中图分类号：TV143 文献标识码：A 文章编号：0559-9350（2010）12-1438-08
Tidal current and sediment problems related to the blocking of a branch in complicated bifurcated tidal estuary
LI Meng-guo，YAN Yong，MAI Miao，LI Wen-dan
Abstract：The tidal current and sediment problems related to the blocking of the south branch of the Oujiang Estuary were studied. First，natural conditions and seabed evolution of the estuary were analyzed. Then，by means of the 2D mathematical models and physical model the study on wave，tidal current and sediment，as well as the seabed erosion and deposition before and after blocking were carried out. The effect of existing submerged dyke，and the influences of flood discharge and drainage of the Oujiang River were also studied. The results show that it is feasible to block up the South Branch of the Oujiang Estuary by heighteNIng the present submerged dyke with the imPACt of the blockage project on water flow，sediment and flood discharge and drainage of the Oujiang River are concerned.
Key words：complicated estuary；blocking；bifurcated branch；mathematical model；Oujiang Estuary；tidal current；sediment
1 研究背景
分汊河口是河流在入海口处被岛屿或沙洲分成不同分支，我国的长江口和瓯江口等都属于分汊河口。由于动力条件的不同，不同分支往往有主次之分，对次要支汊进行封堵可以获得大量土地资源。本文以瓯江口为例，研究探讨次要支汊能否完全封堵问题。
瓯江属于山溪性潮汐河流，瓯江口被灵昆岛分为南口和北口（图1）。瓯江口外岛屿林立，浅滩密布，滩槽交错，水道纵横，地形复杂。瓯江口外有温州浅滩、三角沙、中沙、瓯飞浅滩、乐清浅滩等沙滩，有沙头水道、小门水道、大门水道、中水道、黄大岙水道、黄大峡水道、南水道、重山水道等水道；在龙湾和七里有温州港龙湾港区和七里港区，中水道—黄大岙水道是目前温州港的出海航道；连接灵昆岛和霓屿岛的灵霓大堤已经于2006年建成。瓯江南口于20世纪70年代实施了潜坝工程（图1）。
自从实施南口潜坝工程以来，潜坝外侧的南口河段河床不断淤高，低潮时大片浅滩露出。据2005年水深测量结果，最浅水深达到4.8m（理论基面上）。据2005 年的水文测量资料分析［1-2］，瓯江南口和北口涨潮分流比为16：84，落潮分流为25：75，瓯江北口是瓯江的主要入海通道，瓯江南口处于萎缩状态。若瓯江南口能够封堵，在瓯江南口、温州浅滩、瓯飞浅滩可以围垦大量土地，大大缓解温州市的土地匮乏状况。本文采用多种研究手段，从水流泥沙及瓯江泄洪排涝角度对将现潜堤加高的瓯江南口封堵方案进行了研究。
2 自然条件［1-2］
瓯江是浙江省第二大河，全长388km，流域面积1.8 万km2。瓯江口为强潮河口，感潮河段长78km。据瓯江上游多年实测资料统计，瓯江平均年流量为470m3/s，多年平均年入海总水量为148.05亿m3；圩仁站实测最大洪峰流量为22 800m3/s（1952年7月20日），最小流量为10.6m3/s（1967年10月20日），年际间最大与最小年平均流量和径流总量变化达3.4倍，实测最大和最小流量相差可达2000倍。瓯江为少沙河流，多年平均年悬移质输沙量为205.1万t，年平均含沙量为0.131kg/m3，其中圩仁站为0.135kg/m3，石柱站为0.094kg/m3，年最大输沙量为559.4万t（1975年），年最小输沙量为42.3万t（1979年），其变化达到13倍。若考虑其推移质，按其悬沙量的10%量级估算，推移质也仅有20~50万t左右。据多年实测资料统计，瓯江南北口的平均涨潮分流比为21%和79%，落潮平均分流比为26%和74%；瓯江南北口的平均涨潮分沙比为20%和80%，平均落潮分沙比为22%和78%。
图1 瓯江口形势
瓯江河口平均潮差在4m以上，最大潮差在7m以上，属正规浅海半日潮流类型，由于涨落潮流受水域地形限制，从表层到底层均呈现往复流特征，垂线平均流速流向过程与0.6H 层的流速流向过程相当，从表层到底层流速逐渐减小。瓯江北口潮流动力最强，根据瓯江北口28#~32#测站的资料分析，表层涨潮最大流速达1.94m/s，落潮最大流速达2.68m/s；底层涨潮最大流速达1.26m/s，落潮最大流速达2.14m/s；垂线平均的涨潮最大流速为1.02~1.59m/s，垂线平均的涨潮平均流速为0.56~0.97m/s，垂线平均的落潮最大流速为1.01~2.45m/s，垂线平均的落潮平均流速为0.65~1.46m/s。
瓯江口及其附近（包括龙湾、七里、黄华、沙头水道、三角沙、南口、南水道）范围，为该海域含沙量较大的区域，1999年、2002年实测涨或落潮垂线平均含沙量最大值均在1.0kg/m3 以上，其中以龙湾和七里为最大，断面各垂线涨落潮潮段平均分别达3.157kg/m3、2.610kg/m3 和1.816kg/m3、2.711kg/m3，其中涨落潮垂线平均最大龙湾分别为7.351kg/m3、5.976kg/m3，七里分别为9.866 kg/m3、8.976kg/m3，小门岛、乐清湾水域含沙量为最小，其潮段平均含沙量在0.3kg/m3 以下。从分布上呈现有河口及其附近含沙量大，其外侧海域含沙量逐渐变小的分布规律。
根据1999年、2002年和2005年水文测验全潮期悬沙取样分析，历年平均整个瓯江口区域悬沙中值粒径D50约为0.006~0.008mm。根据1999年、2002年、2005年底质测量资料分析，瓯江口及其附近海域底质中值粒径D50分布状况如下：龙湾附近为0.015 1~0.176 8mm，北口为0.003 2~0.239 8mm，南口为0.033 7~0.267 9mm，中水道为0.006 9~0.169 4mm，南口出口段为0.005~0.009mm。
根据1986—2005 年4 次（1986、1999、2002、2005 年）水深测图的对比分析，瓯江口内外1986—2005年期间3.7m（半潮位）下水域年均冲刷0.5cm，0m下水域年均冲刷2cm，这充分反映了瓯江河口及附近海域范围泥沙来源有限，使得其冲淤变化甚微，长期保持一种平衡状态。
3 二维波浪潮流泥沙数学模型
3.1 数学模型的建立
二维波浪潮流泥沙数学模型采用TK-2D软件［3］中的考虑波浪及其破碎作用的基于三角形网格的潮流数学模型和考虑波浪、潮流共同作用下的泥沙数学模型模块，这些模块的基本方程和数值方法可参见文献［4］。波浪数学模型计算见文献［5］。
二维潮流泥沙数学模型计算域的西边界至梅岙，东边界至121° 30′经线，距离洞头岛31km；北边界至乐清湾顶，南边界至27?37. 5′ N，距离洞头岛23km。计算域的东西距离为90.4km，南北距离85.7km。用不规则三角形网格剖分计算域，网格见图2，考虑大大小小岛屿43个。从图2可见，图中的三角形网格较好地概括了瓯江口、洞头岛和乐清湾海域复杂的岸线、岛屿和地形特征。最大空间步长1 138.97m，最小空间步长31.12m，三角形网格节点73 580个，三角形单元数142 999个。
3.2 模型验证［2］
采用2005 年6-7 月的瓯江口内外大、中、小3 个潮次的潮流测验资料对模型进行了潮流悬沙验证：潮位测站17个，大潮潮流悬沙测站19个（图1），中潮潮流悬沙测站16个，小潮潮流悬沙测站23个；使用2002年和2005年2次水深图的冲淤分析结果对温州浅滩冲淤和瓯江北口冲淤进行了验证。图3给出了部分测站的流速、流向和潮位过程的验证，图4给出了温州浅滩冲淤验证。各项验证均符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》［6］的要求。
图2 二维潮流沙数模计算网格
图3 流速、流向和潮位验证
图4 地形冲淤验证（单位：m）
3.3 数值模拟
对将现南口潜堤加高的南口封堵方案进行了二维潮流数值模拟研究。计算以2005年实测的大、中、小潮潮型为基础，考虑了瓯江上游3种流量，即多年平均流量（470m3/s）、5%频率流量（22 514m3/s）和50%频率流量（9 776m3/s）。泥沙冲淤计算考虑了波浪作用，图5为瓯江南北口附近年冲淤厚度。根据对数值模拟结果的分析，南口封堵方案实施后：
（1）龙湾以上江段、龙湾港、七里港、瓯江北口及口外海区（中水道、黄大岙水道、状元岙港区、沙头水道、小门水道、乐清湾、重山水道）的流态基本没有变化。
（2）瓯江北口河段及口外海区各主要水道和港区（中水道、黄大岙水道、状元岙港区、沙头水道、小门水道、重山水道）的流速增加、底床冲刷，对港区和出海航道水深维护有利。
（3）对乐清湾潮流场没有影响；对瓯江北口河段影响最大。
（4）温州浅滩和瓯飞边滩在靠近南口和南水道的局部区域发生了淤积，平均厚度不超过10cm。
（5）原来由南口进出瓯江的潮量改由瓯江北口独立完成。计算结果表明：龙湾以上河段流速流速和潮量变化很小（“大潮+上游平均径流流量”情况下其涨落潮流速变化仅0.01~0.02m/s），瓯江北口河段及北口以外各主要水道和港区涨落潮流速增加1.4%~15.1%（大潮+上游平均径流流量），七里断面涨落潮潮量分别增加14.4%和12.0% （大潮+上游平均径流流量），北口河段冲刷深度0.06~0.78m，平均冲刷深度0.43m。
（6）综上所述，瓯江南口封堵是基本可行的。
图5 计算的冲淤分布（单位：cm）
4 波浪潮流泥沙物理模型
4.1 模型设计与制作［2］
模型设计满足了潮流运动和泥沙运动相似的要求，为满足南口、南水道水域及灵霓北堤南侧水域波浪掀沙的要求，模型应满足波浪运动传播速度相似的要求。
模型布置见图6，模型上边界范围到达梅岙，下游海域到达大门岛—状元岙外侧，北侧包括沙头水道和大、小门岛，南侧到达霓屿南6~7km，模型原型范围东西长61km，南北宽27km，根据试验大厅宽54m，长100m的范围，该模型平面比尺经综合比较选取750，模型垂直比尺按照泥沙沉速相似的要求，选取120，模型变率6.25。根据试验研究要求，并考虑到该海域潮流的主方向，模型在试验厅中按正北方向逆时针旋转9°布置。模型由东面生潮，考虑到洞头列岛的影响，采用双口门生潮分别提供状元岙—霓屿南北两侧的潮流动力。造波机分别安装在模型东侧与南侧，模拟E向和S向波浪。模型南北两侧开边界采用可逆泵流量控制系统进行水流的调整，上游河段采用扭曲河段模拟纳潮区界，并由供水系统经量水堰供给河道径流。
局部动床模型范围：上游始于龙湾，包括瓯江北口水道、中水道及瓯江南口，共计约60km2。
图6 物理模型试验布置
4.2 模型沙的选择
通过天然沙与模型沙水槽动力试验对比，确定宁夏银川煤粉作为模型沙，由于南口和北口天然泥沙D50有所不同，因此根据模型沙水槽起动和沉降试验，在模型中北口及外侧铺设模型沙粒径为0.044mm，南口及外侧铺设模型沙粒径为0.032mm。
4.3 模型验证
和数学模型一样，采用2005年6—7月的瓯江口内外大、中、小3个潮次的水文全潮测验资料对模型进行了验证。验证结果符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》［6］的要求。自然冲淤验证试验采用两种方法来实施，分别依据1999—2005 年和2002—2005 年多年平均地形冲淤量验证，径流的控制分别按照年平均径流470m3/s和2002—2005年月平均径流来施放。模型波高采用W1和W2测波站的统计波高值，分别在模型E向、S向造波机起始处设置控制生波机的起始波高。
大风浪情况下瓯江出海航道泥沙骤淤验证试验选取2005年6月—8月在瓯江出海航道（中水道—乌仙头）的水深测量资料为验证依据。出海航道、中水道泥沙骤淤验证试验中，采用2005年6—7月间实测最大洪水流量作用2d，其它时间施放该时段平均径流。通过1999—2005年和2002—2005年两个时期多年平均地形冲淤变化及分布验证试验和出海航道、中水道的泥沙骤淤验证试验，结果表明［2］：模型冲淤量与原型冲淤量基本相同，冲淤分布和变化规律一致，说明波浪、潮流、泥沙模型的设计和模型试验边界条件的选取是合理的，该模型为波浪潮流泥沙方案试验提供了保证。
4.4 方案试验
对将现南口潜堤加高的南口封堵方案进行了试验研究。对周围水沙环境影响试验以2005年实测的大、中、小潮潮型为基础，考虑了瓯江上游3种流量，即多年平均流量（470m3/s）、5%频率流量（22 514m3/s）和50%频率流量（9 776m3/s）；对瓯江泄洪排涝影响试验以2005年实测大潮为基础，考虑了瓯江上游百年一遇洪水流量下泄。通过对试验结果的分析，有以下结论［2，7］：
（1）南口封堵方案截断了南口水道涨、落潮量，瓯江北口成为瓯江唯一的入海通道，南口封堵后瓯江的涨、落潮量将由北口独立承担，造成了瓯江北口，特别是七里港附近的涨、落潮流速和潮量显著增大和增强，在大潮+年均径流状态下，七里港断面涨、落潮量分别增大14%和19%。
（2）南口封堵方案下，通过瓯江北口潮量的增大将由中水道和沙头水道来补充，因此中沙水域流速和潮量均有所增大，在大潮+年均径流状态下，黄大岙断面涨、落潮量分别增加3.33%和9.23%，沙头水道断面分别增加6.19%和13.11%，对维护中水道航道和沙头水道的水深将起到积极作用。
（3）南口封堵方案下，杨府山附近流速变化量在0.02m/s以下，龙湾上游断面流速和潮量变化幅度一般不足3%，通过瓯江北口进入瓯江的潮量与天然状态下进入瓯江的总潮量相当，因此南口封堵方案对龙湾及其以上河段的影响是非常有限的。
（4）通过流速对比可以看到，青山岛附近测点和小霓屿附近测点流速变化量均不足0.03m/s，因此南口封堵造成的影响在灵霓大堤北侧不会影响到状元岙港区，南侧不会影响到小霓屿水域。
（5）南口封堵方案下，瓯江南口河段水域成为一弱流区，同时将会造成南口水道外侧、灵昆岛南侧附近水域流速明显减弱，流速普遍减小50%左右，在瓯飞浅滩北侧~灵昆岛南侧也将形成一弱流区域，弱流区的形成为泥沙落淤创造了良好的动力环境。
（6）经波浪潮流泥沙试验结果表明，南口封堵方案后瓯江北口河段均呈现为冲刷状态，平均冲刷厚度为0.30m，其中七里港断面平均冲刷为最大，冲刷0.45m。
（7）中水道呈现为略有冲刷状态，年平均冲刷厚度为0.09m，最大断面冲刷变化为0.22m。
（8）南口表现为淤积状态，平均淤积厚度为0.11m。
（9）瓯江上游1%频率洪水下泄情况下，瓯江南口封堵使龙湾以上高水位雍高0.13m~0.01m，低潮位雍高0.05m~0.01m，雍高后的高潮位仍没达到历史最高潮位记录。因此，瓯江南口封堵不会影响到瓯江的排涝和泄洪。
从物理模型试验结果可以看出，物理模型对周围水沙影响的结论与二维潮流泥沙数学模型基本一致，对瓯江泄洪排涝影响的结论与有关文献［8］基本一致。因此，南口封堵方案是基本可行的。
5 三维潮流数学模型
为研究南口封堵工程对温州港龙湾港区、七里港区码头前沿和出海航道水深的影响，需要建立局部三维潮流数学模型。瓯江北口是瓯江的主要入海通道，潮流动力很强。南口封堵后，原由南口进入和流出瓯江的水体将由瓯江北口来完成，这势必进一步增强北口的涨落潮流动力。通过三维潮流的模拟，可以了解瓯江北口及口外航道各水层的潮流动力增加情况，从而可以初步论证南口封堵的可行性。
5.1 数学模型的建立
采用文献［6］中推荐的基于三角形网格和垂向σ坐标变换技术的三维潮流数值模拟方法建立了三维潮流数学模型。
三维潮流数学模型计算域的西边界至梅岙；北边界至乐清湾顶；东边界至121°20′ E，距离洞头岛14km；南边界至27°42.8′ N，距离南策岛5km；计算域的东西距离为72.2km，南北距离71.5km。平面用不规则三角形网格剖分计算域，网格见图7。最大空间步长866.20m，最小空间步长22.30m，三角形网格节点60 866 个，三角形单元数117 642 个。在σ坐标系中垂向等间距分层，取垂向网格步长Dσ = 0.1 ，即垂向分11层。
图7 三维潮流数模网格
5.2 模型验证
使用2005年6月23—24日在瓯江口进行的19个潮位站和19条垂线的大潮水文全潮测量资料（站位见图1）对模型进行了验证。对19个测站均进行了对应实测的各层的流速流向验证。从验证情况看，计算的潮位过程和各层的流速流向过程在位相和数值上与实测值均吻合较好［2］，符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》［6］的要求。
5.3 数值模拟
对将现南口潜堤加高的南口封堵方案进行了模拟研究。图8～图11分别为计算的工程前后表层涨落潮流场图。
图8 表层涨潮流场
图9 表层落潮流场
图10 工程后表层涨潮流场
图11工程后表层落潮流场
（1）温州港龙湾港区、七里港区及出海航道潮流动力较强：大潮表层涨潮最大流速达0.97~1.64m/s，潮段平均流速达0.56~0.92m/s，落潮最大流速达1.48~2.64m/s，潮段平均流速达0.85~1.70m/s；大潮底层涨潮最大流速达0.65~1.09m/s，潮段平均流速达0.37~0.61m/s，落潮最大流速达1.01~1.97m/s，潮段平均流速达0.64~1.27m/s。七里港区附近流速最大，表层涨潮最大流速达1.64m/s，落潮达2.64m/s，底层涨潮最大流速达1.09m/s, 落潮达1.97m/s。
（2）南口封堵方案实施后，无论是涨潮还是落潮，无论是表层还是底层，龙湾港区、七里港区、中水道和黄大岙水道的最大流速和平均流速都是增加的，增加幅度0.5%~14.8%：龙湾港区流速增加0.01~0.03m/s，中水道流速增加0.01~0.32m/s，黄大岙水道流速增加0.01~0.09m/s，七里港区附近流速增加0.05~0.32 m/s；七里港区附近表层涨潮最大流速由1.64m/s增至1.88m/s，增幅14.6%，底层涨潮最大流速由1.09m/s 增至1.25m/s，增幅14.7%，表层落潮最大流速由2.64m/s 增至2.96m/s，增幅12.1%，底层落潮最大流速由1.97m/s增至2.21m/s，增幅12.2%。
（3）从流速增加幅度及实际流速量值看，南口封堵方案基本可行。
6 结论
为了探讨封堵分汊河口次要分支以获取大量土地资源的问题，本文采用了二维波浪潮流泥沙数学模型，波浪潮流泥沙物理模型和局部三维潮流数学模型等研究手段，以瓯江南口封堵为例，从水流泥沙和泄洪排涝角度研究了复杂分汊河口汊道封堵的可行性问题。研究结果表明：
（1）将现瓯江南口潜堤加高进行封堵对瓯江北口口外海区各水道港区的水深维护有积极影响，对乐清湾的流场没有影响，对瓯江北口河段影响最大。
（2）将现瓯江南口潜堤加高进行封堵对龙湾以上河段流场和潮量影响很小；瓯江北口七里断面的涨潮潮量增加14.4%（数模）、14%（物模），落潮潮量增加12%（数模）、19%（物模）；瓯江北口河段平均冲刷深度0.43m（数模）、0.30m（物模），最大冲刷深度0.78m（数模）、0.45m（物模）；七里港区附近表层涨潮最大流速由1.64m/s 增至1.88m/s，增幅14.6%，底层涨潮最大流速由1.09m/s 增至1.25m/s，增幅14.7%，表层落潮最大流速由2.64m/s增至2.96m/s，增幅12.1%，底层落潮最大流速由1.97m/s增至2.21m/s，增幅12.2%。
（3）瓯江上游1%频率洪水下泄情况下，瓯江南口封堵使龙湾以上高水位雍高0.13~0.01m，低潮位雍高0.05~0.01m，雍高后的高潮位仍没达到历史最高潮位记录。因此，瓯江南口封堵不会影响到瓯江的排涝和泄洪。
（4）从对周围水沙环境和瓯江泄洪排涝的影响角度考虑，将现瓯江南口潜堤加高进行封堵是基本可行的。
参考文献
［ 1 ］郑敬云，李孟国，麦苗. 瓯江口水文泥沙特征分析［J］. 水道港口，2008，29（1）：1-7 .
［ 2 ］李孟国，杨华，闫勇. 瓯江南口工程波浪潮流盐度泥沙数学模型和波浪潮流泥沙物理模型试验及冲淤演变分析研究［R］. 天津：交通部天津水运工程科学研究所，2008 .
［ 3 ］李孟国，张华庆，等. 海岸河口多功能数学模型软件包TK-2D的研究与应用［J］. 水道港口，2006，27（1）：51-56 .
［ 4 ］李孟国，李文丹，等. 田湾核电站海域潮流泥沙数值模拟研究［J］. 泥沙研究，2008（4）：16-23 .
［ 5 ］李孟国，刘百桥. 瓯江口海区波浪数学模型研究［J］. 水道港口，2001，22（1）：1-8 .
［ 6 ］ JTJ/T233-98，海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程［S］.
［ 7 ］闫勇，麦苗. 瓯江南口工程排洪、泄洪物理模型试验分析研究报告［R］. 天津：交通部天津水运工程科学研究所，2006 .
［ 8 ］陆永军. 温州南口工程对防洪影响的潮流数学模型研究［R］. 南京：南京水利科学研究院，2006 .
作者简介：李孟国（1964-），男，天津人，博士，主要从事海岸河口水动力泥沙研究。
