珠江三角洲位于广东省中南部,为西江、北江和东江下游冲积平原,包括西、北江思贤以下的西、北江三角洲和东江石龙以下的东江三角洲。珠江流域各江进入珠江三角洲后,经八个口门入海,其中虎门、蕉门、洪奇、横门称东四口门,其径流注入伶仃洋湾;其余称为西四口门,其中磨刀门、鸡啼门径流单独入海,虎跳门、崖门径流注入黄茅海。

珠江三角洲地区河道纵横交错,受径流和潮流共同影响,水流往复回荡,水力联系复杂。珠江三角洲咸潮活动主要受径流和潮流控制,当南海大陆架高盐水团随着海洋潮汐涨潮流沿着珠江河口的主要潮汐通道向上推进,盐水扩散、咸淡水混合造成上游河道水体变咸,即形成咸潮上溯(或称盐水入侵)。当河道水体含盐度超过250mg/L,就不能满足供水水质标准,影响城镇和工业供水。

河口盐水入侵是河口最主要动力过程之一,是河口特有的自然现象,也是河口区的本质属性。一般地,含盐度的最大值出现在涨附近,最小值出现在落附近。

因受潮流和径流影响,河区盐度变化过程具有明显的日、半月、季节周期性。由于本区内显著的日潮不等现象等因素的影响,一日内两次高潮所对应的两次最大含盐度及两次低潮所对应的两次最小含盐度各不相同。含盐度的半月变化主要与潮流半月周期有关,一般朔望大潮氯度较大,上下弦氯度较小。季节变化取决于雨汛的迟早、上游来水量的大小和台风等因素。汛期49月雨量多,上游来量大,咸界被压下移,大部分地区咸潮消失。

珠江三角洲的咸潮一般出现在10月至次年4月。一般年份,南海大陆架高盐水团侵至伶仃洋内伶仃岛附近,磨刀门及鸡啼门外海区,黄茅海湾口,盐度2‰咸水入侵至虎门大虎,蕉门南汊,洪奇门及横门口,磨刀门大涌口,鸡啼门黄金;0.5咸潮线在虎门东江北干流出口,磨刀门水道灯笼山,横门水道小隐涌口

   咸潮入侵主要受淡水径流及潮汐动力作用影响,其它还有河口形状、河道水深、风力风向、海平面变化等因素影响。其中潮汐动力影响最稳定且具有一定周期性。受太阳及月球引力的影响,周期性表现在日周期及半月周期。珠江三角洲为不规则半日潮,每日均有两次潮涨潮落过程,在每月的朔、望两日,涨潮过程中潮水位将达最大值。河口形状对咸潮上溯也有重要影响。根据有关文献研究,伶仃洋-狮子洋、黄茅海-洲湖其断面宽度均呈指数规律递减,这种河口形状非常利于潮波传播,因此这两处也是潮优型河口。河道水深加深,有利于盐水楔的活动,咸潮上溯距离将增加。风对本区咸潮影响是非常大的。风力和风向直接影响咸潮的推进速度,若风向与海潮的方向一致可以加快其推进速度,加大其影响范围。

2 河道一维非恒定流水-含氯度模型

本报告采用库群-河网系统流动分析通用程序HydroInfo进行计算,它包括:水库调洪,河道流动的圣维南方程组,河网连接关系,及闸堰水工建筑物等多部分组成。以下仅对河道水-含氯度模型简要介绍。

 

2.1 基本原理

(1) 河道流动的圣维南方程组

连续方程

                  (2. 1)

运动方程

           (2. 2)

上式中St分别代表空间与时间坐标,A代表河道过水断面面积,Q代表断面流量,q代表均匀旁侧入流,Qc代表集中旁侧入流,δDiracδ。z代表水位水量,K代表流量模数,由谢才公式计算。

含氯度对流-扩散运动方程

               (2.3)

式中,s代表水体含沙量,D为紊动扩散系数。

(2) 河道单元的离散

(a) 连续方程的离散:

连续方程可写成如下的对流方程形式

                     (2.4)

其中

对流方程的有限元离散可写成

                    (2.5)

其中 M代表质量矩阵,C代表对流矩阵, F代表源项,

                                (2.6)

这里N, W分别为插值函数与权函数。经有限元空间半离散后的方程为常微分方程,可采用多种方法求解。注意到过水断面面积A是水位Z的函数,因此,连续方程的单元离散方程可转化为求解水位Z的方程。

 

(b)运动方程的单元离散:

运动方程可写成如下的对流方程形式

                    (2.7)

其中

运动方程的空间有限元半离散可写成

质量矩阵M及对流矩阵C同连续方程相同。经Euler方法进行时间离散后,运动方程的单元离散转化为求解流量的方程。

 

(c)河网点连接方程

质量守恒关系:

    进出每一点必须与该点蓄水量的增减相平衡,即节点的质量守恒方程

                      (2.8)

式中,Ωz分别代表点的蓄水量与水位,Ac代表点的蓄水面积(汇合区面积)Qiz分别代表通过I河道断面进入该点的流量与点水位。

水位衔接关系:

    节点一般可概化成一个几何点 ,出入各节点的水位平缓 ,不存在水位突变情况 ,则各节点相连道的水位应相等 ,等于该点的平均水位 ,

                            (2.9)

边界条件:

(1 )流量边界条件: Qi = Qi(t) ,直接将流量边界条件代入节点流量方程进行计算;

(2 )水位边界条件: Zi=Zi(t) , 将水位边界过程代入节点水位方程进行计算;

(3 ) 含氯度边界条件: Si = Si(t) ,直接将含氯度边界条件代入节点含氯度方程进行计算。

2.2 河道基本方程的离散

河道单元的离散包括:

(a)水位修正方程

由连续方程建立求解水位的方程

                      (2.10)

其中

代表源项。

由运动方程建立河道流量与水位耦合的半隐式迭代关系

                   (2.11)

Qk代表上一次迭代流量,代表流量与水位的修正量

采用隐式方法计算连续方程

         (2.12)

其中Ak,B分别代表上一次迭代的断面面积与河宽。(2.11)(2.12)代入(2.10)

         (2.13)

得水位修正方程

                 (2.14)

(2.14)经有限元离散后得

                    (2.15)

(b)运动方程的单元离散:

运动方程可写成如下的对流方程形式

            (2.16)

其中

运动方程的空间有限元半离散可写成

    (2.17)

质量矩阵M同连续方程相同。经Euler方法进行时间离散后,运动方程的单元离散转化为求解流量的方程。

2.3 求解步骤

河道非恒定水流的计算步骤为:

a.根据已知条件及经验确定初始水位流量分布;

b.根据连续方程求解水位z

c.根据运动方程求解流量Q

d. 判断水位修正是否满足, 为收敛精度参数;

e.    如果未满足收敛条件,令,重复b—d迭代计算;

f.    如果满足收敛条件,增加一个时间步,开始下一时间步计算。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 水流模型的验证

对于实际工程问题,数值模拟分析的可靠性不仅依赖于数学模型、计算格式与分析程序,而且相当强烈地取决于计算资料与计算参数的可靠性。长河段非恒定流数学模型的水位、流量校验是模型验证的重要环节。一维非恒定流的计算资料主要包括:1.河道断面几何参数;2.上下游控制断面的流量或水位参数;3.河道糙率或水头损失系数。一般来讲,可调参数只有河道糙率和局部损失系数,其它变量是不可调的。对于山区性河流,由于河道断面变化复杂,很难获得普适性较强的局部损失系数表达式,本模型采取的办法是将局部损失系数一并归纳到沿程阻力中,即构成综合糙率系数。模型的验证通过调整确定综合糙率进行计算与实测水位、流量的对比。

3.1  基本资料

珠江三角洲网河连接见图4.1整个网河共划分2388个断面,其中,西江上游边界延伸至悟州,下游边界延伸至入海口。

3.1 珠江河网概化图

断面地形根据2006年实测地形图取定。

计算边界条件为:三角洲上游边界条件给定流量过程,图3.2给出了调水压咸悟州流量过程,下游水位边界由8大口门外延至入海口。

 

3.2 悟州流量过程

 

本模型中,计算时间步长统一取为180秒。

水流的验证见附图3.1——图3.9。水位流量均吻合良好。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 含氯度模型的验证

对于含氯度的对流扩散问题,确定扩散系数是进行可靠的数值预报的关键。通常情况下,扩散系数可按紊流比拟概念计算,

其中分别为扩散系数,紊流粘系数,Schimit数。可以采用Smagorinsky 亚格子大涡模拟紊流模型计算紊流粘系数。目前尚没有较可靠的适用于风、浪、潮条件下的河口盐度混合紊流模型,计算分析与资料分析表明,采用常用的紊流模型计算的扩散系数比资料显示的扩散系数至少小一个量级。本报告根据量纲分析建议如下的紊流扩散模型

其中 Smagorinsky紊流粘系数,为由于潮流与风浪引起的附加紊流扩散系数

H为潮差,g为重力加速度,为风浪影响因子,由实测含氯度计算标定。

建立上述紊流扩散模型的依据是:靠近口门处的含氯度在每月两次的大潮期间增大(如图4.1所示平岗泵站200511——331含氯度变化2000小时变化过程过程)。4.2给出了平岗泵站2005118——26含氯度连续466个小时的变化过程,4.2给出了挂定角站对应时刻的潮位变化过程。从中可以看出,平岗泵站含氯度随挂定角潮差的增大而增大,但时间相位并不重合,如挂定角最大潮差发生在126,而平岗泵站最大含氯度发生在121。模型中引入的风浪影响因子,就是为了考虑这种相位不一致处作为风浪的影响效应。

 

 

 

 

 

 

4.1 平岗泵站200511——331含氯度变化过程

 

4.2平岗泵站2005118——26含氯度变化过程

 

4.3 挂定角2005118——26潮位变化过程

 

附图给出了含氯度验证图。计算与实测数据吻合良好,说明本模型是可靠的,可以用于方案分析与预报。

附图

 

第三章附图

 

3.1马口流量过程

3.2马口水位过程

 

3.3 三水流量过程

 

3.4 思贤窖流量过程

3.5 竹银流量过程

 

3.6 竹银水位过程

 

4.1 三沙口含氯度变化

 

 

4.2黄埔右含氯度变化

 

 

4.3麻涌含氯度变化

 

 

4.18 黄圃含氯度变化

 

 

4.19 沙洛围含氯度变化