萬遠(yuǎn)揚(yáng) ，吳華林

(1.上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201；2.河口海岸交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201201；3.長江深水航道水沙環(huán)境與工程安全交通運(yùn)輸行業(yè)野外科學(xué)觀測研究基地，上海 201201；4.國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，上海 201201)

長江口受到巨大的入海徑流及中等強(qiáng)度潮汐的東海潮波入侵的雙重影響（圖1），在近岸寬淺地貌及科氏力作用下，潮波發(fā)生顯著變形，同時由于咸淡水混合作用，導(dǎo)致了大小潮、表底層、深槽淺灘、洪枯季不同尺度和范圍的潮汐不對稱及環(huán)流現(xiàn)象，會進(jìn)一步影響河口泥沙的輸運(yùn)方向和輸運(yùn)能力，從而影響河口動力地貌的發(fā)展。河口作為一個多元素融合、復(fù)雜而快速變化的動力系統(tǒng)，由于受到不同周期外力共同作用，其自身動力一直處于一個不斷調(diào)整的狀態(tài)中，理解河口自身，尤其是最大渾濁帶的動力特性一直是河口海岸學(xué)的難題之一。從物理學(xué)機(jī)制來看，受到絮凝沉降、鹽度斜壓力及紊動抑制等物理機(jī)制的共同作用，河口最大渾濁帶垂向流速、含沙量、紊流結(jié)構(gòu)和鹽度發(fā)生變異，導(dǎo)致了河口不同區(qū)段物質(zhì)輸運(yùn)和最大渾濁帶的時空差異。為了解決河口地區(qū)很多工程實(shí)際問題，在分析河口動力地貌系統(tǒng)基本特征和自然條件的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者們從潮汐徑流相互作用、宏觀變化和微觀物理過程[1]等多角度作了很多研究，尤其以研究河口區(qū)域潮汐徑流相互作用為主[2-4]。Jay等[5]研究了徑流對潮汐衰減的作用；Wang[6]分析了潮汐不對稱產(chǎn)生的物理機(jī)制；沈煥庭等[7]分析了長江口的潮波傳播速度、傳播方向、代表潮差、漲潮歷時等的變化，定性地指出長江口徑流量過大或者過小，都不利于最大渾濁帶的發(fā)育；楊正東等[8]分析了徐六涇以下若干站的年內(nèi)潮差變化；李佳[9]發(fā)現(xiàn)洪季潮差在江陰以上比枯季要??；路川藤等[10]研究了徑流影響下的潮汐傳播特征；陳吉余[11]分析了徑流與長江口平均海面和潮差的關(guān)系?？傮w上前人的研究主要關(guān)注潮汐徑流相互作用對水動力及潮汐變形的影響，鮮有定量關(guān)注徑流量變化對最大渾濁帶的影響，尤其是對含沙量平面和縱向分布的影響[12-13]。本研究嘗試在現(xiàn)有河口物理機(jī)制認(rèn)識水平基礎(chǔ)上，通過實(shí)測資料和數(shù)學(xué)模型研究長江口徑流量對最大渾濁帶的影響，厘清不同徑流量條件下河口泥沙懸浮狀態(tài)，為長江口區(qū)域相關(guān)水土資源開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及航道疏浚維護(hù)等工作提供參考。

圖1 長江口河勢格局Fig.1 Sketch map of the Yangzte Estuary

1 實(shí)測資料分析

長江口屬巨型多級分汊河口，受到潮汐和徑流的共同作用，其動力-地貌條件十分復(fù)雜。長江口大通站上游徑流量變化幅度一般為10 000～80 000 m3/s（見圖2）。

圖2 2010—2018年大通流量變化Fig.2 Daily discharge of the Datong Station from 2010 to 2018

長江口大部分區(qū)域的潮流運(yùn)動受東海前進(jìn)潮波的控制，僅在北部部分地區(qū)受黃海旋轉(zhuǎn)潮波的影響。傳入長江口的潮波以半日分潮為絕對優(yōu)勢，以M2分潮為主。在傳播過程中由于受到地形的影響發(fā)生反射和底摩擦等影響，成為以前進(jìn)波為主的合成波。長江口口外為正規(guī)半日潮，口內(nèi)為非正規(guī)半日淺海潮，一個太陰日內(nèi)兩漲兩落，平均潮周期為12 h 25 min，潮汐日不等現(xiàn)象明顯。

長江口潮位、流速測站及航道單元布置見圖3，測量期間的大通流量及泥沙分層系數(shù)見表1，其中泥沙分層系數(shù)為表底層含沙量的差異與平均值的比值，表征水體的層化程度。根據(jù)2010—2018年北槽最大渾濁帶洪季底部及平均含沙量測量結(jié)果（圖4），分析可得：

圖3 實(shí)測資料測站及航道單元布置Fig.3 Locations of the observation stations and channel cell

表1 北槽固定垂線測驗(yàn)期間邊界條件及泥沙分層系數(shù)（洪季大潮期）Tab.1 Boundary conditions of the measurement and the sediment stratification coefficient (spring tide of the flood season)

圖4 北槽最大渾濁帶洪季大潮含沙量沿程垂向平均與底部年際變化Fig.4 Near-bed and depth-averaged sediment concentration along the deep-water navigational channel of the Yangtze Estuary during spring tide of flood seasons

（1）洪季北槽攔門沙最大渾濁帶層化較為明顯，洪季懸沙分層系數(shù)平均為2.7，以CSW測點(diǎn)（位于北槽中段）為例，垂線平均值一般在0.5～1.7 kg/m3，而底部含沙量值一般在1.3～8.1 kg/m3；

（2）大通流量在30 000～40 000 m3/s時，泥沙分層系數(shù)較大，流量超過60 000 m3/s后，分層系數(shù)會減??；

（3）北槽最大渾濁帶的位置較為穩(wěn)定，主要在北槽中下段約20 km的范圍，總體上流量越大最大渾濁帶的核心位置越往下游側(cè)擺動；

（4）從年際變化來看，2010—2013年整體含沙量相對較高，2014—2017年有所減小，2018年受臺風(fēng)影響含沙量較高。

2 數(shù)學(xué)模型簡介

采用上海河口海岸科學(xué)研究中心開發(fā)的“長江口航道維護(hù)管理核心計(jì)算平臺系統(tǒng)”[14]中的三維潮流泥沙模塊進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。該模型具有以下基本特點(diǎn)[15]：（1）應(yīng)用無結(jié)構(gòu)化混合計(jì)算網(wǎng)格（三角形+四邊形），使計(jì)算域能更好模擬長江口復(fù)雜的岸線。整體模型上游邊界可以直接延伸到長江口的枯季潮區(qū)界（潮差為零的地方）大通。（2）采用有限體積法作為離散格式的基礎(chǔ)，比有限差分法更貼近物理量守恒定律，能使計(jì)算總體精度得到有效保證。（3）采用半隱半顯格式[16]，計(jì)算穩(wěn)定性好。同時克服ADI計(jì)算格式中無法考慮不同方向流動之間相互作用的不足，且采用變時間步長計(jì)算，計(jì)算效率有所提高。（4）計(jì)算基于Linux系統(tǒng)，較Windows系統(tǒng)而言，能較好地兼顧模型的計(jì)算精度（最小網(wǎng)格尺度）和計(jì)算效率。（5）經(jīng)多次應(yīng)用于長江口的動態(tài)率定和驗(yàn)證，及與商業(yè)軟件MIKE21/3和Delft3D的對照，證實(shí)了模擬結(jié)果與長江口實(shí)測數(shù)據(jù)相似性良好，并已成功應(yīng)用于長江口多項(xiàng)工程的科研咨詢。

數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格見圖5，計(jì)算范圍西起上游的大通，東至外海?40 m等深線，北邊界接近渤海灣，南邊界包括杭州灣整個區(qū)域，其中東西向的長度約600 km，南北向的寬度約600 km。采用無結(jié)構(gòu)化計(jì)算網(wǎng)格覆蓋整個計(jì)算域，且計(jì)算網(wǎng)格完全貼合工程建筑物的形狀及走向，對北槽局部區(qū)域加密，最小網(wǎng)格間距約為20 m，網(wǎng)格單元總數(shù)為97 657個。

圖5 模型范圍及計(jì)算網(wǎng)格Fig.5 Model domain and mesh distribution

模型上游進(jìn)口給定實(shí)測大通流量；模型下游外海邊界由16個分潮的天文潮波調(diào)和常數(shù)和余水位來給定。模型中的重要參數(shù)取值如下：（1）沉降概率系數(shù)取值一般為0～1.0，本次取0.2～0.6；（2）沖刷系數(shù)一般為0.000 04～0.000 50；（3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及驗(yàn)證情況，臨界淤積應(yīng)力為0.2～0.4 N/m2，臨界起動應(yīng)力為0.4 N/m2；（4）沉降速度取值參考上海河口海岸科學(xué)研究中心的泥沙沉降機(jī)理實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式[17]，取值范圍在0.02～0.4 mm/s。本次研究的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了嚴(yán)格的程序驗(yàn)證，且驗(yàn)證結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。限于篇幅，詳細(xì)的驗(yàn)證結(jié)果圖表不一一列出，請參考文獻(xiàn)[18]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

河口最大渾濁帶形成和發(fā)育主要與細(xì)顆粒泥沙絮凝、層化、紊動抑制、河口環(huán)流等宏觀和微觀物理過程有關(guān)[1]，本文主要聚焦于徑流量變化對河口最大渾濁帶的三重作用（泥沙再懸浮、河流效應(yīng)和河口環(huán)流）及影響。

根據(jù)前述實(shí)測資料的分析可知，徑流變化會顯著影響最大渾濁帶的部位和含沙量水平。鑒于實(shí)測資料存在其他邊界條件（如海況、地形、工程等）不統(tǒng)一的情況，其可比性有所欠缺，因此為研究徑流量這個單一因子對長江口北槽最大渾濁帶的影響，采用三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行單因子（徑流量）敏感性試驗(yàn)。

計(jì)算水文條件采用典型洪季大潮期水文條件。采用長江口2017年整體1∶10 000的實(shí)測地形，外海采用海圖地形。模型中考慮了長江口已有的大型涉水工程，包括相關(guān)航道整治工程、水庫工程和水利及河道整治工程。在驗(yàn)證2017年洪季水文資料的基礎(chǔ)上，修改上游徑流流量，流量范圍為20 000～80 000 m3/s，分析徑流量變化引起的北槽動力場和含沙量場的差異。計(jì)算結(jié)果見圖6，為便于清晰對比，將圖中平均含沙量小于0.2 kg/m3的區(qū)域全部白化。

圖6 不同流量下南北槽14 d垂線平均含沙量場的分布及余流Fig.6 Distribution of the residual currents and 14 days-avaeraged sediment concentration in the North and South Passages under different discharges from 20 000 to 80 000 m3/s

首先，從余流來看，上游徑流量越大，南北槽內(nèi)余流強(qiáng)度越大，說明潮汐不對稱性越強(qiáng)。由于徑流和潮汐的相互作用（圖7），使得北槽上段潮差在徑流流量為20 000～30 000 m3/s時最大，北槽中段潮差在徑流量40 000 m3/s時最大，北槽下段徑流越大潮差越大，這就是潮汐和徑流相互作用后在空間分布上的差異。

圖7 不同流量下橫沙、北槽中和牛皮礁站潮差Fig.7 Tidal limits of the Hengsha, Beicaozhong and Niupijiao station under different discharges from 20 000 to 80 000 m3/s

在河口區(qū)域，徑流增加一般意味著水流動力增加，它首先有兩方面的作用：一是起懸能力增強(qiáng)（泥沙再懸浮），二是輸運(yùn)能力增加。在河口最大渾濁帶，由于“河流效應(yīng)”，往往還會有河口垂向環(huán)流增加，這意味著底部向陸的輸運(yùn)也增加（第三重作用），這3種作用的疊加就意味著最大渾濁帶含沙量水平與上游來流流量的關(guān)系并非簡單相關(guān)。圖8的計(jì)算結(jié)果表明，對于長江口而言，動力較弱的灘地由于流速增加含沙量增大，但主流區(qū)由于徑流增加的三重作用，最大渾濁帶含沙量并非單向增大。最大渾濁帶含沙量在徑流量為30 000～40 000 m3/s時達(dá)到最大，這與圖7潮差與流量的關(guān)系基本對應(yīng)。該結(jié)論與沈煥庭等[7]對長江口最大渾濁帶定性認(rèn)識基本一致。此外，從圖8亦可見，隨著流量的增加，最大渾濁帶的重心會逐漸下移，峰值會有所減小。

圖8 不同流量下北槽沿程平均含沙量分布Fig.8 Along-channel depth-averaged sediment concentration under different discharges from 20 000 to 80 000 m3/s

4 結(jié) 語

在實(shí)測資料分析的基礎(chǔ)上，建立了長江口水域三維水沙鹽數(shù)學(xué)模型，并利用該模型對徑流量這個單一因子對長江口北槽水沙動力的影響進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析。實(shí)測資料和數(shù)模結(jié)果共同顯示：北槽攔門沙最大渾濁帶層化較為明顯，大通徑流量大小對最大渾濁帶影響明顯；北槽最大渾濁帶的位置較為穩(wěn)定，主要在北槽中下段約20 km的范圍，總體上流量越大最大渾濁帶的核心位置越往下游側(cè)擺動；大通流量在30 000～40 000 m3/s時，泥沙分層系數(shù)較大，且總體含沙量水平最高。長江口最大渾濁帶含沙量與徑流量的非單向影響關(guān)系主要由徑流的三重作用共同控制：泥沙再懸浮能力、河流效應(yīng)和河口環(huán)流。