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潮控型分汊河口分流过程探讨

陆佳玉 葛建忠 丁平兴

陆佳玉, 葛建忠, 丁平兴. 潮控型分汊河口分流过程探讨[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), 2020, (3): 1-12. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201941015
引用本文: 陆佳玉, 葛建忠, 丁平兴. 潮控型分汊河口分流过程探讨[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), 2020, (3): 1-12. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201941015
LU Jiayu, GE Jianzhong, DING Pingxing. A discussion on the diversion process of tide-dominated estuary bifurcation: The North Branch estuary of the Yangtze River[J]. Journal of East China Normal University (Natural Sciences), 2020, (3): 1-12. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201941015
Citation: LU Jiayu, GE Jianzhong, DING Pingxing. A discussion on the diversion process of tide-dominated estuary bifurcation: The North Branch estuary of the Yangtze River[J]. Journal of East China Normal University (Natural Sciences), 2020, (3): 1-12. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201941015

潮控型分汊河口分流过程探讨

doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201941015
基金项目: 国家重点研发计划(2016YFA0600903); 中美大河三角洲侵蚀灾害与应对策略比较研究(2017YFE0107400); 国家自然科学基金(41776104)
详细信息
    通讯作者:

    丁平兴, 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为物理海洋学. E-mail: pxding@sklec.ecnu.edu.cn

  • 中图分类号: P751

A discussion on the diversion process of tide-dominated estuary bifurcation: The North Branch estuary of the Yangtze River

  • 摘要: 长江北支口是典型的潮控型分汊河口, 其水动力及其汊道分流过程是影响潮控河口物质输运和地貌演变的主要因素. 本文基于2018年春季在北支口各汊道的坐底三脚架资料与断面走航资料, 计算各汊道的优势流. 结果发现: 大潮时, 北支三条港与顾圆沙南水道均呈现涨潮优势, 水流净向陆输运; 顾圆沙北水道则呈现落潮优势, 水流净输运方向指向口外. 同时, 结合FVCOM高分辨率数值模拟, 对北支口分流过程进行模拟. 结果表明, 由于顾圆沙南水道近海口断面面积远大于北水道, 且方位与涨潮时潮波传播方向一致, 大部分外海潮波经过顾圆沙南水道上溯, 涨潮量在南北水道空间上分配的差异性极大; 同时, 一部分经顾圆沙南水道上溯的潮波会越滩至北水道, 与上游径流汇合后, 共同经顾圆沙北水道下泄, 北水道的落潮量增加, 落潮量在空间上分配的差异性减小. 当大潮时, 顾圆沙北水道的涨落潮分流比为29.7%、47.2%; 小潮时, 顾圆沙北水道的涨落潮分流比为41.6%、43.1%. 北支口余流基本态势为南水道进、北水道出. 这些指标及分流特征可为河口的物质输运、地貌演变及各汊道的发育、维持和衰亡过程的预测提供关键的指示参数.
  • 图  1  北支观测站位及走航断面布设图.

    注: B1、B2和B3分别是北支三条港主汊、顾圆沙北水道和顾圆沙南水道中心的观测点; SEC1、SEC2和SEC3分别是北支三条港主汊、顾圆沙北水道和顾圆沙南水道断面

    Fig.  1  Observation stations and survey sections of the North Branch

    图  2  大潮断面流速矢量图

    注: (a)—(i)代表3个走航断面(三条港断面SEC1、顾圆沙北水道断面SEC2、顾圆沙南水道断面SEC3)表层、中层、底层的涨急与落急时刻的断面流速图; 蓝色箭头代表涨急时刻的断面流速, 黑色箭头代表落急时刻的断面流速

    Fig.  2  Velocity distribution of three sections during ebb tide in spring tide

    图  3  计算区域网格划分

    注: (a)图为长江口网格, 网格中蓝色线包含的区域即为嵌套区域, 蓝色方框包围的区域即为(b)图所示区域; (b)图为北支网格; (c)图为北支口局部放大网格

    Fig.  3  Model grids

    图  4  B2流速流向验证

    注: 红线代表模型计算流速流向, 黑点代表坐底三脚架观测系统实测流速流向

    Fig.  4  The results of model velocity and direction validation work

    图  5  流量验证

    注: (a)、(b)、(c)表示大潮时3个断面的流量验证; (c)、(d)、(f)表示小潮时3个断面的流量验证

    Fig.  5  The results of model flux validation work

    图  6  模型计算得到的顾圆沙南北断面流速、流向及分流比

    注: 左边(a)、(b)、(c)为大潮, 右边(c)、(d)、(f)为小潮; 阴影部分表示转流时刻, 实线代表顾圆沙北水道对应过程, 虚线代表顾圆沙南水道对应过程

    Fig.  6  Water level, sectional velocity, and flow diversion ratio of the cross sections beside Guyuansha

    图  7  顾圆沙附近表层流场分布图

    注: (a)为大潮落急流场, (b)为大潮涨急流场, (c)为小潮落急流场, (d)为小潮涨急流场

    Fig.  7  Surface flow field at the river mouth

    图  8  顾圆沙附近表层余流场分布图

    Fig.  8  Local surface residual flow field

    表  1  固定观测站位流速流向统计表

    Tab.  1  Velocity and direction of the fixed observation station

    涨潮最大流速/(m·s–1)涨潮平均流速/(m·s–1)涨潮时间/s落潮最大流速/(m·s–1)落潮平均流速/(m·s–1)落潮时间/s落/(涨 + 落)优势流
    B1大潮1.911.184.451.491.097.320.40
    小潮0.740.465.80.720.457.500.41~0.66不稳定
    B2大潮1.460.865.21.410.847.070.55
    小潮0.740.425.270.570.366.920.32~0.67不稳定
    B3大潮1.881.045.881.400.916.570.45
    小潮0.700.427.30.500.335.930.42
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    表  2  B1、B2和B3流速流向及SEC1、SEC2和SEC3流量误差分析

    Tab.  2  Error analysis of velocity, direction, and discharge

    站位 CC RMSE AE
    流速 B1 0.89 0.35 0.27
    B2 0.83 0.34 0.24
    B3 0.91 0.22 0.18
    流向 B1 0.97 44.87 20.30
    B2 0.95 47.72 27.10
    B3 0.97 38.78 19.81
    流量 SEC1 0.96 0.68 0.52
    SEC2 0.90 0.88 0.74
    SEC3 0.88 2.24 1.45
    注: 表中RMSE和AE的单位, 流速、流向和流量对应的分别为 m·s–1、° 和 ×103 m3·s–1
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    表  3  顾圆沙两断面分流比及涨落潮输水量统计

    Tab.  3  Diversion ratio and the volume of discharge for ebb and flood flow in Guyuansha’s two sections

    涨潮分流比/%落潮分流比/%涨潮输水量/(×108 m3)落潮输水量/(×108 m3)净输水量/(×108 m3)涨潮输水量/落潮输水量
    顾圆沙北断面大潮29.747.28.5015.82+7.320.54:1
    小潮41.643.15.135.64+0.510.91:1
    顾圆沙南断面大潮70.352.822.9014.55–8.351.57:1
    小潮58.456.98.447.26–1.241.16:1
    注: +代表流向外海, –代表流向口内
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-10
  • 网络出版日期:  2020-05-29
  • 刊出日期:  2020-05-01

潮控型分汊河口分流过程探讨

doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201941015
    基金项目:  国家重点研发计划(2016YFA0600903); 中美大河三角洲侵蚀灾害与应对策略比较研究(2017YFE0107400); 国家自然科学基金(41776104)
    通讯作者: 丁平兴, 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为物理海洋学. E-mail: pxding@sklec.ecnu.edu.cn
  • 中图分类号: P751

摘要: 长江北支口是典型的潮控型分汊河口, 其水动力及其汊道分流过程是影响潮控河口物质输运和地貌演变的主要因素. 本文基于2018年春季在北支口各汊道的坐底三脚架资料与断面走航资料, 计算各汊道的优势流. 结果发现: 大潮时, 北支三条港与顾圆沙南水道均呈现涨潮优势, 水流净向陆输运; 顾圆沙北水道则呈现落潮优势, 水流净输运方向指向口外. 同时, 结合FVCOM高分辨率数值模拟, 对北支口分流过程进行模拟. 结果表明, 由于顾圆沙南水道近海口断面面积远大于北水道, 且方位与涨潮时潮波传播方向一致, 大部分外海潮波经过顾圆沙南水道上溯, 涨潮量在南北水道空间上分配的差异性极大; 同时, 一部分经顾圆沙南水道上溯的潮波会越滩至北水道, 与上游径流汇合后, 共同经顾圆沙北水道下泄, 北水道的落潮量增加, 落潮量在空间上分配的差异性减小. 当大潮时, 顾圆沙北水道的涨落潮分流比为29.7%、47.2%; 小潮时, 顾圆沙北水道的涨落潮分流比为41.6%、43.1%. 北支口余流基本态势为南水道进、北水道出. 这些指标及分流特征可为河口的物质输运、地貌演变及各汊道的发育、维持和衰亡过程的预测提供关键的指示参数.

English Abstract

陆佳玉, 葛建忠, 丁平兴. 潮控型分汊河口分流过程探讨[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), 2020, (3): 1-12. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201941015
引用本文: 陆佳玉, 葛建忠, 丁平兴. 潮控型分汊河口分流过程探讨[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), 2020, (3): 1-12. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201941015
LU Jiayu, GE Jianzhong, DING Pingxing. A discussion on the diversion process of tide-dominated estuary bifurcation: The North Branch estuary of the Yangtze River[J]. Journal of East China Normal University (Natural Sciences), 2020, (3): 1-12. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201941015
Citation: LU Jiayu, GE Jianzhong, DING Pingxing. A discussion on the diversion process of tide-dominated estuary bifurcation: The North Branch estuary of the Yangtze River[J]. Journal of East China Normal University (Natural Sciences), 2020, (3): 1-12. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201941015
    • 分汊型河口从成因上可以分为河控与潮控两大类. 河控型分汊河口主要受控于河流径流, 各汊道的水沙输运表现出较强的规律性以及输运方向的一致性. 通常, 各汊道的涨潮量小于落潮量, 表现为落潮流占优势, 在考虑分流过程中常以落潮分流比作为主要动力参数. 例如, 长江口南支以下大部分区域径流作用强于潮流作用, 属于河控区域, 各汊道水沙输运方向具有一致性, 其汊道分流过程也较为规律, 但由于上游来沙变化、河口工程和地貌自然演变的影响也会发生调整. 例如, 近年来, 南支以下南北港和南北槽由于坝田回淤、断面面积减少、深水航道的建设及分流口工程的实施, 北槽落潮分流比逐步降低, 目前稳定在40%左右[1-2].

      然而, 不同于河控型分汊河口, 外海潮汐在潮控型分汊河口的形成发展中占有极为重要的地位, 此时, 河流径流不再起主控作用. 潮控型分汊河口汊道的水沙输运是一个极其复杂的机制, 其各汊道的水流输运不具有方向一致性, 其分流分沙过程因此更为复杂, 其对地貌过程的影响也因而较河控型河口更难以预测. 世界上有许多著名的潮控型分汊河口, 例如巴布亚新几内亚的弗莱河[3]、英国的Humber河口[4], 以及中国的杭州湾[5]、长江北支口, 它们均呈现为口大腹小的“漏斗”状, 口内沙洲将水流分为若干股汊道, 汊道内水流运动复杂, 这与浅水效应、不规则的海底地形、潮汐潮流、径流及河口海岸工程等多种因素的影响密不可分. 因此, 对潮控型分汊河口分流过程的分析和探讨可以为河口的物质输运、地貌演变及各汊道的发育、维持和衰亡过程做出动力机制分析, 并为这些物理过程的预测提供关键的驱动参数.

      长江北支口是典型的潮控型分汊河口. 长江口北支涌潮现象显著, 且近年来由于自然和人为的影响, 北支河槽逐渐束窄、河床淤浅, 北支和南支上段的滩槽环境发生剧烈变化[6]; 根据近60年北支地形资料分析, 北支内潮汐浅滩不断淤积形成, 同时由于回填, 河槽容积减少, 北支淤积的主要物质来源是口外海域来沙, 而北支口外海域来沙以长江口南支入海泥沙扩散倒灌为主; 但北支口发生侵蚀[7-8]. 北支的沉积作用受地形、水动力和泥沙来源的制约, 其沉积特征复杂, 沉积物类型较多[9]. 径流、汊道分流比、潮汐和地形条件是控制物质输运的重要因素[10-11]. 根据已有研究, 北支的分流比现已下降至5%以下[12], 径流在北支口门处的作用已微乎其微, 主要是外海潮流作用塑造着此处的地形地貌. 北支口门处, 河段横截面显著展宽, 呈现喇叭口状, 其内分布着黄瓜沙和顾圆沙等浅滩地形, 进而在河口形成了各级分汊水道. 顾圆沙是北支口最大的拦门沙. 近年来, 各种水利工程的兴建使得上游来沙减少, 外海潮流带走大部分泥沙, 顾圆沙不断侵蚀变小[13]. 顾圆沙南北两侧存在两个水深变化剧烈的水道. 外海潮流主要通过南北水道上溯或下泄. 北支口分流变化影响着南北水道兴衰交替和顾圆沙的形态变化, 开展此项研究不仅可以进一步认识潮控型分汊河口的分流规律, 同时也为研究北支口未来地形演变提供重要参考.

      本文基于2018年4月顾圆沙及周边海域观测资料, 计算并分析北支口各汊道的水动力输运特征. 同时, 结合FVCOM海洋数值模式, 对北支口顾圆沙附近汊道的水动力及分流过程进行了高分辨率的数值模拟, 计算了北支口汊道的分流比, 探讨潮控型河口的汊道分流过程.

    • 2018年4月在北支三条港水域和顾圆沙南北两水道投放3个坐底三脚架观测系统(见图1), 对该海域的水沙动力过程进行了连续半个月的水文观测. 三脚架上包括声学多普勒流速剖面仪(ADCP), 其发射频率为600 kHz, 探头朝上, 探头距底0.35 m, 用于观测水流的垂向结构. ADCP每隔2 min记录一个数据, 盲区设置为0.25 m, 垂向分辨率为0.5 m.

      图  1  北支观测站位及走航断面布设图.

      Figure 1.  Observation stations and survey sections of the North Branch

      同时, 在观测期间于大小潮分别选取一天进行连续断面走航观测(见图1). 其中大潮走航观测时间为2018年4月1日5-18时; 小潮走航观测时间为2018年4月9日7-18时. 观测时间尽量涵盖了一次完整的涨潮或落潮. ADCP探头朝下, 垂向采样分辨率为0.5 m. 其采样间隔为2 s, 持续采集剖面流速. 船速保持在2~3节.

    • 判断一个汊道的潮汐动力特征, 首先需要确定汊道中的涨潮流、落潮流所占的比例. 北支分汊河口的水深较浅, 在三条港断面的平均水深为2~3 m, 潮汐水位幅度与水深属于同一量级, 如直接采用以流速大小和维持时间进行优势流判断会引起显著误差, 一般采用一个完整潮周期内断面落潮量除以涨潮量和落潮量之和以计算优势流; 由于断面走航受浅滩、沙丘以及渔业生产的限制, 无法计算得到沿完整断面的涨落潮流量, 而观测点位于汊道中心, 可以较好地反映汊道的水动力特征, 故以某垂向分层积分的单宽落潮流量除以同样方法计算出的落潮流量和涨潮流量之和的百分比值表示优势流较为合适, 这种方法以严格的单宽断面水通量方式进行计算, 有效避免了因只考虑流速而带来的误差.

      单宽涨潮输水量Ff和单宽落潮输水量Fe的计算公式为

      $${F_{f\left( e \right)}} = \mathop \sum \limits_{j = 1}^m \mathop \sum \limits_{i = 1}^n {u_{ij}}{h_{ij}}{t_{ij}} \times \cos{\theta _{ij}}.$$ (1)

      其中, u代表ADCP测量垂向单元实测流速, h代表水深, t代表时间, θ代表实测流向与潮流长轴方向的夹角, m表示涨、落潮历时, n表示分层数, j指某时段, i指某层数.

      优势流的表达式为

      $${R_S} = \frac{{{F_e}}}{{{F_e} + {F_f}}} \times 100\% .$$ (2)

      其中, RS代表优势流. 当RS > 50%时, 定义为落潮优势流; 当RS < 50%时, 定义为涨潮优势流.

      对北支口连续半月的坐底流速流向观测资料进行统计, 并根据以上公式计算北支口各汊道的优势流, 详细结果如表1所示(结果均取几个完整涨落潮周期的平均值). 分析显示, 大潮时, B1、B3呈现涨潮优势现象; B2则反之, 呈现落潮优势现象. B1位于北支三条港, 此处潮波变形程度大, 上游径流作用弱; B3位于顾圆沙南水道, 南水道方位与潮波上溯方向基本一致. 大潮时潮流通过南水道上溯, 进入北支口内, 故B1、B3呈现涨潮优势现象. 而B2位于顾圆沙北水道, 北水道与外海潮波上溯方向存在较大夹角, 汊道断面与涨潮方向近乎平行, 故涨潮特征不明显, 表现为落潮优势. 小潮时, 潮汐动力的减弱使B1、B2的涨落潮优势现象不显著, B1、B2涨落潮优势交替. 但由于南水道是涨潮流上溯的主要通道, 故B3仍表现为涨潮优势.

      表 1  固定观测站位流速流向统计表

      Table 1.  Velocity and direction of the fixed observation station

      涨潮最大流速/(m·s–1)涨潮平均流速/(m·s–1)涨潮时间/s落潮最大流速/(m·s–1)落潮平均流速/(m·s–1)落潮时间/s落/(涨 + 落)优势流
      B1大潮1.911.184.451.491.097.320.40
      小潮0.740.465.80.720.457.500.41~0.66不稳定
      B2大潮1.460.865.21.410.847.070.55
      小潮0.740.425.270.570.366.920.32~0.67不稳定
      B3大潮1.881.045.881.400.916.570.45
      小潮0.700.427.30.500.335.930.42
    • 根据在大小潮期间各断面的走航观测资料, 分析3个断面大潮涨急落急时段的水动力特征.

      涨急时刻, 三条港断面SEC1水流归顺主槽方向, 指向上游. SEC1平均流速为1.41 m/s, 由表层及底层, 断面流速逐渐减小. 落急时刻, 断面平均流速为1.02 m/s, 由于科氏力作用, 落潮主流线右偏. 由于三条港断面南侧为大面积浅滩, 测船难以通过, 但从可以观测的部分看, 水流沿断面分布整体较为一致. 但推测在该断面南侧浅滩区域水流流速和方向会有显著的不一致性(见图2a2b2c).

      而顾圆沙北侧断面SEC2南侧虽然水深较大, 但是该区域为渔业生产活动区, 大量渔网分布于此, 船只难以通行, 故走航观测断面较短. 涨急时刻, 断面水流归顺主槽, 流向齐整, 测量断面流速均一, 测量断面平均流速为1.23 m/s. 由于落潮主流线的偏转与汊道形态相关, 又因为北水道出口朝向东北, 故图中落急时刻, SEC2落急主流线偏北, 测量断面平均流速为1.08 m/s(见图2d2e2f).

      顾圆沙南水道断面SEC3涨急时刻断面平均流速为0.88 m/s. 靠近顾圆沙一侧的水深较深, 由北向南, 断面水深逐渐减小, 流速也逐渐减小, 断面北侧流速大于南侧流速. 因为SEC3断面水下地形复杂, 断面北部水流呈辐射状, 向四周发散, 断面南部水流方向一致南偏. 落急时刻, 水流集中于断面北侧深槽, 断面南部水深较浅, 测船难以通行(见图2g2h2i).

      图  2  大潮断面流速矢量图

      Figure 2.  Velocity distribution of three sections during ebb tide in spring tide

    • 从坐底观测系统和断面走航观测中, 我们可以基本把握北支河口各汊道的基本动力特征. 然而, 由于其坐底观测系统在空间上的局限, 以及断面走航受浅滩、沙丘及渔业生产的限制, 测船难以覆盖完整汊道. 因此, 在确定各汊道分流过程时, 这两种方法仍然存在不足. 故, 本文在坐底系统、走航观测的基础上, 采用高分辨率海洋数值模型对北支河口的潮汐影响下的汊道动力特征进行模拟研究, 从而确定其汊道分流特征.

    • 本文的数值模型研究区域集中在北支口外的顾圆沙区域, 为了提高计算精度与效率, 模型由长江口大区域模型和北支小区域模型嵌套组合而成. 大区域计算模型采用成熟的长江口—东海模型(见图3a), 该模型在长江口区域已有较多应用, 可以良好地刻画长江口的各种动力过程[14]. 小区域计算范围上起海门港, 下至顾圆沙外, 包括北支整段(见图3b). 北支河道及口门区域采用2016年9月份大面地形测图数据. 计算区域的海岸线边界由Landsat 8 OLI系列的2017年4月18日低潮位时段长江口卫星观测遥感解译获取. 将计算区域划分成高质量非结构的三角形网格, 在岸边、北支口外顾圆沙两侧的深水航道进行加密处理(见图3c). 整个小区域内包含三角形单元42 753个, 节点22 120个, 水平分辨率在近岸和水流通道区域内最高为150 m. 垂直方向分为10个等间距的σ层, 模式计算采用内、外模态分裂求解方案, 外模时间步长取0.3 s, 内模时间步长取3 s. 模型计算时间由2018年3月20日至2018年4月20日. 风场数据采用在欧洲气象中心中尺度天气预报模式结果. 上游径流数据采用同时期大通站的实测逐日流量. 温盐初始场应用《渤海、黄海、东海海洋图集》数字化资料计算得到. 长江口模型由径流、潮汐及风场等边界条件驱动. 北支口小区域模型由于嵌套边界驱动, 并不涉及径流和潮汐条件, 这些过程都包含在时间分辨率较高的嵌套边界驱动中, 但其风场仍然采用欧洲气象中心中尺度天气预报模式结果.

      图  3  计算区域网格划分

      Figure 3.  Model grids

    • 本文采用2018年4月在北支口布设的3个连续测流站(即B1、B2、B3)的坐底水文观测资料对模型计算结果进行验证, 观测持续半月, 时间序列较长, 资料具有较强的可信度, 因此对3个测站的模拟误差都进行了计算. 限于篇幅, 本文只给出了B2站点表层的流速和流向对比曲线(见图4).

      同时由于本文重点研究汊道分流过程, 因此对3个汊道的断面流量过程也进行了观测和模型的对比(见图5). 需要指出的是, 由于测船受各种浅水地形和渔业生产的限制, 以及潮汐水位的影响, 断面位置变化较大, 因此, 在进行检验过程中我们严格对应了每次走航断面长度和位置, 从而保证断面流量验证的合理性.

      使用相关性系数(CC)、均方根误差(RMSE)和平均误差(AE)来定量分析模型的误差. 其计算公式为

      $${\rm{CC}} = \frac{{\mathop \sum \nolimits_{i = 1}^n \left( {{O_i} - \bar O} \right)\left( {{P_i} - \bar P} \right)}}{{\sqrt {\mathop \sum \nolimits_{i = 1}^n {{\left( {{O_i} - \bar O} \right)}^2}\mathop \sum \nolimits_{i = 1}^n {{\left( {{P_i} - \bar P} \right)}^2}} }},$$ (3)
      $${\rm{RMSE}} = \sqrt {\frac{{\mathop \sum \nolimits_{i = 1}^n {{\left( {{P_i} - {O_i}} \right)}^2}}}{n}}, $$ (4)
      $${\rm{AE}} = \frac{{\mathop \sum \nolimits_{i = 1}^n \left( {{P_i} - {O_i}} \right)}}{n} = \bar P - \bar O.$$ (5)

      其中, Oi为实测样本值, $\bar O$为实测样本平均值, Pi为模型样本值, $\bar P$为模型样本平均值.

      图  4  B2流速流向验证

      Figure 4.  The results of model velocity and direction validation work

      图  5  流量验证

      Figure 5.  The results of model flux validation work

      表2可知, 各个测站的流速、流向及断面流量相关性较好, 总体在0.83~0.97波动. 流速均方根误差为0.22~0.35 m/s, 总体平均约为0.30 m/s; 平均误差为0.18~0.27 m/s, 总体平均为0.22 m/s. 模式的流速模拟相对较好. 模型计算的流向偏差总体上为38º~47º, 但这是由于潮流转流期间的流速较小, 流向空间性差异较大, 模拟结果在转流时段误差相对较大引起的. 如去除转流时段, 流向平均误差为12º, 显示模型较好地刻画了北支分汊口的水动力特征.

      表 2  B1、B2和B3流速流向及SEC1、SEC2和SEC3流量误差分析

      Table 2.  Error analysis of velocity, direction, and discharge

      站位 CC RMSE AE
      流速 B1 0.89 0.35 0.27
      B2 0.83 0.34 0.24
      B3 0.91 0.22 0.18
      流向 B1 0.97 44.87 20.30
      B2 0.95 47.72 27.10
      B3 0.97 38.78 19.81
      流量 SEC1 0.96 0.68 0.52
      SEC2 0.90 0.88 0.74
      SEC3 0.88 2.24 1.45
      注: 表中RMSE和AE的单位, 流速、流向和流量对应的分别为 m·s–1、° 和 ×103 m3·s–1

      从SEC1、SEC2、SEC3三个断面的流量观测与模拟的对比结果看(见表2图5), 总体上模型能较好地反映出长江北支口分汊的断面流量及其变化特征. 在较好地刻画了北支河口的汊道动力过程的基础上, 可以利用该模型进行分流过程的计算分析.

    • 利用上述验证良好的模型结果计算顾圆沙南北水道的分流比. 首先, 将模型计算得到的东西方向的流速分量(u)、南北方向的流速分量(v)分别沿断面方向和水深方向进行积分, 得到某个时刻的断面水通量. 其中地形数据是由2012年海图数字化得到. 地形与模型计算得到的水位相加之和即为计算断面潮通量时垂向积分的深度. 再利用公式(6)和公式(7), 计算得到某个时刻的汊道分流比. 由于模型结果均在整点时刻逐小时输出一次, 因此得出的结果为整点时刻的分流比.

      $${\eta _L} = \frac{{{Q_L}}}{{{Q_L} + {Q_R}}},$$ (6)
      $${\eta _R} = \frac{{{Q_R}}}{{{Q_L} + {Q_R}}}.$$ (7)

      式中, QL为顾圆沙北水道断面水通量、QR为顾圆沙南水道断面水通量. ηL为顾圆沙北水道分流比, ηR为顾圆沙南水道分流比. ${\eta _L} + {\eta _R} = 1$.

      图6显示了大潮和小潮时顾圆沙南北水道的水位(见图6a6d)、流速(见图6b6e)以及顾圆沙北水道的分流比变化曲线(见图6c6f). 由于转流时刻通常出现在河口涨落潮交替时, 此时水流流态不稳定, 流速流向空间分布差异大, 计算得到的分流比会在较大比值范围内波动, 而这段时间内其水量对汊道分流的贡献较小, 因此转流时段的分流比暂略去, 主要考虑潮流稳定时段内的分流过程.

      大潮时, 顾圆沙北水道的分流比波动具有一定的规律(见图6c). 北水道涨潮分流比均小于落潮分流比, 且在相同区间内波动. 除去转流时刻, 将顾圆沙南北两水道涨潮时段的涨潮量累加后通过公式计算, 得到顾圆沙北水道的涨潮分流比为29.7%(见表3); 同理, 落潮分流比为47.2%(见表3). 小潮期间, 除去转流时刻, 分流比波动仍十分剧烈且毫无规律性(见图6f). 计算得到顾圆沙北水道的涨潮分流比为41.6%(见表3), 落潮分流比为43.1%(见表3).

      图  6  模型计算得到的顾圆沙南北断面流速、流向及分流比

      Figure 6.  Water level, sectional velocity, and flow diversion ratio of the cross sections beside Guyuansha

      表 3  顾圆沙两断面分流比及涨落潮输水量统计

      Table 3.  Diversion ratio and the volume of discharge for ebb and flood flow in Guyuansha’s two sections

      涨潮分流比/%落潮分流比/%涨潮输水量/(×108 m3)落潮输水量/(×108 m3)净输水量/(×108 m3)涨潮输水量/落潮输水量
      顾圆沙北断面大潮29.747.28.5015.82+7.320.54:1
      小潮41.643.15.135.64+0.510.91:1
      顾圆沙南断面大潮70.352.822.9014.55–8.351.57:1
      小潮58.456.98.447.26–1.241.16:1
      注: +代表流向外海, –代表流向口内

      表3中可知, 一个完整潮周期下, 顾圆沙北水道的水流净输移方向指向口外, 顾圆沙南水道的水流净输移方向指向口内. 这也验证了上述顾圆沙北水道是以落潮流为优势的河槽, 顾圆沙南水道是以涨潮流为优势的河槽.

    • 顾圆沙北水道呈现落潮优势现象, 且落潮时, 南北水道流量分配不均匀性减小. 这是由北水道落潮量增加造成的. 由图7可以看出, 大部分流经顾圆沙西部的落潮流会偏向北水道. 大潮时, 北水道的落潮平均流速为0.95 m/s, 南水道的平均流速为0.89 m/s; 小潮时, 北水道的落潮平均流速为0.26 m/s, 南水道的落潮平均流速为0.14 m/s(见图7a7c). 这与顾圆沙及其南北水道的水深地形有关. 顾圆沙东部核心区域露出水面, 落潮时, 水流于此处分流. 通常, 窄深型水道的水力糙率小于宽浅型, 水流下泄时的阻滞作用更小, 落潮流更易转向至更短或更深的汊道[15], 如印度尼西亚的三角洲河网会出现这样的分流现象. 顾圆沙西部两侧水道中, 北水道的平均水深为7.2 m, 南水道的平均水深为6.3 m, 落潮流更易偏转至北水道. 并且, 纳潮量大的水道的床面剪切应力更大[16]. 显然南水道的纳潮量更大, 相应地, 床面剪切应力更大, 阻碍落潮流偏向南水道.

      图  7  顾圆沙附近表层流场分布图

      Figure 7.  Surface flow field at the river mouth

      图7所示, 涨潮时, 顾圆沙西部还存在由南水道输运至北水道的水流. 小潮时, 汇入顾圆沙北水道的越滩流流速为0.89 m/s, 显著高于南北两水道(见图7c). 潮波沿汊道上溯的过程中, 由于各汊道的粗糙度、长度、深度及宽度的不同, 导致各潮波到达汊口处存在着相位与幅度上的差异, 从而引起了分汊处越滩流的存在[17]. 从图1中可知, 顾圆沙南水道的方位虽与主汊一致, 但仍与其存在交角, 且顾圆沙西部地势较低, 在0 m等深线以下经南水道上溯的潮波必有一部分进入北水道. 无论大潮还是小潮, 在典型的涨急落急时段, 顾圆沙西侧滩地区域的水体都呈现向北水道输运(见图7). 因此, 如图8所示, 顾圆沙南水道及西侧浅滩的潮致余流在空间结构上看会越过顾圆沙西部, 汇入顾圆沙北水道, 流向外海, 形成一个水平环流结构. 随着时间效应的累积, 顾圆沙北水道的向海净输运有所增大.

      总之, 落潮主流的北偏与南汊余流的越滩会增加顾圆沙北水道的落潮量, 使得两水道的落潮水量不均匀性减小; 同时, 顾圆沙北水道的落潮流速增大、落潮历时延长, 北水道呈现落潮优势现象.

      顾圆沙南水道呈现涨潮优势现象, 其涨潮量大于落潮量. 如图7所示, 涨潮时, 大部分潮波沿南水道上溯. 长江口以M2分潮为主. M2分潮在北支口门的传播方向约为305°, 流态为顺时针. 南水道入海处较宽且水深较大, 水道方位与半日潮传播方向一致, 涨潮时, 大部分潮流通过南水道上溯, 进入北支口, 大潮时南水道的涨潮平均流速为1.27 m/s(见图7b). 而北水道出口方向指向东北, 汊道主轴与涨潮方向近乎垂直, 不利于涨潮流的生成和维持.

      图  8  顾圆沙附近表层余流场分布图

      Figure 8.  Local surface residual flow field

      不仅如此, 潮汐动力的变化会对南北水道的涨落潮流量在空间上的分配产生影响. 如北支口, 大小潮时, 顾圆沙北水道的涨潮分流比分别为29.7%、41.6%, 小潮比大潮增加了11.9%. 大潮时, 潮汐动力增强, 水道内向陆的水流通量累积效应增强, 涨潮流量在空间上分配不均匀性增强[12]. 同时, 南北水道方位存在差异性, 经南水道上溯的潮量远大于北水道. 大小潮时, 顾圆沙北水道的落潮分流比分别为47.2%、43.1%, 小潮比大潮减小了4.1%. 小潮时, 潮汐动力减弱, 原本经南水道上溯越滩至北水道的潮量减少, 北水道的落潮量减少.

      余流可用作判断物质输运和预测地貌变化的一个重要物理参数. 将一个大小潮周期内的流场进行平均, 得到顾圆沙表层余流场. 如图8所示, 表层余流在南水道由海向陆输运, 在北水道由陆向海输运. 同时, 一部分南水道的余流越过顾圆沙汇入北水道, 一致向海. 因此, 可推断北支口的泥沙输运方向大致为北支上游携带的泥沙与南水道涨潮带入的泥沙共同经顾圆沙北汊流入口外. 经过计算分析, 南北水道与顾圆沙西部的流速较大, 水流会带走大部分泥沙, 故, 顾圆沙西部与两侧水道可能会存在刷深现象.

    • 本文利用2018年4月北支口长时间观测资料, 计算得到北支口各汊道的涨落潮优势流, 同时结合FVCOM高分辨率数值模拟的方法, 计算北支口各汊道的分流比, 讨论了北支潮控型河口的分流过程. 结果表明:

      (1)根据实测观测可知, 北支三条港与顾圆沙南水道的涨潮流速均大于落潮流速, 涨潮历时大于落潮历时, 均呈现涨潮优势, 水流净向陆输运; 北支口顾圆沙北水道涨潮流速稍小于落潮流速, 落潮历时大于涨潮历时, 呈现落潮优势, 水流净输运方向指向口外. 大潮时, 由于来自顾圆沙南水道的越滩流和径流于顾圆沙北水道汇集, 增大了顾圆沙北水道的落潮速度, 并延长了其落潮历时, 使得顾圆沙北水道呈现落潮优势现象; 而顾圆沙南水道的主轴与外海涨潮波前进方向一致, 大量潮波经南水道进入北支口, 导致南水道为涨潮优势河槽.

      (2)根据模型结果可知, 当大潮时, 顾圆沙北水道的涨落潮分流比分别为29.7%、47.2%; 当小潮时, 顾圆沙北水道的涨落潮分流比分别为41.6%、43.1%. 南水道断面面积远大于北水道, 南水道的涨潮量本就大于北水道. 但是大潮时潮汐动力增强, 累积效应使得涨潮流量在空间上分配的差异性增大. 而不论大潮时还是小潮时, 由于径流和南水道上溯的水流会经北水道下泄, 南北水道落潮水量在空间上分配的差异更小. 但是, 小潮时越滩进入北水道的水量减小, 落潮过程中南北水道在空间上落潮流量分配的差异性会增大.

      (3)在北支口, 余流基本态势为南水道进、北水道出, 同时上游余流汇入北水道. 故可推断北支口的泥沙输运方向大致为北支上游携带的泥沙与南水道涨潮带入的泥沙共同经顾圆沙北汊流入口外. 南北水道与顾圆沙西部的流速较大, 故顾圆沙西部与两侧水道可能会存在刷深现象.

参考文献 (17)

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