岸線變遷下遼河口潮流數值模擬

◎ 聶會 張宇亮 朱姝嫻 金波 唐穎瀅 董曉惜

1.浙江水利水電學院；2.青田農村水利管理總站

1.概況

潮流是近岸海域最為重要的動力現象之一，對海上航行、近岸工程建設、航道利用、潮汐能利用、水產養殖、泥沙運移、污染物擴散等均有重要的影響[1]。本文針對渤海灣近年岸線變化影響潮流分析。

渤海灣位于渤海西部，位于我國北方的經濟、政治和文化的中心，是我國經濟發展較快的區域之一。但是遼河口地形復雜多變，且受到徑流和潮汐作用的相互影響，因此對于遼河海岸線與潮流界和潮區界的動態關系變化有著非常重要的現實意義。目前，自然環境對岸線影響約占40%，人工活動對岸線影響占60%。本文通過水動力模型深入研究了歷年來渤海灣大遼河河道及岸線的變化，結合潮位數據，以期對渤海灣開發及今后發展提高決策支持。

2.研究現狀

王建步、諶艷珍、陳文熙等學者先后通過遙感技術研究了20世紀90年代至2013年的遼河口海岸線變遷[2-4]，付杰、宋倫學者在遙感技術的基礎上使用潮汐改正提取海岸線分析了1990—2018的盤錦海岸線變遷[5]，凡姚申等學者利用遙感數據和潮位信息為基礎研究遼河口的鴛鴦島形態變遷[6]。張學慶、劉曉敏學者曾對大遼河口的潮通能量分布與沿程變化特征，針對2011年和2009年兩年的水位及潮流檢測資料的模擬成功擬合[7]；李晉、徐天平等學者建立遼河口數值模型研究了不同徑流條件對河口潮流的影響[8]；趙楷賓等學者研究了在徑潮流作用下遼河口的淺灘數值模擬[9]；孫剛依據遼河口鹽度進行潮區界潮流界的數值模擬[10]。蔣文治等學者岸在線變化和海平面抬升對珠江河口水體交換的影響提出海平面抬升不利于水體交換[11]。近年來對于遼河口區域的水動力數值模擬越來越受到重視，更多的學者投身于此。遺憾的是，上述學者們都沒有對近年來遼河口岸線引起的潮位和潮流界的動態變化進行研究。

3.模型建立

本文研究范圍為渤海灣大遼河流域及周邊海域，為使模型精確，本文對渤海海域建立大模型并對大遼河流域建立小模型并對大遼河水域網格做局部加密方法處理，工作區域網格邊長約為700m，河口周邊海域邊長網格約為1400m，該海域地形資料采用谷歌地形圖提取數據，地球球面坐標投影采用UTM51的投影坐標系，其中2013年生成網格28293個，節點15078個，渤海灣網格如圖1所示。

圖1 網格圖

模型控制方程為連續方程和N-S方程。

4.結果分析

4.1 精度分析

為檢驗精度的可靠性，采用實測數據和模擬數據潮位進行對比驗證。

海洋潮波傳播進入河口區域后，其波面形態、波動類型以及潮查沿程不斷發生變化，其影響因素主要歸結為：河道水深的變化、河道平面形態的差異、底摩擦、河道淺灘以及河口端部的反射和河道徑流量的大小等。

根據查找到的渤海灣邊界數據以及衛星圖中提取的渤海區邊界數據進行擬合。本次研究選取2020年7月的大連港和威海的潮位數據作為計算邊界數據，在以一個月的時長為周期進行運算后，選取渤海地區鲅魚圈、和錦州港2個潮位站的實測數據與模擬數據進行擬合，并計算潮位點均方根誤差（RMSE）。具體計算結果如表1所示。

表1 潮位點的均方根誤差

在模型參數完成率定的基礎上，對模型進行驗證，模型驗證2020年7月錦州港和鲅魚圈潮位來進行模型的驗證，驗證結果如圖2所示。

圖2 2020年潮位模擬結果

整體上來說，將實測數值和模擬數值進行對比，本次模擬潮位過程和實測潮位過程趨勢走位大致相同，結果較好地反映了大遼河口潮位變化情況，但是存在整體潮差有下移的趨勢的現象，經分析得出可能是由于潮位邊界條件的基準面與實測不同引起的。

總的來說，本次模擬潮位過程和實測潮位過程趨勢走位大致相同，對于此區域的結果可信，有利于進一步分析遼河外海邊界條件，為我們下一步計算遼河口潮區界變化提供可靠的數據資料，達到了預期效果。

4.2 岸線變化引起大小潮變化

本文在不同河流徑流條件下，利用固定測量點讀取模擬數據當月潮位變化，對比大小潮差圖得到對比數據。

受岸線變化及河道淤堵影響，2013年和2020年大小潮有顯著差異。

由表2數據可知相同地形下，不同徑流下大小潮的變化，在同一年份中增大徑流對潮位影響并不大。

表2 不同徑流岸線變化下的大小潮

表3 285m3/s徑流下潮流界移動距離

在2013至2020年的地形變化后相同徑流最后得到的最大潮差增大約1.63m。

由圖3可得，在岸邊界變化后大遼河河口潮位的變化，在2013年間至2020年間由于河道淤積改道及河口淤積造成河流徑流影響被削弱，潮流影響增強。

圖3 2020年與2013年潮位對比圖

4.3 岸線變化引起潮流界變化

在給定不同徑流條件下，選取285m3/s進行對比，觀察潮流界遷移情況。

潮流界是指漲潮流在上溯過程中所能達到的邊界，超過此位置，河道中沒有向上游方向的潮流，潮流界下游河段是往復流，往上則是單向流。潮區界下游河段的水流受徑流與潮汐綜合影響，而上游河段只受徑流影響。

計算結果可知，2013年七月的潮流界發生在盤山閘20.9～25.1km處。2020年七月的潮流界位于盤山閘18.5～26.6km處。由于2013年與2020年的岸線形態變化，2020年潮流界與2013年相比，距盤山閘的最短距離上移2.4km。

根據2013年至2020年衛星圖可知，岸線在往海域拓展，遼河口屬強潮河口，常年帶入大量泥沙和沉積物進入渤海，在入海口形成淺灘，也使得近年來遼河口的岸線不斷外移，改變了兩岸的水文狀況。從水動力模擬計算的結果分析可知，河口淤積導致河口海岸潮水波動明顯增強，但對于外海影響不大。從潮流界來說由于海岸線的外移潮流界也在向外推移，內河受外海潮汐影響逐漸減小。

5.結論及建議

本文利用水動力模型，在收集了大量地形數據和岸線變化的基礎上，對渤海海域及大遼河進行水動力模擬潮位變化，對結果數值進行了分析，得到以下結論：

（1）受海岸線變化影響，河口處受外海潮流影響增大約25%，納潮量明顯減弱。納潮量減少將導致海灣內海水與外海的水體交換量直接導致污染物擴散能力減弱，使河口處污染加劇。

（2）潮流界下移表明內河受潮汐影響減弱，需對早期建設工程進行重新規范。