閩江口水交換數值模擬及其動力機制分析

中圖分類號：X832 文獻標志碼：A

江河入海口是河流、海洋水體交互作用的區域，水體中的微生物、污染物、無機鹽等物質遷移擴散能力受到該區域水交換能力制約。正因如此，近岸海域水交換能力研究是判斷該區域水體自凈能力和水環境質量的一種重要方式[]，水體中的污染物通過對流擴散等物理過程，加速了與附近水體的混合，通過與外部海域的水交換，使得污染物濃度降低，從而起到改善水質的作用[2]。為了協調河口區域經濟與生態環境的關系，優化水資源調度方案[3]，深人研究河口海域的水交換特征十分必要。目前，河口海域水交換特征及機理研究取得了一些進展，潮汐、徑流、風應力等驅動因子[45]各自在海灣和河口的水交換過程中承擔著不可或缺的作用。然而，從近海河口水環境系統角度出發，綜合考慮各種動力因素作用下的水交換能力及變化是有意義的。

數值模擬是水交換問題研究的主要方法之一，許多學者專家們基于不同的水交換概念和模型開展了一系列研究[6-8]。常見的水交換模型主要分為以下3種：箱式模型，對流-擴散模型和粒子追蹤模型[]。箱式模型將研究區當做一個整體或分割成幾個箱型，以物質守恒定律為基礎計算水體的水交換情況。例如，崔雷等[12將普蘭店灣內灣劃分為3個區域，并對各區域水交換能力進行了模擬分析。這種水交換模型可以研究分區及分區間的水交換特性，但難以刻畫海水的精細運動和不同分區水交換差異，模型結果會高估研究區的水交換能力。對流-擴散模型以溶解態的保守物質作為研究海域的示蹤劑，在初始時刻給定海域內的示蹤物質一個初始濃度，計算目標海域不同時刻被外海水置換的比率。CHEN等[13]利用溶解的保守物質示蹤劑，建立了普蘭店灣水交換的對流擴散模型。該模型同時考慮了水體對流和擴散，物理過程完備，但在描述水體生命、駐留時間等水交換概念時不夠直觀準確[14]。粒子追蹤模型通過統計特定時間內穿越邊界流出海灣的標志粒子數量判定海灣的水交換能力。王平等[15]采用FVCOM耦合粒子追蹤模型，研究了灣內余環流結構、粒子運動軌跡及水交換特點。此外，該模型在國內多個區域的水交換研究中均有應用，如我國的三沙灣[16]、北部灣海域[17]、渤海[18]、防城灣[19]等地，并取得較好的實驗效果。此模型有利于挖掘局部水體交換中的不均勻性特點，能夠清晰明確地顯示出質子的來源和去向，除此之外，還可以更好地反映海流的性質及影響。

閩江口作為福建省內最大的河流入海口，口岸附近巖島林立，水下地貌條件復雜。目前，閩江口水交換研究已經取得一些成果，但現有的二維數值模型難以精細刻畫閩江口復雜的水動力特點，而三維模型多集中在潮流、余流等海洋動力研究上[20-21]，對于水交換驅動機理研究有所忽略。為精細刻畫閩江口水體交換特點，挖掘不同驅動因子在水體交換過程中的作用及差異，本研究基于河口、陸架和海洋沉積物模型（estuarine，coastalandocean model system with sediments，ECOMSED）與拉格朗日粒子追蹤模型，構建了適用于閩江河口的三維數值模型，結合實測數據進行擬合驗證，設計5組模擬實驗分別分析風場、熱通量、徑流、潮流等不同動力條件下的水交換特點。

1 研究區概況

閩江流域位于東經 116^°23^′～119^°35^′ ，北緯25^°23^′～28^°16^′ ，發源于閩贛、閩浙交界的杉嶺、武夷山、仙霞嶺等山脈，干支流流經38個縣市，流域面積 60 992km² ，約占全省面積一半，水系河流總長 6107km^[22] ，閩江是我國重要的豐水河之一，年平均徑流量 551×108m³ 。閩江口（位置詳見圖1）是福建省最大獨流人海口，區域島嶼眾多，星羅棋布，其中最大島嶼為瑯岐島，同時也是閩江的門戶，東面臨海，受其影響，閩江干流在此處分成南北兩支水道，水深不足 15m 處有水下扇形三角洲，河口地形及水下地貌復雜。閩江口流向自西向東，總面積 1800km² ，屬于亞熱帶季風氣候，水溫年變化范圍 13.5～29.6^°C ，年平均氣溫 22.3°C ，為強潮型河口[23]。同時，閩江口經濟發達、人口密集，其受河流和海洋兩方面相互作用，水環境復雜多變。

2 模型構建與驗證

2.1 ECOMSED水動力模型

ECOMSED模型是Blumberg在ECOM和POM模型的基礎上與他人合作開發的海洋模型，其繼承了二者的優勢[24]。本文選取ECOMSED，通過建立三維斜壓水動力數值模型，模擬研究閩江口水動力特性，為水交換模擬提供準確的流場信息。其中，模型計算范圍為 119^°24^′～119^°50^′E，25^°55^′～26^°18^′N ，計算網格共46716個。水深數據采用國際通用標準S-57的閩江口外海至馬尾段附近的電子海圖（圖2）。

σ 坐標垂向分10層，可以較好地適應閩江口復雜多變的水底地形。模型中的初始場即外海的開邊界條件采用HYCOM海洋預報系統提供的每隔24h 精度 0.08^° 的全球再分析數據，主要是在模型啟動之初和開邊界處提供水位、溫鹽等數據。對于外海的潮汐邊界處，本文所采用的分潮調和常數源于美國俄勒岡州立大學建立的區域潮汐潮流模型，取 S2，M2，N2，K1，P1 和01共6個分潮。上游邊界條件設置閩江竹岐水文站的實測月徑流量（圖3），并作為后續實驗中驅動條件之一。模型運行的驅動條件之一就是氣象數據，其中包括降雨量、熱通量、蒸發量、風速及風向等，以上數據均從美國國家環境預報中心（NationalCentersforEnvironmentalPrediction）獲取的逐6h預測數據。其他參數具體設置詳見表1。

2.2Lagrangian粒子追蹤模型

本文選取粒子追蹤模型研究閩江口水交換特性，粒子追蹤模型模擬時間為5d，區域共選取2915個計算單元，分別在對應的表層、中層和底層的相同位置及相同時刻釋放拉格朗日粒子。粒子釋放的起始位置及區域劃分如圖4所示，其中粒子釋放的初始位置作為粒子滯留區域，其余區域則為為外海，當代表水質點的粒子流人到外海，則認為水體發生了交換。粒子運動主要計算方程如下：

式中： 為 t₁ 時粒子位置； x（t） 為經過dt后的粒子位置； 為 χ_t 時刻粒子位置處水體速度。

2.3 模型驗證

為檢驗所構建三維模型的準確性，本研究主要從潮位、流速流向等方面對模型進行細致驗證。其中，潮位、潮流監測數據來自國家海洋科學數據中心獲取的各個觀測站點每小時實測數據與河海大學2014年6月閩江口的實地監測數據。驗證站點位置分布如圖5所示，潮位觀測共計5個站點，分別為琯頭站、T1站、馬尾站、梅花站和川石站。潮流觀測站共有X1—X4等4個，分別位于長門水道、梅花水道和川石水道附近。

2.3.1 潮位驗證

利用閩江口區域5個潮位監測站的實測數據進行潮位檢驗。其中，琯頭站和T1站的驗證時段為2014年6月13日至25日，梅花站驗證時段為2014年11月1日至14日，馬尾站和川石站驗證時段為2015年4月1日至16日。經檢驗，5個站點潮位實測值與模擬值的時間序列絕對值偏差在±10cm 以內，符合標準；另統計各個站點平均潮位的模擬偏差，其結果均在誤差范圍以內。因此，認為潮位驗證結果具有良好的可靠性。

2.3.2 流速流向驗證

利用閩江口X1—X4共4個潮流觀測站的監測數據進行流速流向驗證，觀測時間設定為2014年6月14日至15日，觀測頻率為 0.5h 。經驗證，4個站點表層、中層和底層的流速、流向時間序列模擬值與實測值偏差不超過 ±10% ，同時4個站點的平均流速、流向模擬值偏差誤差在 ±10% 之間，符合相關技術規范[25]對于潮流場模擬的精度要求。因此，認為流速流向模擬結果可靠，可用于水交換的模擬研究。

2.4 實驗設定

為探究閩江口水域不同層級的水交換特征與影響因素，在獲準確流場的基礎上，采用拉格朗日粒子追蹤模型開展不同模擬實驗，考慮潮強迫、風場、熱通量、徑流、溫鹽等常見的動力因素對閩江口水交換的作用效果[26]。實驗設計如表2所示，依次關閉風場、熱通量、徑流、溫鹽，顯示不同環境影響下的粒子時空變化。

3 結果分析與討論

3.1 閩江口余流場特征分析

余流是指去除周期性潮流后的海流，余流分布能夠反映岸線、地形對海流的影響，入海河口地形變化顯著，因此調查閩江河口余流場背景有利于進行區域水動力機制綜合分析。基于構建的三維水動力模型，模擬得到閩江口表、中、底層余流場空間分布如圖6所示。

表層余流場分布如圖6（a）所示，表層流速整體偏大，最強余流出現在川石水道區域，流速可達0.7m/s ，最小流速位于東北部海域。川石水道部分余流受川石島影響，沿熨斗水道傳遞至外海，并與烏豬水道余流一起匯集與川石島北部海域，形成較強的余流，流速達 0.35m/s ，以東北流向為主。

中層余流場分布如圖6（b）所示，表層最強流速出現在閩江口航道區域，達 0.3m/s ，該處水道狹窄且水域較深，受潮流的非線性作用較強，因而表現出較大流速。相較于表層余流，中層余流最高值出現在水深航道區，可以判斷中層余流受到閩江徑流作用的影響。

底層余流場分布如圖6（c所示，從整體來看，底層北支水道流速大于南支水道，這一特征與表層一致而與中層相反，底層余流場最大流速出現在川石水道，為 0.28ms 。從表、中、底層余流場整體分布來看，底層余流的流速小于表層與中層余流，以上證據表明閩江口余流場分布存在顯著層化結構。

3.2 閩江口拉格朗日粒子綜合影響機制分析

為進一步反映閩江口表、中、底層水交換動態規律，基于拉格朗日粒子追蹤模型的粒子 120h 時空分布結果如圖7所示，閩江口中粒子經過 24h 的運輸（圖 7（a）-（c）. ），逐漸指向外海。從拉格朗日粒子遷移擴散趨勢來看，閩江河道內粒子運輸至瑯岐島處，經南北兩支水道開始分流：北支水道中粒子又經烏豬水道與熨斗水道，與北部水域混合后指向外海；南支水道中粒子則主要經由梅花水道，一部分沿瑯岐島東側岸線與川石水道粒子混合后流人外海，另一部分則直接匯人東南海域。

粒子經過 120h 輸運后（圖7（g）—（i）），各層粒子均向外海擴散，流向表現為自河口處往東南沿海方向運輸。其中，瑯岐島東部海域粒子較為密集，且粒子更易往外海中擴散。該現象歸因于：其一，此處受到南北支水道混合作用，因此代表水質點的粒子易在此處集中交匯；其二，此處水動力作用較強，使得粒子不易滯留，因此水交換能力表現較強。 ^120h 后各層粒子運動呈現如下特點：中層、底層的粒子運動呈現相同趨勢，而表層粒子的空間分布有所差異，表層粒子在東南方向的運輸擴散比中層、底層更明顯，判定為風場的作用。

據表層、中層、底層水交換率統計結果（表3）可知，表層水交換率 63.95% 、中層 75.54% 、底層64.77% ，這表明閩江口海域垂向水體交換存在一定程度的層化結構，表層、底層水交換能力十分接近，但中層水交換能力顯著優于其他層。結合中層余流場（圖6（b））可知，中層航道區受徑流影響表現出較強流速，因此判定閩江徑流對中層水交換能力有較大貢獻。

3.3閩江口拉格朗日粒子風場影響機制分析

為直觀反映 ^120h 后不同環境因子對閩江口水交換能力的影響，截取 120h 后不同環境因子影響下的拉格朗日粒子空間分布，如圖8所示。

無風狀態下（圖8（a）（e）、（i）），各層拉格朗日粒子 120h 輸移擴散趨勢較之有風狀態增強，各層粒子呈現相同的分布規律，經北支水道擴散的粒子呈現沿著水道方向擴散趨勢，與有風狀態 120h 后（圖7（g）一（i））粒子擴散相比，以表層粒子擴散分布差異最為明顯。其中，北支水道口的 120h 粒子表現出與有風狀態 ^72h 相似的擴散規律，這表明風場對表層水交換的阻礙作用在粒子擴散初期影響較小，無風狀態粒子受到烏豬水道、川石水道、熨斗水道狹窄水道地形作用，沿著水道方向擴散，但風場會破壞水道地形的流向控制。

3.4閩江口拉格朗日粒子熱通量影響機制分析

進一步關閉熱通量結果（圖8（b）、（f）、（j））來看，各層粒子的擴散均受到一定程度的抑制。表層粒子擴散抑制最為明顯，中層、底層粒子仍然保持相似分布，但對比有熱通量（圖8（a）、（e）（i））情形下，各支水道的外海區域拉格朗日粒子濃度均呈現下降趨勢。表層粒子分布變化最為明顯，無熱通量影響下，川石水道流出粒子呈沿水道口向梅花水道包圍的圓弧形分布。這表明熱通量對表層水交換促進作用最強，熱通量加劇了粒子在東南風和川石島地形作用下的北向擴散趨勢，并促進了航道口匯入外海區域的中層、底層拉格朗日粒子的集中趨勢。

3.5閩江口拉格朗日粒子徑流影響機制分析

徑流是閩江河口中主要水體來源之一，去除徑流影響后（圖8（c）、（g）（k））， 120h 后各層粒子擴散能力被顯著遏制，多數粒子仍滯留河道中，中層、底層粒子呈相同分布規律。表層拉格朗日粒子的淤滯效應最強。馬尾港至猴嶼鎮附近水道中粒子基本滯留于河道內，長門水道與梅花水道粒子大部分沿瑯岐島岸線粘滯，僅烏豬水道和熨斗水道中部分粒子往東北方向遷移指向外海。在瑯岐島東部海域各層粒子遷移擴散則較為明顯，盡管去除閩江徑流的驅動，但此處仍然受外海海流的影響，在較強的水動力作用下，粒子仍不斷向東南海域擴散，與未去除徑流影響的拉格朗日粒子分布（圖8（b）（f）（j））進行對比，川石水道航道口的順時針回流被遏制，說明徑流對川石水道表層水體驅動效果最強。

3.6閩江口拉格朗日粒子潮流影響機制分析

未顧及溫鹽所造成的斜壓、海氣的相互作用以及閩江徑流輸入等的影響，僅在潮汐驅動下（圖8（d）、（h）、（1）），粒子的輸移擴散趨勢均呈現出由河口內往東及東南海域運移：底層僅在河口東北部水域粒子擴散能力較強于表層粒子；中層顯示，河道內、長門水道以及梅花水道中滯留粒子較少，大部分粒子主要遷移至東部海域，呈“工”字形帶狀分布，且具有明顯的往東南沿海擴散趨勢。整體上，中層粒子分布特征與表層和底層具有明顯差異，這一特征在瑯岐島東部水域表現得尤為明顯。

結合余流場模擬結果（圖6（a）一（c））可知：

表層余流在梅花及川石水道附近均表現為較強的余流場，底層雖余流較弱但此處余流分布較為均勻，因此，表層與底層粒子在東部海域擴散也表現出均勻輻散的特征；而中層余流結構顯示僅在川石水道與梅花鎮岸線附近有強余流場，粒子更易在此處堆積。此外，相較于北部海域，東及東南部海域粒子遷移擴散的范圍更廣、距離更遠，此處水體交換能力要強于北部，粒子受潮流影響較大。

為反映改變環境因子對各層水交換能力的影響過程，繪制拉格朗日粒子滯留變化曲線如圖9所示。 36h 小時后，各層拉格朗日粒子擴散速度顯示差異性；在 120h 內，表層與底層拉格朗日粒子oatial distribution of Lagrange particles under the influence of different environmental factors al的擴散速度均呈現高度相似的特征。無風情形下，粒子擴散速度不明顯；進一步關閉熱通量影響后，各層粒子擴散速度減緩，粒子釋放 60～96h 時加劇了這一趨勢，但從 120h 拉格朗日粒子滯留比例來看，粒子滯留變化比例上升 -0.76%～0.75% ，變化并不顯著。表明熱通量對外海處的拉格朗日粒子驅動作用更顯著。關閉徑流后 ^120h 內，各層拉格朗日粒子滯留比例大幅度上升，閩江口拉格朗日粒子在河道處釋放后，拉格朗日粒子滯留比例高達 69%～75% 。

關閉徑流 120h 后，表、中、底層拉格朗日粒子滯留比例（表4）分別為 69.02%.70.74%.69.06% ，這表明徑流對各層拉格朗日粒子運輸速度均具有顯著貢獻；從僅考慮潮汐作用的拉格朗日粒子滯留比例變化看，各層拉格朗日粒子擴散速度較為一致，總體而言，中層拉格朗日粒子擴散速度高于表層、底層拉格朗日粒子， 120h 后，表、中、底層拉格朗日粒子滯留比例分別為 42，47%，33.55% /41.92% 。相較于未去除溫鹽導致斜壓過程的影響的拉格朗日粒子滯留比例，閩江口各層拉格朗日粒子滯留數明顯下降，說明潮流是影響水交換的重要驅動力。由此表明斜壓形成的密度環流等對水交換的阻礙作用也較為明顯。

4結論

本文基于ECOMSED模型耦合拉格朗日粒子追蹤模塊，通過構建研究區的三維數值模型，模擬研究閩江口水交換過程，構建的水動力水交換耦合模型模擬值與實測數據擬合誤差較小，能夠反映閩江口水環境變化的主要規律。設計5類不同的模擬實驗，分別研究在風場、熱通量、徑流以及潮流等不同作用下，閩江口海域各層水交換能力的差異，對比分析各動力因素對閩江口水交換的影響，獲得如下結論：

1）從垂直方向來看，閩江口水交換具有顯著的層化結構。拉格朗日粒子空間分布及其變化表明：中層水交換能力最強，其水動力機制源自徑流、潮流的突出貢獻；表層水交換受到岸線地形影響最為嚴重，東南風和海表熱通量影響下污染物呈北向遷移趨勢；底層余流分布均勻、水交換較為穩定。

2）從水平方向來看，川石水道南部水體自凈能力強于北部水域。余流場和潮流影響下拉格朗日粒子空間分布結果表明，川石水道南北部水域水交換能力呈現分異性特點，這是由于川石水道狹而深，此處水體在潮流非線性作用和較強徑流影響下流向南部水域，而南部水域水體同時受到強潮流驅動作用，因此整體出南北分異性國。

3）從環境因子驅動作用角度看，徑流對閩江口水交換驅動作用最顯著。拉格朗日粒子滯留統計結果表明，關閉徑流后，粒子滯留比例高達69%～75% ，徑流是閩江口最主要驅動因子，潮流次之，熱通量加劇外海污染物集中趨勢且僅對表層水交換有微弱驅動作用，風應力阻礙表層污染物遷移擴散。

本文首次對閩江口主要環境因子水交換的作用差異進行初步探究，研究結果有利于揭示閩江口三維空間上的水環境異質性，加深對于閩江口水域的物理自凈能力以及動力機制的認識，能夠有效協助區域水污染治理，為區域水環境開發利用提供決策支持。在后續的研究中，可以進一步考慮流體相互作用和針對水交換的季節性規律進行模擬分析，以便深入研究閩江口水交換特征及規律。

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（責任編輯：曾 晶）

Numerical Simulation and Dynamic Mechanism Analysis of Water Exchange at the Minjiang Estuary

HU Jinhong1，2， XIAO Guirong ^*1，2 ， GAO Wei ^1，2 （1.TheAcademyofDigitalChina（Fujian），FuzhouUniversity，Fuzhou35O1o8，China；2.KeyLaboratoryofSpatial DataMiningand Information Sharing of MinistryofEducation，Fuzhou University，Fuzhou35OlO8，China）

Abstract：Coastal water exchange not only reflects the physical self-purification ability of regional water body， but also reveals the migration and diffsion process of pollutants.In order to explore the exchange characteristics of the Minjiang estuary，based on the estuarine，coastal and ocean sediment models（ECOMSED），and the Lagrange particle tracking model，through the fiting and verification with measured data，a three-dimensional numerical model of the Minjiang estuary area was constructed.On this basis，simulation experiments on external environmental factors such as wind field，heat flux，runoffand tidal current were carried out.The results show thatthe water exchange in the Minjiang estuary exhibits significant vertical stratification，the water exchange ability in the middle layer is the strongest，and the surface polutants show a northward migration trendunder the influence ofsea surface heat flux and wind field.The self-purification abilityof the water body in the south of the Chuanshi waterway is stronger than that in the north of the Chuanshi Waterway.Runoffhas the most significant driving effect onthe drool exchange ofthe Minjiang River.After closing runoff，the particle retention ratio of each layer is as high as 69%-75% . All this provides implication for pollutant control and water quality change prediction in the Minjiang estuary，andalso providesscientific basis and technical support for environmental protection of the estuary of the Minjiang River.

Keywords：ECOMSED model； particle tracking；Minjiang estuary；water exchange；numerical simulation