閩江感潮河段潮汐-洪水相互作用數(shù)值模擬

傅賜福，董劍希，2，劉秋興，于福江，2

(1. 國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.國家海洋局 海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

閩江感潮河段潮汐-洪水相互作用數(shù)值模擬

傅賜福1，董劍希1，2，劉秋興1，于福江1，2

(1. 國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.國家海洋局 海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

本文分析了閩江感潮河段洪水、潮汐特征，利用高精度GIS數(shù)據(jù)建立了基于非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)的高分辨率洪-潮耦合模型，在閩江口重點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)格分辨率達(dá)到50～100 m。選取竹岐斷面作為徑流邊界并基于“2006.6.6”洪水過程設(shè)計(jì)了3組數(shù)值實(shí)驗(yàn)，模擬結(jié)果表明：相比于只考慮洪水或者潮汐，在耦合洪水和潮汐后，各代表站的模擬值與實(shí)測值更為吻合；在30年一遇洪水的作用下，閩江感潮河段各斷面的原有潮汐特征都不同程度地被洪水信號(hào)所影響，其中，文山里和解放大橋站表現(xiàn)出明顯的洪水特征，而峽南、白巖潭和琯頭站則表現(xiàn)出洪、潮混合特征；從峽南到琯頭對應(yīng)河段在高潮時(shí)段流速減小而低潮時(shí)段則流速增大，說明該河段存在很明顯的洪-潮相互作用。

閩江感潮河段;ADCIRC二維模型;高分辨率;洪-潮相互作用

1 引言

閩江發(fā)源于閩、贛、浙三省交界的武夷、杉嶺等山脈，自北向南流，是福建省最大的河流，上游三大支流沙溪、建溪、富屯溪在南平匯合，進(jìn)入閩江干流，流經(jīng)福州市區(qū)后經(jīng)馬尾入海，河長541 km。

閩江干流控制站——竹岐水文站集水面積54 500 km3，以竹岐站的水文資料為參考，閩江感潮河段常遭受洪水災(zāi)害侵襲。僅從1949年以后，先后發(fā)生了10余次大洪水過程，給福州沿江堤壩造成巨大防洪壓力，同時(shí)造成大量人口受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失慘重。因此，閩江洪水研究及在感潮河段與海潮相互作用一直以來都是重要的研究內(nèi)容。

國內(nèi)許多學(xué)者對閩江感潮河段潮、洪水的研究主要集中在閩江洪水預(yù)警調(diào)度及評估[1—2]、河床演變規(guī)律及整治[3—4]、洪水流量水文特征[5—7]，河口潮區(qū)界變化研究[4，8]等方面，以上研究主要側(cè)重河口整治、航道工程和洪水預(yù)報(bào)調(diào)度方向，對洪水期間潮-洪水相互作用研究相對較少。而本文將運(yùn)用高分辨率潮-洪水耦合模型對閩江感潮河段潮-洪水相互作用進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析其相互作用的機(jī)制和規(guī)律。

2 閩江感潮河段潮汐、洪水特征概述

2.1 閩江感潮河段洪水特征

閩江流域降水量年際變化較為明顯，年內(nèi)分配極不均勻。每年3-6月為雨季，降雨由鋒面形成，籠罩面廣，雨期長，雨量集中。5、6月份是閩江流域的主汛期，降水強(qiáng)度為全年最大，這兩個(gè)月的雨量占年降雨量的30%以上。7-9月，則受臺(tái)風(fēng)影響明顯，閩江口感潮河段的降水量比上游流域大。

另外，閩江沿江地形和支流分布造成了閩江源短流急，歷史上閩江感潮河段洪水主要是由梅雨型暴雨引起，其特點(diǎn)是洪峰高、流量大、歷時(shí)較短。1948年以來，閩江共發(fā)生了13次大洪水，最大的3次洪水依次是“1998.6.23”、“2006.6.7”和“2010.6.19”特大洪水，竹岐水文站相應(yīng)的洪峰流量分別為33 800 m3/s、30 600 m3/s和30 300 m3/s，其中“1998.6.23”的洪峰與黃河歷史最大洪峰流量相當(dāng)，可見閩江洪峰流量之大。

2.2 閩江感潮河段潮汐特征

閩江下游為感潮河段，閩江口屬于強(qiáng)潮河口，潮汐類型是正規(guī)半日潮，平均潮差為4.1 m，太平洋傳入的潮波沿閩江河口溯流而上，隨著斷面及水深變化加上河床沖刷作用和閩江下泄的徑流影響，愈往上游漲潮歷時(shí)愈短，落潮歷時(shí)愈長，潮差愈小。水口電站的建成蓄水后，最小下泄流量減小，加上河道采砂等原因，下游河道普遍刷深下切，使得枯季大潮潮區(qū)界上溯，枯水季潮區(qū)界由原來的侯官(1996年以前)上溯至淮安頭附近，而近幾年潮區(qū)界的確切位置尚無實(shí)測資料分析而定。

根據(jù)楊首龍[7]對閩江口潮、洪水特征的研究表明：閩江下游枯水期和洪水期，潮、洪的相互作用變化明顯，枯水期時(shí)，在天文大潮作用下，巨大潮能將潮波信號(hào)沿閩江溯河而上，潮區(qū)界位于水口水電站壩下約7.38 km處；而在洪水期，由于洪水能量大于潮能，在天文大潮的頂托下，南港的洪塘大橋下游附近和北港的文山里水文站上游附近為典型日潮區(qū)界位置。

3 潮-洪水耦合模式及參數(shù)設(shè)置

為模擬潮-洪水相互作用，需要同時(shí)考慮天文潮、風(fēng)及閩江洪水徑流，另外閩江下游復(fù)雜的河道、地形也需要準(zhǔn)確精細(xì)的用網(wǎng)格刻畫，基于上述考慮，本文采用基于非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格的ADCirc模型，該模型是目前國際上較常用的風(fēng)暴潮數(shù)值模式，由北卡羅來納大學(xué)的R.A.Luettich和美國圣母大學(xué)的J.J.Westerink教授于1992年研制后經(jīng)不斷完善發(fā)展。ADCirc是基于有限元方法、垂向平均二維、正壓的水動(dòng)力學(xué)模式，具有計(jì)算速度快，精確性和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)[9]，同時(shí)它作為國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心的業(yè)務(wù)化風(fēng)暴潮模型之一，在風(fēng)暴潮業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)及數(shù)值模擬上具有較高可信度[10]。

3.1 控制方程及主要參數(shù)設(shè)置

ADCirc模式在計(jì)算過程通過基于垂直平均的原始連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程來求解自由表面起伏、二維流速3個(gè)變量，在運(yùn)動(dòng)方程中，除了考慮平流項(xiàng)、科氏力項(xiàng)、風(fēng)應(yīng)力項(xiàng)和底摩擦項(xiàng)外，還考慮了潮汐和側(cè)向黏性項(xiàng)等。模式將連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程通過引入空間變量數(shù)值加權(quán)參數(shù)(GWCE)進(jìn)行結(jié)合求解。在球坐標(biāo)系下，連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程表示為：

(1)

(2)

(3)

式中，λ,φ為經(jīng)度和緯度；ζ為從海平面起算的自由表面高度；U,V為深度平均的海水水平流速；H=ζ+h為海水總水深；R為地球半徑；f=2Ωsinφ為科式參數(shù)，Ω為地球自轉(zhuǎn)角速度；g為重力加速度；ps為海水自由表面大氣壓；ρ0為海水密度；η為牛頓引潮勢；α為地球有效彈性因子；τsλ,τsφ為自由表面應(yīng)力；τbλ,τbφ為底摩擦應(yīng)力；Dλ,Dφ為動(dòng)量方程的水平擴(kuò)散項(xiàng)。

初始條件為：ζ=u=v=0；海岸邊界條件：邊界的法向速度為0；開邊界條件：輻射邊界條件，文中由M2、S2、K2、N2、K1、O1、P1、Q1，8個(gè)分潮驅(qū)動(dòng)計(jì)算，該8個(gè)分潮調(diào)和常數(shù)取自全球潮汐模型NAO99；求解所需物理變量的過程中，空間采用有限元法離散，時(shí)間采用有限差分法，時(shí)間步長取為1s，滿足CFL條件要求；底摩擦力τb與深度平均流呈二次平方律關(guān)系，底摩擦系數(shù)Cf采用二次律形式，見下式：

(4)

式中，Cfmin為最小底摩擦因子，Hbreak為臨界水深，參數(shù)θ用來控制混合公式接近其上下限的快慢，參數(shù)λ描述摩擦因子隨水深增加而增大的快慢，本文Cfmin取值0.001 8，Hbreak取值3.0m，θ取值10，λ取值1/3。

運(yùn)用該公式，水深較深的海域和主河道(大于3m)底摩擦系數(shù)基本為常數(shù)0.001 8，而水深較淺的近?；蛘吆拥罍\灘、灘涂等地形(小于3.0m)隨著水深的變淺或者由干點(diǎn)變?yōu)闈顸c(diǎn)時(shí)的底摩擦系數(shù)則呈指數(shù)式的增大，這樣就能較客觀同時(shí)刻畫海洋、河道、灘涂等地形條件的底摩擦力項(xiàng)。

本文將一維堤壩考慮到模式的網(wǎng)格中，關(guān)于堤壩漫堤溢流的介紹之前的文獻(xiàn)[11]有提及，在此不再贅述。

3.2 徑流邊界及選取

(5)

本文選擇竹岐水文站斷面作為數(shù)值模擬的徑流邊界基于以下考慮：閩江在中下游流域處于武夷山脈，從水口水庫至竹岐水文站的河流流域中，有相當(dāng)一部分洪水徑流是由流域兩旁降水引起的旁側(cè)入流所貢獻(xiàn)，因此選擇在離閩江口較近的竹岐斷面可以基本消除旁側(cè)入流洪水分量。

3.3 網(wǎng)格剖分

文中采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格便于刻畫復(fù)雜河道、地形。計(jì)算區(qū)域包括東海和南海部分海域，開邊界分辨率20km，閩江感潮河段及陸地上的網(wǎng)格進(jìn)行加密，漫灘陸地邊界取高程等高線小于15m，分辨率為50～100m，該套網(wǎng)格包括623 033個(gè)三角形單元，322 234個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，其中約65%的網(wǎng)格分布在閩江口陸地區(qū)域，見圖1a、b，其中圖1b為圖1a中黑方框部分的放大圖。

所用水深、高程數(shù)據(jù)由3部分組成：(1)國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心業(yè)務(wù)化風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)系統(tǒng)所用水深數(shù)據(jù)，空間分辨率2′，這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要用于除福建沿海的外海；(2)福建沿海精細(xì)化水深數(shù)據(jù)，空間分辨率3″，這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要用于福建沿海；(3)閩江口比例尺為1∶5 000的DEM數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要用于閩江陸地區(qū)域。這3種數(shù)據(jù)統(tǒng)一基面(平均海平面)、訂正、融合后，插值到網(wǎng)格格點(diǎn)。

圖1c為閩江口區(qū)域網(wǎng)格的水深地形圖(正值表示水域，負(fù)值表示陸域)。從圖中可以看出，閩江感潮河段地形比較復(fù)雜，在河海交界處的航道水深較深，島嶼灘涂分布其間，陸域區(qū)域丘陵較多，高分辨率網(wǎng)格能夠準(zhǔn)確刻畫。

4 潮汐-洪水相互作用模擬分析

根據(jù)多年閩江下游實(shí)測大量水文、水位、流量等資料表明：閩江下游河流水動(dòng)力作用下河床嚴(yán)重下切，斷面深度不斷下探。相比2000年以前，閩江下游的河道地形已發(fā)生較大變化，而本文所涉及的水深地形資料均為2005年以后的數(shù)據(jù)，因此，本文選取閩江下游“2006.6.6”洪水過程進(jìn)行模擬研究。

此過程計(jì)算時(shí)間為7d，自2006年6月3日0時(shí)至2003年6月9日23時(shí)，經(jīng)查詢閩江口感潮河段在該時(shí)間段無明顯風(fēng)暴潮過程，因此本文模擬均不考慮氣象因素引起的風(fēng)暴潮。為了研究潮汐-洪水相互作用，本文設(shè)計(jì)了3個(gè)實(shí)驗(yàn)：(1)模型中只考慮潮汐；(2)模型中只考慮洪水；(3)模型中考慮潮汐-洪水耦合。

4.1 洪水過程水位模擬

2006年6月3-7日，閩江流域出現(xiàn)持續(xù)性暴雨過程，主雨區(qū)位于主流建溪、富屯溪流域，致使閩江下游發(fā)生了有實(shí)測記錄以來僅次于1998年的30年一遇大洪水，竹岐水文站洪峰流量達(dá)30 600m3/s，洪水位達(dá)到11.98m，超過警戒水位2.18m。

圖2 閩江口潮位站分布(a)及各站模擬(實(shí)線)與實(shí)測(空心圓)對比(b～f)Fig.2 Locations for Minjiang Estuary tidal-gauge stations (a) and comparison between simulation (solid line) and measured (hollow circle) (b～f)

圖2為閩江口潮位站分布及各站模擬與實(shí)測對比，考察文山里、解放大橋、峽南、白巖潭、琯頭水位過程曲線，可以看出：(1)受到較大洪水影響，各站實(shí)測水位(空心圓)的潮汐信號(hào)強(qiáng)弱與其和竹岐距離成反比，離竹岐最近的文山里實(shí)測水位已無潮汐特征，而處于閩江入?？诘默g頭，潮汐特征十分明顯；(2)只考慮潮汐，各站模擬水位(綠色線)與實(shí)測水位相差較大，但可以反映出潮波由閩江入?？凇g頭到閩江下游河段逐漸減弱的過程；(3)只考慮洪水，在離竹岐較近的文山里和解放大橋模擬水位(黑色線)與實(shí)測水位較接近，離竹岐較遠(yuǎn)的峽南、白巖潭、琯頭模擬水位與實(shí)測相差較大，主要是不能反映其潮汐周期特征；(4)考慮潮汐-洪水耦合后，各站模擬水位(紅色線)與實(shí)測十分吻合，在文山里和解放大橋能反映其較強(qiáng)洪水特征，而在峽南、白巖潭、琯頭又能反映其潮汐、洪水混合特征，相比只考慮洪水和只考慮潮汐，耦合后更能準(zhǔn)確反映潮、洪水傳播及相互作用。

4.2 潮-洪水相互作用分析

為更全面地分析“2006.6.6”洪水背景下，閩江感潮河段潮汐、洪水的傳播及兩者相互作用，下文從兩方面考慮：(一)感潮河段潮信號(hào)，即實(shí)驗(yàn)(3)考慮潮汐-洪水耦合計(jì)算的水位與實(shí)驗(yàn)(2)只考慮洪水計(jì)算得到的水位之差，簡稱水位差值，考察感潮河段泄洪作用下，潮汐信號(hào)在河道的分布；(二)河道流速對比，即實(shí)驗(yàn)(3)考慮潮汐-洪水耦合計(jì)算的流速流向與實(shí)驗(yàn)(1)只考慮潮汐計(jì)算得到的流速流向?qū)Ρ取?/p>

圖3為洪水作用下閩江感潮河段潮汐信號(hào)空間分布，潮汐信號(hào)自閩江口到竹岐斷面呈逐漸減弱趨勢，從圖中可以劃分幾個(gè)潮汐信號(hào)強(qiáng)弱區(qū)域：(1)水位差值小于0.2m，竹岐到北港金山大橋、竹岐到南港灣邊大橋附近(圖3中紅線)，這兩個(gè)河段潮信號(hào)幾乎為0，說明洪水幾乎是水位的貢獻(xiàn)者；(2)水位差值在0.2～1m之間，北港金山大橋、南港灣邊大橋到馬尾青州大橋附近(圖3中紫線)，這兩個(gè)河段潮汐信號(hào)較弱，說明洪水占據(jù)主導(dǎo)；(3)水位差值在1～2m之間，馬尾青州大橋到閩江口北側(cè)琯頭、馬尾青州大橋到閩江口南側(cè)潭頭附近(圖3中藍(lán)線)，這兩個(gè)河段潮汐信號(hào)較強(qiáng)，說明潮汐與洪水對水位均有貢獻(xiàn)；(4)水位差值大于2.0m，閩江口北側(cè)琯頭外側(cè)、南側(cè)潭頭外側(cè)至閩江口外海，潮汐信號(hào)強(qiáng)，洪水對水位的貢獻(xiàn)幾乎為0，潮汐占主導(dǎo)。

圖3 “2006.6.6”洪水過程閩江感潮河段潮信號(hào)空間分布Fig.3 Tidal signal spatial distribution of June 6 2006 flood at Minjiang Estuary tidal reach

圖4 閩江口各站耦合模擬(藍(lán)色線)與只考慮潮模擬(紅色線)流速(左)、流向(右)對比Fig.4 Comparison between velocity (left) and flow direction (right) for Minjiang Estuary tidal-gauge stations，coupled results (blue line) and results of consider tide only(red line)

圖4為閩江口各站耦合模擬(藍(lán)色線)與只考慮潮模擬(紅色線)的流速、流向的對比，從圖中可以看出：(1)只考慮潮汐，各站的最大流速約1.0～1.3m/s，順河道作潮汐往復(fù)流；(2)考慮潮汐-洪水耦合，各站的流速顯著增大，最大流速約1.8～3.9m/s，流向均是沿河道向海一側(cè)方向，文山里、解放大橋的流速受洪水影響較大，已無潮汐周期特征，峽南、白巖潭和琯頭漲潮流速小于落潮流速，在漲潮時(shí)段流速減小，落潮時(shí)段增大的現(xiàn)象，說明這3個(gè)站的對應(yīng)河段，潮與洪水相互作用明顯。

5 結(jié)論

(1)分析了閩江感潮河段潮汐、洪水特征，基于高精度地理信息數(shù)據(jù)建立了一套非結(jié)構(gòu)高分辨率閩江口潮-洪水耦合漫灘模型，重點(diǎn)區(qū)域最高網(wǎng)格分辨率達(dá)50～100m；

(2)取竹岐斷面作為模型的徑流邊界，利用模型對“2006.6.6”洪水過程設(shè)計(jì)數(shù)值3組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：考慮潮汐-洪水耦合，各站模擬水位與實(shí)測十分吻合，在文山里、解放大橋能反映其強(qiáng)洪水特征，而在峽南、白巖潭、琯頭又能反映其潮汐、洪水混合特征，相比只考慮洪水和只考慮潮汐，耦合后對水位變化模

擬更準(zhǔn)確。

(3)竹岐斷面以30年一遇洪水下泄時(shí)，感潮河段原有的潮汐特征在不同斷面均被洪水信號(hào)改變，離閩江入?？谠竭h(yuǎn)，洪水信號(hào)越強(qiáng)而潮汐信號(hào)越弱，離閩江入?？谠浇?，洪水信號(hào)越弱而潮汐信號(hào)越強(qiáng)；在南港峽南至琯頭所對應(yīng)河段，存在流速在漲潮時(shí)段減小而落潮時(shí)段增大的現(xiàn)象，這是由于洪水流向總是順河道向海一側(cè)，當(dāng)漲潮時(shí)，潮汐與洪水發(fā)生頂托，潮水流向與洪水流向相反，雖然潮汐和洪水流速相當(dāng)，但合并流速顯著減?。环粗?，當(dāng)落潮時(shí)，潮水流向與洪水流向相同，流速增大，說明改河段存在明顯的從潮汐-洪水相互作用。

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Flood-tide interaction numerical simulation in Minjiang River tidal reach

Fu Cifu1，Dong Jianxi1，2，Liu Qiuxing1，Yu Fujiang1，2

(1.NationalMarineEnvironmentalForecastingCenter，Beijing100081，China；2.KeyLaboratoryofResearchonMarineHazardsForecasting，StateOceanicAdministration，Beijing100081，China)

Flood and tide features in Minjiang River tidal reach are analyzed and a high-resolution flood-tide coupled model which used high-resolution GIS data for Minjiang Estuary with the highest grid resolution of 50 to 100 m at key areas has been established in this paper. Unstructured triangular mesh that can realize 50 to 100 m’ grid resolution at key areas is employed in the model. Zhuqi section has been chosen for flood boundary，and three numerical experiments have been conducted for June 6 2006 flood process. The experiments’ results indicated that，when coupled with tide and flood，the simulation of each tide gauge agree very well with measured data compared with model results only with flood or tide; the original tidal features have been changed at the different sections in Minjiang River tidal reach by the flood signals，obvious flood characteristics have been shown in Wenshanli and Jiefang Bridge station，flood-tidal mixed characteristics have been shown in Xianan，Baiyantan and Guantou station; the strong interaction between tide and flood occurred in the watercourse (from Xiannan in South Channel to Guantou) because the current velocity is reduced during high water time but increasing during low water time．

Minjiang River tidal reach; ADCIRC-2D model; high resolution; flood-tide interaction

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.002

2014-08-06；

2015-02-04。

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(20090513)。

傅賜福(1983—),男,福建省泉州市人,工程師,從事風(fēng)暴潮預(yù)警及研究工作。E-mail：fucf@nmefc.gov.cn

P731.23

A

0253-4193(2015)07-0015-07

傅賜福，董劍希，劉秋興，等. 閩江感潮河段潮汐-洪水相互作用數(shù)值模擬[J]. 海洋學(xué)報(bào)，2015，37(7): 15-21，

Fu Cifu，Dong Jianxi，Liu Qiuxing，et al. Flood-tide interaction numerical simulation in Minjiang River tidal reach[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(7):15-21，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.002