曾 明 ， 孫效功， 范德江

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

黃河調(diào)水調(diào)沙期間入海泥沙沉積動(dòng)力過(guò)程的數(shù)值模擬*

曾 明1， 孫效功2**， 范德江1

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

本文根據(jù)2007年黃河調(diào)水調(diào)沙期間黃河三角洲及其毗鄰海域的水文、泥沙調(diào)查數(shù)據(jù)資料，使用Mike 3三維水沙數(shù)值模型模擬了黃河調(diào)水調(diào)沙全過(guò)程(低流量、高流量、高含沙量)入海水沙輸運(yùn)過(guò)程，揭示了人造洪峰下水沙擴(kuò)散范圍和特征，分析了泥沙入海后的沉積動(dòng)力學(xué)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)：入海淡水和表層細(xì)顆粒泥沙主要以異輕羽狀流形式向外海和河口兩側(cè)沿岸擴(kuò)散，中、底層粗顆粒泥沙向外海擴(kuò)散非常有限，有少量向河口兩側(cè)沿岸擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍小于表層；河口區(qū)在漲-落、落-漲潮流轉(zhuǎn)換時(shí)刻分別存在著潮流切變鋒，切變鋒均形成在淺水區(qū)，而后向深水區(qū)移動(dòng)，切變鋒的發(fā)生對(duì)泥沙向外海擴(kuò)散有著明顯的阻隔作用。

黃河口；調(diào)水調(diào)沙；三維數(shù)值模擬；水沙輸運(yùn)規(guī)律；沉積動(dòng)力過(guò)程

黃河是中國(guó)第二大河，以水少沙多聞名于世，多年年平均入海的泥沙約為10.8億t[1]。黃河水利委員會(huì)于2002年7月開(kāi)始了第一次“調(diào)水調(diào)沙”試驗(yàn)，該試驗(yàn)利用黃河干流的大型水庫(kù)，以制造人造洪峰的方式將占全年20%以上的徑流和30%以上的泥沙在20天左右輸送入海[2]。調(diào)水調(diào)沙實(shí)施以來(lái)，現(xiàn)行河口的葉瓣由侵蝕狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛俜e狀態(tài)[3]，河口泥沙異重流變的不常見(jiàn)，異輕流成為泥沙向海擴(kuò)散的主要方式[4]。調(diào)水調(diào)沙的實(shí)施改變了黃河入海水沙的自然形態(tài)，改變了泥沙向海擴(kuò)散的方式，對(duì)黃河三角洲近岸帶地形、地貌演化以及近海海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[5-10]。

近年來(lái)，有的學(xué)者基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，研究了調(diào)水調(diào)沙期間黃河入海水沙的擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)調(diào)水調(diào)沙期間黃河入海水沙的基本擴(kuò)散態(tài)勢(shì)有了一定的認(rèn)識(shí)[11-13]；有的也基于衛(wèi)星遙感資料進(jìn)一步研究了黃河河口區(qū)的蝕-淤狀態(tài)，并得到了新的認(rèn)識(shí)[3]；個(gè)別學(xué)者還利用數(shù)值模擬方法對(duì)黃河洪、枯季的水沙輸運(yùn)[14]和調(diào)水調(diào)沙期間入海泥沙輸運(yùn)[15]進(jìn)行了模擬，也取得了較好的結(jié)果。迄今為止，雖然許多學(xué)者對(duì)調(diào)水調(diào)沙期間黃河入海水沙的擴(kuò)散規(guī)律以及河口沉積動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行了系列研究，但尚缺乏對(duì)調(diào)水調(diào)沙全過(guò)程河口沉積動(dòng)力過(guò)程的完整認(rèn)識(shí)。

本文立足于調(diào)水調(diào)沙期間黃河三角洲及其毗鄰海域的水文泥沙調(diào)查資料，結(jié)合實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證的三維水沙數(shù)值模型，通過(guò)對(duì)黃河調(diào)水調(diào)沙輸送入海全過(guò)程的數(shù)值模擬，力圖詳細(xì)了解調(diào)水調(diào)沙期間入海水沙的輸運(yùn)規(guī)律，探討其沉積動(dòng)力過(guò)程的控制機(jī)制。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及數(shù)據(jù)處理

1.1 調(diào)水調(diào)沙期間入海水沙形態(tài)

2007年調(diào)水調(diào)沙開(kāi)始于6月19日，一直延續(xù)到7月7日，共18 d。這期間，入海水沙不同步，2007年黃河調(diào)水調(diào)沙期間利津站入海逐日徑流量、輸沙率如圖1所示，據(jù)此可以分為3個(gè)階段： 6月19～6月25日的調(diào)水調(diào)沙之前階段(低流量、低沙量)，其入海徑流量不超過(guò)300m3/s，輸沙率為0.1t/s左右；6月26日～7月6日的調(diào)水調(diào)沙第一階段(高流量、中沙量)，7月3日徑流量達(dá)到最高值，為3800m3/s，其輸沙率為46.4t/s；7月7日的調(diào)水調(diào)沙第二階段(中流量、高沙量)，其徑流量為2310m3/s，輸沙率達(dá)到調(diào)水調(diào)沙期間最高值，為73.1t/s。其中6月26—7月7日入海水量均超過(guò)2000m3/s，7月3日入海水量最高，達(dá)到3800m3/s。

1.2 調(diào)查站位布設(shè)和數(shù)據(jù)分析

2007年6月29—7月6日黃河調(diào)水調(diào)沙期間，在黃河三角洲海域進(jìn)行了3斷面3船同步25h(1個(gè)潮周期)的連續(xù)觀測(cè)，另布設(shè)了24個(gè)大面站(見(jiàn)圖2)。采用YSI公司1000kHz ADCP測(cè)流速、流向，采用ALEC水質(zhì)儀及RBR自容式CTD測(cè)溫度、鹽度及濁度，獲得了研究海域的流速、流向、溫度、鹽度、濁度等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，在6個(gè)預(yù)設(shè)層位(表層，0.2，0.4，0.6，0.8h，底層)采集水樣各500mL左右，每小時(shí)1次，經(jīng)抽濾、洗鹽后，并在50℃條件下烘干24h，然后使用1/100000天平稱重，獲得水體懸浮泥沙含量。

2 黃河口三維水沙數(shù)值模型的率定和驗(yàn)證

采用MIKE 3三維水沙模型來(lái)模擬黃河調(diào)水調(diào)沙期間入海水沙的輸運(yùn)。MIKE 3是丹麥水力研究所(DHI)開(kāi)發(fā)的MIKE系列水沙模型的三維版本，有著幾十年的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，能較好地模擬近海水動(dòng)力和泥沙輸運(yùn)，在全世界河口海岸有諸多成功的應(yīng)用[16-19]。該模型包括水動(dòng)力模塊(HD)、對(duì)流模塊(AD)、波浪模塊(SW)、粒子追蹤模塊(PT)、泥輸運(yùn)模塊(MT)、沙輸運(yùn)模塊(ST)等幾大部分。

2.1 三維水動(dòng)力模塊

笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)中的水動(dòng)力的連續(xù)方程如下：

x、y向水平動(dòng)量方程：

其中：t為時(shí)間；x、y、z為笛卡爾坐標(biāo)軸；η為表層潮位；d為靜水深；h=η+d為表示總水深；u、v、w為x、y、z方向的速度分量；f=2Ωsinφ為科氏力系數(shù)；g為重力加速度；ρ為水的密度；Sxx、Sxy、Syx、Syy為輻射應(yīng)力張量要素；Vt為垂向擾動(dòng)黏滯系數(shù)；Pa為大氣壓力；ρ0為水的相對(duì)密度；S為點(diǎn)源的流量；us、vs為水體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的的速度分量。

2.2 泥沙輸運(yùn)模塊

Mike3泥沙模塊中，主要研究的是粘性和非粘性泥沙的運(yùn)移過(guò)程，該模塊對(duì)泥質(zhì)和砂質(zhì)等不同類型的沉積物分別進(jìn)行定義，包括絮凝、沉降、再懸浮、層間運(yùn)移等過(guò)程。其中，黏性泥沙是指平均粒徑小于60μm的泥沙顆粒，而非黏性泥沙則指平均粒徑在60～500μm的泥沙顆粒。由于渤海沉積物及黃河入海泥沙的平均粒徑大部分都是小于60μm，因此本文采用Mike3粘性泥沙模塊(MT)來(lái)進(jìn)行數(shù)值研究。

泥沙運(yùn)移數(shù)值模擬是建立在水動(dòng)力模塊中對(duì)流-擴(kuò)散計(jì)算基礎(chǔ)之上的，其中泥沙運(yùn)移的控制方程如下：

其中：c為水體含沙量(kg/m3)；t為時(shí)間(s)；x、y、z為原點(diǎn)o置于某一水平基面，z軸垂直向上的直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；u、v、w為空間流速矢量分別沿x、y、z方向的速度分量(m/s)；Dx、Dy、Dz為泥沙沿x、y、z方向上的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；S為沉積/侵蝕量(kg·m-3·s-1)； QL為泥沙源強(qiáng)(m3·s-1·m-2)； CL為泥沙源強(qiáng)濃度(kg·m-3)。

2.3 水沙數(shù)值模型的設(shè)置及驗(yàn)證

2.3.1 模型設(shè)置

(1)水深和岸界

模型使用的是ETOP5的1/12度水深資料，渤海灣及黃河口附近海域水深由2000年渤海灣實(shí)測(cè)水深和2004年黃河口36斷面實(shí)測(cè)水深替換，黃河三角洲岸線采用2004年資料(見(jiàn)圖3)。

(2) 開(kāi)邊界輸入

開(kāi)邊界：利用遼寧登沙河(A點(diǎn))、山東雞鳴島(B點(diǎn))潮位觀測(cè)資料調(diào)和求得的M2、S2、K1和O14個(gè)主要分潮調(diào)和常數(shù)值輸入計(jì)算。

(3)徑流邊界條件

本論文模型里只考慮黃河注入渤海，黃河徑流邊界條件采用的是黃河利津站2007年6和7月逐日徑流量、輸沙率數(shù)據(jù)。

(4)渤海底質(zhì)類型資料

渤海底質(zhì)類型資料來(lái)自2005年出版的《中國(guó)東部海域海底沉積物成因環(huán)境圖》[20]數(shù)字化結(jié)果。渤海底質(zhì)類型以粉砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂為主，細(xì)砂主要分布在水動(dòng)力較強(qiáng)的渤海海峽北部和遼東淺灘，黃河水下三角洲的表層沉積物以粉砂質(zhì)粘土為主。

(5)溫鹽條件

模型初始鹽度值設(shè)為32 psu，徑流鹽度值為0；研究區(qū)初始溫度設(shè)為20℃，模型計(jì)算期間溫度不變。

2.3.2 模型驗(yàn)證 模擬結(jié)果經(jīng)2007年調(diào)水調(diào)沙期間三角洲近岸海域連續(xù)站實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證，證明其潮位、流速、流向、懸沙濃度基本能反映調(diào)水調(diào)沙期間黃河三角洲及其鄰近海域的水動(dòng)力泥沙輸運(yùn)特征，可用于入海水沙的擴(kuò)散規(guī)律分析。

(1)潮位驗(yàn)證

模擬得到的潮位變化和三角洲近岸海域6個(gè)連續(xù)站位的潮位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，基本趨勢(shì)一致，但是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，表明水文模型模擬潮位效果較好。潮位驗(yàn)證如圖4。

(2)流速、流向驗(yàn)證

模型得到的潮流的流速、流向與實(shí)測(cè)結(jié)果符合度較高，兩者的趨勢(shì)完全一致(見(jiàn)圖5)。

(3)懸沙濃度驗(yàn)證

模型得到的懸沙濃度與測(cè)試懸沙濃度在不同層位符合程度不一，在底層，模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果相關(guān)性較好，兩者的變化趨勢(shì)基本一致。在表層，兩者符合度差，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)明顯高于模型的數(shù)據(jù)。如圖6。

3 調(diào)水調(diào)沙全過(guò)程入海水沙擴(kuò)散的數(shù)值模擬

3.1 調(diào)水調(diào)沙入海淡水的輸運(yùn)

3.1.1 低流量狀態(tài)下黃河入海淡水的擴(kuò)散(調(diào)水調(diào)沙之前) 低流量漲潮時(shí)，表層淡水主要向河口南側(cè)擴(kuò)散，底層水體基本不受淡水?dāng)U散影響，始終為海水控制(見(jiàn)圖7A、B)；落潮時(shí)淡水隨落潮流向西北方向擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍大于漲潮時(shí)(見(jiàn)圖7C、D)。從漲、落潮時(shí)河口剖面鹽度分布可以看出(見(jiàn)圖7E、F)，淡水浮于海水表層向海有少量擴(kuò)散，落潮時(shí)擴(kuò)散量高于漲潮時(shí)，口門外水體垂向分層較為明顯，河道內(nèi)海水入侵程度較漲潮時(shí)有所減弱。

3.1.2 高流量時(shí)入海淡水的擴(kuò)散(調(diào)水調(diào)沙第一階段) 6月26—7月7日黃河逐日入海水量均在2000m3/s以上，其中7月3日入海水量最高，達(dá)到3 800 m3/s。通過(guò)漲潮時(shí)鹽度等值線可以看出，高流量時(shí)表、底層淡水?dāng)U散范圍均大于低流量時(shí)，表層擴(kuò)散范圍遠(yuǎn)大于底層，低于4 psu的低鹽度水以舌狀偏向河口南側(cè)，10 psu的等鹽度線能到達(dá)原清水溝廢棄河口，底層淡水主要集中在河口附近，少量向河口兩側(cè)沿岸擴(kuò)散，向海擴(kuò)散有限(見(jiàn)圖8A、B)；落潮時(shí)表層擴(kuò)散范圍遠(yuǎn)大于底層，受落潮流影響，淡水?dāng)U散范圍較漲潮時(shí)整體向北偏移，低于4 psu的低鹽度水以舌狀偏向河口北側(cè)，10 psu的等鹽度線能到達(dá)神仙溝外海(見(jiàn)圖8C、D)。從河口斷面的鹽度分布可以看出，因流量較大，漲潮時(shí)河道內(nèi)基本為淡水控制，口門外淡水?dāng)U散范圍較大，淡水浮于表層向外擴(kuò)散，鹽度垂向分層明顯, 落潮時(shí)河道內(nèi)基本為淡水控制，落潮時(shí)淡水?dāng)U散量比漲潮時(shí)大，口門處垂向混合較為均勻(見(jiàn)圖8E、F)。

高含沙量時(shí)(調(diào)水調(diào)沙第二階段)，入海淡水量較高流量時(shí)(調(diào)水調(diào)沙第一階段)變小，淡水隨漲、落潮流的擴(kuò)散方式與高流量時(shí)相似，其詳細(xì)的擴(kuò)散過(guò)程在此略過(guò)。

3.2 調(diào)水調(diào)沙期間泥沙的輸運(yùn)

3.2.1 低流量時(shí)黃河入海泥沙的擴(kuò)散(調(diào)水調(diào)沙之前) 低流量時(shí)入海泥沙量較低，受漲、落潮流影響，漲潮時(shí)表層泥沙主要向河口南側(cè)擴(kuò)散，落潮時(shí)則主要向河口北側(cè)擴(kuò)散，落潮時(shí)入海泥沙量和擴(kuò)散范圍大于漲潮時(shí)(見(jiàn)圖9A、B、C、D、E、F)。

(A-漲潮時(shí)表層鹽度分布A-salinity distribution of the surface layer at flood tide phase；B-漲潮時(shí)底層鹽度分布B-salinity distribution of the bottom layer at flood tide phase；C-落潮時(shí)表層鹽度分布C-salinity distribution of the surface layer at ebb tide phase；D-落潮時(shí)底層鹽度分布D-salinity distribution of the bottom layer at ebb tide phase；E-漲潮時(shí)河口剖面鹽度E-salinity distribution of cross-section in the estuary at flood tide phase；F-落潮時(shí)河口剖面鹽度F-salinity distribution of cross-section in the estuary at ebb tide phase.)

圖7 低流量狀態(tài)下入海淡水的擴(kuò)散

Fig.7 Disperse patterns of river-delivered fresh water in low-flow period

(A-漲潮時(shí)表層鹽度分布A-salinity distribution of the surface layer at flood tide phase；B-漲潮時(shí)底層鹽度分布B-salinity distribution of the bottom layer at flood tide phase；C-落潮時(shí)表層鹽度分布C-salinity distribution of the surface layer at ebb tide phase；D-落潮時(shí)底層鹽度分布D-salinity distribution of the bottom layer at ebb tide phase；E-漲潮時(shí)河口剖面鹽度E-salinity distribution of cross-section in the estuary at flood tide phase；F-落潮時(shí)河口剖面鹽度F-salinity distribution of cross-section in the estuary at ebb tide phase.)

圖8 高流量時(shí)入海淡水的擴(kuò)散

Fig.8 Disperse patterns of river-delivered fresh water in high-flow period

(A-漲潮時(shí)表層泥沙濃度A-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the surface layer at flood tide phase；B-漲潮時(shí)底層泥沙濃度B-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the bottom layer at flood tide phase；C-落潮時(shí)表層泥沙濃度C-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the surface layer at ebb tide phase；D-落潮時(shí)底層泥沙濃度D-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the bottom layer at ebb tide phase；E-漲潮時(shí)河口斷面泥沙濃度E-the Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary at flood tide phase；F-落潮時(shí)河口斷面泥沙濃度F-the Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary at ebb tide phase.)

圖9 低流量時(shí)入海泥沙擴(kuò)散

Fig.9 Disperse patterns of river-delivered suspended sediment in low-flow period

3.2.2 高流量時(shí)黃河入海泥沙的擴(kuò)散(調(diào)水調(diào)沙第一階段) 調(diào)水調(diào)沙第一階段時(shí)，入海水沙量較大，漲、落潮時(shí)表、底層泥沙擴(kuò)散范圍遠(yuǎn)大于較低流量時(shí)，底層泥沙濃度高于表層(見(jiàn)圖10A、B、C、D)。漲潮時(shí)表層泥沙主要向河口南側(cè)擴(kuò)散，能擴(kuò)散至原清水溝廢棄河口近岸海域，而落潮時(shí)表層泥沙隨落潮流可擴(kuò)散至神仙溝近岸海域；底層泥沙漲潮時(shí)主要向河口南側(cè)擴(kuò)散，落潮時(shí)向河口北側(cè)擴(kuò)散，底層泥沙向外海擴(kuò)散有限，因河口區(qū)漲潮流大于落潮流，從而導(dǎo)致漲潮時(shí)泥沙擴(kuò)散距離大于落潮時(shí)。通過(guò)高流量漲、落潮時(shí)河口斷面泥沙濃度分布也可看出(見(jiàn)圖10E、F)，入海泥沙向外海擴(kuò)散有限，主要沉積在河口近岸海域，底層泥沙濃度明顯高于表、中層。

3.2.3 高含沙量狀態(tài)下黃河入海泥沙的擴(kuò)散(調(diào)水調(diào)沙第二階段) 本次調(diào)水調(diào)沙接近尾聲時(shí)，入海泥沙量在7月7日達(dá)到了最高值，含沙量為31.645kg/m3。這一階段的泥沙擴(kuò)散特征與高流量時(shí)類似，主要沿岸線向河口兩側(cè)擴(kuò)散，受徑流量減小及河口潮流動(dòng)力減弱的影響，高含沙量狀態(tài)下入海泥沙擴(kuò)散距離小于高流量時(shí)(圖11A、B、C、D、E、F)。

(A-漲潮時(shí)表層泥沙濃度A-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the surface layer at flood tide phase；B-漲潮時(shí)底層泥沙濃度B-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the bottom layer at flood tide phase；C-落潮時(shí)表層泥沙濃度C-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the surface layer at ebb tide phase；D-落潮時(shí)底層泥沙濃度D-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the bottom layer at ebb tide phase；E-漲潮時(shí)河口斷面泥沙濃度E-the Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary at flood tide phase；F-落潮時(shí)河口斷面泥沙濃度F-the Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary at ebb tide phase.)

圖10 高流量時(shí)入海泥沙擴(kuò)散

Fig.10 Disperse patterns of river-delivered suspended sediment in high-flow period

4 調(diào)水調(diào)沙期間黃河入海水沙擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)分析

4.1 河口羽狀流

黃河入海水沙以異輕、異重羽狀流兩種形式擴(kuò)散和沉積。黃河口區(qū)洪水期水體包含潮汐鹽水層(主要分布在三角洲前緣中下部深水區(qū)，當(dāng)位于水體底部時(shí),含沙量較高 )、異輕羽狀流(主要分布在水體中上層，含沙量較低)和異重羽狀流層(主要分布在水體中下層、底層，含沙量高)[ 21-22]。

本文通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)異輕羽狀流是黃河調(diào)水調(diào)沙期間入海泥沙向海輸送的重要形式。在黃河低流量狀態(tài)下，入海泥沙主要是以異輕羽狀流形式向外輸送(見(jiàn)圖9E、F)，表層含沙量明顯高于底層；在高流量和高含沙量狀態(tài)下，河口區(qū)底層泥沙濃度高于表層，這可能是由于入海粗顆粒泥沙含量升高或發(fā)生了泥沙絮凝作用所導(dǎo)致的，而異輕羽狀流亦是細(xì)顆粒泥沙向外輸送的重要形式(見(jiàn)圖10E、11E)。

(A-漲潮時(shí)表層泥沙濃度 A-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the surface layer at flood tide phase；B-漲潮時(shí)底層泥沙濃度B-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the bottom layer at flood tide phase；C-落潮時(shí)表層泥沙濃度C-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the surface layer at ebb tide phase；D-落潮時(shí)底層泥沙濃度D-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the bottom layer at ebb tide phase；E-漲潮時(shí)河口斷面泥沙濃度 E-the Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary at flood tide phase；F-落潮時(shí)河口斷面泥沙濃度 F-the Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary at ebb tide phase)

圖11 高含沙量下入海泥沙擴(kuò)散

Fig.11 Disperse patterns of river-delivered suspended sediment in high sediment concentration period

4.2 河口切變鋒

在河口區(qū)漲、落潮轉(zhuǎn)換階段，受岸線和海底地形的影響，出現(xiàn)了內(nèi)漲-外落型和外漲-內(nèi)落型切變鋒，Wang等[23]根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析，認(rèn)為黃河口切變鋒發(fā)生在潮流轉(zhuǎn)流時(shí)，形成于淺水區(qū)，并向深水區(qū)移動(dòng)，在一個(gè)潮周期內(nèi)歷時(shí)約4h。本文數(shù)值模型顯示在調(diào)水調(diào)沙期間黃河口近岸海域漲-落、落-漲潮流轉(zhuǎn)換時(shí)刻皆存在著河口切變鋒，其切變鋒在漲、落潮時(shí)皆持續(xù)約2h。

內(nèi)漲-外落型和外漲-內(nèi)落型切變鋒均形成在淺水區(qū)，而后向深水區(qū)移動(dòng)(見(jiàn)圖12A、B、C、D)。此時(shí)研究海區(qū)潮流速度較小，三角洲近岸區(qū)流向一致，與外海區(qū)流向基本相反，兩者間存在著流速低值區(qū)，入海泥沙主要是沿岸輸運(yùn)。

河口斷面鹽度和懸沙濃度分布(見(jiàn)圖12E、F、G、H)所示，切變鋒兩側(cè)水沙擴(kuò)散形態(tài)不同，內(nèi)漲-外落型切變鋒向岸側(cè)處于漲潮狀態(tài)，口門外淺水區(qū)鹽水入侵，淡水浮于表層，向海側(cè)處于落潮狀態(tài)；外漲-內(nèi)落型切變鋒向岸側(cè)處于落潮狀態(tài)，入海淡水?dāng)U散量增加，而向海側(cè)處于漲潮狀態(tài)，河道內(nèi)泥沙向海擴(kuò)散量高于內(nèi)漲-外落型切變鋒時(shí)。切變鋒的存在阻隔了入海泥沙的向海擴(kuò)散，使得入海泥沙主要沉積在近岸淺水區(qū)。

(A-內(nèi)漲-外落切變鋒1時(shí)刻表層流場(chǎng)A-velocity distribution of the surface layer flow for the shear front of inner-flood-outer-ebb at the 1st hour；B-內(nèi)漲-外落切變鋒2時(shí)刻表層流場(chǎng)B-velocity distribution of the surface layer flow for the shear front of inner-flood-outer-ebb at the 2nd hour；C-外漲-內(nèi)落切變鋒1時(shí)刻表層流場(chǎng)C-velocity distribution of the surface layer flow for the shear front of inner-ebb-outer-flood at the 1st hour；D-外漲-內(nèi)落切變鋒2時(shí)刻表層流場(chǎng)D-velocity distribution of the surface layer flow for the shear front of inner-ebb-outer-flood at the 2nd hour；E-內(nèi)漲-外落切變鋒第1時(shí)刻河口斷面鹽度E-salinity distribution of cross-section in the estuary for the shear front of inner-flood-outer-ebb at the 1st hour；F-外漲-內(nèi)落切變鋒第1時(shí)刻河口斷面鹽度F-salinity distribution of cross-section in the estuary for the shear front of inner-ebb-outer-flood at the 1st hour；G-內(nèi)漲-落第1時(shí)刻河口斷面泥沙濃度G-Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary for the shear front of inner-flood-outer-ebb at the 1st hour；H-外漲-內(nèi)落第1時(shí)刻河口斷面泥沙濃度H-Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary for the shear front of inner-ebb-outer-flood at the 1st hour)

圖12 河口切變鋒發(fā)育狀態(tài)

Fig.12 The generation of different patterns of the shear front

5 結(jié)論

本文基于2007年黃河調(diào)水調(diào)沙期間黃河三角洲及其鄰近海域的實(shí)際調(diào)查資料，利用Mike 3三維水沙數(shù)值模型模擬了黃河調(diào)水調(diào)沙全過(guò)程(低流量、高流量、高含沙量)的水沙輸運(yùn)特征，并探討了黃河入海水沙輸運(yùn)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。主要結(jié)論如下：

(1)黃河調(diào)水調(diào)沙期間入海淡水主要浮在海水表層向海擴(kuò)散，低流量(調(diào)水調(diào)沙前)漲潮時(shí)淡水隨漲潮流向河口南側(cè)擴(kuò)散，落潮時(shí)則隨落潮流向河口北側(cè)擴(kuò)散，落潮時(shí)淡水?dāng)U散范圍大于漲潮時(shí)，口門外水體垂向分層較為明顯；高流量時(shí)(調(diào)水調(diào)沙第一階段)表、底層淡水?dāng)U散范圍均大于低流量時(shí)，淡水浮于表層向外擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍大于底層，口門外鹽度分層明顯；高含沙量時(shí)(調(diào)水調(diào)沙第二階段)入海淡水的擴(kuò)散方式與高流量時(shí)相似，擴(kuò)散幅度較高流量時(shí)變小。

(2)黃河低流量時(shí)(調(diào)水調(diào)沙前)入海泥沙以細(xì)顆粒泥沙為主，主要以異輕羽狀流形式向海擴(kuò)散，漲潮時(shí)泥沙主要向河口南側(cè)擴(kuò)散，落潮時(shí)則主要向河口北側(cè)擴(kuò)散，泥沙擴(kuò)散范圍和擴(kuò)散量大于漲潮時(shí)；高流量時(shí)入海泥沙量較大，漲、落潮時(shí)表、底層泥沙擴(kuò)散范圍遠(yuǎn)大于低流量時(shí)，底層泥沙受河口切變鋒阻隔影響，向外海擴(kuò)散有限。高含沙量時(shí)泥沙擴(kuò)散特征與高流量時(shí)類似，主要沿岸線向河口兩側(cè)擴(kuò)散，高含沙量狀態(tài)下入海泥沙擴(kuò)散距離小于高流量時(shí)。

(3)在漲-落、落-漲潮流轉(zhuǎn)換時(shí)刻分別存在著河口潮流切變鋒，這兩型切變鋒均形成在淺水區(qū)，而后向深水區(qū)移動(dòng)，在一個(gè)潮周期內(nèi)歷時(shí)約4 h，此時(shí)研究海區(qū)潮流速度較小，三角洲近岸區(qū)流向一致，與外海區(qū)流向基本相反，兩者間存在著流速低值區(qū)，切變鋒的發(fā)生對(duì)泥沙向外海擴(kuò)散有著明顯的阻隔作用。

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責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Numerical Simulating on Sediment Transportation in the Estuary and its Adjacent Areas During the Water and Sediment Regulation Period of the Huanghe River

ZENG Ming1, SUN Xiao-Gong2, FAN De-Jiang1

(1.Key Laboratory of Submarine Geosciences and Technology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.State Key Laboratory of Severe Weather,Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China)

Based on a synthetic survey which was carried out in the Huanghe estuary and its adjacent area during the water-sediment regulation period in the summer season of 2007, the MIKE 3 numerical model was applied to the Huanghe estuary and its adjacent areas. With the model, the transportation processes of the fresh water and suspended sediment were successfully simulated in the Huanghe estuary, and their dispersal patterns in different discharge phase (Low-flow, high-flow, high sediment concentration) were analyzed carefully. The results of numerical model showed that whether the river discharge was low or high, the fresh water could disperse in the surface layer as the hypopycnal flow. When the river discharge was low, river-delivered suspended sediment dispersed towards the offshore was mainly through the hypopycnal flow; When the river discharge was high, the hypopycnal flow was also an important controlling factor for the dispersal of fine sediment, most of the coarse sediment deposited in the nearshore area of the Huanghe estuary, a small amount of coarse sediment was transported along the coastline. Two types of shear front were identified in the offshore region near the river mouth at the conversion time of tidal flow, which was formed in the shallow water, and then moved to the deep water. Sediment was transported along the coast, the offshore transportation was significant constrained.

Huanghe Estuary; water-sediment regulation; 3D numerical simulation; dispersal patterns of fresh water and suspended sediment; sedimentary dynamic processes

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB951202)資助

2015-10-27；

2015-12-01

曾 明(1985-)，男，博士生。研究方向：海洋沉積動(dòng)力學(xué)。

** 通訊作者：E-mail：sunxg@camscma.cn

P641.2; X523

A

1672-5174(2017)04-081-12

10.16441/j.cnki.hdxb.20150367

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Supported by the National Basic Research Program(2010CB951202)