曾 明 , 孙效功, 范德江
(1.中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东 青岛 266100; 2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081)
黄河调水调沙期间入海泥沙沉积动力过程的数值模拟*
曾 明1, 孙效功2**, 范德江1
(1.中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东 青岛 266100; 2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081)
本文根据2007年黄河调水调沙期间黄河三角洲及其毗邻海域的水文、泥沙调查数据资料,使用Mike 3三维水沙数值模型模拟了黄河调水调沙全过程(低流量、高流量、高含沙量)入海水沙输运过程,揭示了人造洪峰下水沙扩散范围和特征,分析了泥沙入海后的沉积动力学机制。研究发现:入海淡水和表层细颗粒泥沙主要以异轻羽状流形式向外海和河口两侧沿岸扩散,中、底层粗颗粒泥沙向外海扩散非常有限,有少量向河口两侧沿岸扩散,扩散范围小于表层;河口区在涨-落、落-涨潮流转换时刻分别存在着潮流切变锋,切变锋均形成在浅水区,而后向深水区移动,切变锋的发生对泥沙向外海扩散有着明显的阻隔作用。
黄河口;调水调沙;三维数值模拟;水沙输运规律;沉积动力过程
黄河是中国第二大河,以水少沙多闻名于世,多年年平均入海的泥沙约为10.8亿t[1]。黄河水利委员会于2002年7月开始了第一次“调水调沙”试验,该试验利用黄河干流的大型水库,以制造人造洪峰的方式将占全年20%以上的径流和30%以上的泥沙在20天左右输送入海[2]。调水调沙实施以来,现行河口的叶瓣由侵蚀状态转变为淤积状态[3],河口泥沙异重流变的不常见,异轻流成为泥沙向海扩散的主要方式[4]。调水调沙的实施改变了黄河入海水沙的自然形态,改变了泥沙向海扩散的方式,对黄河三角洲近岸带地形、地貌演化以及近海海洋生态环境产生了深远影响[5-10]。
近年来,有的学者基于现场调查数据,研究了调水调沙期间黄河入海水沙的扩散规律,对调水调沙期间黄河入海水沙的基本扩散态势有了一定的认识[11-13];有的也基于卫星遥感资料进一步研究了黄河河口区的蚀-淤状态,并得到了新的认识[3];个别学者还利用数值模拟方法对黄河洪、枯季的水沙输运[14]和调水调沙期间入海泥沙输运[15]进行了模拟,也取得了较好的结果。迄今为止,虽然许多学者对调水调沙期间黄河入海水沙的扩散规律以及河口沉积动力过程进行了系列研究,但尚缺乏对调水调沙全过程河口沉积动力过程的完整认识。
本文立足于调水调沙期间黄河三角洲及其毗邻海域的水文泥沙调查资料,结合实测资料验证的三维水沙数值模型,通过对黄河调水调沙输送入海全过程的数值模拟,力图详细了解调水调沙期间入海水沙的输运规律,探讨其沉积动力过程的控制机制。
1.1 调水调沙期间入海水沙形态
2007年调水调沙开始于6月19日,一直延续到7月7日,共18 d。这期间,入海水沙不同步,2007年黄河调水调沙期间利津站入海逐日径流量、输沙率如图1所示,据此可以分为3个阶段: 6月19~6月25日的调水调沙之前阶段(低流量、低沙量),其入海径流量不超过300m3/s,输沙率为0.1t/s左右;6月26日~7月6日的调水调沙第一阶段(高流量、中沙量),7月3日径流量达到最高值,为3800m3/s,其输沙率为46.4t/s;7月7日的调水调沙第二阶段(中流量、高沙量),其径流量为2310m3/s,输沙率达到调水调沙期间最高值,为73.1t/s。其中6月26—7月7日入海水量均超过2000m3/s,7月3日入海水量最高,达到3800m3/s。
1.2 调查站位布设和数据分析
2007年6月29—7月6日黄河调水调沙期间,在黄河三角洲海域进行了3断面3船同步25h(1个潮周期)的连续观测,另布设了24个大面站(见图2)。采用YSI公司1000kHz ADCP测流速、流向,采用ALEC水质仪及RBR自容式CTD测温度、盐度及浊度,获得了研究海域的流速、流向、温度、盐度、浊度等实测数据。同时,在6个预设层位(表层,0.2,0.4,0.6,0.8h,底层)采集水样各500mL左右,每小时1次,经抽滤、洗盐后,并在50℃条件下烘干24h,然后使用1/100000天平称重,获得水体悬浮泥沙含量。
采用MIKE 3三维水沙模型来模拟黄河调水调沙期间入海水沙的输运。MIKE 3是丹麦水力研究所(DHI)开发的MIKE系列水沙模型的三维版本,有着几十年的开发和运用经验,能较好地模拟近海水动力和泥沙输运,在全世界河口海岸有诸多成功的应用[16-19]。该模型包括水动力模块(HD)、对流模块(AD)、波浪模块(SW)、粒子追踪模块(PT)、泥输运模块(MT)、沙输运模块(ST)等几大部分。
2.1 三维水动力模块
笛卡尔坐标系统中的水动力的连续方程如下:
x、y向水平动量方程:
其中:t为时间;x、y、z为笛卡尔坐标轴;η为表层潮位;d为静水深;h=η+d为表示总水深;u、v、w为x、y、z方向的速度分量;f=2Ωsinφ为科氏力系数;g为重力加速度;ρ为水的密度;Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力张量要素;Vt为垂向扰动黏滞系数;Pa为大气压力;ρ0为水的相对密度;S为点源的流量;us、vs为水体间相对运动的的速度分量。
2.2 泥沙输运模块
Mike3泥沙模块中,主要研究的是粘性和非粘性泥沙的运移过程,该模块对泥质和砂质等不同类型的沉积物分别进行定义,包括絮凝、沉降、再悬浮、层间运移等过程。其中,黏性泥沙是指平均粒径小于60μm的泥沙颗粒,而非黏性泥沙则指平均粒径在60~500μm的泥沙颗粒。由于渤海沉积物及黄河入海泥沙的平均粒径大部分都是小于60μm,因此本文采用Mike3粘性泥沙模块(MT)来进行数值研究。
泥沙运移数值模拟是建立在水动力模块中对流-扩散计算基础之上的,其中泥沙运移的控制方程如下:
其中:c为水体含沙量(kg/m3);t为时间(s);x、y、z为原点o置于某一水平基面,z轴垂直向上的直角坐标系坐标;u、v、w为空间流速矢量分别沿x、y、z方向的速度分量(m/s);Dx、Dy、Dz为泥沙沿x、y、z方向上的紊动扩散系数(m2/s);S为沉积/侵蚀量(kg·m-3·s-1); QL为泥沙源强(m3·s-1·m-2); CL为泥沙源强浓度(kg·m-3)。
2.3 水沙数值模型的设置及验证
2.3.1 模型设置
(1)水深和岸界
模型使用的是ETOP5的1/12度水深资料,渤海湾及黄河口附近海域水深由2000年渤海湾实测水深和2004年黄河口36断面实测水深替换,黄河三角洲岸线采用2004年资料(见图3)。
(2) 开边界输入
开边界:利用辽宁登沙河(A点)、山东鸡鸣岛(B点)潮位观测资料调和求得的M2、S2、K1和O14个主要分潮调和常数值输入计算。
(3)径流边界条件
本论文模型里只考虑黄河注入渤海,黄河径流边界条件采用的是黄河利津站2007年6和7月逐日径流量、输沙率数据。
(4)渤海底质类型资料
渤海底质类型资料来自2005年出版的《中国东部海域海底沉积物成因环境图》[20]数字化结果。渤海底质类型以粉砂质粘土和粘土质粉砂为主,细砂主要分布在水动力较强的渤海海峡北部和辽东浅滩,黄河水下三角洲的表层沉积物以粉砂质粘土为主。
(5)温盐条件
模型初始盐度值设为32 psu,径流盐度值为0;研究区初始温度设为20℃,模型计算期间温度不变。
2.3.2 模型验证 模拟结果经2007年调水调沙期间三角洲近岸海域连续站实测资料验证,证明其潮位、流速、流向、悬沙浓度基本能反映调水调沙期间黄河三角洲及其邻近海域的水动力泥沙输运特征,可用于入海水沙的扩散规律分析。
(1)潮位验证
模拟得到的潮位变化和三角洲近岸海域6个连续站位的潮位实测数据吻合良好,基本趋势一致,但是实测数据波动较大,表明水文模型模拟潮位效果较好。潮位验证如图4。
(2)流速、流向验证
模型得到的潮流的流速、流向与实测结果符合度较高,两者的趋势完全一致(见图5)。
(3)悬沙浓度验证
模型得到的悬沙浓度与测试悬沙浓度在不同层位符合程度不一,在底层,模拟结果和实测结果相关性较好,两者的变化趋势基本一致。在表层,两者符合度差,实测数据明显高于模型的数据。如图6。
3.1 调水调沙入海淡水的输运
3.1.1 低流量状态下黄河入海淡水的扩散(调水调沙之前) 低流量涨潮时,表层淡水主要向河口南侧扩散,底层水体基本不受淡水扩散影响,始终为海水控制(见图7A、B);落潮时淡水随落潮流向西北方向扩散,扩散范围大于涨潮时(见图7C、D)。从涨、落潮时河口剖面盐度分布可以看出(见图7E、F),淡水浮于海水表层向海有少量扩散,落潮时扩散量高于涨潮时,口门外水体垂向分层较为明显,河道内海水入侵程度较涨潮时有所减弱。
3.1.2 高流量时入海淡水的扩散(调水调沙第一阶段) 6月26—7月7日黄河逐日入海水量均在2000m3/s以上,其中7月3日入海水量最高,达到3 800 m3/s。通过涨潮时盐度等值线可以看出,高流量时表、底层淡水扩散范围均大于低流量时,表层扩散范围远大于底层,低于4 psu的低盐度水以舌状偏向河口南侧,10 psu的等盐度线能到达原清水沟废弃河口,底层淡水主要集中在河口附近,少量向河口两侧沿岸扩散,向海扩散有限(见图8A、B);落潮时表层扩散范围远大于底层,受落潮流影响,淡水扩散范围较涨潮时整体向北偏移,低于4 psu的低盐度水以舌状偏向河口北侧,10 psu的等盐度线能到达神仙沟外海(见图8C、D)。从河口断面的盐度分布可以看出,因流量较大,涨潮时河道内基本为淡水控制,口门外淡水扩散范围较大,淡水浮于表层向外扩散,盐度垂向分层明显, 落潮时河道内基本为淡水控制,落潮时淡水扩散量比涨潮时大,口门处垂向混合较为均匀(见图8E、F)。
高含沙量时(调水调沙第二阶段),入海淡水量较高流量时(调水调沙第一阶段)变小,淡水随涨、落潮流的扩散方式与高流量时相似,其详细的扩散过程在此略过。
3.2 调水调沙期间泥沙的输运
3.2.1 低流量时黄河入海泥沙的扩散(调水调沙之前) 低流量时入海泥沙量较低,受涨、落潮流影响,涨潮时表层泥沙主要向河口南侧扩散,落潮时则主要向河口北侧扩散,落潮时入海泥沙量和扩散范围大于涨潮时(见图9A、B、C、D、E、F)。
(A-涨潮时表层盐度分布A-salinity distribution of the surface layer at flood tide phase;B-涨潮时底层盐度分布B-salinity distribution of the bottom layer at flood tide phase;C-落潮时表层盐度分布C-salinity distribution of the surface layer at ebb tide phase;D-落潮时底层盐度分布D-salinity distribution of the bottom layer at ebb tide phase;E-涨潮时河口剖面盐度E-salinity distribution of cross-section in the estuary at flood tide phase;F-落潮时河口剖面盐度F-salinity distribution of cross-section in the estuary at ebb tide phase.)
图7 低流量状态下入海淡水的扩散
Fig.7 Disperse patterns of river-delivered fresh water in low-flow period
(A-涨潮时表层盐度分布A-salinity distribution of the surface layer at flood tide phase;B-涨潮时底层盐度分布B-salinity distribution of the bottom layer at flood tide phase;C-落潮时表层盐度分布C-salinity distribution of the surface layer at ebb tide phase;D-落潮时底层盐度分布D-salinity distribution of the bottom layer at ebb tide phase;E-涨潮时河口剖面盐度E-salinity distribution of cross-section in the estuary at flood tide phase;F-落潮时河口剖面盐度F-salinity distribution of cross-section in the estuary at ebb tide phase.)
图8 高流量时入海淡水的扩散
Fig.8 Disperse patterns of river-delivered fresh water in high-flow period
(A-涨潮时表层泥沙浓度A-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the surface layer at flood tide phase;B-涨潮时底层泥沙浓度B-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the bottom layer at flood tide phase;C-落潮时表层泥沙浓度C-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the surface layer at ebb tide phase;D-落潮时底层泥沙浓度D-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the bottom layer at ebb tide phase;E-涨潮时河口断面泥沙浓度E-the Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary at flood tide phase;F-落潮时河口断面泥沙浓度F-the Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary at ebb tide phase.)
图9 低流量时入海泥沙扩散
Fig.9 Disperse patterns of river-delivered suspended sediment in low-flow period
3.2.2 高流量时黄河入海泥沙的扩散(调水调沙第一阶段) 调水调沙第一阶段时,入海水沙量较大,涨、落潮时表、底层泥沙扩散范围远大于较低流量时,底层泥沙浓度高于表层(见图10A、B、C、D)。涨潮时表层泥沙主要向河口南侧扩散,能扩散至原清水沟废弃河口近岸海域,而落潮时表层泥沙随落潮流可扩散至神仙沟近岸海域;底层泥沙涨潮时主要向河口南侧扩散,落潮时向河口北侧扩散,底层泥沙向外海扩散有限,因河口区涨潮流大于落潮流,从而导致涨潮时泥沙扩散距离大于落潮时。通过高流量涨、落潮时河口断面泥沙浓度分布也可看出(见图10E、F),入海泥沙向外海扩散有限,主要沉积在河口近岸海域,底层泥沙浓度明显高于表、中层。
3.2.3 高含沙量状态下黄河入海泥沙的扩散(调水调沙第二阶段) 本次调水调沙接近尾声时,入海泥沙量在7月7日达到了最高值,含沙量为31.645kg/m3。这一阶段的泥沙扩散特征与高流量时类似,主要沿岸线向河口两侧扩散,受径流量减小及河口潮流动力减弱的影响,高含沙量状态下入海泥沙扩散距离小于高流量时(图11A、B、C、D、E、F)。
(A-涨潮时表层泥沙浓度A-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the surface layer at flood tide phase;B-涨潮时底层泥沙浓度B-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the bottom layer at flood tide phase;C-落潮时表层泥沙浓度C-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the surface layer at ebb tide phase;D-落潮时底层泥沙浓度D-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the bottom layer at ebb tide phase;E-涨潮时河口断面泥沙浓度E-the Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary at flood tide phase;F-落潮时河口断面泥沙浓度F-the Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary at ebb tide phase.)
图10 高流量时入海泥沙扩散
Fig.10 Disperse patterns of river-delivered suspended sediment in high-flow period
4.1 河口羽状流
黄河入海水沙以异轻、异重羽状流两种形式扩散和沉积。黄河口区洪水期水体包含潮汐盐水层(主要分布在三角洲前缘中下部深水区,当位于水体底部时,含沙量较高 )、异轻羽状流(主要分布在水体中上层,含沙量较低)和异重羽状流层(主要分布在水体中下层、底层,含沙量高)[ 21-22]。
本文通过数值模拟发现异轻羽状流是黄河调水调沙期间入海泥沙向海输送的重要形式。在黄河低流量状态下,入海泥沙主要是以异轻羽状流形式向外输送(见图9E、F),表层含沙量明显高于底层;在高流量和高含沙量状态下,河口区底层泥沙浓度高于表层,这可能是由于入海粗颗粒泥沙含量升高或发生了泥沙絮凝作用所导致的,而异轻羽状流亦是细颗粒泥沙向外输送的重要形式(见图10E、11E)。
(A-涨潮时表层泥沙浓度 A-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the surface layer at flood tide phase;B-涨潮时底层泥沙浓度B-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the bottom layer at flood tide phase;C-落潮时表层泥沙浓度C-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the surface layer at ebb tide phase;D-落潮时底层泥沙浓度D-distribution of the Suspended Sediment Concentration(SSC) in the bottom layer at ebb tide phase;E-涨潮时河口断面泥沙浓度 E-the Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary at flood tide phase;F-落潮时河口断面泥沙浓度 F-the Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary at ebb tide phase)
图11 高含沙量下入海泥沙扩散
Fig.11 Disperse patterns of river-delivered suspended sediment in high sediment concentration period
4.2 河口切变锋
在河口区涨、落潮转换阶段,受岸线和海底地形的影响,出现了內涨-外落型和外涨-内落型切变锋,Wang等[23]根据实测资料分析,认为黄河口切变锋发生在潮流转流时,形成于浅水区,并向深水区移动,在一个潮周期内历时约4h。本文数值模型显示在调水调沙期间黄河口近岸海域涨-落、落-涨潮流转换时刻皆存在着河口切变锋,其切变锋在涨、落潮时皆持续约2h。
内涨-外落型和外涨-内落型切变锋均形成在浅水区,而后向深水区移动(见图12A、B、C、D)。此时研究海区潮流速度较小,三角洲近岸区流向一致,与外海区流向基本相反,两者间存在着流速低值区,入海泥沙主要是沿岸输运。
河口断面盐度和悬沙浓度分布(见图12E、F、G、H)所示,切变锋两侧水沙扩散形态不同,內涨-外落型切变锋向岸侧处于涨潮状态,口门外浅水区盐水入侵,淡水浮于表层,向海侧处于落潮状态;外涨-内落型切变锋向岸侧处于落潮状态,入海淡水扩散量增加,而向海侧处于涨潮状态,河道内泥沙向海扩散量高于內涨-外落型切变锋时。切变锋的存在阻隔了入海泥沙的向海扩散,使得入海泥沙主要沉积在近岸浅水区。
(A-內涨-外落切变锋1时刻表层流场A-velocity distribution of the surface layer flow for the shear front of inner-flood-outer-ebb at the 1st hour;B-內涨-外落切变锋2时刻表层流场B-velocity distribution of the surface layer flow for the shear front of inner-flood-outer-ebb at the 2nd hour;C-外涨-内落切变锋1时刻表层流场C-velocity distribution of the surface layer flow for the shear front of inner-ebb-outer-flood at the 1st hour;D-外涨-内落切变锋2时刻表层流场D-velocity distribution of the surface layer flow for the shear front of inner-ebb-outer-flood at the 2nd hour;E-內涨-外落切变锋第1时刻河口断面盐度E-salinity distribution of cross-section in the estuary for the shear front of inner-flood-outer-ebb at the 1st hour;F-外涨-内落切变锋第1时刻河口断面盐度F-salinity distribution of cross-section in the estuary for the shear front of inner-ebb-outer-flood at the 1st hour;G-內涨-落第1时刻河口断面泥沙浓度G-Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary for the shear front of inner-flood-outer-ebb at the 1st hour;H-外涨-内落第1时刻河口断面泥沙浓度H-Suspended Sediment Concentration(SSC) distribution of cross-section in the estuary for the shear front of inner-ebb-outer-flood at the 1st hour)
图12 河口切变锋发育状态
Fig.12 The generation of different patterns of the shear front
本文基于2007年黄河调水调沙期间黄河三角洲及其邻近海域的实际调查资料,利用Mike 3三维水沙数值模型模拟了黄河调水调沙全过程(低流量、高流量、高含沙量)的水沙输运特征,并探讨了黄河入海水沙输运的动力学机制。主要结论如下:
(1)黄河调水调沙期间入海淡水主要浮在海水表层向海扩散,低流量(调水调沙前)涨潮时淡水随涨潮流向河口南侧扩散,落潮时则随落潮流向河口北侧扩散,落潮时淡水扩散范围大于涨潮时,口门外水体垂向分层较为明显;高流量时(调水调沙第一阶段)表、底层淡水扩散范围均大于低流量时,淡水浮于表层向外扩散,扩散范围大于底层,口门外盐度分层明显;高含沙量时(调水调沙第二阶段)入海淡水的扩散方式与高流量时相似,扩散幅度较高流量时变小。
(2)黄河低流量时(调水调沙前)入海泥沙以细颗粒泥沙为主,主要以异轻羽状流形式向海扩散,涨潮时泥沙主要向河口南侧扩散,落潮时则主要向河口北侧扩散,泥沙扩散范围和扩散量大于涨潮时;高流量时入海泥沙量较大,涨、落潮时表、底层泥沙扩散范围远大于低流量时,底层泥沙受河口切变锋阻隔影响,向外海扩散有限。高含沙量时泥沙扩散特征与高流量时类似,主要沿岸线向河口两侧扩散,高含沙量状态下入海泥沙扩散距离小于高流量时。
(3)在涨-落、落-涨潮流转换时刻分别存在着河口潮流切变锋,这两型切变锋均形成在浅水区,而后向深水区移动,在一个潮周期内历时约4 h,此时研究海区潮流速度较小,三角洲近岸区流向一致,与外海区流向基本相反,两者间存在着流速低值区,切变锋的发生对泥沙向外海扩散有着明显的阻隔作用。
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责任编辑 徐 环
Numerical Simulating on Sediment Transportation in the Estuary and its Adjacent Areas During the Water and Sediment Regulation Period of the Huanghe River
ZENG Ming1, SUN Xiao-Gong2, FAN De-Jiang1
(1.Key Laboratory of Submarine Geosciences and Technology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.State Key Laboratory of Severe Weather,Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China)
Based on a synthetic survey which was carried out in the Huanghe estuary and its adjacent area during the water-sediment regulation period in the summer season of 2007, the MIKE 3 numerical model was applied to the Huanghe estuary and its adjacent areas. With the model, the transportation processes of the fresh water and suspended sediment were successfully simulated in the Huanghe estuary, and their dispersal patterns in different discharge phase (Low-flow, high-flow, high sediment concentration) were analyzed carefully. The results of numerical model showed that whether the river discharge was low or high, the fresh water could disperse in the surface layer as the hypopycnal flow. When the river discharge was low, river-delivered suspended sediment dispersed towards the offshore was mainly through the hypopycnal flow; When the river discharge was high, the hypopycnal flow was also an important controlling factor for the dispersal of fine sediment, most of the coarse sediment deposited in the nearshore area of the Huanghe estuary, a small amount of coarse sediment was transported along the coastline. Two types of shear front were identified in the offshore region near the river mouth at the conversion time of tidal flow, which was formed in the shallow water, and then moved to the deep water. Sediment was transported along the coast, the offshore transportation was significant constrained.
Huanghe Estuary; water-sediment regulation; 3D numerical simulation; dispersal patterns of fresh water and suspended sediment; sedimentary dynamic processes
国家重点基础研究发展计划项目(2010CB951202)资助
2015-10-27;
2015-12-01
曾 明(1985-),男,博士生。研究方向:海洋沉积动力学。
** 通讯作者:E-mail:sunxg@camscma.cn
P641.2; X523
A
1672-5174(2017)04-081-12
10.16441/j.cnki.hdxb.20150367
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Supported by the National Basic Research Program(2010CB951202)