海河流域主要河口闸下通道风暴潮增水研究

唐 磊，孙林云，孙 波，肖立敏

(南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏 南京 210029)

海河流域主要河口闸下通道风暴潮增水研究

唐 磊，孙林云，孙 波，肖立敏

(南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏 南京 210029)

建立东海-黄海-渤海大范围风暴潮二维数学模型,对9216台风风暴潮过程进行模拟，分析渤海湾造陆工程前后风暴潮增水对海河流域主要河口(海河口、永定新河口和独流减河口)闸下区域最高潮位的影响，并探讨有效降低河口闸下通道内风暴潮潮位的开发方式。研究表明：渤海湾围填海工程实施后，闸下通道内维持自然地形时，通道内最高潮位高于工程前；闸下通道实施地形开挖后，通道内最高潮位依然高于工程前，但较自然地形条件下抬高幅值有所减小。闸下通道结合开发建设港池航道等工程实施地形开挖，使得通道内水深增加，可降低通道内风暴潮增水幅度。

渤海湾；造陆工程；海河流域；主要河口；闸下通道；风暴潮增水

Abstract: A wide-range 2D storm surge numerical model covering the East China Sea, the Yellow Sea and the Bohai Sea was established. The process of the storm surge of Tyhoon 9216 was the simulated in the model. The impact of the reclamation project on the highest tidal level (HTL) in the downstream channel of the tidal gate at the major estuaries of the Haihe River Basin during the storm surge was analyzed. And the development method to effectively reduce the storm tidal level in the downstream channel of the tidal gate was discussed. Results show that when maintaining the original terrain in the downstream channel of the tidal gate, the HTL in the channel is higher than that before the reclamation project; when excavation of the terrain in the channel is implemented, the HTL is still higher than before, but the amplitude of the storm surge in the channel will be less than that of the original terrain in the downstream channel. So the excavation of terrain to increase water depth by the development project of the harbor basin and waterway can weaken the storm surge in the channel.

Keywords: Bohai Bay; reclamation project; Haihe River Basin; major estuaries; downstream channel of tidal gate; storm surge

渤海湾是渤海三大海湾之一，是一个向西凹入的弧形浅水海湾，湾口以河北唐山市乐亭县大清河口至山东的旧黄河口一线为界，面积约1.75×104km2[1]。渤海湾水深一般小于20 m，湾内地形自湾顶向渤海中央缓倾，滩面坡度平缓，沉积物以细颗粒黏性土为主，为淤泥质海岸，局部区域沉积物为细粉沙。渤海湾是我国风暴潮灾害最严重的地区之一，一年四季均有发生，夏季有台风风暴潮灾害发生，春、秋、冬季均有灾害性温带风暴潮发生[2]。据天津市水利志记载，自1890年至1985年间，天津沿海共发生有较大影响的风暴潮20次，1985年以来共发生了约16次由台风或温带气旋影响在渤海湾产生的较严重风暴潮灾害，其中典型风暴潮有7203、9216、9711与1210台风风暴潮和2003年10月寒潮风暴潮，9216台风风暴潮对该地区影响最为显著，给社会经济和人民生命财产带来巨大损失。

针对渤海湾风暴潮研究是工程界和学术界长期以来关注的热点话题。文献[2]采用塘沽海洋站实测潮位资料对天津沿海风暴潮灾害发生时间、天数等进行统计分析，并采用耿贝尔(Gumbel)方法计算出了不同重现期的风暴潮增水值和高潮位值，为防潮工程设计提供了重要参数依据。徐明娥等[3]对2008年8月渤海湾内发生的一次风暴潮成因进行研究。大量学者[4-9]采用风暴潮数学模型对作用于渤海或渤海湾内风暴潮过程进行模拟和预报，此类研究并未考虑海岸线变化对风暴潮的影响。近十年来，为适应经济发展需要，渤海湾内开展了大量的围填海造陆工程，如曹妃甸、滨海旅游区、天津港、临港经济区、南港工业区、黄骅港等，海岸线发生了较大变化，章卫胜等[10]建立了渤海风暴潮二维数学模型，研究分析了围填海工程实施对渤海湾内及工程前沿风暴潮高潮位的影响情况。海河流域主要入海河口有海河口、永定新河口和独流减河口(简称“三河口”)，随着天津滨海新区围填海工程的实施，“三河口”新的河口延伸至海图水深3～9 m，与防潮闸之间形成约15～20 km不等的闸下通道，风暴潮作用下河口闸下通道潮位变化对河口行洪安全的影响是防洪的关键问题。

建立东海-黄海-渤海大范围风暴潮数学模型，对9216台风风暴潮过程进行模拟与验证，计算分析围填海造陆工程对海河流域主要河口闸下通道内风暴潮增水的影响，探讨有效降低河口(三河口)闸下通道内风暴潮增水的开发方式。

1 风暴潮数学模型建立与验证

1.1 控制方程

采用静压假定下的不可压缩浅水流动方程描述风暴潮运动，即纳维尔—斯托克斯(Navier-Stokes)方程。本研究主要针对平面尺度较大的海域潮流计算，故采用垂线平均后的二维水流基本方程，球坐标系下的方程表达形式如下：

连续方程：

运动方程：

式中：x、y为笛卡尔坐标系坐标；λ、φ为球坐标系坐标，分别为经度和纬度；R为地球半径，m；t为时间变量，s；η为相对于参考基面的水位，m；h=h0+η为全水深，m；U、V分别为x、y方向上的垂线平均流速，m/s；f为科氏力系数(f=2ωsinφ，ω为地球自转角速度)；ρ0为水体参考密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；pa为大气气压，hPa；A为水平紊动黏性系数，由Smagorinsky提出的亚格子法进行计算[11]；τsx、τsy分别为表面风应力在x、y方向上的分量，N/m2；τbx、τby分别为底部切应力在x、y方向上的分量，N/m2。

其中，ρa为空气密度，kg/m3；W10为海面上10 m处风速，m/s；wx、wy分别为W10在x、y方向的分量；cd为风拖曳力系数，其经验公式形式[12]如下：

1.2 模型建立

本次建立的风暴潮数学模型采用球坐标系，模型范围117.5°E～127°E、31.7°N～41.0°N，包含东海、黄海和渤海，开边界设置在长江北支口至韩国济州岛和济州岛至韩国本土岸线。模型网格示意如图1(a)，网格节点数为26 024，网格单元数为48 725，最大网格尺度为0.19°，位于模型开边界处，最小网格尺度为0.002°，位于海河流域主要河口闸下通道内。大范围水下地形来自美国国家海洋和大气管理局(NOAA)网站的公开数据，渤海湾内水下地形采用收集到的海图和局部实测地形资料。将水下地形数据插值到模型网格节点上，得到模型计算地形，如图1(b)所示。

1.3 参数选取

风场和气压场是风暴潮数学模型中的关键输入参数，采用的风场CCMP(Cross-Calibrated, Multi-Platform)资料来自ESE(NASA Earth Science Enterprise)，它结合了ADEOS-II、QuikSCAT、TRMM TMI、AMSR-E、SSM/I几种资料，利用变分方法得到。CCMP风场具有较高的精度和时空分辨率，其空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为6 h。空间范围为78.375°S～78.375°N，0.125°E～359.875°E，时间范围为1987年7月-2011年12月。张鹏等[13]采用渤海海区某观测站的实测风速风向数据对CCMP风场进行检验，结果表明，CCMP风场和实测风场风速风向相关性较好，能够代表渤海海面的风场状况。本次选取20.125°N～43.125°N、115.125°E～135.125°E范围的风场数据。气压场根据台风路径、中心气压等参数采用经验公式计算得到，具体计算方法参考文献[14-15]，典型时刻风场如图2所示。

图1 风暴潮数学模型Fig. 1 Sketch of storm surge numerical model

图2 9216台风路径与典型时刻风场和气压场Fig. 2 The wind and air pressure of Typhoon 9216 at typical moment and its path

1.4 模型验证

首先，采用国家海洋信息中心发布的《潮汐表》中渤海湾内各潮位站预报值，对天文潮过程进行验证，为节省篇幅，图3(a)仅给出塘沽海洋站天文潮验证结果；其次，采用收集到的9216台风风暴潮期间塘沽海洋站潮位实测过程，对风暴潮期间该站位的潮位和增减水过程进行验证，分别如图3(a)和图3(b)所示。从验证结果来看，模型计算的潮位和增水幅度与实测结果均较为接近，最高潮位计算值(3.16 m)与实测值(3.20 m)误差为-0.04 m，表明该风暴潮数学模型对现场风暴潮过程的模拟具有一定的精度，可运用于后续相关研究。

图4 渤海湾造陆工程前9216台风风暴潮最高潮位分布Fig. 4 The distribution of highest tide level in Bohai Bay before the reclamation during Typhoon 9216 storm surge

2 渤海湾造陆工程前后风暴潮最高潮位分析

2.1 工程前

渤海湾造陆工程实施前，风暴潮最高潮位受浅水变形作用从渤海湾口向内逐渐抬升，渤海湾湾顶沿线风暴潮最高潮位分布规律表现为由北向南逐渐增大，在南港工业区至滨州港(即套尔河口)一带风暴潮最高潮位最高，如图4所示。“三河口”闸下区域风暴潮最高潮位沿程分布规律是从外海至闸下逐渐抬升，如图5所示。“三河口”中独流减河口闸下潮位最高、永定新河口次之、海河口较永定新河口略低，分别为3.34 m、3.20 m和3.18 m。

图5 闸下通道最高潮位沿程分布Fig. 5 The distribution of highest tide level in downstream channel of tidal gate

图6 渤海湾造陆工程后三河口通道内计算网格 Fig. 6 The numeric grid in the three estuaries channel under tide gate after the reclamation in Bohai Bay

2.2 工程后

渤海湾造陆工程实施后，“三河口”防潮闸闸下均形成较长通道，沿岸陆地边界较工程前发生变化，在前文建立的风暴潮数学模型基础上，对河口区域的计算网格进行加密重构，如图6。计算分析河口闸下通道内自然和开挖地形两种不同工况下，通道内潮位沿程分布情况；并计算分析“三河口”防潮闸同时提闸泄洪条件下，通道内潮位的变化情况。各计算工况闸下通道潮位沿程分布和渤海湾内分布情况分别如图5和图7，闸下最高潮位值和通道最高潮位平均增加值分别如表1和表2所示。

表1 渤海湾造陆工程后三河口闸下最高潮位Tab. 1 The highest tide levels in three channels under tidal gate after the reclamation in Bohai Bay

表2渤海湾造陆工程后三河口通道最高潮位平均增加

Tab.2AverageincrementofhighesttidelevelsinthreeestuarieschannelsundertidalgatesafterthereclamationinBohaiBay

台风比较项目最高潮位平均增加值/m海河口永定新河口独流减河口9216台风工程后较工程前(自然地形工况)0.120.110.16工程后较工程前(自然地形与泄洪工况)0.140.110.20工程后较工程前(开挖地形工况)0.060.060.10工程后较工程前(开挖地形与泄洪工况)0.070.090.11

2.2.1 闸下通道自然地形工况

“三河口”在防潮闸闸下均配套有清淤槽工程，造陆工程实施后，形成的闸下通道内维持自然地形(即闸下清淤槽开挖而通道内不开挖)，通道内最高潮位因潮波浅水变形效应增强而较工程前有所抬高。在9216台风风暴潮作用下，海河口、永定新河口和独流减河口闸下通道最高潮位较工程前分别平均抬高0.12 m、0.11 m和0.16 m。独流减河口闸下潮位最高、永定新河口次之，海河口较永定新河口略低。

闸下通道内维持自然地形，海河口、永定新河口和独流减河口三河口同时提闸泄洪，流量分别800 m3/s、4 640 m3/s和3 600 m3/s。闸下通道内最高潮位不仅较工程前有所抬高，下泄洪水在风暴潮顶托作用下，使得该工况通道内潮位较自然地形和不泄洪情况下进一步抬高。

2.2.2 闸下通道开挖地形工况

造陆工程实施后，结合闸下清淤和港池、航道与码头前沿开挖，闸下通道内实施地形开挖后，通道内最高潮位较工程前仍有所抬高，但较河口闸下通道自然地形情况下的抬高幅度有所减小，独流减河口闸下潮位仍为三河口最高。在9216台风风暴潮作用下，海河口、永定新河口和独流减河口闸下最高潮位分别平均抬高0.06 m、0.06 m和0.10 m。

闸下通道内开挖地形，三河口同时泄洪，通道内最高潮位较工程前有所抬高，与闸下通道自然地形泄洪工况比较，其潮位抬高幅值有所减小。

综上所述，渤海湾造陆工程实施后，闸下通道内维持自然地形时，最高潮位高于工程前；闸下通道结合开发建设港区航道等工程实施地形开挖后，最高潮位依然高于工程前，但较自然地形下抬高值有所减小。可见，闸下通道结合开发建设港池航道等工程实施地形开挖，使得通道内水深增加，可降低通道内风暴潮增水幅度。

图7 渤海湾造陆工程后9216台风风暴潮最高潮位分布Fig. 7 The distribution of highest tide level in Bohai Bay after the reclamation during Typhoon 9216 storm surge

3 结 语

建立了东海-黄海-渤海大范围风暴潮数学模型，采用了CCMP风场和经验公式计算所得气压场作为模型外部驱动力的输入参数，对9216台风风暴潮过程进行模拟，并采用潮位和增减水实测资料对模型进行验证。在此基础上，分析了工程前渤海湾内最高潮位分布情况，并计算分析了工程后海河流域主要河口闸下通道内风暴潮潮位变化情况，探讨了降低通道内风暴潮增水的开发方式。得到如下主要结论：

1)渤海湾造陆工程前，风暴潮最高潮位受浅水变形作用从渤海湾口向内逐渐抬升，渤海湾湾顶沿线风暴潮最高潮位分布规律表现为由北向南逐渐增大，在独流减河口附近至滨州港(即套尔河口)一带潮位最高。“三河口”闸下区域风暴潮最高潮位沿程分布规律是从外海至闸下逐渐抬升，其中独流减河口闸下潮位最高、永定新河口次之、海河口较永定新河口略低。

2)渤海湾造陆工程实施后，三河口闸下均形成较长的通道，若通道内维持自然地形，其内最高潮位因潮波浅水变形较工程前有所抬高。三河口闸下最高潮位表现为独流减河口最高、永定新河口次之，海河口较永定新河口略低。在此条件下提闸泄洪，闸下通道内潮位不仅较工程前有所抬高，并且较河口闸下通道自然地形和不泄洪情况下会进一步抬高。

3)在三河口形成的通道内进行地形开挖，通道内最高潮位较工程前仍有所抬高，但较闸下通道自然地形情况下的抬高幅度有所减小。在此条件下提闸泄洪，通道内潮位较不泄洪情况下有所抬高，但较自然地形条件下泄洪时的潮位有所降低。

渤海湾造陆工程实施后，“三河口”闸下较长的通道内风暴潮增水有所增加，对河口行洪安全产生一定程度的影响；如闸下通道内开发建设港池航道等工程，实施地形开挖增加通道内水深，可降低风暴潮增水幅度，进而减缓其对河口行洪安全的影响。本研究成果可为其他类似河口滩涂开发建设提供借鉴。

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Study on storm surge in downstream channels of tidal gates in the major estuaries of Haihe River Basin

TANG Lei, SUN Linyun, SUN Bo, XIAO Limin

(Nanjing Hydraulic Research Institute, State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing 210029, China)

1005-9865(2016)04-0055-07

P731.23

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.008

2015-12-09

水利部公益性行业科研专项(201301067)；南京水利科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(Y215018)

唐 磊(1985-)，男，江苏靖江人，工程师，博士，主要从事港口航道工程及工程泥沙研究。E-mail：tlhppy@163.com

孙林云(1959-)，男，上海人，教授级高级工程师，主要从事河口海岸工程泥沙问题及河口综合利用规划研究。 E-mail：lysun@nhri.cn