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长江河口段平均海面数值模拟研究
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第36卷第3期 水道港 口 V01.36 NO.3 2015年6月 Journal of Waterway and Harbor Jun.2015 长江河口段平均海面数值模拟研究 杨锋 ,谭 亚。,王志伟 (1.91650部队,广州510320;2.河海大学 港口海岸与近海工程学院,南京210098) 摘要:为更好研究长江河口段平均海面的特性,建立了大通至长江口感潮河段的二维水动力数学模 型,通过模拟径流与潮汐共同作用下的水动力过程,并设置上下游不同条件的对照组,分析了河口段平 均海面的影响因子及响应规律。结果表明,长江河口段年平均海面A。值由上游径流和外海潮波共同作 用产生,外海潮波给予了河道内平均水位一个沿程定值,而径流使得其产生了沿程衰减的趋势,这是河 口段A。特征不同于外海的原因,也说明径流是其主要影响因子。A。只受径流和外海潮位的年平均值影 响,而不受两者的年内变化影响。径流量的变化会导致上游A0值比下游发生更加显著的响应;外海 值 的变化会使沿程发生大致等量的变幅。未来全球海平面上升后,河口段An也将上升相近幅度。 关键词:数值模拟;平均海面;海平面上升;长江河口 中图分类号:Tv 142;O 242.1 文献标识码:A 文章编号:1005—8443(2015)03—0204—06 长江河口段西起江阴鹅鼻嘴,东至河口拦门沙,两岸地势较低,且人口稠密、经济发达,是黄金水道的人 海通道。因受到上游径流和外海潮波共同影响,长江口水动力条件复杂。平均海面是陆地高程和海图深度 基准面的起算面,长江口平均海面的变化规律如何,直接影响着当地的航道利用、盐水入侵、市区取水等经 济生活问题,并且对于当地提高潮汐预报精度、防灾减灾都具有十分重要意义。 沈焕庭…认为平均海面是人海河流河口区的侵蚀基准面,其升降会使河口纵比降发生变化,改变水流下 切能力,影响侵蚀与堆积。沈健、王宝灿 探讨了长江河口区的月平均海面时空变化规律,认为其月平均海 面变化主要受径流及其他海洋水文气象因子的作用,而且具有明显的季节性变化。陈宗镛等 通过计算长 江口附近4个验潮站过去20 a的海面记录分析出海面变化总趋势是上升的,其变化受径流量大小和外海水 位共同影响,并且厄尔尼诺现象能使长江口年平均海面发生异常。陈西庆 通过分析表明,长江每年的人海 径流对该年的海面有重要影响,幅度为流量每变化1 000 m /s,年平均海面变化8.5 mm,但流量对长江口海面 的趋势性变化无显著影响。杨锋 通过对长江口实测潮位进行调和分析,发现受河床高度向上游抬升影响, 平均海面向上游呈递增趋势。 平均海面存在着日变化、月变化、年变化和多年变化,就长江河口而言,天文潮、径流、气压、气温和季风 等都是导致海面变化的基本因素,而且各因素的相互作用是相当复杂的。本文通过对江阴至共青圩站一整 年的逐时潮位数据进行调和分析 从而得到年平均海面A。,并分析其在河口段的影响因子及响应程度。 收稿日期:2014—10—11;修回日期:2014—1卜o3 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)课题:长江口海域水动力过程与生态系统演变机制(2010CB429001);国 家科技支撑计划(水沙变异条件下荆江与长江I=I北支河道治理关键技术研究)课题:长江I=t北支建闸技术研究 (2013BAB12B05);江苏省水利科技项目:风暴潮耦合影响下长江镇扬河段水位预报技术研究(2012036) 作者简介:杨锋(1986一),男,河南省新乡人,助理工程师,主要从事验潮及水动力模拟分析工作。 Biography:YANG Feng(1986一),male,assistant engineer. 水道港 口 第36卷第3期 中本文将平均海面 100 徐六泾 口实测_模拟 300 徐六泾 口实测_模拟 O A0作为一个角速率 8o 为0的特殊分潮与  ̄.r 250 200 其他分潮一起进行 . 150 了验证。 100 由图2~图6可 50 知,模拟值与实测值 O M2 s2 N2 K2 K1 O1 P1 Q1 M4 MS4 Sa AO 吻合良好,逐时和El 分潮 均潮位偏差在10 cm 图6分潮调和常数验证 以内,高低潮位时间 Fig.6 Veriifcation of tidal harmonic constants 偏差小于30 arin;除Q 等振幅量值较小的分潮外,其他分潮振幅偏差都在10%I2内,迟角偏差小于10。 。因 此,模型结果很好地复演了长江感潮河段的涨落潮过程。 2动力变化对A。的影响. 大通站作为长江口的潮区界,一直被用作研究长江感潮河段的流量控制节点。连兴港位于长江口北支 末端,其水文特性为潮汐作用强于径流,因此本文模型视口门外的海洋潮汐特征与连兴港相同,并将其潮汐 特征赋予下游边界。本文在只考虑径流和潮流动力的情况下(图1),通过改变上游大通流量值和下游连兴 港潮位值来设置不同的上下游动力边界组 表1不同边界组合条件 合,每个组合计算时间长度为l a。Tab.1 Combination condition ofdifferentupstream anddownstreamboundaries 为了更直观地观察和分析年平均海面 垒 二 二 二二二二二二二二::二 A。在长江河口段的沿程变化趋势,现以各 , 大通2000年流量过程 连' ̄2ooo年逐时潮位 (日流量有年内变化) (日均海面有年内变化) 潮位站距离上游大通站的距离,即河长长 &, 大通2000年流量过程 连兴港2000年逐时潮位一25 h平均值 度作为横坐标,将江阴、天生港、徐六泾、杨 ‘ (13流量有年内变化) (日均海面无年内变化) 林、吴淞和共青圩共6个测站的结果着重 , 恒定为0 /s 连兴港2000年逐时潮位 (日流量无年内变化) (日均海面有年内变化) 标示出来,这六站距离大通河长分别约为: &, , 大通2000年流量过程连兴港2000年逐时潮位一25 h平均值+29.3 cln 412 km、462 km、497 km、534 km、568 km和 … (日流量有年内变化) (日均海面无年内变化) f ,. 恒定为29 351 m /s 连兴港2000年逐时潮位 590km。 ~ (日流量无年内变化) (日均海面有年内变化) 2.1动力变化对A0的定性影响 为了确认河口段A0是否是受上游径流下泄和外海潮波 向口门内上溯的共同影响,现以2000年数据为基础来设置 上下游边界条件。 说明:逐时潮位减去25 h平均值可以过滤掉大部分长 周期低频潮波的影响,条件1.2中水位即在年平均海面29-3 cm上下振动。2000年大通平均流量为29 351 m。/s;连兴港 站平均海面高度为29.3 cm。 条件1.2和1.3是条件1的两种极端情况,目的是研究上 距大通距离(km) 下游边界日均值的年内变化对平均海面是否有影响;条件 图7平均海面A。沿程分布 1、2、3的对比则是为了探明河口段A。是受径流和外海潮波 Fig.7 Distribution along the irver of Ao 的单一作用还是共同影响。 表2主要站点A0高度 由图7可知,条件1、1.2、1.3所计算出的A0趋势线几乎 Tab。2 The values of Ao in major stations cm 重合在一起,说明长江河口段的沿程A0值只取决于 上游径流量和外海潮位的平均值,而径流量值和潮 条件1 位值在年内是否出现长周期波动对其并无影响。 条件2 条件3 2015年6月 杨锋,等长江河口段平均海面数值模拟研究 207 对比条件1与2,当下游平均海面为0 cm时,径流单独产生的A0值向下游依然保持着相同的衰减趋势和衰减 幅度,但各站数值都比原来减小了25 am左右。当上游径流年均流量为0 m /s时,条件3中的外海潮波向口 内上溯,但沿程A0数值却基本保持不变,向上游呈现的趋势并未衰减,反而略微增大,这与河床高度向上游 抬升有关。从表2中的数据可知,各个站点条件1的A。值都低于条件2与条件3之和15 cm左右,且上游站点 中径流产生的水位值所占比重大,下游站点中外海潮波产生的水位值占总水位的比重更大。 这说明河口段平均海面A。值由上游径流和外海潮波共同作用产生,径流对上游站点水位影响更大、外 海潮波对下游站点影响更大。在趋势上,外海的潮 表3不同边界组合条件 波给予了河道内平均水位一个沿程定值,而径流使Tab.3 Combination condition ofdifferentupstream and 得其产生了沿程衰减的趋势,这是河口段A。特征不 downstream boundaries 同于外海的原因,也说明径流是其主要的影响因子。 2.2动力变化对A。的定量影响 为了研究长江河口段A0高度对径流变化和外海 A。变化响应的具体数值,现设置两组对照组与条件1 Rn 进行对比分析。 70 说明:据1997~2003年实测数据显示,大通年 uu 平均流量最小值为2001年的26 155 m /s,最大值40 为1998年的39 321 m /s。2000年大通平均流量为 29 351 m /s放大1_3倍后值为38 156 m /s,仍在往年 10 范围内,符合实际(图8)。 据1989~2009年实测数据显示,连兴港站平均海 面A0最小值为1995年的15.48 cm,最大值为2007年 图8大通不同条件的流量过程线 的37.23 cm。200O年连兴港站A0高度为29.3 cm,放 Fig・ Pro 。。。 ine。 di雎ren di 。h rg。 a D咖ng s 砒i。n 大 口 多 小 游 站 数值均增大了相近的数量值,即在外海An值增大了7.3 cm后,沿 距大通距离(km) 程各站点An值均增大了9 cm左右,且两者数值相近,这说明河口 图9平均海面 沿程分布 段站点A0值对外海平均海面变化响应的敏感度几乎相同。 Fig.9 Distribution along the river of A0 2_3全球海平面上升对A。的影响 表4主要站点A0高度(am)及变化量 由于人类活动对地球环境的影响迅速扩大,全 Tab.4 The value and variation of A0 in major stations 球变暖以及海平面上升是一全球性系列重大的环 境问题之一。在过去的100年里,全球的海平面平 均上升速率为1-,-2 mm/a 。随着全球变暖,海平 面上升将加剧,大多数研究者认为,下一世纪全球 海平面上升速率可能达到过去100 a平均上升速率 的3 ̄6倍n 。据权威的IPCC报告称,到2100年,全球海平面上升预测值的最佳估计值为66 cm,最高估计值 为110 cm …。 长江三角洲及其邻近地区是我国现代地壳沉降运动速率最大区域之一,也是人类开采地下水等造成地 面沉降较为严重的区域,近些年来,全区地面平均沉降速率为2~5 mm/a,其中上海市的最大沉降漏斗区为7 208 水道港 口 第36卷第3期 45 ooo 40ooo 35 ooo 30000 25 oo0 暑 2O000 15 ooo 惶 10 ooo 5 ooo 0 距大通距离(kin) 图10大通年平均流量与连兴港A0多年变化 图1 1全球海面上升后的河口段A。分布 Fig.10 Temporal variation of annual mean discharge at Datong and A0 at Fig.1 1 Distirbution along the irver of Ao after the Lianxinggang global sea level rises mm/a_1 。因而,在21世纪全球海平面的绝对上升 表5主要站点A0高度(cm)及变化量 加上本地区的沉降所得到的海平面相对上升幅度 Tab.5 The value and variation of Ao in major stations 将远超过全球平均值。据此,本文以2000年数据为 条件 江阴 天生港徐六泾 杨林 吴淞 共青圩 基础,利用模型分别模拟长江口海域海平面上升 2000年 135.9 102.7 81.3 68.5 55.6 50.2 50 am和100 am后的河口段A0变化。 A。抬升50 am 183.5 152.0 131.1 118.4 104.9 99.2 6 176.0 163.6 149.8 144_3 1993 2009年共17 a的实测资料在图10中显 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 A0抬升1oo cm 227.2 196.示,除了1998年等极致年份外,大通年平均流量与连兴港年平均海面A0的变化趋势并不一致,且两者总的趋 势线倾斜方向刚好相反,即大通年平均流量呈逐年下降趋势,而连兴港A。以9 mm/a的速率逐年上升。这与 全球海平面上升的大趋势相符,同时也说明连兴港站的A。受上游径流影响极小、可以代表外海潮汐特征。 从图11和表5可以看出,在外海海平面上升50 cm后,长江河口段各站点A0均增大了49 cm左右;在外 海海平面上升100 am后,长江河口段各站点A。均增大了93 Clll左右。这说明在外海海平面上升后,河口段 A0均上升相近的高度,这就给该区域的人们提前敲响了警钟,应减小城市地面下沉并及早研究应对措施,以 防止重大海洋灾害的发生。 3结论 通过设置上下游不同条件的对照组,长江河口段平均海面A0值由上游径流和外海潮波共同作用产生, 径流对上游站点水位影响更大、外海潮波对下游站点影响更大。外海的潮波给予了河道内平均水位一个沿 程定值,而径流使得其产生了沿程衰减的趋势,这是河口段A0特征不同于外海的原因,也说明径流是其主要 的影响因子。径流量的变化会导致沿程A。值发生响应变化,且上游比下游站点响应更敏感;外海A0值的变 幅会使沿程振幅发生大致等量的变幅。未来全球海平面上升后,河口段A0也上升相近幅度,这将提醒人们 及早采取措施预防海洋灾害。 参考文献: [1]沈焕庭.平均海面研究的意义和计算方法[J].海洋科学,1982(3):39—43. 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Numerical simulation study on mean sea level at Yangtze River estuary reach YANG Feng ,TAN Ya ,WANG Zhi-wei (1.P Navy 91650 Troops,Guangzhou 510320,China;2.College ofHarbor,Coastal and Offshore Engineering, Hohai University,Nanjing 210098,China) Abstract:In order to study the characteristics o{mean sea level at Yangtze River estuary reach.a two-dimen- sional hydrodynamic model for the tidal reach of the Datong—Yangtze River estuary was established.By simulating the hydrodynamics in response to runoff and tides and setting different upstream and downstream boundaries,the in— lfuence factors and responses of A0 at Yangtze River estuary reach were analyzed.The results show that,the Ao at Yangtze River estuary reach is co—produced by runoff and tidal action.The offshore level gives a constant value to the A0 along the estuary reach;meanwhile,the discharge of urnoff produces the decay trend along the way to it,it s the reason why the characteristics of the A0 along the estuary reach is different from in offshore area,and it proves that the runoff is the main influence factor.The Ao in estuary is only affected by the average level in offshore and the average discharge of urnoff,but not by the change of runoff and offshore tide during a year.The average discharge of runoff during a year will affect the A0,and the upstream sites are more sensitive than downstream;the offshore A0 will produce a similar amount of change to it.With the global sea level rise,the A0 in estuary will rise by a similar to offsbore. Key words:numerical simulation;mean sea level A0;sea level rise;Yangtze River estuary reach
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