徑流量變化對長江口水動力特性的影響

范明源，李俊花，萬遠揚，郭 賀

(1. 上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306; 2. 上海河口海岸科學研究中心 河口海岸交通行業重點實驗室，上海 201201)

長江河口出徐六涇以后，呈“三級分汊、四口入海”的格局[1]：崇明島將長江河口分為南支和北支，南支又被長興島、橫沙島分為南港和北港，九段沙又將南港分為南槽和北槽(圖1)，水動力過程受徑流、潮流、波浪、風、沿岸流等多種因素共同作用，動力系統十分復雜。近年來，許多學者對長江口水動力特性進行了研究，包括漲落潮槽的水動力輸運機制研究[2-3]、水沙特性[4]和河勢變化規律[5-6]以及工程活動[7-8]等方面。劉高偉等[9]基于2007年長江口大潮實測流速資料，運用數據統計和機制分解法分析各河槽水沙輸移特性，結果表明：枯季優勢流小于洪季，枯季北支、南支北側、北港中下段、南槽南邊灘為漲潮優勢，其他河槽為落潮優勢，洪季北槽口外為漲潮優勢，其他河槽為落潮優勢。于鳳香等[10]采用混合坐標系的方法建立一套適用于長江口潮流的三維水動力模型，統計分析完整潮周期內的計算結果，發現各汊道的漲落潮動力差異較大，北支在枯季大潮時期的落潮分流比小于1%，南、北支上口的動力差異是鹽水倒灌的誘因。杜亞南等[11]根據代表長江口水文要素觀測的徐六涇站潮流量整編成果進行分析統計，得出結論：漲潮、落潮及凈泄潮量年內分配不均，凈泄潮量年內分配比相對更加集中；潮流量的變化過程與前述的凈泄潮量的變化規律一致。這些研究對長江河口的水流泥沙輸運規律、河床演變、航道整治等均有重要意義。只有充分認識不同徑流量與潮流交互作用引發的河口水動力環境的變化規律，才能更系統更全面地了解長江口特性。同時，對河口航道維護，港口工程建設，水體環境保護，漁業資源開發乃至整個河口的綜合開發治理具有重要的現實意義。

圖1 長江口測點布置示意Fig. 1 Survey point layout of the Yangtze River estuary

自2003年三峽大壩建成以來，長江徑流和節律發生了較大變化[12](圖2)。張怡輝[13]應用ECOMSED模型模擬長江口潮流場，研究表明三峽蓄水對長江口水動力的影響不可忽略，致使落潮流速減小，漲潮流速增大。長江口屬于中等潮差河口，平均潮差為2.67 m，潮流界至江陰附近，潮區界可達安徽大通。根據2004—2018年大通站實測資料統計，大通站年平均徑流量為27 042 m3/s，流量高峰出現在洪季7—8月，最大流量為46 858 m3/s，流量低谷出現在枯季1—3月，最小流量為12 974 m3/s。2016年遭遇了長江流域大洪水，2016年7月最大流量71 000 m3/s，其中全年大于30 000 m3/s的天數為151天，大于40 000 m3/s的天數為133天，大于50 000 m3/s的天數為64天。2017年7月最大流量70 900 m3/s，其中全年大于30 000 m3/s的天數為174天，大于40 000 m3/s 的天數為47天，大于50 000 m3/s的天數為29天。2018年徑流量較多年平均值偏小，洪季期間最大流量僅46 900 m3/s，洪季過后流量回落至20 000 m3/s左右[14]。三峽工程將15 000 m3/s作為大通10月流量下限，一旦低于該閾值，長江口受鹽水入侵的機會將大大增加[15]。長江口的潮汐一天內有兩漲兩落，一個半日潮周期時長12.42 h，日潮不等現象顯著，口外東部水域屬于正規半日潮流區。隨著潮流進入河口，水深變淺，淺水分潮增強，潮流逐漸成為非正規半日潮。

圖2 大通站流量統計Fig. 2 Flow statistics of Datong station

1 研究方法

1.1 模型選用

水動力模擬區域包含長江下游感潮河段及整個河口區，河道與河口在橫向尺度上存在很大的差異，并且區域水動力過程復雜，對模型適用性的要求較高。選用平面二維數學模型MIKE21進行長江口區域流場的數值模擬。該模型適用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環境[16]。

1.2 模型控制方程

該模型是基于三向不可壓縮和雷諾數均布的Navier-Stokes方程[17]，并服從于Boussinesq假定和靜水壓力假定。

二維非恒定淺水方程組：

(1)

(2)

(3)

式中：t為時間；x，y為笛卡爾坐標系坐標；為水位；d為靜止水深；h=+d為總水深；u，v分別為x，y方向上的速度分量；f是科氏力系數，f=2ωsinφ，ω為地球自轉角速度，φ為當地緯度；g為重力加速度；ρ為水的密度；S為源項；(us，vs)為源項水流流速。

(4)

其中，Tij為水平黏滯應力項，包括黏性力、紊流應力和水平對流，這些量是根據沿水深平均的速度梯度用渦流粘性方程得出的：

(5)

2 模型建立與驗證

2.1 確定計算域

水動力模型包含范圍較廣，河道、河口和海區各區域水體空間尺度變化較大，為了盡可能在滿足不同區域計算精度的同時保持較高的計算效率，對于重點研究區域進行網格加密。

模型范圍選取在117°43’E、124°20’E、29°24’N和33°30’N之間，采用北京54坐標系、中央經線為123度的6度帶投影。上游開邊界選取在大通，給定流量過程；下游開邊界選取在124°20’E、29°24’N和33°30’N的外海，給定水位過程，通過全球潮汐預測模型得出，若無特殊說明，文中高程系統均為上海城建吳淞高程基準面。網格共61 835個，節點共32 137個，外海網格節點最大距離13 km，北槽最小網格節點距離300 m。模型網格見圖3。計算時間為2015年7月1日零點至2015年8月2日零點，時間步長均為120 s。

圖3 模型網格范圍Fig. 3 Model grid range

2.2 模型驗證

根據2015年7月長江口水文站點的實測資料來對建立的數值模型進行驗證，潮位驗證共19個驗證站點，分別為江陰站、天生港、營船港、徐六涇、白茆、崇明洲頭、連興港、楊林、六滧、共青圩、石洞口、吳淞、長興碼頭、橫沙、北槽中、牛皮礁、雞骨礁、中浚、南槽東。流速流向驗證共17個驗證站點，分別是HS0、NGN4S、NG3、CS0S、CS9S、CS6S、CSWS、CS3S、CS4S、CS7S、CS10S、XQTD、BG4、BG5、BG2、BG6、BG3，驗證測站分布見圖1。洪季北槽中站點的潮位驗證圖和CS3S的流速流向驗證圖，見圖4和圖5。

圖4 北槽中站洪季水位驗證Fig. 4 Verification of water level of the North Passage middle station in flood season

圖5 CS3S測站洪季大小潮流速流向驗證Fig. 5 Verification of large and small tidal current velocities and direction of CS3S station in flood season

采用式(6)來計算所有驗證點的相關系數值。

(6)

表1 潮位驗證站點的相關系數值Tab. 1 Correlation coefficient values at tide level verification sites

表2 流速流向驗證站點的相關系數值Tab. 2 Correlation coefficient values of velocity and flow verification station

驗證過程中計算值與實測值之間存在一定誤差，分析其主要原因為數值模型建立時主要考慮的動力因子為徑流和潮流，而實測資料還受風、浪、溫度、鹽度等多種因素的影響。但總體來看，所建立的二維水動力模型能夠反映出長江口水動力的基本特性，展現出長江口真實的流場狀況，可以用于長江口水動力場的數值模擬。

3 結果分析

3.1 不同徑流條件下水流特性變化與影響分析

大通站計算流量分別選用三峽水利樞紐工程規定的大通流量下限15 000 m3/s(代表枯季流量)、30 000 m3/s(代表年平均流量)、年平均洪季流量45 000 m3/s(代表洪季流量)。統計不同徑流量條件下長江口各汊道15天的凈泄量和漲落潮量及其分配情況，統計斷面布置見圖1，統計結果見圖6。

圖6 不同徑流量條件下各汊道的漲落潮量Fig. 6 Fluctuation tide of each branch under different runoff conditions

從不同徑流量條件下長江口各汊道的漲落潮量和凈泄量統計結果來看，徑流量由15 000 m3/s、30 000 m3/s、45 000 m3/s變化時，南支凈泄量分配比例分別為94.27%、95.45%、95.83%，南港凈泄量分配比例分別為59.16%、58.03%、57.53%，北槽凈泄量分配比例分別為97.13%、74.27%、66.21%；南支落潮分流比分別為94.93%、95.07%、95.18%，南港落潮分流比分別為54.57%、54.75%、54.88%，北槽落潮分流比分別為47.13%、47.89%、48.45%；南支漲潮分流比分別為95.37%、94.39%、92.90%，南港漲潮分流比分別為52.88%、51.84%、50.67%，北槽漲潮分流比分別為30.45%、27.55%、24.70%。隨著徑流量增加，凈泄量分配比例：南支遞增，南港遞減，北槽遞減；落潮分流比：南支遞增，南港遞增，北槽遞增；漲潮分流比：南支遞減、南港遞減、北槽遞減。

分析以上數據可知，由于長江口北支屬喇叭狀水道，分汊口處水道窄淺，淺灘遍布，且北支的主槽軸與上游河道偏轉角較大，與南支分汊口處區別明顯，隨著徑流量的增加，北支的上游來水分流作用逐漸減弱，上游來水主要流入南支，同時更多的落潮流從南支流出，而更多的漲潮流從北支流入；南北港的落潮分流效果幾乎不受徑流量的變化影響，變化幅度小于1%，在不同徑流量條件下始終保持著穩定的分流比，而隨著徑流量的增加，更多的漲潮流流入北港；南北槽的落潮比保持著相對穩定的分流比，變化幅度為1%左右，但漲潮分流比變化較大，北槽從15 000流量的30.45%減少到45 000流量的24.70%；枯季時由于徑流動力減弱，凈泄量僅為3.5億 m3，南槽的漲潮量幾乎持平落潮量，隨著徑流量的增大，落潮量逐漸增大，漲潮量逐漸減小，凈泄量不斷增大。綜上所述，徑流量的變化對于漲潮分流的影響顯著，隨著徑流量的增加，更多的潮流從北支、北港、南槽進入長江口內。當上游的徑流動力增強，外海潮流受上游徑流的阻擋，難以繼續上溯。

3.2 不同徑流條件對潮位的影響分析

大通站計算流量分別選用15 000 m3/s(代表枯季流量)、30 000 m3/s(代表年平均流量)、45 000 m3/s(代表洪季流量)。統計15天不同徑流量條件下的長江口各汊道內各站點的潮位變化情況，統計測站位置布置見圖1，統計結果見圖7。

圖7 不同徑流條件下各汊道的平均潮位變化Fig. 7 The change of average tide level of each branch under different runoff conditions

從圖7可以看出，不同徑流量下各汊道的沿程水位變化有一定的相似性，長江口各汊道的平均潮位隨徑流量的增大均有一定程度的升高，上游徑流量越大，平均潮位也越高；各汊道沿程各點平均潮位向海逐漸降低，徑流量對平均潮位的影響也逐漸減小；對于同一條汊道，不同徑流量對平均潮位的影響程度有所不同，越是靠近上游，平均潮位的變幅越大，說明徑流量的變化對平均潮位的影響程度越高；入海口處測點的變幅均小于1%，說明該位置受徑流的影響微弱，潮位變化是要是受外海潮汐動力的影響。由此說明，上游徑流量越大，潮波向內陸傳播越受阻，能量消耗越大，致使其動力減弱。

3.3 不同徑流條件對流速的影響分析

大通站計算流量分別選用15 000 m3/s(代表枯季流量)、30 000 m3/s(代表年平均流量)、45 000 m3/s(代表洪季流量)。統計15天不同徑流量條件下的長江口各汊道內各站點的流速變化情況，統計測站位置布置見圖1，統計結果見表3。

表3 相對枯季流量各汊道沿程流速相對變化值Tab. 3 Relative change of flow velocity along each channel in relative dry season

從表3可以看出，不同徑流量下各汊道的沿程速度變化有一定的相似性，長江口各汊道的平均流速隨徑流量的增大均有一定程度的增大，上游徑流量越大，平均流速也越大；各汊道沿程總體趨勢各點流速向海逐漸減小，徑流量對平均流速的影響也逐漸減小；對于同一條汊道，不同徑流量對平均流速的影響程度有所不同，越是靠近上游，平均流速的變幅越大，說明徑流量的變化對平均流速的影響程度越高；入海口處測點的流速受徑流的影響微弱，主要是受外海潮汐動力的影響。總體來看，流速變化和潮位變化規律類似。

3.4 長江口北槽中下段水流特性

長江口北槽河道位于長江口南港下段，九段沙、橫沙島及橫沙東灘之間，河道全長約60 km，自1998年長江口深水航道治理工程實施以來，北槽更是得到了較為全面的人工控制，當前北槽河道兩側有整治建筑物(南北導堤及丁壩合計共169 km)，中間為寬350～400 m、深12.5 m的深水航道[18]。經過一至三期工程的艱苦建設，北槽形成了上下貫通、平面呈現微彎、覆蓋航槽的深槽。深水航道概況圖見圖8。

圖 8 長江口深水航道概況圖Fig. 8 Profile of Deepwater Channel

1) 水流流速大小平面分布

利用前文中所建立的長江口二維模型分別計算大通站15 000 m3/s(代表枯季流量)及45 000 m3/s(代表洪季流量)，統計洪枯季15天的長江口北槽徑潮流情況，統計結果見圖9。

圖9 北槽中下段各斷面瞬時垂線平均流速流向分布Fig. 9 Distribution of instantaneous vertical average velocity and flow direction of each section of the North Passage

由圖9可見：兩條線的重合度非常高，說明洪枯季的情況非常相似，徑流量的變化只會稍微改變流速的大小和方向。漲潮時邊灘先漲，隨后才是主槽漲潮；落潮時也是邊灘先落，隨后才是主槽落潮；漲急落急時，主槽的流速顯著大于邊灘的流速，而漲憩落憩時，主槽的流速小于邊灘的流速。在轉彎段，由于水流受到慣性作用，水流會保持原來的運動狀態繼續向前，水流流向便會與航道主槽方向之間存在夾角，水流流向在彎道處均會向北偏折。在轉流時刻，會出現主航道兩側的水流運動狀態不同的情況(如圖9的(b)、(d))，航道南側已經開始落潮，而航道北側還在漲潮，這種兩邊完全相反的運動狀態會在平面上形成對流。對比流量15 000 m3/s和45 000 m3/s的情況，越靠近上游，徑流動力越強，而越靠近下游則潮流動力越強，上游徑流量越大，潮波向內陸傳播越受阻，能量消耗越大，致使其動力減弱。

2) 橫向越堤水流

長江口深水航道的南北導堤的主要作用是導流、擋沙以及減淤，南北導堤堤頂高程均為2 m，南壩田擋沙堤堤頂高程為3.5 m。據長江口北槽實測資料統計，北槽中的漲潮流高程能達到3～4 m，因此會存在越堤流。隨著橫沙島東部淺灘促淤的完成，潛堤N5以西的北導堤已經不過水，但是潛堤N5以東段以及南導堤的越堤現象依舊普遍存在。利用前文中所建立的長江口二維模型分別計算大通站15 000 m3/s(代表枯季流量)及45 000 m3/s(代表洪季流量)，統計洪枯季15天的長江口北導堤N5以下所有堤段及南導堤S5以下所有堤段的越堤情況，統計結果見表4。

從表4中可以看出，北向越堤量大于南向越堤量，北向越堤流占優勢，即大量潮流越過南導堤流入北槽，越過北導堤流出北槽。對比相同徑流量下南北導堤的越堤凈通量，越堤流出北槽的總水量大于越堤流入北槽的總水量，這是由于南壩田擋沙堤的堤頂高程為3.5 m，擋住了大部分的南導堤越堤流，而北導堤的堤頂高程為2 m，只能擋住部分越堤流。對比洪枯季的南北導堤越堤凈通量發現，洪季越堤凈通量有所增加。對比圖6洪枯季北槽漲落潮量，北槽中的橫向水流在量級上已經不亞于縱向水流，給拐彎段提供了大量的橫向水流。

表4 長江口北槽南北導堤越堤流量統計Tab. 4 Flow statistics of the north-south dike over the North Passage of the Yangtze River estuary

4 結 語

利用MIKE21建立長江口水動力數學模型，研究徑流量變化對長江口水動力特性的影響。分析了不同徑流量條件下各汊道漲落潮量和凈泄量以及分配比例；分析了不同徑流量對各汊道潮位變化的影響；分析了不同徑流量對北槽中下段水動力特性的影響，得到如下結論：

1) 徑流量的變化對于漲潮分流的影響顯著，隨著徑流量的增加，更多的潮流從北支、北港、南槽進入長江口內。當上游的徑流動力增強，外海潮流受上游徑流的阻擋，難以繼續上溯。

2) 越是靠近上游，徑流量的變化對平均潮位的影響程度越高, 入海口處受徑流的影響微弱；上游徑流量越大，潮波向內陸傳播越受阻，能量消耗越大，致使其動力減弱。

3) 徑流量的變化對平均流速的影響與上述潮位變化類似，上游徑流量越大，各汊道流速越大；越靠近海洋，徑流影響越小。

4) 長江口北槽中下段轉流時刻會出現平面對流現象。橫向方向上普遍存在越堤水流，且南北導堤均為北向越堤流占優勢。橫向水流在量級上已經不亞于縱向水流，給拐彎段提供了大量的橫向水流來源。

文中所建立模型僅考慮了長江口的徑潮流變化情況，并未考慮風、浪、溫度、鹽度等其他因素的影響，模擬結果具有一定局限性，之后將繼續開展后續研究并考慮更多影響因素來提高模型的準確性。