长江口滞流点洪、枯季移动的数值分析

顾 杰, 郑宇华, 王晓莉, 马丹青

(上海海洋大学 海洋科学学院, 上海 201306)

长江口滞流点洪、枯季移动的数值分析

顾 杰, 郑宇华, 王晓莉, 马丹青

(上海海洋大学 海洋科学学院, 上海 201306)

为研究长江口滞流点位置的季节变化, 利用Delft3D-Flow模块建立长江口二维潮流数学模型,通过实测水文资料对模型进行验证。在此基础上, 模拟长江口各汊道洪、枯季滞流点移动情况, 并从各汊道沿程断面的落潮量、涨潮量和落、涨潮量之比3个方面进行了水动力分析。结果显示: 洪季, 北支滞流点在八港东北方向约1.9 km处; 在南支各汊道中, 北港滞流点位于鸡骨礁东北方向约10.0 km处,北槽滞流点位于牛皮礁东南方向约3.8 km处, 南槽滞流点位于大辑山东北方向约14.1 km处。枯季, 除北槽外, 其余各汊道均出现两个滞流点, 且北支的两个滞流点相距最远, 分别在灵甸港西南方向约3.2 km处和六港东北方向约3.1 km处; 北港滞流点分别在鸡骨礁西北方向约25.8 km和20.2 km处, 北槽滞流点在横沙以西约5.3 km处, 南槽滞流点分别在中浚西北方向约6.5 km和东北方向约5.5 km处。北支洪、枯季滞流点的移动距离为4.6~53.3 km, 北港、南槽洪、枯季滞流点的移动距离分别为22.0~27.7km和34.6~39.2 km, 而北槽洪、枯季滞流点的移动距离最大, 为57.1km。长江口各汊道滞流点的移动反映了河流径流和海洋潮流的综合作用。

数值模拟; 长江口; 滞流点; 洪、枯季移动

滞流点的概念最早见于Simmons 等[1]对优势流的论述, 滞流点与河口最大浑浊带存在对应关系,且滞流点附近是泥沙落淤的集中区域, 滞流区和滞沙区将发展为河口拦门沙, 其位置变化也直接体现了河口水动力的变化过程。

对滞流点的研究, 国内学者主要以长江口南支及南北槽为研究重点。顾伟浩[2]根据优势流理论, 利用长江口南槽的水文资料, 分析了底层优势流与滞流点位置变化的关系, 认为滞流点位置与水深、流量和潮差存在一定的关系。张栋梁等[3]对长江口北槽1984~1990年相关水文资料进行了系统分析, 得出洪季小潮时滞流点移向挖槽段下游(横沙东滩串沟附近), 枯季小潮时滞流点移向挖槽段上游。刘高伟等[4]基于南汇边滩水域水文观测资料, 对优势流、潮流历时和含沙量等水沙变化特征进行了分析, 认为该水域洪、枯季优势流的变化对南汇边滩泥沙落淤会产生较大的影响。沈健等[5]和沈焕庭等[6]对长江口北港、北槽和南槽中滞流点位置移动情况进行了分析,认为北港滞流区洪季一般在拦门沙外浅滩附近, 枯季在拦门沙内浅滩附近; 北槽滞流区洪季一般在其涨潮槽下口的航道拦门沙附近, 枯季在落潮槽附近;南槽滞流区洪季一般在铜沙浅滩顶附近, 枯季则上移, 在径流量特别小时会上移至九段沙附近。上海河口海岸研究中心利用长江口物理模型[6], 也研究了北槽滞流点位置变化情况, 随着流量的增加滞流点会向外海移动, 而随着潮差的增大滞流点则向上移动。

随着计算机技术的发展, 数学模型在滞流点和最大浑浊带等研究上得到了广泛应用。姚运达等[7]利用数值模拟手段分析了拦门沙对盐水上溯的影响,指出拦门沙使滞流点和最大泥沙浓度中心向外海移动。魏守林等[8]应用Galerkin权余法、沈焕庭等[6]采用有限差分方法及朱建荣等[9]利用改进的ECOM模型分别建立了理想河口二维最大浑浊带数学模型,得出最大浑浊带位于涨、落潮优势流转换地带即滞流点附近的结论。Festa等[10]利用垂向二维数学模型分析了河口环流的作用, 发现河口环流使水体表层泥沙向海输送、底层向陆输送, 而滞流点附近泥沙则作垂向运动, 且滞流点附近泥沙富集形成最大浑浊带的特征。

随着长江口河口形态的不断演变, 长江口地貌形势已发生了很大的变化, 戴志军等[11-12]利用多变量特征函数的方法对长江口南北槽水深变化进行了深入的研究, 发现近30 a来南槽已明显处于淤积状态, 而北槽浅滩表现为淤积状态, 深槽则处于冲刷状态。说明以往对长江口滞流点的研究与当前长江口的实际情况会存在一定的差异。

本文采用Delft3D-Flow模块建立了长江口二维潮流数学模型, 分析长江口各汊道洪、枯季滞流点位置的移动变化情况。

1 长江口

长江口, 上起徐六泾, 下至拦门沙浅滩顶附近,全长约181.8 km, 呈三级分汊和四口入海的河势格局, 有北支、北港、北槽和南槽4个入海通道(图1)。

图1 长江口河势现状图Fig. 1 River regime of the Yangtze River Estuary

2 模型建立

2.1 计算模型

Delft3D是荷兰WL/Delft Hydraulics研究所研制的关于水环境流动与物质输运的一套综合模拟系统。其二维水流运动连续性方程和动量方程可分别表示如下:

水深平均连续方程:

动量方程:

2.2 计算网格

数学模型的计算范围(图2)西起长江口的潮区界,东至外海–40 m等深线, 北至连兴港北侧, 南至南汇嘴以东。网格东西向的长度大约为280 km, 南北向的长度大约为210 km。总网格数为277个×152个, 水平空间网格宽度在300~3 500 m。图中吴淞、高桥、CS1、CSW为验证模型的观测点。

2.3 参数设置与模型验证

模型上边界采用实测流量数据, 外海潮流边界由8个主要分潮的调和常数计算求得。计算时间步长为1 min, 曼宁系数的取值范围为0.01~0.02, 水平涡黏度系数经调试后取20 m2/s。模型验证选用2004年5月4日6: 00~2004年5月8日6: 00间主河道里两个潮位观测点及两个流速观测点的实测潮位及流速资料[13], 验证结果见图3。从图中可以看出, 高桥和吴淞测点的潮位计算值及CS1和CSW测点的流速、流向计算值均与实测值拟合较好, 因此, 本模型可用于计算分析长江口洪、枯季的滞流点位置的移动情况。

图2 计算网格Fig. 2 Computational grid

图3 潮位、流速和流向验证Fig. 3 Comparison of the measured and computed tidal levels, current velocity magnitudes, and directions

3 计算结果与分析

选取长江口大通水文站2007年枯季流量11 270 m3/s和洪季流量45 600 m3/s作为模型的上边界条件, 其他条件不变, 对长江口各汊道洪、枯季滞流点位置移动以及移动距离进行计算, 分析观测点和观测断面的设置如图4所示。

3.1 滞流点位置的确定

根据水流优势程度(Predominance of flow)理论[14],确定滞流点位置。

1) 计算优势度。绘出各观测点的流速过程线,分别求出该点的落潮流速曲线与时间轴包围的面积Ae(落潮流期间水质点净流程)和涨潮流速曲线与时间轴包围的面积Af(涨潮流期间水质点净流程), 并求出优势度(即Ae/(Ae+Af))。

图4 各观测点、观测断面以及滞流点的分布Fig. 4 Distribution of observation points, observation sections, and stagnation point

图5 长江口各汊道沿程观测点优势流曲线以及滞流点的位置Fig. 5 The curve of predominance of flow and position of the stagnation point in four channels of the Yangtze River Estuary

2) 量取距离。选择各汊道中离海最远的一个观测点作为参考点, 量出其他观测点距参考点的距离。在本次模拟中, 选择测站NB1、NC0、NP1和SP1作为北支、北港、北槽和南槽汊道内计算滞流点移动距离的参考点, 沿程向下量取距离。

3) 绘制落潮优势度–距离曲线。以各观测点落潮优势度值作为纵坐标, 距离作为横坐标, 用光滑的曲线依次连接各汊道沿程设置的观测点, 即得到各汊道沿程纵断面的优势流曲线。图5中曲线与纵坐标为50%的横轴的交点即为滞流点, 即北支滞流点为A1、A1′和A2, 北港滞流点为B1、B1′和B2, 北槽滞流点为C1 和C2, 南槽滞流点为D1、D1′和D2,并计算得到各汊道枯、洪季滞流点的移动距离, 再将图5中滞流点所在位置投射到图4中, 即可得到各汊道滞流点的实际地理位置(表1)。

3.2 枯、洪季滞流点位置移动分析

表2为模型计算得到的长江口各汊道观测断面的枯、洪季落潮量、涨潮量和落、涨潮量之比。从表2可以看出, 长江口四个汊道各断面洪季的落、涨潮量之比皆大于枯季的落、涨潮量之比, 说明滞流点都出现洪季下移、枯季上溯的现象(表1)。但由于各汊道落、涨潮量之比在枯、洪季变化规律不同, 滞流点的位置和移动距离亦不相同(图4和图5)。

北支各观测断面的枯、洪季落、涨潮量之比≤1 (表2), 说明北支以涨潮流为主。洪季, 滞流点(A2)出现在距离参考点(NB1)67.0 km处, 在落涨潮量之比为1.00的断面C-NB3附近, 即八滧港东北方向约1.9 km处(表1)。北支断面枯、洪季的落、涨潮量之比值都呈沿程增大的趋势, 但上断面C-NB1洪季落、涨潮量之比远大于枯季落、涨潮量之比, 说明北支洪季的落潮动力较枯季强,而北支的潮差变化呈现从上段向中段逐渐增大, 再从中段向口门逐渐减小的规律[15-16], 因此, 在上断面C-NB1和中断面C-NB2、中断面C-NB2和下断面C-NB3之间皆出现滞流点(A1和A1′), 分别在距离参考点(NB1)13.7 km和62.4 km处, 即灵甸港西南方向约3.2 km处和六滧港东北方向约3.1 km处, 从而计算得到北支洪、枯季的滞流点移动距离为4.6~53.3 km(表1)。

南支的各汊道中, 各观测断面(除南槽下断面C-SP3外)的落、涨潮量之比皆大于1, 说明南支各汊道以落潮流为主(表2)。

表1 长江口各汊道枯、洪季滞流点位置及移动距离Tab. 1 The position and moving distance of stagnation point in four channels of the Yangtze River Estuary during dry and flood seasons

表2 长江口各汊道落、涨潮量计算值Tab. 2 Computed flood and ebb flux in the channels of the Yangtze River Estuary

洪季, 南支各汊道各断面的落、涨潮量之比表现为: 北港上断面C-NC1(1.58)＞下断面C-NC2(1.44);北槽上断面C-NP1(1.33)＜中断面C-NP2(1.58)＜下断面C-NP3(1.76); 南槽上断面C-SP1(1.78)＞中断面C-SP2(1.46)＞下断面C-SP3(1.07)。因此, 各汊道滞流点位置也有所不同, 北港位于下断面(C-NC2)下游,北槽位于上断面(C-NP1)附近, 南槽位于下断面(C-SP3)下游。根据文献[2]的研究结果, 在潮差相近(相同季节)的情况下, 径流量大, 则混合程度较弱,滞流点下移; 反之, 混合程度较强, 滞流点上移。由表2可知, 洪季, 北港上断面C-NC1的落潮量为9 247.1 m3/s,而对于北槽, 应考虑横沙通道落潮流及南槽倒灌水流对北槽的影响(其落、涨潮量之比为0.6), 选择北槽中断面C-NP2的落潮量5 541.8 m3/s 较合理, 南槽上断面C-SP1的落潮量为5 018.1 m3/s。比较这三个汊道的落潮量, 北港大于北槽大于南槽, 则其混合程度,南槽大于北槽大于北港。故在洪季, 北港滞流点(B2)、北槽滞流点(C2)和南槽滞流点(D2)的位置分别在距参考点(NC0)62.3 km处、距参考点(NP1)60.4 km处和距参考点(SP1)60.0 km处, 即鸡骨礁东北方向约10.0 km处、牛皮礁东南方向约3.8 km处和大辑山东北方向约14.1 km处。北港滞流点靠外, 南槽滞流点靠内, 而北槽滞流点居于两者之间(表1)。

枯季, 南支各汊道各断面的落、涨潮量之比: 北港上断面C-NC1(1.18)＞下断面C-NC2 (1.12), 北港滞流点(B1、B1′)出现在下断面C-NC2下游, 分别在距参考点(NC0)34.6 km和40.3 km处, 即鸡骨礁西北方向约25.8 km和20.2 km处(表2); 北槽上断面C-NP1(1.07)＜中断面C-NP2(1.27)＜下断面C-NP3(1.51), 滞流点应出现在上断面C-NP1上游,但是, 由于有通过横沙通道及从南槽倒灌进入北槽的水流, 增强了北槽的径流动力, 因此滞流点(C1)出现在上断面C-NP1下游附近, 在距参考点(NP1)3.4 km处, 即横沙以西5.3 km处; 南槽上断面C-SP1(1.31)＞中断面C-SP2(1.15)＞下断面C-SP3(0.94), 滞流点(D1、D1′)位于中断面C-SP2和下断面C-SP3之间, 分别在距参考点(SP1)20.8 km和 25.5 km处, 即中浚西北方向约 6.5 km 和5.5 km处(表1)。故在枯季, 北港滞流点分别在鸡骨礁西北方向约25.8 km和20.2 km处,最靠外; 北槽滞流点在横沙以西5.3 km处, 最靠内;南槽滞流点分别在中浚西北方向约6.5 km和东北方向5.5 km处, 居于两者之间(表1)。

因此, 综合分析长江口南支各汊道(北港、北槽和南槽)洪、枯季滞流点位置变化情况, 可以得到滞流点的移动距离分别为: 北港22.0~27.7 km、北槽57.1 km和南槽34.6~39.2 km, 北槽滞流点的移动距离最大, 南槽其次, 北港最小。

3.3 滞流点位置移动与泥沙淤积的关系分析

滞流点是河口最大浑浊带形成的重要原因之一,也是表征河口拦门沙河段水动力的关键指标。长江口拦门沙洪季淤积、枯季冲刷的规律十分明显, 黄胜[16]认为这种规律与滞流点位置变化有关。洪季时, 径流量大, 水体挟带泥沙量多, 且水温高, 水体黏性小,在合适的盐度条件下, 黏性泥沙易形成泥沙絮团,在滞流点附近悬沙汇聚并且黏结成絮团迅速沉降于河底, 此时滞流点的位置一般与拦门沙的位置相对应, 所以洪季拦门沙地区普遍淤积[17]。枯季时, 径流量小, 水体挟带泥沙量也少, 水温低, 水体黏性大,泥沙的絮凝程度和絮凝沉降的速度都较小, 泥沙淤积比洪季要小; 又因枯季滞流点在洪季滞流点的上游, 因此, 枯季时拦门沙上游淤积, 而拦门沙会受到冲刷[18]。

表3为长江口各汊道滞流点洪、枯季的位置与拦门沙泥沙淤积的关系, 从表中可以看出, 泥沙淤积的位置与滞流点的位置较一致。例如, 枯季时, 当大通水文站的流量(分别是: 17 872 、17 637、12 300、17 637 m3/s)大于本文数值模拟设定的计算流量(11 270 m3/s)时, 各汊道泥沙淤积的河段分别在滞流点的下游附近。北支含沙量最大值出现的位置(灵甸港断面)位于滞流点A1(灵甸港西南3.2 km)下游3.2 km处; 北港含沙量最大值出现的位置(鸡骨礁西北方向18.3 km处)位于滞流点B1和B1′(分别位于鸡骨礁西北方向20.2 km和25.8 km处)下游附近; 北槽滞流点出现的位置(横沙以上即以西 2.6 km)位于滞流点C1(在横沙水文站以西5.3 km)的下游附近2.7 km处; 南槽最大浑浊带中心出现的位置(中浚东南方向 9.4 km)位于滞流点D1和D1′(分别在中浚西北方向6.5 km和东北方向3.2 km)的下游附近。而在洪季时, 当大通水文站的流量(分别是: 41 336 m3/s和42 800 m3/s)小于本文数值模拟设定的流量(45 600 m3/s)时, 北槽和南槽泥沙淤积的河段均在滞流点的上游附近。北槽回淤量峰值出现在横沙通道下游47.0~51.0 km处, 位于滞流点C2(在牛皮礁东南方向3.8 km, 相当于横沙水文站东南方向51.7 km处)的上游附近; 南槽悬沙有效沉速最大值出现在九段沙东水文站下游15.0 km处, 滞流点位置在大辑山东北14.1 km处, 由于九段沙东水文站与大辑山位于同一个经度, 因此, 可以认为悬沙有效沉速最大值(实测)比较靠近滞流点(数值模拟)出现的位置。

综合上述研究结果, 可以确定滞流点附近是泥沙淤积的集中区域, 且泥沙淤积区域的变化与大通流量的变化密切相关, 因此可以用洪、枯季滞流点位置的移动来表征河口拦门沙地区泥沙淤积变化的情况。

表3 长江口各汊道滞流点的位置与泥沙淤积的关系Tab. 3 Relation between the position of stagnation point and sedimentation in the Yangtze River Estuary

4 结论

滞流点是表征河口拦门沙河段水动力的关键指标, 本文利用Delft3D-Flow模型对长江口各汊道枯、洪季滞流点位置移动距离进行了定量分析, 得出如下结论: (1)北支滞流点洪季出现在八滧港东北方向约1.9 km处, 枯季有两个滞流点且相距较远, 分别位于灵甸港西南方向约3.2 km处和六滧港东北方向约 3.1 km处, 洪、枯季的移动距离约为4.6~53.3 km; (2)南支各汊道中, 洪季时, 北港、北槽和南槽的滞流点分别位于鸡骨礁东北方向约10.0 km处、牛皮礁东南方向约3.8 km处和大辑山东北方向约14.1 km处。北港滞流点最靠外, 南槽滞流点最靠内, 北槽居于两者之间。枯季时, 北港出现两个滞流点, 分别位于鸡骨礁西北方向约25.8 km和20.2 km处; 南槽亦出现两个滞流点, 分别位于中浚西北方向6.5 km和东北方向 5.5 km处; 北槽只有一个滞流点, 位于横沙以西5.3 km处。北港滞流点依然最靠外, 而北槽滞流点最靠内, 南槽居于两者之间。且北槽滞流点移动距离最大, 北港滞流点移动距离最小, 南槽居中。这些现象与长江口各汊道的径流量分配情况和各河段的落、涨潮量之比的变化规律都存在内在的关系。

此外, 本文对滞流点的位置与拦门沙泥沙淤积的关系也进行了研究, 发现两者的位置较一致, 证明了滞流点附近往往容易引起河口泥沙淤积的结论。

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Received:Dec. 17, 2015

Numerical analysis of the movement of stagnation points in the Yangtze River Estuary during the flood and dry seasons

GU Jie, ZHENG Yu-hua, WANG Xiao-li, MA Dan-qing
(College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

numerical simulation; the Yangtze River Estuary; stagnation point; movement during flood and dry seasons

A two-dimensional tidal flow numerical model of the Yangtze River Estuary is established based on the Delft3D-FLOW model to study the seasonal changes of the stagnation points in the Yangtze River Estuary. First, the model is well calibrated with the field data and is subsequently employed to simulate and analyze the movement of the stagnation points in the Yangtze River Estuary during the flood and dry seasons. The results show that during floods, the stagnation point in the North Branch is located at 1.9 km northeast of the Bayao Port, whereas in the South Branch, the stagnation points in the North Channel and the North and South Passages are located at approximately 10.0 km northeast of Jigujiao, 3.8 km southeast of Niupijiao, and 14.1 km northeast of Dajishan, respectively. During the dry season, there are two stagnation points in every channel, except for the North Passage. The two points in the North Branch are far from each other and are located at approximately 3.2 km southwest of the Lingdian Port and 3.1 km northeast of the Liuyao Port. The stagnation points in the North Channel are located at 25.8 km and 20.2 km northwest of Jigujiao, whereas the stagnation point in the North Passage is located at 5.3 km west of Hengsha. Two stagnation points in the South Passage are located at 6.5 km northwest and 5.5 km northeast of Zhongjun. The seasonal moving range of stagnation points is from 4.6 to 53.3 km in the North Branch, from 22.0 to 27.7 km in the North Channel, and from 34.6 to 39.2 km in the South Passage; however, these ranges reach a maximum value of 57.1 km in the North Passage. The movements of stagnation points in four channels in the Yangtze River Estuary reflect the combined effects of river run-off and ocean tides.

TV148.1

A

1000-3096(2016)12-0114-09

10.11759/hykx20151217003

(本文编辑: 李晓燕)

2015-12-17;

2016-02-22

国家重点基础研究发展计划(2012CB957704)

[Foundation: National Key Basic Research Development Program of China, No.2012CB957704]

顾杰(1961-), 男, 江苏兴化人, 教授, 博士, 主要从事水文、海岸工程和环境工程等研究, E-mail: jgu@shou.edu.cn; 郑宇华,通信作者, 硕士, 电话: 18516587308, E-mail: yuvaz@sina.com