黄河入海径流对河口海域盐度影响研究

王海霞 ，秦华伟 ，乔守文 ，李 凡 ，石洪源 ，张旭日

（1. 鲁东大学 水利工程学院 , 山东 烟台 264025；2. 鲁东大学 港口海岸防灾减灾研究院，山东 烟台 264025；3. 山东省海洋资源与环境研究院 山东省海洋生态修复重点实验室, 山东 烟台 264006）

黄河是我国第二长河，年输沙量超过亿吨，输水输沙的同时为河口地区带来丰富的营养物质[1]。温带季风气候使黄河口与周边海域相互作用，形成适宜、稳定的生态环境[2-3]，使黄河口海域成为黄渤海渔业生物重要的产卵场、孵幼场、索饵场和洄游通道。黄河口海域已监测到的海洋生物有600多种，其中渔业资源种类约有130种[4]。黄河口海域鱼卵、仔稚鱼的种类和数量，对整个黄渤海海域的鱼类资源具有重要意义[5-6]。但是，随着气候变化及人类活动影响的加剧，黄河口海域生态环境恶化，鱼类资源生存面临威胁[7-8]。已有研究表明，河口海域的盐度条件对于近海渔业资源类群的产卵特性具有重要影响[9-11]。

黄河入海径流会直接影响黄河口海域附近盐度的时空分布，从而对近海生物的生长、繁殖产生重要影响[12-13]。黄河冲淡水形成的低盐度区有利于河口海域浮游动植物的生长、繁殖，而高盐海水却对海洋生物的生长、繁殖产生抑制作用[14-15]，每年的4—6月黄河冲淡水的这一影响尤其显著。4—6月是黄河口海域梭鱼、鲅鱼、对虾、大闸蟹等重要渔业资源的产卵孵幼期，黄河冲淡水带来的水沙及营养盐条件为海域附近的浮游植物、浮游动物、鱼类等提供了丰富多样的初级生产力，为黄河口海域生物资源多样性提供了重要保障。

近些年来，在自然因素以及水库建设等人为因素的影响下，黄河入海径流量呈现显著减少趋势，对黄河口附近海域乃至整个渤海的温盐场产生重要影响[16-17]。已有研究表明：黄河入海径流量大幅度锐减，整个渤海的温盐场已发生明显变异[18]。随着计算机模拟技术的不断发展，利用海洋数值模型结合现场综合测量，具有可视化、成本低、计算速度快以及参数可控等优势，能够有效解决现场观测所需时间长、资源投入量大、受环境及其他因素限制等问题，成为研究河口海域物理过程的重要手段[19-22]。因此，针对黄河入海径流量锐减所产生的一系列问题，有必要基于数值模式研究新条件下黄河口附近海域盐度扩散特征，探明黄河入海径流对河口海域盐度影响的时空变动规律，对于合理利用黄河水、保护黄河口海域生物多样性以及实施黄河流域生态保护与高质量发展提供科学依据。

1 方法介绍

有限体积海岸海洋模型FVCOM（Finite Volume Coastal Ocean Model）是由美国麻省大学（University of Massachusetts）陈长胜博士带领的海洋生态动力学模型实验室与伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）的Beardsley博士合作开发建立的海洋环流与生态模型[19,23]。模型是以三维 N-S方程为基础，通过有限体积法对控制方程进行离散求解，可以更好保证在复杂岸线和地形条件下计算范围内单元间的标量和动量守恒。模型融合有限体积法、自由表面和三维原始方程，在垂向上采用σ坐标系，该坐标系可以更好地拟合复杂的地形，提升对河口海域海底多变地形的拟合程度，在水平方向上采用无结构化不规则的三角形网格，可以更好地拟合曲折多变的复杂岸线，采用的干湿网格判别法能较好地模拟出海水涨落潮期间的滩涂或潮间带淹没及露出情况。FVCOM 源代码开源，获取方便，模型多适用于海湾、河口、陆架和海洋等区域，并已成功应用于我国渤海、黄海、东海等海域[24-27]。其表达式如下：

动量方程：

连续方程：

盐度方程：

假定模型中海水密度仅和温度变量以及盐度变量的变化有关，构造成简单线性方程，可以表示为：

计算盐度的海洋表面边界条件方程如下：

计算盐度的海洋底面边界条件方程如下：

由于海洋底部边界不规则，为了减少因海底地形变形而产生的虚假扩散和虚假流动，在垂直方向采用σ坐标对海洋底部地形起伏进行平滑处理，方程如下：

式（1）～（12）中：x、y和z分别为直角坐标系中的东向、北向和垂直坐标轴；u、v、w分别为x、y、z方向的速度分量；θ为温度；S为盐度； ρ为海水密度；P为压强；f为科氏参量；g为重力加速度；Km为垂直旋转黏性系数；Kh为 热量垂直旋转扩散系数；Fu,Fv分 别为动量在正东、正北方向的分量；FT,FS分别为热量和盐度的扩散项；AH为 水平热量的扩散系数；α为 与海底地形所成角度；Pˆ为降水率；E为蒸发率；D为总水深；H为平均海平面以下的水深；ζ为平均海平面以上的自由海面高度；σ值的大小自海底为−1至海表为0。

模型中底摩擦系数计算方程如下：

式中：k=0.4为von Karman常数，Zab为离海底最近的 σ层与海底间的距离，Z0为海底粗糙度。

2 研究区概况及模式建立

2.1 研究区概况

黄河口海域多年平均气温为13.0 ℃，全年以1月份平均气温最低，为0.5 ℃，8月份平均气温最高，为25.6 ℃。多年平均降水量为434.3 mm，全年降水主要集中在夏季，特别是7、8月份。研究区域受季风影响明显，全年最多风向主要为东北向和西南向，其中，冬、春季东北风偏多，夏、秋季西南风偏多。累年平均风速为5.2 m/s，夏季平均风速较小，在4.3～5.1 m/s，春、冬季风速相对较大，在4.8～6.5 m/s。平均相对湿度为71%，一年中，1—7月份相对湿度逐渐增大，7月最大，达到84%；7—12月份逐渐减小，12月份最小，只有64%。工程所在海域雾日较少，累年平均为19.1 d。

2.2 模式建立

本文基于较高分辨率的黄河口岸线和地形数据，利用FVCOM模式建立黄河口海域三维水动力数值模拟，模式中各参数及工况设置如下。

1）网格、水深、岸线设置

网格：为了能够了解黄河口附近海域潮位、潮流和盐度变化情况，在黄河口附近进行了网格加密处理。黄河口附近岸线的网格分辨率在50～100 m，莱州湾岸线的网格分辨率在100～500 m，开边界网格分辨率在1～2 km。整个计算区域在水平方向上共有100 428个三角形网格单元和51 499个节点。

水深：外海水深使用的是由美国地球物理中心（U.S. National Geophysical Data Center，NGDC）发布的ETOP1地形高程数据[28]；黄河口附近近岸水深选取中国人民解放军海军航海保证部制作电子海图，根据沿海海洋站潮位与最低理论基准面关系对海图水深进行修正，同时利用部分工程和勘测数据。渤海湾水深值介于0～60 m，黄河口附近及莱州湾海域水深在0～20 m。

岸线：岸线由海图岸线，以及工程附近海岸线勘测资料和Google earth最新岸线信息拼接而成。

模型网格设置及水深分布如图1a～1c所示。潮位、潮流、盐度测站的地理位置如图1d所示。

图1 黄河口海域模式网格设置、水深分布及测站位置Fig. 1 Mode grid settings, water depth and monitoring station location in the waters of the Yellow River Estuary

2）工况设置

图2是1950—2020年间黄河利津站径流量的变化过程统计结果。由图2可以看出，黄河入海径流量年内分配极为不均，丰水期（6—10月）径流量较多，枯水期（11月—翌年5月）径流量较少。1985年以后黄河入海径流量明显减少，但自2008年黄河实行生态补水后，入海径流量特别是6—10月的径流量，多数年份有明显增加。

图2 1950—2020年利津站径流量分布Fig. 2 Distributions of runoff volume from 1950 to 2020 at the Lijin station

协调好农业用水与生态用水的矛盾，是实现黄河流域生态保护和高质量发展的关键。5月是黄河口海域鱼类产卵育幼的关键期，盐度条件对海域的生物量具有重要影响。同时，5月是黄河流域农业用水的重要时期，农业用水需求较大。在黄河淡水总量有限的前提下，工业与生活、农业、生态环境用水相互竞争，使入海径流量年际变化较大。为分析不同用水户竞争后对近海盐度的影响，本文设置了几种不同的5月日径流工况，分析不同径流下黄河口海域的盐度场特征，为黄河口海域的生物资源保护提供一定参考。

模式垂直方向分为20个sigma层，计算采用内外模分裂算法，其中内模时间步长设置为0.5 s，外模时间步长设置为10 s。模型盐度初始场采用SODA（Simple Ocean Data Assimilation）数据[29]，风场采用ERA5（ECMWF Reanalysis v5）数据[30]，分辨率为0.25°×0.25°。模型选用了8个主要分潮（ M2、 S2、 N2、 K2、 K1、 O1、 P1和 Q1），根据调和常数设置了模型开边界条件。模拟过程中，黄河淡水盐度为0，开边界盐度设置为32。分别模拟丰枯水期典型月份和5月不同径流条件下黄河口盐度扩散情况，详细信息见表1。

表1 模型各工况设置详细信息Table 1 Information about the operation settings for the model

3 模型验证及结果分析

3.1 模型验证

为验证模型的准确性，选取6个潮位站（T1、T2、H1、H2、H3、H4）、4个潮流站（H1、H2、H3、H4）和2个盐度站（S1、S2）进行验证。其中潮位验证包括2个长时间序列（T1、T2）和4个短时间序列（H1、H2、H3、H4）的数据对比。选择均方根误差（Root Mean Square Error，ERMS）、相对平均误差（Relative Mean Error，ERM）和模型技能参数（SM）等作为长时间序列潮位验证的指标，各指标计算如下所示：

1）均方根误差ERMS：

2）相对平均误差ERM：

3）模型技能参数SM：

式中：Mi和Oi分别为模拟和实测值(i=1，2，3，…，N)，N为时间序列的总长度，O为实测数据的平均值。

将FVCOM模式运行得到的各测站位置的潮位、潮流和盐度数据与各测站实测数据进行对比，验证模式可靠性。潮位、潮流及盐度验证结果表明，所建模型对研究区海域水动力和盐度的模拟效果较好，模型基本能够模拟出黄河口海域的实际情况，可以用来对研究区进行进一步模拟分析。

1）潮位验证

模型验证结果如图3所示。模型计算得到长时间潮位验证中T1测站的均方根误差、相对平均误差和模型技能参数为0.05、4.2%和0.961，T2测站的均方根误差、相对平均误差和模型技能参数为0.177、8.24%和0.957。

图3 长时间潮位验证曲线Fig. 3 Curves of long-term tide level validation

短时间潮位验证结果中，最高潮位值最大相差3 cm，最低潮位值最大相差8 cm，误差在（±10）cm以内，除H1测站受无潮点影响相位偏差略大，其他测站潮位振幅和相位模拟值与实测值基本一致，如图4所示。

图4 短时间潮位验证曲线Fig. 4 Curves of short-time tide level validation

2）潮流验证

通过监测点的潮流数值计算结果和实测资料验证，得到流速的大小及方向、转流发生时刻等的模拟值与实测值基本一致，除了H3测站底层平均流速偏差略大外，其他各站位涨落潮平均流速最大误差在±7%以内，相差不到10%。部分站位潮流验证曲线如图5所示。

图5 H1测站、H3测站潮流验证曲线图Fig. 5 Verification curves of tidal currents at H1 and H3 stations

3）盐度验证

分别选用枯水期2月和丰水期8月东营站（S1）及龙口站（S2）实测数据与数模计算结果进行验证，结果如图6所示。东营站距离黄河口较近，受黄河径流影响较大，枯丰季盐度模拟与实测结果有一定差距，差值均在1以内。龙口站距离黄河口较远，受黄河径流影响较小，模拟与实测结果一致性较好，绝对差值均在0.1以内。总体来讲，模型能够很好地模拟计算海域的盐度变化状况。

图6 东营站及龙口站2月和8月盐度模拟结果Fig. 6 The simulated salinity in February and August at Dongying and Longkou stations

3.2 结果分析

1） 流场特征

对枯水期（2月）及丰水期（8月）径流输入引起的黄河口周边海域的流场变化特征进行分析。分别提取涨急、涨憩、落急、落憩四个典型时刻的表层潮流，其分布如图7所示。

由图7可以看出，在余流作用下，黄河冲淡水长期向莱州湾输入。高流速区域主要集中在黄河口和莱州湾南部，莱州湾的流速普遍在0.3 m/s以下。黄河口与莱州湾之间存在明显的顺时针环流系统，这也是黄河口海域和莱州湾进行盐度交换的方式之一。黄河冲淡水在地形和科氏力影响下，会出现明显的“南偏”现象，涨潮和落潮的方向是造成黄河冲淡水向南扩散的原因之一。黄河口西北侧的潮流方向是沿着岸线，随着涨落潮在NW—SE方向上往复，黄河口以南包括莱州湾的潮流方向均随着涨落潮在NE—SW方向上往复。黄河入海口口门朝向偏北。涨潮时，丰水期黄河口西北方潮流的运动方向是NW向，黄河入海冲淡水向南扩散流速被抵消，所以丰水期涨急时刻，黄河口附近高流速区域反而小，落急时刻高流速范围更大。

图7 枯水期及丰水期表层流场分布Fig. 7 The distribution of surface flow for in dry and wet seasons

2）盐度场特征

27以下的低盐度区域是极适合海洋生物生存的，因此27等盐线是衡量盐度分布的一个重要指标。由图8可以看出，受径流影响丰水期和枯水期的盐度分布差异较大。枯水期日平均径流量为209.783 m3/s，黄河冲淡水影响区域仅在莱州湾西北部，27以下区域只集中在黄河口门附近。冬季，风主要为西北和东北向，低盐度水有明显东南向的扩散趋势，但是黄河冲淡水供给不足，只在黄河口南部不远处形成一小团低盐度区域。表层27等盐线包络面积大约为199.65 km2，表层和底层的盐度分布差别不大。

图8 枯水期（2月）及丰水期（8月）表层、底层盐度月均分布Fig. 8 The monthly distribution of surface and bottom salinity in dry season (February) and wet season (August)

丰水期黄河日平均入海径流量为2 761.935 m3/s，在高入海径流量影响下，黄河冲淡水几乎影响了整个莱州湾。27盐度锋可以扩散到莱州湾中部，占整个莱州湾1/4左右。表层盐度场中27等盐线的包络面积约为2 665.61 km2。夏季，黄河口东南风向居多，低盐度水向东南方向的扩散受到限制，在表层流作用下，低盐度水主要集中在莱州湾西北向。同时，黄河口及莱州湾海域夏季有明显的分层现象，表层和底层盐度分布差别很大。

3）5月不同径流量情况下盐度场特征

由图9可以看出，5月最小日均径流量产生的盐度场，27以下的低盐度区域只存在黄河入海口门附近。5月最大、1.5倍最大、2倍最大日均径流量产生的盐度场，黄河冲淡水向东和向南扩散的距离和面积都明显增加。经计算，最小日均径流量产生的27等盐线的包络面积为83.31 km2，最大日均径流量产生的包络面积为588.74 km2，后者是前者的7倍左右。1.5倍最大日均径流量产生的包络面积为939.88 km2，2倍最大日均径流量产生的包络面积为1 379.43 km2，是最大日均径流量的2.3倍左右。

图9 5月不同径流量时表层盐度分布Fig. 9 The distribution of surface salinity under the cases of different runoff in May

最小日均径流量产生的27等盐线向北扩散的最远距离距黄河口垂直距离为8.22 km，向东扩散的最远垂直距离为10.11 km，无向南的扩散。最大日均径流量产生的27等盐线向北扩散的最远垂直距离为16.91 km，向东扩散的最远距离为11.46 km，向南扩散的最远距离为18.38 km。1.5倍最大径流量产生的27等盐线向北扩散的最远距离为21.25 km，向东扩散的最远距离为21.98 km，向南扩散的最远距离为18.48 km。2倍最大径流产生的27盐度场向北扩散的最远距离为25.52 km，向东扩散的最远距离为27.22 km，向南扩散的最远距离为23.94 km。

4 结 论

黄河具有明显的丰水期和枯水期，入海径流量动态变化。本文以黄河下游利津水文站的长序列实测径流数据资料为基础，利用近海水动力模型FVCOM，分析黄河入海径流变化对河口海域盐度的影响规律，得出以下结论：

1）黄河口附近冲淡水在环流作用下，以顺时针方向向渤海扩散。黄河口与莱州湾之间存在顺时针环流系统，黄河口西北方向的潮流在NW和SE方向往复，黄河口南部包括莱州湾的潮流在NW和SE方向往复。在余流以及涨落潮方向的影响下，黄河冲淡水长期向莱州湾扩散。

2）丰水期和枯水期27盐度锋包络面积差异巨大。丰水期黄河冲淡水几乎影响了整个莱州湾，27盐度锋可以到达莱州湾中部，27等盐线的表层包络面积为2 665.61 km2，占莱州湾的1/4左右。枯水期低盐度水只有向南扩散的趋势，27以下的低盐度水集中分布在黄河口门附近，27等盐线的表层包络面积只有199.65 km2。

3）黄河冲淡水对27等盐线具有重要影响。5月份，随着入海径流量增加，27等盐线扩散的范围、距离、方向都会发生明显变化。

本文入海径流对黄河口海域盐度影响的研究工作能为黄河入海径流管理及渤海渔业资源保护和管理提供科学依据。黄河口海域附近的盐度条件与黄河口入海径流量的变化情况密切相关，在近海生物资源对盐度条件有特殊要求的时期，可以通过减少农业或其他用水户的供水量，增加入海生态径流量，为黄河口海域生物资源提供适宜的盐度条件，促进其生长繁殖。