感潮河道河口建閘對水動力影響研究

韓 景

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

黃浦江是一條中等感潮河道，上承太湖，下接長江口[1]，貫穿上海城區，是構成上海水系最大的骨干河道，具有防洪、供水、排水、航運、生態、景觀、旅游等綜合功能。

受全球氣候變化、海平面上升、風暴潮加劇、地面沉降等自然環境因素及人類活動的影響[2]，黃浦江沿岸水位出現了趨勢性抬升，現狀黃浦江防汛墻設防[3]高程已不能滿足新形勢下千年一遇的設防標準，上海城市防洪風險日益增大。

歷史上直接登陸上海的臺風較少，但是近幾年全球變暖導致臺風登陸點朝北或北偏西方向移動，臺風登陸上海的幾率逐漸增大。2021年，對上海影響較大的的臺風有“煙花”和“燦都”，受臺風“煙花”和天文大潮的雙重影響，黃浦江米市渡站的最高水位達到4.79m，創造歷史新高。因此，迫切需要采取相應的工程措施來提高黃浦江堤防的防洪(潮)能力。比較有效的方案是在黃浦江河口建擋潮閘[4]，阻止河口的高潮上溯。

陳瑞方[5]和崔冬[6]等人曾采用一維數學模型進行黃浦江河口建閘的水動力初步研究，經過了近10a，黃浦江水下地形和水情發生了較大改變，老模型已不再適用。為了更精確反映黃浦江蜿蜒曲折的岸線和復雜的水下地形，本文根據2021年的水下地形資料構建黃浦江三維水動力數學模型，重點研究黃浦江河口閘的擋潮效果和閘外水位振蕩情況，為黃浦江河口閘的方案設計和調度運行提供技術支撐。

1 數學模型構建

本文采用丹麥DHI公司開發的MIKE 3軟件中的HD水動力模塊來構建黃浦江三維水動力數學模型。

1.1 模型原理

MIKE 3模型建立在三維不可壓雷諾平均N-S方程的基礎之上，方程包含了Boussinesq和流體靜壓假定[7]。淺水控制方程如下。

局部連續方程：

(1)

x方向和y方向上的水平動量方程分別為：

(2)

(3)

式中，t—時間，s；x，y和z—笛卡爾坐標系，m；η—水面高度，m；d—靜水深，m；h—總水深，m，h=η+d；u—x方向的速度分量，m/s；v—y方向的速度分量，m/s；w—z方向的速度分量，m/s；f—科里奧利參數，無量綱，f=2Ωsinφ；g—重力加速度，m/s2；ρ—水的密度，kg/m3；sxx，sxy，syx和syy—輻射應力張量的分量，Pa；vt—垂向湍流粘度(或渦粘)，m2/s；pa—大氣壓強，N/m2；ρ0—水的參考密度，kg/m3；S—點源的流量大小，m3/s；us、vs—流入周圍環境水的速度大小，m/s。

湍流建模采用渦粘理論[8]，分別考慮垂向和水平方向上的渦粘，水平方向采用Smagorinsky模型，垂向采用標準k-ε模型。

1.2 模型地形

本次構建的黃浦江三維水動力數學模型地形南起吳涇公園北至吳淞口，全長約52km，水下地形數據依據2021年黃浦江實測地形資料確定。模型計算地形采用非結構網格，可以較精確地擬合蜿蜒曲折的黃浦江岸線和沿江碼頭。根據研究需求加密局部區域，模型地形的網格尺寸為5～50m，允許最小三角形角度為30°，網格節點數為6961個，網格單元總數為12775個。黃浦江三維水動力數學模型的計算地形如圖1所示。

圖1 黃浦江數學模型計算地形

1.3 計算條件

黃浦江三維水動力數學模型率定的時間段選取1997年11號臺風期間，吳涇公園和吳淞口2個邊界采用1997年11號臺風期間的實測水位過程，吳淞最高潮位為5.99m，是歷史最高實測潮位[9]。

上海市區的防洪(潮)標準是千年一遇，根據相關規定，黃浦江河口閘的建設和防洪(潮)標準不得低于千年一遇，因此選取千年一遇的風暴潮作為計算水情進行研究。對1997年11號臺風期間的吳淞口實測水位過程進行同倍比放大，得到吳淞口千年一遇潮位過程，最高潮位為6.60m。

1.4 模型率定

黃浦江三維水動力數學模型率定計算時采用1997年11號臺風期間的水位資料，率定計算成果如圖2所示。

由圖2可知，黃浦公園的計算水位與實測水位吻合良好。

圖2 1997年11號臺風期間黃浦公園水位過程

1.5 計算方案

計算方案考慮不同的閘門選址和調度運行規則。閘門選址選取離河口1.8km的軍工路碼頭和離河口5.7km的海軍碼頭進行對比分析。閘門調度運行規則涉及眾多因素，本文主要研究啟閉歷時和起關潮位。河口閘規模較大，為了便于操作，閘門的調度方式初步擬定為：平時以敞開為主，遭遇風暴潮時關閘擋潮，當閘外水位上升到某一特定潮位時開始關閉閘門，等閘外水位下降到跟閘內水位齊平時開啟閘門泄水。考慮到吳淞口多年平均高潮位為3.25m，黃浦公園警戒水位為4.55m，因此河口閘起關潮位選取3.5、4.0和4.5m 3種方案進行研究。國外已建的大型擋潮閘的閘門啟閉歷時大都在0.5～1.0h之間，因此黃浦江河口閘啟閉歷時選取20、40和60min 3種方案進行研究。由于河口閘的門型方案還在深入研究中，本文先以常見的直升門為例進行計算分析。

2 計算結果分析

2.1 建閘前黃浦江水動力分析

根據吳淞口潮位站歷史資料統計，吳淞口多年平均高潮位是3.25m，平均潮差是2.20m，平均漲潮歷時是4.57h，平均落潮歷時是7.87h，落潮歷時大于漲潮歷時，屬于不規則半日潮[10]。受長江口潮流的影響，黃浦江水流呈往復運動，潮波自吳淞口向黃浦江上游逐漸變形，潮差減小，漲潮歷時縮短，落潮歷時延長。

根據計算，在千年一遇風暴潮水情下，吳淞口最高潮位為6.60m，黃浦公園最高潮位為6.25m。本文重點關注的黃浦江北段的漲急和落急流場如圖3—4所示。

圖3 黃浦江北段漲急流場分布(單位：m)

圖4 黃浦江北段落急流場分布(單位：m)

由圖3—4可以看出，漲潮時水體從吳淞口流向黃浦江上游，落潮時水體從黃浦江上游流向吳淞口，凹岸流速大于凸岸流速。軍工路碼頭處某時刻的斷面垂向流速分布如圖5所示。

由圖5可以看出，表層流速遠大于底層流速。

圖5 軍工路碼頭斷面垂向流速分布(單位：m)

2.2 建閘后黃浦江三維水動力影響

2.2.1閘門起關潮位影響

以軍工路碼頭閘址、閘門啟閉歷時20min為例，對比分析不同起關潮位(3.5、4.0、4.5m)的結果。

千年一遇風暴潮水情下，不同閘門起關潮位條件下的閘址處流量過程如圖6所示，閘內和黃浦公園水位過程如圖7—8所示。

圖6 不同閘門起關潮位條件下閘址處流量過程線

圖7 不同閘門起關潮位條件下閘內側水位過程線

計算結果表明，河口閘關閉后，黃浦江進潮量顯著減小，閘內側和黃浦公園高水位大幅降低，3種起關潮位條件下的一個潮周期擋潮量分別為1.32億、1.24億、1.11億m3，閘內側最高水位分別為3.50、4.01、4.52m，黃浦公園最高水位分別為3.34、3.72、4.19m，黃浦公園水位降幅分別為2.91、2.53、2.06m。可見，河口閘具有顯著的擋潮效果，且河口閘起關潮位越低，擋潮量越大，閘內高水位越低，擋潮效果越好。

不同閘門起關潮位條件下的閘外水位過程如圖9所示。

圖9 不同閘門起關潮位條件下閘外側水位過程線

計算結果表明，河口閘關閉堵住了河口高潮的上溯通道，激發了閘外的水位振蕩，水位振蕩幅度自閘門向口外逐漸減小，漲潮期間的水位振蕩幅度大于落潮期間，3種起關潮位條件下的閘外側水位最大振幅分別為1.15、1.42、1.60m，閘外側最高水位分別壅高0.51、0.57、0.70m，閘外水位振蕩周期都為34min。可見，河口閘關閉會使閘外水位發生振蕩，且河口閘起關潮位越高，閘外水位的振蕩幅度越大，起關潮位對水位振蕩周期無影響。

圖8 不同閘門起關潮位條件下黃浦公園水位過程線

2.2.2閘門啟閉歷時影響

以軍工路碼頭閘址、閘門起關潮位4.0m為例，對比分析不同啟閉歷時(20、40、60min)的結果。

千年一遇風暴潮水情下，不同閘門啟閉歷時條件下的閘址處流量過程如圖10所示，閘內和黃浦公園水位過程如圖11—12所示。

圖10 不同閘門啟閉歷時條件下閘址處流量過程線

圖11 不同閘門啟閉歷時條件下閘內水位過程線

計算結果表明，3種啟閉歷時條件下的一個潮周期擋潮量分別為1.24億、1.21億、1.15億m3，閘內側最高水位分別為4.01、4.08、4.30m，黃浦公園最高水位分別為3.72、3.76、3.90m，黃浦公園水位降幅分別為2.53、2.49、2.35m。可見，河口閘啟閉歷時越短，擋潮量越大，閘內高水位越低，擋潮效果越好。

不同閘門啟閉歷時條件下的閘外水位過程如圖13所示。

圖12 不同閘門啟閉歷時條件下黃浦公園水位過程線

圖13 不同閘門啟閉歷時條件下閘外水位過程線

計算結果表明，3種啟閉歷時條件下的閘外側水位最大振幅分別為1.42、0.76、0.54m，閘外側最高水位分別壅高0.57、0.29、0.18m，閘外側水位振蕩周期都為34min。可見，河口閘啟閉歷時越短，閘外側水位振蕩幅度越大，啟閉歷時對水位振蕩周期無影響。

2.2.3閘門選址影響

以閘門起關潮位4.0m、啟閉歷時40min為例，對比分析不同閘址(離河口5.7km的軍工路碼頭、離河口1.8km的海軍碼頭)的結果。

千年一遇風暴潮水情下，不同閘址條件下的閘址處流量過程如圖14所示，閘內側和黃浦公園水位過程如圖15—16所示。

圖14 不同閘址條件下閘址處流量過程線

圖15 不同閘址條件下閘內側水位過程線

計算結果表明，2種不同閘址條件下的一個潮周期擋潮量分別為1.23億、1.25億m3，閘內側最高水位分別為4.08、3.99m，黃浦公園最高水位分別為3.76、3.72m，水位降幅分別為0.23、0.25m。可見，河口閘位置離河口越近，擋潮量越大，閘內高水位越低，擋潮效果越好。

不同閘址條件下的閘外側水位過程如圖17所示。

圖16 不同閘址條件下黃浦公園水位過程線

圖17 不同閘址條件下閘外側水位過程線

計算結果表明，2種閘址條件下的閘外側水位最大振幅分別為0.76、0.43m，閘外側最高水位分別壅高0.29、0.12m，閘外水位振蕩周期分別為34、14min。可見，閘門位置離河口越遠，閘外水位振蕩幅度越大，水位振蕩周期越長。

3 結語

本文構建了黃浦江三維水動力數學模型，計算分析了黃浦江河口建閘的擋潮效果和閘外水位振蕩情況，得出以下結論。

(1)黃浦江河口建閘可以有效防御千年一遇風暴潮，大幅減少黃浦江進潮量，降低閘內高水位，降低上海城區防洪風險；河口閘閘門啟閉歷時越短，起關潮位越低，閘址離河口越近，擋潮量越大，閘內高水位越低，河口閘的擋潮效果越好。

(2)河口閘擋潮的同時會激發閘外水位振蕩，振蕩周期跟起關潮位和啟閉歷時無關，僅跟閘門位置有關，閘門位置離河口越遠，閘外水位振蕩周期越大；閘門位置離河口越遠，起關潮位越高，啟閉歷時越短，閘外水位振蕩幅度越大。

(3)振蕩使閘外高水位進一步壅高，在閘門設計和調度運行中需引起足夠的重視。