珠江出海口咸潮數值模擬技術

侯堋，舒勰俊

(1.珠江水利科學研究院 廣州 510611；2.國家海洋局海洋咨詢中心 北京 100860；3.國家海洋局南海規劃與環境研究院 廣州 510300)

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珠江出海口咸潮數值模擬技術

侯堋1，舒勰俊2，3

(1.珠江水利科學研究院 廣州 510611；2.國家海洋局海洋咨詢中心 北京 100860；3.國家海洋局南海規劃與環境研究院 廣州 510300)

珠江三角洲是中國經濟發展速度最快的地區之一，但珠江出海口咸潮上溯的情況日益嚴重，已經嚴重影響珠江口的取水安全；對每年枯水期珠江口咸潮上溯的情況進行預警預報，從而采取相應的抑咸措施具有重大意義。文章通過建立珠江三角洲的二、三維嵌套水流鹽度數學模型，采用2005年1月的枯水期實測潮流鹽度資料對模型進行率定，數學模型的計算結果與實測擬合較好，說明該模型運用于珠三角咸潮數值模擬的可靠性，為咸潮預警預報技術的下一步研究奠定基礎。

珠江三角洲；咸潮入侵；海洋災害；防災減災

珠江三角洲是中國經濟發展速度最快的地區之一，水資源豐富，水系復雜，形成獨有的“三江匯流，八口入海”的流域特色。近幾年珠江三角洲干旱比較嚴重，北江、西江和東江的水流量普遍減少，尤其是西江的水流量減至自1903年以來的最低水平。2005年春季珠江三角洲暴發特大咸潮災害，咸潮入侵導致江水鹽度升高，影響江水中營養鹽的濃度與分布，造成水體生態環境改變，嚴重危害口門處居民的取水安全[1]。因此，采用數值模擬技術對珠江三角洲枯季咸潮上溯情況進行預警預報，結合上游水情采取抑咸措施，確保生態環境質量和口門取水安全，對促進珠江三角洲地區及港澳特區的社會經濟穩定和持續發展都有重要意義[2]。

1 珠江三角洲二、三維水流鹽度模型的建立

對珠江三角洲進行咸潮預警預報，需要建立一個范圍較大、能涵蓋各主要因素的水流鹽度數學模型，對珠江三角洲鹽水入侵進行全方位的系統研究。上邊界須取在不受潮汐控制的恒定流區域，下邊界須取在外海-30 m等深線處。

二維模型模擬的區域為網河區，模型的上邊界為西江梧州，北江飛來峽、老鴉崗，東江三角洲大盛、麻涌、漳澎、泗盛圍，潭江石咀等水文站并采用實測流量過程，下邊界取至虎門大虎站、蕉門南沙站、洪奇門馮馬廟站、橫門橫門站、磨刀門燈籠山站、雞啼門黃金站、虎跳門西炮臺站和崖門官沖站。二維模型的網格數為154 992個。

三維模型模擬的區域為八大口門和外海水域，上邊界為三角洲八大口門出口控制水文站(即網河區二維模型的下邊界)，下邊界取至外海-30 m等深線，采用荷包島、大萬山、擔桿頭等臺站的實測潮位資料。三維模型的平面網格數為33 111個，垂向分10層。二、三維模型的平面總網格數為188 103個。

1.1 水動力數學模型

1.1.1 二維水動力數學模型

深度平均的連續方程如下：

式中：Q為因水的流出和流進、降雨和蒸發引起的每單位面積的流量，且

qin和qout分別是當地每體積單元水源和匯(L/s)；P為降雨的非當地源項；E為蒸發的非當地源項。標注這些吸入量，如電廠吸收水將被作為一個匯，在自由表面降雨是一個源項、蒸發是一個匯。式中U、V為、η方向流速分量，為水位分量，G為拉梅系數。

水平方向動量方程

在ξ-和η-方向的動量方程如下：

密度變化被忽略，除在斜壓項，Pξ和Pη代表壓力梯度；動量方程中的Fξ和Fη代表水平雷諾應力的不平衡；Mξ和Mη代表源于外部動量的源和匯的貢獻(外部驅動、水工建筑物、排放或水的提取、波浪應力等)。

1.1.2 三維水動力數學模型

三維水動力數學模型必須在平面二維水動力數學模型的基礎上考慮垂向變化。

σ-坐標系下的垂直流速ω從連續方程中計算得：

在表層，降雨和蒸發的影響都考慮在內。垂直流速ω定義在等σ-表面。ω是相對運動的σ-平面的垂直速度。ω是相對移動的σ-平面的垂直流速，它解釋為同上升和沉降運動聯合的流速。在笛卡兒坐標系的“物理”垂直流速w不包含在方程中，物理垂直流速的計算只在后處理用途中要求。這些流速可用水平流速、水深、水位和垂直ω-流速表達，依照：

1.2 鹽度數學模型

在模型中，鹽度輸運使用一個三坐標方向的對流-擴散方程。源項和匯項包括模擬排放和收回。考慮一階衰變過程，一階衰變過程符合一個數值解法，指數衰減更復雜的過程。

輸運方程在水平方向曲線網格坐標和垂直方向σ坐標，用一種守恒形式的公式表示：

λd(d+)c+S

λd代表第一階衰變過程和S是由水排放qin或收回qout，通過自由表面的熱交換Qtot引起的每單位面積的源項和匯項：

垂直湍流黏性系數DV定義為：

湍流閉合模型為解決所有其他無法解決的混合形式，便利地指定一個背景或者“周圍的”垂直混合系數。如，在強層結流，交界面的湍流渦擴散率減少到0，垂直混合減少到分子擴散。這個在本質上不真實，因為將產生內部波。需指定一個背景混合參數Dback，如下：

二維深度平均模擬，水平渦擴散DH也包含水平流垂直變化的貢獻(泰勒剪切彌散)，這部分不被深度平均3D對流擴散方程考慮。深度平均輸運模式的應用，水體需很好的混合，泰勒剪切彌散次要，否則要使用三維模型。

1.3 二、三維模型嵌套技術

本文中珠江三角洲網河區采用二維平面模型、八大口門及外海處采用三維數學模型，因此需要采用嵌套技術將二維模型和三維模型進行耦合。本文采用區域分裂法進行聯解，區域分裂法是把待求的整個區域按不同的計算方法分成幾個子區域，在區域與區域交界之間選取公共節點，各子區域按給定的計算方法和計算步長分別計算，計算時幾個子區域交替進行，通過公共節點位相臨子區域提供邊界上的水力要素，以此將子區域聯接起來構成一個整體的數學模型[3]。本文將計算區域分成兩個子區域，即二維模型計算部分和三維模型計算部分，三維模型的上邊界由二維模型的計算結果提供，二維子區域的下邊界條件由三維模型計算結果提供，子區域間計算因子相互傳遞，結合成一個整體。

2 三角洲二、三維水流鹽度模型驗證

2.1 模型驗證條件

(1)地形資料。模型驗證地形資料采用1∶500 0的河道地形圖，其中西江干流(梧州至磨刀門)主要采用2005年在該地區測量的河道地形資料，其余八大口門采用最新測量的地形資料，其他地形采用1999年的實測地形資料。

(2)水文資料。模型驗證水文資料取自近年來資料較為完整的史冊水文系列，選用2005年1月18日—2月4日的枯水期水文組合對模型進行驗證 。

2.2 模型驗證成果

模型的計算時間為2005年1月18日9：00—2月4日12：00，通過實測資料對網河區及八大口門的采樣點進行驗證，由于篇幅關系，文中僅列出八大口門觀測點的潮位驗證圖和4個采樣點流速驗證圖，同時還列舉3個采樣點的鹽度驗證圖(圖1～圖3)。

圖1 八大口門觀測點潮位驗證

圖2 觀測點表底層流速驗證

圖3 觀測點表底層鹽度驗證

從驗證成果可見：枯水水文條件下各潮位站模型與原型的潮位過程線吻合較好，模型的漲、落潮歷時和相位與原型實測資料基本一致，滿足精度要求；該水文條件下流速驗證過程與實測過程吻合較好，相位基本一致，并且表層流速明顯大于底層流速，符合自然運動規律；鹽度的驗證體現其隨潮流漲落而升降的特征，在網河區濃度由口門往上游沿程遞減，基本反映出鹽度在徑潮動力共同作用下于西北江三角洲網河區的分布規律，即從垂向上看底層鹽度大于表層鹽度，并且磨刀門內的站位在小潮時能夠形成第二次的鹽度小高峰，這與實測資料相符合。從垂向的流速和鹽度分布來看，垂向分布的情況基本符合現場資料分析結果，證明該模型能很好地復演珠江口鹽水入侵的三維特征。

3 結論

(1)構建涵蓋珠江三角洲網河及河口區的二、三維耦合的水流鹽度數學模型，該模型在數值模擬方面解決因珠江三角洲網河數量多、交錯復雜的水系模擬導致的計算耗時過長的問題，同時在河口區采用三維數值模擬能更精確擬合咸水上溯過程中的垂向分布形式。

(2)通過選用2005年1月18日-2月4日的枯水期水文組合對模型進行驗證，結果表明本文的數學模型計算結果與實測資料吻合較好，能夠體現鹽水入侵的三維特征，證明數學模型的可靠性，為咸潮預警預報技術的下一步研究奠定基礎。

[1] 殷建平，王友紹.特大咸潮對珠江入海河段環境要素的影響[J].熱帶海洋學報，2006(4)：79-84.

[2] 徐峰俊，朱士康，劉俊勇.珠江河口區水環境整體數學模型研究[J].人民珠江，2003(5)：12-18.

[3] 謝作濤，羅景.長江口一、二維嵌套水流鹽度數學模型[J].武漢大學學報：工學版，2007，40(2)：7-12.

The Numerical Simulation Model of Predicting the Salt Intrusion in the Pearl River Delta

HOU Peng1，SHU Xiejun2，3

(1.Pearl River Hydraulic Research Institute，Guangzhou 510611，China；2.Consultation Center of State Oceanic Administration，Beijing 100860，China；3.South China Sea Institute of Planning and Environmental Research，SOA，Guangzhou 510300，China)

The Pearl River Delta is one of the most developed area in china，but the situation of the saltwater intrusion has become more and more serious.The saltwater intrusion has influenced the safety of getting freshwater.It is necessary to predict the situation of the saltwater intrusion in dry seasons and take some action to restrain the intrusion.The paper introduced 2-D and 3-D coupling flow and salinity mathematical models to study the tidal current fields and salt data in January，2005.The relatively well fit result between computation output and the field data indicated that the model could reasonably simulate the hydrodynamic and salt fields，which could be the base of the research on the saltwater intrusion prediction technology.

The Pearl River Delta，Saltwater intrusion，Marine disaster，Disaster prevention and mitigation

2016-02-25；

2016-07-04

侯堋，碩士，研究方向為河口與海岸動力學，電子信箱：houpen@126.com

P7

A

1005-9857(2016)08-0065-05