[doc] 河口河床长历时演变模拟方法探讨——以浙江省飞云江河口为例

河口河床长历时演变模拟方法探讨以浙江省飞云江河口为例2006年6月泥沙研究JOURNALOFSEDIMENTRESEARCH第3期河口河床长历时演变模拟方法探讨以浙江省飞云江河13为例史英标,李志永,宋立松浙江省水利河口研究院,浙江杭州310020摘要基于河口平衡断面河相关系的基本概念建立了潮汐河口地区长历时河床演变模型,根据浙江省飞云江河口的实测水文,泥沙,地形资料对模型的有关参数进行了验证,结果表明无论是水力要素还是河床冲淤变化,计算与实测基本吻合在验证的基础上,研究了上游建库引水,河道整治等水利工程对飞云江河口河床冲淤的影响从模型计算结果可以清楚地看到河床对水利工程的响应主要产生两级响应,一级响应发生在水利工程建成初期,河床变形的时间尺度短,二级响应则在一级响应的基础上在长时间及长河段内进行河床再调整,河床变形的时间尺度长,系水利工程及局部河床调整对整个河口系统的影响关键词河相关系河口长历时河床演变水利工程中图分类号TV1472文献标识码A文章编号0468155X200603004007L前言随着经济社会的发展,人类活动对河口系统的影响日益增加,也日益受到人们的重视如在河口上游河道上修建水库,水电站等水利枢纽以及裁弯取直等水利工程,都将破坏天然河口的水沙条件与河床形态的相对平衡,使河床发生冲刷或淤积,将对河口地区河床演变乃至生态系统产生深远的影响目前研究这类问题的常用研究手段有三种,即平衡断面河相关系法,动床数学模型和动床河工模型试验等三种研究手段各有侧重点和优缺点,可根据实际情况选择一种或多种研究手段相互印证,扬长避短平衡断面河相关系法主要利用大量的实测水沙资料和长系列地形资料,建立河口断面形态和水沙要素的经验关系,根据变化了的水沙条件和河床周界条件预测水利工程对河床冲淤变化的影响,这种方法只能预测因工程引起的最终结果,不能预测工程对河床响应的动态过程,但是它与控制论等边缘学科的有机结合也可以反映河床变化的动态过程而动床数学模型包括两类,其一是基于挟沙水流运动和河床变形控制方程为基础的动力模型,数值求解水流场和泥沙场,根据水流和泥沙场的变化求解河床长期变化过程,既可以求解天然条件下河床变化,也可以求解水利工程引起的河床变形二是基于挟沙水流运动和经验河相关系为基础的经验动力模型,是水沙运动数值模拟与河床演变分析方法的有机结合,它可以快速预测因水利工程建设引起的河床长期的冲淤变化时间尺度在10年以上,20世纪90年代初荷兰台尔夫特水力研究所的ZBWANG,BKARRSEN及RJFOKKINK等建立了河口长历时经验动力模型ESTM0RF,ESTMORF考虑了在潮流,海平面升降等因子,基于动态平衡的条件研究人类活动条件下河口河床长历时时间尺度为1050年动态冲淤演变过程,模型采用SOBEK模型与河床断面形态的经验河相关系的耦合反馈机制,动态地预报河口河床的冲淤过程,已成功地应用于荷兰的瓦登海WADDENSER滩地,西谢尔德河口RRHEWESTERNSCHE|DT和英国南安普敦水道SOUTHAMPTONWATERWAY,均取得较好的效果,且与实测资料也比较吻合一动床河工模型试验是基于相似理论为基础,它可以反收稿日期20050329作者简介史英标1967一,男,浙江省嵊州人,高级工程师,主要从事河口水沙数值模拟研究映水沙运动的三维特征,但长河段长时段河床冲淤变化的试验需耗费大量的人力和物力,而且受到比尺效应限制本文基于河相关系及水沙运动的基本理论建立了浙江省飞云江河口的长历时河床演变模型,研究了飞云江河口上游建库引水,裁弯取直等水利工程对飞云江河口河床长期冲淤的影响,研究得到的结果有助于分析河口系统对大型水利工程的响应过程,同时也对河口的管理具有现实的指导意义2经验动力模型简介基于经验动力关系的长历时河口河床演变模型是以河口水沙运动的物理过程和河床演变的平衡断面河相关系为基础,利用一维非L恒定水动力模型求得河口上游造床流量及下游代表潮型的边界条件匹固下沿程各断面非恒定水流要素,将求得的水流要素定义河道平衡断I面,建立断面中潮位MSLF的ILII,与潮量,中高滩地的高差与断面L1一D水动力条件潮差的经验关系式的系数根据水沙运动和河床变形的耦合求得长二I二F历时长河段河床动态冲淤过程,即根据实际含沙量与潮流挟沙能力L望墨FF的差算河冲淤量,当流含小于挟沙能力时,河床发生冲高F刷,反之,河床就发生淤积模型计算流程见图1LT_F21模型的基本方程厂模型的基本方程主要包括水流运动方程,泥沙输移方程和河床T一L变形方程模型的一个假设是余流输沙,即基于潮周期积分的泥沙I河床冲淤变化F_J对流扩散方程求解泥沙场图L模型计算流程1水流运动方程FIG1F1OWCHAN0FTLLEMODEIG12甏G一0C22悬沙输移方程本模型悬沙输移主要通过主槽输移,滩地泥沙只参与横向输移而与主槽发生交换主槽内的悬沙输移可用对流扩散方程来描述,而高滩与低滩的泥沙变化可用反应型方程来描述,含沙量只随时间而变等C3CC,一,OAACACKCH一4式中D为纵向泥沙扩散系数,为主槽与低滩泥沙交换率,”为余流速度,C为主槽含沙量,C为主槽平衡含沙量,C为高滩含沙量,C,为低滩含沙量,C为高滩局部平衡含沙量,C为低滩局部平衡含沙量,F为高滩与低滩的泥沙交换率,高滩与低滩和低滩与主槽的泥沙交换率可用下式来描述D,FAHA5式中D为高滩泥沙横向扩散系数,D,为低滩泥沙横向扩散系数,AHL为低滩的高度,为高滩的高度,低滩至主槽的横向距离,低滩至高滩的横向距离上述各式中的断面主槽,滩地的平衡含沙量可根据断面平衡含沙量按经验关系分配得到,其中断面平衡含沙量C可根据实测资料分析得到CC生ACL1CCCCC6其中,A为主槽断面积为高滩高度H,为低滩高度,H为平均低潮位以上的高滩平衡高度为平均低潮位以上的低滩平衡高度N,N,N为经验系数,在河口地区一般取2从上式可知,当河口系统处于平衡态时,每个计算单元的平衡含沙量等于系统平衡含沙量3河床变形当河流系统不处于平衡状态时,河床将发生冲淤变化,河床断面各部分的变形方程如下C一CCE,C一C1,OTSCBCH口|7式中为床面垂向交换速度,T为河床变形时间,A为泥沙源汇项,A为中潮位下主槽面积,A为低滩断面积,A为高滩断面积,为主槽宽度,为高滩宽度,为低滩宽度22断面形态概化模型采用一维水流模型以模拟水流运动,因此模型计算范围被划分成若干计算单元,每个计算单元的断面形态分成三个部分,见图2即主槽多年平均低潮位下,低滩平均低潮位和平均中潮位之间和高滩平均中潮位和平均高潮位之间23平衡断面河相关系本文模型中的三个变量分别为主槽断面积,低滩高度和高滩高度,对于每一个变量都可以通过实测资料及数值模拟分析得到一般来说,主槽的断面积主要由断面的涨落潮量所决定,而低滩和高滩的高度则主要由每个断面的涨落潮潮差所决定即有AP,日,A,HF3日,A8式中A为中潮位下主槽面积,为潮量H为潮差A为断面积对于潮汐河口地区,中潮位下的断面面积,河宽及水深与包括径流在内的落潮流量及含沙量有关,根据河口河相关系与潮量的关系如下AA反映断面形态的经验关系可取为图2模型计算断面概化示意图FIG2SCHEMATICCROSSSECTIONINTHEMODEL,对潮周期积分可得中潮位下水文站集雨面积为1930KM,占全流域面积3252KM的593该站实测多年平均流量为75M/S,多年平均径流总量为235亿M径流分配年内极不均匀,汛期49月的流量占全年的76左右,实测非汛期最小流量不到2M/S312潮汐飞云江河口是浙江省强潮河口之一,潮汐为不规则半日潮位于飞云江口内的瑞安潮位站实测最低潮位一095M,最高潮位688M,多年平均高潮位437M,平均低潮位004M,平均潮差437M,最大潮差651M由于受径流,地形的影响,潮波产生变形,涨潮历时减小此外,在潮水位和潮流速之间存在一定相位差,具有明显的驻波性质313泥沙飞云江流域上游来沙较小,据统计凿口站多年平均含沙量仅017KG/M3,年平均输沙量406万T输沙量年内分配不均匀,主要集中在暴雨期,一般年份69月的输沙量占全年60左右42海域来沙丰富,宝香以下河段涨,落潮含沙量平均为24KG/M,并在下埠一带为相对的高含沙量区,最大可达56KG/M,口门上望每潮的输沙量达3060万T,相当于上游一年的流域来沙314河床演变据长时期实测地形资料分析飞云江年际间全河段的最大淤积量为727106M,占中潮位下河床容积的465,冲刷量为51006M,占342,冲淤的绝对量,相对量都不算很大飞云江河床冲淤受上游径流变化较为敏感,上游段洪冲潮淤,下游段则潮冲洪淤年内总的冲淤厚度都不大,在005030M以内总的来看,飞云江河口基本稳定32模型的建立321水流验证图3飞云江河口形势图FIG3PLANVIEWOFFEIYUNRIVERANDITSESTUARY首先建立了飞云江河口一维非恒定水流数学模型,模型的上边界在赵山渡水库坝下,下边界在口门上望,全长69KM,共划分110个计算断面,断面间距最小为20OM利用2001年的实测水文资料进行了验证见图4验证计算结果表明高,低潮位的计算误差大部分在015M之内,大,中,小潮涨落潮平均流速和最大流速的相对误差大部分在10以内,模型流场计算精度较高322长时段河床冲淤验证在用经验动力模型研究飞云江河口河床长历时演变过程前,需建立飞云江河口各断面的经验河相关系,即中潮位下的主槽面积与潮量,低滩及高滩高度与潮差的经验关系假定目前飞云江河口2001年处于平衡状态,利用前面建立的一维水流数学模型可以求得飞云江河口河相关系中的有关系数由于该系数与上游径流的变化有关,因此上边界分别取5M/S,45M/S,75M/S,150M/S,300M/S等五级流量,下边界条件选取主要考虑潮流的造床作用,取平均偏大的代表潮潮差保证率约75进行数值试验,上游流量边界的选取应涵盖丰,平,枯水文年的流量,结果见图5从图5可以看出,飞云江河口仙降64号断面以下河段比例系数A接近常数,表明仙降以下河段处于平衡状态,上游径流对它的影响较小而仙降以上河段的比例系数变幅大,表明径流对它的影响大计算结果还表明断面形态的两个比例系数A,A则基本为一常数,分别约为078,025,径流对它的影响较小本文计算中各断面河相关系中的系数取年平均流量75RN3/S的计算值64毯2露0200012000001200000时间/H瑞安642彝0200012000001200000时间/H鸯22瑞安断面实测18O6时间,LI2下埠断面6时间I2图4实测水位和流速与计算值比较FIG4COMPARISONBETWEENCALCULATEDANDMEASUREDWATERLEVELANDFLOWVELOCITY43利用上面建立的经验动力模型计算了飞云江河口1993年L0月至2001年3月间的河床冲淤量,上游采用概化了的流量边界,罨将一年的径流概化为汛期4一L0月和非汛期113月两个时段,下边界取平均偏大的代表潮,口门含沙量由实测资料按季节不同分别取值,冬季含沙量较大,取00014,夏季取00010体积含沙量平衡含沙量取00012在上述计算条件下,各河段的计算冲淤量与实测值比较见表1从O1O2030405O6O7O8OGO100110断面号图5各计算断面积与潮量的比例系数FIG5RATIOBETWEENCROSSSECTIONALAREAANDHALFTIDALVOLUME表可知,河段容积计算与实测基本吻合,河段冲淤量计算值与实测值比较定性吻合,定量也基本一致,表明模型选用的计算参数基本合理表1河段冲淤量验证106MLTABLE1VERIFTCATIONOFSEDIMENTATIONINTHREERIVERREACHES1M时段末容积冲淤量实测计算实测计算L166L286一18L1038OL0O0297L593L374914069700LO2O2529O253601482L55433模型应用331上游建库引水对河口冲淤的影响飞云江河口上游的大型水利工程珊溪水库已经建成并开始蓄水,多年调节水库的建成改变了飞云江河口径流的时空分布,致使丰水期径流减小,枯水期径流增大珊溪水库的配套工程赵山渡引水工程已经竣工并开始投入运行但飞云江河口涨落潮不对称,在潮汛季涨潮输沙量大于落潮输沙量,而在径流洪汛季,则反之,长期之内冲淤相抵,河段冲淤保持平衡因此上游建库引水改变了飞云江河口径流的时空分布,将对飞云江河口产生深远的影响利用建立的飞云江河口长历时演变模型研究了建库引水对下游河口冲淤的影响,基于这个目的,分别进行了上边界平均流量为Q150,100,75,45,15M/S等茔羽县C一I/0O漉图6流量与冲淤量的关系FIG6RELATIONBETWEENFLOWDISCHARGEANDSEDIMENTATION5级流量下飞云江河口30年的河床冲淤变化,建立了平均流量Q与河床冲淤量G的关系,见图6其关系式可用下式表示GALOG11其中,Q为不冲不淤的临界流量,从图6可知,Q接近于多年平均流量75M3/S根据上述关系可以预测上游建库引水致径流减小引起的河EL河床冲淤变化幅度上游水库引水规模平均引20LLL3/S,是44看211OO加加加加加胁CUJIU,璐是多年平均流量的30根据11式计算得30年后飞云江河口的淤积量可达L600万LII3,平均淤积厚度为03M05M,深槽附近淤积厚度可达12M左右,将影响飞云江河口下游瑞安港的航运,排涝由此说明海域来沙丰富的潮汐河口是靠径流维持生存的332在河道整治中的应用为提高飞云江河口防洪能力,利用该模型研究了飞云江中游段河道整治工程两方案的优劣方案L为仙降至宝香河段防洪堤堤线局部调整,以理顺该河段堤线,同时可增加土地面积287亩方案2为沿仙降至宝香的弯曲河段进行裁弯取直,提高飞云江河口的防洪能力,工程方案的位置见图3方案的选择主要取决于工程方案实施后对下游河口段河床淤积的影响大小利用前面建立的数学模型可以比较两个方案的优劣,两方案实施1年,L0年后飞云江河EL沿程的冲淤变化见图7从图表可见堤线局部调整方案实施后,工程位置由于过水断面减少,致水流流速增大,河床发生冲刷,而工程河段的上游水位壅高流速减小发生壅水淤积下游河段由于其上游纳潮面积减小致潮量减少而发生淤积,工程上游河段的淤积量小于下游段裁弯取直方案实施后,工程段下游将发生淤积,而上游段由于低潮位下降及河段长度缩短致水面比降增大,流速增加,河床发生冲刷模型的计算结果显示潮汐河口与无潮河流的情况相比有较大的差异对无潮河流而言,裁弯取直工程实施后河床的初始响应是工程上游河段发生溯源冲刷,而下游河段发生淤积,由于下游河段的河相关系不变,故下游河段淤积是暂时的,是可以恢复的但对本研究河口而言,上游段河床的冲刷量较少,而下游河段发生较大的淤积潮汐河口的NALONGTHEESTUARY仙降断面方案1一堤线调整口日口目目L_一【一IF一一4019021045051OOS2087091110412时问,年图8各方案实施后断面积的变化过程FIG8CHANGEOFCROSS一SECTIONALAREAS4结论基于经验河相关系建立了河I1地区河床长历时演变的数学模型,研究了飞云江上游建库引水,河道45整治等水利工程对河口段冲淤影响,得到如下成果1飞云江河13河床冲淤变化受径流影响较大,径流增大引起河床冲刷,径流减少致使河道淤积,上游赵山渡水库引水20M/S,下游河口淤积约1600万M,平均淤积厚度可达0305M2飞云江中游河段实施河道整治后,因潮量减少引起工程河段下游河床淤积,局部堤线调整方案实施后上游发生壅水淤积,而裁弯取直后发生溯源冲刷,但冲刷量小文中还揭示了在河口地区河床对裁弯取直的响应不同于无潮河流,即工程下游河床由于潮量减少发生不可逆的淤积3河口河床对大型水利工程的响应主要产生两级反应,一级响应主要是在人类活动的初期,河床变形的时间尺度较短,二级响应则在一级响应的基础上在长时间长河段内进行河床再调整,河床变形的时间尺度长计算结果显示与工程河段局部变化相关联的最小时间尺度约1年,较长的时间尺度不但与工程河段下游河床淤积有关,而且还与工程河段河床自动调整作用有关致谢本文主要工作是第一作者访问荷兰台尔夫特理工大学期间,在DRWANGZB和PROFHJDEVFIEND指导下完成的,在此深表感谢参考文献1宋立松钱塘江河EL围垦回淤过程预测探讨J泥沙研究,1999,3L6202SHIYINGBIAO1DUNSTEADYMOBILEBEDMODELOFTHEQIANTANGESTUARYC,PROCEEDINGOFTHE7THINTERNATIONALSYMPOSIUMONRIVERSEDIMENTATIONHONGKONG,1998123WANG,ZB,KARSSEN,B,FOKKINK,RJANDALANGERAKADYNAMIC/EMPIRICALMODELFORLONGTERMMORPHOLOGICALDEVELOPMENTOFESTUARIESC,INDRONKERS,JANDSCHEFFERS,MBAMED,PHYSICSOFESTUARIESANDCOASTALSEAS,BALKEMA,ROTTERDAM,19984WANG,ZB,LANGERAK,AANDRJFOKKINKSIMULATIONOFLONGTERMMORPHOLOGICALDEVELOPMENTINTHEWESTERNSCHELDTJ,IAHRSYMPOSIUMONRIVER,COASTALANDESTUARINEMORPHODYNAMICS,GENOVA,19995韩曾萃,等钱塘江下游建闸后闸下河道平衡断面估计R浙江省水科所,19706AGCHANTLERTHEAPPICABILITYOFREGIMETHEORYTOTIDALWATERCOURSE,JOURNALOFHYDRAULICRESEARCH1974127韩曾萃,史英标,等珊溪枢纽引水前,后下游河道冲淤观测分析及预测R浙江省水利河口研究院,200288SHIYBLONGTERMMORPHOLOGICALMODELINGFORFEIYUNESTUARYWITHESTMORFR,2003INTERMEDIATEREPORTOFDELFTCLUSTERPROJECT030106DELFTUNIVERSITYOFTECHNOLOGY,FACULTYOFCIVILENGINEERINGANDGEOSCIENCEMODELINGOFLONGTERMFLUVIALPROCESSESINTHEESTUARINEZONETAKINGFEIYUNESTUARYINZHEJIANGPROVINCEASANEXAMPLESHIYINGBIAO,LIZHIYONG,SONGLISONGZHEJLANGINSTITUTEOFHYDRAULICSANDESTUARY,HANGZHOU310020,CHINAABSTRACTAMODELFORTHELONGTERMFLUVIALPROCESSESINTHEESTUAFINEZONEHASBEENSETUPBASEDONHYDRAULICGEOMETRYOFFIVERCHANNELSTHEMODELHASBEENCALIBRATEDBYUSINGHYDROGRAPHICFIELDDATAASWELLASDATAONHISTORICALMORPHOLOGICALCHANGESOFFEIYU