２０１０年第４期 闽江下游河床演变成潮影响数值模拟 王世场，程永隆，戴枫勇 （福建省水利水电勘测设计研究院，福建福州 ３５０００１） 摘要：该文基于实测河道地形，建立水口～闽江口～外海平面二维数学模型，采用有限体积法 进行数值计算。模拟分析闽江河道地形演变对咸潮上溯的影响。随着闽江下游河道地形下切， 咸潮影响上界上移，影响范围可达淮安附近，闽江下游几个主要水厂取水口均在影响范围内， 从盐度过程形态看，变化过程趋于和缓，反映了河床下切导致河槽蓄量增加的情况。 关键词：数学模型；成潮；河道演变；闽江 中图分类号：Ｘ５２２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００２—３０１１（２０１０）０４—００３３—０３ 加大趋势。 １ 概述 闽江是福建省内主要的河流，流域总面积６０ ９９２ ｋｍ 。 闽江水口水电站位于闽清县，于１９９３年４月蓄水运行。水 为研究闽江下游河道演变对咸潮影响，建立水口～闽江 口～外海平面二维数学模型进行定量模拟分析。 ２ 水口～闽江口～外海二维水动力、成潮 模型 ２．１ 模型基本方程及数值计算方法 守恒形式平面二维浅水方程组： 口坝址以下至闽江口称闽江下游（见图１），河长约ｌ１７ ｋｍ。 台 湾 ＋ ｄｔ ｄｘ ＋ ｄｙ ：０ ａｔ ＋ ａｘ ＋ ａｖ －ｇｈ 。… … ） ）一ｍ ａｔ ＋ ｄ＋ ｘ 式中： ｈ为水深； ａｖ ：ｇｈ（ｓａｖ 。 ｕ和ｖ分别为ｘ和ｙ方向垂线平均流速分量； ｇ为重力加速度； 图１ 闽江下游概况图 Ｓ 、Ｓ．ｒ分别为ｘ和Ｙ方向的床底坡降； 闽江口是咸淡水交汇区，河口区的盐度随径流、潮流相 互消长而变化。枯水期由于上游来水量减少，径流作用减 弱，潮流作用相对增强，导致咸水界上移。部分咸水上溯使 得马尾附近水域氯离子浓度增加。近年来，闽江下游河道剧 烈下切演变使得河床的进纳潮量增大，导致潮流界、潮区界 不断上延。１９９４年、２００３年和２００９年枯水大潮期，闽江口 出现了较明显的咸水倒灌现象，影响闽江下游几个水厂的取 水。根据资料分析，近年来闽江口咸潮的强度和影响范围呈 收稿日期：２０１０—１１—１６ ｓｈ：ｐｎ ｕ√ｕ ＋Ｖ２／ｈ４／ 、ｓ～＝ｏｎ ｖ ｕ ＋Ｖ２／ｈ４／’分另０ 为Ｘ和Ｙ方向的摩阻底坡； ｎ为河道糙率； ｆ＝２Ｏｓｉｎ８表示柯氏力系数，其中Ｑ为地球自转角速 度，８为当地纬度。 守恒形式的二维对流扩散方程： ａｔ ＋ ａｘ ＋ ａｙ ＝ ａｘ、 ａｘ ，＋ ａｙ、 ａＶ ， 式中：ｃ为浓度； Ｄ 、Ｄ 分别为ｘ、ｙ方向浓度扩散系数。 ３３ 数值计算方法采用有限体积法（ＦＶＭ），应用有限体积 法（ＦＶＭ）进行积分离散，利用通量的坐标旋转不变性把二 维问题转化成一系列局部的一维问题进行求解，采用全变差 峡南书位 缩小格式（ＴＶＤ）计算各跨单元边的水量、动量与物质通 量。 ２．２模型范围、网格划分及计算条件 建立水口一闽江口一外海二维动态仿真数学模型。为减 少模型模拟计算条件变化对边界的影响，模型的上游边界以 闽江下游干流水口水电站坝下和主要支流大樟溪莒口为控 制，下游边界选择连江黄岐半岛北茭至海坛岛乎潭澳前连线 的闽江口外海。 敖江和福清龙江流域面积较小，径流量相对敖江口和福 清湾潮量而言很小，进行简化，不参与计算，其余小支流也 予以简化。 采用无结构网格对局部岸线较复杂的河道附近进行适当 网格加密处理，外海部分网格大小适当放宽（见图２）。生 成网格６０ ５２９个，网格大小介于１００ ＩＩｌ 与１ ０００ ０００ ｍ 之 问。模型的计算时间步长为４ Ｓ。 高程（罗霉 图２模型范围及网格划分图 模型的水下高程根据实测水下地形图及闽江口附近海图 确定。 ２．３ 边界条件 水动力模型初始水位值根据各测站实测水位值进行线性 插值，初始流速值设为０。水动力模型闽江河道上边界以水 口实测下泄流量过程作为边界条件，大樟溪上边界流量以 ２０ １１１’／ｓ计；下边界以连江北茭、平潭澳前两外海潮位观测 站实测潮位过程控制。 上游边界闽江水口坝下和大樟溪氯离子浓度根据历年观 测数据确定，下游外海边界根据连江北茭、平潭澳前外海观 测站实测浓度过程确定。根据实测资料分析，两站浓度日变 化幅度在６％以内，浓度过程较为稳定，作为外海边界是合 适的。 ２．４模型率定与验证 计算区域内部分水文站２０１０年１月水位率定验证结果 ３４ ／９ １／１０ １／ １１ １／１２ １／１３ １／１４ １／１５ １／１６ １／１７ １／１８ １／１９￣ＪＰｌ 图３水位率定验证 Ｘ Ｘ Ｋ ｌ×＾ｃＣ １ 图４氯离子浓度率定 § 蜜 麻 图５氯离子浓度验证 见图３。咸潮模型的率定验证结果见图４、图５，其中瑁头站 位于闽江口琅岐岛北侧长门水道左岸，琅岐度假村位于琅岐 岛南侧梅花水道左岸。 由率定与验证结果看，氯离子浓度与实测值较为接近， 模型的参数取值合理，验证计算结果可信，可以较好地对该 区域的水动力与咸潮进行模拟。 ３计算工况拟定 为研究闽江下游河床演变对咸潮影响分析，模拟计算选 择２种地形条件计算工况，其中河道地形条件分别为２００３ 年实测地形（工况一）、２００９年实测河道地形（工况二）， 闽江水口电站以最小下泄流量３０８／／１ ／ｓ持续下泄，遭遇外 ２０１０年第４ 一 一 蛱 髓 一 Ｉ） 艟 侵隋 以此模拟分析闽江下 ５ 模拟计算结果分析 Ⅻ 鲫 ㈣ 游河床下切对咸潮上溯的影响。 各计算工况外海潮位过程以２００８年１２月过程控制。初 始浓度场选择根据实测资料内插后模拟计算１Ｏ天后的浓度 场。模型上游边界闽江水口坝下和大樟溪氯离子浓度根据历 年观测数据确定，下游外海边界根据外海观测站实测浓度过 程确定。 ４模拟计算结果 模拟计算结果见图６、图７。 ２ ３ 长乐水厂火山取水口 图６氯离子浓度过程模拟 ４＂ＭＩＩｔ ４ Ｉｌ】４２￣０１０ ４２８Ｍ｝４７／Ⅲ４衄Ｉｌ１ ４ ¨） 氯离子浓度 ｊ 器：’黜昌器： 昌裟： 昌 ： 昌器：’器＿ 图７ 大潮涨憩氯离子浓度分布 …… … ’’ 随着河道的下切，闽江北港出口的马尾水厂取水口氯离 子浓度过程形态由原来的“尖瘦”型向“矮胖”型发展， 其浓度高值下降，但低值上升。随着河道地形演变，南港变 成径流和潮流的主要通道，进出潮量增加，水体交换增强。 南港出口的城门水厂取水口氯离子浓度过程形态变化则与北 港相反。南北港汇合口处的炎山水厂取水口氯离子浓度过程 也是高值下降，低值上升。从氯离子浓度过程形态看，基本 反映了河床下切导致河槽蓄量增加盼隋况。 相比２００３年，２００９年河道地形条件下，南、北港５００ ｍｇ／Ｌ等浓度线影响范围分别上延了约５ ｋｍ和１．８ ｋｍ。从影 响范围看，随着闽江下游河道下切，咸潮对闽江下游马尾水 厂、城门水厂、长乐水厂、东南区水厂取水口影响加大。 ６ 结语 （１）基于实测河道地形，通过建立水口～闽江口一外海 二维动态仿真数学模型，减少了模型模拟计算条件变化对边 界条件的影响，经率定验证，可用于定量模拟研究闽江下游 河床演变对咸潮上溯的影响 （２）建立闽江下游河道地形与咸潮的响应关系，通过模 型模拟研究发现，随着闽江下游河道地形下切，咸潮影响上 界确实发生了上移。相比２００３年，２００９年河道地形条件下， 南、北港５００ ｍｇ／Ｌ等浓度线影响范围分别上延了约５ ｋｍ和 １．８ ｋｍ。影响范围可达淮安附近，闽江下游几个主要水厂取 水口均在影响范围内。 （３）从盐度过程形态看，随着河道地形下切，盐度变化 过程趋于和缓，基本反映了河床下切导致河槽蓄量增加的情 况。 （４）闽江下游成潮上溯情势受南北港及下游水动力条件 变化影响，建议尽快开展闽江下游河道综合整治规划研究， 确定闽江南北港适宜的分流比，在此基础上，采取工程和非 工程措施控制成潮上溯，保护水源地水质。 （５）为防御和控制大规模成潮入侵，应尽快开展闽江下 游咸潮预警预报系统研究。 注：本文获水利部公益性行业科研专项经费项目“闽江 下游水资源及水环境系统研究”资助，合同（项目）编号： ２００８０１０４９。 作者简介：王世场（１９７６一），男，福建漳浦人，高级工 程师，从事环境水利研究、水土保持设计工作；程永隆 （１９６３一），男，福建南平人，教授级高级工程师，从事环境 水利研究工作；戴枫勇（１９８３一），男，福建福清人，工程 师，从事环境水利研究工作。 ３５