在分汊河口治理中稳定分流口是一个重点工程[1].南北槽分流口是长江口第三级分流口, 上承南港河道下接南槽和北槽, 地理位置重要.其地处最大浑浊带上缘[2], 水沙条件复杂, 地形变化频繁.掌握该区域的地形变化及工程建设对相邻汊道分流比的影响意义重大.
长江口深水航道工程的修建使得北槽落潮分流比经历了大幅的下降(见图 1), 下降的原因是什么, 会不会达到河性转化的阈值[3], 这引起了有关部门和学者的高度重视.由于工程采取双导堤加丁坝群的模式治理, 使得北槽坝田区域大量淤积, 河道容积减小[4], 同时丁坝的阻水作用明显, 很多学者从这个角度来分析北槽落潮分流比下降的原因并取得了很多富有意义的成果[5-9].而关于分流口工程以及分流口上段区域地形的变化对分流比造成的影响方面的研究较少.长江口深水航道整治一期工程结束后, 周济福等[10]利用平面二维数学模型讨论了分流口潜堤方向和丁坝长度对汊道分流分沙比的影响, 结果表明潜堤方向和丁坝长度都会对分流分沙比造成影响, 相较而言, 潜堤方向的改变作用更加明显.陈炜等[11]通过数值模型对不同潜堤方向、高度、南导堤走向等情况进行模拟研究, 结果表明基于现有工程布局形式下, 对于工况结构的局部调整对分流口水沙输运的影响有限.冯凌旋[12]等通过历史数据分析总结了南北槽分流口地形的历史演变规律, 并根据实地观测发现分流口潜堤上游水域落潮水流偏向南岸.朱远等[13]利用实测地形资料分析了瑞丰沙的演变过程, 发现近年来瑞丰沙上段保持稳定, 而下段由于人为采沙等因素的影响逐渐消亡, 南港逐渐向宽浅型河槽发展.张俊勇等[14]总结了南港的地形演变过程, 提出深水航道三期工程之后南港中下段航道淤积严重的主要原因是航道水深的增加和该河段水动力的不足, 并认为南港航道的整治关键在于重塑一个高大完整的瑞丰沙下沙体.李文正[15]在总结南港瑞丰沙河段河势的变化特点之后, 提出应该在瑞丰沙区域修建整治工程以控制南港下段的河势, 并通过数学模型及物理模型对工程的布置方案进行了优化比选.
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图 1 北槽下断面落潮分流比的变化 Fig.1 Changes of the North Passage's ebb flow diversion ratio in the downstream cross-section |
分流比是分汊河道的重要参数, 它与汊道断面宽深比的调整、主槽流态和水流结构的改善等相结合是评估汊道河段航道治理效果的指标.潮汐河口由于径流的加入, 主槽的落潮流通常强于涨潮流, 落潮流往往对河槽的演变起到主导的作用[6].建立高分辨率潮流数值模型, 是水沙综合研究的基础.因此本文试图利用高分辨FVCOM潮流模型来讨论长江口南北槽分流口工程及分流口上段瑞丰沙由于挖沙等引起的地形变化对南北槽落潮分流比的影响.
落潮分流比的计算采用丁君松等[16]提出的计算公式:
| $ \begin{align} \eta_L=\frac{Q_L}{Q_L+Q_R},~~ \eta_R=\frac{Q_R}{Q_L+Q_R}. \end{align} $ | (1) |
其中
长江口各入海汊道口门地区均存在拦门沙, 在整治工程之前天然航道水深不足7 m, 这严重制约着上海港的发展.经过大量的研究与论证, 最后通过长江口深水航道整治一、二、三期工程, 使得12.5 m深水航道全线贯通[17-19].
深水航道整治一期工程中包括南北槽分流口工程, 主要有潜堤和鱼咀. 图 2所示为研究区域、研究断面以及用来验证模型的测站位置, 图中颜色表示2015年8月份的水深.鱼咀由南线堤和南导堤的上段组成, 布置在江亚南沙心滩顶点处, 南线堤沿着江亚南沙南边缘布置.潜堤沿江亚南沙脊线布置, 其高度从堤根到堤头逐渐减小.堤根即是与鱼咀交汇处, 高度为+2 m(吴淞高程), 堤头处高度为-2 m(吴淞高程).分流口工程的目的在于稳固分流口形态, 防止江亚南沙沙头的冲刷下移, 稳定入口段河势, 维护对北槽有利的进水进沙条件[20].
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图 2 研究区域、研究断面及模型验证的测站位置 Fig.2 The study area, cross-sections, and observation stations for model validation |
随着深水航道工程的建造, 南北槽入口段地形发生了显著的变化.入口段断面的面积也发生了显著的改变, 由图 3(a)(南北槽的上断面, 平均海平面, 下同)可以看出, 1998年之后北槽上断面整体处于淤积态势, 且在潜堤附近淤积严重, 主槽向南移动.最大水深由1998年的18.7 m下降到2010年的15.1 m.与之相对应的, 南槽入口断面发生了明显的冲刷, 最大水深从1998年的8.3 m增大到2010年的14.9 m.由图 3(b)可知, 潜堤附近的沙嘴(5 m等深线)向上游延伸并向北偏转, 延伸的速度由快变慢且在2010年之后达到平衡, 保持相对稳定.
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图 3 南北槽分流口处地形变化 Fig.3 Bathymetric changes of the South and North Passage in the upstream cross-section |
瑞丰沙嘴形成于20世纪60年代, 由于泥沙来源丰富沙嘴迅速延伸扩大, 对应的南港河段也由"U"型河槽演变成为"W"型河槽. 图 4是瑞丰沙区域历年地形变化图(当地理论最低潮面下).从图中可以看出1998年时瑞丰沙还是一个整体, 5 m等深线连续贯通.但是受人为挖沙等因素的影响, 瑞丰沙中沙、下沙逐渐萎缩.到2001年时沙嘴5 m等深线被冲开[21].由图 4可以看出到2007年时瑞丰沙中沙已经基本消失, 到2015年时中沙、下沙区域进一步加深.
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图 4 瑞丰沙区域1998—2015年地形变化(当地理论最低潮面下) Fig.4 Bathymetry near the Ruifeng Shoal in 1998—2015 |
随着瑞丰沙的演变, 整个南港河段地形也发生了明显的变化. 图 5为1998年与2015年瑞丰沙下沙中部区域南港河槽断面(图 4(a)中红色实线所示)的地形变化, 从中可以看出瑞丰沙区域水深大幅度增大, 南港主槽区域有冲有淤, 南岸淤积, 深泓线向北转移.南港下游由"W"型河槽转化为"U"型河槽, 整体呈现出宽浅的河槽形态.
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图 5 瑞丰沙下沙河段(图 4(a)红色实线所示)南港河槽断面地形变化 Fig.5 Changes in the cross-section at region of lower Ruifeng Shoal (the location of section as shown on Fig. 4(a)) |
为讨论南北槽分流口工程和临近区域地形变化对南北槽落潮分流比的影响, 本文采用美国麻州大学建立的三维无结构网格、自由表面、原始方程、有限体积海洋数值模型(FVCOM).它结合了有限差分方法的离散结构简单、计算高效的优点以及有限元法的几何灵活性, 对于岸线曲折复杂的河口地区有独特的优势, 已经成功地应用在长江口地区的研究中[9, 22-25].
长江口深水航道工程的导堤和丁坝坝根高于平均海平面, 在高潮时淹没, 低潮时露出水面.为此本文采用葛建忠等[26]开发的导堤丁坝计算模块：对于上层自由流动部分采用FVCOM默认的控制体进行计算, 建筑物两侧是连通的, 而对于下层部分用固体边界分割, 两侧分别进行计算.这样的算法可以保证建筑物两侧计算时体积和质量守恒.
2.2 模型的建立与验证 2.2.1 模型的建立长江口地区的网格如图 6所示, 大区域包括长江口、杭州湾、东海内陆架及临近海域, 网格的分辨率在长江口区域最高, 最高分辨率达到150 m, 向外分辨率逐渐降低, 最粗的网格在开边界处, 约为14.7 km.该网格能够很好地刻画长江口区域的特征.对于深水航道和导堤丁坝区域, 加密的网格亦能很好地刻画这些区域的特征.本文在研究潜堤偏转方向对分流比的影响时, 研究区域集中在长江口的南北槽分流口地区(见图 6(c)所示区域).为了提高计算精度、同时也为了节约计算时间, 本文采用嵌套技术, 即计算整个大区域得到嵌套边界(见图 6(a)蓝线所示)条件, 然后应用于小区域(见图 6(b))的计算.小区域的计算网格数约为3.8万个, 节点个数约为1.9万个, 对重点研究区域加密, 分流口处最大分辨率达到100 m左右.大区域开边界水位由8个主要天文分潮即M
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图 6 计算区域网格划分 Fig.6 Model grid |
| $ \begin{align} \xi=\xi_0+\sum\limits_{i=1}^8f_iH_i\cos(w_it+(V_i+u_i)-g_i). \end{align} $ | (2) |
其中,
本文所用的长江口高分辨率数值模型已经经过了多年的率定与检验[9, 22-25], 结果证明, 该模型应用于长江口地区具有较高的精度.本文主要研究分流口区域工程及地形变化对于落潮分流比的影响, 因此较为关注相关区域内河道水通量及流场分布状况, 作为补充验证, 这里列出2003年2月嵌套区域内的流场验证结果(见图 7).其中各个站位位置如图 2所示.通过验证发现各个测站的流速、流向的模拟结果与实测值吻合较好.
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图 7 模型验证结果 Fig.7 The results of model validation work |
由于本文的数值实验是为研究分流口工程及入口段地形变化对落潮分流比的影响, 因此分别对2001年8月、2007年11月、2010年8月、2015年8月这几个时期大潮期间南北槽下断面模型计算落潮分流比进行了验证, 验证结果如表 1所示.由于不能确定前三个实测分流比的具体测量时间, 为了减小误差, 这三个分流比的计算都是取大潮期间的多个完整落潮过程, 计算每个落潮分流比, 然后求取平均值, 置信区间是这多个落潮分流比的标准偏差. 2015年8月的实测落潮分流比是本文作者所在课题组组织测量的, 因此模型分流比的计算与实际测量的时间一致.由结果可知模型计算与实测值很接近, 说明该模型可用于对落潮分流比的研究.
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表 1 南北槽下断面落潮分流比验证 Tab.1 Validation of the flow diversion ratio in North Passage and South Passage |
以1998年1月份的地形(深水航道开建之前)加上导堤丁坝工程来计算潜堤对局部水流及落潮分流比的影响.设计两个实验方案, 实验1为加潜堤工程, 实验2为不加潜堤工程.计算结果显示加潜堤时北槽落潮分流比为52.99%(下断面, 下同), 不加潜堤时北槽落潮分流比为52.35%, 加潜堤与否北槽落潮分流比基本没有变化.如图 8所示为落急时刻两种方案下潜堤附近区域底层水流流速分布, 可以看出潜堤阻挡部分水流进入南槽, 底层高含沙水流受潜堤阻挡进入北槽, 这就增加了北槽的泥沙落淤量.分流口工程有效地防止了江亚南沙的冲刷下移, 稳定了南北槽入口段河势, 但是目前的潜堤工程本身对于北槽落潮分流比的影响甚微.值得注意的是如图 3(b)所示, 堤潜工程局地地形冲淤变化明显, 发生北淤南冲, 这种变化对南北槽分流比会有一定影响.
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图 8 有无潜堤时局部流场图 Fig.8 Local flow field |
深水航道工程的修建使得北槽入口段地形发生了明显的变化, 潜堤北侧区域逐渐淤积、沙嘴向上游延伸且向北槽主槽方向偏转, 这些变化不利于北槽落潮分流比的增加.分流口潜堤附近2001年8月时的地形如图 9所示, 此时潜堤北侧区域已经有所淤积.在这种情况下改变潜堤的偏转方向会不会改善这种不利局面, 从而使得北槽分流比明显增加？以此为背景设计一系列实验来计算不同的潜堤偏转角度下北槽落潮分流比的变化.方案设计以2001年8月份的地形为基础：潜堤向北偏转5°、10°、20°, 潜堤向南偏5°、10°, 潜堤不偏转等6种工况.
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图 9 2001年8月潜堤区域水深等值线(平均海平面) Fig.9 Contours in the region of the submerged dike in August 2001 (average sea level) |
不同的实验方案下计算所得的北、南槽下断面的水通量过程如图 10所示.潜堤向北偏转角度较小时, 对水通量的影响很小.从图中可以看出, 随着潜堤方向向北偏转北槽下断面水通量下降, 对应的南槽水通量增加, 而潜堤向南偏转时反之.但是其变化幅度差别较大, 潜堤向南偏转10°时南北槽水通量的变化量已经大于潜堤北偏20°的变化量.这是由于潜堤北侧区域水深较浅(如图 9所示), 当向北偏转时, 对应的河道过流面积的变化量有限; 而向南偏转时, 由于潜堤南侧区域水深较深, 因此对应的水通量改变较大.且水流在进入分流口之前流向偏南, 因此潜堤向南偏转会使潜堤与来流方向夹角更大, 这样有利于阻挡水流进入南槽, 从而使得北槽水通量增加.
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图 10 不同工况下北槽(a)、南槽(b)下断面水通量过程 Fig.10 Flux process of North Passage (a) and South Passage (b) in downstream cross-section |
不同工况下北槽落潮分流比的计算结果如表 2所示, 其中上断面是图 2中的SN1, SS1;下断面是图 2中的SN2, SS2.分流比的计算采用公式(1).为了减小统计误差, 这里计算落潮分流比为大潮期间多个完整落潮周期内的分流比的平均值.由计算结果我们可以发现, 对于下断面而言, 潜堤向北偏转20°时北槽落潮分流比下降1.1个百分点, 当潜堤南偏10°时北槽落潮分流比增加2.3个百分点, 潜堤向南偏转对北槽落潮分流比的影响大于向北偏转.同时上断面落潮分流比受潜堤调整的影响较下断面大, 潜堤北偏20°时北槽上断面落潮分流比下降1.3个百分点, 南偏10°时增加了3.5个百分点.这主要是由于北槽上断面和下断面之间的横沙通道的影响, 横沙通道具有平衡北槽水通量的作用.
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表 2 以2001年8月地形为基准不同工况下对应的北槽落潮分流比(上下断面的位置如图 2所示) Tab.2 Bifurcation ratio of North Passage under different experimental schemes in August 2001 (Locations of the upstream cross-sections and downstream cross-sections as shown on Fig. 2) |
瑞丰沙河段地形在人为挖沙等因素影响之下经历了剧烈的变化, 这些变化对临近区域的流场以及南北槽的落潮分流比会产生怎样的影响值得关注.本文以2015年地形作为基础设计两个实验来分析瑞丰沙河段地形变化对北槽落潮分流比的影响.实验1:以2015年的地形为基础, 假定瑞丰沙中沙、下沙河段(图 11中a、c断面包括区域)没有受到人为挖沙等因素的影响, 该地仍用1998年时的地形; 实验2:以2015年的地形为基础, 瑞丰沙中沙、下沙区域也用2015年时的地形, 此时瑞丰沙中沙基本消失、下沙也已经萎缩.在这两个实验方案下计算北槽落潮分流比, 以此来计算瑞丰沙中沙、下沙河段的地形变化对南北槽落潮分流比的影响.
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图 11 实验所选各个断面位置 Fig.11 Location of sections selected by experiments |
计算结果如表 3所示, 瑞丰沙区域地形的显著变化对于北槽上断面的落潮分流比产生重要影响, 也即瑞丰沙中沙基本消失、下沙萎缩使得北槽入口处水深加深主流北偏(如图 12).这就使得从南港进入北槽的水通量增加(如图 13(a)所示), 结果是北槽上断面落潮分流比增加2.2个百分点.
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表 3 瑞丰沙河段地形变化对分流比的影响 Tab.3 The influence of topographic changes on Ruifeng Shoal |
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图 12 不同实验方案断面(如图 11断面b)流速分布图 Fig.12 Flow pattern of cross-section (section b as shown on Fig. 11) under different experimental schemes |
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图 13 两种实验方案下北槽上断面(a)和横沙通道断面(b)的水通量过程 Fig.13 The flux process of North Passage (a) and Hengsha Passage (b) under the two experimental schemes |
两种实验方案之下北槽下断面落潮分流比的变化较小, 仅为0.5个百分点左右.在北槽上断面与下断面之间有一个连接北槽与北港的汊道即横沙通道, 横沙通道对于北槽的水通量起到调节的作用.当北槽上断面水通量增加时, 由于水力坡度的变化, 横沙通道的水通量就会减小(如图 13(b)所示), 反之亦然.因此瑞丰沙挖沙以及对应的南港下段地形的演变有利于南港水流进入北槽从而增加北槽上断面落潮分流比, 但是对于北槽下断面的落潮分流比影响甚微.
5 结论本文利用长江口高分辨率、三维FVCOM数值模型, 讨论了在长江口南北槽分流口工程以及入口段地形变化等因素的影响之下北槽落潮分流比的变化.结果表明, 现有分流口潜堤对北槽落潮分流比的影响较小, 对潜堤方向进行偏转则会明显地改变北槽落潮分流比.当潜堤北偏20°时, 北槽下断面落潮分流比下降1.1个百分点, 而当潜堤向南偏10°时, 北槽下断面的落潮分流比增加2.3个百分点, 潜堤向南偏转对北槽落潮分流比的影响大于向北偏转.由于横沙通道的平衡作用, 偏转潜堤对北槽上段面落潮分流比的影响大于下断面, 当潜堤北偏20°时北槽上断面落潮分流比下降1.3个百分点, 而南偏10°时增加了3.5个百分点.
瑞丰沙河段地形的变化对北槽上断面落潮分流比的影响较为显著, 而对下断面的影响较小.瑞丰沙中沙基本消失、下沙萎缩使得北槽上断面落潮分流比增加2.2个百分点, 下断面增加了0.5个百分点.这是由于横沙通道的平衡作用, 当北槽上断面水通量增加时, 横沙通道的水通量对应的就会减小, 反之亦然.
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