感潮河道河口建闸对水动力影响研究

韩 景

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

黄浦江是一条中等感潮河道，上承太湖，下接长江口[1]，贯穿上海城区，是构成上海水系最大的骨干河道，具有防洪、供水、排水、航运、生态、景观、旅游等综合功能。

受全球气候变化、海平面上升、风暴潮加剧、地面沉降等自然环境因素及人类活动的影响[2]，黄浦江沿岸水位出现了趋势性抬升，现状黄浦江防汛墙设防[3]高程已不能满足新形势下千年一遇的设防标准，上海城市防洪风险日益增大。

历史上直接登陆上海的台风较少，但是近几年全球变暖导致台风登陆点朝北或北偏西方向移动，台风登陆上海的几率逐渐增大。2021年，对上海影响较大的的台风有“烟花”和“灿都”，受台风“烟花”和天文大潮的双重影响，黄浦江米市渡站的最高水位达到4.79m，创造历史新高。因此，迫切需要采取相应的工程措施来提高黄浦江堤防的防洪(潮)能力。比较有效的方案是在黄浦江河口建挡潮闸[4]，阻止河口的高潮上溯。

陈瑞方[5]和崔冬[6]等人曾采用一维数学模型进行黄浦江河口建闸的水动力初步研究，经过了近10a，黄浦江水下地形和水情发生了较大改变，老模型已不再适用。为了更精确反映黄浦江蜿蜒曲折的岸线和复杂的水下地形，本文根据2021年的水下地形资料构建黄浦江三维水动力数学模型，重点研究黄浦江河口闸的挡潮效果和闸外水位振荡情况，为黄浦江河口闸的方案设计和调度运行提供技术支撑。

1 数学模型构建

本文采用丹麦DHI公司开发的MIKE 3软件中的HD水动力模块来构建黄浦江三维水动力数学模型。

1.1 模型原理

MIKE 3模型建立在三维不可压雷诺平均N-S方程的基础之上，方程包含了Boussinesq和流体静压假定[7]。浅水控制方程如下。

局部连续方程：

(1)

x方向和y方向上的水平动量方程分别为：

(2)

(3)

式中，t—时间，s；x，y和z—笛卡尔坐标系，m；η—水面高度，m；d—静水深，m；h—总水深，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—科里奥利参数，无量纲，f=2Ωsinφ；g—重力加速度，m/s2；ρ—水的密度，kg/m3；sxx，sxy，syx和syy—辐射应力张量的分量，Pa；vt—垂向湍流粘度(或涡粘)，m2/s；pa—大气压强，N/m2；ρ0—水的参考密度，kg/m3；S—点源的流量大小，m3/s；us、vs—流入周围环境水的速度大小，m/s。

湍流建模采用涡粘理论[8]，分别考虑垂向和水平方向上的涡粘，水平方向采用Smagorinsky模型，垂向采用标准k-ε模型。

1.2 模型地形

本次构建的黄浦江三维水动力数学模型地形南起吴泾公园北至吴淞口，全长约52km，水下地形数据依据2021年黄浦江实测地形资料确定。模型计算地形采用非结构网格，可以较精确地拟合蜿蜒曲折的黄浦江岸线和沿江码头。根据研究需求加密局部区域，模型地形的网格尺寸为5～50m，允许最小三角形角度为30°，网格节点数为6961个，网格单元总数为12775个。黄浦江三维水动力数学模型的计算地形如图1所示。

图1 黄浦江数学模型计算地形

1.3 计算条件

黄浦江三维水动力数学模型率定的时间段选取1997年11号台风期间，吴泾公园和吴淞口2个边界采用1997年11号台风期间的实测水位过程，吴淞最高潮位为5.99m，是历史最高实测潮位[9]。

上海市区的防洪(潮)标准是千年一遇，根据相关规定，黄浦江河口闸的建设和防洪(潮)标准不得低于千年一遇，因此选取千年一遇的风暴潮作为计算水情进行研究。对1997年11号台风期间的吴淞口实测水位过程进行同倍比放大，得到吴淞口千年一遇潮位过程，最高潮位为6.60m。

1.4 模型率定

黄浦江三维水动力数学模型率定计算时采用1997年11号台风期间的水位资料，率定计算成果如图2所示。

由图2可知，黄浦公园的计算水位与实测水位吻合良好。

图2 1997年11号台风期间黄浦公园水位过程

1.5 计算方案

计算方案考虑不同的闸门选址和调度运行规则。闸门选址选取离河口1.8km的军工路码头和离河口5.7km的海军码头进行对比分析。闸门调度运行规则涉及众多因素，本文主要研究启闭历时和起关潮位。河口闸规模较大，为了便于操作，闸门的调度方式初步拟定为：平时以敞开为主，遭遇风暴潮时关闸挡潮，当闸外水位上升到某一特定潮位时开始关闭闸门，等闸外水位下降到跟闸内水位齐平时开启闸门泄水。考虑到吴淞口多年平均高潮位为3.25m，黄浦公园警戒水位为4.55m，因此河口闸起关潮位选取3.5、4.0和4.5m 3种方案进行研究。国外已建的大型挡潮闸的闸门启闭历时大都在0.5～1.0h之间，因此黄浦江河口闸启闭历时选取20、40和60min 3种方案进行研究。由于河口闸的门型方案还在深入研究中，本文先以常见的直升门为例进行计算分析。

2 计算结果分析

2.1 建闸前黄浦江水动力分析

根据吴淞口潮位站历史资料统计，吴淞口多年平均高潮位是3.25m，平均潮差是2.20m，平均涨潮历时是4.57h，平均落潮历时是7.87h，落潮历时大于涨潮历时，属于不规则半日潮[10]。受长江口潮流的影响，黄浦江水流呈往复运动，潮波自吴淞口向黄浦江上游逐渐变形，潮差减小，涨潮历时缩短，落潮历时延长。

根据计算，在千年一遇风暴潮水情下，吴淞口最高潮位为6.60m，黄浦公园最高潮位为6.25m。本文重点关注的黄浦江北段的涨急和落急流场如图3—4所示。

图3 黄浦江北段涨急流场分布(单位：m)

图4 黄浦江北段落急流场分布(单位：m)

由图3—4可以看出，涨潮时水体从吴淞口流向黄浦江上游，落潮时水体从黄浦江上游流向吴淞口，凹岸流速大于凸岸流速。军工路码头处某时刻的断面垂向流速分布如图5所示。

由图5可以看出，表层流速远大于底层流速。

图5 军工路码头断面垂向流速分布(单位：m)

2.2 建闸后黄浦江三维水动力影响

2.2.1闸门起关潮位影响

以军工路码头闸址、闸门启闭历时20min为例，对比分析不同起关潮位(3.5、4.0、4.5m)的结果。

千年一遇风暴潮水情下，不同闸门起关潮位条件下的闸址处流量过程如图6所示，闸内和黄浦公园水位过程如图7—8所示。

图6 不同闸门起关潮位条件下闸址处流量过程线

图7 不同闸门起关潮位条件下闸内侧水位过程线

计算结果表明，河口闸关闭后，黄浦江进潮量显著减小，闸内侧和黄浦公园高水位大幅降低，3种起关潮位条件下的一个潮周期挡潮量分别为1.32亿、1.24亿、1.11亿m3，闸内侧最高水位分别为3.50、4.01、4.52m，黄浦公园最高水位分别为3.34、3.72、4.19m，黄浦公园水位降幅分别为2.91、2.53、2.06m。可见，河口闸具有显著的挡潮效果，且河口闸起关潮位越低，挡潮量越大，闸内高水位越低，挡潮效果越好。

不同闸门起关潮位条件下的闸外水位过程如图9所示。

图9 不同闸门起关潮位条件下闸外侧水位过程线

计算结果表明，河口闸关闭堵住了河口高潮的上溯通道，激发了闸外的水位振荡，水位振荡幅度自闸门向口外逐渐减小，涨潮期间的水位振荡幅度大于落潮期间，3种起关潮位条件下的闸外侧水位最大振幅分别为1.15、1.42、1.60m，闸外侧最高水位分别壅高0.51、0.57、0.70m，闸外水位振荡周期都为34min。可见，河口闸关闭会使闸外水位发生振荡，且河口闸起关潮位越高，闸外水位的振荡幅度越大，起关潮位对水位振荡周期无影响。

图8 不同闸门起关潮位条件下黄浦公园水位过程线

2.2.2闸门启闭历时影响

以军工路码头闸址、闸门起关潮位4.0m为例，对比分析不同启闭历时(20、40、60min)的结果。

千年一遇风暴潮水情下，不同闸门启闭历时条件下的闸址处流量过程如图10所示，闸内和黄浦公园水位过程如图11—12所示。

图10 不同闸门启闭历时条件下闸址处流量过程线

图11 不同闸门启闭历时条件下闸内水位过程线

计算结果表明，3种启闭历时条件下的一个潮周期挡潮量分别为1.24亿、1.21亿、1.15亿m3，闸内侧最高水位分别为4.01、4.08、4.30m，黄浦公园最高水位分别为3.72、3.76、3.90m，黄浦公园水位降幅分别为2.53、2.49、2.35m。可见，河口闸启闭历时越短，挡潮量越大，闸内高水位越低，挡潮效果越好。

不同闸门启闭历时条件下的闸外水位过程如图13所示。

图12 不同闸门启闭历时条件下黄浦公园水位过程线

图13 不同闸门启闭历时条件下闸外水位过程线

计算结果表明，3种启闭历时条件下的闸外侧水位最大振幅分别为1.42、0.76、0.54m，闸外侧最高水位分别壅高0.57、0.29、0.18m，闸外侧水位振荡周期都为34min。可见，河口闸启闭历时越短，闸外侧水位振荡幅度越大，启闭历时对水位振荡周期无影响。

2.2.3闸门选址影响

以闸门起关潮位4.0m、启闭历时40min为例，对比分析不同闸址(离河口5.7km的军工路码头、离河口1.8km的海军码头)的结果。

千年一遇风暴潮水情下，不同闸址条件下的闸址处流量过程如图14所示，闸内侧和黄浦公园水位过程如图15—16所示。

图14 不同闸址条件下闸址处流量过程线

图15 不同闸址条件下闸内侧水位过程线

计算结果表明，2种不同闸址条件下的一个潮周期挡潮量分别为1.23亿、1.25亿m3，闸内侧最高水位分别为4.08、3.99m，黄浦公园最高水位分别为3.76、3.72m，水位降幅分别为0.23、0.25m。可见，河口闸位置离河口越近，挡潮量越大，闸内高水位越低，挡潮效果越好。

不同闸址条件下的闸外侧水位过程如图17所示。

图16 不同闸址条件下黄浦公园水位过程线

图17 不同闸址条件下闸外侧水位过程线

计算结果表明，2种闸址条件下的闸外侧水位最大振幅分别为0.76、0.43m，闸外侧最高水位分别壅高0.29、0.12m，闸外水位振荡周期分别为34、14min。可见，闸门位置离河口越远，闸外水位振荡幅度越大，水位振荡周期越长。

3 结语

本文构建了黄浦江三维水动力数学模型，计算分析了黄浦江河口建闸的挡潮效果和闸外水位振荡情况，得出以下结论。

(1)黄浦江河口建闸可以有效防御千年一遇风暴潮，大幅减少黄浦江进潮量，降低闸内高水位，降低上海城区防洪风险；河口闸闸门启闭历时越短，起关潮位越低，闸址离河口越近，挡潮量越大，闸内高水位越低，河口闸的挡潮效果越好。

(2)河口闸挡潮的同时会激发闸外水位振荡，振荡周期跟起关潮位和启闭历时无关，仅跟闸门位置有关，闸门位置离河口越远，闸外水位振荡周期越大；闸门位置离河口越远，起关潮位越高，启闭历时越短，闸外水位振荡幅度越大。

(3)振荡使闸外高水位进一步壅高，在闸门设计和调度运行中需引起足够的重视。