童朝鋒 ，劉豐陽 ，邵宇陽 ，孫運佳 ，呂立銳

（1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098）

長江口北支崇啟大橋處潮位和鹽度過程研究

童朝鋒1，2，劉豐陽2，邵宇陽2，孫運佳2，呂立銳2

（1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098）

位于長江口北支的崇啟大橋處于鹽淡水交替區(qū)，其混凝土橋墩易受海水腐蝕。為給橋墩抗腐試驗提供必要的潮位變動區(qū)范圍和鹽度試驗參數(shù)，建立了基于無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的長江口鹽水?dāng)?shù)值模型，計算分析了在不同徑流量和外海潮汐邊界條件下，崇啟大橋斷面潮位變幅及鹽度變動過程。研究表明崇啟大橋處潮位變幅大，潮汐是控制崇啟大橋處水位變動范圍的關(guān)鍵因素；橋墩處鹽度整體取決于入海徑流量，流量增加促使鹽度降低，反之亦然；潮汐作用促使橋墩處呈現(xiàn)短周期性振蕩鹽度，鹽度范圍為10‰～26‰，其中枯季鹽度平穩(wěn)，洪季變幅大。

潮型；鹽度；數(shù)值模擬；長江口；崇啟大橋

Biography：TONG Chao-feng（1973-），male，associate professor.

崇啟大橋是上海至西安國家高速公路的重要組成部分，是我國東部沿海地區(qū)與中西部地區(qū)通往上海的又一便捷通道。其橫跨長江口北支，南起上海崇明島陳家鎮(zhèn)，與崇明越江通道相接；北接啟東市匯龍鎮(zhèn)，與寧啟（南京—南通—啟東）高速公路相接（圖1）。崇啟大橋的建設(shè)將對長三角交通運輸體系的建設(shè)，發(fā)揮長三角地區(qū)的整體效應(yīng)，提升長三角地區(qū)國際競爭力產(chǎn)生深遠的影響。大橋建成后，橋墩將長期受到鹽淡水交替浸泡腐蝕作用，且因潮汐和波浪影響，使大橋橋墩部分區(qū)段處于水位變動區(qū)。

以往海水對混凝土侵蝕性研究表明［1-4］，海水對混凝土結(jié)構(gòu)有巨大的腐蝕性，由于海水與混凝土接觸部位的不同，產(chǎn)生的腐蝕性也不盡相同，其中在水位變化區(qū)，即潮汐潮落區(qū)，混凝土受到的腐蝕最為嚴(yán)重。在這一區(qū)域，漲潮時，混凝土直接受到海水的沖刷、浸泡；落潮時，混凝土要經(jīng)歷干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等物理化學(xué)綜合作用。橋墩混凝土腐蝕將影響大橋使用壽命。為提出合理有效的混凝土橋墩防腐蝕措施，在進行崇啟大橋橋墩混凝土防腐試驗研究時，需提供水位變動和鹽度變化過程，為試驗提供試驗參數(shù)。

圖1 崇啟大橋區(qū)域位置圖Fig.1 Location of Chongqi Bridge

利用TELEMAC模型系統(tǒng)，建立了基于無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的長江口鹽水?dāng)?shù)值模型，計算分析了不同徑流量和外海潮汐邊界條件下，崇啟大橋橋墩區(qū)域的潮位及鹽度變動過程，旨在為崇啟大橋橋墩防腐蝕研究提供合理的試驗參數(shù)。

1TELEMAC數(shù)學(xué)模型簡介

TELEMAC模型是主要用于明渠水流設(shè)計的軟件系統(tǒng)，模型采用有限單元方法開發(fā)且具有強大的數(shù)字化和圖形化工具。該模型系統(tǒng)包括二維和三維模塊，可用來研究計算水流、泥沙、波浪和水質(zhì)等［6-8］。TELEMAC-2D二維程序可用來求解由Barré de Saint-Venant于1871年推得的沿水深平均自由表面流方程，可以計算網(wǎng)格各節(jié)點的水位和沿水深平均流速分量。其中包括連續(xù)方程及動量方程。

（1）連續(xù)方程

（2）u方向和v方向的動量方程

式中：h為水深；Z為表面高程；t為時間；u和v分別為笛卡爾坐標(biāo)下沿x，y方向的平均速度值；g為重力加速度；Fx、Fy為方程組的源項，包括底部摩擦、表面風(fēng)應(yīng)力、科氏力、大氣壓力等；ve為紊動粘性擴散系數(shù)。

SUBIEF-2D模型可用于研究二維自由表面流中一種或幾種示蹤劑的輸運，包括二維自由表面流的鹽度。對流—擴散方程按下式給出

式中：T為鹽度；FT為方程組的源項；vT為紊動粘性擴散系數(shù)。

與TELEMAC-2D一樣，SUBIEF-2D也采用有限單元法構(gòu)建的二維軟件：在水體中，每一種物質(zhì)的濃度假定為不變。SUBIEF2D程序獨立于水動力方程，水動力事先由TELEMAC-2D計算，SUBIEF2D隨后讀入其結(jié)果以用于構(gòu)建輸運方程中的對流分量。

1.1 長江口水動力和鹽水模型

圖2 模型控制范圍Fig.2 Domain of model

1.1.1 模型范圍

長江口鹽水入侵主要受長江上游徑流和外海潮汐共同作用的影響，長江口與杭州灣也存在水體交換，為方便給出相對穩(wěn)定的鹽度邊界條件，模型范圍確定為上游到江陰，外海北邊界至 32.5°N，南邊界至 29.5°N，東邊界至 124.5°E。模型覆蓋了整個長江口和杭州灣，總面積約104 400 km2。圖2為模型的計算范圍。

1.1.2 地形及網(wǎng)格

模型所使用的地形外海采用的2005年版海圖，長江口內(nèi)所使用的地形包含了南匯嘴圍墾、青草沙水庫、橫沙東灘促淤等工程。整個模型三角形網(wǎng)格數(shù)為45 135，節(jié)點數(shù)為23 492，模型中外海平均網(wǎng)格尺寸有10 000 m，長江口外網(wǎng)格平均尺寸為1 000～4 000 m，江陰段到長江口網(wǎng)格尺寸為500～600 m。圖2中水深基準(zhǔn)面為1985年國家高程系統(tǒng)。

1.1.3 邊界條件

模型的上游水動力邊界在江陰，也是潮流界的上限，上游水動力邊界由安慶到徐六涇段的二維水動力模型提供流量過程［9］，外海邊界由東中國海平面二維數(shù)學(xué)模型計算提供［10］。

鹽度模型邊界上游開邊界鹽度取0‰，根據(jù)文獻［4］，外海南邊界鹽度由西向東按15‰～30‰，東邊界鹽度由南向北按30‰～35‰，北邊界鹽度由西向東按30‰～35‰。

1.2 參數(shù)選取及驗證

長江口水動力模型和鹽水入侵模型的時間步長間隔是60 s，曼寧系數(shù)0.011～0.018，隨水深變化，不考慮局部風(fēng)的作用。

模型驗證的時期是從2002年3月1日00：00至2002年3月15日24：00，期間由大潮到小潮。鹽度驗證的時期是從2002年2月28日14：30至2002年3月15日14：30。圖3為北支潮位、流速、流向和鹽度驗證結(jié)果，其中由于小潮時其主要分潮M2和S2相位相差約6 h，高、低潮位為兩者的峰、谷值相減。根據(jù)數(shù)值計算的原理，2個大數(shù)相減往往會產(chǎn)生較大的誤差，而相加則產(chǎn)生的誤差較小。因此，數(shù)值模擬中，小潮水位的模擬精度往往較低。驗證結(jié)果總體表明模型可以很好地模擬崇啟大橋區(qū)域的潮汐運動及鹽度變化。圖4為相應(yīng)的鹽度等值線分布及鹽水入侵圖。

2 崇啟大橋處水位變幅

2.1 水位變幅影響關(guān)鍵因素分析

河口區(qū)域的水位受上游徑流流量和外海潮汐控制。影響崇啟大橋水位變幅因素包括長江入海徑流量和外海潮汐，為了解控制因素對崇啟大橋水位變幅影響關(guān)系，分別計算分析了不同徑流量和不同潮位過程對橋位處水面的影響。

圖3 潮位和流速、鹽度過程驗證Fig.3 Comparison of simulated and measured tidal level，velocity and salinity

圖4 鹽度等值線分布及鹽水入侵圖Fig.4 Salinity isoline distribution and salt water intrusion

根據(jù)長江大通站歷年的入海徑流量范圍，選取了9種不同的徑流量，分別為4 620、8 170、11 000、16 700、20 000、24 600、40 130、75 900 m3/s，其中 24 600 m3/s為洪季平均水位，167 00 m3/s為枯季平均水位。選取2002年2月24日至2002年03月30日的外海潮位過程做外模型外海邊界，此潮位過程包括了整個大潮、中潮和小潮。圖5為不同流量下大橋處在計算的2002年2月24日至2002年03月30日期間的最高潮位和最低潮位關(guān)系。

結(jié)果表明：長江入海流量越大，崇啟大橋橋墩處最高潮位和最低潮位略有抬升，但抬升幅度很小，橋墩處的水位過程幾乎重合。因此，崇啟大橋橋墩處水位受上游徑流量影響較小，比較外海潮位過程發(fā)現(xiàn)，外海潮位是控制崇啟大橋橋墩處水位的關(guān)鍵因素。根據(jù)計算，枯水時期和洪水時期的高、低潮位相近，高潮位約為2.85 m，低潮位約為-1.60 m。

圖5 長江入海徑流量與崇啟大橋處高低潮位影響關(guān)系Fig.5 Relationship between the upstream discharge and the high and low tidal level in Chongqi Bridge

2.2 水面變動特征值范圍確定

崇啟大橋橋墩處尚無長期的潮位觀測資料，為得到不同重現(xiàn)期的高低潮位，需利用附近潮位站的資料進行推算。長江口區(qū)域有不少潮位站，這些潮位站地理位置鄰近、潮汐性質(zhì)相似及受河流徑流的影響相似。利用相關(guān)分析法［11］，由模型得出大橋橋墩處各特征潮位值與其他具有多年歷史資料的潮位站的特征潮位的相關(guān)關(guān)系，以此關(guān)系并依據(jù)已知潮位站多年歷史資料統(tǒng)計得到的歷史特征潮位來推求崇啟大橋橋墩處特征潮位。

圖6為根據(jù)上述長江口數(shù)值模型計算統(tǒng)計的崇啟大橋墩處與橫沙站潮位高低潮位之間的相關(guān)關(guān)系。其中大橋處和橫沙站高潮、低潮的潮位關(guān)系分別為

式中：Hhigh為高潮位，兩站高潮位相關(guān)系數(shù)為0.981 5；Hlow為低潮位，兩站高潮位相關(guān)系數(shù)為0.941 2。

由此根據(jù)橫沙站的1915～2005年資料統(tǒng)計的特征潮位得出，崇啟大橋高低潮位范圍-3.21～4.79 m，年平均水位變動區(qū)為-1.50～1.85 m，五十年一遇的高潮位為4.21 m，百年一遇為高潮位為4.40 m，千年一遇高潮位為5.02 m。

圖6 崇啟大橋橋墩處與橫沙站潮位高低潮位之間的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation between Chongqi Bridge′s pier and the high and low tidal level in Hengsha Station

3 崇啟大橋處鹽度特征分析

影響河口區(qū)域鹽度變化的因素主要包括長江上游的徑流量、外海的鹽度和潮汐等，各因素由于其本身的變化周期和程度的差異對河口鹽度產(chǎn)生不同的影響。外海的鹽度變化主要受西太平洋的洋流影響，包括臺灣暖流、黑潮以及江蘇沿岸流等影響，洋流主要變化是季節(jié)性的。其變化幅度相對比較穩(wěn)定，且變化幅度相對比較小，其中外海鹽度冬季為32‰～34‰，夏季為31‰～33‰。因此，沒有討論外海鹽度變化對大橋處鹽度影響。

長江上游的徑流量對長江河口的鹽度具有沖淡作用，徑流量對長江口的鹽度變化實際上起控制作用，直接關(guān)系到長江口鹽度。從時間尺度而言，徑流量的變化主要體現(xiàn)在年內(nèi)季度性變化和年際變化。由于潮汐的周期相對比較小，因此其對鹽度影響的時間尺度也相對比較小。本次計算主要是潮位變化和徑流量組合下對橋位處的鹽度影響。

3.1 外海潮型對橋位處鹽度變化影響

圖7為枯季平均流量167 00 m3/s時崇啟大橋處潮位與鹽度過程，時間為15 d，包括大、中、小潮。鹽度增大過程與潮汐的漲潮過程是同步的，但鹽度最大峰值的時刻要比高潮時刻滯后。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是潮位降低時實際上大量的海水還在涌入，增加了該處的鹽度值。鹽度過程與該處的潮位過程類似，一天中出現(xiàn)半日周期現(xiàn)象，漲潮時候的鹽度增大，落潮時期大都減??；一月中出現(xiàn)半月周期特性，大潮時期的平均鹽度為25.51‰，要比小潮時期平均鹽度25.45‰大，其中大潮時鹽度最大值為25.68‰、最小值25.38‰；小潮時鹽度最大值為25.5‰、最小值25.39‰。計算顯示，橋墩處的鹽度變化隨潮型變化的變化幅度不大，幅度基本在1.0 ppt以內(nèi)，顯然，洪季時外海潮型不是控制橋墩處鹽度變化的關(guān)鍵因素。

圖7 枯季平均流量時崇啟大橋處潮位過程與鹽度過程Fig.7 Tidal level and salinity process of Chongqi Bridge in dry season（mean discharge）

圖8為洪季平均流量24 600 m3/s時崇啟大橋處潮位與鹽度過程，包括大、中、小潮，共15 d。鹽度過程日變化規(guī)律和月變化基本規(guī)律同枯季，日呈半日周期變化，月呈半月周期變化。大潮時平均鹽度為19.57‰，小潮時平均鹽度16.96‰；大潮時鹽度最大值為22.11‰、最小值15.72‰，差值為7.65‰；小潮時鹽度最大值為20.59‰、最小值12.93‰，差值為6.39‰。計算顯示，洪季時大橋處鹽度變化明顯大于枯季，大潮對橋位處鹽度影響要強于小潮。

3.2 徑流對橋位處鹽度變化影響

圖9為在9種徑流量條件下統(tǒng)計的崇啟大橋橋墩處高鹽度值、低鹽度值以及平均鹽度值。結(jié)果表明：徑流量是影響崇啟大橋橋墩處鹽度高低的關(guān)鍵因素，入海徑流量越大，崇啟大橋橋墩處鹽度越??；反之，入海徑流量越小，崇啟大橋橋墩處鹽度越大，但是鹽度基本控制在10‰～26‰，與北支長期監(jiān)測到的鹽度范圍一致［4］。在潮汐動力作用下，崇啟大橋橋墩處鹽度發(fā)生波動，而且流量越大，其波動的幅度相對較大；對比不同潮型對鹽度影響，大潮由于動力強，納潮量多，鹽度峰值也高，小潮相對減小。

圖8 洪季平均流量時崇啟大橋處潮位過程與鹽度過程Fig.8 Tidal level and salinity process of Chongqi Bridge in flood season（mean discharge）

圖9 不同入海徑流量下崇啟大橋處鹽度變化值Fig.9 Salinity variation ranges of Chongqi Bridge corresponding to different water discharges

4 結(jié)論

根據(jù)潮流數(shù)學(xué)模型及已知潮位站的潮位資料，通過相關(guān)性分析推算出崇啟大橋處從1915～2005年歷史高低潮位范圍，同時計算分析了不同徑流量和外海全潮邊界條件下，崇啟大橋橋墩處連續(xù)全潮潮位、鹽度過程。得出以下結(jié)論：

（1）崇啟大橋從1915～2005年歷史高低潮位范圍-3.21～4.79 m，年平均水位變動區(qū)為-1.50～1.85 m，五十年一遇的高潮位為4.21 m，百年一遇高潮位為4.40 m，千年一遇高潮位為5.02 m。

（2）長江入海徑流量對崇啟大橋橋墩處特征潮位值影響很小，外海潮位是控制崇啟大橋橋墩處水位的關(guān)鍵因素。

（3）徑流量是影響崇啟大橋橋墩處鹽度高低的關(guān)鍵因素。入海徑流量越大，崇啟大橋橋墩處鹽度越小，反之，入海徑流量越小，崇啟大橋處鹽度越大。

（4）潮汐作用對橋墩處鹽度變化洪季時要比枯季時影響大，大潮時鹽度要比小潮時大，與大潮時納潮量多有關(guān)。

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A modeling study on tidal and salinity process at Chongqi Bridge cross section located in North Branch of Yangtze Estuary

TONG Chao-feng1，2，LIU Feng-yang2，SHAO Yu-yang2，SUN Yun-jia2，LV Li-rui2
（1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China；2.College of Harbour，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China）

For the Chongqi Bridge located in the mixing zone of fresh-salt water in the North Branch of Yangtze Estuary，the concrete of piers can be eroded easily in the salt water.In order to provide the tidal fluctuation zone in vertical direction and the salinity values required in the anti-erosion tests of concrete，a hydrodynamic and saltwater intrusion model of Yangtze Estuary was developed and calibrated by the TELEMAC model.The tidal level and the salinity at the cross section of the bridge were simulated under conditions of the different characteristic discharges corresponding to the different cumulative frequencies.The results show that tide is the key factor resulting in the water level fluctuation，and the salinity at the cross section is decided by the runoff from Yangtze River watershed.The more flow rate is，the lower salinity is.The salinity also ranges within 10‰～26‰ in the same period with the tide under the action of tide.The fluctuation extent in spring season is larger than that in dry season although the salinity is smaller.

tide；alinity；numerical model；Yangtze Estuary；Chongqi Bridge

TV 148+.5

A

1005-8443（2012）04-0291-08

2012-01-05；

2012-02-22

水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室基本科研業(yè)務(wù)費自主研究項目（2010585312）；國家水體污染控制與治理科技重大專項（2009ZX07317-007-05）；河海大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費項目（2009B09614）

童朝鋒（1973-），男，浙江省寧波人，副教授，博士，主要從事河口海岸水動力學(xué)研究。