长江口横沙浅滩挖入式港池对流场的影响分析Ⅰ：数值模型和验证

葛建忠， 郭文云， 丁平兴

（华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

0 引 言

长江河口是中等强度的潮汐河口，三级分汊、四口入海；口外为正规半日潮，口内为非正规半日浅海潮.在径流和潮流两股强劲动力作用下，河口段河床冲淤多变，四条入海汊道皆存在拦门沙，均位于口门附近.由于拦门沙的存在，河口航道的自然水深往往比内河和海洋较浅，河口拦门沙区域浅滩滩顶水深常年保持在6.0m左右；这样的水深再加上滩长、坡缓、变化复杂等特点，阻碍通海航运的发展，不满足大型集装箱船舶的吃水要求［1］.在长江充足的泥沙供给的背景下，长江口及邻近海域泥沙输运过程显著，从而形成该区域水深较浅的整体态势；深水岸线不足，难以承接吃水较深的新型集装箱和石油矿石货船.为满足长江流域中长期航运发展需求，提出了横沙浅滩挖入式港池方案.该方案在横沙浅滩－5 m等深线内建设挖入式港池，有效避免长江口拦门沙的影响，能够保证港池内具有良好的水深条件以接纳新型大吨位船舶［2］.

挖入式港池方案规划沿横沙浅滩－5 m等深线位置建设圈围堤，并在南侧与长江口深水航道北导堤连接.此规划方案必然对长江口门附近区域的北港、北槽、南槽的水动力场产生一定的影响.因此，需要对规划方案实施后对周边流场的可能影响进行分析和评估——一般可采用物理模型和数值模型两种方法——本文拟从数值模型角度进行分析.

在长江口区域的有关研究中，数值模型的应用较为广泛.顾伟浩等模拟了北槽深水航道对盐水入侵可能产生的影响［3］.匡翠萍等成功应用三维数值模式模拟了长江口拦门沙地区水流、盐度［4］.朱建荣、吴辉等基于改进的ECOM模式，进行了理想河口盐水入侵动力过程的模拟分析［5－7］.在此基础上，吴辉、朱建荣等建立了一个高分辨力的三维水动力、盐度数值模式，对长江口水动力模型进行了系统性的水动力及盐度的变化模拟.胡克林等采用Delft3D－Flow也对长江口北槽及邻近九段沙区域的水动力和地貌特征进行了模拟分析［8］.以上的数值模型主要采用四边形曲线网格，而曲线正交网格数值模型难以良好地拟合圈围堤、港池内码头岸线及北槽导堤丁坝等不规则几何结构，同时也难以反映导堤丁坝结构反映对水流的垂向阻隔作用［9］.

横沙浅滩北接北港航道，南靠北槽深水航道，且与深水航道北导堤结合，规划港池内码头岸线呈不规划走向.而无结构三角形网格可以很好地拟合这些复杂的平面结构及水下地形变化［10］，保证在所关注的规划工程区域提供较高的空间分辨率，并能兼顾北槽深水航道导堤丁坝的半淹没结构［9］.

FVCOM（Finite Volume Coastal and Ocean Model）模型是美国麻州大学建立的一个三角形网格、有限体积、三维原始方程组的海洋模式，其最大特色是结合了有限元法易拟合边界、局部加密与有限差分便于离散计算海洋原始方程组的优点［10－12］.考虑到长江口深水航道工程的实际情况，导堤、丁坝高于平均海平面约0.2 m，高潮时被水淹没，低潮时露出水面.大部分海洋模型使用缓坡度地形近似处理导堤、丁坝垂向结构.葛建忠等通过对FVCOM模式中导堤和丁坝的算法进行改进，应用于航道工程结构引起的水动力及温盐变化研究，该模式已成功应用于长江口深水航道低盐水分布和河口环流模拟［9，13，14］.

基于上述原因，本文拟采用无结构三角形网格海洋数值模型FVCOM进行模拟和分析，建立长江口FVCOM水动力模型，并针对长江口的水文动力环境进行检验，使之适用于长江口及横沙浅滩区域，从而为分析横沙浅滩挖入式港池方案的可能影响提供合理可靠的模型工具.

1 FVCOM模型的特点与优势

FVCOM是无结构三角形网格架构、有限体积、自由表面、三维原始方程海洋数值模型［10］，其原始方程包含动量方程、质量连续方程以及温度、盐度和密度方程，在物理和数学上用Mellor－Yamada 2.5阶垂向湍流闭合模型及Smagorinsky水平湍流闭合模型对方程组进行闭合.在垂向上使用σ坐标系或通用垂向s坐标系对不规则底部地形进行拟合，在水平上利用无结构三角形网格对水平计算区域进行空间离散.在数值计算上，利用对水平三角形控制体进行通量有限体积积分的方式对控制方程进行离散求解；该方式结合了有限元方法的自由几何拟合特性和有限差分方法的离散结构简单、计算高效的特性.利用有限体积积分格式，能更好地保证复杂几何结构的河口海湾及海洋计算中的质量、动量、盐度、温度及热量的守恒性.最后，FVCOM模型所采用的无结构三角形网格对复杂岛屿、岸线及地形具有非常良好的几何拟合能力.

控制方程组由动量方程、连续方程、温度方程、盐度方程和密度方程组成：

其中，x、y和z分别代表直角坐标系中东向、北向和垂向坐标，u、v和w 分别是x、y和z三个方向上的流速分量.T是温度，S是盐度，ρ是密度，P是压力，f是科氏力参数，g是重力加速度，Km是垂向涡动黏性系数，Kh是热力垂向涡动摩擦系数，Fu，Fv，Fθ和Fs代表水平动量、温度和盐度扩散项.总的水深D＝H ＋z，H是平均水深，z是水位变化.

2 区域模式计算网格与设置

长江口模型三角形网格如图所示，覆盖长江口、杭州湾、舟山群岛、东海内陆架及邻近海域.总三角单元数为94088，节点数为49078，该网格在长江口北槽及横沙浅滩区域具有较高的空间分辨率，最高达到200 m左右，网格分辨率最粗位置处于外海开边界，约14.7 km，能够较好地刻画长江口区域的岸线水深特征，且从局部网格放大图看出该网格能很好地刻画北槽深水航道导堤丁坝的平面几何结构（见图1）.

本文在长江口内及口门海域主要采用1998—2008年期间的实测地形观测资料，长江口外水深变化较小，采用海图数字化资料.开边界水位主要采用8个天文分潮M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1合成给出：

其中，ξ为潮位，ξ0为余水位，f为节点因子，Hi为振幅，ωi为角频率，gi为迟角，Vi＋ui为订正角.

图1 长江口FVCOM三角形网格（上）和北槽横沙浅滩局部网格（下）Fig.1 The unstructured grid for the Changjiang Estuary（upper panel）and its enlarged view around the Hengsha Shoal（lower panel）

由于实测资料的缺乏，为给出合理的开边界条件，首先建立了一个东中国海大区域的模型来计算各个天文分潮［14］.本文使用的调和常数从大区域在开边界出的调和常数插值得来.上游径流给大通站历年实测流量（长江水文网，http：／／www.cjh.com.cn／）.流速和水位对外力响应较快，初始场一般取为零；温度、盐度为慢过程，初始场取自《渤海、黄海、东海海洋图集》［15］数字化资料.

数值计算采用三维模式进行，垂向分层总数为20层，分层方法为随地形变化的sigma分层.底部糙率在整个计算域上进行分区表示，从深水向浅水糙率逐渐增大.采用Mellor－Yamada 2.5阶湍流闭合模型，其中，水平混合系数取0.1，垂向混合系数取10－4.

3 模型的率定与检验

本文使用的长江口FVCOM模型已经过多年实测数据的率定和检验［9，13，14，16］，主要验证站位如图2所示.针对本文研究目的，本文采用三次观测资料进行补充验证，分别进行长江口外、口内主要汊道和北槽区域的模型验证.

3.1 长江口外水文环境验证

数据资料源自由国家环保总局启动的《长江口碧海行动计划》现场调查，观测时间在2005年7月，图2为此次观测长江口口门附近地区测站位置，观测内容为流速、流向和盐度.本次测量覆盖面较广，基本包括了长江口外代表性位置.

图2 2005年长江河口水文测站位置Fig.2 The observation sites around the Changjiang Estuary in 2005

模式的径流边界采用大通站实测流量.图3和图4分别是流速、流向和盐度验证图.从图中可看出，计算值和实测值总体吻合良好，除SH2站外各站平均流速偏差小于10%，流向在涨落急时平均偏差小于10°，满足“海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程JTS／T231－2－2010”对潮流模式的误差要求，同时各站盐度的平均误差在2%～4%，表明水流盐度模型可较好的应用与长江口外海区流场及盐度场计算.

3.2 长江口内主要汊道水文环境验证

选取崇西、南门和堡镇作为长江口内的潮位验证站点，其结果如图5所示.水文模拟平均误差在5.9%～6.1%之间，可见数值模型对潮位及余水位的变化过程反映良好.

长江河口地区盐淡水交汇剧烈，南支、南槽、北槽和北港等主要汊道的流场、盐度分布规律复杂.从2003年起，逐年在自徐六泾以下至长江口近口外海域进行洪季、枯季水文、盐度等综合测量（见图6）.

针对2008年洪季模拟上游开边界条件由大通站实测的径流量资料给出，最小流量在月初为25 000 m3／s，16日以后流量增大较快，在23日达最大42 266 m3／s.

图7给出靠近拦门沙河段及近口外6个测站流速、盐度计算结果，从中能看出，模式可很好地反应河口拦门沙河段流速、盐度锋面变化过程：与实测资料符合良好.

3.3 北槽水文环境验证

长江口深水航道工程建设对北槽流场分布影响显著.利用2003—2007年洪枯季期间，北槽W3站点流速、盐度资料，对建立的模式进行检验.图8给出北槽W3站点位置.

图3 2005年7月表层（上）、中层（中）、下层（下）流速、流向计算值（实线）和实测值（点）比Fig.3 Model－data comparison of velocity and direction at site JS1，JS2，SH1，SH2，SH4 and SH5

图4 2005年7月各测站表、0.2、0.4、0.6、0.8和底层盐度计算值（实线）和实测值（点）比较Fig.4 Model－data comparison of six－layer salinity process at sites JS1，SH2，SH2，SH3，SH4 and SH5

2003—2005年北槽二期工程实施过程中，北槽水流盐度处于变化过程，同时长江河口地形变化剧烈.模型水深采用2003—2007年工程阶段长江河口实测地形，导堤和丁坝结构采用FVCOM模型中改进算法模块［17］.

根据FVCOM模拟结果，利用模型流速数据计算北槽下断面大潮期间落潮分流比［18］，与实测分流比对比.如表1所示，模型计算的分流比与实测值基本一致，说明该模型能较好底把握北槽及邻近区域主要汊道的水量分配.

图5 长江口内堡镇、南门及崇西站2010年4月潮位及余水位验证Fig.5 Model－data comparison of hourly water levels at Baozhan，Nanmen，Chongxi stations

从图9可看出，W3测站落潮流速大于涨潮流速，表层最大流速达2.5 m／s，底层最大流速可达1.5 m／s左右.涨潮时，表层流向略有分散；落潮时流向比较规律，约在120°左右.计算结果较好的模拟了历年流速、流向的一个潮周期过程变化特征.

图10给出了历年洪枯季，大小潮期间W3测站盐度过程变化，计算结果较好地模拟了盐度变化过程：2003—2007年四次模拟观测对比的流速平均误差分别是6.4%，8.2%，8.9%和7.7%，流向在主流时段误差基本在10°以内，满足“海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程JTS／T231－2－2010”对潮流模式的误差要求；盐度模拟误差为5.7%，也具有良好的精度.

图7－1 0804、0805、0806和0807测站流速、流向和盐度计算值（实线）和实测值（点）比较Fig.7－1 Model－data comparison of velocities，directions and salinities at sites 0804，0805，0806 and 0807

图7－2 0812和0813测站流速、流向和盐度计算值（实线）和实测值（点）比较Fig.7－2 Model－data comparison of velocities，directions and salinities at sites 0812 and 0813

图8 北槽W3测站位置Fig.8 Location of W3 site in the North Passage

表1 下断面落潮分流比验证结果Tab.1 Comparisons of ebb flow diversion ratio between modeled results and observed data

图9 W3站点表层（上）、中层（中）、底层（下）流速、流向计算值（实线）和实测值（点）比较Fig.9 Model－data comparisons of velocity and direction of surface，middle and bottom layers at W3 point

图10 W3站点表层（上）、中层、底层（下）盐度计算值（实线）和实测值（点）比较Fig.10 Model－data comparison of three－layer salinity at W3 point

4 结 语

本文建立了无结构三角形网格高分辨率长江口及邻近区域的FVCOM模型，综合考虑多种物理过程，包括径流、天文潮汐、潮流、温度、盐度，并利用长江口主要汊道、口门及口外的水文观测资料对数值模型进行水文环境检验.其无规则三角形网格很好地拟合了长江口门区域的岛屿岸线及复杂地形；采用三维模式，模型能合理地模拟从口内到口外的水动力变化情况，并且在横沙浅滩区域及邻近的北槽和北港水道具有良好的精度；其主要站位的流速和流向模拟满足“海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程（JTS／T231－2－2010）”对潮流模式的误差要求；可以作为下一步横沙浅滩挖入式港池规划方案对周边流场影响分析的数值模型工具，以计算不同的工程方案布置对北港，特别是北槽深水航道的直接和间接影响，以及工程后港池内及外航道的水动力变化情况.

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