泥沙研究年月第期

收稿日期基金项目中国博士后科学基金编号资助作者简介李孟国男天津市人研究员博士主要从事海岸河口水动力与泥沙的数值模拟研究

温州浅滩围涂促淤工程泥沙数值模拟研究李孟国交通部天津水运工程科学研究所天津

摘要建立了波浪潮流泥沙数学模型对瓯江口温州浅滩围涂促淤工程效果进行了数值模拟研究通过多个促淤方案的淤积效果模拟计算推荐了最佳促淤方案推荐的最佳促淤方案与定床浑水淤积物理模型试验推

荐的方案一致关键词促淤泥沙瓯江口温州浅滩数值模拟中图分类号文献标识码文章编号

前言温州浅滩是瓯江口外规模最大发育最完善的拦门沙滩位于灵昆岛与霓屿岛之间图温州浅滩围涂工程就是沿浅滩南北两侧建两条连接灵昆岛和霓屿的海上大堤北堤顺浅滩等深线南堤为灵昆岛小霓屿霓屿堤将浅滩人工围垦变为陆地图目前北堤建设已经接近完成南堤尚未建设

图瓯江口附近地形示意图温州浅滩围涂造陆面积达万亩南北堤建设完成后要使中间围涂区域成为陆地将需要大量的土石方量如果能结合南堤的建设使泥沙尽可能大量地在围涂区域内自然落淤将会节省大量的人力物力和财力因此有必要对泥沙促淤方案形式进行研究更好地借助自然之力完成部分围涂本文拟建立平面二维波浪潮流泥沙数学模型采用数值模拟研究手段对温州浅滩最佳促淤方案形式进行研究在河口海岸地区引起泥沙运动的主要动力因素是潮流和波浪波浪掀沙潮流输沙被公认为是泥沙运动机制目前考虑波浪潮流共同作用的泥沙数学模型被广泛采用在目前的考虑波浪潮流

共同作用的泥沙数学模型中通常的做法是通过波浪辐射应力波流底切应力波流挟沙力来考虑波浪

掀沙潮流输沙因此该类泥沙模型涉及四场的计算即波浪场潮流场悬沙场和底床冲淤场本

文建立了综合考虑多种因素的多向不规则波波浪场数学模型考虑波浪作用的二维潮流场数学模型二维悬沙场数学模型悬沙底沙造成的底床冲淤场数学模型波浪数学模型采用矩形网格潮流悬沙及冲淤数学模型采用三角形网格网格节点处的波浪要素采用插值法从波浪模型的矩形网格得到基于现场资料得出了波流挟沙力公式在充分验证的基础上对瓯江口海区温州浅滩围涂促淤方案进行了数值

模拟研究

数学模型的建立波浪场数学模型基于缓坡方程和线性波动叠加原理导出的多向不规则波联合折绕射基本方程为

式中表征频率间隔及方向间隔内组成波的能量分别为组成波的位相函数梯度波数波向波速及群速采用矩形网格有限差分方法对式进行数值求解关于差分方程及对底摩擦波能损失波浪破碎及岛屿影响的考虑参见文献波浪计算域的西边界至经度线东边界至经度线北边界到乐清湾顶南边界至纬度线东西距离南北距离用正方形网格剖分计算域网格间距网格数个以南麂岛波要素作为模型推算的验证条件考虑波浪作用的潮流场数学模型基本方程连续方程

动量方程其中为直角坐标系坐标分别为方向的流速分量为重力加速度为海水密度分别为方向的水平涡动粘性系数为时间为柯氏参数为相对平面的水面起伏为静水深为辐射应力张量的四个分量分别为波流底摩擦应力在方向的分量当不考虑波浪作用时方程即为二维潮流运动的控制方程数值方法采用基于三角形网格的时间二次插值技术离散方程和即可得到显式差分方程计算域的确定网格剖分开边界条件的确定及验证模型西边界至梅岙东边界至经度线北边界至乐清湾顶南边界至飞云江河口以北计算域图的东西距离为南北距离采用三角形网格剖分计算域图网格节点数

个三角形单元个网格最大步长最小对模型进行了实测的大中小三个潮过程的验证每个潮的潮位验证点有个三个潮的潮流验证点共有个图关于潮流验证情况参见文献模型的开边界采用实测潮位控制梅岙和楠溪江边界分别采用号和号测站的实测潮位资料外海边界分别采用飞云江口洞头岛玉环岛的实测潮位资料进行近似内插并通过不断调试确定计算时间步长为

图潮流泥沙计算域及水文测站位置图计算网格图悬沙场数学模型基本方程

式中为水体含沙浓度分别为方向的泥沙扩散系数为泥沙沉降速度为泥沙沉降几率为水体的挟沙力一般采用经验公式法或半理论方法或现场实测资料确定根据瓯江口现场实测资料得出的瓯江口海区波流挟沙力公式为

式中为系数当不考虑波浪作用时当考虑波浪作用时为波浪水质点在床面的最大轨迹速度数值方法与验证对于式用基于不规则三角形网格的有限差分方法进行显式离散对流项使用迎风格式离散悬沙场计算范围与网格同于潮流数学模型与潮流数学模型采用非耦合求解进行了实测的大中小三个潮过程的含沙量过程过程验证三个潮的含沙量验证点共有个图图和图分别给出了其中个测站大潮和小潮含沙量验证情况

图大潮含沙量验证曲线图小潮含沙量验证曲线底床冲淤场数学模型悬沙造成的底床冲淤场基本方程

式中为海底床面悬沙引起的冲淤厚度为悬沙干容重本海区悬沙中值粒径为?底沙造成的底床冲淤场基本方程

图断面冲淤验证式中为海底床面底沙引起的冲淤厚度为床面底沙干容重和分别为单位时间内单宽底沙输移量沿和方向的分量采用窦国仁公式用基于不规则三角形网格差分方法显式离散式和式同时考虑悬沙和底沙的底床冲淤变化为底床冲淤场计算范围与网格同于潮流数学模型在考虑波浪作用的潮流场数学模型计算完成后进行悬沙对流扩散计算底床冲淤变化计算考虑了洪枯季大中小潮及各向向岸波波浪的组合使用年月和年月两次的地形测图进行底床冲淤验证图给出了龙湾断面和瓯江北口七里断面的验证情况

温州浅滩围涂促淤工程方案研究促淤基本原理促淤的基本原理简单说就是浑水进清水出对一个想实施促淤的海区配合一定的人为工程措施尽量达到下面三个目标从而实现促淤目的使高含沙水体能够进入使挟沙水流流速减缓或使挟沙水流形成环流使水体挟沙力降低泥沙落淤阻止波浪的扰动和掀沙一般情况下天然水深在平均海平面以下的海区促淤效果明显天然水深在平均海平面以上的海区促淤会非常缓慢的促淤区的特点及其促淤方案设计促淤区的特点

图北堤建成后温州浅滩冲淤分布单位本促淤海区为灵昆岛与霓屿岛之间的温州浅滩据分析灵昆岛海思的多年平均海平面在理论基面上

霓屿的多年平均海平面在理论基面上从水深测图上可以看出温州浅滩的上部靠近灵昆岛水深已经在多年平均海平面以上了因此温州浅滩的促淤主要是中下部靠近霓屿岛即温州浅滩促淤效果明显和需要促淤的部分主要是其中下部北堤建成后无南堤情况下泥沙淤积情况北堤建成后在南堤先不建的情况下浅滩淤积基本达到平衡情况下的冲淤分布见图从图可以看出淤积基本成平顺浅滩走向北侧高南侧低东南角淤积最多北半部浅滩淤积角上淤厚大于浅滩西南部由于受到南向及偏南向波浪影响冲刷以上整个围涂区南北堤之间水域平均淤积厚度仅因此进行南堤建设促使浅滩淤积是非常必要的促淤方案的设计如前所述北堤建成后必须进行围涂区的促淤根据促淤原理设计了种形式的促淤方案图对于潜堤方案潜堤堤顶高程有种即吴淞其中吴淞相当于平均海平面对于口袋方案单口袋和三口袋取和二种口门宽度双口袋取和三种口门宽度

各种促淤方案的促淤效果计算及其优劣比较对上述的种促淤方案形式的个方案进行了泥沙促淤模拟计算图为历时三年基本达到平衡的冲淤分布表为各方案冲淤厚度统计从计算结果可以看出

潜堤方案堤顶高程吴淞有明显的促淤效果无论是最大淤积厚度平均厚度还是南堤外侧图各种促淤方案形式滩地的冲刷均优于其它方案表各方案促淤厚度统计单位

方案最大淤积厚度最小淤积厚度平均淤积厚度平均淤积厚度物模试验小霓屿霓屿建堤方案南堤潜堤方案堤顶高程吴淞南堤潜堤方案堤顶高程吴淞南堤潜堤方案堤顶高程吴淞单口袋方案小霓屿霓屿留口单口袋方案南堤留口口门宽单口袋方案南堤留口口门宽双口袋方案口门宽双口袋方案口门宽双口袋方案口门宽三口袋方案口门宽三口袋方案口门宽图各方案泥沙冲淤分布单位小霓屿霓屿建堤方案促淤有一定效果但该方案受南向及偏南向波浪影响促淤只局限于小霓屿霓屿堤的堤根附近不利于浅滩大面积促淤对于口袋方案单口袋方案小霓屿霓屿留口促淤效果不理想且在霓屿小霓屿口门最需要促淤的地方发生冲刷所以该方案可不予采用单口袋方案南堤开口双口袋方案和三口袋方案在围涂区内的最大淤积厚度和平均淤积厚度基本相同促淤效果也比较明显都是促淤可行的方案但是单口袋方案南堤开口和双口袋方案均造成了口袋的口门及南堤外侧底床较大面积的冲刷最大冲刷坑深度达以上对海床影响较大相对而言三口袋方案造成的口袋的口门及南堤外侧底床的冲刷范围和强度较小口袋方案的口门宽度对促淤无明显作用考虑最终南堤是需要合成一体的还是采用口门宽度为好综上分析南堤建设的各种促淤方案均有一定的较好的促淤效果相对而言潜堤方案堤顶高程吴淞促淤效果明显为最佳方案三口袋方案次之在南京水利科学研究院物理模型试验中首先使用清水定床试验对图中的各个方案进行了筛选然后对选中的方案进行了定床浑水淤积物理模型试验试验结果见表物理模型得出的最佳促淤方案及其平均淤积厚度与本文的数学模型结论一致

结语本文建立了考虑波浪掀沙潮流输沙的泥沙数学模型通过数值模拟研究手段在充分验证的基础上对温州浅滩围涂促淤工程方案形式进行了数值模拟研究研究结果表明采用南堤促淤工程方案是必要的南堤采用潜堤方案潜堤堤顶高程为吴淞为最佳促淤方案其次为三口袋方案口门宽度本研究结论与定床浑水淤积物理模型试验结论一致

参考文献曹祖德王桂芬波浪掀沙潮流输沙的数值模拟海洋学报辛文杰潮流波浪综合作用下河口二维悬沙数学模型海洋工程马福喜李文新河口水流波浪潮流泥沙河床变形二维数学模型水利学报丁平兴胡克林孔亚珍等长江河口波流共同作用下的全沙数值模拟海洋学报李孟国蒋厚武温州浅滩工程南堤布置方案及促淤工程方案波浪潮流盐度泥沙数值模拟研究交通部天津水运工程科学研究所李孟国刘百桥瓯江口海区波浪数学模型研究水道港口李孟国王正林瓯江口潮流数值模拟长江科学院院报李孟国三角形网格在水动力水环境数学模型中的应用水利水运工程学报窦国仁河道二维全沙数学模型的研究水利水运科学研究徐群李浩麟王俊等温州浅滩围涂工程定床浑水淤积试验研究南京水利科学研究院