基于弯道二次流修正模型的大辽河潮流界时空变化模拟

韩雪梅，吴红斌，周 刚，乔 飞

(1.中国环境科学研究院 国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室， 北京 100012；2.温州市珊溪水利枢纽管理局， 浙江 温州 325002)

基于弯道二次流修正模型的大辽河潮流界时空变化模拟

韩雪梅1，吴红斌2，周 刚1，乔 飞1

(1.中国环境科学研究院 国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室， 北京 100012；2.温州市珊溪水利枢纽管理局， 浙江 温州 325002)

基于ELADI算法的平面二维水环境模型WESC2D，定量研究大辽河潮区界与潮流界的时空变化规律。在模拟和验证大辽河潮位变化过程基础上，通过数值试验系统地模拟分析了上游径流量及汇流比、下游潮差和海平面上升对大辽河潮区界与潮流界的影响规律，并以1999年—2009年水文过程为条件定量研究大辽河潮流界的年、月变化及潮流界位置出现频率。结果表明，径流是影响大辽河潮区界与潮流界位置的主要因素，大辽河潮流界远远超过三岔河。

潮区界；潮流界；大辽河；ELADI；WESC2D

潮区界与潮流界是河口海岸研究的重要内容之一，在河口的分类及划分，陆海相互作用机理以及防咸入侵、航道整治和港口建设等河口地区的开发利用及可持续发展方面具有重要的理论意义和实践意义。有关潮区界和潮流界的研究常用观测资料分析与数值模拟计算的方法，且多以观测资料的定性分析为主，主要集中于长江口、珠江三角洲和辽河口等[1-3]，相对而言，仅对长江口开展了潮区界、潮流界变化规律及其对重大工程和海平面上升的响应的系统研究[4]。然而对大辽河口潮区界及潮流界的研究仍停留在观测资料的定性分析阶段[5-7]，缺乏年月时空变化过程及规律的定量研究。

大辽河流域位于辽宁省境内，由浑河、太子河和大辽河组成，属于典型的冲积弯曲型河流，又是感潮河段，属于不规则半日潮，因此水动力和污染物滞留时间等特性更加复杂[8-10]，影响了潮-径相互作用下大辽河口潮能通量分布与沿程变化特征。据1958年河口实验站调查，潮流界已远远超过三岔河，潮区界可达到浑河的三界泡、太子河的小河口[11]。1998年的中国海湾志记载大辽河的潮流界在三岔河[12]。也有文献称大辽河枯水期潮水可上溯至浑河的三界泡及太子河的唐马寨。而洪水期当上游来水超过2 000 m3/s时，则无明显的潮差变化[5]。基于此，本文采用正交曲线系下基于ELADI算法的平面二维水环境模型WESC2D(Two-Dimensional Water Environment Simulation Code)，对大辽河潮区界与潮流界的时空变化过程及规律进行系统研究，为大辽河的开发利用提供技术支撑。

1 WESC2D模型

WESC2D模型是基于正交曲线坐标系的平面二维水环境模型代码，其水流模块HYD借鉴了Roger Falconer的DIVAST水流模型的基本架构，考虑了弯道二次流的影响[13]，且采用高效稳定ELADI算法[14-15]，不受Courant数限制，适用于河流，湖库，海湾和河口的水动力模拟。模型采用交错网格布置变量，其原理和算法详见文献[14-16]。

2 模型参数率定与验证

2.1 模拟范围

计算范围从大辽河三岔河水文站至大辽河河口四道沟潮位站，长度105 km。如图1所示。计算域网格节点数为797×60，其中沿河道主槽横向布置了20个有效网格线，示意图见图2。其中，辽宁营口港二号码头至海城市西四镇北海村拟建码头位置距离约80 km，河底高程为2008年10月18日至11月7日实测1∶2000地形。三岔河为水文站，田庄台、营口(二)和辽河公园为水位站，四道沟为潮位站。

图1 大辽河模拟范围

图2 计算网格示意

2.2 参数率定

上游进口边界条件给定三岔河水文站2011年5月20日12∶00至21日12∶00之间逐时流量变化过程，下游给定四道沟潮位变化过程，如图3所示。为了保证计算结果稳定，重复计算10 d，选取最后潮周期计算结果。时间步长取为120 s，分步N取为2，即每一分步时间步长为60 s。模型率定的参数中，涡黏性系数Ce为0.1，反映河道阻力的粗糙高度在三岔河至田庄台之间ks取为10 mm，田庄台至四道沟之间ks取为5 mm。验证的三岔河、田庄台和辽河公园的潮位过程如图4所示，可以看出，潮位模拟结果与实测结果基本吻合。

图3 上下游边界条件

图4 大辽河验潮站潮位验证结果

2.3 修改模拟范围

从三岔河水文站的水位和流量实测结果可以看出三岔河水位受大辽河口潮位影响表现出涨潮落潮的周期性变化，且存在往复流，说明大辽河潮区界与潮流界远不止于三岔河测站，因此，有必要扩大模拟范围，以确定大辽河潮区界与潮流界的位置。模型延长计算分析范围分别从浑河的邢家窝棚水文站和太子河的唐马寨水文站至大辽河河口四道沟潮位站，全长157 km。三界泡和小河口分别位于三岔河上游36.2 km和35.7 km。田庄台、三家子、营口(二)和辽河公园分别在三岔河下游57.5 km、81.8 km、87.1 km和90.6 km处，如图5所示。由于没有三岔河水文站以上浑河和太子河水下地形，因此，根据2009年辽河流域水文年鉴资料有关浑河邢家窝棚站和太子河唐马寨站实测大断面成果，该河段以矩形河道断面进行概化，河道长度分别为52.9 km和44.8 km，比降分别取为0.127‰和0.151‰。计算域网格节点数为1299×60，沿水流方向布置1 299个网格线，沿河道横向布置60个网格线，其中20个布置在河流主槽。

图5 大辽河水系模拟范围

2.4 模型验证

分别以浑河邢家窝棚站和太子河唐马寨站2009年流量变化过程为进口边界条件，下游四道沟相应潮位为出口边界条件，以邢家窝棚、唐马寨、三岔河站水位及营口(二)站潮位为验证数据，对模型进行率定。邢家窝棚、唐马寨、三岔河水位及营口(二)的潮位验证结果如图6所示，计算1(浑河ks=300 mm，太子河ks=250 mm)与计算2(浑河ks=80 mm，太子河ks=100 mm)主要区别在于浑河和太子河主要参数不同，大辽河ks及其他参数同前。可以看出，尽管相比于计算2，计算1的数值在1月—3月和12月更接近实测值，但由于存在冰封期且营口(二)站缺少此时段数据，综合分析，计算2所确定参数的模拟结果与实测资料更趋一致。1999年—2009年的计算验证结果与此结论一致，限于篇幅未列出。

3 潮区界与潮流界影响因素及规律

3.1 分析方法

潮区界与潮流界的位置主要受径流、潮汐潮流的影响，其他如河口地形演变、重大工程以及海平面变化等也是重要因素。本节根据实测资料，重点设计数值试验模拟分析上游径流量及汇流比、下游潮差和海平面上升对大辽河潮区界与潮流界的影响规律。潮区界可以通过分析各站水位与口门潮位站潮位的相关程度或各控制断面的水位过程线与上游断面水位过程相一致的程度，或是根据各验潮站的潮位大小判断潮差为零的位置进行确定。潮流界可以根据上下两个断面垂线流速流向的时空分布插值法确定流速为零的位置或是根据各断面含盐度是否小于或等于0.002%确定[4]。为了减少因盐度模拟的不确定性，本文通过判断流速为零的上界作为潮流界位置，潮差为零的位置为潮区界。

图6 2009年潮位计算值与实测值的比较

3.2 水文分析

1999年—2009年，大辽河最大流量为2005年的3 010.8 m3/s，最小流量为2001年6月份的3.96 m3/s，平均流量为99.99 m3/s。大辽河流量月平均变幅最大集中在8月份，最小集中在2月份，月平均变幅在18.39 m3/s～740.38 m3/s 之间。平均汇流比浑河为50.27%，太子河为49.73%，基本持平。从年变化情况来看，大辽河流量低于100 m3/s时，浑河汇流占优，流量大时，太子河汇流逐渐占优，特别是2000年汇流比特征非常明显。从月变化情况来看，1月—4月和10月—12月浑河和太子河汇流比呈现明显的“X”型，在5月—9月期间，汇流比特征不明显，但浑河和太子河汇流比例关系有逆转趋势。大辽河河口四道沟站最大潮差为2005年7月23日的4.37 m，最小潮差为2007年2月13日的0.64 m，最大潮位为2.81 m，最小潮位为-2.05 m，平均潮位为0.03 m。

3.3 径流量及汇流比的影响

假设在四道沟潮差同为4.37 m的情况下，设计了6组50个数值试验，表1分别针对大辽河流量不变而汇流比变化(试验组1～3)及浑河流量不变而太子河流量变化(试验组4～6)，重复计算30 d，选取稳定后计算结果对比分析下游超差不变情况下，径流量及汇流比对潮区界与潮流界位置的影响。

表1 径流量及汇流比影响试验条件

试验组1～6数值结果表明，在浑河与太子河流量之和大于50 m3/s，甚至是流量达到3 000 m3/s时，汇流比1∶2至2∶1变化过程中，以潮差是否小于10-4m判断，潮区界均已超过浑河的邢家窝棚和太子河的唐马寨，无法确定潮区界准确位置，与实验组2类似，保持四道沟最小潮差0.64 m，浑河与太子河流量均大于50 m3/s时，也已无法确定潮区界位置，因此文后主要研究潮流界位置的影响变化规律。但从邢家窝棚和唐马寨的潮差变化情况看，潮区界位置随着流量从零逐渐增加经历着先上移后下移的过程。图7分别为试验组5第7试验数值和试验组2第6、8试验数值(浑河流量为0 m3/s，250 m3/s和500 m3/s)模拟第20 d～30 d沿程水位逐时变化情况。可以看出，上游流量为0时，潮区界即为潮流界，随着上游流量增加，径流受潮流的顶托，水位随潮汐的涨落而升降，潮区界开始上移。

图7 浑河不同流量下沿程水位变化

图8为试验组1～3试验数值时大辽河潮流界位置变化，由图8可以看出，潮流界位置随着流量从零增加而逐渐下移，总流量小于1 000 m3/s且保持不变情况下，支流流量越小，潮流界位置越往上移，随着支流流量从小到大，移动变化速度由快转慢，到总流量大于1 000 m3/s时，潮流界位置与汇流比无关。

图8 试验组1～3潮流界位置变化情况

图9为试验组4～6试验数值时大辽河潮流界位置变化，由图9可以看出，浑河流量不变太子河流量增加时，浑河潮流界位置下移，且浑河流量越小或汇流比小时，浑河潮流界移动速度越慢，太子河潮流界下移，且太子河汇流比占优时，太子河潮流界下移速度越慢。

图9 试验组4～6潮流界位置变化情况

3.4 潮差的影响

分别在总流量为100 m3/s、800 m3/s和2 000 m3/s，浑河和太子河汇流比为1∶1，平均海平面0 m情况下，设计了3组18个数值试验。如表2所示，保持每组流量恒定，分别以6个潮差为下游潮位条件，重复计算30 d，选取稳定后计算结果对比分析潮差对潮流界位置的影响。表2中潮差对大辽河潮流界的影响可以看出，潮汐是影响潮流界的另一重要因素，总流量不变时，潮差越大潮流界位置越靠上且移动速度加快。潮差低于4 m总流量超过800 m3/s时，潮流界的位置移至三岔河下游。潮差为5 m时，浑河和太子河潮流界位置基本与流量无关。

表2 潮差影响试验条件

3.5 海平面上升的影响

分别在总流量为100 m3/s、800 m3/s和2 000 m3/s，浑河和太子河汇流比为1∶1情况下，设计了3组15个数值试验。如表3所示，保持每组流量恒定，分别以5个不同海平面潮差同为4.37 m为下游潮位条件，重复计算30 d，选取稳定后计算结果对比分析海平面上升对潮流界位置的影响。表3中海平面上升对大辽河潮流界的影响。可以看出，海平面上升潮流界位置上移，总流量小时，浑河潮流界上移速度高于太子河潮流界上移速度，总流量逐渐增加，浑河潮流界上移速度反而低于太子河潮流界上移速度，到流量增加到一定程度时，潮流界移至三岔河下游，且潮流界上移距离与海平面上升距离近似线性关系。

表3 海平面上升影响试验条件

4 潮流界时空变化

4.1 时间变化

依据1999年—2009年水文年鉴资料数值模拟分析大辽河潮流界年变化及月平均变化如图10和图11所示。从年变化来看，2005年潮流界变幅最大，其次是2001年，浑河潮流界变幅最小发生在2000年，太子河潮流界变幅最小发生在1999年，基本与年径流特征一致。年均潮流界集中在三岔河上游20 km～30 km处，年最大潮流界位置变幅较小，年最小潮流界变幅较大。从月变化来看，潮流界变幅最大集中在8月份，最小变幅集中在2月份，基本与月径流特征一致。2001年大辽河潮流界上界至三岔河上游44.19 km，刑家窝棚下游8.01 km的浑河，2002年大辽河潮流界上界至三岔河上游33.50 km，唐马寨下游11.30 km的太子河，潮流界下界至三岔河下游79.00 km，接近三家子。

图10 潮流界年变化

图11 潮流界月变化

4.2 空间变化

图12为1999年—2009年潮流界沿程出现频率及累积频率曲线，由图12可以看出，潮流界远远超过三岔河，在三岔河以上的频率达到99.15%，在三岔河上游25 km以上的浑河和18 km以上的太子河频率达到80%。三岔河上游27.5 km的浑河潮流界出现频率为5.98%和三岔河上游26.8 km的太子河潮流界出现概率为10.77%，是潮流界出现频率最多的地方。三界泡以上的频率为8.02%，而小河口以上频率基本没有。按照乔彭年河口划分的定义[17]，浑河刑家窝棚下游8.01 km与太子河唐马寨下游11.30 km三家子为河流河口段，三家子以下为口外海滨段，完全受潮流控制。

图12 潮流界出现频率

5 结 语

本文在平面二维水环境模型WESC2D潮位验证及实测数据分析基础上，对大辽河的潮区界与潮流界影响因素以及1999年—2009年间潮流界位置变动范围及频率进行了模拟分析，定量探讨了大辽河潮流界的时空变化规律，为大辽河河口分类，陆海相互作用机理以及防咸入侵等方面提供了重要参考。

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Spatio-temporal Characteristics of Tidal Limit and Tidal Current Limit of Daliaohe River Based on a Modified Model

HAN Xuemei1, WU Hongbin2, ZHOU Gang1, QIAO Fei1

(1.StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalEnvironment，ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012China;2.WenzhouAdministrationofShanxiHydro-complex,Wenzhou,Zhejiang325002)

In this paper, temporal and spatial variation of tidal limit and tidal current limit in Daliaohe River was quantitatively analyzed by a new two-dimensional water environment model based on the Eulerian-Lagrangian alternating direction implicit method. With the effects of upstream runoff and discharge ratio, downstream tidal range and sea level rise on tidal limit and tidal current limit as well as annual and monthly changes and occurrence frequency of tidal current limit in Daliaohe River under the condition of hydrological processes during 1999 and 2009 were numerically simulated and quantitatively analyzed. The results show that runoff is the major factor affecting the location of tidal limit and tidal current limit of Daliaohe River.

tidal limit; tidal current limit; Daliaohe River; Eulerian-Lagrangian alternating direction implicit method; WESC2D

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.004

2017-02-17

2017-03-14

国家水体污染控制与治理科技重大专项目(2012ZX07505-005)

韩雪梅(1985—)，女(羌族)，四川北川人，硕士，工程师，主要从事水土保持、污染物总量控制研究工作。 E-mail: hanxuemei7414@163.com

周 刚(1980—)，男，山东莱芜人，博士，副研究员，主要从事水力学、河流动力学及污染物总量控制研究工作。 E-mail: zhougang@craes.org.cn

TV856

A

1672—1144(2017)03—0019—07