甬江及口外海域潮流泥沙数值模拟蒯宇;陶建峰;张青;张长宽【摘要】建立了甬江河道及口外海域平面二维潮流泥沙数学模型,对2015年6月半个月的潮流场和悬沙场进行模拟,模拟结果与实测资料吻合良好.计算得到了研究区域洪季的余流场和输沙格局,结果表明:甬江口外余流整体由西北指向东南,河道余流指向下游;除口门局部水域,甬江口外输沙格局基本与余流场一致,悬沙经涨潮流的作用被带入甬江河道,致使河道内近口门处的输沙格局由口门向内;甬江口局部区域输沙格局与余流场存在差异的原因是悬沙输移与潮流运动存在时间上的滞后.%This paper presents a 2D tidal current and suspended sediment model which takes the Yongjiang River and the out sea area as the key research area.The model is adopted to carry out numerical simulation of tidal current and suspended sediment movement of half a month in the concerned area in June 2015.A good agreement is found between the observation data and computed results.Analysis on the computed residual current and sediment transport pattern in the flood season shows that the residual current generally causes transport from northwest to southeast in the out sea area,and seaward transport in the river.The sediment transport pattern is almost in accordance with the residual current pattern except local regions at the estuary.The sediment is transported into the Yongjiang River by the flood current and the net sediment transport direction near the estuary is towards the upstream.The local difference between the residual current and sediment transport patterns at the Yongjiang Estuaryis because of the time lag between the tidal current and suspended sediment movement.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2017(000)007【总页数】10页(P58-67)【关键词】甬江口;余流;悬沙输移;输沙格局【作者】蒯宇;陶建峰;张青;张长宽【作者单位】河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】P748;U658.92甬江位于浙江省东部沿海、杭州湾之南，其岸线曲折、河宽较窄、水深较浅。
河道宽度210～400 m；在河道弯曲的凹岸一般有深槽，水深达5～10 m，口门段的水深也达5～10 m，其余的水深在5 m以内。
甬江口外为金塘水道，水道内岛屿较少、水域开阔。
金塘水道西北部与杭州湾相接，东部与册子水道、螺头水道、穿山水道相连[1]。
根据熊绍隆等[2]对潮汐河口的分类标准，甬江河口属于典型的弯曲过渡型河口。
该类河口具有径流势力较强、潮波以驻波为主兼有前进波的特点，潮流含沙量较大、河口平面形态呈弯曲型。
不少学者对甬江口进行了研究，研究认为：甬江及口外金塘水道为非正规半日潮；由于口外海域水道交错加上独特的地形影响使该区域潮波变形及潮位特性与杭州湾及浙江省其他海区有较大区别，其潮波既非单纯的前进波也非单纯的驻波，兼有两者的特征[3-4]；甬江河道上游来沙较少，泥沙来源主要是海域来沙，悬沙和底质组成均以黏土质粉砂为主[5-7]。
上述研究多基于多点或多个断面的实测资料进行，对甬江及其口外的水沙特性有了一定的认识。
随着社会经济的发展，甬江及口外海域的人类活动日趋频繁，需要对该区域的水沙特性和时空分布有更为清晰的认识。
潮流泥沙数学模型可以更加具体地描述研究区域的水沙运动过程，给出相应的时空分布规律，在定量和预测水沙动力过程的研究和应用中已起着不可替代的作用。
本文利用2015年实测地形水文泥沙资料建立二维潮流泥沙数学模型(图1)，对甬江河道及口外海域的潮流和泥沙输移进行模拟，并分析了甬江口的输水输沙格局，成果可为该类河口的输水输沙格局以及河口河床演变研究提供借鉴和参考。
甬江及口外海域位置见图2。
在平面尺度较大海域的水流计算中，描述水流基本运动的Navie-Stokes方程可简化为沿水深平均的平面二维浅水方程。
由于甬江河道及其口外附近水域的底沙粒径较细，其中值粒径与悬浮颗粒的中值粒径接近，可认为该区域泥沙运动主要以悬沙为主。
连续性方程：动量守恒方程：为了精细地模拟甬江河道及口外海域的流场和悬沙场，并节省计算机时和存储量，建模时采用了大、小网格嵌套技术(图1)。
大模型上游边界取至奉化江的澄浪堰和姚江的姚江大闸，外海边界东至123°E，南起象山港以南的韭山列岛，北至杭州湾北岸。
小模型计算范围上游边界取至澄浪堰，外海边界南起金塘水道与螺头水道水道交界处，北至灰鳖洋以北。
大模型外海网格较疏，步长为300～500 m，河道区网格较密，沿河长方向网格步长约100 m，沿河宽方向网格步长约30 m。
小模型网格河口外网格步长为100 m，河道内网格步长约10 m。
大模型计算时初始潮位取初始时刻各边界点潮位的平均值，初始流速取为0；由于悬沙输移相对潮流动力趋于稳定的时间更长，含沙量给定一初值。
大模型外海边界潮位给定全球潮波模型TPXO[8]中13个分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MF、MM、M4、MS4、MN4)的调和常数，并由下式计算对应时刻的潮位值模型曼宁糙率系数为0.018～0.020。
泥沙沉速取絮团颗粒极限粒径(0.037 mm)的沉速，即ωs=0.5 mms。
模型中沉积和再悬浮泥沙通量采用Partheniades-Krone[9]公式计算，其中临界淤积切应力τd取值为1 000 Nm2 [10]，临界冲刷切应力τe根据现场和室内试验研究取值为0.5～0.6 Nm2，根据床面泥沙密度泥沙冲刷系数M取值为0.000 1～0.000 4 kg(m2·s)。
模型计算了2015-06-16—06-30(包含完整大、中、小潮)的潮流悬沙场，并且以测站的实测资料，分别对大、小潮期间的潮位、潮流和含沙量的计算结果进行了验证(图4～6)。
图7给出了甬江河道及口外海域大潮时期的涨落急流场和悬沙场。
涨潮时，部分涨潮流经金塘水道涌入甬江河道；落潮时，口外海域水流率先转向，随着外海潮位的回落，甬江河道涨潮水与上游径流一起下泄汇入口外海域。
镇海口站涨潮最大流速出现在其高潮前约2 h，落潮最大流速出现在其低潮前约2 h，流速的峰值既不与潮位的峰值同时出现，也不与中潮位完全同时出现，表明该区域潮波兼有前进波和驻波的特性，与前人研究成果一致。
甬江河道为往复流。
整个甬江河道与口外海域小潮的涨、落潮流场与大潮接近，但量值稍小，整体流态与实测资料一致。
涨潮时东南向含沙量相对较低的水体沿金塘水道向北运动，最低含沙量不足0.5 kgm3；落潮时高含沙量水体经灰鳖洋和金塘岛西部海域向南运动，最高含沙量超过5.0kgm3；由此可见，甬江口外北侧都是高含沙量区域，东南侧为低含沙量区域。
这与实测的悬沙分布趋势相似，进一步表明了计算结果的合理性和可靠性。
甬江口潮动力较强，潮流是泥沙运动的载体，因此潮致余流在一定程度上可指示水沙的净运移方向。
根据Stokes公式可得潮平均拉格朗日余流流速，即某一固定的水质点经历n个潮周期的净位移的时间平均[11]，由欧拉余流流速和Stokes漂流流速叠加得到：余流的计算没有考虑悬沙运动相对于潮流运动存在的滞后性，局部区域的输沙方向可能由于这种滞后性的存在而与余流的方向相反。
因此余流的计算结果仅可作为悬沙净输移的指示或校验，还需要计算该区域的输沙格局。
单宽水体输沙率为：由于甬江镇海口站位于甬江口外侧，能较好反映该海域潮位特性，故取该站2015年全年潮位资料进行潮差累积频率统计。
统计得到模型采用的6月下半月的大、中、小潮的潮差累计频率分别为10%、50%和75%，可认为是3种典型潮型的组合。
由于洪季期间上游径流作用较为明显，因此本文仅选择洪季的资料进行余流和输沙的计算，计算结果仅代表洪季特征。
图8给出了大小潮期间的潮平均欧拉余流场和拉格朗日余流场。
由图8可见，除了口门处较小的差别，该区域潮致拉格朗日余流与欧拉余流趋势和数值均基本相同。
大潮期间，由于口外海域的落潮潮流动力大于涨潮潮流动力，甬江口外海域的余流整体自北向南。
从北部来的一部分潮流在河口处受河道下泄的径流的影响会在甬江口门北侧转向，向西南方向运动；另一部分经过口门到达大黄蟒山处时也会掉头形成一股顺时针环流。
在金塘岛西南侧有局部的涨潮优势区，与文献[14]中描述一致，其与西侧的落潮优势区之间有一股较弱的逆时针环流。
就余流大小来看，口门北部水域中部余流较大，最大可以超过0.4 ms，浅滩处余流较小，不足0.1 ms；口门南部水域西岸余流较大，最大可以超过0.3 ms；大黄蟒山东侧的余流较小、西侧余流较大。
对于甬江河道，受上游径流下泄影响，其余流指向口外，河道里余流整体较大，口门处余流可达0.35 ms。
小潮期间余流的流向及分布与大潮基本一致，但由于小潮期间潮动力较弱，其余流数值明显小于大潮期间的余流，平均相差约0.1 ms。