徑流量變化對(duì)長(zhǎng)江口北槽最大渾濁帶影響分析

萬遠(yuǎn)揚(yáng) ，吳華林

(1.上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201；2.河口海岸交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201201；3.長(zhǎng)江深水航道水沙環(huán)境與工程安全交通運(yùn)輸行業(yè)野外科學(xué)觀測(cè)研究基地，上海 201201；4.國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，上海 201201)

長(zhǎng)江口受到巨大的入海徑流及中等強(qiáng)度潮汐的東海潮波入侵的雙重影響（圖1），在近岸寬淺地貌及科氏力作用下，潮波發(fā)生顯著變形，同時(shí)由于咸淡水混合作用，導(dǎo)致了大小潮、表底層、深槽淺灘、洪枯季不同尺度和范圍的潮汐不對(duì)稱及環(huán)流現(xiàn)象，會(huì)進(jìn)一步影響河口泥沙的輸運(yùn)方向和輸運(yùn)能力，從而影響河口動(dòng)力地貌的發(fā)展。河口作為一個(gè)多元素融合、復(fù)雜而快速變化的動(dòng)力系統(tǒng)，由于受到不同周期外力共同作用，其自身動(dòng)力一直處于一個(gè)不斷調(diào)整的狀態(tài)中，理解河口自身，尤其是最大渾濁帶的動(dòng)力特性一直是河口海岸學(xué)的難題之一。從物理學(xué)機(jī)制來看，受到絮凝沉降、鹽度斜壓力及紊動(dòng)抑制等物理機(jī)制的共同作用，河口最大渾濁帶垂向流速、含沙量、紊流結(jié)構(gòu)和鹽度發(fā)生變異，導(dǎo)致了河口不同區(qū)段物質(zhì)輸運(yùn)和最大渾濁帶的時(shí)空差異。為了解決河口地區(qū)很多工程實(shí)際問題，在分析河口動(dòng)力地貌系統(tǒng)基本特征和自然條件的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們從潮汐徑流相互作用、宏觀變化和微觀物理過程[1]等多角度作了很多研究，尤其以研究河口區(qū)域潮汐徑流相互作用為主[2-4]。Jay等[5]研究了徑流對(duì)潮汐衰減的作用；Wang[6]分析了潮汐不對(duì)稱產(chǎn)生的物理機(jī)制；沈煥庭等[7]分析了長(zhǎng)江口的潮波傳播速度、傳播方向、代表潮差、漲潮歷時(shí)等的變化，定性地指出長(zhǎng)江口徑流量過大或者過小，都不利于最大渾濁帶的發(fā)育；楊正東等[8]分析了徐六涇以下若干站的年內(nèi)潮差變化；李佳[9]發(fā)現(xiàn)洪季潮差在江陰以上比枯季要小；路川藤等[10]研究了徑流影響下的潮汐傳播特征；陳吉余[11]分析了徑流與長(zhǎng)江口平均海面和潮差的關(guān)系。總體上前人的研究主要關(guān)注潮汐徑流相互作用對(duì)水動(dòng)力及潮汐變形的影響，鮮有定量關(guān)注徑流量變化對(duì)最大渾濁帶的影響，尤其是對(duì)含沙量平面和縱向分布的影響[12-13]。本研究嘗試在現(xiàn)有河口物理機(jī)制認(rèn)識(shí)水平基礎(chǔ)上，通過實(shí)測(cè)資料和數(shù)學(xué)模型研究長(zhǎng)江口徑流量對(duì)最大渾濁帶的影響，厘清不同徑流量條件下河口泥沙懸浮狀態(tài)，為長(zhǎng)江口區(qū)域相關(guān)水土資源開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及航道疏浚維護(hù)等工作提供參考。

圖1 長(zhǎng)江口河勢(shì)格局Fig.1 Sketch map of the Yangzte Estuary

1 實(shí)測(cè)資料分析

長(zhǎng)江口屬巨型多級(jí)分汊河口，受到潮汐和徑流的共同作用，其動(dòng)力-地貌條件十分復(fù)雜。長(zhǎng)江口大通站上游徑流量變化幅度一般為10 000～80 000 m3/s（見圖2）。

圖2 2010—2018年大通流量變化Fig.2 Daily discharge of the Datong Station from 2010 to 2018

長(zhǎng)江口大部分區(qū)域的潮流運(yùn)動(dòng)受東海前進(jìn)潮波的控制，僅在北部部分地區(qū)受黃海旋轉(zhuǎn)潮波的影響。傳入長(zhǎng)江口的潮波以半日分潮為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，以M2分潮為主。在傳播過程中由于受到地形的影響發(fā)生反射和底摩擦等影響，成為以前進(jìn)波為主的合成波。長(zhǎng)江口口外為正規(guī)半日潮，口內(nèi)為非正規(guī)半日淺海潮，一個(gè)太陰日內(nèi)兩漲兩落，平均潮周期為12 h 25 min，潮汐日不等現(xiàn)象明顯。

長(zhǎng)江口潮位、流速測(cè)站及航道單元布置見圖3，測(cè)量期間的大通流量及泥沙分層系數(shù)見表1，其中泥沙分層系數(shù)為表底層含沙量的差異與平均值的比值，表征水體的層化程度。根據(jù)2010—2018年北槽最大渾濁帶洪季底部及平均含沙量測(cè)量結(jié)果（圖4），分析可得：

圖3 實(shí)測(cè)資料測(cè)站及航道單元布置Fig.3 Locations of the observation stations and channel cell

表1 北槽固定垂線測(cè)驗(yàn)期間邊界條件及泥沙分層系數(shù)（洪季大潮期）Tab.1 Boundary conditions of the measurement and the sediment stratification coefficient (spring tide of the flood season)

圖4 北槽最大渾濁帶洪季大潮含沙量沿程垂向平均與底部年際變化Fig.4 Near-bed and depth-averaged sediment concentration along the deep-water navigational channel of the Yangtze Estuary during spring tide of flood seasons

（1）洪季北槽攔門沙最大渾濁帶層化較為明顯，洪季懸沙分層系數(shù)平均為2.7，以CSW測(cè)點(diǎn)（位于北槽中段）為例，垂線平均值一般在0.5～1.7 kg/m3，而底部含沙量值一般在1.3～8.1 kg/m3；

（2）大通流量在30 000～40 000 m3/s時(shí)，泥沙分層系數(shù)較大，流量超過60 000 m3/s后，分層系數(shù)會(huì)減小；

（3）北槽最大渾濁帶的位置較為穩(wěn)定，主要在北槽中下段約20 km的范圍，總體上流量越大最大渾濁帶的核心位置越往下游側(cè)擺動(dòng)；

（4）從年際變化來看，2010—2013年整體含沙量相對(duì)較高，2014—2017年有所減小，2018年受臺(tái)風(fēng)影響含沙量較高。

2 數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介

采用上海河口海岸科學(xué)研究中心開發(fā)的“長(zhǎng)江口航道維護(hù)管理核心計(jì)算平臺(tái)系統(tǒng)”[14]中的三維潮流泥沙模塊進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。該模型具有以下基本特點(diǎn)[15]：（1）應(yīng)用無結(jié)構(gòu)化混合計(jì)算網(wǎng)格（三角形+四邊形），使計(jì)算域能更好模擬長(zhǎng)江口復(fù)雜的岸線。整體模型上游邊界可以直接延伸到長(zhǎng)江口的枯季潮區(qū)界（潮差為零的地方）大通。（2）采用有限體積法作為離散格式的基礎(chǔ)，比有限差分法更貼近物理量守恒定律，能使計(jì)算總體精度得到有效保證。（3）采用半隱半顯格式[16]，計(jì)算穩(wěn)定性好。同時(shí)克服ADI計(jì)算格式中無法考慮不同方向流動(dòng)之間相互作用的不足，且采用變時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算，計(jì)算效率有所提高。（4）計(jì)算基于Linux系統(tǒng)，較Windows系統(tǒng)而言，能較好地兼顧模型的計(jì)算精度（最小網(wǎng)格尺度）和計(jì)算效率。（5）經(jīng)多次應(yīng)用于長(zhǎng)江口的動(dòng)態(tài)率定和驗(yàn)證，及與商業(yè)軟件MIKE21/3和Delft3D的對(duì)照，證實(shí)了模擬結(jié)果與長(zhǎng)江口實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相似性良好，并已成功應(yīng)用于長(zhǎng)江口多項(xiàng)工程的科研咨詢。

數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格見圖5，計(jì)算范圍西起上游的大通，東至外海?40 m等深線，北邊界接近渤海灣，南邊界包括杭州灣整個(gè)區(qū)域，其中東西向的長(zhǎng)度約600 km，南北向的寬度約600 km。采用無結(jié)構(gòu)化計(jì)算網(wǎng)格覆蓋整個(gè)計(jì)算域，且計(jì)算網(wǎng)格完全貼合工程建筑物的形狀及走向，對(duì)北槽局部區(qū)域加密，最小網(wǎng)格間距約為20 m，網(wǎng)格單元總數(shù)為97 657個(gè)。

圖5 模型范圍及計(jì)算網(wǎng)格Fig.5 Model domain and mesh distribution

模型上游進(jìn)口給定實(shí)測(cè)大通流量；模型下游外海邊界由16個(gè)分潮的天文潮波調(diào)和常數(shù)和余水位來給定。模型中的重要參數(shù)取值如下：（1）沉降概率系數(shù)取值一般為0～1.0，本次取0.2～0.6；（2）沖刷系數(shù)一般為0.000 04～0.000 50；（3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及驗(yàn)證情況，臨界淤積應(yīng)力為0.2～0.4 N/m2，臨界起動(dòng)應(yīng)力為0.4 N/m2；（4）沉降速度取值參考上海河口海岸科學(xué)研究中心的泥沙沉降機(jī)理實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式[17]，取值范圍在0.02～0.4 mm/s。本次研究的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了嚴(yán)格的程序驗(yàn)證，且驗(yàn)證結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。限于篇幅，詳細(xì)的驗(yàn)證結(jié)果圖表不一一列出，請(qǐng)參考文獻(xiàn)[18]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

河口最大渾濁帶形成和發(fā)育主要與細(xì)顆粒泥沙絮凝、層化、紊動(dòng)抑制、河口環(huán)流等宏觀和微觀物理過程有關(guān)[1]，本文主要聚焦于徑流量變化對(duì)河口最大渾濁帶的三重作用（泥沙再懸浮、河流效應(yīng)和河口環(huán)流）及影響。

根據(jù)前述實(shí)測(cè)資料的分析可知，徑流變化會(huì)顯著影響最大渾濁帶的部位和含沙量水平。鑒于實(shí)測(cè)資料存在其他邊界條件（如海況、地形、工程等）不統(tǒng)一的情況，其可比性有所欠缺，因此為研究徑流量這個(gè)單一因子對(duì)長(zhǎng)江口北槽最大渾濁帶的影響，采用三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行單因子（徑流量）敏感性試驗(yàn)。

計(jì)算水文條件采用典型洪季大潮期水文條件。采用長(zhǎng)江口2017年整體1∶10 000的實(shí)測(cè)地形，外海采用海圖地形。模型中考慮了長(zhǎng)江口已有的大型涉水工程，包括相關(guān)航道整治工程、水庫(kù)工程和水利及河道整治工程。在驗(yàn)證2017年洪季水文資料的基礎(chǔ)上，修改上游徑流流量，流量范圍為20 000～80 000 m3/s，分析徑流量變化引起的北槽動(dòng)力場(chǎng)和含沙量場(chǎng)的差異。計(jì)算結(jié)果見圖6，為便于清晰對(duì)比，將圖中平均含沙量小于0.2 kg/m3的區(qū)域全部白化。

圖6 不同流量下南北槽14 d垂線平均含沙量場(chǎng)的分布及余流Fig.6 Distribution of the residual currents and 14 days-avaeraged sediment concentration in the North and South Passages under different discharges from 20 000 to 80 000 m3/s

首先，從余流來看，上游徑流量越大，南北槽內(nèi)余流強(qiáng)度越大，說明潮汐不對(duì)稱性越強(qiáng)。由于徑流和潮汐的相互作用（圖7），使得北槽上段潮差在徑流流量為20 000～30 000 m3/s時(shí)最大，北槽中段潮差在徑流量40 000 m3/s時(shí)最大，北槽下段徑流越大潮差越大，這就是潮汐和徑流相互作用后在空間分布上的差異。

圖7 不同流量下橫沙、北槽中和牛皮礁站潮差Fig.7 Tidal limits of the Hengsha, Beicaozhong and Niupijiao station under different discharges from 20 000 to 80 000 m3/s

在河口區(qū)域，徑流增加一般意味著水流動(dòng)力增加，它首先有兩方面的作用：一是起懸能力增強(qiáng)（泥沙再懸浮），二是輸運(yùn)能力增加。在河口最大渾濁帶，由于“河流效應(yīng)”，往往還會(huì)有河口垂向環(huán)流增加，這意味著底部向陸的輸運(yùn)也增加（第三重作用），這3種作用的疊加就意味著最大渾濁帶含沙量水平與上游來流流量的關(guān)系并非簡(jiǎn)單相關(guān)。圖8的計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于長(zhǎng)江口而言，動(dòng)力較弱的灘地由于流速增加含沙量增大，但主流區(qū)由于徑流增加的三重作用，最大渾濁帶含沙量并非單向增大。最大渾濁帶含沙量在徑流量為30 000～40 000 m3/s時(shí)達(dá)到最大，這與圖7潮差與流量的關(guān)系基本對(duì)應(yīng)。該結(jié)論與沈煥庭等[7]對(duì)長(zhǎng)江口最大渾濁帶定性認(rèn)識(shí)基本一致。此外，從圖8亦可見，隨著流量的增加，最大渾濁帶的重心會(huì)逐漸下移，峰值會(huì)有所減小。

圖8 不同流量下北槽沿程平均含沙量分布Fig.8 Along-channel depth-averaged sediment concentration under different discharges from 20 000 to 80 000 m3/s

4 結(jié) 語(yǔ)

在實(shí)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上，建立了長(zhǎng)江口水域三維水沙鹽數(shù)學(xué)模型，并利用該模型對(duì)徑流量這個(gè)單一因子對(duì)長(zhǎng)江口北槽水沙動(dòng)力的影響進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析。實(shí)測(cè)資料和數(shù)模結(jié)果共同顯示：北槽攔門沙最大渾濁帶層化較為明顯，大通徑流量大小對(duì)最大渾濁帶影響明顯；北槽最大渾濁帶的位置較為穩(wěn)定，主要在北槽中下段約20 km的范圍，總體上流量越大最大渾濁帶的核心位置越往下游側(cè)擺動(dòng)；大通流量在30 000～40 000 m3/s時(shí)，泥沙分層系數(shù)較大，且總體含沙量水平最高。長(zhǎng)江口最大渾濁帶含沙量與徑流量的非單向影響關(guān)系主要由徑流的三重作用共同控制：泥沙再懸浮能力、河流效應(yīng)和河口環(huán)流。