長江河口段平均海面數(shù)值模擬研究

楊鋒，譚亞，王志偉

（1.91650部隊，廣州510320；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098）

長江河口段平均海面數(shù)值模擬研究

楊鋒1，譚亞2，王志偉1

（1.91650部隊，廣州510320；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098）

為更好研究長江河口段平均海面的特性，建立了大通至長江口感潮河段的二維水動力數(shù)學模型，通過模擬徑流與潮汐共同作用下的水動力過程，并設(shè)置上下游不同條件的對照組，分析了河口段平均海面的影響因子及響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，長江河口段年平均海面A0值由上游徑流和外海潮波共同作用產(chǎn)生，外海潮波給予了河道內(nèi)平均水位一個沿程定值，而徑流使得其產(chǎn)生了沿程衰減的趨勢，這是河口段A0特征不同于外海的原因，也說明徑流是其主要影響因子。A0只受徑流和外海潮位的年平均值影響，而不受兩者的年內(nèi)變化影響。徑流量的變化會導致上游A0值比下游發(fā)生更加顯著的響應(yīng)；外海A0值的變化會使沿程發(fā)生大致等量的變幅。未來全球海平面上升后，河口段A0也將上升相近幅度。

數(shù)值模擬；平均海面；海平面上升；長江河口

長江河口段西起江陰鵝鼻嘴，東至河口攔門沙，兩岸地勢較低，且人口稠密、經(jīng)濟發(fā)達，是黃金水道的入海通道。因受到上游徑流和外海潮波共同影響，長江口水動力條件復雜。平均海面是陸地高程和海圖深度基準面的起算面，長江口平均海面的變化規(guī)律如何，直接影響著當?shù)氐暮降览?、鹽水入侵、市區(qū)取水等經(jīng)濟生活問題，并且對于當?shù)靥岣叱毕A報精度、防災減災都具有十分重要意義。

沈煥庭［1］認為平均海面是入海河流河口區(qū)的侵蝕基準面，其升降會使河口縱比降發(fā)生變化，改變水流下切能力，影響侵蝕與堆積。沈健、王寶燦［2］探討了長江河口區(qū)的月平均海面時空變化規(guī)律，認為其月平均海面變化主要受徑流及其他海洋水文氣象因子的作用，而且具有明顯的季節(jié)性變化。陳宗鏞等［3］通過計算長江口附近4個驗潮站過去20 a的海面記錄分析出海面變化總趨勢是上升的，其變化受徑流量大小和外海水位共同影響，并且厄爾尼諾現(xiàn)象能使長江口年平均海面發(fā)生異常。陳西慶［4］通過分析表明，長江每年的入海徑流對該年的海面有重要影響，幅度為流量每變化1 000m3/s，年平均海面變化8.5mm，但流量對長江口海面的趨勢性變化無顯著影響。楊鋒［5］通過對長江口實測潮位進行調(diào)和分析，發(fā)現(xiàn)受河床高度向上游抬升影響，平均海面向上游呈遞增趨勢。

平均海面存在著日變化、月變化、年變化和多年變化，就長江河口而言，天文潮、徑流、氣壓、氣溫和季風等都是導致海面變化的基本因素，而且各因素的相互作用是相當復雜的。本文通過對江陰至共青圩站一整年的逐時潮位數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析［6］從而得到年平均海面A0，并分析其在河口段的影響因子及響應(yīng)程度。

1 數(shù)學模型

1.1 計算范圍及參數(shù)

本文采用MIKE21軟件的FM模塊，建立了大通至長江口外海濱的平面二維潮流數(shù)學模型。上邊界位于安徽大通；長江口外-20m等深線處受徑流影響可以忽略不計，在此處取三面開邊界作為模型下游外邊界，東邊界取在東經(jīng)122.7°附近；南邊界在南匯嘴附近，即北緯30.9°一線；北邊界在連興港以北約10 km，即北緯31.8°一線，如圖1所示。

網(wǎng)格尺寸在長江河道中為200～300m，在河口至外海為300～1 000m。整個計算區(qū)域包括70 764個網(wǎng)格點，134 723個單元。模型計算所用地形資料是長江口水文局提供的2002年實測水深數(shù)據(jù)，基準面為1985國家高程基準。最大時間步長30 s，糙率值從上游大通站至外海逐漸減小，取值范圍在0.01～0.015。本模型上游采用大通站實測逐日流量，下游海上開邊界潮位數(shù)據(jù)由東中國海潮波模型結(jié)合連興港潮位提供。

1.2 模型驗證

本文采用2000年潮位觀測資料分別進行了短周期和長周期驗證。驗證站點有江陰、天生港、徐六涇、楊林、吳淞和共青圩共6個潮位站，站點位置如圖1所示。短周期分別對3個月進行驗證：2月1～29日（大通流量約12 000m3/s）代表枯水位；7月1～31日（大通流量約51 000m3/s）代表洪水位；11月1～30日（大通流量約33 000m3/ s）代表中水位。長周期采用2000年一整年（2000-1-1-0∶00～2000-12-31-23∶00）的實測資料，對各站的全年日均水位（24 h平均）和對一整年的水位資料進行調(diào)和分析［6］所得的調(diào)和常數(shù)進行對比驗證，其中本文將平均海面A0作為一個角速率為0的特殊分潮與其他分潮一起進行了驗證。

圖1 數(shù)學模型范圍Fig.1 Range of numericalmodel

圖2 2月份水位驗證Fig.2 Verification of tidal level in February

圖3 7月份水位驗證Fig.3 Verification of tidal level in July

圖4 11月份水位驗證Fig.4 Verification of tidal level in November

圖5 日均水位驗證Fig.5 Verification of dailymean sea level

由圖2～圖6可知，模擬值與實測值吻合良好，逐時和日均潮位偏差在10 cm以內(nèi)，高低潮位時間偏差小于30min；除Q1等振幅量值較小的分潮外，其他分潮振幅偏差都在10%以內(nèi)，遲角偏差小于10°［7］。因此，模型結(jié)果很好地復演了長江感潮河段的漲落潮過程。

圖6 分潮調(diào)和常數(shù)驗證Fig.6 Verification of tidal harmonic constants

2 動力變化對A0 的影響

大通站作為長江口的潮區(qū)界，一直被用作研究長江感潮河段的流量控制節(jié)點。連興港位于長江口北支末端，其水文特性為潮汐作用強于徑流，因此本文模型視口門外的海洋潮汐特征與連興港相同，并將其潮汐特征賦予下游邊界。本文在只考慮徑流和潮流動力的情況下（圖1），通過改變上游大通流量值和下游連興港潮位值來設(shè)置不同的上下游動力邊界組合，每個組合計算時間長度為1 a。

為了更直觀地觀察和分析年平均海面A0在長江河口段的沿程變化趨勢，現(xiàn)以各潮位站距離上游大通站的距離，即河長長度作為橫坐標，將江陰、天生港、徐六涇、楊林、吳淞和共青圩共6個測站的結(jié)果著重標示出來，這六站距離大通河長分別約為：412 km、462 km、497 km、534 km、568 km和590 km。

2.1 動力變化對A0的定性影響

為了確認河口段A0是否是受上游徑流下泄和外海潮波向口門內(nèi)上溯的共同影響，現(xiàn)以2000年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來設(shè)置上下游邊界條件。

說明：逐時潮位減去25 h平均值可以過濾掉大部分長周期低頻潮波的影響，條件1.2中水位即在年平均海面29.3 cm上下振動。2000年大通平均流量為29 351m3/s；連興港站平均海面高度為29.3 cm。

條件1.2和1.3是條件1的兩種極端情況，目的是研究上下游邊界日均值的年內(nèi)變化對平均海面是否有影響；條件1、2、3的對比則是為了探明河口段A0是受徑流和外海潮波的單一作用還是共同影響。

由圖7可知，條件1、1.2、1.3所計算出的A0趨勢線幾乎重合在一起，說明長江河口段的沿程A0值只取決于上游徑流量和外海潮位的平均值，而徑流量值和潮位值在年內(nèi)是否出現(xiàn)長周期波動對其并無影響。對比條件1與2，當下游平均海面為0 cm時，徑流單獨產(chǎn)生的A0值向下游依然保持著相同的衰減趨勢和衰減幅度，但各站數(shù)值都比原來減小了25 cm左右。當上游徑流年均流量為0m3/s時，條件3中的外海潮波向口內(nèi)上溯，但沿程A0數(shù)值卻基本保持不變，向上游呈現(xiàn)的趨勢并未衰減，反而略微增大，這與河床高度向上游抬升有關(guān)。從表2中的數(shù)據(jù)可知，各個站點條件1的A0值都低于條件2與條件3之和15 cm左右，且上游站點中徑流產(chǎn)生的水位值所占比重大，下游站點中外海潮波產(chǎn)生的水位值占總水位的比重更大。

表1 不同邊界組合條件Tab.1 Combination condition of different upstream and downstream boundaries

表2 主要站點A0高度Tab.2 The values of A0inmajor stations cm

這說明河口段平均海面A0值由上游徑流和外海潮波共同作用產(chǎn)生，徑流對上游站點水位影響更大、外海潮波對下游站點影響更大。在趨勢上，外海的潮波給予了河道內(nèi)平均水位一個沿程定值，而徑流使得其產(chǎn)生了沿程衰減的趨勢，這是河口段A0特征不同于外海的原因，也說明徑流是其主要的影響因子。

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2.2 動力變化對A0的定量影響

為了研究長江河口段A0高度對徑流變化和外海A0變化響應(yīng)的具體數(shù)值，現(xiàn)設(shè)置兩組對照組與條件1進行對比分析。

說明：據(jù)1997～2003年實測數(shù)據(jù)顯示，大通年平均流量最小值為2001年的26 155m3/s，最大值為1998年的39 321m3/s。2000年大通平均流量為29 351m3/s放大1.3倍后值為38 156m3/s，仍在往年范圍內(nèi)，符合實際（圖8）。

據(jù)1989～2009年實測數(shù)據(jù)顯示，連興港站平均海面A0最小值為1995年的15.48 cm，最大值為2007年的37.23 cm。2000年連興港站A0高度為29.3 cm，放大1.25倍后值為36.6 cm，仍在往年范圍內(nèi)，符合實際。

由圖9和表4可知，在大通年平均流量放大1.3倍后，長江河口段各站點平均海面A0值放大倍數(shù)不盡相同，上游站點增大較多，如江陰站振幅增大為原振幅的1.2倍，下游站點增大幅度較小，如共青圩站振幅只增大為原振幅的1.05倍。說明越靠近上游，站點的A0值對徑流量的變化愈加敏感。

在只有外海平均海面放大1.25倍的情況下，長江河口段各站點A0值放大倍數(shù)不盡相同，但從圖9和表4中可以發(fā)現(xiàn)，各站數(shù)值均增大了相近的數(shù)量值，即在外海A0值增大了7.3 cm后，沿程各站點A0值均增大了9 cm左右，且兩者數(shù)值相近，這說明河口段站點A0值對外海平均海面變化響應(yīng)的敏感度幾乎相同。

由于人類活動對地球環(huán)境的影響迅速擴大，全球變暖以及海平面上升是一全球性系列重大的環(huán)境問題之一。在過去的100年里，全球的海平面平均上升速率為1～2mm/a［8-9］。隨著全球變暖，海平面上升將加劇，大多數(shù)研究者認為，下一世紀全球海平面上升速率可能達到過去100 a平均上升速率的3～6倍［10］。據(jù)權(quán)威的IPCC報告稱，到2100年，全球海平面上升預測值的最佳估計值為66 cm，最高估計值為110 cm［11］。

圖8 大通不同條件的流量過程線Fig.8 Process line of different discharges at Datong station

表3 不同邊界組合條件Tab.3 Combination condition of different upstream and downstream boundaries

圖9 平均海面A0沿程分布Fig.9 Distribution along the river of A0

表4 主要站點A0高度（cm）及變化量Tab.4 The value and variation of A0inmajor stations

長江三角洲及其鄰近地區(qū)是我國現(xiàn)代地殼沉降運動速率最大區(qū)域之一，也是人類開采地下水等造成地面沉降較為嚴重的區(qū)域，近些年來，全區(qū)地面平均沉降速率為2～5mm/a，其中上海市的最大沉降漏斗區(qū)為7mm/a［12］。因而，在21世紀全球海平面的絕對上升加上本地區(qū)的沉降所得到的海平面相對上升幅度將遠超過全球平均值。據(jù)此，本文以2000年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用模型分別模擬長江口海域海平面上升50 cm和100 cm后的河口段A0變化。

1993～2009年共17 a的實測資料在圖10中顯示，除了1998年等極致年份外，大通年平均流量與連興港年平均海面A0的變化趨勢并不一致，且兩者總的趨勢線傾斜方向剛好相反，即大通年平均流量呈逐年下降趨勢，而連興港A0以9mm/a的速率逐年上升。這與全球海平面上升的大趨勢相符，同時也說明連興港站的A0受上游徑流影響極小、可以代表外海潮汐特征。

從圖11和表5可以看出，在外海海平面上升50 cm后，長江河口段各站點A0均增大了49 cm左右；在外海海平面上升100 cm后，長江河口段各站點A0均增大了93 cm左右。這說明在外海海平面上升后，河口段A0均上升相近的高度，這就給該區(qū)域的人們提前敲響了警鐘，應(yīng)減小城市地面下沉并及早研究應(yīng)對措施，以防止重大海洋災害的發(fā)生。

圖10 大通年平均流量與連興港A0多年變化Fig.10 Temporal variation of annualmean discharge at Datong and A0at Lianxinggang

圖11 全球海面上升后的河口段A0分布Fig.11 Distribution along the river of A0after theglobal sea level rises

表5 主要站點A0高度（cm）及變化量Tab.5 The value and variation of A0inmajor stations

3 結(jié)論

通過設(shè)置上下游不同條件的對照組，長江河口段平均海面A0值由上游徑流和外海潮波共同作用產(chǎn)生，徑流對上游站點水位影響更大、外海潮波對下游站點影響更大。外海的潮波給予了河道內(nèi)平均水位一個沿程定值，而徑流使得其產(chǎn)生了沿程衰減的趨勢，這是河口段A0特征不同于外海的原因，也說明徑流是其主要的影響因子。徑流量的變化會導致沿程A0值發(fā)生響應(yīng)變化，且上游比下游站點響應(yīng)更敏感；外海A0值的變幅會使沿程振幅發(fā)生大致等量的變幅。未來全球海平面上升后，河口段A0也上升相近幅度，這將提醒人們及早采取措施預防海洋災害。

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Numerical simulation study onmean sea level at Yangtze River estuary reach

YANG Feng1,TAN Ya2,WANG Zhi?wei1
（1.PLA Navy 91650 Troops,Guangzhou 510320,China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering, Hohai University,Nanjing 210098,China）

In order to study the characteristics ofmean sea level at Yangtze River estuary reach,a two?dimen?sional hydrodynamicmodel for the tidal reach of the Datong?Yangtze River estuary was established.By simulating the hydrodynamics in response to runoff and tides and setting different upstream and downstream boundaries,the in?fluence factors and responses of A0at Yangtze River estuary reach were analyzed.The results show that,the A0at Yangtze River estuary reach is co?produced by runoff and tidal action.The offshore level gives a constant value to the A0along the estuary reach;meanwhile,the discharge of runoff produces the decay trend along the way to it,it′s the reason why the characteristics of the A0along the estuary reach is different from in offshore area,and it proves that the runoff is themain influence factor.The A0in estuary is only affected by the average level in offshore and the average discharge of runoff,but not by the change of runoff and offshore tide during a year.The average discharge of runoff during a year will affect the A0,and the upstream sites aremore sensitive than downstream;the offshore A0will produce a similar amount of change to it.With the global sea level rise,the A0in estuary will rise by a similar to offshore.

numerical simulation;mean sea level A0;sea level rise;Yangtze River estuary reach

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2015）03-0204-06

2014-10-11；

2014-11-03

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）課題：長江口海域水動力過程與生態(tài)系統(tǒng)演變機制（2010CB429001）；國家科技支撐計劃（水沙變異條件下荊江與長江口北支河道治理關(guān)鍵技術(shù)研究）課題：長江口北支建閘技術(shù)研究（2013BAB12B05）；江蘇省水利科技項目：風暴潮耦合影響下長江鎮(zhèn)揚河段水位預報技術(shù)研究（2012036）

楊鋒（1986-），男，河南省新鄉(xiāng)人，助理工程師，主要從事驗潮及水動力模擬分析工作。

Biography：YANG Feng(1986-),male,assistant engineer.