（水利水电工程专业论文）南渡江河口（龙塘坝下游）盐水入侵研究.pdf

摘要 河口是人阴密集、经济发达地区，随着工农业生产的迅猛发展和人口的急剧 增长，对淡水的需求无论在数量还是质量上均提出了更高的要求。我国般根据 卫生部制定的饮水标准和国际健康组织的规定( w h o ，1 9 7 0 ) ，以及一些专门研究 海水入侵学者的意见，大致将这一标准确定为2 0 0 3 0 0 m g l ，工业用水和农业 灌溉褥水对氯化物含量也有一定要求。严重鹃盐水入侵，将影响人民的身体健康， 导致土壤次生盐渍化和水质恶化，使得采水点废弃，并且导致净化水的成本提高 以及会使生产设备易于氧化，对j 业生产同样造成影响。盐水入侵的发展对滨海 地区的环境、经济造成负面作用。 南渡江是海南岛的第一大河流，全长3 3 4 k m ，流域面积7 0 3 3 k m 2 ，南渡江河口 指南渡江下游自龙塘坝至薪埠岛三联村入海疆，全长约2 6 k i n ，跨越海嚣市。该 河段为感潮河段，同时受风暴潮的影响也较频繁。近年来，由于泥沙开挖过度造 成的河床过低，以及由予饮震水阏题造戒的地下水使用过量，弓| 发了盐水入侵。 本文研究的是河道的盐水入侵问题。在前人研究成果的基础上，本文对南渡江河 口段河道的盐水入侵进行了数值模拟。 ( 1 ) 分析入侵距离与流量、潮位之间的关系 首先利用基于盐水入侵水动力学的方法，对入侵距离和流量之间的关系进行 研究。然后将重点放在数值模拟上瑟。建立河遂的准三维模型，通过对紊动粘性 系数和盐度扩散系数的调整，以及转变边界条件的类型，来获得模型的收敛。对 盐水入侵模拟所要进行的时间进行了确定。模拟小流量下河口盐水入侵状况，分 析盐水入侵距离随时间的变化趋势，研究流量变化、潮水涨落对盐水入侵的影响。 ( 2 ) 分析加入防潮工程措施橡胶坝后，对盐水入侵的影响。 对比修建不同高度的橡胶坝螽，盐水入侵距离的改交。提如了盐水入侵模拟 有待完善的方面。 关键调：溪1 z l 盐水入侵数值模拟径流量潮流 a b s t r a c t w i 也t h ef a s ti n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a ld e v e l o p m e n ta n dr a p i di n c r e a s eo f p o p u l a t i o n , e s t u a r yt h a tu s u a l l yi sat h i c k l yp o p u l a t e da n dd e v e l o p e dz o n er e q u e s t sa h i g h e rs t a n d a r dn o to n l yo nt h eq u a n t i t yb u ta l s oo nt h eq u a l i 够o ff r e s h w a t e r a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a la n d i n t e r n a t i o n a lw a t e r - s u p p l y i n gs t a n d a r d ，t h ec o n t e n to f c h l o r i d ei nd r i n k i n g - w a t e ri sn o ta l l o w e dt oe x c e e d2 5 0 r a gp e rh u e ，t h es t a n d a r do f t h ec o n t e n to fc h l o r i d eo nw a t e ru s e df o rt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n da g n c u l t u r a l i r r i t a t i o ni sa l s or e q u e s t e d s e v e r es e a - w a t e ri n v a s i o nn o to n l yh a sb a di n f l u e n c e0 1 1 p e o p l e sh e a l t h ，l e a dt os a l i n i z a t i o no fs o i la n dd e t e r i o r a t i o no fw a t e r , b u ta l s oh a s b a d i n f l u e n c eo ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，s u c ha st h ec o s ti n c r e a s i n go fd e c o n t a m i n a t i n g w a t e r , o x i d a t i o no fp r o d u c t i o ns e r v i c e s e a - w a t e ri n v a s i o nw i l lb r i n gt on l i n o re f f e c t o ne n v i r o n m e n ta n de c o n o m yo fc o a s t a la r e a s 磁氇7 0 3 3k m 2 d r a i n a g ea r e a , n a n d u - r i 础势堍l o n g e s tr i v e r 遮h a i n a n - i s t a n d ， i s3 4 4k ml o n g ，e s t u a r yo fn a n d u - r i v e ri st h er e a c ht h a ti sa b o u t2 6k ml o n gf r o m l o n t a n g b ao f t h ed o w n s t r e a mo f t h er i v e rt os a n l i a nv i l l a g eo f t h ex i n b u i s l a n dw h i c h i st h ee n w a n c et ot h es e a 。王毯霉r e a c ho ft h er i v e ri st h et i d e w a y , a n da l s oi si n f l u e n c e d b ys t o r m - t i d ef r e q u e n t l y i nr e c e n ty e a r s ，s e a - w a t e ri n v a s i o no c c u r sb e c a u s eo fi t s e x c e s s i v e l yl o wr i v e r b e dc a u s e db ye x c e s s i v es a n d - e x p l o i t a t i o na n de x c e s s i v et l s eo f g r o u n d w a t e rf o rt h es h o r t a g eo f d r i n k i n gw a t e r b a s e do i lt h ef o r m e rs t u d yr e s u l t s ，t h i s p a p e ri sg o i n gt os t u d yt h es e a - w a t e ri n v a s i o no ft h ee s t u a r yo fn a n d y - r i v e rb yt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 。 1 t oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns a l 蛐锣i n t r t i s i o no f n a n d ur i v e re s t u a r y , r u n o f fa n dt i d e f i r s ts t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n t r u s i v ed i s t a n c ea n dr u n o f fu s i n gt h e m e t h o db a s e do nh y d r o d y n a m i c so fs 鑫l 赫t yi n t r u s i o n a n dt h e nf o c u so nt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n e s t a b l i s ht h eq u a s i 一3 dm o d e lo fr i v e r w a y ；o b t a i nt h e c o n v e r g e n c eo ft h em o d e lb ym e a n so fa d j u s t i n gt h ee d d yv i s c o s i t ya n dd i f f u s i o n c o e f f i e n l sa n d c h a n g i n gt h et y p eo f b o u n d a r yc o n d i t i o n ；d e t e r m i n et h et o t a ls i m u l a t i o n t i m e ；s i m u l a t et h ec o n d i t i o n so fs a l i n i t yi n t r u s i o nu n d e rs m a l lr u n o f f ；a n a l y z et h e t e n d a n c yo fs a l i n ei n t r u s i v ed i s t a n c ev a r y i n gw i t ht i m e ；s t u d yo nt h ei n f l u e n c eo f t h e v a r i a t i o no f n m o f f a n dt i d eo ns a l i n i t yi n t r u s i o n 2 。秘a n a l y z et h ef u n c t i o n st op r e v e n tt h es a l i n i t y i n t r u s i o no fd i f f e r e n t c o n s t r u c t i o nm e a b r n e s ， t oc o m p a r et h ev a r i a t i o no ft h es a l i n ei n t r u s i v ed i s t a n c ec a u s e db yd i f f e r e n t h e i g h t so fr u b b e rd a m t ob r i n gf o r w a r dt h ea s p e c t so fs a l i n i t yi n t r u s i o ns i m u l a t i o nw h i c hc a nb e i m p r o v e d k e y w o r d s ：s a l i n i t yi n t r u s i o no fe s t u a r y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，r u n o f f , f i d e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文孛特别麴以标注帮致谢之处乡 ，论文孛不包含其熊入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得吞鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书露使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了朝确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：力龋赫签字日期：珈7 年多月盯网 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基童叁茎畜关傺整、使用学位论文静撬定。 特授权墨鲞基鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫攒等复割手段保存、茳缡熬供查麓彝借阕。嚣意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 _ ( 保密黪学位论文在解密爱适用本授权说明) 学位论文作者签名：专赢晶 签字日期：湖7 年譬肖芍日 导师签名： 签宇日期： 伙7 够衬 第一举绪论 1 1 河口盐水入侵概述 第一章绪论强一早三百下匕 河口地区是河流与海洋的交汇地带，河流淡水般由上层流向口外海域，海 洋盐水赠由下层侵入嗣门之内，由于水流紊动作用与分子扩散，盐淡水之闻必然 会产生掺混，即混合现象。盐淡水混合过程是河口区水动力过程的一个重要部分。 入海溽溺是溺川来豹淡水和海汞交涎豹地方，是河流与海洋过渡的区域，出 于河口处是两种动力条件相互作用，水质情况也不一样的特殊的水域，因此存在 盐淡水混合的问题。从上游来的淡水经河口区泄入海中，两含有一定盐分的海水 会隧着涨潮流而上溯达到日门以内一定的距离，便产生了盐水入侵阕题。l 般来 说，各个河口所处的自然条件不尽相同，所以各个河口的盐淡水混合情况也不尽 相同。研究表明，河霞地区盐淡水混合的程度主要受到上游径流量熬大小、河 口地区潮汐作用的强弱、异重流、汊道特性、科氏力、风及浪等动力因素的影响。 一般情况下，径流量及潮汐作用最力重要，但其它的因素也不能忽视，要视具体 情况分别加以甄别其重要性。如在水面较为宽阔及风级常年较高的河口区域，风 浪及科氏力的作用较为显著；而在滩槽交错的河i ：1 区域，地形的影响则不容忽视。 河蠢盐水入侵可以这样定义：井海离盐度永体沿河墨河道囊内陆入侵，导致 水质恶化，是沿海地带不可忽视的自然灾害之一。 1 1 1 河口盐淡水混合的类型 通常，根据河口区盐淡水混合作用及盐水入侵的程度，河西盐淡水混合的类 型主要分成三大类，分别为【3 9 1 ： ( 1 ) 高度成屡型 当河口径流较强而潮汐相对较弱时，密度较小的淡水从表层泄入海中，而密 度较大的盐水则位于底层并沿河底上溯而形成”盐水楔”，两种不同密度的口门海 水体存在清晰的交界面，在交界面上形成层稷薄的混合层，其典型情况如图1 1 所示。因盐水与淡水是分层流动的，故称”高度分层型”或”盐水楔型”。如美国的 密嚣嚣毙河南永道，流量1 0 0 0 0 0 e f s ，潮惹仅失o 。强，是典裂的高度分层型河嗣。 第一睾续论 澎河搿河流 圈1 1 商度成层型灏嗣的典型情况 ( 2 ) 弱混合型( 部分混合型) 当潮流作用较强时盐淡水闻的分界面受到了破坏，上下层之间发生定程度 的水体混合，水平方向和垂直方向都存在含盐度梯度，这种河融就称为弱混合型 河口，其典型情况如图1 2 所示。如美国的萨凡纳河口、英国的泰晤士河及中国 的长江嚣等都属于这种类型。 图1 2 弱混合型河阴的典型情况 l 一爵潮时酶等簸度线；2 低盐度对豹等盐度线 ( 3 ) 强混合型( 垂向均匀混合型) 当潮流作用很强，两径流的作用较弱时，盐淡水之间便产生强烈的混合。水 平向的含盐度梯度很明显，垂向的刘很微弱，往往可以忽略不计，等盐度线常呈 垂直或近于垂直的状态。潮差大的河口中常常会出现这种混合类型，其垂直方向 含盐度梯度对垂囱流速分布的影响很小，在涨落瀑转变过程中一般不会凌现表层 与底层水流流向相反的交错流，其典型情况如图1 3 所示。如我国的钱塘江河口 以及长江口北支，都是典型的强混合型河口。 2 蓦一耄壤论 图1 3 强混合型河口的典型情况 l 一高潮时的等盐度线；2 低盐度时的等盐度线 应当指出，以上虽然就河口的类型给出了一个分类标准，但值得注意的是， 在实际的河弱孛，即使是同一个河蠢，其混合的类型也并不是一成不变瓣，丽是 随着径流量与潮流量的对比关系的变化而变化的。如长江口般情况属干弱混合 型，但在洪水期小潮汛畦会出现盐水楔。 1 1 2 河口盐淡水入侵对河口地区的影响 以上仅就河口盐水入侵的现象进行了些简单的描述，而实际上，盐水入侵 对河口地区的作用相当明显，般可以归结为两个方亟：对地形演变的影响及对 人类生产生活的影响。 ( 1 ) 对地形演变的影响 盐求入侵对水下地形演变鹣影响主要表现在盐淡水的混合对河露区水流、泥 沙运动特性及水动力特性的调整有着不可忽视的作用。由予盐水入侵的影响，河 口区普遍存在着密度梯度，这使得垂线流速的分布发生了较大的变化，所以河嗣 区水流流速的分布与普通河道中有所不同。在涨潮流期间，密度梯度与水面坡度 方向一致，宥加大涨潮流速的作用，且因底部的密度梯度较大，故又加大了底流 速，因此最大流速一般蹬现在水面下的菜一深度处。而在落潮流襄间，密度梯度 与水面坡度方向相反，有减少落潮流速的作用，又因底部的密度梯度较大，对底 流超阻碍作用，本流主要麸表层排走，故表层的流速较大。在转流期间，水面坡 降很小，密度梯度起控制作用，形成了表层与底层流向相反的交错流。由于表底 层流速的不网，河口区容易形成大范围的内部环流。 通常，泥沙的输移与水流的挟沙熊力关系密切。在一个潮周期内一，底部的水 流从净的上溯流转为净的下泄流，其沿程必存在个净泄量为零的点，即”滞流 点”。由予”滞流点”的存在，水流在该处的挟沙力避速下降，且又由予盐水具鸯 加速泥沙絮凝的作用，在该点附近泥沙很容易发生淤积，因此”滞流点”附近往往 第一掌绪论 是河口区泥沙淤积较为严重的部位，其亦是潮汐河口拦门沙形成的重要原因。 ( 2 ) 对入类生产生活的影响 盐水入侵往往发生在潮汐河口，而这些河口又大都位于沿海平原地区。这些 地区入口稠寮，工农业生产及靛运、交通发达，经济发展较为迅速，人类活动与 自然环境密切相关，因此，盐水入侵对于人类的生产及生活有着巨大的影响。 盐水入侵对人类的影响在定程度上表现为其不仅会影响到河髓区两岸的 工农业用水、人民的生活用永及淡永生物养殖等，还可能影响废热和生产及生活 污水的扩散与稀释过程。 1 2 问题的提出 如前所述，盐水入侵是沿海潮汐河口普遍存在的问题。南渡江是海南岛的第 一大河流，近年来，嘲于泥沙开采过度造成的河床过低，以及由于饮用水问题造 成麴地下求使用过量，引发了盐水入侵。 根据国际公共给水标准，饮用水的含氯度一般不能超过2 5 0 p p m ，水稻育秧 用水不超过6 0 0 p p m ，一般灌溉用水要小予l l o o p p m ，面工业用水也对氯诧物有 规定【6 2 】。但实际上，南渡江河口盐水入侵的时候，水体的含氯度往往远远超过 标准值，例如1 9 9 5 年申丹水厂海水倒灌时间长达5 7 9 0 5 d , 时( 2 4 l 天) ，1 9 9 4 年米铺 水厂樊丹村取承点因海水倒灌停机时间长达3 6 7 0 5 d , 时，占应开机时间的4 1 。9 由此可见，南渡江河口盐水入侵作为一种隐性的环境污染，实际上已成为南 渡涯河叠地区进一步发展昀一大障碍，对南渡江溜口盐水入侵的影赡因素及发展 趋势的研究已是势在必行。 研究表明，嘉渡涯河口盐水入侵受到自然及人类活动等各个方面因素的影 响，但归结起来主要受到三大方面因素的制约，分别为地形、潮汐潮流及上游径 流量。 f 1 ) 河霜区遗形的变纯 近年来，由于经济发展的需要，南渡江的河砂被大量的开采，破坏了原有的 河道，使得河叠区地形发生了很大的变化，引发了比较严薰的盐水入侵。 ( 2 ) 潮汐状况的变化 近年来，随着工业发展，特别是石化和生物能源的燃烧，使大气中温室气体 浓度明显增加。温室效应的增强，导致海平面亦随之升高。据新华网土海2 月1 2 日电，近5 0 年来，我国沿海海平面平均每年上升2 5 m m ，而由于海面的上升，河 誓区的涨落溺量亦上升，加上涯承顶托及海永、汇聚作焉加强，使高潮位的上升傻 大予海面上升值，而低潮位的上升值则相对较小，从而导致潮差加大。如此一来， 在径流量不变的情况下，海平露上舞导致潮周期内进潮量增加，则南渡江河口盐 4 第一耄缝论 水入侵的距离及强度也将发生较大的变化，从而影响南渡江河豳现有的工农业生 产及藩民生活。 ( 3 ) 4 游径流量的变化 河西盐东入侵摄大程度上受到上游径流量与河墨进潮量比的影响。不周的径 流量和潮差组合下可出现不同的混合形式。南渡江属山区河流，洪水暴涨暴落， 大流量持续时间短暂，来水量也多集中在5 1 1 月的雨季。径流的变化也将很大 程度上影响盐水的入侵以及盐淡水混合状态。 应当指出的是，影响南渡江河口盐水入侵的三大因素不仅与自然条件的变迁 有关，与人类活动豹关系亦密切穗关。如人类为发展航运交通，建造大型港蠢， 开挖港池及疏浚航道等活动，引起了涨潮量的增加，以及在与河口相连的河流的 上游区域建造水利枢纽王程和调水工程等，亦引起了河疆径流量及分流比的变 化，e i j 于这些变化，河口区的盐淡水混合状态也将因此产生较大变化。 1 3 国内外发展概况 鉴于盐水入侵与河网地形的演变及人类活动之阆如此密切的关系，针对沿海 潮汐河口盐水入侵问题的研究是值得重视的，而事实上，针对河口盐水入侵过程 及机理的研究早在2 0 世纪3 0 年代就已经开始了，并取得了一定的成果，如1 9 3 4 年m eo b r i e n 和j c h e m o 根据运动微分方程推出了盐淡永混合流动的一些模型觏 律，1 9 4 6 年k e l e g a n 根据水槽试验推导出了忽略盐淡水交界面及交界面阻力的头 部速度函数及考虑了交爨面相混或交雾蔼隰力作用存在时的头部速度爨数。1 9 4 8 年和1 9 5 1 年，k e l e g a n 分别在不受潮汐影响和有潮汐影响的情形下，通过模型试 验，讨论了盐水楔自河1 2 1 沿河口内侵的规律，还有i p p e n ，h a r l e n l a n , j m ，c a i u a t 等 也在河口盐淡水混合研究方面作出了贡献。 而依赖于数模技术来展开对盐水入侵问题的研究主要是自上世纪6 0 年代末 计算机技术取褥较大发展豹基础上开始的。通过近5 年的发展，国内外学者分别 根据不同的侧重点建立了一维、平面二维、垂向二维和三维等数学模型，并取得 了较多的研究成果。不过数模相对手物模露言，虽然有其费用低、时阚短、模拟 范围不受场地限制、可以复演科氏力及超高温等一些方面的优点，现阶段其还是 不能完全取代物模。因此，现在的研究有向物模及数模联合运用的方向发展的趋 势。 1 3 。1 国处河口盐水入侵研究进展 国外对河口盐水入侵的研究6 0 - - 一7 0 年代是研究的高峰期，半个世纪以来， 第一章缝论 已取得了一批很有价值的研究成果，但研究的内容主要集中在盐淡水混合的机 制、类型以及盐水楔活动规律等方面。例如，5 0 年代，p r i t c h a r d ( 1 9 5 2 ，1 9 5 4 ) 耀二 维盐量守恒方程分析了切萨皮克湾( c h e s a p e a k eb a y ) 詹姆斯河口( j a m e se s t u a r y ) 的盐水入侵；6 0 年代，h a n s e n 和r a t t r a y ( 1 9 6 6 ) 根据河1 2 1 实际资料，用底层纛表 层之间的盐度差和垂线平均盐度之比值定义为分层系数，并提出了环流系数，以 此来刻划混合的程度和环流特征。7 0 年代，l e e n d e r t s e ( 1 9 7 3 ) 等提出三维计算方 法，将计算区域沿垂向分为若干层，每层厢平面二维模式计算，层与层之间无水 体质量盐度交换，唯一可交换的是动量，用摩擦力耦合。8 0 年代，w o l a n s k i ( 1 9 8 6 ) 研究了澳大利亚的3 个热带河翻，发现由于严重的水分蒸发，3 个河麓靛门叠向 内侧附近有一个盐度比其上下游河段均高的最大盐度带，在这个盐度带的上下 游，均出现了经典的垂向环流，从丽阻碍了河水纛海水的混合，甚至有时淡水不 能流入海洋。9 0 年代，k o s t a c h u c k 和a t w o o d ( 19 9 0 ) 研究了加拿大f r a s e r 河i z l 在 径流和潮汐影响下盐水楔位置的变化。2 l 世纪初，a c e r t s ( 2 0 0 0 ) 等以孟加拉g o r a i 河醑系统为例，研究了利用g i s 工具和快速评定技术确定盐水入侵，将s t r e a m 作为一种流域管理手段。 1 3 2 国内河口盐水入侵研究进展 国内对溺翻盐水入侵的研究，相对露外起步较迟，到2 0 世纪8 0 年代才开始 有较为系统的专门研究。由于这些研究主要是结合南水北调、三峡工程和深水航 道等重大工程建设以及河蜀淡水资源的开发利孺进行，故有其鲜明的特色，能将 河阴盐水入侵的基础理论研究与应用研究紧密结合，为工程建设提供科学依据， 已取得一批既有理论意义、又煮实践意义的研究成果。 1 3 2 1 河口盐水入侵规律研究 徐建益( 1 9 9 4 ) 首先对长江口影响盐水入侵的主要因素进行分析，得出：上游 径流量、努海涨灞流、湾势是影响盐水入侵昀主要因素，放霜可以褥翳盐水入侵 的规律。由于南渡江河口地区与长江河1 2 1 有许多相似之处，例如都是分汊河口， 因此在研究鬻渡江潺邃的盐水入侵时，长涯河1 2 1 可以作为很好的参照，同样需要 对南渡江上游径流量、外海涨潮流、河势进行分析；同时，文中采用平面二维数 学模型进孬蕊度场模拟：以南支的徐六泾为水流计算的上边界，以= l 支的青龙港 和南支的高桥为下边界，采用1 9 8 4 年实测地形图，计算时段为1 9 8 7 年2 月1 1 6 第一耄续谂 日0 时至2 月2 8 日2 3 时，共4 3 2 小时，该模拟值得借鉴；同时，文中提到了采 魇c a d 技术，绘出了逐时的模拟盐度场，该技术可以在对南渡江河目盐度场进 行模拟时考虑使用。 卢祥兴( 1 9 9 1 ) 在研究钱塘汪河口时指点【鞫，当氯度沿垂向分布较均匀( 除洪 水期外) ，河口段盐淡水掺混的沿程和横向变化可用二维水流连续、水流运动和 盐度守恒、状态关系等方程来描述。一般来说，滩地上的氯度较主流大，涨潮时， 滩地氯度随即迅速增高，可见取水口不宜设在滩地处，由于南渡江上有已经废弃 的取水工程需要恢复，因既要透过建阉( 坝) 使取永1 2 1 处水深大、氯度小【蚓。 1 3 。2 2 海蜀盐淡水混台舔究 金元欢、孙志林( 1 9 9 2 ) 指出我囡河口盐淡水的混合类型与潮、径流量比之间 苏 有着良好的相甄关系。巍孚 4 0 ( q ，表示平均涨潮流量；孬，表示平均径流量) y ， n 时，河口淡盐水混合呈现强混合型；当彗4 时，河口盐淡水混合一般以弱混 q ， 合即高度分层型为主，两者之阗一般表现为部分混合或缓混合型为主。谣这些混 合类型对取水有重要的意义：若盐淡水呈高度分层型，在丰水及平水期间，则表 底层盐度差大，可以取瘸表层淡水；若淡盐水呈强混合型，则意味着盐淡水混合 十分强烈，表底层盐度差极小，则不宜取用，但在水深不大的条件下，强混合型 可以考虑用一位的数学模型进行氯度预报，其精度可以满足要求【溺。 1 3 2 3 南水蔓调工程对长江河口盐水入侵影响研究 沈焕庭等( 2 0 0 2 ) 指出长江口咸水入侵的长度与强度主要取决于上游来的径 流量大小和潮差的大小，尤其是径流量的大小更是主导因素，而东线南水北调直 接从河口曲调水会减少河口的径流量，因而必然会加重长江口的咸水入侵。这对 南渡滠上的调永、弓| 水工程也是有启示的：应制定纛合理的调水( 弓l 水) 量，以免 加剧河口的盐水入侵。 7 第一章终论 l 。3 2 4 河口盐水入侵预测模型和数值模型研究 匿翠萍( 1 9 9 7 ) 对三维盐水入侵数值计算的方法有很好的归纳总结：建立了河 叠区盐水入侵计算鲶三维数学模型，模型将整个计算水域逶过麓单的坐标变换转 换成单位方体，三个坐标方向的空间网格均可采用非均匀网格，对变换后的基本 方程进行差分离散，水平方囊的空间导数采用显式孛心差分，垂直方向的窒闯导 数采用隐式中心差分，三角方程用t d m a 法求解，水位采用回代计算以提高精 度。该模型运用长江口水域的盐水入侵计算，结果表明，算出的含盐度时空分布 与实测一致，模型的主要特点是：变换简单，显隐式结合，稳定性尚好，计算速 度快。模型计算方法的基本特点是将流场方程组和浓度方程组联合求鳃，即所谓 的“耦含解”，具体离散基本方程的方法为有限差分法1 1 7 】。 1 4 本文所要研究的内容 ( 1 ) 分析入侵距离与流量、潮位之闻的关系 利用基于盐水入侵水动力学的方法，对入侵距离和流量之间的关系进行研 究。建立河道的准三维模型，通过对紊动黏性系数和盐度扩散系数的调整，以及 转变边界条件的类型，来获得模型的收敛。对盐水入侵模拟所要进行的时间进行 了确定。模拟小流量下河嗣盐水入侵状况，分析盐水入侵距离随时闻的变化趋势， 研究流量变化、潮水涨落对盐水入侵的影响。 ( 2 ) 分析加入防潮工程措施橡胶坝后，对盐水入侵的影响。 对毙修建不同尺寸的橡胶坝蘑，盐水入侵状况的改变。 提出了盐水入侵模拟有待完善的方面。 8 第二章南渡江河口盐水 侵的动力目素和 慢规律 第二童南渡江河口盐水入侵的动力因素和入侵规律 2 1 南渡江河口的动力特性 2 1 1 地形 南渡江松涛坝址以上为上游( 河段长1 3 7 k m ) ，松涛坝址至九龙滩坝址为中游 ( 河段长8 3 k m ) ，九龙滩坝址以下为下游( 河段长1 1 4 k i n ) ，其中龙塘坝址以下为河 口段( 河段长2 6 k i n ) 。 现代南渡江三角洲分汊三条主道，即北干流、横沟河和海甸溪。主干为北干 流，受东北季风而迫使分汉向西，依次成横沟河、海甸溪。北干流排水排沙为主， 排沙约占6 7 ，排水约占9 1 0 ；横沟河排沙1 7 ，排水1 1 0 ；海甸溪是进水进沙的 潮汐河道，涨潮流向东，落潮流向西。 参 图21 南渡江河口分汉形势示意图 第二章南渡江河口盐水入侵的动力因素和入侵规律 2 1 2 潮汐和潮流 南渡江河口潮汐现象主要是由于太平洋潮波经巴士海峡和巴林塘海峡进入 南海后形成，潮汐类型主要为不正规日潮，潮流作用于海岸发育很明显。 南渡江潮汐作用弱而风浪作用强，沿岸平均潮差1 o m 左右，最大潮差2 5 m 左右，平均涨潮历时比落潮历时长2 小时左右。实测天文潮最高潮位2 3 8 m ( 秀英 基面) ，实测风暴潮最高潮位为4 2 5 m ( 1 9 4 8 年) ，实测最低潮位0 0 6 m ，实测风暴 潮高潮位相应最大增水2 5 m ( 1 9 8 1 年) 。平时潮区在铁桥。由于盐度的变化与潮流 具有非常密切的关系，尤其是在枯水大潮的情况下，盐水入侵的程度尤为突出。 2 1 3 径流 南渡江径流由降雨形成，由于河流上游地处山区和琼西地区边缘，而中、下 游地处琼北地区，地理位置和气候特性的不同，造成径流在时间和空间分布上差 异较大。多年平均年径流深分布情况是，流域上游8 0 0 - - 一1 4 0 0 m m ，流域中下游6 0 0 一 - 1 1 0 0 m m 。全流域多年平均径流深9 8 0 m m ，径流量7 6 8 亿m 3 。据龙塘站水文资 料统计：实测最大年平均流量2 9 6 m 3 s ，径流量9 3 3 亿m 3 ( 1 9 7 3 年) ；实测最小年平均 流量7 8 6m 3 s ，径流量2 4 8 亿m 3 ( 1 9 7 7 年) ；实测多年平均流量1 8 1m 3 s ，径流量5 7 2 亿m 3 ( 1 9 5 9 - 1 9 9 7 年系列) ；实测最小流量1 4 0 m 3 s ( 1 9 7 6 年) ；实测最大流量9 3 0 0 m 3 s ( 2 0 0 0 年) 。调查最大流量8 9 6 0 m 3 s ( 1 9 2 8 年) 。估算历史最大洪水流量1 3 0 0 0 m 3 s ( 1 7 7 2 生g ) 。 2 1 4 风与波浪 南渡江三角洲位于海南岛的北部，海口湾的东侧。本区处于热带季风北缘， 据海口气象台1 9 5 1 - - 1 9 8 0 年3 0 a 统计资料分析，风向和风速具有显著的季节性变 化：夏季吹s 一_ s e 风，风速较小；冬季盛吹n n e - - e n e 风，风速较大；从全年风 向频率、平均风速与最大风速来看，n e 是优势风，其次是e n e 和s s e 风，强风向 为e n e 、s e 、n 向，与常风向一致。受风的季节性影响，本区波浪以风浪为主， 显著特征是周期短，平均周期在4 s 以内，n e 向波浪为优势波浪。该区波浪的另 一特征是具有显著的季节性变化：5 8 月以偏南浪为主，9 月至翌年4 月以东北浪 为主，其中以1 1 月至翌年2 月最盛。再次，该区具有相对较大的波能，南渡江三 角洲地区虽然波高值不大，但由于近岸坡度较陡，入射波可传播到近岸线处才破 碎，故波能集中于岸线附近，从而对地貌形态发育与演变具有较强的驱动作用。 第二帮枣渡江溺日盐农入授豹动力羁素_ 襁入侵撬律 2 2 南渡江河口盐水入侵的时空变化特性 2 2 1 南渡江河口盐水入侵的时间分布特性 南渡江河口盐水入侵在时间上的分布主要受到径流量及外海潮汐的影响，可 以按照时间的长短分为潮周日变化、朔望变化、季节变化及年际变化。潮周日变 化潮周日变化主要是受潮汐周期性变化的影响，一般而言，盐度( 氯度) 的变化与 潮流具有密切的关系。潮流与潮位的相位差主要决定于潮波的传播性。 2 2 2 南渡江河口盐水入侵的空间分布特性 南渡江河翻段含盐度从外海囱上游递减，但洪季和桔季含盐度上朔的距离不 同。由于南渡江的两个汉道横沟河与北干流的分流比为3 0 ：7 0 ，横沟河的来 承量较小，奠：裁干流更易受到盐水的控制。 2 。3 本章小结 由上述可见，南渡江河口的盐水入侵是不断的随着时间和空间而变化的，每 一区域盐度的对空变化与河叠的彤态、潮汐潮流及土游径流的因素均密切福关。 由于南渡江河口分横沟河和北干流入海的格局在近期内不会发生根本性的变化， 因此现阶段研究河口盐水入侵主要还是基于上游径流量豹变化及桔季潮水的背 景条件下来进行的。同时，鉴于前入在河口盐水入侵研究中所采取的方法、手段 及作出的成果，又考虑到本次研究的主要方向及内容，如果采用物模的方法来进 行研究，戳现有的条辞，难以傲到满是研究的最终嚣标，因此，本次研究主要采 取经验公式及三维( 准三维) 数值模拟相互结合的方法来进行。 1 2 。繁三豢基手釜承入侵衷动力学戆方法露警蠢二缝窳滚、薤度数学摸整豹建立 第三章基于盐水入侵水动力学的方法和平面二维数值模型 3 1 基于盐水入侵水动力学的方法 3 1 1 控制河口盐水入侵的基本因素 经过多年野外系统观测，实验室模型试验和理论以及数学分析研究，在详细 定义的入侵长度范围内，水流过程的扩教特征方面已经取得相当大的进步。河口 水流状况的机制受四个典型动力影响控制，即决定于不同高程和距口门不同距离 的流速方向寨量值。下露按照水流既重要性次序列出这些基本动力因素：( 1 ) 潮流 因素：作为口门强制性潮流的函数贯穿整个盐水入侵长度( 2 ) 重力因素：由于来自 陆地的淡水和外海入侵的威水密度差异产生的重力梯度( 3 ) 重力作用产生了淡水 向海净输移( 4 ) 由于地球自转引起的科氏力和河口航道弯曲引起的离心力产生了 横向流体运动。 3 1 2 高度分层系统 高度分层河口是当没有潮汐和径流在潮流作用占强烈优势时，可能出现强分 层河翻。 盐水楔：来自海洋的咸水沿河床上溯，侵入淡水下面。 盐水楔制动：前进或后退的盐水楔最终停止。 海岸工程师感兴趣的盐水楔的论题主要有三个方面： ( 1 ) 盐水锋瑟运动规德，向上入侵的距离。 ( 2 ) 在交界面制动盐水楔的外形，速度、混合速度以及底部剪切力。 ( 3 ) 主体部分的演变。 第三豢基手盐承入侵承动力学豹方法窝平嚣二缝衣浚、薤度鼗学横髫懿建立 3 1 3 制动盐水楔的形成特征 半二v筹蠢- v 一，一l 盐水楔运动 图3 。1 制动盐水模的特征 其中：弘前进盐水楔的流速，m s ； 前进盐水楔经过的距离，m ： 野一河水水深，心 净- 薅流流速，m s ； 弘河流宽度，州 尸一淡水密度，k 影m 3 ； j p + d 旷一盐水密度，k g m 3 ； ( 1 ) 制动型盐水楔形成所需距离： 密度流流速： ”牾 ( 3 1 ) 密度流雷诺数：i 沁a ：丘堡 ( 3 2 ) 通过维数分析技术，对前进盐水楔得： 芒= 力噜去，等，争 ， 对制动盐水楔：( v = o ，三= 厶) ，有： 鲁唰告，等，争 4 ， 其中：磊为制动盐东楔长度。 对于制动盐水楔方程可以在实验室验证，通过实验确定面积a 与厶h 和 1 4 第三牵基手薤零入侵索动力擘懿方法翔平嚣二缝寒流、薤度数学模整簸建立 _ 三 一圪) 2 魏爱数关系，可得割动盐水楔方程： 吾裟学) ”尝) ( 3 5 ) 基于实验整机制的理解，尝试应用至自然条件下，原型制动盐水楔长度三。的 规觏l _ _ o o = 6 0 ( v a p h h 声铮 p 。、圪7 。 综上，可褥到盐水入侵的大致范围。将以上公式应用在密强茜比河上，计算 值与测量值非常接近。同样也可计算出南渡江下游盐水的入侵距离。 国裁动型盐泰楔豹形状：根据实验室研究，数据分叛表骥：毽篷互，鲁芷专； k 茂毒，可以讲，所有割动盐水楔豹外形都摆似。 ( 3 ) 海疆盐水楔匏深度：因为= ，为了确定錾数关系，令 弘j 攀黟a p g ( u 一- h ) 根据连续性：k ( 日一厅们) 拦巧日，整理后： 百h , l 丽1 印2 v , 2 ； 。h 五y 。 综含馥上( 1 萄，霹班得到盐水楔形状湖。 3 2 平面二维水流数学模型 3 2 1 平面二维水流基本方程 连续方程： 运动方程： 一o h + 塑+ 塑o a | 融跏 ， l s 。动 8 ) ( 3 9 ) 第三豢基手釜承入侵拳动力攀豹方法j 曩警溪二缍承滚、釜度数学筷登豹建立 警+ 了8 h , + 掣：一动翌婴+ 邓1 夏a 掣一a u + a z 方向：国堂 一砂 。 玉 p 、纽。x 晏缸( 罢+ 罢) + r 。一f 坳) + 而 o。h_z。v+ah。uv+塑：一劝堂盟+一1【20他一ov+a y 一方趣：a 竺一y 。 a y 夕。a y 。o y 瓦0 舡瓦a u + + 一) 一廊 式中： i j 水深； 二、；茄、y 方向的速度分量； z 。水底到基准面的距离； 弘水体运动粘性系数； 、二水面风摩阻； f = 2 0 s m 多，其中国为地转角速度，矽为纬度。 、f 脚、的经验公式一般为： 睡踊。 2 苫孕厂 文再。 2 g 萌厂 1 6 ( 3 1 0 ) 3 。1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 。1 3 ) 0 。1 4 ) ( 3 。1 5 ) 咿 - _ s | 啡 肛 哪 识 岛p ，p q 引 ：m 毛 f 第三章基于盐水入侵水动力学的方法和平面二维水流、盐度数学模型的建立 3 2 2 定解条件 ( 1 ) 初始条件： 所谓初始条件是在计算的初始时刻给出的各变量的值，在全水域中， h ( x ，y ，t o ) = h ( x ，y ) u ( x ，y ，t o ) ：v ( x ，y ，t o ) = 0 一般计算中，水流的计算主要采用“冷启动”，即开始时刻给定一个各个水流 变量的常数初值。 ( 2 ) 边界条件 a ) 闭边界 ( x ，y ，t ) = 0( n 为陆边界法向) 圪( z ，y ，t ) = v o ，y ，t ) ( f 为陆边界切向，此处可以采用滑动边界亦可采用无滑动边界) b ) 开边界 开边界上，一般均采用实测水文资料作为边界条件。而实际上计算时若无实 测资料，则可以考虑采用模型嵌套，或也可以依据附近水文资料考虑潮波变形采 取权重平均法等方法插值得到，对于后者因选取变化幅度较小并容易确定的变 量。一般的形式有： 水位：h c x ，y ，t ) = h ，y ，t ) 3 2 3 方程的数值求解 目前数学模型的各种数值计算方法主要是对于基本方程的离散方法不同。主 要方法有有限差分法、特征线法、有限元法、有限分析法、边界元法及有限体积 法等。其中，有限元法能较好地模拟不规则河道岸线，同时又吸收了有限差分法 中的离散处理等优点。因此具有较为广泛的适应性，特别适合于几何、物理条件 比较复杂的问题。 而所谓的有限元方法，实质上就是r i t z g a l e r k i n 方法，它和传统的 r i t z g a l e r k i n 方法的主要区别在于，提供了一种选取”局部基函数”或”分片多项式 空间”的新技巧，从而在很大程度上克服了传统的r i t z g a l e r k i n 方法选取基函数的 固有困难。简单的说，有限元方法就是构造解空间矿的有限子维圪( 称为有限元 子空间) 的一种特殊方法。先把求解区域分成有限个单元的和，然后在每一个单 1 7 第三攀基手釜太入侵承臻力学戆方法寂乎纛二维袁淡、盐度数学攘鍪夔建立 元上作未知函数的多项式插值，并且使它们在相邻单元的公共边界上满足一定的 连续性，亦保证用这种分片插僵酗数组成的有限维空间k 是辩空间矿的子空闯。 从这个意义上讲，有限元方法的基础是变分原理和分片多项式插值。用分片插值 多项式构造子空间昀方法，克服了传统i 斡r i t z - g a l e r k i n 方法在构造子空阑时赝遇 到的困难，并且可以使得形成的r i t z g a l e r k i n 方程的系数矩阵的计算量大为减少， 特别的，盎瑶对节点编号采取一些措施，还可以使系数矩阵是一个带状稀疏矩阵， 这对减少存储量和计算量都是很有好处的。+ 总之，有限元方法既保持了传统的r i t z g a l e r k i n 方法的优点，又克服了它的 不足之处，这种方法尤其适用于诗算区域复杂，定勰条件中含有第二或第三类边 值条件，方程的系数有间断( 从而出现内边界) 等情形。有限元方法首先成功的应 用于结构