鰲江口江南圍墾對徑流下泄及余流的影響

王黎，蔣國俊

（浙江師范大學 地理與環境科學學院，浙江 金華 321004）

河口灘涂是寶貴的自然資源，也是重要的環境資源；且河口處于海陸匯聚的樞紐區位，物質、能量、信息流動的空間維數多，受季風、波浪、潮汐、海流等多種動力作用，物理、化學、生物和地質過程復雜。河口通常也是人口最稠密，經濟發展最活躍的區域，由于人們利用河口地區的水利、水運資源的需求不斷提高，人口對土地造成的壓力隨著人口的不斷增長而上升，導致人們對河口土地資源的開發熱情也日益增強，尤其是某些具有廣闊灘涂的河口地區。為了解決人口與土地資源之間的矛盾，在眾多入海河口已建或擬建圍墾（圍涂）工程（辛文杰，1997）。在河口區，當上游出現洪峰的情況下，口門內徑流動力增強，沿河道越向上游徑流效應越發明顯；而向口外，受潮汐作用的影響，徑流動力減弱，主要以潮汐的作用為主，潮徑共同作用導致口門附近的水動力較口內復雜（陳道信等，2009）。圍墾（圍涂）工程造成的地形、邊界形狀和水流動力條件的改變，破壞了河口區原有的水動力地貌環境的平衡與穩定，這些可能會引起水位壅高、流域泄洪受阻、灘槽演變加劇、航道淤積、漁業資源減少、污染物滯留以及風暴潮增水、海平面上升等環境問題（鄭敬云，2010）。因此研究河口地區由于圍墾（圍涂）所引發的邊界、徑流變化而觸發的一系列水動力的改變對于深入了解河口演變是有一定幫助的，也為日后圍墾工程的規劃和開發機制及具體工程的實施提供一定的理論支持和決策指導。

1 研究區域概況

鰲江位于溫州南部，南與福建省相鄰，為浙江省7條獨流入海的河流之一，主要支流有南港、梅溪、帶溪、懷溪等。它發源于文成縣南雁蕩山鄉山脈的吳地山（海拔1 124 m）南麓桂庫（835 m），在平陽縣楊嶼山出東海，流域面積為1 520 km2，干流長91.1 km，總落差為835 m，平均坡降為0.937%。自詹家埠、下崢至河口為鰲江下游，長48.67 km，為感潮河段，此段受潮汐影響。

根據1956-2009年的實測資料分析，鰲江多年年平均流量為16.33 m3/s，最大值29.12 m3/s，最小值8.38 m3/s。實測最大洪峰流量3 680 m3/s。最小枯水量0.57 m3/s。洪枯水之比極大，是典型的山溪性河流。這類河流有著共同的特點：枯水期河道內徑流量有限，大部分時間接近于0，洪水期流量大（受降雨影響）且洪水洶涌、水位暴漲，主流在主河槽內運行，河道斷面復雜多變，河道底坡變化大。鰲江口海域是典型的半日潮區，潮汐特性由南麂島的正規半日潮演變為琵琶山附近的非正規半日潮。鰲江口海域漲潮歷時略小于落潮歷時，但是受到鰲江徑流和河道地形的共同影響，鰲江口內落潮歷時幾乎達到漲潮歷時的兩倍，呈現顯著的不對稱性。

2007年，鰲江口江南海涂圍墾工程全面開工建設，圍區面積約為28.4 km2。江南灘涂面積寬廣，灘涂平坦，縱坡在1/1 300左右，圍墾規劃北端為大北堤，東側為大順堤，南側為大舥艚堤。工程建成后，寬廣的江南海涂變成陸地，改變了鰲江口南岸的地形，使入海口及南側海岸線向外推進，進而改變附近水域的水動力條件。

本文以鰲江口江南圍墾為背景，通過數值模擬分析河口的水動力變化。計算區域（圖1）是鰲江—飛云江—南麂—洞頭海域，此區域位于浙南沿海，其潮波動力主要受東南部半日潮汐系統控制，其潮汐比值（HK1+KO1）/HM2在0.18～0.28之間，可見M2分潮在整個潮波中動力作用占極大比重，而HM4/HM2比值鰲江為0.15，南麂和洞頭均只有0.01，因此鰲江口區的潮汐類型屬于非正規半日潮，而南麂和洞頭屬于正規半日潮。根據之前1979年和1994年的水文調查表明在鰲江口外海漲潮流方向在 310°～350°之間，平均流速 0.39～0.86 m/s。

圖1 計算區域（北京54坐標，下同）

2 模型介紹

本文采用Delft3D軟件來分析鰲江河口區圍墾工程前后的水動力變化。Delft3d的flow水動力模塊建立在Navier-Stokes方程的基礎上，求解基于有限差分法—ADI（alternating direction implicit）法。

2.1 控制方程

在正交曲線坐標系ξ-η下，潮流運動基本方程可表示為如下形式：

式中：u，v表示ξ，η方向上的速度分量，ζ表示水位，d表示水深。表示曲線坐標系與直角坐標系間的轉換系數，Fξ，Fη為ξ，η方向的紊動動量通量；Mξ，Mη為ξ，η方向的動量源或匯，ρ0為水體密度；VV為豎向渦動系數；f是科氏力參數。Pξ和 Pη為（ξ，η，σ）坐標系中 ξ，η 方向的靜水壓力梯度。

2.2 定解條件

2.2.1 流場初始條件

2.2.2 開邊界條件

圖2 鰲江流量頻率曲線（Cv=0.64，Cs=0.83）

表1 埭頭站各頻率洪峰流量表

圖3 計算采用的流量過程線

模型上界飛云江、鰲江采用實測水位過程線，外海開邊界采用相關資料分析分潮調和常數預報的潮位過程。根據鰲江的水文特點，在本文中討論的枯水期時刻是特指鰲江徑流為0的情況；本文采用徑流流量過程為埭頭站實測洪峰流量，根據埭頭水文站1956-2009年最大徑流量資料頻率分析發現，該徑流量流量接近5年一遇的頻率（圖2、圖3、表1），在實際模型運行的過程中，急流、憩流的時間被調整到洪峰時刻（流速介于0～0.2 m/s為憩流，流速介于1.5～1.8 m/s為急流）。分別用A、B、C、D代表洪峰與漲急時刻相遇、洪峰與落急時刻相遇、洪峰與漲憩時刻相遇、洪峰與落憩時刻相遇4種工況（由于研究區域及工程的地理位置的關系，選擇驗證點p1附近的7#斷面為相遇斷面）。

2.2.3 運動邊界

2.2.4 底邊界

式中：τbξ，τbη為底部切應力在 ξ，η 方向上的分量，垂線平均流動為垂線平均流速的大小。

2.3 模型驗證

模型采用2003年6月7-16日的大、小潮的潮汐資料作為計算潮型進行模型計算，采用同步實測的琵琶門站潮位作為潮位驗證點，同時期實測的p1-p3作為潮流驗證點。

圖4 潮流驗證圖

通過驗證可知，潮位、潮流流速、流向的計算值同實測值吻合良好，說明模型采用的參數合理，計算方法可靠，能夠很好地模擬鰲江口的水動力特性，可用于探討圍墾對河口動力的影響。

3 討論與分析

觀察斷面1#-11#枯水期與4個工況時的急流與憩流時刻的水位（取斷面深泓點進行研究，位置如圖1）。結果如圖5所示。

考慮到圍墾工程的建設改變了鰲江口南岸的地形，本文只研究大北堤與大順堤對鰲江口區域的影響，這兩條堤壩使得鰲江的入海口向海延伸，本文選擇大北堤東側的4#斷面與大順堤拐角處的7#斷面為研究斷面。

結合圖5與表2來探討工程對河口水動力的影響，工程導致的特征時刻的潮位變化較大的范圍主要集中在鰲江口門段，工程對水位的影響主要表現為潮位抬升，觀察枯水期發現，2#-7#斷面之間在低潮時的水位較工程前增加30 cm左右，1#-6#斷面之間在漲潮時的水位工程后較工程前增加3～16 cm。這說明工程致使河口縮窄，河道延長，導致了水體在漲潮的時候漲不上去，落潮的時候落不下來，河口縮窄已經對潮流過程產生影響。

結合表2及圖5可以發現4#、7#斷面可以說是水動力研究的一個轉折點。4#斷面位于大北堤的終點，也是大順堤的起點。大北堤延長了河道，縮窄了河口，大北堤所在之處原來可以積蓄部分潮水，現在卻被堤壩取代，反而增加了斷面流量。這也導致4#斷面的漲潮流速增大，落潮流速變化不大。7#斷面以東，堤壩角度向南增大，落潮流下泄斷面加大，速度迅速減小。可以說4#、7#斷面很好地說明了邊界變化對水動力的影響。

斷面潮量包含了水深和時間的因素。由于計算潮量需斷面封閉且不受工程影響，現以1#斷面為例進行說明。工程實施后，鰲江口的落潮潮量減小11.04%，漲潮潮量減少10.81%，工程后河口縮窄，河口區的過水斷面減小，斷面的漲、落潮的潮量有所減小；另外，表3顯示斷面的落潮潮量的減少幅度大于漲潮的。這主要是因為漲潮主要受到外海潮汐動力的控制，而落潮主要受制于統計斷面以上的潮蓄量（倪永強，2003）。大規模圍涂后，墾區上游容積明顯減小，故河口斷面出現落潮潮量減小的情況，但總體上漲落潮潮量基本處于平衡的狀態。

山溪性強潮河流的特點就是洪水下泄集中，水位暴漲暴落，而強潮河口則是潮差大，潮流作用強。討論洪水期的4種工況。由于工程縮窄了鰲江口的過水斷面，導致了漲潮潮量減小，落潮潮量增大，加之上游洪水下泄。水位壅高主要集中在大北堤-大順堤北部區域，A工況4#斷面漲潮水位抬升約為5 cm，7#斷面抬升約為15 cm。觀察落潮潮位，4#斷面上升約15 cm，7#斷面抬升約為12 cm。同樣C工況，洪峰與潮流的漲憩時刻相遇，即洪峰與高潮位相遇，此4#斷面高潮位為3.905 m。7#斷面抬升約為15 cm，達到4.112 m。4#斷面的落潮潮位抬升約40 cm，7#斷面的落潮潮位升高約15 cm。再看B、D。當洪峰與落潮流相遇的時候，落潮潮位會有所增加。D工況中的低潮潮位由工程前的-1.530 m增加到-1.118 m。分析水文資料分析，鰲江站歷年來最高高潮位為4.82m，3年一遇的高潮潮位約為4.13 m，最高低潮位為1.029 m。高潮位抬升會頂托徑流，低潮位抬升影響河水下泄，不利于河道排澇。總體上水位的壅高隨距離工程越遠而減小，但是工程對徑流下泄影響明顯，對物質輸運有所影響。而從流速的角度分析，水位的壅高對潮流的流速也有影響（圖8）。A工況的漲潮流流速小于枯水期，落潮流流速大于枯水期，這種流速上的變化會對河口區余流產生影響。

圖5 各個斷面特征時刻潮位（實線為工程前，虛線為工程后）

表2 工程前后的潮位變化（85高程）

表3 工程前后全潮周期內斷面潮量變化（“-”表示減小）

圖6 工程前后流速相對變化圖（“+”表示工程后較工程前增加，“-”表示減小；單位m/s，下同）

圖7 4#、7#斷面枯水期與四種工況工程前后的流速過程線

觀察圖9與圖10工程對鰲江口余流的影響。首先，根據水文資料分析，圖中所示區域為感潮河段，受潮汐影響明顯。在龍港，余流的方向仍向上游。而徑流的影響體現在潮流的上溯范圍上。正是由于徑流，潮流的上溯范圍縮小，余流的0 m/s線向海移動，河口區域余流的數值也有所減小。對比圖9（Ⅰ）與圖10（Ⅰ）發現堤壩的建立使得河口縮窄，斷面位置的潮量發生變化，此區域的余流方向由向河口轉而向海。也正是由于堤壩的建立，河口區的漲、落潮流速發生變化（圖7），這使得河口區域的余流流速變大。圖10（Ⅱ）工程后的潮動力減弱，徑流作用加強，這使得0 m/s線向海移動明顯，河口區余流的數值較枯水期有所增大。

4 結論

圖8 工程前后4#、7#斷面枯水期與洪水期流速過程線

圖9 鰲江口枯水期、洪水期余流數值等值線（“+”表示向海方向，“-”表示向河口方向）

圖10 工程后鰲江口枯水期、洪水期余流數值等值線（“+”表示向海方向，“-”表示向河口方向）

通過模擬鰲江口江南圍墾工程前后枯水期、洪水期水動力變化研究工程對泄洪與余流的影響。工程使得河口縮窄、河道延長，這導致水體在漲潮的時候漲不上去，落潮的時候落不下來，計算斷面的潮量值出現變化。漲潮潮量、落潮潮量均有所減小，基本保持平衡；洪水期時，根據不同的工況其變化程度有所不同。工程造成河口區水位的壅高。其壅高區域在大北堤-大順堤北部，洪水期高潮水位壅高后接近3年一遇的高潮潮位，對河口防洪的壓力不是很大，低潮潮位壅高值較大；高潮位壅高頂托徑流，低潮位抬升不利于與排澇。水位的壅高影響潮流，進而影響余流變化。研究余流發現，在感潮河段，余流方向指向上游，枯水期工程后，河口的過水斷面減小使得進入鰲江河口的潮量變化，漲潮流速增大，落潮流速減小，這也導致在工程區域的余流值較工程前增大。洪水期，徑流削弱潮流作用，使得指向上游的余流數值有所減小。

陳道信，陳木永，張弛，2009.圍墾工程對溫州近海及河口水動力的影響.河海大學學報（自然科學版），37（4）：457-462.

倪勇強，林潔，2003.河口區治江圍涂對杭州灣水動力及海床影響分析.海洋工程，21（3）：73-77.

辛文杰，1997.河口邊灘圍墾的潮波變形數值模擬.水利水運科學研究，4：310-319.

鄭敬云，2010.河口地區圍涂開發的水環境動力特征研究.北京：清華大學.