（自然地理学专业论文）长江河口盐水入侵研究——北支倒灌、深水航道工程和冬季季风的影响.pdf

论文摘要 本文采用三维数值模式和通量分析手段，定量研究了长江河口盐水入侵，特 别是北支盐水倒灌及其动力机制，以及深水航道工程和冬季季风对盐水入侵的影 响。主要成果如下： ( 1 ) 建立了一个高分辨率、移动潮滩边界的长江河口三维水动力、盐度数 值模式。运用模式对实测的潮位、流速、流向和盐度进行验证，验证结果良好。 ( 2 ) 对北支盐水倒灌进行了通量机制分析，结果表明l a 伊a 1 1 9 e 余流输运和 潮泵输运是北支盐水进入南支并往下游输送的主要动力机制，在多数地区前者起 主导作用，局部地区两者作用相当。计算了南支各叉道的断面盐分通量以考查倒 灌盐水团的输送途径，结果表明北支盐水出南北支分叉口后大部分沿白茆沙北水 道下泻，少部分绕过白茆沙后沿着自茆沙南水道往下输送。两部分盐水在七丫口 附近河段汇合，然后其中一小部分通过南门水道进入新桥水道，并在新桥水道涨 潮优势流的作用下向上游输移，其余盐水继续沿南支主槽下泻。在新浏河沙以下， 倒灌盐水通过南、北港分叉区域的几个叉道分别进入南港和北港。在大潮期间， 进入南港的盐量较多，在小潮期间，进入北港的盐量较多。 ( 3 采用北支上端的断面水体净通量作为倒灌强度的代表，在单日和半月 两个时间尺度上研究了断面净通量和径流量、潮差的定量关系。 在单日时间尺度上，引入水体倒灌判别指标： 细。= 青龙港潮差一1 - 5 8 e x p ( 。 2 4 5 7 ! 鬻慕) 加。大于零时北支上端的断面净通量指向南支，倒灌发生；小于零时断面净通量 指向北支，倒灌消亡；等于零时无净的水体通量。基于如j d 得到了单曰断面净通 量： 单日断面净通量= 5 3 3 1 e x p ( o 3 6 1 加d ) 一5 3 3 1 s o o ) 和 单日断面净通量= 2 2 6 o 如s 。 ( 豇s o d m 帆d 1 1 j d 聊加 c )d ，j d 砌拥，d i 1 j d 玎 d )d z j 砌z 新，而且矢一l ，一茧。 d 矗 u ，j 点满足条件a ) 与b ) 或者a ) 与c ) 或者a ) 与d ) 的u 点为湿点，否则都为干点。其 中砌代表了干湿转化的水位梯度，本文中取5 c m ，在保证模式稳定的情况下越 小越好。同时满足a ) 和b ) 表示流速点以及其相邻的两个水位点的水深都大于临界 值，故为湿点。同时满足a ) 和c ) 或者同时满足a ) 和d ) 表示流速点及其一侧的水 位点上的水深大于临界值，此时流速点的干湿由两侧水位梯度方向来决定。当梯 度指向干的水位点时流速点为湿点，否则就是干点。对于v 点也一样，此处不 再赘述。 对于一个给定的水位点，在d d 埘胁时f s m 取1 ，否则为o 。由上述判别法 则我们可以看到，当流速点满足条件a ) 和d ) 时，水位点( i 0 ) 为干点，流速点( i j ) 为湿点，前者( f s m = 0 ) 的水深将由于后者导致的通量进入而发生变化，因此必 需包括到计算区域内。所以在数值模式中湿的水位点固然要参与到计算过程中， 某些干点也必须添加到计算区域内。一个简单的办法就是把所有的网格点不管干 湿都计算一遍。另一个方法同时也是本文所采用的就是引入一个新的开关变量 f s m a d d 。对于一个给定的水位点，如果它始终不可能参与到计算区域的时候 取0 ( 如陆地) ，否则取1 。这可以首先排除陆地上的网格点，减少了计算量。 2 1 6 数值求解方法 模式中的动量方程分三步做时间积分： 第一步： 些骘芋盟一璺一警一鱼磐吼叭砉( 盯南( 抄咄” 出 搿却 衍 2 一硝、 1 却、” 。 + 砚 善c 彘，+ 量等舅p 筹拈一号 毒j p “a + n 以“ ( 2 - 4 3 ) 第二章长江河口三维盐水入侵数值模式的建立 型堕；i 皇笪一堑坠笔笠一望堡笔竖一望! 乒一助。西印。”砉( 幸一茜( 鲁卅潞矿万 出 髫却衍1 一并、 ，1 却、 ，“ 。 + 肼。玎昙( 等) 一生巴罢7 。宴；一壁也晏- 一打+ d 峨n 印h l h lp 。铂； 以蜘： ( 2 4 4 ) 第二步： 堕：云鳖= 寺砉k 等 f d 街【 d f j 咝字丝= 古砉k 警fd r ld j 第三步： 华呐驴笔f 一 日f 塑掣：也g d 掣 f a ” ( 2 4 5 ) ( 2 - 4 6 ) ( 2 - 4 7 ) ( 2 - 4 8 ) 在第一步中，仅考虑非线性项、科氏力项、密度梯度力项、水平涡动糙滞项 和由坐标变换产生的曲率项，所有这些项均作显式处理。在第二步中，仅考虑垂 向涡动粘滞项，并做隐式处理，采用三对角方法求解。在第三步中，仅考虑外重 力波产生的水位梯度力，这个快过程作隐式处理，把它代入连续方程，用半隐格 式求解水位分布，消除了c f l 判据的严格限制，提高了计算效率。求出水位分 布后，由第三步可直接得出三维速度场的分布。 在数值求解盐度方程时，平流项的差分求解格式非常重要，常见的中央差格 式会将下游的信息带往上游，从而造成物理失真和数值振荡，采用一阶迎风格式 求解又会带来较大的数值耗散。针对这个问题，本文采用欧拉一拉格朗日方法。 将这一方法引入到e c o m s i 中的工作由朱首贤博士完成( z h ue ta 1 ，2 0 0 1 ) ，下 面简述这一方法的操作过程。 考察笛卡儿坐标系下的盐度输运方程： 鲁+ “塞+ v 言+ w 龛= 差( 毛象) + c ( 2 4 9 ) 百+ “瓦+ ”瓦+ w 瓦2 瓦( 夏j + ，s 怛一4 w 将f 2 4 9 ) 左侧的平流项写成全微分的格式： 粤= 要( 乜芸) + 只 ( 2 5 0 ) 考察一流体微团在倒r 时刻的盐度s 矿，由( 2 5 0 ) ，在+ f 它移动到了 新的位置，在移动过程中由于水平和垂向的扩散而使它的盐度发生了改变。因此 华东师范大学博士学位论文 如果知道流体微团在上一个时刻的盐度，再计算它在运动过程中的垂向和水平扩 散项就可以得到流体微团在当前时刻的盐度，即： 品”1 = 品”+ ( 要( 毛要) + e ) &( 2 5 1 ) 考察 + 1 列 时刻位于网格点( u 的的流体微团，则由( 2 5 1 ) ，如果知道它在列f 时刻的盐度，并将其垂向扩散项采用隐式计算，水平扩散项采用显式计算，就可 以知道它在此时的盐度了。流体微团在鲥f 时刻的盐度可以通过先确定它在剃f 时刻的位置，再将蒯f 网格点上的盐度( 已求出) 插值到其上的方法求出。整个 过程可以用 s 1 0 = p ”) + ( 要( k 。要) “+ e ”) x r ( 2 5 2 ) 留芘 来表示，s 蒜为铆+ ，f 时刻网格点( 弛功上的盐度，s ”为列r 时刻的盐度场。 采用一次预估修正逆推得到网格点( “妨上流体微团在上一时刻的位置为： 呻 一 厂_ 斗n + 1- h + l1 ，= 一o 5 ，( 1 小女一矿叫，女f ) + 矿u ，女l f ( 2 5 3 ) lj 4。n “ 呻 其中r 。，t 为点( “的的空间位置，矿。* 为当前( “妨点的速度，一f 为时间步长，。 为逆推得到的位置。，( ) 为插值算子，把当前的流速或盐度值插到预估得到的位 置上。重复上一过程就是多次预估修正，但是采用一次预估修正已能获得较高的 精度了。将删f 时刻的盐度值插值到r 上得： s 观= 妒( s ”) + ( 罢( 蚝象广1 + c ”) 心= ，( ) + ( 丢( 邑象厂1 + e ”) 出( 2 - 5 4 ) 插值算子，( ) 对计算的精度十分重要，本文在水平方向上采用一阶、二阶混 合的拉格朗日插值方法，垂向上采用线性插值方法。这种方法即提高了精度，又 有效的避免了二阶拉格朗日插值引起的附加数值振荡，具体参考( z h us h o u x i 趴 e t a l ，2 0 0 1 ) 。 第二章长江河口三维盐水入侵数值模式的建立 2 2 模式的设置 2 2 1 模式的范围和网格 图2 1 模式的计算网格，图中大范围计算网格分辨率为实际的三分之一 2 3 华东师范大学博士学位论文 模式计算范围包括整个长江口、杭州湾，东边到1 2 4 5 0 e 附近，北边到3 3 0 n 附近，南边到2 8 0 n 附近。在模式中各地理要素的坐标一律转化为1 9 5 4 北京坐标。 河口地区水流为双向流，而当上游边界以径流量给出的时候只能提供单向流，因 此上游边界应该尽可能的取得远一些。理想的状态是将上边界取在大通站，这样 就不存在单向流和潮汐振荡的影响，但这样一是增加计算量，二是对研究区域的 意义不大，本文中将上游边界延伸到江阴以上1 5 0 k m 。南北支分叉口区域的网格 加密，在北支上端的分辨率为7 5 m 左右；深水航道区域网格加密且拟合导堤、 丁坝，航道区域的分辨率为1 0 0 m 左右；南槽沿岸附近网格加密，网格分辨率为 7 0 m 左右，口内其余部分分辨率在1 0 0 m 至5 0 0 m 不等，口外较疏，最大为7 k m 左右。垂向采用仃坐标，均匀的分成5 层。 2 2 2 长江口及临近海区的地形 2 ，u) uu) ub i j n l x t a r k i n 、 图2 2 长江口、杭州湾及邻近海区水深 本文在长江口内主要采用2 0 0 3 年长江河口水文观测得到的水深资料，其中 局部地区采用更新的资料。长江口外的水深变化不甚剧烈，本文沿用以前海图数 字化的资料( 图2 2 ) 。所有水深资料都校正到8 5 基面。 姗 舢 删 姗 姗 姗 姗 珊 瑚 善! ，i3 第二章长江河口三维盐水入侵数值模式的建立 2 3 3 外海开边界条件 外海开边界水位采用8 个天文分潮m 2 ，s 2 ，n 2 ，k 2 ，k 1 ，o l ，p l 和q l 驱动 8 f = 氢+ 工日，c o s ( 国，f + ( 矿+ “。) 一g ，) ( 2 5 5 ) 2 l 其中f 为潮位，氏为余水位，厂为节点因子，珏为振幅，国。为角频率，昏为迟角 k + 挑为订正角，它可由具体的年、月、日求得。 图2 3 大模式计算网格 为了提供合理的开边界条件，建立了一个包括整个渤、黄、东海的大模型来 模拟各个天文分潮，模式范围西至1 1 7 ，5o e ，东至1 3 1 0 e ，南至2 3 5 0 n ，北至4 1 0 n ( 图2 3 ) 。大模式较成功地模拟出了8 个分潮在东海黄海渤海的转播特征( 图 2 4 、2 5 ) ，再现了计算区域内半日分潮的5 个无潮点和2 个蜕化的半个无潮点、 全同分潮的3 个无潮点。与6 5 个潮位站的观测资料比较，模式计算的m 2 、s 2 、 华东师范大学博士学位论文 k 1 和0 1 分潮振幅和位相的均方差分别为7 8 5 c m 和6 ，8 1 ( 表2 1 ) 、5 0 4 c m 和 8 1 4 、3 ，8 2 c m 和1 3 0 4 、4 3 4 c m 和9 3 3 。与1 7 个潮位站的观测资料比较，n 2 、 k 2 、p 1 和q 1 分潮振幅和位相的均方差分别为3 。6 4 c m 和7 8 9 、8 4 7 c m 和1 0 5 1 、 1 7 6 c m 和7 5 6 、1 5 0 c m 和2 6 3 4 。模式模拟的结果可为本文小区域模式提供可 靠的外海开边界潮汐调和常数资料。 “”“2 ”3 。= 。焉”2 2 3 。啬”1 ”j 。品。高”11 ”2 j 。墨。篙”6 ”7 ”。 图2 4 大模式计算的半日潮同潮图，实线振幅，虚线位相，左上、右上、左下和右下分别代 表m 2 、s 2 、k 2 和n 2 第二章长江河口三维盐水入侵数值模式的建立 ”乙啬。箍“o 2 “嚣”7 ”“ 图2 5 大模式计算的全日潮同潮图，实线振幅 表k 1 、0 1 、 气嚣0 。：琶”6 ”7 ”1 虚线位相，左上、右上、左下和右下分别代 p l 和q 1 表2 1m 2 分潮振幅( c m ) 和位相( 。) 模式计算值和实测值比较 经度 纬度计算振幅实测振幅振幅差值计算相位实测相位相位差值 1 1 7 ，5 6 6 7 1 1 7 7 1 1 7 8 6 6 7 1 1 8 5 1 6 7 11 8 5 6 6 7 2 3 7 5 3 9 2 3 9 1 6 6 7 3 8 9 3 3 3 3 2 4 5 1 6 6 7 1 2 1 9 8 7 3 4 3 1 3 7 9 4 3 0 7 1 9 4 ，7 9 1 1 0 9 4 1 5 0 6 0 2 0 0 1 1 9 8 2 0 5 7 1 21 1 6 9 3 5 2 1 2 7 3 5 4 3 6 7 8 ，5 l 3 5 1 0 5 5 7 1 5 3 4 4 3 9 8 9 1 1 5 8 3 4 7 1 3 6 4 1 2 4 9 - 9 9 5 - 0 8 5 2 6 1 华东师范大学博士学位论文 1 1 9 6 1 2 0 1 6 6 7 1 2 1 2 3 3 3 1 2 1 3 8 3 3 1 2 l ，8 6 6 7 1 2 2 1 6 6 7 12 2 2 3 3 3 1 2 2 31 6 7 1 2 2 4 1 2 3 1 2 3 6 8 3 3 1 2 3 7 3 3 3 1 2 4 1 6 6 7 1 2 4 7 1 6 7 1 2 4 7 8 3 3 12 5 2 8 3 3 1 2 6 1 5 1 2 6 2 8 3 3 1 2 6 4 1 2 6 5 8 3 3 1 2 6 7 3 3 3 1 2 6 8 5 1 2 6 9 1 2 7 3 1 2 7 3 1 2 7 4 5 1 2 7 7 8 3 3 1 2 7 9 6 6 7 1 2 8 0 3 3 3 1 2 8 2 1 2 8 2 1 2 8 2 6 6 7 1 2 8 _ 3 5 1 2 8 6 6 6 7 1 2 8 7 1 6 7 1 2 8 7 6 6 7 1 2 8 8 3 3 3 12 8 9 6 6 7 1 2 9 0 3 3 3 1 2 9 ，0 5 1 2 9 2 1 6 7 1 2 9 3 1 2 9 _ 3 1 6 7 1 2 9 3 8 3 3 1 2 9 4 3 3 3 1 2 9 6 1 6 7 1 2 9 ，6 8 3 3 1 2 9 7 8 3 3 1 2 9 8 5 1 2 9 8 5 1 2 9 8 8 3 3 1 3 0 0 1 6 7 1 3 0 1 8 3 3 1 3 0 1 8 3 3 2 3 7 3 3 3 3 2 3 7 3 6 6 8 3 3 3 3 7 5 5 2 4 。5 8 3 3 3 3 7 5 3 1 4 1 6 6 7 2 9 8 5 3 6 8 6 6 6 7 2 4 4 1 6 6 7 2 5 9 3 3 3 3 2 4 3 3 3 3 3 2 4 3 3 3 3 3 3 7 8 3 3 3 3 3 8 1 8 3 3 3 2 4 8 3 3 3 3 3 9 5 3 5 8 1 6 6 7 3 3 5 1 6 6 7 2 6 3 3 3 3 3 3 4 1 8 3 3 3 3 3 5 2 6 2 1 6 6 7 3 4 3 9 _ 3 6 6 6 7 2 6 1 8 3 3 3 2 7 0 5 2 6 5 5 3 8 7 5 4 0 3 4 6 5 3 2 2 7 4 3 4 8 3 3 3 3 3 2 6 16 6 7 3 7 9 2 7 8 6 6 6 7 3 5 1 3 3 2 6 6 6 7 4 0 6 6 6 6 7 3 4 2 2 8 1 5 3 4 6 5 3 7 0 6 6 6 7 3 3 0 3 3 3 3 3 3 8 5 3 2 5 5 2 9 - 8 3 3 3 3 3 1 1 8 5 3 3 5 3 3 3 3 3 2 3 1 6 6 7 3 0 4 6 6 6 7 3 2 0 3 3 3 3 1 1 83 5 1 1 7 0 7 9 5 6 7 5 2 1 6 3 8 。7 2 4 6 1 9 1 2 6 5 5 1 2 1 2 1 7 4 9 4 3 9 4 4 3 7 8 2 4 l7 i 4 5 7 3 7 6 9 9 1 0 8 4 7 6 8 7 9 - 3 5 9 3 3 l 1 9 2 6 4 7 3 6 5 5 1 1 7 1 0 9 7 0 7 9 5 2 3 4 9 5 8 6 7 9 3 5 4 1 7 5 1 1 2 5 2 9 5 6 7 7 1 1 9 8 4 3 6 7 1 6 5 2 8 4 7 0 0 l 7 7 9 9 5 8 3 5 2 7 6 4 8 7 6 7 9 9 7 7 7 3 6 1 4 9 5 5 1 7 4 8 5 9 3 2 9 0 0 5 5 9 8 8 8 35 6 5 7 2 7 5 7 2 6 3 8 7 8 5 7 3 6 4 0 8 8 0 6 1 2 l 1 1 4 1 1 0 6 0 4 4 5 9 1 2 5 1 2 0 8 6 4 2 4 5 4 5 4 6 9 9 1 1 4 5 3 7 6 8 4 2 0 4 6 6 5 6 9 6 6 6 5 7 9 2 9 5 5 5 2 5 6 7 8 8 5 7 0 5 0 6 0 8 2 6 5 2 3 9 7 8 8 5 3 5 5 4 5 5 8 4 6 0 8 6 5 8 7 6 5 9 8 3 6 3 8 0 2 6 5 3 0 7 1 4 3 3 78 4 5 2 8 1 2 8 1 1 5 5 1 2 1 1 1 0 6 - 2 5 6 7 1 8 3 2 9 0 2 7 ，2 2 1 2 2 9 2 53 2 3 3 5 9 t 3 1 1 1 3 6 7 6 5 4 8 3 1 3 4 7 9 4 6 6 3 8 6 1 0 7 o 8 3 o 8 8 - 3 0 5 o 3 一o 8 9 1 3 4 3 28 4 2 8 4 l o 0 1 40 1 0 1 7 o 7 6 9 7 6 1 9 7 0 2 7 8 4 9 0 1 7 3 5 9 1 8 6 0 5 o 1 2 2 4 4 0 8 o 2 8 4 8 7 27 3 1 0 8 0 6 2 8 3 2 4 4 3 3 1 4 3 7 9 5 9 2 2 8 6 0 5 1 6 4 1 2 2 9 9 9 8 3 2 2 5 6 2 8 4 9 4 6 6 4 1 7 3 5 9 2 0 1 8 7 1 7 6 9 3 1 7 0 0 7 1 5 2 9 6 1 8 4 7 9 1 7 5 8 2 2 9 4 6 2 3 0 4 4 4 6 5 6 9 2 9 09 6 1 7 9 2 5 2 7 4 5 7 2 6 1 9 2 1 7 7 3 2 2 5 7 1 8 5 5 9 2 1 6 8 4 2 1 7 6 2 8 1 6 7 7 2 5 5 9 2 5 4 3 2 3 0 9 8 2 0 9 6 2 1 7 1 0 8 2 1 8 5 6 2 l o 0 9 5 6 9 1 1 7 1 9 3 2 0 8 9 6 2 3 3 4 6 5 7 0 9 2 2 8 1 3 1 6 9 5 5 2 2 9 7 6 6 5 7 6 2 15 9 6 2 3 8 8 7 2 0 5 1 1 7 2 4 5 1 9 7 0 7 2 4 4 9 9 2 0 1 6 l 1 7 7 2 3 1 9 6 5 3 3 2 3 3 1 9 5 3 0 0 1 6 9 3 0 3 3 0 9 2 6 5 5 4 1 7 3 2 0 0 1 8 3 1 7 5 1 4 3 1 9 1 1 7 8 2 8 7 2 9 8 5 9 2 8 4 1 7 6 2 7 1 2 5 6 1 7 6 2 4 7 6 3 1 6 5 1 7 5 1 6 1 5 9 6 2 2 2 9 2 0 7 1 6 4 2 1 6 2 0 8 6 1 1 6 4 2 1 2 2 3 0 6 3 2 2 9 1 7 4 2 3 1 6 9 2 1 2 2 4 6 2 0 5 1 7 2 1 9 8 2 3 9 2 0 0 1 7 5 1 9 7 7 5 7 - 1 6 6 3 0 9 2 - 1 3 9 5 4 8 8 3 0 2 1 3 5 6 1 9 9 4 1 2 4 o 5 9 1 8 7 ，6 0 7 _ 4 9 3 9 9 6 6 2 1 2 1 8 7 6 2 6 4 4 6 6 9 6 9 6 3 2 5 35 7 5 9 2 1 3 2 1 01 8 7 0 8 3 4 2 1 2 8 6 7 2 3 0 8 7 7 1 _ 9 8 2 6 2 7 0 8 2 5 6 2 0 9 4 0 9 79 3 _ 3 0 4 3 4 6 5 ，9 1 08 7 4 4 5 1 2 4 3 2 4 3 9 6 7 1 3 0 1 0 4 5 。o 9 3 5 9 9 16 1 2 2 3 o 5 第二章长江河口三维盐水入侵数值模式的建立 2 2 4 上游边界 上游边界以通量的形式给出径流量，一般可取当时的大通流量，盐度取为0 。 2 3 小结 本节基于e c 0 m s i 建立了一个高分辨率的长江口、杭州湾及邻近海区三维 数值模式。将计算区域的上边界顺延到江阴以上1 5 0 k m 以消除单向的径流边界 对河口地区双向流的影响。引入干湿网格判别法实现移动潮滩边界。采用欧拉一 拉格朗日方法计算盐度方程中的平流项以减小数值振荡和数值耗散。利用大模式 模拟整个渤、黄、东海的潮汐，并以此为长江口、杭州湾及邻近海区的模式提供 开边界潮位条件。本文接下来的工作都将基于这一三维数值模式。 华东师范大学博士学位论文 第三章三维数值模式的验证 本章将对上一章建立的三维数值模式进行验证。数值模式的投入使用一般要 经过率定和验证两个步骤，e c o m s i 因水平和垂向湍流混合系数由闭合模型计 算，很少由需率定的参数。加上本人所在的工作组之前已利用e c o m s i 进行了 大量研究工作，因此本章仅利用数值模式进行验证。 本节采用三次观测资料进行验证，分别是：2 0 0 2 年9 月的潮位、流速和流向； 2 0 0 4 年1 月的流速、流向和盐度：1 9 9 9 年1 至2 月的盐度。接下来分3 个小节 对各次观测进行验证。 3 12 0 0 2 年9 月水位、流速和流向资料验证 2 0 0 2 年9 月在长江河口进行了一次大规模的水文观测，图3 1 为此次观测测 站图，实心圆点为潮位站，测量内容为水位；三角形为船测站，测量内容为流速 和流向。本次测量覆盖面较广，基本包括了长江河口的各个区域。 模式的径流边界采用大通实测流量驱动( 图3 2 ) 。在这一期间大通流量下降 显著。9 月1 0 日时为4 9 2 0 0 m 3 s ，到月底时降为3 0 3 0 0 m 3 s 。数值模式从9 月1 2 日开始运行。 图3 3 为徐六泾，青龙港，崇头，杨林，南门，堡镇，石洞口，六激，马家 港，高桥，横沙，中浚，芦潮港，吴仓港以及连兴港共1 5 个站的实测潮位与模 式计算值。长江河口是一个潮汐作用为中等强度的河口，从潮汐性质上看口外属 于正规半日潮，口内则属于正规半f 潮的一种变态非正规半日浅海潮，潮差 存在日不等和半月大、小潮变化。从总体上看，模式计算水位和实测资料符合良 好，大、中潮期间计算效果较小潮期间更佳。这是由于大潮期问主要分潮m 2 和 s 2 相位相近，高、低潮位为两者的峰、谷值相加；小潮期间m 2 和s z 相位相差大 约6 小时，高、低潮位为两者的峰、谷值相减。根据数值计算的基本原理，两个 大数相减往往带来较大的误差，而相加则误差较小，因此在数值模拟中，小潮期 间水位的模拟精度往往较低。但从本文数值模式的计算效果看，小潮期间水位计 算的精度还是较高的。 图3 4 3 为各船测站大潮期间的流速、流向的验证。 第三章三维数值模式的验证 测站z 2 位于新桥水道中段，靠近南门港。新桥水道是一条涨潮槽，由于其 时径流量较大，约为3 7 0 0 0 m 3 s ，因此涨潮优势不是特别明显。表层涨急流速为 1 9 州s 左右，底层降为1 5 1 1 1 s 。落潮期间观测资料不全，按数摸计算结果落急流 速表、底层分别为1 5 刊s 和l 州s 。涨潮历时要小于落潮。模式计算结果和实测 资料较为接近。 测站z 7 北支口门处，北支由于地形演变，目前已退化为一条涨潮槽，因此 z 7 站的涨潮流速大于落潮流速，而涨、落潮历时相近。表层涨急流速为2 1 1 1 1 s ， 落急流速为1 8 i t l s 。实测底层涨急流速也很大，几乎和表层相同，而落急流速下 降明显。但是落潮历时长于涨潮历时，长约2 小时。模式计算结果和实测资料略 有偏差，主要在于表层落潮流速偏小，涨急出现的时刻也有所差别。这可能和模 式采用的地形资料有关。 测站z 8 的位置与z 7 相近，因此潮流性质相仿，涨潮流速大于落潮流速， 涨、落潮历时相近。相比于z 7 ，本站涨潮优势更加明显。表层涨急流速为2 1 i i l ，s 左右，落急流速为按日不等分别为1 3 州s 和1 7 叫s 。底层涨、落潮流速均有显 著的下降。模式计算值和实测资料比较接近。 测站z 1 0 位于陈行水库附近的南支主槽中，此站涨、落潮流速峰值相近，但 是落潮历时大于涨潮历时，约长3 个小时，具有明显的落潮槽性质。表层的涨、 落急流速均在1 州s 左右，底层则均降为o 8 州s 左右。模式计算值和实测资料比 较接近。 测站z 1 1 位于南支主槽，其位置在z 1 0 的下游外侧，更加靠近深泓，因此 落潮槽的性质更加显著。此站较z 1 0 落潮流速更大，表层落急可达2 1 州s ，而涨 急流速只有1 2 州s ，底层分别降为1 5 r r 】s 和0 ，9 州s 。落潮历时较涨潮历时长约3 小时。模式计算值和实测资料比较接近，但底层流速有时偏小，从实测资料看有 时测站的底层流速突然会变得较大，具体原因不明，模式对这一特征未能反应。 测站z 1 2 位于新桥水道下端，由于径流量较大的缘故，其时落潮流占优。表 层落急流速可达2 1 1 1 s ，涨急流速为1 4 1 1 1 s ，底层分别降为1 5 州s 和0 8 州s 。落潮 历时较涨潮历时长于2 小时。模式计算结果和实测资料比较接近，但底层流速有 时也会偏小。 测站z 1 3 位于新桥通道，新桥通道是南支径流下泻进入北港的主要通道。从 华东师范大学博士学位论文 实测资料上看，涨潮流速大于落潮流速，表层涨急流速为1 5 州s ，落急流速只有 1 耐s ，底层都降为o 8 州s 左右。但落潮历时明显长于涨潮历时，约长3 7 个小时， 因此此处仍是落潮流占优势。模式计算结果和实测资料接近，但是落潮流速略大， 涨潮流速略小。 测站b a i 2 位于白茆沙北水道。此站涨、落潮流速都比较小，表层涨急流速 为1 2 耐s 左右，落急流速略大，底层都降为0 8 州s 左右。但是落潮历时显著大 于涨潮历时，长约4 小时左右。 测站b a i 4 位于白茆沙南水道。同白茆沙北水道一样，南水道也是落潮占优 势的槽子，落潮流速和涨潮流速相差不大，但是落潮历时显著大于涨潮历时，达 4 小时。模式计算结果和实测资料比较接近，但涨潮历时稍短。 测站b e i 3 位于北港中段，具有落潮流显著占优的性质。表层涨急流速为 1 5 l s ，落急流速为2 2 1 1 1 s ，底层分别降为1 耐s 和o 8 l s 。落潮历时也要显著长 于涨潮历时，长约4 小时。数值模拟的结果和实测资料比较接近，但也存在涨潮 历时稍长、落潮历时稍短的问题。 测站x u l 该站位于徐六泾处，此站涨潮流速与落潮流速相差不大，表层涨急 都为1 5 州s 左右，底层为o ，7 左右，但是落潮历时要显著大于涨潮历时，长约4 小时。数值模拟的结果和实测资料符合良好。 测站n a l l 2 位于南港的落潮槽中，具有落潮流占优的性质。表层涨急流速为 1 5 州s ，落急流速为2 吲s ，底层分别降为0 。8 州s 和o 5 州s 。落潮历时较涨潮历时 长约3 小时。模式的计算结果和实测资料接近，但是涨潮流速略大、落潮流速略 小。 以上各站基本上覆盖了整个长江口各个区域，总体而言，表层流速大于底层 流速，越往上游的测站涨、落潮流速就越小。多数测站的涨潮流速小于落潮流速， 或者相差不大，只有在北支口以及新桥水道中涨潮流速大于落潮流速。从涨落潮 历时看，落潮历时都要大于涨潮历时，由于测量期间径流量较大，两者相差往往 有3 到4 个小时。从总体上说，数值模式计算的结果和实测资料符合良好。 第三章三维数值模式的验证 窭 一 妊 呈 。 已 3 0 03 2 03 d 03 6 03 8 04 0 042 0 d is t a n c e ( k m ) 图3 12 0 0 2 年9 月长江口水文测量站点位置，实心圆点为潮位站。三角形为船测站 毛j 。品。未。：。熹品。j 。j ：月! 图3 ，22 0 0 2 年9 月1 0 日至3 0 日大通实测径流量 3 3 o 口 华东师范大学博士学位论文 5 急。晶2 图3 3 徐六泾，青龙港，崇头，杨林，南门，堡镇，石洞口，六激，马家港，高桥，横沙， 中浚，芦潮港，吴仓港以及连兴港共1 5 个站的实测潮位( 点) 与模式计算值( 实线) 的比 较 3 4 - 第三章三维数值模式的验证 瑟蜒蛀鲢 藤。；几；n ，f 蕃产叶 t20 一卜 ；：强盒怎望碰 j 。几； 昨 八，撇。坩 门v 八。f 汴：，诊 一n广 、八厂n n 广1 一f 鲁：z 慕黛 n 广弋 - 5 ” ”2 。潞 5 “ 5 “5 ” 5 ”。器 ”4”o 图3 4 流速验证，左上、右上、左下和右下四组分别代表站z 2 、z 7 、z 8 和z l o 。各组中点 为观测值，实线为计算值，从上之下分别为表层流速、表层流向、底层流速和底层流向 躲m m。”m m o 一奇g；一一s；e石一苫。营8一睾一j。口五 华东师范大学博士学位论文 h 飞，n 气，州 盯l 几一| 弋 f 畸 丁叫 | n pr 1 几一r 辩粥盏 ，n 一n u r 、叭严、气f 弋 门一，门。二一 i i u j b 皿1 i 口= v _ 1 ) ，斗1 圹_ 图3 5 流速验证，左上、右上、左下和右下四组分别代表站z 1 1 、z 1 2 、z 1 3 和b a i 2 。各组 中点为观测值，实线为计算值，从匕三下分别为表层流速、表层流向、底层流速和底层流向 。弘昏；翟m。mmo昙耋o黜m。 一1uga王三营墨掌一专。口o 害#一言点：e。善占一宴鲁星掌一k g = 石 第三章三维数值模式的验证 h 广广、r 旷v w 厂弋 u 飞飞一 、飞1 、彳f 1 r v l n 一 厂弋彳。f 、a 。广a n n n ? 一 、p ，、。、扩 一卜m 图3 6 流速验证，左上、右上、左下和右下四组分别代表站b a i 4 、b e i 3 、x u l 和n a n 2 。各组 中点为观测值，实线为计算值，从上之下分别为表层流速、表层流向、底层流速和底层流向 3 22 0 0 4 年1 月流速、流向和盐度资料验证 2 0 0 4 年1 月在长江口没冒沙区域( 浦东机场附近) 和南汇边滩附近，作了 一次现场观测，测点共有6 个( 图3 7 ) ，每个测点分大、中和小潮3 次，对应时 间分别为1 月8 9 日、1 2 1 3 日和1 6 1 7 日。本节利用上面建立的长江河口 三维数值模式，对2 0 0 4 年1