长江河口段平均海面数值模拟研究

杨锋，谭亚，王志伟

（1.91650部队，广州510320；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

长江河口段平均海面数值模拟研究

杨锋1，谭亚2，王志伟1

（1.91650部队，广州510320；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

为更好研究长江河口段平均海面的特性，建立了大通至长江口感潮河段的二维水动力数学模型，通过模拟径流与潮汐共同作用下的水动力过程，并设置上下游不同条件的对照组，分析了河口段平均海面的影响因子及响应规律。结果表明，长江河口段年平均海面A0值由上游径流和外海潮波共同作用产生，外海潮波给予了河道内平均水位一个沿程定值，而径流使得其产生了沿程衰减的趋势，这是河口段A0特征不同于外海的原因，也说明径流是其主要影响因子。A0只受径流和外海潮位的年平均值影响，而不受两者的年内变化影响。径流量的变化会导致上游A0值比下游发生更加显著的响应；外海A0值的变化会使沿程发生大致等量的变幅。未来全球海平面上升后，河口段A0也将上升相近幅度。

数值模拟；平均海面；海平面上升；长江河口

长江河口段西起江阴鹅鼻嘴，东至河口拦门沙，两岸地势较低，且人口稠密、经济发达，是黄金水道的入海通道。因受到上游径流和外海潮波共同影响，长江口水动力条件复杂。平均海面是陆地高程和海图深度基准面的起算面，长江口平均海面的变化规律如何，直接影响着当地的航道利用、盐水入侵、市区取水等经济生活问题，并且对于当地提高潮汐预报精度、防灾减灾都具有十分重要意义。

沈焕庭［1］认为平均海面是入海河流河口区的侵蚀基准面，其升降会使河口纵比降发生变化，改变水流下切能力，影响侵蚀与堆积。沈健、王宝灿［2］探讨了长江河口区的月平均海面时空变化规律，认为其月平均海面变化主要受径流及其他海洋水文气象因子的作用，而且具有明显的季节性变化。陈宗镛等［3］通过计算长江口附近4个验潮站过去20 a的海面记录分析出海面变化总趋势是上升的，其变化受径流量大小和外海水位共同影响，并且厄尔尼诺现象能使长江口年平均海面发生异常。陈西庆［4］通过分析表明，长江每年的入海径流对该年的海面有重要影响，幅度为流量每变化1 000m3/s，年平均海面变化8.5mm，但流量对长江口海面的趋势性变化无显著影响。杨锋［5］通过对长江口实测潮位进行调和分析，发现受河床高度向上游抬升影响，平均海面向上游呈递增趋势。

平均海面存在着日变化、月变化、年变化和多年变化，就长江河口而言，天文潮、径流、气压、气温和季风等都是导致海面变化的基本因素，而且各因素的相互作用是相当复杂的。本文通过对江阴至共青圩站一整年的逐时潮位数据进行调和分析［6］从而得到年平均海面A0，并分析其在河口段的影响因子及响应程度。

1 数学模型

1.1 计算范围及参数

本文采用MIKE21软件的FM模块，建立了大通至长江口外海滨的平面二维潮流数学模型。上边界位于安徽大通；长江口外-20m等深线处受径流影响可以忽略不计，在此处取三面开边界作为模型下游外边界，东边界取在东经122.7°附近；南边界在南汇嘴附近，即北纬30.9°一线；北边界在连兴港以北约10 km，即北纬31.8°一线，如图1所示。

网格尺寸在长江河道中为200～300m，在河口至外海为300～1 000m。整个计算区域包括70 764个网格点，134 723个单元。模型计算所用地形资料是长江口水文局提供的2002年实测水深数据，基准面为1985国家高程基准。最大时间步长30 s，糙率值从上游大通站至外海逐渐减小，取值范围在0.01～0.015。本模型上游采用大通站实测逐日流量，下游海上开边界潮位数据由东中国海潮波模型结合连兴港潮位提供。

1.2 模型验证

本文采用2000年潮位观测资料分别进行了短周期和长周期验证。验证站点有江阴、天生港、徐六泾、杨林、吴淞和共青圩共6个潮位站，站点位置如图1所示。短周期分别对3个月进行验证：2月1～29日（大通流量约12 000m3/s）代表枯水位；7月1～31日（大通流量约51 000m3/s）代表洪水位；11月1～30日（大通流量约33 000m3/ s）代表中水位。长周期采用2000年一整年（2000-1-1-0∶00～2000-12-31-23∶00）的实测资料，对各站的全年日均水位（24 h平均）和对一整年的水位资料进行调和分析［6］所得的调和常数进行对比验证，其中本文将平均海面A0作为一个角速率为0的特殊分潮与其他分潮一起进行了验证。

图1 数学模型范围Fig.1 Range of numericalmodel

图2 2月份水位验证Fig.2 Verification of tidal level in February

图3 7月份水位验证Fig.3 Verification of tidal level in July

图4 11月份水位验证Fig.4 Verification of tidal level in November

图5 日均水位验证Fig.5 Verification of dailymean sea level

由图2～图6可知，模拟值与实测值吻合良好，逐时和日均潮位偏差在10 cm以内，高低潮位时间偏差小于30min；除Q1等振幅量值较小的分潮外，其他分潮振幅偏差都在10%以内，迟角偏差小于10°［7］。因此，模型结果很好地复演了长江感潮河段的涨落潮过程。

图6 分潮调和常数验证Fig.6 Verification of tidal harmonic constants

2 动力变化对A0 的影响

大通站作为长江口的潮区界，一直被用作研究长江感潮河段的流量控制节点。连兴港位于长江口北支末端，其水文特性为潮汐作用强于径流，因此本文模型视口门外的海洋潮汐特征与连兴港相同，并将其潮汐特征赋予下游边界。本文在只考虑径流和潮流动力的情况下（图1），通过改变上游大通流量值和下游连兴港潮位值来设置不同的上下游动力边界组合，每个组合计算时间长度为1 a。

为了更直观地观察和分析年平均海面A0在长江河口段的沿程变化趋势，现以各潮位站距离上游大通站的距离，即河长长度作为横坐标，将江阴、天生港、徐六泾、杨林、吴淞和共青圩共6个测站的结果着重标示出来，这六站距离大通河长分别约为：412 km、462 km、497 km、534 km、568 km和590 km。

2.1 动力变化对A0的定性影响

为了确认河口段A0是否是受上游径流下泄和外海潮波向口门内上溯的共同影响，现以2000年数据为基础来设置上下游边界条件。

说明：逐时潮位减去25 h平均值可以过滤掉大部分长周期低频潮波的影响，条件1.2中水位即在年平均海面29.3 cm上下振动。2000年大通平均流量为29 351m3/s；连兴港站平均海面高度为29.3 cm。

条件1.2和1.3是条件1的两种极端情况，目的是研究上下游边界日均值的年内变化对平均海面是否有影响；条件1、2、3的对比则是为了探明河口段A0是受径流和外海潮波的单一作用还是共同影响。

由图7可知，条件1、1.2、1.3所计算出的A0趋势线几乎重合在一起，说明长江河口段的沿程A0值只取决于上游径流量和外海潮位的平均值，而径流量值和潮位值在年内是否出现长周期波动对其并无影响。对比条件1与2，当下游平均海面为0 cm时，径流单独产生的A0值向下游依然保持着相同的衰减趋势和衰减幅度，但各站数值都比原来减小了25 cm左右。当上游径流年均流量为0m3/s时，条件3中的外海潮波向口内上溯，但沿程A0数值却基本保持不变，向上游呈现的趋势并未衰减，反而略微增大，这与河床高度向上游抬升有关。从表2中的数据可知，各个站点条件1的A0值都低于条件2与条件3之和15 cm左右，且上游站点中径流产生的水位值所占比重大，下游站点中外海潮波产生的水位值占总水位的比重更大。

表1 不同边界组合条件Tab.1 Combination condition of different upstream and downstream boundaries

表2 主要站点A0高度Tab.2 The values of A0inmajor stations cm

这说明河口段平均海面A0值由上游径流和外海潮波共同作用产生，径流对上游站点水位影响更大、外海潮波对下游站点影响更大。在趋势上，外海的潮波给予了河道内平均水位一个沿程定值，而径流使得其产生了沿程衰减的趋势，这是河口段A0特征不同于外海的原因，也说明径流是其主要的影响因子。

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2.2 动力变化对A0的定量影响

为了研究长江河口段A0高度对径流变化和外海A0变化响应的具体数值，现设置两组对照组与条件1进行对比分析。

说明：据1997～2003年实测数据显示，大通年平均流量最小值为2001年的26 155m3/s，最大值为1998年的39 321m3/s。2000年大通平均流量为29 351m3/s放大1.3倍后值为38 156m3/s，仍在往年范围内，符合实际（图8）。

据1989～2009年实测数据显示，连兴港站平均海面A0最小值为1995年的15.48 cm，最大值为2007年的37.23 cm。2000年连兴港站A0高度为29.3 cm，放大1.25倍后值为36.6 cm，仍在往年范围内，符合实际。

由图9和表4可知，在大通年平均流量放大1.3倍后，长江河口段各站点平均海面A0值放大倍数不尽相同，上游站点增大较多，如江阴站振幅增大为原振幅的1.2倍，下游站点增大幅度较小，如共青圩站振幅只增大为原振幅的1.05倍。说明越靠近上游，站点的A0值对径流量的变化愈加敏感。

在只有外海平均海面放大1.25倍的情况下，长江河口段各站点A0值放大倍数不尽相同，但从图9和表4中可以发现，各站数值均增大了相近的数量值，即在外海A0值增大了7.3 cm后，沿程各站点A0值均增大了9 cm左右，且两者数值相近，这说明河口段站点A0值对外海平均海面变化响应的敏感度几乎相同。

由于人类活动对地球环境的影响迅速扩大，全球变暖以及海平面上升是一全球性系列重大的环境问题之一。在过去的100年里，全球的海平面平均上升速率为1～2mm/a［8-9］。随着全球变暖，海平面上升将加剧，大多数研究者认为，下一世纪全球海平面上升速率可能达到过去100 a平均上升速率的3～6倍［10］。据权威的IPCC报告称，到2100年，全球海平面上升预测值的最佳估计值为66 cm，最高估计值为110 cm［11］。

图8 大通不同条件的流量过程线Fig.8 Process line of different discharges at Datong station

表3 不同边界组合条件Tab.3 Combination condition of different upstream and downstream boundaries

图9 平均海面A0沿程分布Fig.9 Distribution along the river of A0

表4 主要站点A0高度（cm）及变化量Tab.4 The value and variation of A0inmajor stations

长江三角洲及其邻近地区是我国现代地壳沉降运动速率最大区域之一，也是人类开采地下水等造成地面沉降较为严重的区域，近些年来，全区地面平均沉降速率为2～5mm/a，其中上海市的最大沉降漏斗区为7mm/a［12］。因而，在21世纪全球海平面的绝对上升加上本地区的沉降所得到的海平面相对上升幅度将远超过全球平均值。据此，本文以2000年数据为基础，利用模型分别模拟长江口海域海平面上升50 cm和100 cm后的河口段A0变化。

1993～2009年共17 a的实测资料在图10中显示，除了1998年等极致年份外，大通年平均流量与连兴港年平均海面A0的变化趋势并不一致，且两者总的趋势线倾斜方向刚好相反，即大通年平均流量呈逐年下降趋势，而连兴港A0以9mm/a的速率逐年上升。这与全球海平面上升的大趋势相符，同时也说明连兴港站的A0受上游径流影响极小、可以代表外海潮汐特征。

从图11和表5可以看出，在外海海平面上升50 cm后，长江河口段各站点A0均增大了49 cm左右；在外海海平面上升100 cm后，长江河口段各站点A0均增大了93 cm左右。这说明在外海海平面上升后，河口段A0均上升相近的高度，这就给该区域的人们提前敲响了警钟，应减小城市地面下沉并及早研究应对措施，以防止重大海洋灾害的发生。

图10 大通年平均流量与连兴港A0多年变化Fig.10 Temporal variation of annualmean discharge at Datong and A0at Lianxinggang

图11 全球海面上升后的河口段A0分布Fig.11 Distribution along the river of A0after theglobal sea level rises

表5 主要站点A0高度（cm）及变化量Tab.5 The value and variation of A0inmajor stations

3 结论

通过设置上下游不同条件的对照组，长江河口段平均海面A0值由上游径流和外海潮波共同作用产生，径流对上游站点水位影响更大、外海潮波对下游站点影响更大。外海的潮波给予了河道内平均水位一个沿程定值，而径流使得其产生了沿程衰减的趋势，这是河口段A0特征不同于外海的原因，也说明径流是其主要的影响因子。径流量的变化会导致沿程A0值发生响应变化，且上游比下游站点响应更敏感；外海A0值的变幅会使沿程振幅发生大致等量的变幅。未来全球海平面上升后，河口段A0也上升相近幅度，这将提醒人们及早采取措施预防海洋灾害。

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Numerical simulation study onmean sea level at Yangtze River estuary reach

YANG Feng1,TAN Ya2,WANG Zhi⁃wei1
（1.PLA Navy 91650 Troops,Guangzhou 510320,China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering, Hohai University,Nanjing 210098,China）

In order to study the characteristics ofmean sea level at Yangtze River estuary reach,a two⁃dimen⁃sional hydrodynamicmodel for the tidal reach of the Datong⁃Yangtze River estuary was established.By simulating the hydrodynamics in response to runoff and tides and setting different upstream and downstream boundaries,the in⁃fluence factors and responses of A0at Yangtze River estuary reach were analyzed.The results show that,the A0at Yangtze River estuary reach is co⁃produced by runoff and tidal action.The offshore level gives a constant value to the A0along the estuary reach;meanwhile,the discharge of runoff produces the decay trend along the way to it,it′s the reason why the characteristics of the A0along the estuary reach is different from in offshore area,and it proves that the runoff is themain influence factor.The A0in estuary is only affected by the average level in offshore and the average discharge of runoff,but not by the change of runoff and offshore tide during a year.The average discharge of runoff during a year will affect the A0,and the upstream sites aremore sensitive than downstream;the offshore A0will produce a similar amount of change to it.With the global sea level rise,the A0in estuary will rise by a similar to offshore.

numerical simulation;mean sea level A0;sea level rise;Yangtze River estuary reach

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2015）03-0204-06

2014-10-11；

2014-11-03

国家重点基础研究发展计划（973计划）课题：长江口海域水动力过程与生态系统演变机制（2010CB429001）；国家科技支撑计划（水沙变异条件下荆江与长江口北支河道治理关键技术研究）课题：长江口北支建闸技术研究（2013BAB12B05）；江苏省水利科技项目：风暴潮耦合影响下长江镇扬河段水位预报技术研究（2012036）

杨锋（1986-），男，河南省新乡人，助理工程师，主要从事验潮及水动力模拟分析工作。

Biography：YANG Feng(1986-),male,assistant engineer.