長江口余水位時空變化的數(shù)值模擬和分析

宋云平 朱建榮

摘要： 應用嚴格驗證過的河口海岸三維數(shù)值模型， 模擬了長江口余水位的時空變化， 分析徑流、潮汐和風應力對余水位的影響， 揭示了余水位變化的動力機制. 長江河口余水位的空間分布和隨時間變化過程主要是受徑流影響， 其次是受風的影響. 余水位上游大于下游. 全年最高余水位出現(xiàn)在9月， 徐六涇、崇西、南門、堡鎮(zhèn)和深水航道北導堤東端分別為0.861 m、0.754 m、0.629 m、0.554 m和0.298 m. 最低余水位徐六涇和崇西出現(xiàn)在1月， 分別為0.420 m和0.391 m； 南門和堡鎮(zhèn)出現(xiàn)在2月， 分別為0.313 m和0.291 m； 深水航道北導堤東端出現(xiàn)在4月， 量值為0.111 m. 北支余水位低于南支， 原因在于進入北支的徑流量少. 南港的余水位大于北港， 同一河道內南側的余水位大于北側， 原因在于徑流受科氏力作用右偏. 對比僅有徑流、潮汐和風的數(shù)值試驗結果， 對余水位作用最大的是徑流， 其次是潮汐， 最小的是風. 月平均徑流量7月達到最大， 會導致最高余水位， 但期間為東南風， 產生的余水位十分微小. 9月盛行的北風產生向陸的Ekman水體輸運， 會引起河口余水位上升， 且期間徑流量仍處于高值區(qū)， 兩者相互作用， 導致整個河口全年最高余水位出現(xiàn)在9月.

關鍵詞： 余水位； 徑流； 潮汐； 風； 長江口

中圖分類號： P731.2 文獻標志碼： A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.04.014

Numerical simulation and analysis of the spatial and temporal variations in residual water levels of the Changjiang Estuary

SONG Yunping， ZHU Jianrong（State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research， East China Normal University， Shanghai 200241， China）

Abstract： Residual water level is an important factor affecting water depth； the water level depends primarily on river discharge， tidal conditions， and wind stress， and it can change significantly with time and space. Studying the temporal and spatial variations in residual water levels—and the respective influencing factors—is of great scientific significance and can be applied to estuarine water level prediction， water resources utilization， seawall design， flood protection， and navigation. In this paper， we used a validated three-dimensional numerical model of the estuary and coast to： simulate the temporal and spatial variations in the residual water levels of the Changjiang Estuary； analyze the impacts of river discharge， tidal conditions， and wind stress on residual water levels； and determine the dynamic mechanisms for its change. The spatial and temporal variations in residual water levels of the Changjiang Estuary is driven primarily by the fact that upstream residual water levels are higher than downstream levels because of runoff force. The highest residual water level appears in September， reaches 0.861， 0.754， 0.629， 0.554， and 0.298 m at Xuliujing， Chongxi， Nanmen， Baozhen， and the easternmost section of the northern dike of the Deepwater Navigation Channel， respectively. The lowest residual water level appears in： January for Xuliujing （0.420 m） and Chongxi （0.391 m）， February for Nanmen （0.313 m） and Baozhen（0.291 m）， and April for the easternmost section of the northern dike of the Deepwater Navigation Channel （0.111 m）. The residual water level in the North Branch is lower than the level in the South Branch， because a small amount of river water flows into the North Branch. The residual water level is higher in the South Channel than the one in the North Channel. Within the South Channel itself， furthermore， the water level is higher on the south side than the north due to the Coriolis force， which makes the water turn to the right. By using numerical experiments to compare the impact of different factors， we found that runoff has the largest impact on residual water levels， tidal conditions have the second largest impact， and wind has minimal impact. The monthly mean river discharge is largest in July， which should lead to the highest residual water level， but southeasterly winds prevail in the same period leading to small residual water levels. The river discharge in September remains high and northerly winds prevail， driving the Ekman water transport landward and resulting in a residual water level rise in the estuary. The interaction between the river discharge and the northeasterly wind makes the residual water level highest in September rather than in July. In conclusion， this study revealed the dynamic mechanism explaining the highest residual water level observed in September.

Keywords： residual water level； river discharge； tide； wind； Changjiang Estuary

0 引 言

河口為河流與海洋交匯區(qū)域， 水動力復雜多變. 河口水位主要由周期變化的潮汐和非周期變化的余水位組成， 隨時間和空間變化顯著. 河口潮汐具有半日和半月周期性變化， 是水位變化的主要因素.余水位為水位過濾掉周期性潮汐之后余留的部分， 主要由徑流、風和口外陸架環(huán)流產生[1]. 余水位一般可分為短期的和季節(jié)性的變化等類型[2-3]. 余水位通常在陸架和沿海地區(qū)可低至總水位的10%， 但在復雜河口地區(qū)可增至總水位的60%[4].

長江口地區(qū)是我國最大的河口三角洲， 形成了“三級分汊、四口入海”的復雜形勢[5]（見圖1）， 港口、航道眾多. 以往對長江河口水位的研究， 主要集中于潮位和潮汐特征的研究， 而對余水位的研究相對較少. 長江口地區(qū)是我國人口密集度最高、經濟最發(fā)達的地區(qū)之一. 余水位是影響水深和水位的一個重要因素， 研究河口余水位的時空變化及其成因對長江河口水位預報、水資源利用、海堤設計、防洪、航行等具有重要的應用價值， 也對河口動力學研究具有重要科學意義.

世界各地已有諸多學者對河口余水位進行了一系列的研究. Wong等[6]研究發(fā)現(xiàn)美國特拉華河口（Delaware Estuary）1982年秋季口門處的余水位變化是由陸架上平行于海岸的風應力分量引起的. Denes等[7]研究發(fā)現(xiàn)路易斯安那州的福萊格灣（Fourleague Bay， Louisiana）的余水位受到阿查法拉亞河（Atchafalaya River）的徑流和盛行風向的強烈影響. Hess[8]利用分潮和余水位空間插值（TCARI）精準模擬了美國得州的加爾維斯頓灣（Galveston Bay， Texas）和加州的舊金山灣（San Francisco Bay， California）的總水位. Buschman等[9]在印尼東加里曼丹的伯勞河（Berau river， East Kalimantan）研究發(fā)現(xiàn)河流和潮汐相互作用可以造成余水位兩周周期的變化. Sassi等[10]在印尼的馬哈坎河（Mahakam River）研究發(fā)現(xiàn)河流與潮汐的相互作用可使水流增加摩擦導致余水位的升高. Poerbandono等[11]在爪哇海（Java Sea）以西研究發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域余水位高值出現(xiàn)于東向或西向季風期間.

在我國珠江河口， Cai等[12]研究發(fā)現(xiàn)珠江洪季（主要由徑流控制）平均余水位比枯季（主要由潮汐控制）高一個量級. 蔡華陽等[13]研究發(fā)現(xiàn)珠江磨刀門河口不同區(qū)段余水位的主控因素有明顯的洪枯季變化. 洪鵬鋒[14]研究發(fā)現(xiàn)磨刀門河口隨著人類活動（如河道采砂）的增強， 徑流量對沿程余水位時空變化的控制能力減弱.

對于長江河口余水位， 目前也有一些研究成果. 宋永港等[15]研究發(fā)現(xiàn)， 徑流產生的余水位使得長江口北支的月平均潮位1—7月逐漸增大， 而8—12月則相反. Cai等[16]、張先毅等[17]和黃競爭等[18]先后研究發(fā)現(xiàn). 長江上游在徑流驅動下余水位和水深的增加導致潮波傳播的有效摩擦減小， 但當流量超過某個閾值時潮波振幅衰減反而減弱.

綜上所述， 徑流、潮汐和風應力等對河口余水位起著主導作用. 本文基于三維數(shù)值模型ECOM-si（Estuarine， Coastal and Ocean Model with semi-implicit scheme）， 數(shù)值模擬長江口余水位的時空變化，分析徑流、潮汐和風應力對余水位的影響， 揭示余水位變化的動力機制.

1 研究方法

1.1 數(shù)值模型設置

本文采用三維河口海洋數(shù)值模型ECOM-si， 數(shù)值模擬和分析長江河口余水位時空變化. 該模型是基于普林斯頓海洋數(shù)值模型POM （Princeton Ocean Model）開發(fā)而成的[19]， 可設置包括潮汐潮流、徑流、風、波浪等各種動力因子. 目前， 經改進的ECOM-si模型已在長江口水動力和鹽水入侵等方面的研究中廣泛應用， 并取得了大量的研究成果[20-21].

模型計算范圍包括整個長江河口、杭州灣和鄰近海域（見圖2（a））， 東至125°E附近， 北至接近34°N， 南至27.5°N左右. 模型水平方向上采用曲線非正交網格， 較好地擬合了長江河口的岸線， 并對南北支分汊口、深水航道等區(qū)域加密（圖2（b）和圖2（c））. 長江口內網格分辨率最高可至約100 m， 長江口外網格分辨率最高可至10 km. 模型在垂直方向上采用 坐標， 由表至底均勻分成10層. 計算時間步長取為60 s. 由于長江河口潮灘分布較廣， 模型采用干濕網格判斷實現(xiàn)潮灘動邊界， 最小臨界水深閾值設置為0.2 m.

模型上游徑流邊界設置在大通， 動量方程的開邊界條件采用大通水文站1950—2018年的多年月平均徑流量（見圖3和表1）. 風場由近10年歐洲中期天氣預報中心ECMWF （European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）半月平均值給出， 動量方程海表面邊界條件由基于二次律的風應力給出[22].

1.2 數(shù)值模型驗證

本文所用的數(shù)值模型已做了大量的水位、流速流向和鹽度的率定驗證. 本文采用崇西、南門和堡鎮(zhèn)3個水文站2018年3月1—19日的水位， 南槽A和B浮標站2018年3月9—19日的流速流向及鹽度做模型驗證（測站位置見圖1）. 觀測時段徑流量取大通水文站實測值， 風速風向取自歐洲中期天氣預報中心的再分析數(shù)據(jù).

從水文站驗證的水位過程線（見圖4）和浮標站表層流速流向和鹽度過程線（見圖5和圖6）看， 模型計算的水位、流速、流向和鹽度變化過程與實測值吻合良好， 表明模型能準確地模擬長江河口的水動力過程.

1.3 數(shù)值試驗和余水位與徑流量和潮汐的理論關系

本文利用前文所述數(shù)值模型， 設置4組氣候態(tài)數(shù)值試驗， 分別為綜合考慮徑流、潮汐、風應力， 和僅考慮徑流、潮汐、風應力. 對比分析模型輸出結果， 研究徑流、潮汐和風應力三者對河口余水位的影響.

2 結果和討論

2.1 余水位的時空變化

在氣候態(tài)的徑流和風場下， 輸出1 h時間間隔的整個長江口區(qū)域水位. 根據(jù)Ralston等[24]的設置，對水位做33 h的頻域低通濾波， 得到濾去漲落潮周期的結果； 再做31 d的濾波， 得到濾去大小潮周期的余水位. 這樣處理后， 過濾掉了半日和半月潮汐在水位中的變化， 得到連續(xù)變化的余水位. 對各月逐時余水位做算術平均， 得到各月平均余水位. 對模型輸出點， 可給出逐時余水位的時間序列.

圖7為2月、5月、8月和11月4個月的月平均余水位分布， 分別代表冬季、春季、夏季和秋季長江口余水位的分布. 從各季余水位的空間分布看， 上游大于下游， 在南北支分汊口上游的徐六涇至北槽深水航道北導堤東端， 2月、5月、8月、11月余水位的量值分別為0.380 ～ 0.140 m、0.600 ～ 0.130 m、0.650 ～ 0.180 m、0.550 ～ 0.220 m （1985年國家高程基面， 下同）. 在這4個代表性月中徐六涇的余水位8月最高、5月次高、11月次低、2月最低， 與這4個月徑流量具有對應關系（8月、5月、11月、2月平均徑流量分別為43 700 m3/s、33 400 m3/s、22 400 m3/s、12 300 m3/s）， 說明在長江河口上游余水位取決于徑流量. 在深水航道北導堤的東端余水位11月最高、8月次高、2月次低、5月最低， 說明在長江口門外側余水位除了徑流量的影響外， 還受海洋因素的影響. 北支余水位低于南支， 原因在于進入北支的徑流量低， 分流比小于5%[25]. 南港的余水位大于北港， 同一河道內南側的余水位大于北側， 2月、8月南支南側水位比北側分別高2 cm、4 cm， 原因在于徑流受科氏力作用右偏（面向河道下游）， 與理想河口口門內的平面分布特征一致[26].

圖8為崇西、南門和堡鎮(zhèn)3個水文站及模式輸出點徐六涇、深水航道北導堤東端逐時余水位隨時間變化過程， 可見徐六涇最高， 深水航道北導堤東端最低， 上游余水位大于下游余水位， 與圖7中余水位的空間分布特征一致. 在長江口門內， 1—7月余水位逐漸升高， 但最高值出現(xiàn)在9月， 9—12月逐漸降低. 在口外的深水航道北導堤東端， 1—7月余水位并未出現(xiàn)隨徑流量增加而增加的趨勢， 最大值也出現(xiàn)在9月， 之后逐漸下降. 徐六涇、崇西、南門、堡鎮(zhèn)和深水航道北導堤東端余水位最高值分別為0.861 m、0.754 m、0.629 m、0.554 m和0.298 m. 徐六涇和崇西余水位最低值出現(xiàn)在1月， 分別為0.420 m和0.391 m， 與1月最低徑流量對應； 南門和堡鎮(zhèn)余水位最低值出現(xiàn)在2月， 分別為0.313 m和0.291 m； 深水航道北導堤東端余水位最低值出現(xiàn)在4月， 量值為0.111 m.

為何長江河口余水位不出現(xiàn)在徑流量最大的7月， 而出現(xiàn)在徑流量比7月低得多的9月？ 下面對徑流量、潮汐和風動力因子對余水位的作用， 開展數(shù)值試驗和討論. 2.2 徑流對余水位的影響

在僅考慮徑流的情況下， 長江河口余水位的分布體現(xiàn)了上游高、下游低的特征， 從徐六涇至深水航道北導堤東端， 余水位量值2月為0.150 ～ 0.060 m， 5月為0.190 ～ 0.110 m， 8月為0.220 ～ 0.130 m， 11月為0.180 ～ 0.110 m， 余水位量值取決于徑流量大小（見圖9）. 余水位的分布同樣體現(xiàn)南支高于北支， 同一河道南側高于北側的特征.

從徐六涇、崇西、南門、堡鎮(zhèn)和深水航道北導堤東端余水位隨時間變化過程看（見圖10）， 余水位在7月達到最高值， 分別為0.314 m、0.237 m、0.191 m、0.165 m和0.131 m； 余水位在1月達到最低值， 分別為0.155 m、0.138 m、0.104 m、0.096 m和0.069 m. 余水位隨時間變化過程同樣體現(xiàn)了與徑流量高度相關（徑流量大， 余水位就大）， 與公式（6）給出的理論結果一致.

2.3 潮汐對余水位的影響

從徐六涇、崇西、南門、堡鎮(zhèn)和深水航道北導堤東端余水位隨時間變化過程看（見圖12）， 余水位在1月達到最高值， 分別為0.165 m、0.161 m、0.103 m、0.100 m和0.016 m. 崇西、南門和堡鎮(zhèn)水文站及徐六涇余水位在7月達到最低值， 分別為0.113 m、0.105 m、0.054 m和0.057 m； 深水航道北導堤東端在10月達到最低值， 量值為–0.022 m.

2.4 風對余水位的影響

在僅考慮風的情況下， 長江口由風產生的余水位隨季風方向的變化而變化 （見圖13）. 在2月， 長江口盛行北風， 風速約5 m/s（見圖3）. 北風會產生沿岸向南的流動， 在科氏力作用下產生向岸的Ekman水體輸運， 導致沿岸和長江口水位上升[28]， 余水位在徐六涇為0.060 m， 在深水航道北導堤東端為0.040 m. 5月東南風約為3.5 m/s， 8月東南風為3.0 ～ 5.0 m/s， 風生Ekman水體輸運輸向東北， 難以產生水位的抬升， 在長江河口余水位近乎為0. 11月風向轉為偏北風， 風速約為5.0 m/s， 出現(xiàn)了風生余水位， 空間分布和量值與2月大致一樣.

從徐六涇、崇西、南門、堡鎮(zhèn)和深水航道北導堤東端余水位隨時間變化過程看（見圖14）， 余水位在1月達到最高值， 分別為0.134 m、0.101 m、0.073 m、0.073 m和0.795 m； 余水位在7月達到最低值， 分別為–0.009 m、–0.015 m、–0.026 m、–0.035 m和–0.065 m. 在夏季6—8月盛行東南風期間余水位處于低值， 在9月至來年2月盛行偏北風期間處于高值. 尤其值得注意的是， 在9月已轉為偏北風， 平均風速約為5 m/s （見圖3）， 導致堡鎮(zhèn)余水位比7月高了約0.07 m.

3 結 論

本文應用改進的三維數(shù)值模型ECOM-si， 數(shù)值模擬長江口余水位的時空變化， 分析徑流、潮汐和風應力對余水位的影響， 揭示余水位變化的動力機制. 采用崇西、南門和堡鎮(zhèn)3個水文站2018年3月1—19日的水位、南槽2個浮標站2018年3月9—19日的流速流向和鹽度驗證數(shù)值模型， 結果表明模型能準確地模擬長江河口的水動力過程.

長江河口余水位的空間分布， 受徑流作用上游大于下游， 在代表冬季、春季、夏季和秋季的2月、5月、8月和11月這4個代表性月份中， 徐六涇的余水位8月最高、5月次高、11月次低、2月最低， 與徑流量具有對應關系， 說明在長江河口上游余水位取決于徑流量. 在深水航道北導堤東端余水位11月最高、8月次高、2月次低、5月最低， 說明在長江口門外側余水位除了徑流量的影響外， 還受海洋因素的影響. 北支余水位低于南支， 原因在于進入北支的徑流量低. 南港的余水位大于北港， 同一河道內南側的余水位大于北側， 原因在于徑流受科氏力作用右偏. 從徐六涇、崇西、南門、堡鎮(zhèn)和深水航道北導堤東端5個站點逐時余水位隨時間變化過程看， 全年最高余水位出現(xiàn)在9月， 徐六涇、崇西、南門、堡鎮(zhèn)和深水航道北導堤東端分別為0.861 m、0.754 m、0.629 m、0.554 m和0.298 m. 最低余水位徐六涇和崇西出現(xiàn)在1月， 分別為0.420 m和0.391 m； 南門和堡鎮(zhèn)出現(xiàn)在2月， 分別為0.313 m和0.291 m； 深水航道北導堤東端出現(xiàn)在4月， 量值為0.111 m.

在僅考慮徑流的情況下， 長江河口余水位的分布體現(xiàn)了上游高、下游低的特征. 在徐六涇、崇西、南門、堡鎮(zhèn)和深水航道北導堤東端， 余水位在7月達到最高值， 在1月達到最低值. 余水位隨時間變化過程體現(xiàn)了與徑流量高度相關， 徑流量越大， 余水位越高. 在僅考慮潮汐的情況下， 河口余水位為上游高、下游低的分布. 因潮汐的季節(jié)性變化不大， 2月、5月、8月和11月僅有潮汐產生的余水位分布基本一致. 余水位最大值出現(xiàn)在1月， 徐六涇、崇西、南門、堡鎮(zhèn)最小值出現(xiàn)在7月， 深水航道北導堤東端最小值出現(xiàn)在10月. 崇西站余水位比南門和堡鎮(zhèn)高了約0.07 m. 在僅考慮風的情況下， 長江口由風產生的余水位隨季風方向的變化而變化. 枯季北風產生沿岸向南的流動， 在科氏力作用下產生向岸的Ekman水體輸運， 導致長江口水位上升. 洪季東南風產生Ekman水體輸運在口外指向東北， 在長江河口余水位很小. 從余水位隨時間變化過程看， 余水位在1月達到最高值， 在7月達到最低值. 在6—8月夏季盛行東南風期間余水位處于低值， 在9月至來年2月盛行偏北風期間處于高值. 對比僅有徑流、潮汐和風的數(shù)值試驗結果， 對口門內余水位作用最大的是徑流， 其次是潮汐， 最小的是風.

月平均徑流量7月達到最大， 量值為49 800 m3/s， 但期間為東南風； 9月徑流量為38 800 m3/s， 仍處于高值區(qū)， 并且盛行北風. 兩者相互作用， 導致長江口全年最高余水位出現(xiàn)在9月， 而不是最大徑流量的7月. 本文從動力機制上揭示了這個異常特征.

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（責任編輯： 李萬會）