喬 飛，鄭丙輝，雷 坤，周 剛，柳 青

中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

長江下游及河口區(qū)水動力特征

喬 飛，鄭丙輝，雷 坤*，周 剛，柳 青

中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

基于EFDC模型，構(gòu)建長江下游及河口區(qū)二維水動力模型，對河流和河口區(qū)進(jìn)行整體模擬，研究長江下游及河口區(qū)水動力特征．模型在空間上采用變尺度、擬合邊界的矩形網(wǎng)格，在時間上采用動態(tài)時間步長，在模擬過程中自動識別干濕網(wǎng)格，更好地保證模擬精度與效率．利用1998年冬季以及2005年夏季和秋季實(shí)測資料，對粗糙高度等敏感參數(shù)進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證．結(jié)果表明，模擬的潮位和流速與實(shí)測成果擬合較好，較好地反映了各水期長江下游及河口區(qū)的水動力要素的空間分布特征．應(yīng)用模型模擬2004—2007年不同水期的水動力過程，并對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析．研究顯示:從空間來看，河道、河口流態(tài)存在顯著差異，漲、落潮流場空間分布差異大;受徑流和潮差的相互作用，潮流界在河口以上150～450 km之間變動，徑流量和潮流界位置具有對數(shù)相關(guān)關(guān)系．從時間來看，徑流量豐平枯變化大，對潮流量和徑流入海時間都有一定的影響，潮流量、徑流入海時間與徑流量之間也存在明顯的定量關(guān)系．

長江;河口;水動力模擬;潮流;EFDC

長江下游感潮河段及河口區(qū)同時受到河流動力作用(上游徑流的下泄)和海洋動力作用(潮流運(yùn)動)兩方面的影響，水位、流量、泥沙等水文要素和流速、流向等水力要素變化規(guī)律非常復(fù)雜，對航運(yùn)、工程及環(huán)境有很大的影響［1］．眾多學(xué)者通過大量的現(xiàn)場觀測工作，對長江沖淡水、余流、羽狀鋒形成機(jī)制等方面進(jìn)行了深入研究，分析長江下游及河口區(qū)的水文水力特征．樂肯堂［2］提出了長江沖淡水路徑研究的模式，并分析了風(fēng)場對路徑的作用．廖啟煜等［3］從不同季節(jié)徑流水位和海區(qū)鹽度的變化分析長江沖淡水的擴(kuò)展機(jī)制，分析了長江沖淡水及其混合問題，研究了長江沖淡水轉(zhuǎn)向特征，探討沖淡水影響規(guī)律和原因．浦泳修等［4］通過觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析了長江沖淡水?dāng)U展方向的周、旬時段變化．陳沈良等［5］在實(shí)際觀測的基礎(chǔ)上分析了長江徑流與潮流形成的羽狀鋒的屏障效應(yīng)，揭示其對長江口水下三角洲塑造的影響．朱建榮等［6］通過2000年8月的沖淡水和羽狀鋒的觀測，分析了局部水動力的特征和影響因子．這些觀測、實(shí)驗(yàn)資料及分析成果成為進(jìn)一步研究長江口水動力機(jī)制必要條件，也可為長江污染物輸送研究［7］提供參考．

與此同時，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型開展長江口水動力機(jī)制研究的工作也全面展開．李浩麟等［8］運(yùn)用有限差分和有限元相結(jié)合的方法，離散了潮汐非恒定流的三維運(yùn)動方程和連續(xù)方程，模擬長江河口潮汐河道中的三維流速分布和潮位隨時間的變化過程．趙士清［9］利用二維平面數(shù)值模型，研究了長江口水動力過程，揭示水流平面規(guī)律，并提出了一個垂向分為三層的長江口潮流三維數(shù)學(xué)模型，在減少計(jì)算量的同時可以分析水流的垂向分布．劉子龍等［10］在水平方向平面采用了正交曲線貼體坐標(biāo)系統(tǒng)，垂向采用無量綱化變換，對長江口潮流進(jìn)行了三維數(shù)學(xué)模擬．CHANG等［11］用數(shù)學(xué)模型研究了長江沖淡水的分布規(guī)律．龔政等［12］對長江口水域進(jìn)行三維水動力數(shù)值模擬研究，討論斜壓對流場的影響．張素香［13］利用EFDC模型對長江口和杭州灣海區(qū)進(jìn)行了三維水動力模擬，揭示徑流潮流作用動力機(jī)制．盧麗鋒［14］采用COHERENS模型中的三維水動力模塊研究了長江河口羽狀流擴(kuò)散與混合過程的時空變化及其控制因素．綜上可以看出，初期的數(shù)值模擬研究多集中在模型開發(fā)和改進(jìn)，而近期數(shù)值模擬研究的重點(diǎn)逐漸向模型的應(yīng)用和拓展方面轉(zhuǎn)變．

當(dāng)前圍繞長江河口展開的研究工作較多，而對長江下游感潮河段與河口進(jìn)行的整體研究相對較少．為進(jìn)一步系統(tǒng)地了解長江下游及河口區(qū)復(fù)雜的水動力特征，筆者構(gòu)建了包含長江下游感潮河段、長江口及其毗鄰區(qū)域?yàn)橐惑w的二維水動力模型，旨在揭示徑流、潮流作用下長江下游及河口區(qū)水動力過程的變化特征和內(nèi)在影響規(guī)律，以期為進(jìn)一步研究長江口徑流潮流相互作用、污染物輸送等提供支持．

1 長江下游及河口區(qū)概況

長江每年約有9．24×1011m3的淡水傾瀉入海，約占渤海、黃海、東海主要入海徑流量的80%以上，占東海徑流量的92%左右．長江下游約有長達(dá)624 km的感潮河口段，是我國最長的感潮河段，感潮河段潮位和潮流量關(guān)系復(fù)雜，徑流和潮流的相互作用的不斷變化，潮流界位置［15］和余流均呈明顯的季節(jié)性變化［16］，漲落潮流速和歷時也呈現(xiàn)出明顯的不對稱性［17］．

長江口是豐水、多沙、中潮、有規(guī)律分汊的三角洲河口，水動力要素復(fù)雜，主要有徑流、潮流、波浪、鹽水楔異重流等，徑流、潮流是長江口的主要動力因素．長江口潮流在橫沙島以上有固定邊界的河段內(nèi)為往復(fù)流，并且落潮流速一般大于漲潮流速，在口外近海區(qū)域逐漸過渡為順時針方向的旋轉(zhuǎn)流．北槽以上段以往復(fù)流為主，而下段旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)增強(qiáng)．長江徑流和潮流相互作用，形成了復(fù)雜的動力過程．

水動力模擬研究的上游邊界為大通水文站，東邊界至122．5°E，南到杭州灣南側(cè)，向北到呂四港以北，包含了長江下游整個河道及長江口、杭州灣臨近海域，研究區(qū)的選擇將有助于揭示長江徑流和潮流相互作用下，河道、河口及海區(qū)的水動力特征，詳細(xì)區(qū)域見圖1．

2 研究方法

2．1 模型選用

水動力模擬區(qū)域包含長江下游感潮河段及整個河口區(qū)，河道與河口在橫向尺度上存在很大的差異，并且區(qū)域水動力過程復(fù)雜，對模型適用性的要求較高．EFDC模型由US EPA(美國國家環(huán)境保護(hù)局)推薦，能夠模擬一維、二維、三維水流計(jì)算，在河流［18-20］、湖泊［21-22］、水庫［23-24］、河口［25-30］等多類水體都得到成功應(yīng)用，在水質(zhì)［31］、富營養(yǎng)化［32］、突發(fā)事件應(yīng)急［33］、溫排水［34］、泥沙輸移［35］、濕地［36］、TMDL(日最大負(fù)荷分配)［37］等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并體現(xiàn)了很好的適用性，并且在長江口區(qū)域也有成功的應(yīng)用［13，15，29-30］，可用于水動力模擬研究．

2．2 模型控制方程

EFDC模型的控制方程組基于縱向尺度遠(yuǎn)大于垂向尺度的薄層流場，采用垂向靜壓假定，模擬不可壓縮的變密度流場．在水平方向上，將x-y直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為曲線正交坐標(biāo)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對不規(guī)則邊界的精確擬合．在垂直方向上進(jìn)行σ變換，將實(shí)際水深轉(zhuǎn)換為0～1，因而模型的垂向精度保持一致，可以更好地?cái)M合底層邊界．

基本控制方程:

式中:z為單位化后的相對水深，無量綱;z*為垂向分層后某一層的實(shí)際水位，m;ζ為水體自由表面水位，m;h為水下地形高程，m，用基準(zhǔn)面以下深度表示，低于基準(zhǔn)面為正值，高于基準(zhǔn)面為負(fù)值．

水平動量方程:

在(0，1)的區(qū)間內(nèi)對連續(xù)方程進(jìn)行垂向積分，根據(jù)垂向邊界條件，當(dāng)z=0、w=0和當(dāng)z=1、w=0時，可得垂向積分的連續(xù)方程:

式中:u和v為正交曲線坐標(biāo)系中的x和y方向的水平流速分量，m s;g為重力加速度，m s2;mx和my分別為x和y方向的尺度轉(zhuǎn)換因子，m;m=mxmy，m2; f為科氏力，s－1;w為σ坐標(biāo)系下的垂向的流速分量，m s，它與 z坐標(biāo)系下垂向流速 w*的關(guān)系為 w= w*－z(tζ+u myyζ)+(1－z)(u myxh+v myyh);總水深H=h+ζ，是相對于未擾動水深z*=0的水深和自由表面高程(水位)的和，m;ρ為相對于參考靜壓密度的壓力項(xiàng)，m2s2;Av為垂向湍粘性系數(shù)，m2s;Qu和Qv為動量的源匯項(xiàng)，m4s2;b為浮力項(xiàng)，無量綱，b=(ρ－ρ0) ρ0;ρ為密度，g m3，是溫度(T)、鹽度(S)和壓力(ρ)的函數(shù);ρ0為參考密度，g m3;在溫度和鹽度的輸運(yùn)方程中，QS和QT為鹽度和溫度的源匯項(xiàng);Ab為垂向湍流擴(kuò)散系數(shù)，m2s．

3 模型構(gòu)建和驗(yàn)證

3．1 網(wǎng)格設(shè)置

水動力模型包含范圍較廣，河道、河口和海區(qū)各區(qū)域水體空間尺度變化較大，為了盡可能在滿足不同區(qū)域計(jì)算精度的同時保持較高的計(jì)算效率，水動力模型采用變尺度網(wǎng)格系統(tǒng)．大通—徐六涇之間采用500 m×500 m正方形網(wǎng)格，徐六涇以下的長江口區(qū)域采用1 500 m×500 m的矩形網(wǎng)格，杭州灣、舟山海區(qū)采用1 500 m×1 500 m正方形網(wǎng)格．網(wǎng)格總數(shù)目為718×466個，有效網(wǎng)格數(shù)目為43 008個(見圖2)．由于長江河道和河口橫向尺度遠(yuǎn)小于海區(qū)，并且河道高程變化劇烈，模型采用動邊界處理技術(shù)，動態(tài)設(shè)置干濕網(wǎng)格．為更好地?cái)M合河道邊界，在邊界處采用半網(wǎng)格(直角三角網(wǎng)格)，詳見圖3．

3．2 條件設(shè)置

3．2．1 初始條件

長江口屬于強(qiáng)對流河口，水動力模型達(dá)到穩(wěn)定所用時間較短．因此，模型采用冷啟動模式，初始潮位取憩流時刻的平均潮位，初始流速取零，河流水深取年均水深．

3．2．2 邊界條件

模型上游設(shè)置為流量型邊界，采用大通站實(shí)測日平均流量系列;模型下游設(shè)置為壓力型邊界，3個開邊界采用逐時潮位序列，由潮汐預(yù)報(bào)模型和潮汐表插值計(jì)算得到．

3．3 參數(shù)設(shè)置

3．3．1 時間步長設(shè)置

為提高模型計(jì)算效率，時間步長采用動步長，基準(zhǔn)步長設(shè)置為1 s，實(shí)際步長由模型根據(jù)實(shí)時克朗數(shù)(CFL)情況自動調(diào)整，經(jīng)統(tǒng)計(jì)平均時間步長為30 s左右，平水期和枯水期稍大，豐水期稍?。?/p>

3．3．2 其他參數(shù)設(shè)置

水平渦黏系數(shù)采用Ax=Ay=100 m2s，擴(kuò)散系數(shù)采用1×10－5m2s，粗糙高度是EFDC模型中表征河流底板對水體阻力的變量，相當(dāng)于曼寧公式中的糙率的作用，參考相關(guān)文獻(xiàn)［11-13］，按區(qū)域劃分，徐六涇以上采用 0．015 m，徐六涇至長江口門之間采用0．001 m，杭州灣及其他海區(qū)采用0．01 m．

3．4 模型驗(yàn)證

為保證模型的可靠性和適用性，水動力模型驗(yàn)證采用3組不同水期的潮流和徑流資料:①枯水期，1998年1—2月;②豐水期，2005年6—7月;③平水期，2005年10—11月．

枯水期潮位驗(yàn)證站位多分布在河口區(qū)，上游河道區(qū)主要通過大通、江陰、徐六涇水位進(jìn)行驗(yàn)證，流速驗(yàn)證點(diǎn)主要分布在河口區(qū)．

豐水期和平水期，潮位和流速驗(yàn)證點(diǎn)位一致，主要分布在河口區(qū)和近海區(qū)域，上游河道主要通過大通水位進(jìn)行驗(yàn)證，流速驗(yàn)證點(diǎn)位全部分布在河口區(qū)，詳見圖4．

3．4．1 水量守恒驗(yàn)證

在模擬計(jì)算過程中，模型上游輸入長江大通站日流量，徑流與潮流相互作用，通過河口進(jìn)入東海．從水量平衡來講，上游輸入的水量與下游控制斷面的凈下泄水量應(yīng)該保持一致．統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算徐六涇斷面的凈下泄流量，與大通輸入流量進(jìn)行對比，以驗(yàn)證模型水量平衡．由圖5可見，枯水期大通站輸入水量和徐六涇斷面下泄水量偏差最小，僅為1．8%;平水期最大，為2．8%，豐水期為2．2%．由圖6可見，3個水期徐六涇下泄流量與大通流量過程一致，平水期和枯水期一致性更好．整體來看，3個驗(yàn)證期兩個斷面水量差別不大，反映了不同徑流輸入條件下長江徑流輸入與下泄水量的平衡，很好地體現(xiàn)出了模型守恒性．

3．4．2 潮位 水位驗(yàn)證

對模擬潮位與實(shí)測潮位進(jìn)行對比，從對比結(jié)果(見圖7)來看，長江口門以外區(qū)域的點(diǎn)位受潮流影響更大，較好地反映出近海潮位變化過程，從潮位對比過程來看，大潮期間在潮位、潮型、相位方面均擬合很好．南槽驗(yàn)證點(diǎn)的潮位過程無論是相位還是潮位均擬合較好．北支和北槽驗(yàn)證點(diǎn)大潮期間整體擬合較好，小潮的落潮的低水位稍高，這可能與局部地形概化精度有關(guān)．位于長江潮流區(qū)內(nèi)的徐六涇、江陰兩站，大潮驗(yàn)證很好，小潮落潮低潮位偏高．大通站位于最上游，水位擬合很好，基本不受潮流影響，與實(shí)際情況一致．

3．4．3 流速驗(yàn)證

從流向?qū)Ρ冉Y(jié)果(見圖8)來看，長江口門以上站位明顯為往復(fù)流，長江口外站位明顯為順時針旋轉(zhuǎn)流，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果完全一致．從流速對比結(jié)果(見圖8)來看，大部分驗(yàn)證點(diǎn)流速絕對值變化過程和趨勢一致，偏差較小;部分站位極值流速偏差相對較大，這可能是局部地形概化精度所致．整體來看，長江口流速模擬較好，能夠反映長江口的基本情況．

4 長江下游及河口區(qū)水動力特征討論

模擬2004—2007年枯水期(1—2月)、豐水期(6—7月)、平水期(10—11月)的水動力過程，并對長江下游及河口區(qū)水動力空間特征、時間特征，及徑流、潮流相互作用等情況進(jìn)行分析討論．

4．1 空間特征

河口區(qū)大潮流速明顯大于小潮流速，落潮流歷時大于漲潮流歷時，在小潮期間體現(xiàn)最為明顯，越往上游這一特點(diǎn)越明顯．長江口在南北槽口以上水流為往復(fù)流，在南北槽口以外，水流均為明顯的順時針旋轉(zhuǎn)流．漲潮時，南、北港流速最大，水流通過南北港進(jìn)入南支;落潮時，北槽和北港流速最大，水流通過北槽和北港進(jìn)入近海，詳見圖9．

受徑流和潮差的影響，長江潮流界變動范圍很大．在枯水大潮時，潮水能夠上溯到河口以上450 km左右;而在豐水小潮時，潮水僅能夠上溯到河口以上150 km左右．河口上游150～450 km是潮流和徑流影響最大的區(qū)域，450 km以上區(qū)域徑流作用比較明顯，而150 km以下區(qū)域潮流作用更明顯．對2004—2007年模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在徐六涇潮差確定的情況下，徑流與潮流界呈對數(shù)相關(guān)關(guān)系，相同流量下，潮差導(dǎo)致潮流界的變幅能夠達(dá)到200 km左右，這一結(jié)論與沈煥庭等［1］的實(shí)測結(jié)果基本一致，詳見圖10．

4．2 時間特征

徐六涇凈下泄流量與大通站平均流量基本一致，流量偏差與上游流量無明顯關(guān)系，從2004—2007年各水期模擬結(jié)果來看，平水期平均流量為21 104 m3s，水量偏差最大，為3．2%;豐水期平均流量為39 574 m3s，水量偏差最小，為1．0%;枯水期平均流量為11 974 m3s，水量偏差為1．7%．這一結(jié)果與徑流、潮流作用機(jī)制相符合．

長江徑流與潮流相互作用，各水期上游流量不同，流量越大，徐六涇斷面總下泄水量也越大;潮流量越小，枯水期潮流影響最大，平水期次之，豐水期潮流影響最小．對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，徑流量與潮流量、徑潮比之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系(見圖11)．豐水期徑潮比達(dá)到2．5，平水期大約為1．0，而枯水期僅為0．5左右．這一結(jié)果與豐水期徑流主導(dǎo)，枯水期潮流主導(dǎo)的結(jié)論一致．

長江徑流量大小與徑流入海所需時間也有著一定的關(guān)系，徑流量越大，入海所需時間越短，枯水期徑流入海所需時間長，而豐水期徑流入海所需時間較短．在大通斷面放入指示劑，通過分析徐六涇斷面指示劑濃度來分析徑流從大通斷面流至徐六涇斷面的時間，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，大通流至徐六涇的入海時間與徑流量之間存在一定的相關(guān)關(guān)系(見圖12)．枯水期大通站流至徐六涇的平均時間為23．8～36．1 d，豐水期為9．4～13．1 d，平水期為11．3～16．8 d．

5 結(jié)論

a)基于EFDC模型，構(gòu)建長江下游及河口區(qū)二維水動力模型．為了保證更好地適應(yīng)地形條件，模型采用變尺度矩形網(wǎng)格系統(tǒng)，大通—徐六涇之間采用500 m×500 m正方形網(wǎng)格，徐六涇以下的長江口區(qū)域采用1 500 m×500 m的矩形網(wǎng)格，海區(qū)采用1 500 m×1 500 m正方形網(wǎng)格，彎道邊界處采用三角形網(wǎng)格，有效網(wǎng)格數(shù)目為43 008個．時間步長采用動步長模式，平均步長達(dá)到30 s左右，以提升模型穩(wěn)定度和計(jì)算效率．

b)利用1998年冬季、2005年夏季和秋季資料實(shí)測資料，對模型進(jìn)行參數(shù)率定和模型驗(yàn)證．模擬的潮位和流速與實(shí)測成果擬合效果較好，潮位保證區(qū)間水量平衡，流速保證區(qū)間水流運(yùn)移路徑準(zhǔn)確．從各水期的驗(yàn)證結(jié)果來看，水動力模型很好地再現(xiàn)了長江下游河口水動力過程和特征．粗糙高度是影響水動力模擬效果的重要參數(shù)，按區(qū)域分別給出，徐六涇以上采用0．015 m，徐六涇至長江口門之間采用0．001 m，杭州灣及其它海區(qū)采用0．01 m，河道、河口、海區(qū)存在一定的差異．

c)應(yīng)用模型模擬2004—2007年各水期的水動力過程，并對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析．從空間特征來看，水流在河道內(nèi)為往復(fù)流，在河口區(qū)為順時針旋轉(zhuǎn)流．長江潮流界隨著徑流與潮差的變化在河口上游150～450 km之間移動，在確定潮差下，徑流與潮流界之間具有明顯的對數(shù)相關(guān)關(guān)系．從時間特征來看，不同水期徑流量存在一定的差異，而徑流量與潮流量和徑流入海時間之間也有較明顯的定量關(guān)系．

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Hydrodynamics in the Lower Reaches of the Yangtze River and Its Estuary

QIAO Fei，ZHENG Binghui，LEI Kun*，ZHOU Gang，LIU Qing
Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

Based on the EFDC model，a two-dimensional hydrodynamic model for the lower reaches of the Yangtze River and the estuary area was constructed．In this model，mutative scale and fitting border rectangular grids were used for space fitting．Dynamic time step and automatic identification of wet and dry grids during the simulation were applied to ensure the simulation accuracy and efficiency．The modeled results matched well with the monitored data including water level and flow direction in 1998 and 2005，and the model was verified to reflect the hydrodynamic characteristics of the research area．The model was used to simulate the hydrodynamics in different water periods from 2004-2007，and results showed that flow state in the reaches and estuary were significantly different，and the water path and tidal flows had large differences in space during periods of the flood and ebb tides．Due to the interactions between runoff and tide range，the tide boundary changed from 150 to 450 km from estuary to upstream of the river，and had a logarithmic relationship between tide boundary distance and runoff amount．The runoff varied largely among different floodings，dry and normal season，and played a significant role in total flow into sea and transport time，and the different quantitative relationships were created．

Yangtze River;estuary;hydrodynamic simulation;tide;EFDC

X143

1001-6929(2017)03-0389-09

A

10．13198 j．issn．1001-6929．2017．01．28

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2016-06-15

2016-10-09

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2013ZX07501-005，2012ZX07503-002)

喬飛(1977-)，男，陜西合陽人，高級工程師，博士，主要從事流域水資源、水環(huán)境模擬研究，qiaofei@craes．org．cn．

*責(zé)任作者，雷坤(1973-)，女，內(nèi)蒙古化德人，研究員，博士，主要從事流域水環(huán)境管理研究，leikun@craes．org．cn