黄浦江河网潮水运动模型
钱真，李光炽*
作者简介：钱真，（1987-），男，硕士研究生，主要从事城市防洪减灾及计算水力学方面的研究.
通信联系人：李光炽，（1957-），男，教授，主要从水文水资源及计算水力学研究。E-mail: userqz987@163.com
（河海大学水文水资源学院，南京 210098）
5 摘要：黄浦江是长江的最后一级支流，水流运动受长江河口潮位和上游太湖来水的共同作用，
是典型的感潮河网。基于圣维南方程组，采用四点线性隐格式对其进行差分离，建立起感潮
河网的通用模型。利用该模型对黄浦江的水流运动情况进行数值模拟，并分析验证水流运动
规律。将黄浦江河网模型应用于一场实测的风暴潮模拟，在此基础上进一步模拟在黄浦江河
口建闸后河道内水位过程。通过比较分析，得出黄浦江河口建闸能够降低干流内风暴潮发生
10 时的水位。
关键词：计算水力学；黄浦江；四点线性隐格式；河网；风暴潮；挡潮闸
中图分类号：TV212.53
A Tidal Model on Huangpujiang Networks
15 QIAN Zhen, LI Guangchi
(Department of Hydrology and Water Resources, Hohai University, NanJin 210098)
Abstract: Huangpujiang is the final tributary of Yangtze River, which is typical of tidal river
networks. And the flows in it are affected by Yangtze River tidal current and the stream from Tai
Lake. A universal model of river networks is developed to solve Saint-Venant equations with
20 four-point linear implicit scheme. With the model, simulation of stream in Huangpujiang and
further analysis are achieved. The model is applied to simulate an observed storm surge and water
stage after building a tidal gate at the estuary. According to compare water stage processes in
different situations, the tidal gate can reduce the stage in the networks when surges happen.
Keywords: Computational hydraulics; Huangpu River; four-point linear implicit scheme;
25 river-network; storm surge; tidal gate
0 引言
黄浦江位于上海市中部，贯穿上海市，全长约113 千米，河宽300-700 米。发源于西部
淀山湖口淀峰，其上游分段为拦路港、泖河、斜塘、横潦泾、竖潦泾，至松江米市渡以下始
30 称黄浦江，下游将上海市区分为浦西与浦东两大部分，是上海市仅次于长江的最大的河流。
它是长江的最后一级支流，水流运动受长江河口潮位和上游太湖来水的共同作用，属于感潮
河网，长江口的不规则半日潮沿河道追溯而上[1]，令河网内水位每日两涨两落，水流运动复
杂。
上海市地处太湖水系下游，黄浦江畔。这里四季分明，气候适宜，经济发展迅速，但也
35 频繁遭受来自西北太平洋的热带气旋侵袭，致使东海风暴潮倒灌，逼进黄浦江，对城市安全
造成威胁。近年来，灾害性气候频发，海平面上升等使得城市防洪压力进一步增加。
对于黄浦江防汛，传统的做法是不断增高和加固防汛墙。但是现有的防汛墙年久失修等
问题外，更为严重的是单纯地增高防汛不仅费时费力，而且非常不经济。海外一些沿海城市，
如英国伦敦、荷兰鹿特丹，为防御风暴潮的侵袭也经历了从加高加固防汛堤到建河口建闸的
40 过程[2]。借鉴国外的成功经验，有很多专家和学者认为应当在黄浦江河口建设挡潮闸，并做
过许多相关研究。
因此，研究黄浦江河网潮水运动模型，模拟风暴潮发生时和建闸后其中水流运动过程对
 上海市区的防洪调度、航运管理等都具有重要意义。
研究范围自米市渡开始至吴淞口之间的黄浦江干流河段，沿干流有淀浦河、苏州河、蕴
45 藻浜等支流汇入。同时，包含蕴藻浜、淀浦河上游的2 个圩区和2 个控制闸门。计算区域如
图1 所示。
图1 计算区域示意图
Fig.1 Computational domain
50
1 模型的建立
1.1 河道水流的求解
描述水流一维运动的基本方程组：
55 式中：Q：断面流量，Z：断面水位，B：断面河宽，A：过水断面面积，Sf：为摩阻比
降，q：单位河长上的旁侧入流，g：重力加速度。
采用四点线性隐格差分格式[3]，对式(1)进行离散，对j（j=1,2,···,n）段河道有如下差分
方程：
65 假设各个断面水位、流量为线性关系，可以采用双扫描法直接进行求解。
1.2 过闸水流的模拟
平原地区地势平坦，沿河常有湖泊和洼地用于蓄滞超额洪水，河道与蓄滞洪区的连接处
常设有闸门。这时堰闸附近的水流会发生改变，不能同天然河道的过流能力一样处理。本文
对于不规则的堰闸采用等价的宽顶堰进行计算[4]。根据堰闸类型及流态情况采用相应的水力
70 学公式，并线性化：
( ) 1 1 2 Q Q C Z Z i i = = − + (3)
式中：Q：过闸流量，Z1，Z2：分别为闸上、闸下水位，C：与Z1，Z2 有关的系数，通
常采用时段初水位计算。
1.3 圩区出流的处理
75 由于圩区只起调蓄作用，其中水流流速小，水面几乎没有比降。对于这部分，本文采用
简单的零维模型模拟[5]，根据水量平衡原理其出流流量：
 式中： Z，Z0：分别为圩区内时段末、时段初水位；AZ：圩区内水面面积，通常为水
位的某种函数关系。
80 1.4 区间旁侧入流的概化
在干流周边存在很多细小的沟、渠等与干流发生水量交换，由于数量众多，其总体产生
的影响不容忽视，但这部分径流过程一般难以得到实测资料。本文通过引入干支比[6]对区间
旁侧入流进行概化。由于模拟的是感潮河网水流运动，所以需要注意：涨潮时干流流向支流，
落潮时支流流向干流。区间旁侧入流表达为首末断面流量的线性关系：
 式中：q：断面j 与断面j+1 之间河段的旁侧入流流量，Qj：断面j 的流量，Qsj：断面j
与断面j+1 之间河段的干支比。
2 计算结果
2.1 风暴潮模拟
90 根据水文历史资料，以1981 年9 月1 日（农历八月初四）发生8114 号台风时的157
个小时黄浦江潮水位过程作为本文风暴潮模拟的对象。选择米市渡的流量作为上边界，吴淞
口的水位作为下边界；控制蕴藻浜和淀浦河上的闸门启闭使其上游圩区的水位在2.0~3.0 米
之间；苏州河上游与太湖相连，通过太湖的调蓄，其上游水位控制在2.0 米。
 图2 风暴潮水位模拟值和计算值对比
Fig.2 Comparison of tidal level course obtained by computation 95 and observation
图2 为上述风暴潮发生时黄浦江主要断面黄浦公园和吴泾的水位计算与实测对比，它们
确定性系数分别为0.978、0.925，模拟精度较高。同时，蕴藻浜和淀浦河上游圩区中的水位
也在控制范围之内。
100 2.2 河口建闸模拟
在风暴潮模拟的基础上，假设黄浦江口（吴淞口断面）处建有挡潮闸，其作用是阻挡由
于台风增水和涨潮使潮水向河网内倒灌，忽略闸门启闭过程对河网内水流运动的影响。因为
河网中水流运动会受闸门启闭时间影响，有必要对其进行讨论。图3 为不同时刻启闭闸门情
况下吴淞口水位过程的比较。图4 为在20 时关闭闸门，27 时开启闸门控制条件下，吴淞口
105 和黄浦公园建闸前后的水位过程对比。
通过对比建闸前后水位过程看出，按本方案启闭闸门使干流内最高水位平均降低50%
左右，可见在黄浦江河口建挡潮闸对降低干流内潮水位具有一定作用，可作为一种防潮的工
程措施。
图3 水位过程受闸门启闭时间的影响
110 Fig.3 Water stage course affected by the time of tidal gate on and off
 图4 建闸前后水位过程对比
Fig.4 Comparison of water level course before and after building the tidal gate
115 3 结论
本文提出的黄浦江河网潮水运动模型，以具有明确物理意义的圣维南方程为基础，采用
进行数值求解，能够很好地模拟黄浦江河网地区潮水运动情况。并进一步模拟发生风暴潮时
和在黄浦江河口建挡潮闸后的水流运动，数值模拟结果表明在河口建挡潮闸，对降低发生风
暴潮时河网中水位是有效的，其效果会受闸门开启时间的影响。应避免在高潮位开闸，当闸
120 外水位较高时开闸非但不能宣泄洪水，反而会因潮水倒灌而出现险情。科学合理的闸门调度
依赖于准确的洪水、风暴潮预报。本文中模型建立的基本思想同样适用于其他河网水流模拟，
具有一定的通用性。