长江下游及河口区水动力特征

乔 飞，郑丙辉，雷 坤，周 刚，柳 青

中国环境科学研究院，北京 100012

长江下游及河口区水动力特征

乔 飞，郑丙辉，雷 坤*，周 刚，柳 青

中国环境科学研究院，北京 100012

基于EFDC模型，构建长江下游及河口区二维水动力模型，对河流和河口区进行整体模拟，研究长江下游及河口区水动力特征．模型在空间上采用变尺度、拟合边界的矩形网格，在时间上采用动态时间步长，在模拟过程中自动识别干湿网格，更好地保证模拟精度与效率．利用1998年冬季以及2005年夏季和秋季实测资料，对粗糙高度等敏感参数进行参数率定和验证．结果表明，模拟的潮位和流速与实测成果拟合较好，较好地反映了各水期长江下游及河口区的水动力要素的空间分布特征．应用模型模拟2004—2007年不同水期的水动力过程，并对模拟结果进行统计分析．研究显示:从空间来看，河道、河口流态存在显著差异，涨、落潮流场空间分布差异大;受径流和潮差的相互作用，潮流界在河口以上150～450 km之间变动，径流量和潮流界位置具有对数相关关系．从时间来看，径流量丰平枯变化大，对潮流量和径流入海时间都有一定的影响，潮流量、径流入海时间与径流量之间也存在明显的定量关系．

长江;河口;水动力模拟;潮流;EFDC

长江下游感潮河段及河口区同时受到河流动力作用(上游径流的下泄)和海洋动力作用(潮流运动)两方面的影响，水位、流量、泥沙等水文要素和流速、流向等水力要素变化规律非常复杂，对航运、工程及环境有很大的影响［1］．众多学者通过大量的现场观测工作，对长江冲淡水、余流、羽状锋形成机制等方面进行了深入研究，分析长江下游及河口区的水文水力特征．乐肯堂［2］提出了长江冲淡水路径研究的模式，并分析了风场对路径的作用．廖启煜等［3］从不同季节径流水位和海区盐度的变化分析长江冲淡水的扩展机制，分析了长江冲淡水及其混合问题，研究了长江冲淡水转向特征，探讨冲淡水影响规律和原因．浦泳修等［4］通过观测数据统计，分析了长江冲淡水扩展方向的周、旬时段变化．陈沈良等［5］在实际观测的基础上分析了长江径流与潮流形成的羽状锋的屏障效应，揭示其对长江口水下三角洲塑造的影响．朱建荣等［6］通过2000年8月的冲淡水和羽状锋的观测，分析了局部水动力的特征和影响因子．这些观测、实验资料及分析成果成为进一步研究长江口水动力机制必要条件，也可为长江污染物输送研究［7］提供参考．

与此同时，应用数学模型开展长江口水动力机制研究的工作也全面展开．李浩麟等［8］运用有限差分和有限元相结合的方法，离散了潮汐非恒定流的三维运动方程和连续方程，模拟长江河口潮汐河道中的三维流速分布和潮位随时间的变化过程．赵士清［9］利用二维平面数值模型，研究了长江口水动力过程，揭示水流平面规律，并提出了一个垂向分为三层的长江口潮流三维数学模型，在减少计算量的同时可以分析水流的垂向分布．刘子龙等［10］在水平方向平面采用了正交曲线贴体坐标系统，垂向采用无量纲化变换，对长江口潮流进行了三维数学模拟．CHANG等［11］用数学模型研究了长江冲淡水的分布规律．龚政等［12］对长江口水域进行三维水动力数值模拟研究，讨论斜压对流场的影响．张素香［13］利用EFDC模型对长江口和杭州湾海区进行了三维水动力模拟，揭示径流潮流作用动力机制．卢丽锋［14］采用COHERENS模型中的三维水动力模块研究了长江河口羽状流扩散与混合过程的时空变化及其控制因素．综上可以看出，初期的数值模拟研究多集中在模型开发和改进，而近期数值模拟研究的重点逐渐向模型的应用和拓展方面转变．

当前围绕长江河口展开的研究工作较多，而对长江下游感潮河段与河口进行的整体研究相对较少．为进一步系统地了解长江下游及河口区复杂的水动力特征，笔者构建了包含长江下游感潮河段、长江口及其毗邻区域为一体的二维水动力模型，旨在揭示径流、潮流作用下长江下游及河口区水动力过程的变化特征和内在影响规律，以期为进一步研究长江口径流潮流相互作用、污染物输送等提供支持．

1 长江下游及河口区概况

长江每年约有9．24×1011m3的淡水倾泻入海，约占渤海、黄海、东海主要入海径流量的80%以上，占东海径流量的92%左右．长江下游约有长达624 km的感潮河口段，是我国最长的感潮河段，感潮河段潮位和潮流量关系复杂，径流和潮流的相互作用的不断变化，潮流界位置［15］和余流均呈明显的季节性变化［16］，涨落潮流速和历时也呈现出明显的不对称性［17］．

长江口是丰水、多沙、中潮、有规律分汊的三角洲河口，水动力要素复杂，主要有径流、潮流、波浪、盐水楔异重流等，径流、潮流是长江口的主要动力因素．长江口潮流在横沙岛以上有固定边界的河段内为往复流，并且落潮流速一般大于涨潮流速，在口外近海区域逐渐过渡为顺时针方向的旋转流．北槽以上段以往复流为主，而下段旋转流性质增强．长江径流和潮流相互作用，形成了复杂的动力过程．

水动力模拟研究的上游边界为大通水文站，东边界至122．5°E，南到杭州湾南侧，向北到吕四港以北，包含了长江下游整个河道及长江口、杭州湾临近海域，研究区的选择将有助于揭示长江径流和潮流相互作用下，河道、河口及海区的水动力特征，详细区域见图1．

2 研究方法

2．1 模型选用

水动力模拟区域包含长江下游感潮河段及整个河口区，河道与河口在横向尺度上存在很大的差异，并且区域水动力过程复杂，对模型适用性的要求较高．EFDC模型由US EPA(美国国家环境保护局)推荐，能够模拟一维、二维、三维水流计算，在河流［18-20］、湖泊［21-22］、水库［23-24］、河口［25-30］等多类水体都得到成功应用，在水质［31］、富营养化［32］、突发事件应急［33］、温排水［34］、泥沙输移［35］、湿地［36］、TMDL(日最大负荷分配)［37］等领域得到广泛应用，并体现了很好的适用性，并且在长江口区域也有成功的应用［13，15，29-30］，可用于水动力模拟研究．

2．2 模型控制方程

EFDC模型的控制方程组基于纵向尺度远大于垂向尺度的薄层流场，采用垂向静压假定，模拟不可压缩的变密度流场．在水平方向上，将x-y直角坐标转换为曲线正交坐标系统，以实现对不规则边界的精确拟合．在垂直方向上进行σ变换，将实际水深转换为0～1，因而模型的垂向精度保持一致，可以更好地拟合底层边界．

基本控制方程:

式中:z为单位化后的相对水深，无量纲;z*为垂向分层后某一层的实际水位，m;ζ为水体自由表面水位，m;h为水下地形高程，m，用基准面以下深度表示，低于基准面为正值，高于基准面为负值．

水平动量方程:

在(0，1)的区间内对连续方程进行垂向积分，根据垂向边界条件，当z=0、w=0和当z=1、w=0时，可得垂向积分的连续方程:

式中:u和v为正交曲线坐标系中的x和y方向的水平流速分量，m s;g为重力加速度，m s2;mx和my分别为x和y方向的尺度转换因子，m;m=mxmy，m2; f为科氏力，s－1;w为σ坐标系下的垂向的流速分量，m s，它与 z坐标系下垂向流速 w*的关系为 w= w*－z(tζ+u myyζ)+(1－z)(u myxh+v myyh);总水深H=h+ζ，是相对于未扰动水深z*=0的水深和自由表面高程(水位)的和，m;ρ为相对于参考静压密度的压力项，m2s2;Av为垂向湍粘性系数，m2s;Qu和Qv为动量的源汇项，m4s2;b为浮力项，无量纲，b=(ρ－ρ0) ρ0;ρ为密度，g m3，是温度(T)、盐度(S)和压力(ρ)的函数;ρ0为参考密度，g m3;在温度和盐度的输运方程中，QS和QT为盐度和温度的源汇项;Ab为垂向湍流扩散系数，m2s．

3 模型构建和验证

3．1 网格设置

水动力模型包含范围较广，河道、河口和海区各区域水体空间尺度变化较大，为了尽可能在满足不同区域计算精度的同时保持较高的计算效率，水动力模型采用变尺度网格系统．大通—徐六泾之间采用500 m×500 m正方形网格，徐六泾以下的长江口区域采用1 500 m×500 m的矩形网格，杭州湾、舟山海区采用1 500 m×1 500 m正方形网格．网格总数目为718×466个，有效网格数目为43 008个(见图2)．由于长江河道和河口横向尺度远小于海区，并且河道高程变化剧烈，模型采用动边界处理技术，动态设置干湿网格．为更好地拟合河道边界，在边界处采用半网格(直角三角网格)，详见图3．

3．2 条件设置

3．2．1 初始条件

长江口属于强对流河口，水动力模型达到稳定所用时间较短．因此，模型采用冷启动模式，初始潮位取憩流时刻的平均潮位，初始流速取零，河流水深取年均水深．

3．2．2 边界条件

模型上游设置为流量型边界，采用大通站实测日平均流量系列;模型下游设置为压力型边界，3个开边界采用逐时潮位序列，由潮汐预报模型和潮汐表插值计算得到．

3．3 参数设置

3．3．1 时间步长设置

为提高模型计算效率，时间步长采用动步长，基准步长设置为1 s，实际步长由模型根据实时克朗数(CFL)情况自动调整，经统计平均时间步长为30 s左右，平水期和枯水期稍大，丰水期稍小．

3．3．2 其他参数设置

水平涡黏系数采用Ax=Ay=100 m2s，扩散系数采用1×10－5m2s，粗糙高度是EFDC模型中表征河流底板对水体阻力的变量，相当于曼宁公式中的糙率的作用，参考相关文献［11-13］，按区域划分，徐六泾以上采用 0．015 m，徐六泾至长江口门之间采用0．001 m，杭州湾及其他海区采用0．01 m．

3．4 模型验证

为保证模型的可靠性和适用性，水动力模型验证采用3组不同水期的潮流和径流资料:①枯水期，1998年1—2月;②丰水期，2005年6—7月;③平水期，2005年10—11月．

枯水期潮位验证站位多分布在河口区，上游河道区主要通过大通、江阴、徐六泾水位进行验证，流速验证点主要分布在河口区．

丰水期和平水期，潮位和流速验证点位一致，主要分布在河口区和近海区域，上游河道主要通过大通水位进行验证，流速验证点位全部分布在河口区，详见图4．

3．4．1 水量守恒验证

在模拟计算过程中，模型上游输入长江大通站日流量，径流与潮流相互作用，通过河口进入东海．从水量平衡来讲，上游输入的水量与下游控制断面的净下泄水量应该保持一致．统计模型计算徐六泾断面的净下泄流量，与大通输入流量进行对比，以验证模型水量平衡．由图5可见，枯水期大通站输入水量和徐六泾断面下泄水量偏差最小，仅为1．8%;平水期最大，为2．8%，丰水期为2．2%．由图6可见，3个水期徐六泾下泄流量与大通流量过程一致，平水期和枯水期一致性更好．整体来看，3个验证期两个断面水量差别不大，反映了不同径流输入条件下长江径流输入与下泄水量的平衡，很好地体现出了模型守恒性．

3．4．2 潮位 水位验证

对模拟潮位与实测潮位进行对比，从对比结果(见图7)来看，长江口门以外区域的点位受潮流影响更大，较好地反映出近海潮位变化过程，从潮位对比过程来看，大潮期间在潮位、潮型、相位方面均拟合很好．南槽验证点的潮位过程无论是相位还是潮位均拟合较好．北支和北槽验证点大潮期间整体拟合较好，小潮的落潮的低水位稍高，这可能与局部地形概化精度有关．位于长江潮流区内的徐六泾、江阴两站，大潮验证很好，小潮落潮低潮位偏高．大通站位于最上游，水位拟合很好，基本不受潮流影响，与实际情况一致．

3．4．3 流速验证

从流向对比结果(见图8)来看，长江口门以上站位明显为往复流，长江口外站位明显为顺时针旋转流，模拟结果与实测结果完全一致．从流速对比结果(见图8)来看，大部分验证点流速绝对值变化过程和趋势一致，偏差较小;部分站位极值流速偏差相对较大，这可能是局部地形概化精度所致．整体来看，长江口流速模拟较好，能够反映长江口的基本情况．

4 长江下游及河口区水动力特征讨论

模拟2004—2007年枯水期(1—2月)、丰水期(6—7月)、平水期(10—11月)的水动力过程，并对长江下游及河口区水动力空间特征、时间特征，及径流、潮流相互作用等情况进行分析讨论．

4．1 空间特征

河口区大潮流速明显大于小潮流速，落潮流历时大于涨潮流历时，在小潮期间体现最为明显，越往上游这一特点越明显．长江口在南北槽口以上水流为往复流，在南北槽口以外，水流均为明显的顺时针旋转流．涨潮时，南、北港流速最大，水流通过南北港进入南支;落潮时，北槽和北港流速最大，水流通过北槽和北港进入近海，详见图9．

受径流和潮差的影响，长江潮流界变动范围很大．在枯水大潮时，潮水能够上溯到河口以上450 km左右;而在丰水小潮时，潮水仅能够上溯到河口以上150 km左右．河口上游150～450 km是潮流和径流影响最大的区域，450 km以上区域径流作用比较明显，而150 km以下区域潮流作用更明显．对2004—2007年模拟结果进行统计发现，在徐六泾潮差确定的情况下，径流与潮流界呈对数相关关系，相同流量下，潮差导致潮流界的变幅能够达到200 km左右，这一结论与沈焕庭等［1］的实测结果基本一致，详见图10．

4．2 时间特征

徐六泾净下泄流量与大通站平均流量基本一致，流量偏差与上游流量无明显关系，从2004—2007年各水期模拟结果来看，平水期平均流量为21 104 m3s，水量偏差最大，为3．2%;丰水期平均流量为39 574 m3s，水量偏差最小，为1．0%;枯水期平均流量为11 974 m3s，水量偏差为1．7%．这一结果与径流、潮流作用机制相符合．

长江径流与潮流相互作用，各水期上游流量不同，流量越大，徐六泾断面总下泄水量也越大;潮流量越小，枯水期潮流影响最大，平水期次之，丰水期潮流影响最小．对模拟结果进行统计分析，径流量与潮流量、径潮比之间存在明显的相关关系(见图11)．丰水期径潮比达到2．5，平水期大约为1．0，而枯水期仅为0．5左右．这一结果与丰水期径流主导，枯水期潮流主导的结论一致．

长江径流量大小与径流入海所需时间也有着一定的关系，径流量越大，入海所需时间越短，枯水期径流入海所需时间长，而丰水期径流入海所需时间较短．在大通断面放入指示剂，通过分析徐六泾断面指示剂浓度来分析径流从大通断面流至徐六泾断面的时间，从统计结果来看，大通流至徐六泾的入海时间与径流量之间存在一定的相关关系(见图12)．枯水期大通站流至徐六泾的平均时间为23．8～36．1 d，丰水期为9．4～13．1 d，平水期为11．3～16．8 d．

5 结论

a)基于EFDC模型，构建长江下游及河口区二维水动力模型．为了保证更好地适应地形条件，模型采用变尺度矩形网格系统，大通—徐六泾之间采用500 m×500 m正方形网格，徐六泾以下的长江口区域采用1 500 m×500 m的矩形网格，海区采用1 500 m×1 500 m正方形网格，弯道边界处采用三角形网格，有效网格数目为43 008个．时间步长采用动步长模式，平均步长达到30 s左右，以提升模型稳定度和计算效率．

b)利用1998年冬季、2005年夏季和秋季资料实测资料，对模型进行参数率定和模型验证．模拟的潮位和流速与实测成果拟合效果较好，潮位保证区间水量平衡，流速保证区间水流运移路径准确．从各水期的验证结果来看，水动力模型很好地再现了长江下游河口水动力过程和特征．粗糙高度是影响水动力模拟效果的重要参数，按区域分别给出，徐六泾以上采用0．015 m，徐六泾至长江口门之间采用0．001 m，杭州湾及其它海区采用0．01 m，河道、河口、海区存在一定的差异．

c)应用模型模拟2004—2007年各水期的水动力过程，并对模拟结果进行统计分析．从空间特征来看，水流在河道内为往复流，在河口区为顺时针旋转流．长江潮流界随着径流与潮差的变化在河口上游150～450 km之间移动，在确定潮差下，径流与潮流界之间具有明显的对数相关关系．从时间特征来看，不同水期径流量存在一定的差异，而径流量与潮流量和径流入海时间之间也有较明显的定量关系．

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Hydrodynamics in the Lower Reaches of the Yangtze River and Its Estuary

QIAO Fei，ZHENG Binghui，LEI Kun*，ZHOU Gang，LIU Qing
Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

Based on the EFDC model，a two-dimensional hydrodynamic model for the lower reaches of the Yangtze River and the estuary area was constructed．In this model，mutative scale and fitting border rectangular grids were used for space fitting．Dynamic time step and automatic identification of wet and dry grids during the simulation were applied to ensure the simulation accuracy and efficiency．The modeled results matched well with the monitored data including water level and flow direction in 1998 and 2005，and the model was verified to reflect the hydrodynamic characteristics of the research area．The model was used to simulate the hydrodynamics in different water periods from 2004-2007，and results showed that flow state in the reaches and estuary were significantly different，and the water path and tidal flows had large differences in space during periods of the flood and ebb tides．Due to the interactions between runoff and tide range，the tide boundary changed from 150 to 450 km from estuary to upstream of the river，and had a logarithmic relationship between tide boundary distance and runoff amount．The runoff varied largely among different floodings，dry and normal season，and played a significant role in total flow into sea and transport time，and the different quantitative relationships were created．

Yangtze River;estuary;hydrodynamic simulation;tide;EFDC

X143

1001-6929(2017)03-0389-09

A

10．13198 j．issn．1001-6929．2017．01．28

乔飞，郑丙辉，雷坤，等．长江下游及河口区水动力特征［J］．环境科学研究，2017，30(3):389-397．

QIAO Fei，ZHENG Binghui，LEI Kun，et al．Hydrodynamics in the lower reaches of the Yangtze River and its estuary［J］．Research of Environmental Sciences，2017，30(3):389-397．

2016-06-15

2016-10-09

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07501-005，2012ZX07503-002)

乔飞(1977-)，男，陕西合阳人，高级工程师，博士，主要从事流域水资源、水环境模拟研究，qiaofei@craes．org．cn．

*责任作者，雷坤(1973-)，女，内蒙古化德人，研究员，博士，主要从事流域水环境管理研究，leikun@craes．org．cn