最近50 a来莱州湾西—南部潮流动力演变的数值模拟研究

李蒙蒙，王庆*，张安定，王红艳，刘亚龙，王琳

（1.鲁东大学海岸研究所，山东烟台 264025；2.中国海洋大学，山东青岛 266100）

最近50 a来莱州湾西—南部潮流动力演变的数值模拟研究

李蒙蒙1，王庆1*，张安定1，王红艳1，刘亚龙2，王琳1

（1.鲁东大学海岸研究所，山东烟台 264025；2.中国海洋大学，山东青岛 266100）

根据1959、1984、2002年测量的海图，基于二维浅水方程分别构建了3个年份的莱州湾潮流场模型，研究了最近50 a来莱州湾西—南部潮流动力演变规律，揭示黄河河口沙嘴形成演变对莱州湾西—南部潮流动力的影响。结果表明，最近50 a中在沙嘴外围一直存在弧形高流速带，在弧形高流速带外围又有潮流剪切锋，潮流剪切锋包括内涨外退式和内退外涨式两类。随着河口沙嘴的不断向海延伸，莱州湾西—南海域的等潮位线呈以沙嘴为中心的辐射式格局；弧形高流速带整体向外海移动，其范围和流速也随之不断增大；剪切锋历时变长、间隔时间变短、南北跨度变大；但弧形高流速带和潮流剪切锋始终位于青坨子以北海域。对照同期海岸地貌演变，在弧形高流速带、潮流剪切锋等共同作用下，大部分黄河入海泥沙的输运路径和沉降范围仅限于青坨子以北，导致海岸地貌以此为界呈现显著的差异性演化。

潮流场；高流速带；潮流剪切锋；黄河口沙嘴；莱州湾西—南部；青坨子

1 引言

莱州湾西—南部包括虎头崖以西的莱州湾西岸和南岸海域，其中西岸相当于现代黄河三角洲（见图1）。莱州湾湾口西起现代黄河三角洲北端、东迄屺坶岛，为我国沿海接纳河流和河流输沙最多的海湾，黄河及小清河、淄脉河、弥河、虞河、潍河、胶莱河等主要河流均在莱州湾西—南部入海。其中，黄河多年平均输沙量为10.01亿t（1949—1987年），占沿岸河流入海泥沙总量的99.75%［1］。

全球变化背景下大河河口-三角洲与其注入海湾之间的相互作用，对海岸带可持续发展有深远影响，是当前国内外研究的热点问题。莱州湾属于典型的弱潮海湾，沿海湾西—南部发育了广袤的淤泥质潮滩。最近50 a来，高强度的海岸资源开发利用使莱州湾西—南部海岸轮廓改变剧烈，西岸黄河入海口位置频繁变迁，再加上黄河入海径流及泥沙量锐减，必然会引起莱州湾西—南部海岸沉积动力条件的深刻变化。

近年来，有许多学者先后应用数值模拟等方法，对黄河口海域潮汐、潮流、剪切锋等进行了研究［2］，其中尤以对潮流剪切锋的存在、形成及其对黄河泥沙输运的阻碍作用最为深入［3—5］。但是，关于最近50 a来莱州湾西部海岸轮廓变化，尤其是黄河口巨型沙嘴形成、演变，对海岸潮流沉积动力过程的影响，还少有专门研究。同时，关于莱州湾海岸动力地貌及陆海相互作用研究，多以黄河口所在的西岸海域为主［6—8］，对湾顶所在的南岸关注较少，而且缺少将南岸与西岸作为整体的系统研究。

本文基于二维浅水方程模拟了1959、1984和2002年三期莱州湾潮流场，将莱州湾西—南部视为同一整体，对莱州湾西—南部海域的潮流场、黄河口沙嘴外围形成的高流速带和潮流剪切锋进行系统、深入研究，并着重分析了莱州湾西—南部潮流动力体系的空间格局及其演变，旨在于揭示其与莱州湾西—南部海岸地貌演变的相互作用机制。

图1 莱州湾地理位置和海岸轮廓（根据1959年测量的海图编绘）

2 研究方法

2.1 水动力模型计算

鉴于研究海域水深较小，本研究重点为泥沙水平方向输运，基于二维浅水方程构建潮流动力模型。所用计算软件为丹麦水力学研究所（DHI）开发的MIKE21的FM模块，该软件在海岸海洋水动力、水环境模拟方面已有许多成功案例［9—11］。模型所用基本方程如下［12］：

动量方程：

质量连续方程：

式中：h为水深；t为时间；x、y、z为笛卡尔坐标系中位移；η为自由水面高度，即水面相对于参考面的高度或水位；u、v为流速在X、Y方向分量；Pa为当地大气压；f=2Ωsin（φ），f为科里奥利（Coriolis）参量，Ω= 0.729×10-4s-1为地球自转角速度，φ为地理纬度；fu、fv为地球自转引起的加速度；ρ为水的密度；ρ0为标准水密度；S为源汇项；us、vs为源汇项流速在x、y方向分量；sxx、sxy、syy、syx为辐射应力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平黏滞应力项；τbx、τby为底摩擦力在x、y方向分量；τsx、τsy为表面摩擦力在x、y方向分量；方程中的上横杠表示深度平均值。

2.2 模型运行与数据设置

基于海图上的地形数据分别创建计算区域1959、1984、2002年的三期非结构网格地形模型，构成网格的子网格作为模型计算的基本单元。由于不同时期、不同区域的岸线、水深差别较大，故不同时期地形模型的陆地边界和网格数目不同，同一时期模型的不同区域采用不同的网格尺度。考虑到模型计算效率并且兼顾计算精度，网格边长最小值控制在100 m。计算区域范围为37°06～38°00′N，118°48′～120° 24′E之间，生成网格文件所用投影和坐标系统分别为UTM和WGS84（见图3，以1959年为例），图中距离单位为m。

图2 1959年莱州湾地形非结构网格

三期模型均使用相同的水位开边界，其始末端点坐标为（38.05°N，118.95°E）、（37.82°N，120.71° E）。由于模拟海域及附近海域在研究时段内没有可用的验潮数据，因此三期模型的开边界水位均根据Mike tidal工具箱提供的全球潮汐模型数据（The global tide model data）推算，此全球潮汐模型数据来源于潮汐模型同化Topex／Poseidon卫星的测高数据（altimetry data）。三期模型模拟时段均为1 a，模拟时间步长设置为120 s。鉴于本研究中数值模拟的主要目的是揭示海湾轮廓改变对其潮流场演变的影响，故未考虑风、浪、温度、盐度和支流入汇等因素。

2.3 模型的验证和参数率定

根据最近数十年来潮流动力系统演变需要，用1959年莱州湾6个验潮站（见图1）实测潮汐统计数据对模型进行验证。根据验证结果，除平均小潮差误差较大（10.5%）外，模拟数据和实测数据之间误差均在5%以下（表1）。根据6个站点的潮位统计数据，通过模型的反复调整，最终率定的莱州湾水动力模型参数：涡扩散系数（Cs）为0.28，曼宁糙率系数（n）为32，干湿动边界相关的干水深（drying depth）为0.005 m，淹没水深（flooding depth）为0.05 m，湿水深（wetting depth）为0.1 m；科氏力设置为随地点变化而变化，即随纬度不同其值也不同。

表1 莱州湾模型模拟值和实测值的比较统计

续表1

3 结果和讨论

3.1 潮流场及其演变

在黄河口沙嘴的挑流作用下，莱州湾西—南部海域存在弧形潮流场，即以黄河泥沙淤积形成的河口沙嘴顶端为转折点，其两侧的涨、落潮流方向均显著不同，并随沙嘴形态和位置变化而变化。如图所示（见图3），在涨、落潮过程中，岬角以北的等水位线均大致呈东北—西南向并与岸线斜交，到岬角以南则逐渐偏转并平行于岸线。随着黄河口沙嘴的不断向海突出和锐化，以沙嘴为中心的放射状等水位线的影响范围不断扩大，其潮流场的弧状形态也越来越显著。从1959—2002年，莱州湾西岸涨潮（落潮）时河口沙嘴（岬角）北侧高（低）水位区与南侧的低（高）水位区距离由远变近，潮流运动中发生转折的程度由也轻变重。至2002年时，西岸黄河河口处形成了约有20 km长的巨型河口沙嘴显著突出于海湾深处，莱州湾潮流场整体成为以河口沙嘴为中心的弧形格局。

3.2 高流速带及其演变

在黄河口沙嘴的挑流作用下，流经沙嘴附近的涨落潮流在转向的同时其流速也增大，因而于沙嘴前缘海域形成了弧形高流速带（见图4）。在一个潮流周期中，当莱州湾西—南部大部分海域还处于落潮时，沙嘴近岸潮流率先转流并开始涨潮，弧形高流速带随即于涨潮海域形成，并随着潮流运动向外海逐渐推移演变。在此过程中，高流速带的范围和中心速度不断增加，随后高流速带内潮流流速开始下降，弧形高流速带逐渐减弱、消失。当莱州湾西—南部大部分海域还处于涨潮时，沙嘴近岸潮流率先转流并开始落潮，新的弧形高流速带出现在落潮区域并向外推移、演变。随着涨、落潮的不断交替，其间弧形高流速带的消长循环往复，几近贯穿了涨、落潮全过程。

随着河口沙嘴的不断向海延伸，弧形高流速带的位置和速率也不断变化，但其南界均未超过青坨子（见图4）。从1959—1984年，随着沙嘴的向海推移，高流速带整体随之向东南海域移动，速率增大趋势显著，最大流速由1959年的0.75 m／s增加到1984年的0.9 m／s。2002年时，黄河口沙嘴已达20 km之巨，高流速带整体随之进一步向东南推移，其范围明显增大，弧形形态也更显著。需要指出，考虑到黄河于1996年在沙嘴北侧清8汊入海，加之此时黄河来水来沙量锐减，河口沙嘴处已处于明显的蚀退状态［8］，推测从1984年到2002年时高流速带可能经历了流速先增后降的变化过程，到2002年时最大流速仅为0.85 m／s。

3.3 潮流剪切锋及其演变

前人研究表明，在黄河口沙嘴附近的莱州湾西岸海域存在潮流剪切锋［3—5］。关于其形成机理，认为是在涨、落潮转换时受地形、底摩擦、径流等影响，外海海域最大潮流相位滞后于近岸海域，导致近岸海域先于外海转流，从而在近岸海域与外海海域两种反向水体相接处形成低流速带［2］。本文通过数值模拟，证明了黄河口沙嘴附近莱州湾西岸海域潮流剪切锋的存在（见图5）。结果显示，在一个涨、落潮周期中，先后有两次潮流剪切锋出现，分别为内涨外退式（见图5a）和内退外涨式（见图5b），两种剪切锋均由沙嘴近岸向外海推移，推移过程中剪切锋总体由短变长。

另一方面，随着黄河口沙嘴的不断变化，潮流剪切锋也发生了显著变化。从1959年到1984年剪切锋的南北跨度变化不甚显著，但到2002年在接近形成完全时剪切锋南北跨度最长均可达50 km，较1959、1984年均有明显增加趋势（见表2）。同样，1959年到1984年剪切锋持续时间和间隔时间变化也不甚明显，但到2002年剪切锋的持续时间显著增加，而间隔时间则明显减少（见表3）。此外，在同一涨落潮周期中，2002年时两类潮流剪切锋均先出现在沙嘴北侧，并由沙嘴北侧向离岸海域推移，这与1959和1984年有明显区别。总体而言，随着沙嘴不断向海突出，潮流剪切锋长度增加、持续时间增长、间隔减小，但不同年份两类剪切锋向南延伸最远处均未超过青坨子。

图3 1959、1984、2002年莱州湾西-南部潮流场

图4 1959、1984、2002年莱州湾西-南部潮流涨（a）落（b）潮典型高流速带分布

图5 1959、1984、2002年莱州湾西岸潮流剪切锋

表2 1959、1984、2002年莱州湾西—南部潮流剪切锋的长度

表3 1959、1984、2002年莱州湾西—南部潮流剪切锋的持续时间和间隔时间

潮流剪切锋位于弧形高流速带外围，均与黄河口沙嘴突出对潮流的阻滞作用有关。在涨落潮过程中，黄河口沙嘴近岸潮流先于外海出现转流，弧形高流速带随即出现在已转向的潮流区。与此同时，与其相对的低流速带—潮流剪切锋出现于高流速带的外围，也就是已经出现的涨潮流和尚未转向的外围落潮流之间（见图5）。两者在形成后，随着潮流运动向外海推移、演变直至消亡，周而复始，共同组成弧形高流速带—剪切锋体系。

3.4 讨论

根据最近50 a来海岸地貌演变特征，以青坨子为界将莱州湾西—南部海岸划分为西岸、南岸，其海岸线、等深线以及地貌类型演变存在显著差异，近岸海底地貌冲淤演变也有较大差别［13］。因此，与一般大河河口-三角洲对其附近海岸演变有深刻影响不同，黄河河口-三角洲近50 a来的多次剧烈变迁，并未对其南侧的莱州湾南岸地貌演变产生显著影响，莱州湾西岸（黄河三角洲）与南岸地貌演变在时间不同步、空间上不一致，而且这种差异性在最近50 a中一直存在，并未因黄河口也即黄河泥沙入海位置的多次变迁、河流入海水沙的减少乃至断流而减弱或消失。

莱州湾西—南部海岸是在特定海岸边界条件下潮流、波浪、泥沙相互作用的产物，其海岸地貌演化的空间差异性与上述海岸沉积动力格局密切相关。鉴于黄河入海泥沙主要是细颗粒的流场物质［1］，河口沙嘴外围由弧形高流速带和潮流剪切锋等共同组成的沉积动力体系，控制了黄河入海泥沙的扩散、输运和沉降范围，是导致莱州湾西、南海岸地貌发生显著差异性演化的主要原因。一方面，在弧形高流速带控制下，大部分黄河入海泥沙沿高流速带呈东北—西南向运移。另一方面，在高流速带外围潮流剪切锋的阻碍下，大部分入海泥沙在西岸近岸海域输移、沉积，无法继续向东、南输送。同时，海湾南岸存在自东而西的潮余流［14］，也不利于泥沙沿岸向东、南输运。在这些沉积动力过程共同控制下，黄河入海泥沙及其动态变化对莱州湾南岸冲淤影响不显著。

1996年黄河改道于原清水沟河道河口沙嘴北侧的清8汊入海，到2002年时两类潮流剪切锋的历时增加、间隔变短、南北跨度明显增长，其对黄河入海泥沙输移的阻碍作用效时更长，效果更加明显。同时，沿黄河河口沙嘴分布的高流速带弧状形态更显著，所控制的区域范围也明显扩大。因此，随着黄河口沙嘴的不断延长和向海迁移，弧形高流速带和潮流剪切锋对莱州湾西、南岸地貌的差异性演变影响更显著（见图4，5）。

4 结论

最近50 a来，黄河河口沙嘴形成及演变对莱州湾潮流运动有深刻影响，莱州湾西—南部潮流动力体系发生了显著变化。但是，在过去的50 a中，在黄河河口沙嘴外围一直存在弧形高流速带，弧形高流速带外围又有潮流剪切锋，这是莱州湾西岸、南岸地貌差异性演变的海岸沉积动力基础。

弧形高流速带在每个涨落潮周期中出现两次，并随潮流运动由黄河口沙嘴近岸向外海推移，流速和范围不断变化，其存在历时几乎贯穿了整个涨落潮过程。随着黄河口沙嘴的不断延伸，弧形高流速带整体随之向莱州湾东南部移动，其弧状形态更加显著，范围明显增大，流速也不断增加。

潮流剪切锋在一个涨落潮周期中也出现两次，分别为内涨外退式和内退外涨式，均由近岸向离岸处推移，其间剪切锋的形状总体由短变长。随着黄河口沙嘴的不断延伸，剪切锋的特性也发生了显著变化，与1959、1984年相比，到2002年时两种剪切锋历时更长，间隔时间更短，南北跨度有明显增长。

弧形高流速带和潮流剪切锋是控制莱州湾西、南岸地貌差异演化的主要沉积动力过程。由于最近50 a中高流速带和剪切锋南界始终没有向南越过青坨子，大部分黄河入海泥沙的输运路径和沉降范围仅限于青坨子以北，导致海岸地貌以此为界呈现差异演化，西岸地貌变化剧烈，而南岸基本保持稳定。

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Study on the evolution of the tidal morphodynamic processes in south-western Laizhou Bay based on numerical simulation in the past 50 years

Li Mengmeng1，Wang Qing1，Zhang Anding1，Wang Hongyan1，Liu Yalong2，Wang Lin1

（1.Coastal Research Institute of Ludong University，Yantai 264025，China；2.Ocean University of China，Qingdao，266100，China）

Using the two-dimensional shallow water equations，the paper simulated the tidal field of Laizhou bay based on three charts surveyed in 1958，1984 and 2002 respectively.The models were used to study the evolution rule and to reveal the effect on the tidal dynamics by the Yellow River Sandspit formation and evolution over the past 50 years.Results show that，the high-velocity zones have developed outside of the sandspit，and on the periphery of the high-velocity zones，there are the tidal shear fronts which can be divided into inner-ebb-outer-flood type（IEOF）and the inner-flood-outer-ebb type（IFOE）.Acompannied with the sandspit extension toward the the Laizhou bay constantly，distribution of the tide field have converted to the rayonnant model with the sandspit as the center，the arc high-velocity zone moved to the open seas with the increases of range and velocity，the tidal shear fronts lasted longer，spaced shorter，and its length from north to south had clear growth too.But the high-velocity zones and tidal shear fronts are always in the north of the Qingtuizi.Under the combined action of the arc high-velocity zone and tidal shear front，compared with the results of the coastal geomorphology evolution in the same period，a majority of the Yellow River sediment migrated and settled in the north sea area of the Qingtuozi merely.It is the main driving factors that lead to the different geomorphical evolution between the south and west coast.

tide field；high-velocity zone；tidal shear front；Yellow River mouth sandspit；south-western Laizhou bay；Qingtuozi

P731.21

A

0253-4193（2014）05-0068-09

2013-04-01；

2013-11-12。

国家自然科学基金项目（41071011，41271016）。

李蒙蒙（1987—），女，河北省邢台市人，从事河口海岸环境研究。E-mail：limengmengmeng＠126.com

*通信作者：王庆（1968—），教授，从事河口海岸地貌研究。E-mail：schingwang＠126.com

李蒙蒙，王庆，张安定，等.最近50 a来莱州湾西—南部潮流动力演变的数值模拟研究［J］.海洋学报，2014，36（5）：68—76.

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.05.008

Li Mengmeng，Wang Qing，Zhang Anding，et al.Study on the evolution of the tidal morphodynamic processes in south-western Laizhou Bay based on numerical simulation in the past 50 years［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（5）：68—76.doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.05.008