陳偉倫王 偉

(1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇南京 210098;2.中交海洋投資控股有限公司,海南三亞 572000)

泥沙沖淤計(jì)算主要依賴以下4種方法:淤現(xiàn)場(chǎng)資料分析法;于物理模型試驗(yàn)法;盂數(shù)值模擬法;榆經(jīng)驗(yàn)公式法。目前多采用數(shù)值模型法和經(jīng)驗(yàn)公式法。在河口治理工程對(duì)水沙動(dòng)力和沖淤演變的影響方面,竇希萍等[2]研究了長(zhǎng)江口深水航道治理工程實(shí)施后的航道回淤情況;王兆華等[3]分析了治理工程對(duì)北槽攔門沙河段的影響;王艷姣等[4]利用GIS技術(shù)對(duì)長(zhǎng)江口北港河段的沖淤演變進(jìn)行了可視化分析;陸忠民等[5]評(píng)價(jià)了青草沙水庫(kù)建設(shè)的可行性;時(shí)連強(qiáng)等[6]探討了沒冒沙形成及演變規(guī)律;陳界仁等[7]計(jì)算出三角洲淤積影響平均寬度和延伸的平均距離。而在河床泥沙回淤經(jīng)驗(yàn)公式的研究方面,劉家駒等[8]提出了用于淤泥質(zhì)海岸航道開挖后泥沙回淤計(jì)算的方法;曹祖德等[9]根據(jù)水流歸槽和平衡泥沙質(zhì)量濃度的概念,推導(dǎo)出順岸式碼頭前沿的港池淤積計(jì)算公式;樂培九等[10]提出了適用于河口海灣地區(qū)挖槽回淤估算方法;王義剛等[11]提出了計(jì)算邊灘圍墾淤積的一種簡(jiǎn)便方法。

本文通過建立大范圍無結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格的高精度數(shù)值模型,探究青草沙水庫(kù)工程建設(shè)前后周邊河口范圍水流變化和沖淤演變規(guī)律,以期為河口水庫(kù)工程的建設(shè)提供更為可靠的工程咨詢,并對(duì)只能應(yīng)用于計(jì)算回淤?gòu)?qiáng)度的王義剛公式進(jìn)行改進(jìn),使其可以同時(shí)計(jì)算河床沖淤。

1 平面二維潮流懸沙數(shù)值模型的建立和驗(yàn)證

1.1 控制方程

依托MIKE21水動(dòng)力模型軟件中HD模塊及其附屬的MT模塊來建立高精度的數(shù)值模型,其連續(xù)方程:

式中:x、y為右手Cartesian坐標(biāo)系;t為時(shí)間;濁為水位;h為總水深;d為靜水深;u、v分別為流速在x、y方向上的分量;Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮?籽為水密度,籽0為參考水密度;f為 Coriolis 參量;Sxx、Sxy、Syx、Syy為輻射應(yīng)力分量;Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平黏滯應(yīng)力項(xiàng);子sx、子sy分別為x和y方向上的表面切應(yīng)力分量;子bx、子by分別為x和y方向上的底部切應(yīng)力分量;S為源匯項(xiàng);us和vs分別為x和y方向源匯項(xiàng)水流流速;Dx、Dy分別為x、y方向上的泥沙擴(kuò)散系數(shù);Fs為泥沙沖淤函數(shù);酌d為床沙干容重;濁b為海底床面的豎向位移(即沖淤變化量);贅為地球自轉(zhuǎn)角速率,贅=0郾729伊10-4s-1;漬為地理緯度。

1.2 泥沙模型的參數(shù)選取

在缺少實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)干容重資料的情況下,可以通過泥沙中值粒徑公式[7]估算。對(duì)于長(zhǎng)江口區(qū)域,干密度取值相對(duì)穩(wěn)定,酌d取值720 kg/m3。經(jīng)過數(shù)值模型的反復(fù)調(diào)試,絮凝沉降的相關(guān)控制參數(shù)取值為:泥沙密度籽s取值2650 kg/m3,絮凝開始發(fā)生時(shí)的泥沙質(zhì)量濃度(含沙量,下同)cfloc取值0郾01 kg/m3,阻礙沉降開始發(fā)生時(shí)的泥沙質(zhì)量濃度chin取值10 kg/m3,凝膠點(diǎn)泥沙質(zhì)量濃度cget取值50 kg/m3。由Richardson鄄Zaki公式[12]結(jié)合侯志強(qiáng)等[13]的觀點(diǎn),沉速系數(shù)棕取為0郾0005 m/s。選取臨界淤積切應(yīng)力在0郾10~0郾25Pa之間,泥沙臨界沖刷切應(yīng)力在 0郾15~0郾5 Pa之間。粗糙高度選用模型推薦值0郾001 m。

1.3 模型范圍及網(wǎng)格劃分

本文模型涵蓋長(zhǎng)江口和杭州灣大范圍區(qū)域,上邊界取在江陰驗(yàn)潮站,南邊界至浙江象山縣,北邊界取在江蘇如東縣中部,東部外海開邊界位于123毅34憶E,從北至南約為50~60 m等深線位置。模型東西長(zhǎng)約310 km,南北長(zhǎng)約為311 km,整個(gè)模型面積為5郾75伊104km2。此外,在大模型內(nèi)嵌套建立了僅包含長(zhǎng)江口區(qū)域的小模型,北邊界、南邊界及東邊界為水邊界,給定潮位過程,該區(qū)域潮流受東中國(guó)海潮波系統(tǒng)控制,開邊界的潮位過程由全球潮波數(shù)學(xué)模型提供,上游邊界條件采用江陰潮位站實(shí)測(cè)潮位資料。

考慮到實(shí)際研究區(qū)域地形的復(fù)雜性,模型網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格,網(wǎng)格生成考慮地形邊界和潮流的走向,整個(gè)計(jì)算區(qū)域包括個(gè)28232個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),54028個(gè)單元,網(wǎng)格間距在200~5 000 m之間,研究區(qū)域水下地形圖及網(wǎng)格如圖1所示。本文模型以1985國(guó)家高程基準(zhǔn)為計(jì)算基面,坐標(biāo)系統(tǒng)為北京1954坐標(biāo)系,中央經(jīng)線123毅。

圖1 研究區(qū)域水下地形及計(jì)算網(wǎng)格

1.4 模型驗(yàn)證

1.4.1 潮流模型驗(yàn)證 選取2002年3月1—9日大、小潮全潮水文測(cè)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。各驗(yàn)潮站、測(cè)流垂線及流量斷面如圖2所示,部分潮位站大潮驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示,部分測(cè)點(diǎn)大潮驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示,北港、南港斷面大潮驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。本文約定落潮流速及落潮流量為正值。

1.4.2 懸沙模型驗(yàn)證

圖6反映了2002年3月1日0時(shí)至10日0時(shí)Y6和Z9測(cè)點(diǎn)大、小潮過程中泥沙質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較,表明所建模型基本能反映不同潮型下泥沙質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的情況,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本接近,滿足后續(xù)工作的精度需要。

1.4.3 河床沖淤驗(yàn)證

基于三角形無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格建立水流泥沙模型和潮流泥沙數(shù)值模擬,利用2007年12月至2009年10月實(shí)測(cè)水下地形進(jìn)行沖淤演變計(jì)算驗(yàn)證,見圖7。

由圖7可以看出,計(jì)算得到的沖淤區(qū)域及沖淤?gòu)?qiáng)度與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合,表明數(shù)值模型中相關(guān)參數(shù)的取值合理,數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果滿足工程研究的需要。

圖2 長(zhǎng)江口水文測(cè)驗(yàn)布置示意圖

圖3 高橋站大潮驗(yàn)證結(jié)果

圖4 X3測(cè)點(diǎn)流速及流向大潮驗(yàn)證結(jié)果

圖5 部分?jǐn)嗝媪髁看蟪彬?yàn)證結(jié)果

圖6 部分測(cè)點(diǎn)泥沙質(zhì)量濃度大、小潮驗(yàn)證結(jié)果

圖7 模型計(jì)算沖淤結(jié)果與實(shí)測(cè)地形對(duì)比(單位:m)

2 水動(dòng)力環(huán)境與河床沖淤演變

2.1 水庫(kù)工程建設(shè)后對(duì)水動(dòng)力場(chǎng)影響

由于工程的影響,工程區(qū)域附近的流速和流向均發(fā)生了改變。根據(jù)實(shí)測(cè)資料,水庫(kù)建成后,長(zhǎng)興島南側(cè)航道流速呈增大趨勢(shì),小部分區(qū)域流速下降;水庫(kù)工程前沿取水口處,水流流向發(fā)生改變,方向沿著水庫(kù)圍堤向北側(cè)航道偏轉(zhuǎn),同時(shí)流速增加;水庫(kù)工程北側(cè)航道圍堤附近流速微增,圍堤較遠(yuǎn)處流速下降;水庫(kù)工程尾部流速下降,工程對(duì)水流的影響范圍呈扇形向外擴(kuò)散,距離工程區(qū)域越近,流速和流向改變?cè)矫黠@。南側(cè)航道的分流比增加,水庫(kù)工程的建設(shè)使得北側(cè)航道流速整體下降,南側(cè)航道流速整體上升。

2.2 水庫(kù)工程建后對(duì)水下地形年沖淤?gòu)?qiáng)度影響分析

2.2.1 數(shù)值模擬法

水庫(kù)工程的實(shí)施對(duì)周邊泥沙沖淤?gòu)?qiáng)度分布的影響主要集中在水庫(kù)工程的兩側(cè)區(qū)域,分別布置了15個(gè)采樣點(diǎn)(圖8)進(jìn)行定量分析。青草沙水庫(kù)工程實(shí)施后,工程對(duì)水下地形沖淤影響如圖8和圖9所示:水庫(kù)口門A區(qū)域至B區(qū)域,由于工程圍堤前沿的挑流作用,口門前圍堤區(qū)域水流流向急轉(zhuǎn),流速增加,在工程圍堤拐角處B區(qū)域出現(xiàn)沖刷,沖刷呈現(xiàn)由口門到工程圍堤拐角處增大的趨勢(shì),沖刷量最大達(dá)5郾0 m/a左右。C區(qū)域到D區(qū)域以及K區(qū)域,由于工程實(shí)施導(dǎo)致工程北側(cè)水道的分流比和流速下降,南側(cè)水道主要呈淤積狀態(tài),最大淤積出現(xiàn)在C區(qū)域,最大淤積強(qiáng)度達(dá)到3郾2 m/a,由C至D區(qū)域,淤積強(qiáng)度不斷下降,D區(qū)域下降到大約1郾8 m/a。在工程的圍堤尾部E區(qū)域,由于圍堤的導(dǎo)流作用,流速下降,泥沙呈淤積狀態(tài),最大淤積強(qiáng)度達(dá)到3郾5 m/a。F區(qū)域由于處在橋墩后方,呈沖刷狀態(tài)。由于H區(qū)域位于限流潛堤的前端,底部流速下降,G區(qū)域受到限流潛堤的導(dǎo)流作用導(dǎo)致流速下降,故H、G區(qū)域呈淤積狀態(tài),最大淤積強(qiáng)度達(dá)到2郾0 m/a。工程南側(cè)水道由于分流比增加,流速增加,南側(cè)水道主要呈現(xiàn)出沖刷趨勢(shì),L、M、N、I沿線水道沖刷強(qiáng)度一般在1郾3 m/a左右。如圖9所示,南側(cè)水道I區(qū)域由于靠近岸邊,工程前水深僅有1 m左右,但由于工程后流速的增加I區(qū)域受到強(qiáng)烈的水流沖刷,最大沖刷強(qiáng)度達(dá)到6 m/a。綜上所述,青草沙水庫(kù)工程的實(shí)施整體上使得工程南側(cè)航道呈現(xiàn)沖刷狀態(tài),北側(cè)航道呈現(xiàn)淤積狀態(tài),南側(cè)航道變化量小于北側(cè)航道,工程的實(shí)施對(duì)北側(cè)航道影響較大。

圖8 工程前水深、地形、潮量斷面及沖淤點(diǎn)布置

圖9 工程后水庫(kù)周邊年平均沖淤?gòu)?qiáng)度分布(單位:m)

2.2.2 經(jīng)驗(yàn)公式法

2.2.2.1 王義剛公式簡(jiǎn)介

王義剛等[11]結(jié)合竇國(guó)仁[14]的潮汐水流懸沙運(yùn)動(dòng)微分方程、羅肇森[15]的航道回淤計(jì)算公式和劉家駒等[8]以及樂培九等[10]的研究成果,提出了計(jì)算邊灘圍墾淤積的簡(jiǎn)便方法[16],其表達(dá)式如下:

式中:P為第1年回淤?gòu)?qiáng)度;琢為沉降概率;n為1年中的潮數(shù);棕為泥沙沉速;T為潮周期;S*1、S*2分別為工程前、后對(duì)應(yīng)的全潮平均泥沙質(zhì)量濃度。

一般來說,河口邊灘區(qū)域水深相對(duì)較淺,單個(gè)潮周期內(nèi)的泥沙沉降距離遠(yuǎn)大于邊灘區(qū)域內(nèi)最大平均水深,即棕T>H,令棕T抑k0H,k0臆1,則式(6)可簡(jiǎn)化為

式中:H為全潮平均水深;u1、u2分別為工程前、后全潮平均流速;k0為考慮波浪及其他因素的綜合影響系數(shù);m為計(jì)算參數(shù),大小隨著地區(qū)不同而變化。k0、m均由實(shí)測(cè)資料率定得出。

灘面的促淤標(biāo)高一般都在平均潮位以下,灘面高程越接近平均潮位,其年回淤?gòu)?qiáng)度就越小,所以促淤工程建后第2年的泥沙回淤量必然小于第1年的回淤量。在外界來沙條件不變的情況下,可以認(rèn)為當(dāng)年回淤?gòu)?qiáng)度與去年回淤?gòu)?qiáng)度的比值同去年平均水深與前年平均水深的比值成正比[16],即

式中:Pi為當(dāng)年的回淤?gòu)?qiáng)度;Pi+1來年的回淤?gòu)?qiáng)度;Hi為當(dāng)年的全潮平均水深;Hi-1為去年的全潮平均水深;K為比例系數(shù),工程應(yīng)用中一般取K=1郾0。

當(dāng)u1逸u2時(shí),表示工程施工后水域的流速減小,水動(dòng)力減弱,相應(yīng)的挾沙力下降,該區(qū)域出現(xiàn)淤積。當(dāng)u1

2.2.2.2 王義剛公式的改進(jìn)

由于缺乏泥沙起動(dòng)流速的資料,無法判別泥沙是否起動(dòng),且由于計(jì)算時(shí)采用全潮平均流速,可能出現(xiàn)平均流速小于臨界起動(dòng)流速,而最大流速大于臨界起動(dòng)流速的現(xiàn)象,因此本文采用折中的處理方式,在原公式中加入沖刷系數(shù)茁。該系數(shù)由李瑞杰等[18]提出,是一個(gè)與沉速和泥沙質(zhì)量濃度相關(guān)的系數(shù),而沉速和泥沙質(zhì)量濃度可以通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)率定得出,所以沖刷系數(shù)的引入并不需要通過試驗(yàn)得到起動(dòng)流速。沖刷系數(shù)茁的取值應(yīng)在0~1之間,考慮到工程地區(qū)底床表層為淤泥層,處于沖淤頻繁的狀態(tài),因此沖刷系數(shù)應(yīng)取值較大,本文采取試算方法得到?jīng)_刷系數(shù)取值0郾85較為適宜。在綜合考慮泥沙起動(dòng)和長(zhǎng)時(shí)間尺度的影響后,提出的改進(jìn)方法計(jì)算公式如下:

式中駐P指單個(gè)潮周期的回淤?gòu)?qiáng)度。

改進(jìn)方法沖淤計(jì)算結(jié)果見圖10(b)。與改進(jìn)前的計(jì)算結(jié)果(圖10(a))相比,改進(jìn)后的王義剛公式能夠進(jìn)行沖刷計(jì)算,且沖刷和淤積計(jì)算結(jié)果與圖10(c)中實(shí)測(cè)值和圖9中數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。由此可知,在改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)公式時(shí),加入適當(dāng)?shù)臎_刷系數(shù)茁是可行的。結(jié)合董曉偉[19]的計(jì)算結(jié)果,認(rèn)為茁取值在0郾70~0郾85之間是合理的,如在其他河口海岸地區(qū),需通過當(dāng)?shù)氐牡匦窝葑冑Y料對(duì)茁合理取值后參考應(yīng)用。

3 結(jié) 論

a.應(yīng)用MIKE 21軟件,采用三角形網(wǎng)格,建立了長(zhǎng)江口區(qū)域平面二維水沙數(shù)學(xué)模型,從潮位、流速、流向、泥沙質(zhì)量濃度過程線、地形沖淤等角度對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。模擬結(jié)果顯示模型精度滿足研究需要,因此可利用此模型進(jìn)行水庫(kù)工程對(duì)周邊水域沖淤影響的計(jì)算研究。

圖10 河床沖淤深度計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比(單位:m)

b.青草沙水庫(kù)工程建成后,水庫(kù)北側(cè)航道的分流比減小,南側(cè)航道的分流比增大,水庫(kù)工程的建設(shè)使得北側(cè)航道流速整體減小,南側(cè)航道流速整體增大。

c.工程實(shí)施后,整體上使得水庫(kù)南側(cè)航道呈現(xiàn)沖刷狀態(tài),北側(cè)航道呈現(xiàn)淤積狀態(tài),南側(cè)航道變化量小于北側(cè)航道,水庫(kù)工程前沿口門處發(fā)生嚴(yán)重沖刷,而尾部區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重淤積,但對(duì)距工程較遠(yuǎn)的區(qū)域的水下地形影響不大。

d.在王義剛公式中添加沖刷系數(shù)茁(茁值由實(shí)測(cè)資料率定),可使改進(jìn)后的王義剛公式同時(shí)計(jì)算水庫(kù)工程建設(shè)后對(duì)沖刷和淤積的影響,且滿足工程應(yīng)用精度要求。

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