人類活動和自然演變共同驅(qū)動下黃河三角洲海域潮波及物質(zhì)輸運變化

繆紅兵，喬璐璐, ，仲毅, ，李廣雪,

(1. 中國海洋大學 海洋地球科學學院，山東 青島 266100；2. 海底科學與探測技術教育部重點實驗室，山東 青島 266100；3. 中國水產(chǎn)科學研究院 黃海水產(chǎn)研究所，山東 青島 266001)

1 引言

自1976年黃河改道清水溝流路以來，黃河三角洲總體上由建設期轉(zhuǎn)變?yōu)榍治g期，除現(xiàn)行河口向海淤進外，其余岸段均存在不同程度的蝕退，蝕退岸線長度相當于淤進岸線長度的兩倍[1]。為抵御海岸侵蝕，保護沿岸生產(chǎn)活動，黃河三角洲興建了大量護岸工程。1980年后，修筑了孤東海堤、樁西海堤和海港大堤等，海堤的修建使得岸灘消失，岸線由原本的自然岸線轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぐ毒€（圖1a）。2001年為緩解沖刷，孤東海堤還建設了丁壩護灘工程（圖1b）。岸線演化同時導致了水動力環(huán)境的變化，再加上黃河入海泥沙的減少和黃河口切變鋒對入海泥沙擴散的阻礙，1980-2019年，黃河三角洲海域水深地形也發(fā)生了顯著變化。除河口附近因有黃河入海泥沙堆積而有所淤高外，其他海域都存在不同程度的沖刷，其中沖刷最劇烈的區(qū)域出現(xiàn)在孤東海堤堤前水域，沖刷深度達6 m以上[2-5]（圖1b）。

圖1 渤海2019年水深地形（a）及黃河三角洲1980-2019年水深變化（b）Fig. 1 Water depth in the Bohai Sea in 2019 (a) with its variation off the Huanghe River Delta from 1980 to 2019 (b)

潮波從黃海進入渤海后，由于受到遼東灣和渤海灣的反射而形成反射波，入射波與反射波的相互作用形成駐波，在科氏力的作用下，駐波的波節(jié)線消失，最終形成了波峰線繞無潮點按逆時針方向旋轉(zhuǎn)的潮波系統(tǒng)[6]。黃河三角洲海域存在一個M2分潮無潮點，以該無潮點為中心的潮波系統(tǒng)，控制著黃河三角洲的潮差、潮時、余流等，對海洋工程設計和風暴潮災害預警等有重要意義[7-8]。

受岸線水深變化的影響，黃河三角洲鄰近海域的潮波系統(tǒng)隨之發(fā)生重大變化，M2分潮無潮點的位置也有所遷移[9]。關于該無潮點的位置，前人已開展大量工作[10-16]。由于不同學者使用的水深岸線數(shù)據(jù)來源不同以及模型參數(shù)設置的差異，不同學者給出的無潮點位置不一致，無潮點變化的方向和距離也不相同，如王永剛等[13]和李秉天等[14]認為，1973-2002年M2分潮無潮點向東北方向移動，Wang等[15]的結(jié)果表明1996-2012年M2分潮無潮點向南移動，董嬌嬌等[17]的結(jié)果則顯示黃河三角洲海域的M2分潮無潮點已退化至岸上。另外對于無潮點變化的原因，學者們認為水深和岸線變化的貢獻最大[13-14,18]。在岸線變化中，海堤建設等人類活動起到什么作用，潮波系統(tǒng)變化導致的潮動力和物質(zhì)輸運變化還未開展相關研究。

本文將基于FVCOM（Finite-Volume Coastal Ocean Model）建立黃河三角洲及鄰近海域三維高精度水動力數(shù)值模型，設置數(shù)值實驗研究岸線演變、海堤建設及相應的水深地形變化對無潮點遷移的影響和機制，并研究其導致的物質(zhì)輸運路徑變化。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 實測數(shù)據(jù)

本文收集了22個環(huán)渤海驗潮站的4個主要分潮M2、S2、O1、K1的調(diào)和常數(shù)，以及位于渤海灣的臨時觀測站BH02站位2016年的實測水位和黃河三角洲孤東驗潮站2019年的實測水位，用于數(shù)值模型的驗證，站位位置見圖1a。本文還收集了孤東驗潮站2005年6-7月的實測水位數(shù)據(jù)用于計算調(diào)和常數(shù)，通過與該站位2019年的調(diào)和常數(shù)對比，進一步驗證潮波系統(tǒng)變化。其中，BH02站水位數(shù)據(jù)由Nortek公司生產(chǎn)的AWAC型聲學多普勒波浪海流剖面儀觀測，采用座底觀測形式，測量時間間隔為10 min。孤東驗潮站的水位數(shù)據(jù)由XZY3-1型自動水文氣象站觀測，測量時間間隔為1 h。

為了驗證海流模擬結(jié)果，收集了位于黃河口北部的KD站位的2020年2-4月的每小時海流觀測數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由Nortek公司生產(chǎn)的AWAC型聲學多普勒波浪海流剖面儀座底觀測，設備安置位于海床上方0.8 m處，站位位置見圖1b。

另外還收集了2019年和2020年《中國河流泥沙公報》中的黃河利津水文站徑流量數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)值模型介紹及配置

FVCOM是基于有限體積法和非結(jié)構化網(wǎng)格建立的三維海洋數(shù)值模型[19]。其在海洋和河口研究中得到廣泛應用，如丁芮等[20]利用FVCOM 建立了覆蓋珠江口及鄰近海域的三維正壓高分辨率數(shù)值模型，再現(xiàn)了珠江口及鄰近海域的潮汐、潮流變化過程；李春良等[21]基于FVCOM建立了包括長江口、杭州灣及鄰近海域大范圍的三維潮流數(shù)值模型，用于長江口潮流研究；Zhong等[22]基于該模式揭示了南黃海冷水團及其鋒面對近岸泥沙分布和輸運的影響及其對南黃海中部泥質(zhì)區(qū)的貢獻。 FVCOM 水動力控制方程主要包括動量方程、連續(xù)方程、溫度方程、鹽度方程和狀態(tài)方程，在笛卡爾坐標系下，模式的控制方程組為

式中，x，y，z分別表示東，北和垂直坐標軸；u，v，w分別表示x，y，z方向的速度分量；T為海水溫度；S為海水鹽度；ρ為海水密度；ρ0為參照密度；Pa為海表面大氣壓；PH為靜壓；q為非靜壓；f為科式力參數(shù)；g為重力加速度；Km為動量垂直渦黏系數(shù)；Kh為熱力垂直渦黏系數(shù)；Fu、Fv、Fw、FT和FS分別代表水平東、北、垂向動量、熱量和鹽度的擴散項。水深為D=H+ζ，其中H是局地深度（相對于z= 0），ζ是海面水位波動（相對于z= 0）。總壓力P = Pa+ PH+ q，其中PH滿足

式中，z′表示積分里的自變量，代表在z軸的維度從z到0的變化。

為了進一步研究潮動力變化對黃河入海物質(zhì)輸運擴散的影響，本文利用FVCOM的拉格朗日粒子追蹤模塊模擬了粒子的輸運擴散過程。拉格朗日粒子追蹤模塊的表達式為

FVCOM數(shù)值模型在水平上采用三角形網(wǎng)格剖分，這能夠很好地適應復雜的地形邊界；在垂向上一般采用σ坐標變換，σ坐標變換被定義為

式中，σ的值從海底的-1變化到海面的0。

本文模型計算范圍為37°～41°N，117.5°～122.5°E，包括整個渤海海域，開邊界選在渤海海峽大連-煙臺連線附近。在水平方向上采用非結(jié)構的三角形網(wǎng)格對計算區(qū)域進行劃分，并在近岸進行網(wǎng)格加密處理，丁壩等凸出岸線也得以精細刻畫（圖2）。以2019年模式為例，整個區(qū)域內(nèi)共包含三角網(wǎng)格83601個，網(wǎng)格節(jié)點45455個，水平分辨率在黃河三角洲海堤附近最高為80 m，在外海開邊界處為5000 m，垂直方向分為7個等間隔的σ層。

圖2 2019年模式水平網(wǎng)格分布Fig. 2 Horizontal model grids in the 2019 situation

計算區(qū)域的岸線邊界提取自Landsat衛(wèi)星影像的高潮線，不透水堤壩也作為邊界的一部分，透水堤壩則不考慮。2019年模式使用的水深資料融合了2019年電子海圖水深和2019年孤東海堤鄰近海域?qū)崪y水深；1980年模式使用的水深資料融合了黃河三角洲鄰近海域1980年實測水深和渤海其他海域2019年水深，模式的開邊界條件由東海大區(qū)域模型提供[22]。模型計算采用冷啟動，域內(nèi)水位和流速初始值均設為0，模型計算1個月后達到穩(wěn)定。由于本文關注正壓潮動力過程，且研究區(qū)水深較淺，溫、鹽垂向混合較好，近年來黃河徑流量較小甚至1997年斷流226 d[23]，加上黃河沖淡水影響范圍非常有限[24]，因此本文采用正壓診斷模擬，溫鹽分別設置為15℃和35。模型網(wǎng)格延伸到黃河利津站，在粒子追蹤模擬中，示蹤粒子初始位置位于黃河河道內(nèi)，隨河流入海而離開河口，各個數(shù)值實驗中，分別于表層和底層釋放50個粒子，釋放位置相同。由于本文并未探究海堤建設前后黃河徑流量變化對物質(zhì)輸運的影響，故各實驗中黃河徑流量均采用2019-2020年平均徑流量。

在上述的開邊界條件和初始條件下，模型計算了2019年1月1日至2020年4月1日期間渤海海域內(nèi)的潮汐、潮流，并選擇充分穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進行驗證及作為基準模擬開展分析。

2.3 模擬結(jié)果驗證

提取數(shù)值模擬的4個主要分潮的調(diào)和常數(shù)，與計算區(qū)域內(nèi)22個長期驗潮站和2個潮位觀測站（圖1a）的調(diào)和常數(shù)進行對比，并計算平均絕對誤差（表1）。4個分潮的振幅平均誤差均不超過4 cm，遲角誤差除S2分潮為6.32°外，其余3個分潮誤差均未超過5°。其中，M2分潮振幅最大偏差出現(xiàn)在17號站，遲角最大偏差出現(xiàn)在13號站（站位序號如圖1a所示），這兩個站位均位于海岸港口附近，可能與模擬中采用了2019年最新岸線導致調(diào)和常數(shù)變化有關。從整體結(jié)果來看，本次模擬結(jié)果可靠，滿足對渤海海域的研究要求，尤其是位于M2無潮點附近的孤東驗潮站，4個主要分潮的振幅誤差不大于1 cm，M2分潮遲角誤差為4.24°，所建立模型可以用來進一步分析黃河三角洲岸線水深變化對鄰近海域潮波系統(tǒng)的影響。另外，與孤東潮位站1個月的實測水位進行對比（圖3），可以看到模擬結(jié)果與實測結(jié)果較為接近，同時也能看出驗證的站位位于半日分潮無潮點海區(qū)，表現(xiàn)出明顯的全日潮性質(zhì)。

圖3 2019年孤東驗潮站水位驗證Fig. 3 Water level validation of Gudong tide station in 2019

表1 M2、S2、K1、O1 分潮模擬結(jié)果驗證Table 1 Model validation for harmonic constants of M2, S2, K1,O1 tidal components

對KD站（站位位置見圖1b）2020年2-4月的實測海流數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析，并對相同時間段的模擬結(jié)果進行調(diào)和分析，得到各分潮實測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的潮流橢圓參數(shù)，并繪圖比較M2分潮流和K1分潮流表層、中層和底層潮流橢圓（圖4）。實測數(shù)據(jù)顯示，KD站位所在海域M2分潮流潮流橢圓長軸流速約為0.2 m/s，短軸流速約為0.01 m/s，表現(xiàn)出強往復流特征；K1分潮流潮流橢圓長軸流速約為0.05 m/s，短軸流速約為0.02 m/s。各分潮流潮流橢圓長軸方向接近，約為130°，與岸線走向一致，各分潮潮流均表現(xiàn)為從表層到底層流速降低。除K1分潮的表層模擬結(jié)果短軸流速稍大于實測結(jié)果外，K1分潮流中、底層和M2分潮流各層模擬結(jié)果與實測結(jié)果基本一致（圖4）。另外，與KD站1周的實測海流進行了對比，模型能夠較好地再現(xiàn)實測海流各層位的流速和方向（圖5），可以用于進一步分析黃河三角洲海堤建設和自然演變引起的水深岸線變化對海流的影響。

圖4 KD站位M2、K1分潮潮流橢圓驗證Fig. 4 Tidal current ellipses validation at KD station for M2 and K1 tidal components

圖5 KD站位海流驗證Fig. 5 Current validation at KD station

2.4 數(shù)值實驗

本文以2019年模擬結(jié)果為基準實驗，設計了4個實驗（表2），在保持模型其他配置不變的情況下，通過改變岸線和水深條件，研究黃河三角洲潮波變化。其中，實驗2為研究黃河三角洲丁壩建設對潮波系統(tǒng)演變的影響；實驗3和實驗4為研究黃河三角洲局部岸線水深變化對潮波系統(tǒng)演變的影響；另外，考慮到在1980-2019年間，渤海灣進行了大量圍填海導致岸線形態(tài)發(fā)生了顯著變化（圖1a），萊州灣等其他海域也有岸線水深的變化，設計實驗5區(qū)分黃河三角洲演變與渤海岸線水深變化對潮波系統(tǒng)演變的不同貢獻。

表2 數(shù)值實驗設置及目的Table 2 Setting and purpose of numerical experiments

3 結(jié)果分析

3.1 M2分潮無潮點位置變化

對模擬的潮位結(jié)果進行調(diào)和分析得到M2分潮振幅和遲角，繪制等遲角線，基于等遲角線匯聚的中心，并結(jié)合等振幅線為0或接近0的位置，兩者共同判斷作為無潮點位置，并與其他學者得到的無潮點位置進行比較分析（圖6）。實驗1的模擬結(jié)果表明，現(xiàn)狀下M2分潮無潮點位于孤東海堤北部海域（38.002°N，119.08°E）?？梢钥吹綗o潮點所在海域是1980-2019年海床沖刷最為劇烈的海域（圖1b），因此海床的劇烈變化除了受海浪影響外，還可能與無潮海區(qū)的高流速特征有關。

圖6 M2分潮無潮點位置遷移示意圖Fig. 6 The migration of amphidromic points of M2 tidal component

對比實驗1與實驗2可知黃河三角洲丁壩的建設導致M2分潮無潮點向西北方向移動約3 km，使得原無潮點附近振幅增大，新無潮點附近振幅減小，其他海域則整體表現(xiàn)為振幅減小，丁壩附近的等遲角線相比丁壩建設前向海凸出（圖7a）。黃河口北部的丁壩阻礙了來自渤海灣的反射波，使得反射波與入射波相遇時間推遲，遲角增大，因此M2分潮無潮點向渤海灣方向（西北）移動，而萊州灣西岸的港口丁壩建設則使得進入萊州灣的入射波反射提前，因此遲角減小。

圖7 M2分潮振幅、遲角變化Fig. 7 The change of co-amplitude and co-phase lines of the M2 tidal component填色代表振幅變化，等值線代表遲角（單位：（°））變化Shaded areas indicate the amplitude change and isolines indicate the phase (unit: (°)) change

對比實驗1和實驗3可知，在相同岸線情況下，黃河三角洲海域局部水深的改變導致M2分潮無潮點向東南方向移動約11 km。水深變化在數(shù)值模擬中除了表現(xiàn)為地形變化外還對底摩擦的大小有影響。為了進一步探究底摩擦對無潮點位置的影響，本文增加了一組敏感實驗3s1和3s2，其中實驗3s1將黃河三角洲海域底摩擦設置為0.002，實驗3s2則將底摩擦減小為3s1的1/10，其余參數(shù)均與實驗3相同。如圖8所示，底摩擦減小后無潮點向東移動約3 km。底摩擦減小時，潮波傳播的耗散也相對降低，振幅減小，使得在原無潮點位置的反射波振幅大于入射波振幅，無潮點無法形成，而在遠離陸地的方向反射波振幅等于入射波振幅，形成新的無潮點[6]。 另外，與實驗1相比，實驗3在孤東海域水深加大，潮波傳播速度將增大，而黃河口海域水深減小，波速減小，因此無潮點向南移動，其與底摩擦共同作用下，無潮點將向東南方向移動。

圖8 敏感實驗同潮圖及無潮點位置Fig. 8 Sensitivity experiment co-tidal diagram and amphidromic points position實線表示遲角（單位：（°））；虛線表示振幅（單位：m）The solid lines represent phase (unit: (°)); the dash lines represent amplitude (unit: m)

而對比實驗3和實驗4可知，1980-2019年黃河三角洲局部岸線的改變導致M2分潮無潮點向東北方向移動約5 km（圖6）。黃河三角洲岸線向東北推進使得潮波系統(tǒng)整體也向東北方向移動，因此無潮點向東北方向移動。對比實驗1和實驗4可知1980-2019年黃河三角洲鄰近海域水深岸線變化共同導致M2分潮無潮點向東南方向移動約8 km，黃河三角洲鄰近海域水深岸線的改變使得M2分潮振幅最大增大約2 cm，最小減小約17 cm，孤東海堤附近減小在0～10 cm之間，無潮點附近等遲角線向東南方向移動（圖7b）。

對比實驗1和實驗5可知，渤海水深岸線的變化導致M2分潮無潮點向東南方向移動約16 km；而對比實驗4和實驗5可知渤海灣、遼東灣等岸線變化導致M2分潮無潮點向東南方向移動約9 km，其變化原因為渤海灣的圍填海使得渤海灣的岸線整體向東南方向推進，渤海灣的反射波運動提前，因此導致M2分潮無潮點向東南方向移動。

總體來看，1980-2019年，無潮點先向東北方向移動，后向東南方向移動，綜合表現(xiàn)為向東南方向移動。岸線和水深的變化共同影響了M2分潮無潮點的遷移，其中岸線的變化主要包括黃河三角洲向海推進、丁壩等凸出工程的建設、渤海灣的圍填海等，水深的變化則主要為口門外的淤積和堤前海域的沖刷。其中以渤海灣圍填海為代表的岸線變化對M2分潮無潮點位置的遷移貢獻稍大于黃河三角洲鄰近海域岸線水深的變化對M2分潮無潮點位置遷移的貢獻；而黃河三角洲鄰近海域岸線水深的變化引起的M2分潮無潮點位置遷移則以水深的影響為主，岸線變化的影響次之，丁壩的影響最小。

本文模擬得到的現(xiàn)狀無潮點位置與近年來孟云等[16]模擬的2014年無潮點位置較為接近，但仍有較小差別，這可能與2014-2019年間水深岸線的變化以及孟云等[16]并未考慮丁壩的影響有關。實驗5的結(jié)果表明，本文模擬的1980年M2分潮無潮點位置與王永剛等[13]模擬的1972年和山廣林等[26]模擬的1983年無潮點位置較接近，這也證明了本文數(shù)值實驗的合理性。王永剛等[13]和李秉天等[14]認為，1973-2002年M2分潮無潮點向東北方向移動，Wang等[15]的結(jié)果表明1996-2012年M2分潮無潮點向南移動，孟云等[16]的結(jié)果則表明2004-2014年M2分潮無潮點向東南移動，本文的結(jié)果則表明1980-2019年M2分潮無潮點向東南移動，這與Wang等[15]和孟云等[16]的結(jié)果一致，而與王永剛等[13]和李秉天等[14]的結(jié)果不同，作者認為這主要與研究的時間段不同有關，并且其他學者的研究也證明了2002年以后無潮點主要向東南方向移動。本文模擬的S2分潮振幅變化規(guī)律與M2分潮類似，量級較M2分潮小，遲角變化與M2分潮一致（圖略）。相較于半日分潮的變化，黃河三角洲局部水深岸線的變化對全日分潮的影響較?。▓D略）。另外，已有研究表明渤海M2分潮的模擬結(jié)果對網(wǎng)格水平分辨率并不敏感[27]，并且本文均基于統(tǒng)一標準選取無潮點并分析其相對變化，且無潮點的位置變化量（約10 km）大于網(wǎng)格分辨率（研究區(qū)約200 m）1～2個量級，所以網(wǎng)格分辨率和無潮點判別方法將不會對研究結(jié)論產(chǎn)生重大影響。

為進一步驗證本文得出的潮波系統(tǒng)演變的結(jié)論，基于收集的孤東驗潮站（站位位置如圖1a）2005年和2019年實測水位資料調(diào)和分析，得到兩個年份的主要分潮調(diào)和常數(shù)（表3），可以看到，孤東驗潮站2005-2019年M2分潮振幅變化最大，減小了7 cm，相對變化顯著，S2分潮也減小了2 cm，O1分潮和K1分潮則幾乎沒有變化，這與實驗得到的1980-2019年的變化一致，從半日分潮振幅減小也可推斷該研究區(qū)半日分潮無潮點在2005-2019年期間是向著靠近孤東驗潮站的方向移動。

表3 孤東驗潮站2005和2019年主要分潮調(diào)和常數(shù)Table 3 Harmonic constants of major components at Gudong tide station in 2005 and 2019

3.2 潮流及潮余流變化

一次漲落潮過程中流速最大的時刻往往是漲急和落急時刻，本文通過分析大潮期漲急流速和余流流向的變化，可以為海床泥沙起動再懸浮、物質(zhì)輸運方向等研究提供基礎動力場。

通過對比實驗1與實驗2最大流速時刻的流速差可知：相比沒有丁壩，建造丁壩后，丁壩頂端由于挑流作用，流速有所增加，而丁壩根部的流速降低，對遠離丁壩的海域則影響不大，流速變化在-0.6～0.6 m/s之間，其相對變化在0 ～ 100%之間（圖9a）。丁壩頂端的流速增加會加劇對丁壩頂部的沖刷，而丁壩根部的流速降低則會緩解沖刷，促進淤積。通過對比實驗1與實驗4大潮期漲急時刻的流速變化可知：1980-2019年黃河三角洲鄰近海域水深岸線的變化導致黃河口北部最大流速總體降低，在丁壩的頂端附近有所增加，黃河口外緣及南部流速增加，流速變化在-0.8～0.6 m/s之間，其相對變化在0～200%之間，在丁壩頂端甚至超過200%（圖9b）。

圖9 大潮期漲急時刻流速變化Fig. 9 Changes of maximum ebb current velocity during spring tide

數(shù)值實驗中沒有考慮海面風的影響，因此本文所研究的余流主要由徑流和潮余流所構成。分別繪制實驗4（圖10a）和實驗1（圖10b）黃河三角洲鄰近海域表層潮余流流場圖。由圖可知：該海域整體上余流較小，萊州灣中部余流只有1～2 cm/s，余流較大處出現(xiàn)在近岸海域地形變化復雜處，余流最大為黃河入?？谔帲螯S河入海徑流導致余流較大，在黃河口頂端及丁壩頂端，產(chǎn)生的余流最大可達8 cm/s。

圖10 1980年（a）和2019（b）年表層潮余流場Fig. 10 Surface tidal residual current field in 1980 (a) and 2019 (b)

從流態(tài)上可以看出，1980年余流場結(jié)構較簡單，整體來看，黃河口鄰近海域存在一個北上沿岸流，向渤海中部和渤海灣方向運動。相比1980年，2019年黃河三角洲近岸余流場的結(jié)構和大小均有明顯改變，隨著黃河口的外延和堤壩的修建，黃河三角洲鄰近海域的余流變得更加復雜，在黃河口及丁壩等凸出岸段兩側(cè)有較強的潮余流，形成潮汐岬角鋒，在黃河口南側(cè)形成了順時針環(huán)流，北側(cè)則形成逆時針環(huán)流，并在丁壩兩側(cè)也形成一些較小的流渦。這是由于潮流沿凸出岸段運動，曲率較大而產(chǎn)生較強的離心作用，使海水向外流去，產(chǎn)生離岸流，兩側(cè)海水向凸出岸段附近進行補充，在其兩側(cè)形成旋轉(zhuǎn)方向相反的兩個渦環(huán)，離岸流的右側(cè)為順時針方向旋轉(zhuǎn)的渦環(huán)，左側(cè)為逆時針方向旋轉(zhuǎn)的渦環(huán)[6]。

3.3 潮流切變鋒變化

黃河口外存在潮流切變鋒，其特征為鋒面兩側(cè)潮流流向相反。切變鋒的存在會阻擋懸浮泥沙向外海輸運，是影響泥沙輸運和分布的重要因素[2-3]。分別繪制實驗4和實驗1大潮期25 h的逐時流場圖并提取其潮流切變鋒（圖11）。結(jié)果顯示，1980年水深岸線條件下，黃河口外內(nèi)漲外落型和內(nèi)落外漲型切變鋒在24 h內(nèi)交替出現(xiàn)，且鋒面從出現(xiàn)到消失歷時約3 h，這與前人的研究結(jié)果一致[2-3,28-25]，鋒面可產(chǎn)生于三角洲的東北和東部近海，分布范圍較廣。2019年水深岸線條件下，同樣是兩種類型切變鋒交替出現(xiàn)，歷時2～3 h，但鋒面長度變短，影響范圍從1980年黃河三角洲的東北海域縮小為河口東部和南部海域，切變鋒位置與Ji等[29]的研究一致。

圖11 1980年（a）和2019年（b）切變鋒特征Fig. 11 Shear front characteristics in 1980 (a) and 2019 (b)線條表示切變鋒的鋒面，數(shù)字表示其在兩個潮周期內(nèi)出現(xiàn)的時間（單位：h）The lines represent the shear fronts, and the numbers represent the time (unit: h) it occurs over two tidal cycles

由于切變鋒的生成與三角洲前緣斜坡有關，黃河 口附近強坡度地形是切變鋒產(chǎn)生的決定因素[27]，因此水下三角洲水深地形變化（圖1b）使得切變鋒特征也隨之變化：三角洲東北部海堤的修建使得黃河口北部岸段高低潮線重合，且侵蝕加劇，原有水下斜坡消失，不利于切變鋒的發(fā)育，因此與1980年相比，2019年黃河口北部切變鋒也隨之消失；1980年以后，隨著黃河口的不斷延伸，泥沙在黃河口前不斷堆積，水下三角洲抬高且地形變陡，潮流切變鋒也因此加強并向海推進。

3.4 潮動力控制下物質(zhì)輸運路徑變化

拉格朗日粒子示蹤結(jié)果表明，1980年水深岸線條件下，黃河入海的粒子中，95%由于河口余流在科氏力作用下先向東南運動，再沿逆時針方向轉(zhuǎn)向渤海中部擴散（圖12a），由于粒子隨機運動，還有極小部分粒子出黃河口后沿萊州灣西岸向南運動（圖略）。2019年水深岸線條件下，粒子運動較1980年復雜，80%以上的粒子隨河流入海后先向南運動至黃河口南部，在余流渦（圖11b）的作用下，部分粒子聚集在萊州灣西岸，還有部分粒子則運動至萊州灣東岸再轉(zhuǎn)向萊州灣中部向渤海中部擴散（圖12b）。從粒子運動時間可以看出，黃河三角洲鄰近海域余流場的變化使得2019年較1980年水體交換能力變?nèi)?，黃河口南側(cè)環(huán)流的存在使得粒子更容易在渦流區(qū)域聚集。

圖12 1980年（a）和2019年（b）拉格朗日粒子示蹤結(jié)果Fig. 12 Lagrangian particle tracer results in 1980 (a) and 2019 (b)

粒子的運動規(guī)律可以指示潮流控制下黃河入海淡水、營養(yǎng)鹽以及懸浮泥沙的運移路徑。本文收集了1980年和2019年黃河三角洲的Landsat影像，并進行假彩色合成，如圖13所示。從遙感圖中可以看出表層懸沙的輸運規(guī)律：1980年，表層高濃度懸沙從河口入海后，先向南運動，然后向東北轉(zhuǎn)向并向渤海中部輸運，其分布特征與圖12a所顯示的粒子追蹤結(jié)果一致；2019年，黃河入海泥沙主要向萊州灣西部運移，并在該海域形成一個表層懸沙濃度高值區(qū)，其范圍與圖12b中粒子在萊州灣西側(cè)聚集的范圍大致相同，萊州灣中部表層懸沙濃度也較高，這也與圖12b所顯示的粒子追蹤結(jié)果一致。同時也從另一方面說明了一般海況下研究海域物質(zhì)輸運主要受潮流控制。

海堤附近海域，漲潮流在丁壩頂端流速加大，兩丁壩之間形成順時針流環(huán)，而在堤壩根部，流速則明顯變小（圖13d）。懸沙濃度分布（圖13c）與海流場空間特征明顯相關。表層懸沙沿丁壩頂端在漲潮流作用下向東南方向輸運，在丁壩頂端強流速區(qū)加之再懸浮作用，懸沙濃度較高，并在流渦作用下形成高濃度懸沙渦。但是從表層懸沙的輸運路徑來看，黃河海港和東營港附近的長丁壩明顯阻礙了來自三角洲北部泥沙的補給，兩丁壩之間弱流區(qū)水體濁度低，懸沙濃度明顯偏低，有利于海港水深的維持。孤東附近的短丁壩攔截了來自北部的泥沙，將有利于丁壩北側(cè)淤積，而丁壩南側(cè)雖泥沙來源減少但海流減弱，沖刷狀況能夠有所緩解，推測將在達到?jīng)_淤平衡后維持現(xiàn)狀水深。

4 結(jié)論

本文基于FVCOM數(shù)值模型的水動力和粒子追蹤模塊，設置了5個數(shù)值實驗，并結(jié)合不同年份實測潮位數(shù)據(jù)和表層懸沙遙感圖像，分析了人類活動和自然演變共同驅(qū)動下黃河三角洲岸線水深變化對鄰近海域潮波及泥沙輸運的影響。得出結(jié)論如下：

（1）2019年現(xiàn)狀下，M2分潮無潮點位于孤東海堤北部海域（38.002°N，119.08°E），相比1980年向東南方向移動，其中以渤海灣圍填海為代表的岸線變化對M2分潮無潮點位置的遷移貢獻稍大于黃河三角洲鄰近海域岸線水深變化的貢獻；而黃河三角洲鄰近海域岸線水深變化引起的M2分潮無潮點位置遷移則以水深的影響為主，堤前水深的增大導致底摩擦減小，使得無潮點向東向海推進，岸線變化的影響次之，丁壩的影響最小。

（2）1980-2019年，除丁壩頂端和黃河口外緣及南部由于岸線向海凸出導致流速增加外，黃河三角洲鄰近海域流速整體降低，并且2019年在黃河口和丁壩等凸出岸段兩側(cè)形成潮汐岬角鋒，發(fā)育余流渦；海堤的修建使得黃河口北部岸段高低潮線重合，原有水下斜坡消失，不利于海流切變鋒的發(fā)育，黃河口附近由于水下三角洲淤積抬升、地形變陡而導致切變鋒向海推進。

（3）堤壩建設等人類活動顯著改變了黃河三角洲鄰近海域水動力特征，進而影響物質(zhì)輸運的路徑，相比2019年，更多的黃河入海物質(zhì)進入萊州灣并在萊州灣西側(cè)聚集形成高濃度區(qū)；丁壩的修建則使得更多的懸沙在丁壩之間淤積，對丁壩之間的岸段起到了保護作用。