最近50 a來(lái)萊州灣西—南部潮流動(dòng)力演變的數(shù)值模擬研究

李蒙蒙，王慶*，張安定，王紅艷，劉亞龍，王琳

（1.魯東大學(xué)海岸研究所，山東煙臺(tái) 264025；2.中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島 266100）

最近50 a來(lái)萊州灣西—南部潮流動(dòng)力演變的數(shù)值模擬研究

李蒙蒙1，王慶1*，張安定1，王紅艷1，劉亞龍2，王琳1

（1.魯東大學(xué)海岸研究所，山東煙臺(tái) 264025；2.中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島 266100）

根據(jù)1959、1984、2002年測(cè)量的海圖，基于二維淺水方程分別構(gòu)建了3個(gè)年份的萊州灣潮流場(chǎng)模型，研究了最近50 a來(lái)萊州灣西—南部潮流動(dòng)力演變規(guī)律，揭示黃河河口沙嘴形成演變對(duì)萊州灣西—南部潮流動(dòng)力的影響。結(jié)果表明，最近50 a中在沙嘴外圍一直存在弧形高流速帶，在弧形高流速帶外圍又有潮流剪切鋒，潮流剪切鋒包括內(nèi)漲外退式和內(nèi)退外漲式兩類。隨著河口沙嘴的不斷向海延伸，萊州灣西—南海域的等潮位線呈以沙嘴為中心的輻射式格局；弧形高流速帶整體向外海移動(dòng)，其范圍和流速也隨之不斷增大；剪切鋒歷時(shí)變長(zhǎng)、間隔時(shí)間變短、南北跨度變大；但弧形高流速帶和潮流剪切鋒始終位于青坨子以北海域。對(duì)照同期海岸地貌演變，在弧形高流速帶、潮流剪切鋒等共同作用下，大部分黃河入海泥沙的輸運(yùn)路徑和沉降范圍僅限于青坨子以北，導(dǎo)致海岸地貌以此為界呈現(xiàn)顯著的差異性演化。

潮流場(chǎng)；高流速帶；潮流剪切鋒；黃河口沙嘴；萊州灣西—南部；青坨子

1 引言

萊州灣西—南部包括虎頭崖以西的萊州灣西岸和南岸海域，其中西岸相當(dāng)于現(xiàn)代黃河三角洲（見圖1）。萊州灣灣口西起現(xiàn)代黃河三角洲北端、東迄屺坶島，為我國(guó)沿海接納河流和河流輸沙最多的海灣，黃河及小清河、淄脈河、彌河、虞河、濰河、膠萊河等主要河流均在萊州灣西—南部入海。其中，黃河多年平均輸沙量為10.01億t（1949—1987年），占沿岸河流入海泥沙總量的99.75%［1］。

全球變化背景下大河河口-三角洲與其注入海灣之間的相互作用，對(duì)海岸帶可持續(xù)發(fā)展有深遠(yuǎn)影響，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。萊州灣屬于典型的弱潮海灣，沿海灣西—南部發(fā)育了廣袤的淤泥質(zhì)潮灘。最近50 a來(lái)，高強(qiáng)度的海岸資源開發(fā)利用使萊州灣西—南部海岸輪廓改變劇烈，西岸黃河入?？谖恢妙l繁變遷，再加上黃河入海徑流及泥沙量銳減，必然會(huì)引起萊州灣西—南部海岸沉積動(dòng)力條件的深刻變化。

近年來(lái)，有許多學(xué)者先后應(yīng)用數(shù)值模擬等方法，對(duì)黃河口海域潮汐、潮流、剪切鋒等進(jìn)行了研究［2］，其中尤以對(duì)潮流剪切鋒的存在、形成及其對(duì)黃河泥沙輸運(yùn)的阻礙作用最為深入［3—5］。但是，關(guān)于最近50 a來(lái)萊州灣西部海岸輪廓變化，尤其是黃河口巨型沙嘴形成、演變，對(duì)海岸潮流沉積動(dòng)力過(guò)程的影響，還少有專門研究。同時(shí)，關(guān)于萊州灣海岸動(dòng)力地貌及陸海相互作用研究，多以黃河口所在的西岸海域?yàn)橹鳎?—8］，對(duì)灣頂所在的南岸關(guān)注較少，而且缺少將南岸與西岸作為整體的系統(tǒng)研究。

本文基于二維淺水方程模擬了1959、1984和2002年三期萊州灣潮流場(chǎng)，將萊州灣西—南部視為同一整體，對(duì)萊州灣西—南部海域的潮流場(chǎng)、黃河口沙嘴外圍形成的高流速帶和潮流剪切鋒進(jìn)行系統(tǒng)、深入研究，并著重分析了萊州灣西—南部潮流動(dòng)力體系的空間格局及其演變，旨在于揭示其與萊州灣西—南部海岸地貌演變的相互作用機(jī)制。

圖1 萊州灣地理位置和海岸輪廓（根據(jù)1959年測(cè)量的海圖編繪）

2 研究方法

2.1 水動(dòng)力模型計(jì)算

鑒于研究海域水深較小，本研究重點(diǎn)為泥沙水平方向輸運(yùn)，基于二維淺水方程構(gòu)建潮流動(dòng)力模型。所用計(jì)算軟件為丹麥水力學(xué)研究所（DHI）開發(fā)的MIKE21的FM模塊，該軟件在海岸海洋水動(dòng)力、水環(huán)境模擬方面已有許多成功案例［9—11］。模型所用基本方程如下［12］：

動(dòng)量方程：

質(zhì)量連續(xù)方程：

式中：h為水深；t為時(shí)間；x、y、z為笛卡爾坐標(biāo)系中位移；η為自由水面高度，即水面相對(duì)于參考面的高度或水位；u、v為流速在X、Y方向分量；Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮?；f=2Ωsin（φ），f為科里奧利（Coriolis）參量，Ω= 0.729×10-4s-1為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為地理緯度；fu、fv為地球自轉(zhuǎn)引起的加速度；ρ為水的密度；ρ0為標(biāo)準(zhǔn)水密度；S為源匯項(xiàng)；us、vs為源匯項(xiàng)流速在x、y方向分量；sxx、sxy、syy、syx為輻射應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平黏滯應(yīng)力項(xiàng)；τbx、τby為底摩擦力在x、y方向分量；τsx、τsy為表面摩擦力在x、y方向分量；方程中的上橫杠表示深度平均值。

2.2 模型運(yùn)行與數(shù)據(jù)設(shè)置

基于海圖上的地形數(shù)據(jù)分別創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域1959、1984、2002年的三期非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格地形模型，構(gòu)成網(wǎng)格的子網(wǎng)格作為模型計(jì)算的基本單元。由于不同時(shí)期、不同區(qū)域的岸線、水深差別較大，故不同時(shí)期地形模型的陸地邊界和網(wǎng)格數(shù)目不同，同一時(shí)期模型的不同區(qū)域采用不同的網(wǎng)格尺度?？紤]到模型計(jì)算效率并且兼顧計(jì)算精度，網(wǎng)格邊長(zhǎng)最小值控制在100 m。計(jì)算區(qū)域范圍為37°06～38°00′N，118°48′～120° 24′E之間，生成網(wǎng)格文件所用投影和坐標(biāo)系統(tǒng)分別為UTM和WGS84（見圖3，以1959年為例），圖中距離單位為m。

圖2 1959年萊州灣地形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

三期模型均使用相同的水位開邊界，其始末端點(diǎn)坐標(biāo)為（38.05°N，118.95°E）、（37.82°N，120.71° E）。由于模擬海域及附近海域在研究時(shí)段內(nèi)沒有可用的驗(yàn)潮數(shù)據(jù)，因此三期模型的開邊界水位均根據(jù)Mike tidal工具箱提供的全球潮汐模型數(shù)據(jù)（The global tide model data）推算，此全球潮汐模型數(shù)據(jù)來(lái)源于潮汐模型同化Topex／Poseidon衛(wèi)星的測(cè)高數(shù)據(jù)（altimetry data）。三期模型模擬時(shí)段均為1 a，模擬時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為120 s。鑒于本研究中數(shù)值模擬的主要目的是揭示海灣輪廓改變對(duì)其潮流場(chǎng)演變的影響，故未考慮風(fēng)、浪、溫度、鹽度和支流入?yún)R等因素。

2.3 模型的驗(yàn)證和參數(shù)率定

根據(jù)最近數(shù)十年來(lái)潮流動(dòng)力系統(tǒng)演變需要，用1959年萊州灣6個(gè)驗(yàn)潮站（見圖1）實(shí)測(cè)潮汐統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，除平均小潮差誤差較大（10.5%）外，模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間誤差均在5%以下（表1）。根據(jù)6個(gè)站點(diǎn)的潮位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)模型的反復(fù)調(diào)整，最終率定的萊州灣水動(dòng)力模型參數(shù)：渦擴(kuò)散系數(shù)（Cs）為0.28，曼寧糙率系數(shù)（n）為32，干濕動(dòng)邊界相關(guān)的干水深（drying depth）為0.005 m，淹沒水深（flooding depth）為0.05 m，濕水深（wetting depth）為0.1 m；科氏力設(shè)置為隨地點(diǎn)變化而變化，即隨緯度不同其值也不同。

表1 萊州灣模型模擬值和實(shí)測(cè)值的比較統(tǒng)計(jì)

續(xù)表1

3 結(jié)果和討論

3.1 潮流場(chǎng)及其演變

在黃河口沙嘴的挑流作用下，萊州灣西—南部海域存在弧形潮流場(chǎng)，即以黃河泥沙淤積形成的河口沙嘴頂端為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其兩側(cè)的漲、落潮流方向均顯著不同，并隨沙嘴形態(tài)和位置變化而變化。如圖所示（見圖3），在漲、落潮過(guò)程中，岬角以北的等水位線均大致呈東北—西南向并與岸線斜交，到岬角以南則逐漸偏轉(zhuǎn)并平行于岸線。隨著黃河口沙嘴的不斷向海突出和銳化，以沙嘴為中心的放射狀等水位線的影響范圍不斷擴(kuò)大，其潮流場(chǎng)的弧狀形態(tài)也越來(lái)越顯著。從1959—2002年，萊州灣西岸漲潮（落潮）時(shí)河口沙嘴（岬角）北側(cè)高（低）水位區(qū)與南側(cè)的低（高）水位區(qū)距離由遠(yuǎn)變近，潮流運(yùn)動(dòng)中發(fā)生轉(zhuǎn)折的程度由也輕變重。至2002年時(shí)，西岸黃河河口處形成了約有20 km長(zhǎng)的巨型河口沙嘴顯著突出于海灣深處，萊州灣潮流場(chǎng)整體成為以河口沙嘴為中心的弧形格局。

3.2 高流速帶及其演變

在黃河口沙嘴的挑流作用下，流經(jīng)沙嘴附近的漲落潮流在轉(zhuǎn)向的同時(shí)其流速也增大，因而于沙嘴前緣海域形成了弧形高流速帶（見圖4）。在一個(gè)潮流周期中，當(dāng)萊州灣西—南部大部分海域還處于落潮時(shí)，沙嘴近岸潮流率先轉(zhuǎn)流并開始漲潮，弧形高流速帶隨即于漲潮海域形成，并隨著潮流運(yùn)動(dòng)向外海逐漸推移演變。在此過(guò)程中，高流速帶的范圍和中心速度不斷增加，隨后高流速帶內(nèi)潮流流速開始下降，弧形高流速帶逐漸減弱、消失。當(dāng)萊州灣西—南部大部分海域還處于漲潮時(shí)，沙嘴近岸潮流率先轉(zhuǎn)流并開始落潮，新的弧形高流速帶出現(xiàn)在落潮區(qū)域并向外推移、演變。隨著漲、落潮的不斷交替，其間弧形高流速帶的消長(zhǎng)循環(huán)往復(fù)，幾近貫穿了漲、落潮全過(guò)程。

隨著河口沙嘴的不斷向海延伸，弧形高流速帶的位置和速率也不斷變化，但其南界均未超過(guò)青坨子（見圖4）。從1959—1984年，隨著沙嘴的向海推移，高流速帶整體隨之向東南海域移動(dòng)，速率增大趨勢(shì)顯著，最大流速由1959年的0.75 m／s增加到1984年的0.9 m／s。2002年時(shí)，黃河口沙嘴已達(dá)20 km之巨，高流速帶整體隨之進(jìn)一步向東南推移，其范圍明顯增大，弧形形態(tài)也更顯著。需要指出，考慮到黃河于1996年在沙嘴北側(cè)清8汊入海，加之此時(shí)黃河來(lái)水來(lái)沙量銳減，河口沙嘴處已處于明顯的蝕退狀態(tài)［8］，推測(cè)從1984年到2002年時(shí)高流速帶可能經(jīng)歷了流速先增后降的變化過(guò)程，到2002年時(shí)最大流速僅為0.85 m／s。

3.3 潮流剪切鋒及其演變

前人研究表明，在黃河口沙嘴附近的萊州灣西岸海域存在潮流剪切鋒［3—5］。關(guān)于其形成機(jī)理，認(rèn)為是在漲、落潮轉(zhuǎn)換時(shí)受地形、底摩擦、徑流等影響，外海海域最大潮流相位滯后于近岸海域，導(dǎo)致近岸海域先于外海轉(zhuǎn)流，從而在近岸海域與外海海域兩種反向水體相接處形成低流速帶［2］。本文通過(guò)數(shù)值模擬，證明了黃河口沙嘴附近萊州灣西岸海域潮流剪切鋒的存在（見圖5）。結(jié)果顯示，在一個(gè)漲、落潮周期中，先后有兩次潮流剪切鋒出現(xiàn)，分別為內(nèi)漲外退式（見圖5a）和內(nèi)退外漲式（見圖5b），兩種剪切鋒均由沙嘴近岸向外海推移，推移過(guò)程中剪切鋒總體由短變長(zhǎng)。

另一方面，隨著黃河口沙嘴的不斷變化，潮流剪切鋒也發(fā)生了顯著變化。從1959年到1984年剪切鋒的南北跨度變化不甚顯著，但到2002年在接近形成完全時(shí)剪切鋒南北跨度最長(zhǎng)均可達(dá)50 km，較1959、1984年均有明顯增加趨勢(shì)（見表2）。同樣，1959年到1984年剪切鋒持續(xù)時(shí)間和間隔時(shí)間變化也不甚明顯，但到2002年剪切鋒的持續(xù)時(shí)間顯著增加，而間隔時(shí)間則明顯減少（見表3）。此外，在同一漲落潮周期中，2002年時(shí)兩類潮流剪切鋒均先出現(xiàn)在沙嘴北側(cè)，并由沙嘴北側(cè)向離岸海域推移，這與1959和1984年有明顯區(qū)別?？傮w而言，隨著沙嘴不斷向海突出，潮流剪切鋒長(zhǎng)度增加、持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)、間隔減小，但不同年份兩類剪切鋒向南延伸最遠(yuǎn)處均未超過(guò)青坨子。

圖3 1959、1984、2002年萊州灣西-南部潮流場(chǎng)

圖4 1959、1984、2002年萊州灣西-南部潮流漲（a）落（b）潮典型高流速帶分布

圖5 1959、1984、2002年萊州灣西岸潮流剪切鋒

表2 1959、1984、2002年萊州灣西—南部潮流剪切鋒的長(zhǎng)度

表3 1959、1984、2002年萊州灣西—南部潮流剪切鋒的持續(xù)時(shí)間和間隔時(shí)間

潮流剪切鋒位于弧形高流速帶外圍，均與黃河口沙嘴突出對(duì)潮流的阻滯作用有關(guān)。在漲落潮過(guò)程中，黃河口沙嘴近岸潮流先于外海出現(xiàn)轉(zhuǎn)流，弧形高流速帶隨即出現(xiàn)在已轉(zhuǎn)向的潮流區(qū)。與此同時(shí)，與其相對(duì)的低流速帶—潮流剪切鋒出現(xiàn)于高流速帶的外圍，也就是已經(jīng)出現(xiàn)的漲潮流和尚未轉(zhuǎn)向的外圍落潮流之間（見圖5）。兩者在形成后，隨著潮流運(yùn)動(dòng)向外海推移、演變直至消亡，周而復(fù)始，共同組成弧形高流速帶—剪切鋒體系。

3.4 討論

根據(jù)最近50 a來(lái)海岸地貌演變特征，以青坨子為界將萊州灣西—南部海岸劃分為西岸、南岸，其海岸線、等深線以及地貌類型演變存在顯著差異，近岸海底地貌沖淤演變也有較大差別［13］。因此，與一般大河河口-三角洲對(duì)其附近海岸演變有深刻影響不同，黃河河口-三角洲近50 a來(lái)的多次劇烈變遷，并未對(duì)其南側(cè)的萊州灣南岸地貌演變產(chǎn)生顯著影響，萊州灣西岸（黃河三角洲）與南岸地貌演變?cè)跁r(shí)間不同步、空間上不一致，而且這種差異性在最近50 a中一直存在，并未因黃河口也即黃河泥沙入海位置的多次變遷、河流入海水沙的減少乃至斷流而減弱或消失。

萊州灣西—南部海岸是在特定海岸邊界條件下潮流、波浪、泥沙相互作用的產(chǎn)物，其海岸地貌演化的空間差異性與上述海岸沉積動(dòng)力格局密切相關(guān)。鑒于黃河入海泥沙主要是細(xì)顆粒的流場(chǎng)物質(zhì)［1］，河口沙嘴外圍由弧形高流速帶和潮流剪切鋒等共同組成的沉積動(dòng)力體系，控制了黃河入海泥沙的擴(kuò)散、輸運(yùn)和沉降范圍，是導(dǎo)致萊州灣西、南海岸地貌發(fā)生顯著差異性演化的主要原因。一方面，在弧形高流速帶控制下，大部分黃河入海泥沙沿高流速帶呈東北—西南向運(yùn)移。另一方面，在高流速帶外圍潮流剪切鋒的阻礙下，大部分入海泥沙在西岸近岸海域輸移、沉積，無(wú)法繼續(xù)向東、南輸送。同時(shí)，海灣南岸存在自東而西的潮余流［14］，也不利于泥沙沿岸向東、南輸運(yùn)。在這些沉積動(dòng)力過(guò)程共同控制下，黃河入海泥沙及其動(dòng)態(tài)變化對(duì)萊州灣南岸沖淤影響不顯著。

1996年黃河改道于原清水溝河道河口沙嘴北側(cè)的清8汊入海，到2002年時(shí)兩類潮流剪切鋒的歷時(shí)增加、間隔變短、南北跨度明顯增長(zhǎng)，其對(duì)黃河入海泥沙輸移的阻礙作用效時(shí)更長(zhǎng)，效果更加明顯。同時(shí)，沿黃河河口沙嘴分布的高流速帶弧狀形態(tài)更顯著，所控制的區(qū)域范圍也明顯擴(kuò)大。因此，隨著黃河口沙嘴的不斷延長(zhǎng)和向海遷移，弧形高流速帶和潮流剪切鋒對(duì)萊州灣西、南岸地貌的差異性演變影響更顯著（見圖4，5）。

4 結(jié)論

最近50 a來(lái)，黃河河口沙嘴形成及演變對(duì)萊州灣潮流運(yùn)動(dòng)有深刻影響，萊州灣西—南部潮流動(dòng)力體系發(fā)生了顯著變化。但是，在過(guò)去的50 a中，在黃河河口沙嘴外圍一直存在弧形高流速帶，弧形高流速帶外圍又有潮流剪切鋒，這是萊州灣西岸、南岸地貌差異性演變的海岸沉積動(dòng)力基礎(chǔ)。

弧形高流速帶在每個(gè)漲落潮周期中出現(xiàn)兩次，并隨潮流運(yùn)動(dòng)由黃河口沙嘴近岸向外海推移，流速和范圍不斷變化，其存在歷時(shí)幾乎貫穿了整個(gè)漲落潮過(guò)程。隨著黃河口沙嘴的不斷延伸，弧形高流速帶整體隨之向萊州灣東南部移動(dòng)，其弧狀形態(tài)更加顯著，范圍明顯增大，流速也不斷增加。

潮流剪切鋒在一個(gè)漲落潮周期中也出現(xiàn)兩次，分別為內(nèi)漲外退式和內(nèi)退外漲式，均由近岸向離岸處推移，其間剪切鋒的形狀總體由短變長(zhǎng)。隨著黃河口沙嘴的不斷延伸，剪切鋒的特性也發(fā)生了顯著變化，與1959、1984年相比，到2002年時(shí)兩種剪切鋒歷時(shí)更長(zhǎng)，間隔時(shí)間更短，南北跨度有明顯增長(zhǎng)。

弧形高流速帶和潮流剪切鋒是控制萊州灣西、南岸地貌差異演化的主要沉積動(dòng)力過(guò)程。由于最近50 a中高流速帶和剪切鋒南界始終沒有向南越過(guò)青坨子，大部分黃河入海泥沙的輸運(yùn)路徑和沉降范圍僅限于青坨子以北，導(dǎo)致海岸地貌以此為界呈現(xiàn)差異演化，西岸地貌變化劇烈，而南岸基本保持穩(wěn)定。

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Study on the evolution of the tidal morphodynamic processes in south-western Laizhou Bay based on numerical simulation in the past 50 years

Li Mengmeng1，Wang Qing1，Zhang Anding1，Wang Hongyan1，Liu Yalong2，Wang Lin1

（1.Coastal Research Institute of Ludong University，Yantai 264025，China；2.Ocean University of China，Qingdao，266100，China）

Using the two-dimensional shallow water equations，the paper simulated the tidal field of Laizhou bay based on three charts surveyed in 1958，1984 and 2002 respectively.The models were used to study the evolution rule and to reveal the effect on the tidal dynamics by the Yellow River Sandspit formation and evolution over the past 50 years.Results show that，the high-velocity zones have developed outside of the sandspit，and on the periphery of the high-velocity zones，there are the tidal shear fronts which can be divided into inner-ebb-outer-flood type（IEOF）and the inner-flood-outer-ebb type（IFOE）.Acompannied with the sandspit extension toward the the Laizhou bay constantly，distribution of the tide field have converted to the rayonnant model with the sandspit as the center，the arc high-velocity zone moved to the open seas with the increases of range and velocity，the tidal shear fronts lasted longer，spaced shorter，and its length from north to south had clear growth too.But the high-velocity zones and tidal shear fronts are always in the north of the Qingtuizi.Under the combined action of the arc high-velocity zone and tidal shear front，compared with the results of the coastal geomorphology evolution in the same period，a majority of the Yellow River sediment migrated and settled in the north sea area of the Qingtuozi merely.It is the main driving factors that lead to the different geomorphical evolution between the south and west coast.

tide field；high-velocity zone；tidal shear front；Yellow River mouth sandspit；south-western Laizhou bay；Qingtuozi

P731.21

A

0253-4193（2014）05-0068-09

2013-04-01；

2013-11-12。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41071011，41271016）。

李蒙蒙（1987—），女，河北省邢臺(tái)市人，從事河口海岸環(huán)境研究。E-mail：limengmengmeng＠126.com

*通信作者：王慶（1968—），教授，從事河口海岸地貌研究。E-mail：schingwang＠126.com

李蒙蒙，王慶，張安定，等.最近50 a來(lái)萊州灣西—南部潮流動(dòng)力演變的數(shù)值模擬研究［J］.海洋學(xué)報(bào)，2014，36（5）：68—76.

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.05.008

Li Mengmeng，Wang Qing，Zhang Anding，et al.Study on the evolution of the tidal morphodynamic processes in south-western Laizhou Bay based on numerical simulation in the past 50 years［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（5）：68—76.doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.05.008