基于彎道二次流修正模型的大遼河潮流界時空變化模擬

韓雪梅，吳紅斌，周 剛，喬 飛

(1.中國環(huán)境科學研究院 國家環(huán)境保護河口與海岸帶環(huán)境重點實驗室， 北京 100012；2.溫州市珊溪水利樞紐管理局， 浙江 溫州 325002)

基于彎道二次流修正模型的大遼河潮流界時空變化模擬

韓雪梅1，吳紅斌2，周 剛1，喬 飛1

(1.中國環(huán)境科學研究院 國家環(huán)境保護河口與海岸帶環(huán)境重點實驗室， 北京 100012；2.溫州市珊溪水利樞紐管理局， 浙江 溫州 325002)

基于ELADI算法的平面二維水環(huán)境模型WESC2D，定量研究大遼河潮區(qū)界與潮流界的時空變化規(guī)律。在模擬和驗證大遼河潮位變化過程基礎上，通過數(shù)值試驗系統(tǒng)地模擬分析了上游徑流量及匯流比、下游潮差和海平面上升對大遼河潮區(qū)界與潮流界的影響規(guī)律，并以1999年—2009年水文過程為條件定量研究大遼河潮流界的年、月變化及潮流界位置出現(xiàn)頻率。結果表明，徑流是影響大遼河潮區(qū)界與潮流界位置的主要因素，大遼河潮流界遠遠超過三岔河。

潮區(qū)界；潮流界；大遼河；ELADI；WESC2D

潮區(qū)界與潮流界是河口海岸研究的重要內(nèi)容之一，在河口的分類及劃分，陸海相互作用機理以及防咸入侵、航道整治和港口建設等河口地區(qū)的開發(fā)利用及可持續(xù)發(fā)展方面具有重要的理論意義和實踐意義。有關潮區(qū)界和潮流界的研究常用觀測資料分析與數(shù)值模擬計算的方法，且多以觀測資料的定性分析為主，主要集中于長江口、珠江三角洲和遼河口等[1-3]，相對而言，僅對長江口開展了潮區(qū)界、潮流界變化規(guī)律及其對重大工程和海平面上升的響應的系統(tǒng)研究[4]。然而對大遼河口潮區(qū)界及潮流界的研究仍停留在觀測資料的定性分析階段[5-7]，缺乏年月時空變化過程及規(guī)律的定量研究。

大遼河流域位于遼寧省境內(nèi)，由渾河、太子河和大遼河組成，屬于典型的沖積彎曲型河流，又是感潮河段，屬于不規(guī)則半日潮，因此水動力和污染物滯留時間等特性更加復雜[8-10]，影響了潮-徑相互作用下大遼河口潮能通量分布與沿程變化特征。據(jù)1958年河口實驗站調(diào)查，潮流界已遠遠超過三岔河，潮區(qū)界可達到渾河的三界泡、太子河的小河口[11]。1998年的中國海灣志記載大遼河的潮流界在三岔河[12]。也有文獻稱大遼河枯水期潮水可上溯至渾河的三界泡及太子河的唐馬寨。而洪水期當上游來水超過2 000 m3/s時，則無明顯的潮差變化[5]?；诖?，本文采用正交曲線系下基于ELADI算法的平面二維水環(huán)境模型WESC2D(Two-Dimensional Water Environment Simulation Code)，對大遼河潮區(qū)界與潮流界的時空變化過程及規(guī)律進行系統(tǒng)研究，為大遼河的開發(fā)利用提供技術支撐。

1 WESC2D模型

WESC2D模型是基于正交曲線坐標系的平面二維水環(huán)境模型代碼，其水流模塊HYD借鑒了Roger Falconer的DIVAST水流模型的基本架構，考慮了彎道二次流的影響[13]，且采用高效穩(wěn)定ELADI算法[14-15]，不受Courant數(shù)限制，適用于河流，湖庫，海灣和河口的水動力模擬。模型采用交錯網(wǎng)格布置變量，其原理和算法詳見文獻[14-16]。

2 模型參數(shù)率定與驗證

2.1 模擬范圍

計算范圍從大遼河三岔河水文站至大遼河河口四道溝潮位站，長度105 km。如圖1所示。計算域網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為797×60，其中沿河道主槽橫向布置了20個有效網(wǎng)格線，示意圖見圖2。其中，遼寧營口港二號碼頭至海城市西四鎮(zhèn)北海村擬建碼頭位置距離約80 km，河底高程為2008年10月18日至11月7日實測1∶2000地形。三岔河為水文站，田莊臺、營口(二)和遼河公園為水位站，四道溝為潮位站。

圖1 大遼河模擬范圍

圖2 計算網(wǎng)格示意

2.2 參數(shù)率定

上游進口邊界條件給定三岔河水文站2011年5月20日12∶00至21日12∶00之間逐時流量變化過程，下游給定四道溝潮位變化過程，如圖3所示。為了保證計算結果穩(wěn)定，重復計算10 d，選取最后潮周期計算結果。時間步長取為120 s，分步N取為2，即每一分步時間步長為60 s。模型率定的參數(shù)中，渦黏性系數(shù)Ce為0.1，反映河道阻力的粗糙高度在三岔河至田莊臺之間ks取為10 mm，田莊臺至四道溝之間ks取為5 mm。驗證的三岔河、田莊臺和遼河公園的潮位過程如圖4所示，可以看出，潮位模擬結果與實測結果基本吻合。

圖3 上下游邊界條件

圖4 大遼河驗潮站潮位驗證結果

2.3 修改模擬范圍

從三岔河水文站的水位和流量實測結果可以看出三岔河水位受大遼河口潮位影響表現(xiàn)出漲潮落潮的周期性變化，且存在往復流，說明大遼河潮區(qū)界與潮流界遠不止于三岔河測站，因此，有必要擴大模擬范圍，以確定大遼河潮區(qū)界與潮流界的位置。模型延長計算分析范圍分別從渾河的邢家窩棚水文站和太子河的唐馬寨水文站至大遼河河口四道溝潮位站，全長157 km。三界泡和小河口分別位于三岔河上游36.2 km和35.7 km。田莊臺、三家子、營口(二)和遼河公園分別在三岔河下游57.5 km、81.8 km、87.1 km和90.6 km處，如圖5所示。由于沒有三岔河水文站以上渾河和太子河水下地形，因此，根據(jù)2009年遼河流域水文年鑒資料有關渾河邢家窩棚站和太子河唐馬寨站實測大斷面成果，該河段以矩形河道斷面進行概化，河道長度分別為52.9 km和44.8 km，比降分別取為0.127‰和0.151‰。計算域網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為1299×60，沿水流方向布置1 299個網(wǎng)格線，沿河道橫向布置60個網(wǎng)格線，其中20個布置在河流主槽。

圖5 大遼河水系模擬范圍

2.4 模型驗證

分別以渾河邢家窩棚站和太子河唐馬寨站2009年流量變化過程為進口邊界條件，下游四道溝相應潮位為出口邊界條件，以邢家窩棚、唐馬寨、三岔河站水位及營口(二)站潮位為驗證數(shù)據(jù)，對模型進行率定。邢家窩棚、唐馬寨、三岔河水位及營口(二)的潮位驗證結果如圖6所示，計算1(渾河ks=300 mm，太子河ks=250 mm)與計算2(渾河ks=80 mm，太子河ks=100 mm)主要區(qū)別在于渾河和太子河主要參數(shù)不同，大遼河ks及其他參數(shù)同前?？梢钥闯?，盡管相比于計算2，計算1的數(shù)值在1月—3月和12月更接近實測值，但由于存在冰封期且營口(二)站缺少此時段數(shù)據(jù)，綜合分析，計算2所確定參數(shù)的模擬結果與實測資料更趨一致。1999年—2009年的計算驗證結果與此結論一致，限于篇幅未列出。

3 潮區(qū)界與潮流界影響因素及規(guī)律

3.1 分析方法

潮區(qū)界與潮流界的位置主要受徑流、潮汐潮流的影響，其他如河口地形演變、重大工程以及海平面變化等也是重要因素。本節(jié)根據(jù)實測資料，重點設計數(shù)值試驗模擬分析上游徑流量及匯流比、下游潮差和海平面上升對大遼河潮區(qū)界與潮流界的影響規(guī)律。潮區(qū)界可以通過分析各站水位與口門潮位站潮位的相關程度或各控制斷面的水位過程線與上游斷面水位過程相一致的程度，或是根據(jù)各驗潮站的潮位大小判斷潮差為零的位置進行確定。潮流界可以根據(jù)上下兩個斷面垂線流速流向的時空分布插值法確定流速為零的位置或是根據(jù)各斷面含鹽度是否小于或等于0.002%確定[4]。為了減少因鹽度模擬的不確定性，本文通過判斷流速為零的上界作為潮流界位置，潮差為零的位置為潮區(qū)界。

圖6 2009年潮位計算值與實測值的比較

3.2 水文分析

1999年—2009年，大遼河最大流量為2005年的3 010.8 m3/s，最小流量為2001年6月份的3.96 m3/s，平均流量為99.99 m3/s。大遼河流量月平均變幅最大集中在8月份，最小集中在2月份，月平均變幅在18.39 m3/s～740.38 m3/s 之間。平均匯流比渾河為50.27%，太子河為49.73%，基本持平。從年變化情況來看，大遼河流量低于100 m3/s時，渾河匯流占優(yōu)，流量大時，太子河匯流逐漸占優(yōu)，特別是2000年匯流比特征非常明顯。從月變化情況來看，1月—4月和10月—12月渾河和太子河匯流比呈現(xiàn)明顯的“X”型，在5月—9月期間，匯流比特征不明顯，但渾河和太子河匯流比例關系有逆轉趨勢。大遼河河口四道溝站最大潮差為2005年7月23日的4.37 m，最小潮差為2007年2月13日的0.64 m，最大潮位為2.81 m，最小潮位為-2.05 m，平均潮位為0.03 m。

3.3 徑流量及匯流比的影響

假設在四道溝潮差同為4.37 m的情況下，設計了6組50個數(shù)值試驗，表1分別針對大遼河流量不變而匯流比變化(試驗組1～3)及渾河流量不變而太子河流量變化(試驗組4～6)，重復計算30 d，選取穩(wěn)定后計算結果對比分析下游超差不變情況下，徑流量及匯流比對潮區(qū)界與潮流界位置的影響。

表1 徑流量及匯流比影響試驗條件

試驗組1～6數(shù)值結果表明，在渾河與太子河流量之和大于50 m3/s，甚至是流量達到3 000 m3/s時，匯流比1∶2至2∶1變化過程中，以潮差是否小于10-4m判斷，潮區(qū)界均已超過渾河的邢家窩棚和太子河的唐馬寨，無法確定潮區(qū)界準確位置，與實驗組2類似，保持四道溝最小潮差0.64 m，渾河與太子河流量均大于50 m3/s時，也已無法確定潮區(qū)界位置，因此文后主要研究潮流界位置的影響變化規(guī)律。但從邢家窩棚和唐馬寨的潮差變化情況看，潮區(qū)界位置隨著流量從零逐漸增加經(jīng)歷著先上移后下移的過程。圖7分別為試驗組5第7試驗數(shù)值和試驗組2第6、8試驗數(shù)值(渾河流量為0 m3/s，250 m3/s和500 m3/s)模擬第20 d～30 d沿程水位逐時變化情況?？梢钥闯?，上游流量為0時，潮區(qū)界即為潮流界，隨著上游流量增加，徑流受潮流的頂托，水位隨潮汐的漲落而升降，潮區(qū)界開始上移。

圖7 渾河不同流量下沿程水位變化

圖8為試驗組1～3試驗數(shù)值時大遼河潮流界位置變化，由圖8可以看出，潮流界位置隨著流量從零增加而逐漸下移，總流量小于1 000 m3/s且保持不變情況下，支流流量越小，潮流界位置越往上移，隨著支流流量從小到大，移動變化速度由快轉慢，到總流量大于1 000 m3/s時，潮流界位置與匯流比無關。

圖8 試驗組1～3潮流界位置變化情況

圖9為試驗組4～6試驗數(shù)值時大遼河潮流界位置變化，由圖9可以看出，渾河流量不變太子河流量增加時，渾河潮流界位置下移，且渾河流量越小或匯流比小時，渾河潮流界移動速度越慢，太子河潮流界下移，且太子河匯流比占優(yōu)時，太子河潮流界下移速度越慢。

圖9 試驗組4～6潮流界位置變化情況

3.4 潮差的影響

分別在總流量為100 m3/s、800 m3/s和2 000 m3/s，渾河和太子河匯流比為1∶1，平均海平面0 m情況下，設計了3組18個數(shù)值試驗。如表2所示，保持每組流量恒定，分別以6個潮差為下游潮位條件，重復計算30 d，選取穩(wěn)定后計算結果對比分析潮差對潮流界位置的影響。表2中潮差對大遼河潮流界的影響可以看出，潮汐是影響潮流界的另一重要因素，總流量不變時，潮差越大潮流界位置越靠上且移動速度加快。潮差低于4 m總流量超過800 m3/s時，潮流界的位置移至三岔河下游。潮差為5 m時，渾河和太子河潮流界位置基本與流量無關。

表2 潮差影響試驗條件

3.5 海平面上升的影響

分別在總流量為100 m3/s、800 m3/s和2 000 m3/s，渾河和太子河匯流比為1∶1情況下，設計了3組15個數(shù)值試驗。如表3所示，保持每組流量恒定，分別以5個不同海平面潮差同為4.37 m為下游潮位條件，重復計算30 d，選取穩(wěn)定后計算結果對比分析海平面上升對潮流界位置的影響。表3中海平面上升對大遼河潮流界的影響?？梢钥闯?，海平面上升潮流界位置上移，總流量小時，渾河潮流界上移速度高于太子河潮流界上移速度，總流量逐漸增加，渾河潮流界上移速度反而低于太子河潮流界上移速度，到流量增加到一定程度時，潮流界移至三岔河下游，且潮流界上移距離與海平面上升距離近似線性關系。

表3 海平面上升影響試驗條件

4 潮流界時空變化

4.1 時間變化

依據(jù)1999年—2009年水文年鑒資料數(shù)值模擬分析大遼河潮流界年變化及月平均變化如圖10和圖11所示。從年變化來看，2005年潮流界變幅最大，其次是2001年，渾河潮流界變幅最小發(fā)生在2000年，太子河潮流界變幅最小發(fā)生在1999年，基本與年徑流特征一致。年均潮流界集中在三岔河上游20 km～30 km處，年最大潮流界位置變幅較小，年最小潮流界變幅較大。從月變化來看，潮流界變幅最大集中在8月份，最小變幅集中在2月份，基本與月徑流特征一致。2001年大遼河潮流界上界至三岔河上游44.19 km，刑家窩棚下游8.01 km的渾河，2002年大遼河潮流界上界至三岔河上游33.50 km，唐馬寨下游11.30 km的太子河，潮流界下界至三岔河下游79.00 km，接近三家子。

圖10 潮流界年變化

圖11 潮流界月變化

4.2 空間變化

圖12為1999年—2009年潮流界沿程出現(xiàn)頻率及累積頻率曲線，由圖12可以看出，潮流界遠遠超過三岔河，在三岔河以上的頻率達到99.15%，在三岔河上游25 km以上的渾河和18 km以上的太子河頻率達到80%。三岔河上游27.5 km的渾河潮流界出現(xiàn)頻率為5.98%和三岔河上游26.8 km的太子河潮流界出現(xiàn)概率為10.77%，是潮流界出現(xiàn)頻率最多的地方。三界泡以上的頻率為8.02%，而小河口以上頻率基本沒有。按照喬彭年河口劃分的定義[17]，渾河刑家窩棚下游8.01 km與太子河唐馬寨下游11.30 km三家子為河流河口段，三家子以下為口外海濱段，完全受潮流控制。

圖12 潮流界出現(xiàn)頻率

5 結 語

本文在平面二維水環(huán)境模型WESC2D潮位驗證及實測數(shù)據(jù)分析基礎上，對大遼河的潮區(qū)界與潮流界影響因素以及1999年—2009年間潮流界位置變動范圍及頻率進行了模擬分析，定量探討了大遼河潮流界的時空變化規(guī)律，為大遼河河口分類，陸海相互作用機理以及防咸入侵等方面提供了重要參考。

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Spatio-temporal Characteristics of Tidal Limit and Tidal Current Limit of Daliaohe River Based on a Modified Model

HAN Xuemei1, WU Hongbin2, ZHOU Gang1, QIAO Fei1

(1.StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalEnvironment，ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012China;2.WenzhouAdministrationofShanxiHydro-complex,Wenzhou,Zhejiang325002)

In this paper, temporal and spatial variation of tidal limit and tidal current limit in Daliaohe River was quantitatively analyzed by a new two-dimensional water environment model based on the Eulerian-Lagrangian alternating direction implicit method. With the effects of upstream runoff and discharge ratio, downstream tidal range and sea level rise on tidal limit and tidal current limit as well as annual and monthly changes and occurrence frequency of tidal current limit in Daliaohe River under the condition of hydrological processes during 1999 and 2009 were numerically simulated and quantitatively analyzed. The results show that runoff is the major factor affecting the location of tidal limit and tidal current limit of Daliaohe River.

tidal limit; tidal current limit; Daliaohe River; Eulerian-Lagrangian alternating direction implicit method; WESC2D

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.004

2017-02-17

2017-03-14

國家水體污染控制與治理科技重大專項目(2012ZX07505-005)

韓雪梅(1985—)，女(羌族)，四川北川人，碩士，工程師，主要從事水土保持、污染物總量控制研究工作。 E-mail: hanxuemei7414@163.com

周 剛(1980—)，男，山東萊蕪人，博士，副研究員，主要從事水力學、河流動力學及污染物總量控制研究工作。 E-mail: zhougang@craes.org.cn

TV856

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1672—1144(2017)03—0019—07