珠江出海口咸潮数值模拟技术

侯堋，舒勰俊

(1.珠江水利科学研究院 广州 510611；2.国家海洋局海洋咨询中心 北京 100860；3.国家海洋局南海规划与环境研究院 广州 510300)



珠江出海口咸潮数值模拟技术

侯堋1，舒勰俊2，3

(1.珠江水利科学研究院 广州 510611；2.国家海洋局海洋咨询中心 北京 100860；3.国家海洋局南海规划与环境研究院 广州 510300)

珠江三角洲是中国经济发展速度最快的地区之一，但珠江出海口咸潮上溯的情况日益严重，已经严重影响珠江口的取水安全；对每年枯水期珠江口咸潮上溯的情况进行预警预报，从而采取相应的抑咸措施具有重大意义。文章通过建立珠江三角洲的二、三维嵌套水流盐度数学模型，采用2005年1月的枯水期实测潮流盐度资料对模型进行率定，数学模型的计算结果与实测拟合较好，说明该模型运用于珠三角咸潮数值模拟的可靠性，为咸潮预警预报技术的下一步研究奠定基础。

珠江三角洲；咸潮入侵；海洋灾害；防灾减灾

珠江三角洲是中国经济发展速度最快的地区之一，水资源丰富，水系复杂，形成独有的“三江汇流，八口入海”的流域特色。近几年珠江三角洲干旱比较严重，北江、西江和东江的水流量普遍减少，尤其是西江的水流量减至自1903年以来的最低水平。2005年春季珠江三角洲暴发特大咸潮灾害，咸潮入侵导致江水盐度升高，影响江水中营养盐的浓度与分布，造成水体生态环境改变，严重危害口门处居民的取水安全[1]。因此，采用数值模拟技术对珠江三角洲枯季咸潮上溯情况进行预警预报，结合上游水情采取抑咸措施，确保生态环境质量和口门取水安全，对促进珠江三角洲地区及港澳特区的社会经济稳定和持续发展都有重要意义[2]。

1 珠江三角洲二、三维水流盐度模型的建立

对珠江三角洲进行咸潮预警预报，需要建立一个范围较大、能涵盖各主要因素的水流盐度数学模型，对珠江三角洲盐水入侵进行全方位的系统研究。上边界须取在不受潮汐控制的恒定流区域，下边界须取在外海-30 m等深线处。

二维模型模拟的区域为网河区，模型的上边界为西江梧州，北江飞来峡、老鸦岗，东江三角洲大盛、麻涌、漳澎、泗盛围，潭江石咀等水文站并采用实测流量过程，下边界取至虎门大虎站、蕉门南沙站、洪奇门冯马庙站、横门横门站、磨刀门灯笼山站、鸡啼门黄金站、虎跳门西炮台站和崖门官冲站。二维模型的网格数为154 992个。

三维模型模拟的区域为八大口门和外海水域，上边界为三角洲八大口门出口控制水文站(即网河区二维模型的下边界)，下边界取至外海-30 m等深线，采用荷包岛、大万山、担杆头等台站的实测潮位资料。三维模型的平面网格数为33 111个，垂向分10层。二、三维模型的平面总网格数为188 103个。

1.1 水动力数学模型

1.1.1 二维水动力数学模型

深度平均的连续方程如下：

式中：Q为因水的流出和流进、降雨和蒸发引起的每单位面积的流量，且

qin和qout分别是当地每体积单元水源和汇(L/s)；P为降雨的非当地源项；E为蒸发的非当地源项。标注这些吸入量，如电厂吸收水将被作为一个汇，在自由表面降雨是一个源项、蒸发是一个汇。式中U、V为、η方向流速分量，为水位分量，G为拉梅系数。

水平方向动量方程

在ξ-和η-方向的动量方程如下：

密度变化被忽略，除在斜压项，Pξ和Pη代表压力梯度；动量方程中的Fξ和Fη代表水平雷诺应力的不平衡；Mξ和Mη代表源于外部动量的源和汇的贡献(外部驱动、水工建筑物、排放或水的提取、波浪应力等)。

1.1.2 三维水动力数学模型

三维水动力数学模型必须在平面二维水动力数学模型的基础上考虑垂向变化。

σ-坐标系下的垂直流速ω从连续方程中计算得：

在表层，降雨和蒸发的影响都考虑在内。垂直流速ω定义在等σ-表面。ω是相对运动的σ-平面的垂直速度。ω是相对移动的σ-平面的垂直流速，它解释为同上升和沉降运动联合的流速。在笛卡儿坐标系的“物理”垂直流速w不包含在方程中，物理垂直流速的计算只在后处理用途中要求。这些流速可用水平流速、水深、水位和垂直ω-流速表达，依照：

1.2 盐度数学模型

在模型中，盐度输运使用一个三坐标方向的对流-扩散方程。源项和汇项包括模拟排放和收回。考虑一阶衰变过程，一阶衰变过程符合一个数值解法，指数衰减更复杂的过程。

输运方程在水平方向曲线网格坐标和垂直方向σ坐标，用一种守恒形式的公式表示：

λd(d+)c+S

λd代表第一阶衰变过程和S是由水排放qin或收回qout，通过自由表面的热交换Qtot引起的每单位面积的源项和汇项：

垂直湍流黏性系数DV定义为：

湍流闭合模型为解决所有其他无法解决的混合形式，便利地指定一个背景或者“周围的”垂直混合系数。如，在强层结流，交界面的湍流涡扩散率减少到0，垂直混合减少到分子扩散。这个在本质上不真实，因为将产生内部波。需指定一个背景混合参数Dback，如下：

二维深度平均模拟，水平涡扩散DH也包含水平流垂直变化的贡献(泰勒剪切弥散)，这部分不被深度平均3D对流扩散方程考虑。深度平均输运模式的应用，水体需很好的混合，泰勒剪切弥散次要，否则要使用三维模型。

1.3 二、三维模型嵌套技术

本文中珠江三角洲网河区采用二维平面模型、八大口门及外海处采用三维数学模型，因此需要采用嵌套技术将二维模型和三维模型进行耦合。本文采用区域分裂法进行联解，区域分裂法是把待求的整个区域按不同的计算方法分成几个子区域，在区域与区域交界之间选取公共节点，各子区域按给定的计算方法和计算步长分别计算，计算时几个子区域交替进行，通过公共节点位相临子区域提供边界上的水力要素，以此将子区域联接起来构成一个整体的数学模型[3]。本文将计算区域分成两个子区域，即二维模型计算部分和三维模型计算部分，三维模型的上边界由二维模型的计算结果提供，二维子区域的下边界条件由三维模型计算结果提供，子区域间计算因子相互传递，结合成一个整体。

2 三角洲二、三维水流盐度模型验证

2.1 模型验证条件

(1)地形资料。模型验证地形资料采用1∶500 0的河道地形图，其中西江干流(梧州至磨刀门)主要采用2005年在该地区测量的河道地形资料，其余八大口门采用最新测量的地形资料，其他地形采用1999年的实测地形资料。

(2)水文资料。模型验证水文资料取自近年来资料较为完整的史册水文系列，选用2005年1月18日—2月4日的枯水期水文组合对模型进行验证 。

2.2 模型验证成果

模型的计算时间为2005年1月18日9：00—2月4日12：00，通过实测资料对网河区及八大口门的采样点进行验证，由于篇幅关系，文中仅列出八大口门观测点的潮位验证图和4个采样点流速验证图，同时还列举3个采样点的盐度验证图(图1～图3)。

图1 八大口门观测点潮位验证

图2 观测点表底层流速验证

图3 观测点表底层盐度验证

从验证成果可见：枯水水文条件下各潮位站模型与原型的潮位过程线吻合较好，模型的涨、落潮历时和相位与原型实测资料基本一致，满足精度要求；该水文条件下流速验证过程与实测过程吻合较好，相位基本一致，并且表层流速明显大于底层流速，符合自然运动规律；盐度的验证体现其随潮流涨落而升降的特征，在网河区浓度由口门往上游沿程递减，基本反映出盐度在径潮动力共同作用下于西北江三角洲网河区的分布规律，即从垂向上看底层盐度大于表层盐度，并且磨刀门内的站位在小潮时能够形成第二次的盐度小高峰，这与实测资料相符合。从垂向的流速和盐度分布来看，垂向分布的情况基本符合现场资料分析结果，证明该模型能很好地复演珠江口盐水入侵的三维特征。

3 结论

(1)构建涵盖珠江三角洲网河及河口区的二、三维耦合的水流盐度数学模型，该模型在数值模拟方面解决因珠江三角洲网河数量多、交错复杂的水系模拟导致的计算耗时过长的问题，同时在河口区采用三维数值模拟能更精确拟合咸水上溯过程中的垂向分布形式。

(2)通过选用2005年1月18日-2月4日的枯水期水文组合对模型进行验证，结果表明本文的数学模型计算结果与实测资料吻合较好，能够体现盐水入侵的三维特征，证明数学模型的可靠性，为咸潮预警预报技术的下一步研究奠定基础。

[1] 殷建平，王友绍.特大咸潮对珠江入海河段环境要素的影响[J].热带海洋学报，2006(4)：79-84.

[2] 徐峰俊，朱士康，刘俊勇.珠江河口区水环境整体数学模型研究[J].人民珠江，2003(5)：12-18.

[3] 谢作涛，罗景.长江口一、二维嵌套水流盐度数学模型[J].武汉大学学报：工学版，2007，40(2)：7-12.

The Numerical Simulation Model of Predicting the Salt Intrusion in the Pearl River Delta

HOU Peng1，SHU Xiejun2，3

(1.Pearl River Hydraulic Research Institute，Guangzhou 510611，China；2.Consultation Center of State Oceanic Administration，Beijing 100860，China；3.South China Sea Institute of Planning and Environmental Research，SOA，Guangzhou 510300，China)

The Pearl River Delta is one of the most developed area in china，but the situation of the saltwater intrusion has become more and more serious.The saltwater intrusion has influenced the safety of getting freshwater.It is necessary to predict the situation of the saltwater intrusion in dry seasons and take some action to restrain the intrusion.The paper introduced 2-D and 3-D coupling flow and salinity mathematical models to study the tidal current fields and salt data in January，2005.The relatively well fit result between computation output and the field data indicated that the model could reasonably simulate the hydrodynamic and salt fields，which could be the base of the research on the saltwater intrusion prediction technology.

The Pearl River Delta，Saltwater intrusion，Marine disaster，Disaster prevention and mitigation

2016-02-25；

2016-07-04

侯堋，硕士，研究方向为河口与海岸动力学，电子信箱：houpen@126.com

P7

A

1005-9857(2016)08-0065-05