岸线变迁下辽河口潮流数值模拟

◎ 聂会 张宇亮 朱姝娴 金波 唐颖滢 董晓惜

1.浙江水利水电学院；2.青田农村水利管理总站

1.概况

潮流是近岸海域最为重要的动力现象之一，对海上航行、近岸工程建设、航道利用、潮汐能利用、水产养殖、泥沙运移、污染物扩散等均有重要的影响[1]。本文针对渤海湾近年岸线变化影响潮流分析。

渤海湾位于渤海西部，位于我国北方的经济、政治和文化的中心，是我国经济发展较快的区域之一。但是辽河口地形复杂多变，且受到径流和潮汐作用的相互影响，因此对于辽河海岸线与潮流界和潮区界的动态关系变化有着非常重要的现实意义。目前，自然环境对岸线影响约占40%，人工活动对岸线影响占60%。本文通过水动力模型深入研究了历年来渤海湾大辽河河道及岸线的变化，结合潮位数据，以期对渤海湾开发及今后发展提高决策支持。

2.研究现状

王建步、谌艳珍、陈文熙等学者先后通过遥感技术研究了20世纪90年代至2013年的辽河口海岸线变迁[2-4]，付杰、宋伦学者在遥感技术的基础上使用潮汐改正提取海岸线分析了1990—2018的盘锦海岸线变迁[5]，凡姚申等学者利用遥感数据和潮位信息为基础研究辽河口的鸳鸯岛形态变迁[6]。张学庆、刘晓敏学者曾对大辽河口的潮通能量分布与沿程变化特征，针对2011年和2009年两年的水位及潮流检测资料的模拟成功拟合[7]；李晋、徐天平等学者建立辽河口数值模型研究了不同径流条件对河口潮流的影响[8]；赵楷宾等学者研究了在径潮流作用下辽河口的浅滩数值模拟[9]；孙刚依据辽河口盐度进行潮区界潮流界的数值模拟[10]。蒋文治等学者岸在线变化和海平面抬升对珠江河口水体交换的影响提出海平面抬升不利于水体交换[11]。近年来对于辽河口区域的水动力数值模拟越来越受到重视，更多的学者投身于此。遗憾的是，上述学者们都没有对近年来辽河口岸线引起的潮位和潮流界的动态变化进行研究。

3.模型建立

本文研究范围为渤海湾大辽河流域及周边海域，为使模型精确，本文对渤海海域建立大模型并对大辽河流域建立小模型并对大辽河水域网格做局部加密方法处理，工作区域网格边长约为700m，河口周边海域边长网格约为1400m，该海域地形资料采用谷歌地形图提取数据，地球球面坐标投影采用UTM51的投影坐标系，其中2013年生成网格28293个，节点15078个，渤海湾网格如图1所示。

图1 网格图

模型控制方程为连续方程和N-S方程。

4.结果分析

4.1 精度分析

为检验精度的可靠性，采用实测数据和模拟数据潮位进行对比验证。

海洋潮波传播进入河口区域后，其波面形态、波动类型以及潮查沿程不断发生变化，其影响因素主要归结为：河道水深的变化、河道平面形态的差异、底摩擦、河道浅滩以及河口端部的反射和河道径流量的大小等。

根据查找到的渤海湾边界数据以及卫星图中提取的渤海区边界数据进行拟合。本次研究选取2020年7月的大连港和威海的潮位数据作为计算边界数据，在以一个月的时长为周期进行运算后，选取渤海地区鲅鱼圈、和锦州港2个潮位站的实测数据与模拟数据进行拟合，并计算潮位点均方根误差（RMSE）。具体计算结果如表1所示。

表1 潮位点的均方根误差

在模型参数完成率定的基础上，对模型进行验证，模型验证2020年7月锦州港和鲅鱼圈潮位来进行模型的验证，验证结果如图2所示。

图2 2020年潮位模拟结果

整体上来说，将实测数值和模拟数值进行对比，本次模拟潮位过程和实测潮位过程趋势走位大致相同，结果较好地反映了大辽河口潮位变化情况，但是存在整体潮差有下移的趋势的现象，经分析得出可能是由于潮位边界条件的基准面与实测不同引起的。

总的来说，本次模拟潮位过程和实测潮位过程趋势走位大致相同，对于此区域的结果可信，有利于进一步分析辽河外海边界条件，为我们下一步计算辽河口潮区界变化提供可靠的数据资料，达到了预期效果。

4.2 岸线变化引起大小潮变化

本文在不同河流径流条件下，利用固定测量点读取模拟数据当月潮位变化，对比大小潮差图得到对比数据。

受岸线变化及河道淤堵影响，2013年和2020年大小潮有显著差异。

由表2数据可知相同地形下，不同径流下大小潮的变化，在同一年份中增大径流对潮位影响并不大。

表2 不同径流岸线变化下的大小潮

表3 285m3/s径流下潮流界移动距离

在2013至2020年的地形变化后相同径流最后得到的最大潮差增大约1.63m。

由图3可得，在岸边界变化后大辽河河口潮位的变化，在2013年间至2020年间由于河道淤积改道及河口淤积造成河流径流影响被削弱，潮流影响增强。

图3 2020年与2013年潮位对比图

4.3 岸线变化引起潮流界变化

在给定不同径流条件下，选取285m3/s进行对比，观察潮流界迁移情况。

潮流界是指涨潮流在上溯过程中所能达到的边界，超过此位置，河道中没有向上游方向的潮流，潮流界下游河段是往复流，往上则是单向流。潮区界下游河段的水流受径流与潮汐综合影响，而上游河段只受径流影响。

计算结果可知，2013年七月的潮流界发生在盘山闸20.9～25.1km处。2020年七月的潮流界位于盘山闸18.5～26.6km处。由于2013年与2020年的岸线形态变化，2020年潮流界与2013年相比，距盘山闸的最短距离上移2.4km。

根据2013年至2020年卫星图可知，岸线在往海域拓展，辽河口属强潮河口，常年带入大量泥沙和沉积物进入渤海，在入海口形成浅滩，也使得近年来辽河口的岸线不断外移，改变了两岸的水文状况。从水动力模拟计算的结果分析可知，河口淤积导致河口海岸潮水波动明显增强，但对于外海影响不大。从潮流界来说由于海岸线的外移潮流界也在向外推移，内河受外海潮汐影响逐渐减小。

5.结论及建议

本文利用水动力模型，在收集了大量地形数据和岸线变化的基础上，对渤海海域及大辽河进行水动力模拟潮位变化，对结果数值进行了分析，得到以下结论：

（1）受海岸线变化影响，河口处受外海潮流影响增大约25%，纳潮量明显减弱。纳潮量减少将导致海湾内海水与外海的水体交换量直接导致污染物扩散能力减弱，使河口处污染加剧。

（2）潮流界下移表明内河受潮汐影响减弱，需对早期建设工程进行重新规范。