道平面的束窄)导致洪水期北港分流比增大、南港分流比减小,影响幅度约为3%,这种变化主要是因为1997年以来闽江下游南港两岸围滩造地、束窄河道程度大于北港。1997—2009年河道堤岸边界变化强度大于2009—2020年河道堤岸边界变化,因此1997—2009年河道堤岸边界变化导致50年一遇、100年一遇、200年一遇洪水下北港分流比分别增大2.2%、2.4%、2.4%,明显大于2009—2020年闽江下游河道堤岸边界变化导致的分流比变化。

3.4 河床冲淤变化对分流比的影响

相同河道堤岸边界、不同河道地形条件下南北港洪水分流比计算结果见表4。对比不同河道地形条件分流比计算结果可知:河床冲淤变化对闽江南北港洪水分流比影响十分显著,从1997—2020年的20多年间,闽江南北港河床的冲淤变化导致洪水期北港分流比大幅降低、南港分流比大幅增大,这种变化系20多年间南港河床整体下切幅度明显大于北港河床下切幅度所致。1997—2009年,南北港河道河床下切的差异明显大于2009—2020年,因此1997—2009年河道地形冲淤变化导致50年一遇、100年一遇、200年一遇洪水下北港分流比分别减小约13.1%、12.2%、11.7%,明显大于2009—2020年闽江下游河床冲淤变化导致的分流比变化。1994年水口水库建坝截流拦沙,1997年闽江北港全面禁止采砂、闽江下游采砂转移至闽江下游干流和南港,南港航道整治疏浚以及潮流影响等是导致闽江下游南北港河道冲淤演变的原因[7]。

表4 不同地形条件闽江南北港洪水分流比模拟计算结果

4 结语

基于大量实测资料和前人相关研究成果,总结分析闽江下游南北港分流比变化特征,并建立3套不同河道堤岸边界和地形条件的数学模型计算不同频率洪水南北港分流比,探讨河道演变对南北港分流比变化的影响,主要结论如下。

a)闽江下游南北港分流比变化大致可以分为3个阶段,第一阶段1985年以前,此阶段,闽江南北港分流比整体相对稳定,基本维持动态平衡;第二阶段1985年至20世纪末,这一时期,闽江北港分流比不断增大,南港减小;第三阶段21世纪初期至今,此阶段,南港分流比持续增大,北港分流比不断减小,已降至历史最低水平。

b)1997—2020年的20多年间,闽江南北港分流比变化明显,1997—2009年分流比变化程度强于2009—2020年,50～200年一遇洪水北港分流比减小约9.0%～10.5%;2009—2020年,北港分流比减小2.1%～2.6%。

c)20多年间,闽江下游河道地形冲淤变化对南北港分流比的影响明显大于河道堤岸边界变化对南北港分流比的影响,地形冲淤变化导致50～200年一遇洪水北港分流比减小9.1%～10.6%;河道平面束窄也对南北港分流比产生一定影响,影响幅度约3%。

建议对闽江下游河道进行系统治理,促进南北港河道演变平衡,稳定南北港分流比。