尼加拉瓜位于中美洲中部，濒临太平洋与大西洋，地跨中美地峡。拟建的尼加拉瓜运河连接太平洋、尼加拉瓜湖与大西洋，通航后将大大缩短太平洋至大西洋的航运距离。运河上拟建4个船闸，其中1～3号船闸依次位于连接尼加拉瓜湖和大西洋的河段;4号船闸位于连接太平洋与尼加拉瓜湖的河段，上距尼加拉瓜湖22km，下距太平洋约2km。4号船闸分为3级，每级闸室长520m，宽75m，水深约30m，为节约淡水资源，每级闸室配备一个省水池。上游引航道底高程0．0m，上游最低通航水位30．0m;下游引航道底高程－30．0m，下游最低通航水位0．6m;3级闸室最低通航水位分别为20．2，10．4m和0．6m;相邻闸室间的高差均为9．8m。船闸运行调度方式为:连续4次上行后连续4次下行，船队完成一次上行或下行所需时间为125min，完成一个循环(4次上行和4次下行)所需时间为16．67h。上行船队由下游引航道依次经第三、第二、第一闸室进入上游引航道，下行船队由上游引航道依次经第一、第二、第三闸室进入下游引航道。相邻闸室水位调平前，上游一侧闸室向其省水池充水，下游一级闸室的省水池向闸室内充水，当闸室与其省水池间的水位调平后，再开启两级闸室间的充水管道调平闸室间的水位。船舶过闸过程中，海水中的盐分在异重流作用下向淡水水域入侵，咸化淡水，如水体盐分浓度超标，将会影响淡水水域的水质及淡水生物的生存环境。研究分析船闸运行过程中盐分的输运规律及其对淡水水域的盐度影响，对盐水入侵缓解措施的制定及船闸的设计与运行调度有着重要意义。由于上下游航道、闸室与省水池、船闸充水管路三者尺度存在数量级上的差异，且船闸运行程序复杂，加上盐分向淡水水域的入侵又是长期累积的非恒定过程，建立完全的三维数值模型需要数量庞大的计算网格，在此基础上进行长时间的非恒定流模拟，计算量巨大，不具备可行性，因此建立一套既满足研究需要又合理可行的数学模型是本项研究的难点和重点。在充分分析盐分输运特点与前人研究成果的基础上，建立了耦合的盐分交换分析模型和三维k－ε多相流数值模型，研究分析船闸运行过程中盐分的输运规律。
1盐分交换与输运模式分类
船队每次上行或下行过程中，海水中的盐分由下游引航道逐级向上入侵，导致盐分上侵的各因素中异重流为主要驱动力。但下游引航道与闸室、闸室与闸室、闸室与省水池以及闸室与上游引航道之间的盐分交换模式不尽相同，其计算与模拟方法亦有差别，本次研究中，盐分的交换或输运可分为4种模式。(1)有限水体与无限水体间的盐分交换。下游引航道连接船闸与太平洋，长约2km，海洋的潮波运动使下游引航道的盐度与海洋保持基本一致，可视为无限水体;闸室内水体体积相对较小，可视为有限水体，两者间的盐分交换属于这种模式。对此国内外学者进行了大量研究并取得了丰富成果［1－5］，计算时采用文献［3］给出的公式。(2)体积相当的有限水体间盐分交换。闸室与闸室间的盐分交换属于这种模式，包括两种情形:开闸前两闸室通过充水管道调平水位所产生的盐分交换;开闸后异重流作用所产生的盐分交换。由于两闸室水体体积差异较小且开闸后时间较长，可认为两闸室间的水体充分掺混，计算时两闸室盐度近似取开闸前盐度的体积加权平均值。(3)盐分的单向输送。闸室与省水池之间相互充水、上游引航道向第一闸室充水时的盐分交换均属于这种模式，其特点是充水时水体单向运动，充水水源一侧盐度不变，仅受纳一侧盐度发生变化。由于省水池(闸室)水体体积较小，亦可认为充水后水体充分掺混，计算时取盐度值为充水前后体积加权平均值。(4)航道内对流和扩散。相对于上述3种模式，上游航道内的盐分输运则较为复杂。闸门开启后，闸室内高盐度水体与航道内低盐度水体在异重流作用下发生交换;闸门关闭后，盐分在航道内向上游输运;向第一闸室充水时，航道内形成向下游的水流流动，抑制盐分的上侵;且渠道宽度从闸室到航道由75m渐变到230m，渐变段内盐度分布呈现较强的三维特性。水体上游航道总长约22km，随着船闸的运行，航道内的盐度分布随时间和空间均发生变化，因此需建立三维数值模型，模拟闸室与航道间的盐分交换及盐分在航道间的输运与扩散。
2数学模型
基于以上分析，分别建立盐分交换分析模型和三维k－ε多相流数值模型，计算过程中根据船闸的运行程序进行充水体积、盐度等参数的实时传递，实现两者的耦合。
2．1盐分交换分析模型
盐分交换分析模型的计算范围从下游引航道至第一闸室，包括各级闸室的省水池，如图1所示。根据船闸运行过程，构建盐分交换分析模型，计算并实时记录各闸室、省水池内水体体积与盐度。两闸室间充水与调平、闸室与省水池之间充水、上游引航道向第一闸室充水这3种情形的盐度计算采用体积加权平均的方式。
2．2三维数值模型
三维k－ε多相流数值模型模拟区域包括第一闸室与22km的上游航道，以及部分尼加拉瓜湖湖区，如图2所示。模型采用有限体积法离散多相流控制方程组，采用SIMPLEC算法耦合流速与压力，时间项采用一阶隐式格式，对流项采用二阶迎风格式;采用六面体网格划分计算区域，网格总数约60万。
2．3模型耦合
船闸运行过程中闸室、省水池和上游引航道内的盐度互相影响且不断变化，分析模型和三维模型在模拟计算中需进行有关参数实时传递。两模型间的参数传递发生在第一闸室，如图1所示，包括分析模型第一闸室的充水体积与充水后的盐度、三维模型充水管道在充水时段内的平均盐度。(1)第一闸室充水体积。由上游航道与第一闸室的水位差计算第一闸室所需的充水体积，并将此参数传递给三维模型，再根据充水管道断面面积及充水时间计算管道内的水流流速，作为三维模型充水管道出流边界条件。(2)充水管道的平均盐度。统计三维模型充水管道在充水时段内的平均盐度，将此值传递给分析模型，由盐分单向输运模式计算第一闸室充水后的盐度。(3)分析模型第一闸室盐度。分析模型将第一闸室充水后的盐度传递给三维模型，用于重置三维模型第一闸室内的盐度。
3模拟结果
按船闸运行调度方式模拟计算各闸室、省水池以及上游航道内的盐度变化及输运过程。3．1盐分交换分析模型计算结果图3所示为各级闸室的盐度变化，可以看出，在船闸运行初期的1～2d内，各闸室内盐度迅速增长，在第10d后基本达到动态平衡状态，其中第一闸室盐度最小，在15‰～22‰范围内变动;第二闸室盐度其次，在18‰～28‰范围内变动;第三闸室盐度最大，在23‰～35‰范围内变动。图4为第44天左右时船闸3个运行周期内的盐度变化，可以看出，闸室内盐度呈周期性变化，船队在连续上行4次过程中，各闸室的盐度不断降低，而在连续下行4次过程中，各闸室的盐度均不断升高。3．2三维数值模型计算结果在航道0～20km范围内每间隔2．5km布置盐度监测断面。各断面平均盐度过程见图5。从图5可以看出，在船闸运行的最初10d内，闸首处(0km断面)盐度迅速上升，10～40d内盐度上升幅度逐渐变小，40d后在13‰～16‰范围内变动;在船闸运行的最初2～3d内，2．5km断面盐度较小且变化不明显，3～15d内盐度迅速上升，15d后增长速度逐渐减慢，40d后达到10‰左右;5km断面与7．5km断面盐度在第40天分别达到7‰与3．5‰，随后保持缓慢增长;10km及以上断面的盐度在计算时段内均未超过0．2‰。图6所示为上游航道内的盐分输运达到动态平衡后，某时刻航道的垂向盐度分布图，按照盐度分布规律可将上游航道分为异重流段、过渡段和扩散段。从图6(a)可以看出，异重流段盐水楔由下游向上游延伸，盐度等值线下起水面，上至航道底部，此段盐分向上游的输运主要由异重流驱动;从图6(b)可以看出，过渡段盐度的垂向分布由楔形分布过渡到成层分布，盐分的输运由异重流驱动转向由扩散驱动;从图6(c)可以看出，扩散段盐度等值线基本平行于水面，盐度表现为成层分布规律，盐分依靠浓度差由高盐度水体向低盐度水体扩散。
4湖水盐度预测
三维数值模型研究成果表明，船闸运行约45d后，航道内盐度分布基本达到动态平衡。如图7所示，一个周期内经船闸的入侵运盐量趋于恒定值，约为1800t/循环，即30kg/s，基于此并假定入湖盐分在风生流、入出湖水流等的驱动下与湖水充分混合，建立微分方程对湖水平均盐度进行简单的预测。
5结语
在充分分析盐分输运特点与前人研究成果的基础上，建立了一套耦合数学模型，并模拟计算了海水逐级入侵各级闸室并向上游淡水水域输运的过程。通过模拟计算，得出了各闸室与上游航道的盐度呈周期性变化且趋于动态平衡的规律，揭示了航道内盐分呈现异重流段、过渡段和扩散段的输运特征。随后基于一个循环内入侵上游航道的盐量逐渐减小并趋于恒定值的特点，建立微分方程对尼加拉瓜湖的湖水平均盐度进行了预测，预测结果表明，该湖湖水盐度为0．22‰，这远小于环境能承受的盐度2‰。
作者：姜治兵 杨青远 单位：长江科学院 水力学研究所
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