夏季黄河入海泥沙的数值模拟研究

计建强，汪一航，王新怡，王永刚，滕　涌



夏季黄河入海泥沙的数值模拟研究

计建强1，汪一航1，王新怡2，3，王永刚2，3，滕涌2，3

（1.宁波大学理学院，浙江 宁波315211； 2.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061； 3.青岛海洋科学与技术国家实验室 区域海洋动力学和数值模拟功能实验室，山东 青岛 266071）

摘要：掌握黄河入海泥沙输运、沉积的规律可以为渤海沿岸经济发展的规划及环境保护管理提供理论参考。本文基于FVCOM（Finite-Volume Community Ocean Model）建立了三维水动力、泥沙耦合数值模式，利用实测水位、海流和悬沙资料，对模式进行了检验，模拟结果与观测符合较好。利用该模式研究了2007年夏季丰水丰沙期黄河入海泥沙的输运过程，并对渤海悬沙空间分布特征进行数值模拟。模式较好地再现了夏季黄河口入海泥沙的空间分布特征及底部冲淤状况。结合黄河口附近的潮流和余流特征，对悬沙分布特征和底部冲淤结果进行了分析，结果表明： 黄河入海泥沙随余流向南和东南方向输运到莱州湾，在莱州湾中部向外海扩散，很可能沿东北方向进入渤海中部。在这个输运过程中，莱州湾表现为入海泥沙向外海扩散的通道。

关键词：FVCOM； 黄河入海泥沙； 悬移输运； 数值模拟

［Foundation： Pulic Science and Technology Research Funds Projects of Ocean，NO.201205001］

黄河发源于青藏高原，干流全长为 5 464 km，流域面积为 7.52×105km2，是我国的第二长河。近50a来，由于黄河流域降水量减少等自然原因和水库修建等一些人为因素，黄河入海水沙急剧减少。据《黄河泥沙公报》截止到2009年，黄河利津站多年平均入海径流量仅为313.3亿立方米，利津站输沙量7.78亿吨［1］。黄河通过河水注入到海洋的泥沙不仅是中国东部陆架海陆源沉积物的主要来源，而且对黄河三角洲的发育和演化，甚至整个西北太平洋的物质交换和沉积都起到重要的作用。因此，黄河入海泥沙的运移路径和扩散范围及其对邻近渤海、黄河沉积的影响一直备受国内外许多学者的关注。

前人对黄河入海泥沙在渤海中的沉积悬移输运已作了大量的研究。早期对渤海泥沙的研究绝大多数都是基于海洋的调查资料进行定性的分析［2-3］。江文胜［4］最初利用一个三维的悬浮颗粒物（suspended particulate materials，SPM）输运模型对黄河输出的悬沙分布进行了数值模拟分析，给出了渤海表层悬沙浓度的时空分布特征，随后就不同问题对黄河入海泥沙的悬移输运进行了数值研究［5-6］。这些数值模拟工作在一定程度上给出了渤海表层悬沙浓度的时空分布特征，但并未说明黄河入海泥沙在渤海中的输运过程。王开荣等［7］利用统计方法，基于实测资料，对黄河河口泥沙的输移和分布规律进行了系统的探讨总结。王海龙等［8］运用 ECOMSED模拟了黄河口入海泥沙，分析了渤海悬沙移运的季节性变化。王厚杰等［9］研究了黄河口潮流切变峰对泥沙输运的作用。一些学者也慢慢开始探讨波浪作用下悬沙的运动特征。韩丹岫等［10］试验研究了波浪作用下细颗粒泥沙的悬移特性。腾涌等［11］研究了波浪在对渤海悬沙的悬浮输运中所起的关键作用。近几年， 对黄河入海泥沙的输运研究越来越细致。边昌伟［12］运用ROMS数值模式对中国近海泥沙在东中国海的输运和沉积过程进行了研究，认为黄河泥沙可以常年输运到南黄海。庞重光等［13-14］分析了渤海表层悬沙分布的时空分布，并进一步讨论了其动力成因。综上，利用数值模拟方法研究黄河河口潮流和入海泥沙输运过程也已取得了很大进展，但伴随着黄河入海径流量及输沙量的变化以及黄河河口地形的不断变迁，致使该区域的水动力及泥沙冲淤问题复杂多变，因此利用数值模式针对性开展具体时段的黄河入海泥沙的数值模拟研究尚需进一步加强。

本文在李秉天等［15］构建的渤海海域潮波模式基础上，通过考虑较完备的水动力和沉积动力过程（海浪、潮汐、潮流、表面风强迫、径流、泥沙再悬浮等），数值研究了2007年夏季黄河丰水丰沙期入海泥沙的输运和沉积规律以及渤海悬沙浓度的空间分布特征。

1　模型介绍及其配置

1.1模型介绍

非结构网格有限体积法海洋数值模型（Finite-Volume Community Ocean Model，FVCOM）是美国麻州大学海洋科学技术学院陈长胜所领导的研究小组开发，水平方向采用非结构三角形网格，垂直方向采用σ坐标系来体现不规则的底部边界，能够较好地拟合了渤海曲折的海岸线和复杂的地形。同时，采用基于干湿判别方法来处理潮滩移动边界［16］。

FVCOM中的泥沙模型 FVCOM-SED是基于CSTM（Community Sediment Transport Mode）的泥沙模型，具有许多先进的特性，如考虑波浪，活动表层，考虑底部沙纹对粗糙度等的影响。模式可以将泥沙按径粒大小分组，按有无黏性分类，根据海床底质的不同，可以将海床沿垂向进行分层。FVCOM-SED不但可以考虑悬移质泥沙运动，而且也可以兼顾推移质泥沙运动。

FVCOM 模型中悬移质泥沙计算采用浓度扩散方程如下：

其中，Ci为第i类泥沙的悬浮泥沙浓度，AH为水平涡黏性系数，KH为垂向涡黏性系数，wi为第i类泥沙的沉降速率，x、y、z分别为坐标轴东向，北向和垂向的分量，u、v、w分别为x、y、z方向上的速度矢量。模式开边界条件：其中，E和D分别为沉积物的再悬浮和沉积通量。

FVCOM 的泥沙模块根据海床底质的不同，可以将海床沿垂向分层。底部泥沙层在每个时间步长内随着泥沙的侵蚀和沉降进行变化，在每个时间步长计算开始时刻，会先计算泥沙顶层的活跃层厚度z，如果底部泥沙表层的厚度小于z，则从下面一层进行补充，然后对底部泥沙进行重新分层。如果表层泥沙的沉降厚度大于指定厚度，则重新更新泥沙表层，即将原来的表层变为第二层，沉积增加的厚度指定为第一层。

本模式中海浪通过FVCOM-SED的DWAVE_ OFFLINE选项参与流和泥沙计算。采用的海浪数据源自腾涌等［11］的模拟结果。其利用SWAN（Simulating Waves Nearshore）模式对渤海区域 2007年海浪进行了数值模拟，模拟结果与实测值符合较好。

1.2水深数据来源

在数值模拟中，水深是至关重要的基础资料。为了较真实的反映渤海近海地形，本文应用李秉天等［15］融合得到的2002年渤海水深资料，该水深资料是利用海军司令部航海保证部出版的渤海及黄海北部海图和莱州湾海图，通过对海图进行数字化处理和基准面订正，并结合渤海其它海域水深、岸线资料，最终融合得到的研究区域的水深资料及岸线资料（图1）。

图1　渤海水深（单位： m）示意图及观察站分布Fig.1　The depth（units： m）in meters of the Bohai Sea and observation stations

1.3模型配置

本文计算海区为 117.5°～122.5°E，37°～41°N（图1），模型采用无结构的三角形网格系统，在垂直方向采用σ坐标，垂向分 6层。计算区域共包含 58 977个三角单元，30 155个网格节点，开边界为 122.5°E经线，开边界节点数为38个。FVCOM模型采用内外模分离的方式求解，二维外模数值格式是基于三角形网格的有限体积法，将连续方程和动量方程在三角形单元内积分后，通过改进的四阶龙格库塔方式求解。三维内模的动量方程采用简单的显式和隐式相结合的差分格式求解。为了研究黄河入海泥沙，对黄河口及莱州湾进行了加密，水平分辨率小于500 m，较好的拟合了岸线。水动力模块中参数设置： 开边界（122.5°E）处水位（主要考虑M2、S2、K1、O1四个主要分潮）由T_tide［17］预报程序给出，模式时间步长为1 s，底摩擦系数设置为 0.001 3。本文采用正压模式，假设海洋是静止的，水位初始值设为0，所有三角单元中心点的水平和垂向流速为0，整个海域内温度和盐度均取常数。风场数据采用NCEP2资料（http： //www.cdc.noaa.gov/cdc/data.ncep.reanaly-sis2.html）。

泥沙模块中的参数设定： 据《中国河流泥沙公报》，黄河入海泥沙粒径设为0.02 mm，2007年8、9月黄河径流量及泥沙浓度分别为： 1 350 m3/s，12.65 kg/m3，1 264 m3/s，10.34 kg/m3，临界启动应力为0.15 N/m2。各泥沙参数如表1所示。

表1　模型参量设置Tab.1　The parameter settings of the model

泥沙耦合模式初始水位、流场、海浪场和泥沙含量场都设位0，计算初始时间为2007年8月1日0时，结束时间为2007年9月31日24时，内模时间步长设为1s。

2　模型检验

2.1水动力检验

前人针对渤海潮波系统已经开展了很多数值模拟工作，基于 FVCOM模式的潮波模拟结果也较为理想。尼建军等［18］基于FVCOM模拟了渤海的潮波，并验证了 M2、S2、K1、O1四个分潮。李秉天等［15］已给出了潮汐调和常数的验证结果，模拟结果较为准确。本文进一步收集了渤海海域 3个潮位站的实测水位资料和6个连续站的实测海流资料（站位见图1），将模拟结果与实测数据进行比较，对模拟的水位和潮流进行了验证。潮流验证均采用表层流速，其它层的对比结果基本一致。

由图2可见，模拟的水位与实测水位吻合程度良好，数值模拟结果能较好地重现渤海真实的潮位变化情况。将模式模拟的海流东分量和北分量与6个观测站的实测数据进行对比（如图 3），模拟海流与实测海流具有较好的一致性，较为准确地模拟出了涨急和落急的流速及对应的时刻。总的来说模拟得到的水动力场作为研究泥沙运动的动力驱动场是可靠的。

2.2泥沙模型验证

因渤海悬沙浓度场具有季节稳定性［19］，本文利用2007年夏季的模拟结果来分析夏季黄河口附近的泥沙输移规律。对表层悬沙含量而言，模型基本上反映了夏季黄河口附近表层泥沙的空间分布状况（图4）。本模式模拟的黄河口附近悬沙浓度的空间分布状况与王海龙等［8］的大致相同。

利用收集的2007年9月1日32个观测点（如图4所示）的实测悬沙数据，对本模式模拟的结果作进一步的验证。通过对比表层泥沙浓度的实测值与模拟值（图5和表2）发现，模拟值要比实测值要小一些，但两者的量级一致，差值也在可接受范围。可见，模拟悬沙浓度与实测浓度基本吻合，表明建立的泥沙模型是合理的，能够较好的模拟渤海区域的泥沙运动，用来研究夏季黄河入海泥沙的沉积和输运过程是可信的。

3　夏季黄河泥沙输运过程

3.1夏季渤海悬沙分布特点

总体来看（图 6），在浪流的共同作用下，夏季渤海悬沙浓度分布的总体趋势是由岸向海逐步降低，近海海域的泥沙浓度高于海区中央，而近海海域的泥沙浓度也随区域的不同有很大的差别，辽东湾悬沙含量较高，最大能达到 200 mg/L，而秦皇岛海域附近悬沙浓度非常低，大都在1 mg/L左右。黄河入

海口附近存在一个高浓度区。黄河现行流路清 8口外的悬沙浓度最高，这是黄河入海泥沙直接输入的结果。夏季，黄河处于丰水丰沙期，径流量及输沙量最大，携带大量泥沙入海，并向莱州湾西部扩散。由于本模式在陆源入海泥沙方面只考虑了黄河的作用，因此其他海域的悬沙来源主要是波浪和潮流共同作用造成的底部沉积物再悬浮的结果。其他海域的悬沙分布基本与底部切应力相吻合（图 7），底部切应力较大海域的悬沙含量也比较高，如辽东湾东岸以及

渤海湾，而底部切应力小的海域悬沙含量普遍偏低，如秦皇岛附近海域及渤海中部海盆。夏季在没有大风过程影响的情况下渤海底部切应力相对较小，泥沙的再悬浮作用较弱，因此除黄河口和辽东湾东部海域外其他海域的悬沙浓度一般在10 mg/L以下。

图2　模拟水位与实测水位对比Fig.2　Comparison of elevation between simulation and observation

表2　悬沙浓度对比Tab.2　Comparison of suspended sediment concentration between simulation and observation

续表

图3　实测潮流与模拟潮流对比Fig.3　Comparison of velocity between simulation and observation

3.2黄河入海泥沙的扩散与运移

图4　2007年夏季黄河口附近悬沙浓度（a，单位： mg/L）模拟结果及观测站位分布（b）Fig.4　Simulation of suspended sediment in the summer of 2007 near the estuary（a，units： mg/L）and observation stations（b）

图5　悬沙实测与模拟散点图Fig.5　Scatterplot of simulation and observation

图6　夏季模拟表层悬沙浓度Fig.6　The simulation of surface suspended sediment

图7　底部切应力Fig.7　The bottom of shear stress concentration

早期研究表明，在黄河口附近，泥沙主要向东及东北方向运移，最终进入渤海中部［20］； 也有学者提出黄河泥沙入海后主要向东南方向淤积，其中细颗粒部分大部分最终转向北偏东方向扩散到外海［21］；还有学者认为黄河口外悬浮体，一部分向北进入渤海湾，另外一部分进入莱州湾并沿莱州湾东北沿岸进入渤海海峡［4］。近几年，随着对黄河入海泥沙研究的深入，一些学者对入海泥沙的输运过程有了新的看法，认为黄河泥沙在进入渤海海域以后总体是朝向辽东湾西侧海岸扩散，主要沉积区域是黄河口附近［22］。针对夏季黄河入海泥沙，有学者认为悬沙以黄河口为中心，北向渤海湾南岸，南向莱州湾西岸扩散输运，并迅速沉积［13］； 也有学者认为黄河泥沙沿山东半岛向东沉积，沉积中心在20～30 m等水深线，潮致混合引起的夏季逆时针环流是决定黄河物质沿山东半岛向东输运的关键［23］。

从本文计算的黄河口附近悬沙浓度空间来看（图4），黄河口存在高浓度悬浮泥沙区，浓度超过 1 000 mg/L，出了高浓度区后悬沙浓度迅速降低，普遍低于5 mg/L。从东西方向泥沙浓度变化来看，距离河口大约20 km处，泥沙浓度变化梯度很大，这主要是因为黄河口的悬沙运移主要受潮流和余流的控制（图8）。该区域的潮流为典型的往复流，主流向与岸线平行，涨落潮方向为东南向，落潮流方向为西北向，涨潮流历时大于落潮流历时。黄河入海泥沙被沿岸的往复流挟带，沿平行岸线方向南北往复运动，这是造成黄河口附近一直存在高浓度悬沙的主要原因，并限制了黄河入海泥沙向外海方向扩散和运移。模拟结果表明，夏季黄河入海泥沙并没有直接向东扩散到海湾中部。

图8　黄河口余流分布Fig.8　Residual current near the Yellow River estuary

1： 黄河口逆时针环流； 2： 黄河口顺时针环流

1： Counterclockwise residual circulation； 2： clockwise residual circulation

从南北方向浓度变化来看，泥沙浓度沿清水沟以南的莱州湾西岸往莱州湾内湾呈逐步降低的趋势，但不同于东西方向，水体中的悬浮泥沙浓度变化梯度明显小于东西方向。泥沙浓度南北方向上的递减趋势与莱州湾内的余流方向一致（图8）。而莱州湾其他海域悬沙浓度比较低，可见莱州湾的悬沙主要受黄河入海泥沙的影响，水动力引起的底部泥沙再悬浮作用很小，并且进入莱州湾的泥沙并没有持续向湾顶扩散。在余流的作用下，夏季来自黄河的泥沙沿莱州湾西岸向南输移，然后向湾口中部扩散，达到湾口中部区域后也未向湾顶运移。

图9是模拟的2007年夏季8月1日～10月1日的渤海底部冲淤结果。由图9可见，黄河三角洲的沉积率非常的大，夏季黄河入海泥沙很大一部分直接沉积在河口附近，只有很少一部分泥沙通过余流向外扩散。除黄河口及莱州湾的其他海域，悬沙浓度分布（图 6）与底部冲淤模拟结果（图 9）之间存在非常好的对应关系，悬沙浓度高的区域一般表现为侵蚀状态，而悬沙浓度低的区域一般表现为沉积。这是因为模式中这些海域的悬沙都来自于底部泥沙的再悬浮。莱州湾西岸与莱州湾东岸的冲淤明显不同，莱州湾西岸及附近海域为沉积区，但沉积不是很大，大致在1 cm以下； 莱州湾东岸及莱州湾中部为侵蚀。可见，夏季黄河口入海泥沙向南进入到莱州湾，最后只有很小的一部分在输运过程中沉积在莱州湾西岸的附近海域，大部分都没有沉积在此，莱州湾主要表现为黄河入海泥沙向外海输运的通道。夏季黄河入海泥沙随余流进入到莱州湾，最后在莱州湾中部向外海扩散，并可能沿东北方向进入渤海中部。

图9　2007年夏季渤海底部冲淤模拟结果Fig.9　Simulation results of eroded or deposited sediment in the Bohai Sea in the summer of 2007

总的来说，黄河入海悬浮体的分布和运移主要受潮流和余流的控制。受往复潮流的影响，在河口附近形成悬沙高浓度区。平行岸线的往复流还限制了泥沙向东的直接扩散。在余流作用下，黄河入海泥沙主要沿正南和东南方向进入莱州湾，并在莱州湾中部向外海扩散。

4　结语

本文成功应用 FVCOM（3.16）建立了三维水动力、泥沙耦合数值模式，并利用实测数据对模式进行了验证，模拟了2007年夏季黄河入海泥沙的输运过程。通过对渤海泥沙的模拟计算，很好的展现了夏季悬沙的空间分布特征和底部冲淤结果。通过对悬沙分布特征和底部冲淤结果的分析，并结合黄河口附近的潮流和余流，从整体上得到了2007年夏季黄河入海泥沙的输运特征：

1）黄河泥沙的输运主要受余流的控制；

2）夏季丰水丰沙期，黄河挟带的沉积物进入海洋后，在潮流作用下，不能形成长距离的输运状态，绝大多数泥沙沉积在黄河口附近。悬沙受往复潮流的影响，在河口附近形成悬沙高浓度区；

3）黄河入海泥沙未沉积的部分随余流向南和东南方向输运到莱州湾，且并没有在此沉积，由莱州湾中部向外海扩散，很可能沿东北方向进入渤海中部。在这个输运过程中，莱州湾主要表现为黄河口入海泥沙向外海扩散的通道。

同时，本文还存在一定的不足，比如模式是正压的，无法考虑温盐对泥沙动力过程的影响。当前只模拟了夏季黄河口入海泥沙的冲淤状况，尚无法给出黄河口入海泥输移的全过程。在今后的研究工作中，将进一步完善模式，考虑斜压过程，开展季节甚至年际尺度的模拟，从整体上把握黄河入海泥沙的时空变化规律。

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A numerical study of the transport process of Yellow River sediment in summer

JI Jian-qiang1，WANG Yi-hang1，WANG Xin-yi2，3，WANG Yong-gang2，3，TENG Yong2，3
（1.Faculty of science，Ningbouniversity，Ningbo 315211，China； 2.The First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061，China； 3.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling，Qingdao National Laboratory for Marine Science，Qingdao 266071，China）

Received: Feb.24，2016

Key words:FVCOM； Yellow river sediment； suspended transport； numerical model

Abstract:We established a three-dimensional hydrodynamic and sediment coupled numerical model on the basis of FVCOM（3.1.6）.The model results were validated by sea level，sea currents，and suspended sediment data，showing satisfactory agreement.A numerical study was conducted on the sediment transport process in the summer of 2007.The model results suggested that the sands carried by the Yellow River were conveyed by residue currents.The sands were transported to the Laizhou Bay in the southerly and southeasterly directions and then to the middle of the Bohai Sea.

中图分类号：P731.2

文献标识码：A

文章编号：1000-3096（2016）03-0118-10

doi：10.11759/hykx20160224001

收稿日期：2016-02-24； 修回日期： 2016-03-18

基金项目：海洋公益性行业科研专项经费项目（201205001）

作者简介：计建强（1990-），男，硕士，主要从事潮汐潮流的数值模拟计算 ，泥 沙输运 的 模 拟研究 ，电话： 0532-88962702，E-mail：jijq0306@sina.com； 汪一航，通信作者，副教授，主要从事潮汐潮流的数值模拟计算，电话： 0574-87600744 ，E-mail： wangyihang@nbu.edu.cn