海河流域主要河口閘下通道風暴潮增水研究

唐 磊，孫林云，孫 波，肖立敏

(南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室, 江蘇 南京 210029)

海河流域主要河口閘下通道風暴潮增水研究

唐 磊，孫林云，孫 波，肖立敏

(南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室, 江蘇 南京 210029)

建立東海-黃海-渤海大范圍風暴潮二維數學模型,對9216臺風風暴潮過程進行模擬，分析渤海灣造陸工程前后風暴潮增水對海河流域主要河口(海河口、永定新河口和獨流減河口)閘下區域最高潮位的影響，并探討有效降低河口閘下通道內風暴潮潮位的開發方式。研究表明：渤海灣圍填海工程實施后，閘下通道內維持自然地形時，通道內最高潮位高于工程前；閘下通道實施地形開挖后，通道內最高潮位依然高于工程前，但較自然地形條件下抬高幅值有所減小。閘下通道結合開發建設港池航道等工程實施地形開挖，使得通道內水深增加，可降低通道內風暴潮增水幅度。

渤海灣；造陸工程；海河流域；主要河口；閘下通道；風暴潮增水

Abstract: A wide-range 2D storm surge numerical model covering the East China Sea, the Yellow Sea and the Bohai Sea was established. The process of the storm surge of Tyhoon 9216 was the simulated in the model. The impact of the reclamation project on the highest tidal level (HTL) in the downstream channel of the tidal gate at the major estuaries of the Haihe River Basin during the storm surge was analyzed. And the development method to effectively reduce the storm tidal level in the downstream channel of the tidal gate was discussed. Results show that when maintaining the original terrain in the downstream channel of the tidal gate, the HTL in the channel is higher than that before the reclamation project; when excavation of the terrain in the channel is implemented, the HTL is still higher than before, but the amplitude of the storm surge in the channel will be less than that of the original terrain in the downstream channel. So the excavation of terrain to increase water depth by the development project of the harbor basin and waterway can weaken the storm surge in the channel.

Keywords: Bohai Bay; reclamation project; Haihe River Basin; major estuaries; downstream channel of tidal gate; storm surge

渤海灣是渤海三大海灣之一，是一個向西凹入的弧形淺水海灣，灣口以河北唐山市樂亭縣大清河口至山東的舊黃河口一線為界，面積約1.75×104km2[1]。渤海灣水深一般小于20 m，灣內地形自灣頂向渤海中央緩傾，灘面坡度平緩，沉積物以細顆粒黏性土為主，為淤泥質海岸，局部區域沉積物為細粉沙。渤海灣是我國風暴潮災害最嚴重的地區之一，一年四季均有發生，夏季有臺風風暴潮災害發生，春、秋、冬季均有災害性溫帶風暴潮發生[2]。據天津市水利志記載，自1890年至1985年間，天津沿海共發生有較大影響的風暴潮20次，1985年以來共發生了約16次由臺風或溫帶氣旋影響在渤海灣產生的較嚴重風暴潮災害，其中典型風暴潮有7203、9216、9711與1210臺風風暴潮和2003年10月寒潮風暴潮，9216臺風風暴潮對該地區影響最為顯著，給社會經濟和人民生命財產帶來巨大損失。

針對渤海灣風暴潮研究是工程界和學術界長期以來關注的熱點話題。文獻[2]采用塘沽海洋站實測潮位資料對天津沿海風暴潮災害發生時間、天數等進行統計分析，并采用耿貝爾(Gumbel)方法計算出了不同重現期的風暴潮增水值和高潮位值，為防潮工程設計提供了重要參數依據。徐明娥等[3]對2008年8月渤海灣內發生的一次風暴潮成因進行研究。大量學者[4-9]采用風暴潮數學模型對作用于渤海或渤海灣內風暴潮過程進行模擬和預報，此類研究并未考慮海岸線變化對風暴潮的影響。近十年來，為適應經濟發展需要，渤海灣內開展了大量的圍填海造陸工程，如曹妃甸、濱海旅游區、天津港、臨港經濟區、南港工業區、黃驊港等，海岸線發生了較大變化，章衛勝等[10]建立了渤海風暴潮二維數學模型，研究分析了圍填海工程實施對渤海灣內及工程前沿風暴潮高潮位的影響情況。海河流域主要入海河口有海河口、永定新河口和獨流減河口(簡稱“三河口”)，隨著天津濱海新區圍填海工程的實施，“三河口”新的河口延伸至海圖水深3～9 m，與防潮閘之間形成約15～20 km不等的閘下通道，風暴潮作用下河口閘下通道潮位變化對河口行洪安全的影響是防洪的關鍵問題。

建立東海-黃海-渤海大范圍風暴潮數學模型，對9216臺風風暴潮過程進行模擬與驗證，計算分析圍填海造陸工程對海河流域主要河口閘下通道內風暴潮增水的影響，探討有效降低河口(三河口)閘下通道內風暴潮增水的開發方式。

1 風暴潮數學模型建立與驗證

1.1 控制方程

采用靜壓假定下的不可壓縮淺水流動方程描述風暴潮運動，即納維爾—斯托克斯(Navier-Stokes)方程。本研究主要針對平面尺度較大的海域潮流計算，故采用垂線平均后的二維水流基本方程，球坐標系下的方程表達形式如下：

連續方程：

運動方程：

式中：x、y為笛卡爾坐標系坐標；λ、φ為球坐標系坐標，分別為經度和緯度；R為地球半徑，m；t為時間變量，s；η為相對于參考基面的水位，m；h=h0+η為全水深，m；U、V分別為x、y方向上的垂線平均流速，m/s；f為科氏力系數(f=2ωsinφ，ω為地球自轉角速度)；ρ0為水體參考密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；pa為大氣氣壓，hPa；A為水平紊動黏性系數，由Smagorinsky提出的亞格子法進行計算[11]；τsx、τsy分別為表面風應力在x、y方向上的分量，N/m2；τbx、τby分別為底部切應力在x、y方向上的分量，N/m2。

其中，ρa為空氣密度，kg/m3；W10為海面上10 m處風速，m/s；wx、wy分別為W10在x、y方向的分量；cd為風拖曳力系數，其經驗公式形式[12]如下：

1.2 模型建立

本次建立的風暴潮數學模型采用球坐標系，模型范圍117.5°E～127°E、31.7°N～41.0°N，包含東海、黃海和渤海，開邊界設置在長江北支口至韓國濟州島和濟州島至韓國本土岸線。模型網格示意如圖1(a)，網格節點數為26 024，網格單元數為48 725，最大網格尺度為0.19°，位于模型開邊界處，最小網格尺度為0.002°，位于海河流域主要河口閘下通道內。大范圍水下地形來自美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)網站的公開數據，渤海灣內水下地形采用收集到的海圖和局部實測地形資料。將水下地形數據插值到模型網格節點上，得到模型計算地形，如圖1(b)所示。

1.3 參數選取

風場和氣壓場是風暴潮數學模型中的關鍵輸入參數，采用的風場CCMP(Cross-Calibrated, Multi-Platform)資料來自ESE(NASA Earth Science Enterprise)，它結合了ADEOS-II、QuikSCAT、TRMM TMI、AMSR-E、SSM/I幾種資料，利用變分方法得到。CCMP風場具有較高的精度和時空分辨率，其空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為6 h。空間范圍為78.375°S～78.375°N，0.125°E～359.875°E，時間范圍為1987年7月-2011年12月。張鵬等[13]采用渤海海區某觀測站的實測風速風向數據對CCMP風場進行檢驗，結果表明，CCMP風場和實測風場風速風向相關性較好，能夠代表渤海海面的風場狀況。本次選取20.125°N～43.125°N、115.125°E～135.125°E范圍的風場數據。氣壓場根據臺風路徑、中心氣壓等參數采用經驗公式計算得到，具體計算方法參考文獻[14-15]，典型時刻風場如圖2所示。

圖1 風暴潮數學模型Fig. 1 Sketch of storm surge numerical model

圖2 9216臺風路徑與典型時刻風場和氣壓場Fig. 2 The wind and air pressure of Typhoon 9216 at typical moment and its path

1.4 模型驗證

首先，采用國家海洋信息中心發布的《潮汐表》中渤海灣內各潮位站預報值，對天文潮過程進行驗證，為節省篇幅，圖3(a)僅給出塘沽海洋站天文潮驗證結果；其次，采用收集到的9216臺風風暴潮期間塘沽海洋站潮位實測過程，對風暴潮期間該站位的潮位和增減水過程進行驗證，分別如圖3(a)和圖3(b)所示。從驗證結果來看，模型計算的潮位和增水幅度與實測結果均較為接近，最高潮位計算值(3.16 m)與實測值(3.20 m)誤差為-0.04 m，表明該風暴潮數學模型對現場風暴潮過程的模擬具有一定的精度，可運用于后續相關研究。

圖4 渤海灣造陸工程前9216臺風風暴潮最高潮位分布Fig. 4 The distribution of highest tide level in Bohai Bay before the reclamation during Typhoon 9216 storm surge

2 渤海灣造陸工程前后風暴潮最高潮位分析

2.1 工程前

渤海灣造陸工程實施前，風暴潮最高潮位受淺水變形作用從渤海灣口向內逐漸抬升，渤海灣灣頂沿線風暴潮最高潮位分布規律表現為由北向南逐漸增大，在南港工業區至濱州港(即套爾河口)一帶風暴潮最高潮位最高，如圖4所示。“三河口”閘下區域風暴潮最高潮位沿程分布規律是從外海至閘下逐漸抬升，如圖5所示。“三河口”中獨流減河口閘下潮位最高、永定新河口次之、海河口較永定新河口略低，分別為3.34 m、3.20 m和3.18 m。

圖5 閘下通道最高潮位沿程分布Fig. 5 The distribution of highest tide level in downstream channel of tidal gate

圖6 渤海灣造陸工程后三河口通道內計算網格 Fig. 6 The numeric grid in the three estuaries channel under tide gate after the reclamation in Bohai Bay

2.2 工程后

渤海灣造陸工程實施后，“三河口”防潮閘閘下均形成較長通道，沿岸陸地邊界較工程前發生變化，在前文建立的風暴潮數學模型基礎上，對河口區域的計算網格進行加密重構，如圖6。計算分析河口閘下通道內自然和開挖地形兩種不同工況下，通道內潮位沿程分布情況；并計算分析“三河口”防潮閘同時提閘泄洪條件下，通道內潮位的變化情況。各計算工況閘下通道潮位沿程分布和渤海灣內分布情況分別如圖5和圖7，閘下最高潮位值和通道最高潮位平均增加值分別如表1和表2所示。

表1 渤海灣造陸工程后三河口閘下最高潮位Tab. 1 The highest tide levels in three channels under tidal gate after the reclamation in Bohai Bay

表2渤海灣造陸工程后三河口通道最高潮位平均增加

Tab.2AverageincrementofhighesttidelevelsinthreeestuarieschannelsundertidalgatesafterthereclamationinBohaiBay

臺風比較項目最高潮位平均增加值/m海河口永定新河口獨流減河口9216臺風工程后較工程前(自然地形工況)0.120.110.16工程后較工程前(自然地形與泄洪工況)0.140.110.20工程后較工程前(開挖地形工況)0.060.060.10工程后較工程前(開挖地形與泄洪工況)0.070.090.11

2.2.1 閘下通道自然地形工況

“三河口”在防潮閘閘下均配套有清淤槽工程，造陸工程實施后，形成的閘下通道內維持自然地形(即閘下清淤槽開挖而通道內不開挖)，通道內最高潮位因潮波淺水變形效應增強而較工程前有所抬高。在9216臺風風暴潮作用下，海河口、永定新河口和獨流減河口閘下通道最高潮位較工程前分別平均抬高0.12 m、0.11 m和0.16 m。獨流減河口閘下潮位最高、永定新河口次之，海河口較永定新河口略低。

閘下通道內維持自然地形，海河口、永定新河口和獨流減河口三河口同時提閘泄洪，流量分別800 m3/s、4 640 m3/s和3 600 m3/s。閘下通道內最高潮位不僅較工程前有所抬高，下泄洪水在風暴潮頂托作用下，使得該工況通道內潮位較自然地形和不泄洪情況下進一步抬高。

2.2.2 閘下通道開挖地形工況

造陸工程實施后，結合閘下清淤和港池、航道與碼頭前沿開挖，閘下通道內實施地形開挖后，通道內最高潮位較工程前仍有所抬高，但較河口閘下通道自然地形情況下的抬高幅度有所減小，獨流減河口閘下潮位仍為三河口最高。在9216臺風風暴潮作用下，海河口、永定新河口和獨流減河口閘下最高潮位分別平均抬高0.06 m、0.06 m和0.10 m。

閘下通道內開挖地形，三河口同時泄洪，通道內最高潮位較工程前有所抬高，與閘下通道自然地形泄洪工況比較，其潮位抬高幅值有所減小。

綜上所述，渤海灣造陸工程實施后，閘下通道內維持自然地形時，最高潮位高于工程前；閘下通道結合開發建設港區航道等工程實施地形開挖后，最高潮位依然高于工程前，但較自然地形下抬高值有所減小。可見，閘下通道結合開發建設港池航道等工程實施地形開挖，使得通道內水深增加，可降低通道內風暴潮增水幅度。

圖7 渤海灣造陸工程后9216臺風風暴潮最高潮位分布Fig. 7 The distribution of highest tide level in Bohai Bay after the reclamation during Typhoon 9216 storm surge

3 結 語

建立了東海-黃海-渤海大范圍風暴潮數學模型，采用了CCMP風場和經驗公式計算所得氣壓場作為模型外部驅動力的輸入參數，對9216臺風風暴潮過程進行模擬，并采用潮位和增減水實測資料對模型進行驗證。在此基礎上，分析了工程前渤海灣內最高潮位分布情況，并計算分析了工程后海河流域主要河口閘下通道內風暴潮潮位變化情況，探討了降低通道內風暴潮增水的開發方式。得到如下主要結論：

1)渤海灣造陸工程前，風暴潮最高潮位受淺水變形作用從渤海灣口向內逐漸抬升，渤海灣灣頂沿線風暴潮最高潮位分布規律表現為由北向南逐漸增大，在獨流減河口附近至濱州港(即套爾河口)一帶潮位最高。“三河口”閘下區域風暴潮最高潮位沿程分布規律是從外海至閘下逐漸抬升，其中獨流減河口閘下潮位最高、永定新河口次之、海河口較永定新河口略低。

2)渤海灣造陸工程實施后，三河口閘下均形成較長的通道，若通道內維持自然地形，其內最高潮位因潮波淺水變形較工程前有所抬高。三河口閘下最高潮位表現為獨流減河口最高、永定新河口次之，海河口較永定新河口略低。在此條件下提閘泄洪，閘下通道內潮位不僅較工程前有所抬高，并且較河口閘下通道自然地形和不泄洪情況下會進一步抬高。

3)在三河口形成的通道內進行地形開挖，通道內最高潮位較工程前仍有所抬高，但較閘下通道自然地形情況下的抬高幅度有所減小。在此條件下提閘泄洪，通道內潮位較不泄洪情況下有所抬高，但較自然地形條件下泄洪時的潮位有所降低。

渤海灣造陸工程實施后，“三河口”閘下較長的通道內風暴潮增水有所增加，對河口行洪安全產生一定程度的影響；如閘下通道內開發建設港池航道等工程，實施地形開挖增加通道內水深，可降低風暴潮增水幅度，進而減緩其對河口行洪安全的影響。本研究成果可為其他類似河口灘涂開發建設提供借鑒。

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Study on storm surge in downstream channels of tidal gates in the major estuaries of Haihe River Basin

TANG Lei, SUN Linyun, SUN Bo, XIAO Limin

(Nanjing Hydraulic Research Institute, State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing 210029, China)

1005-9865(2016)04-0055-07

P731.23

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.008

2015-12-09

水利部公益性行業科研專項(201301067)；南京水利科學研究院中央級公益性科研院所基本科研業務費專項(Y215018)

唐 磊(1985-)，男，江蘇靖江人，工程師，博士，主要從事港口航道工程及工程泥沙研究。E-mail：tlhppy@163.com

孫林云(1959-)，男，上海人，教授級高級工程師，主要從事河口海岸工程泥沙問題及河口綜合利用規劃研究。 E-mail：lysun@nhri.cn