匡翠萍， 湯　俐， 陳　維， 顧　杰

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 上海 200092; 2. 浙江海洋大學(xué) 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院, 舟山 316000;3. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306)

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海平面上升對長江口波浪影響的預(yù)測與分析

匡翠萍1， 湯俐1， 陳維2， 顧杰3

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 上海 200092; 2. 浙江海洋大學(xué) 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院, 舟山 316000;3. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306)

基于MIKE 21 SW建立了長江口波浪數(shù)學(xué)模型，采用實(shí)測資料對波浪模型進(jìn)行了驗(yàn)證，分別模擬當(dāng)前海平面和海平面上升0.5，1.0，1.5 m情景下的不同風(fēng)向下的波浪分布，比較分析了波浪隨海平面上升的變化特征，長江口波浪隨海平面上升的一般特征為：波高和周期變化過程與潮位變化過程一致，波高增量高水位時(shí)大于低水位；口內(nèi)波高增量明顯小于口外，灘地增量最大，灘地迎風(fēng)向的波高增量比背風(fēng)向大；波周期變化特征與有效波高相似，但變幅明顯小于波高變幅.

長江口； 海平面上升； MIKE 21； 波高； 波周期

海平面上升是一個(gè)緩慢而持續(xù)的過程，其長期累積的結(jié)果將對沿岸地區(qū)構(gòu)成嚴(yán)重威脅.自20世紀(jì)90年代以來，眾多學(xué)者對海平面上升可能給長江口地區(qū)帶來的影響進(jìn)行了研究并做出預(yù)測，研究表明海平面上升不僅將對長江口地區(qū)自然環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)造成影響，還會帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失、對人口和居住地的威脅以及對基礎(chǔ)設(shè)施的破壞.全球變暖、海平面上升會引起一系列環(huán)境效應(yīng)和災(zāi)害，改變了地區(qū)潮汐、潮流[1-2]、徑流、波浪和泥沙運(yùn)動[3-4]，加劇了河口地區(qū)的風(fēng)暴潮、海岸侵蝕、濕地?fù)p失[5]、洪澇災(zāi)害和鹽水入侵[6]，對土地資源、海岸防護(hù)、水產(chǎn)資源和供水系統(tǒng)都產(chǎn)生了不利的影響[7-8].在眾多動力因素中，波浪是影響水工建筑物規(guī)劃與設(shè)計(jì)的主要因素之一，也是造成泥沙運(yùn)動和海岸侵蝕季節(jié)性變化的主要?jiǎng)恿χ籟9].

本文重點(diǎn)研究海平面上升對純波浪的影響，基于MIKE 21建立長江口的波浪數(shù)學(xué)模型，采用長江口實(shí)測波浪數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，再運(yùn)用驗(yàn)證好的模型，模擬不同海平面上升(0.5 ，1.0，1.5 m)后波高、波周期的變化，分析長江口海平面上升對該區(qū)域波浪的影響.

1　數(shù)學(xué)模型建立與驗(yàn)證

1.1控制方程

MIKE 21 SW(spectral wave model)是基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的新一代波浪譜模型，主要適用于模擬河口海岸地區(qū)大范圍的風(fēng)浪和涌浪的成長、衰減及變形，可以求解準(zhǔn)定常和非定常波浪作用平衡方程的全譜公式和方向解耦參數(shù)公式，并可與2D/3D水流模型完全耦合[10].

MIKE 21 SW基于波作用守恒方程，采用波作用譜密度N(σ,θ)來描述波浪.波作用密度與波能譜密度E(σ,θ)的關(guān)系為

(1)

式中：σ為相對頻率，θ為波向.

在笛卡爾坐標(biāo)系下，MIKE 21 SW的控制方程，即波作用守恒方程可以表示為

(2)

源函數(shù)S描述了各種物理現(xiàn)象的源函數(shù)的疊加，具體表達(dá)式為

(3)

式中：Sin為風(fēng)波相互作用項(xiàng)；Snl為非線性相互作用項(xiàng)；Sds為白帽耗散項(xiàng)；Sbot為底部摩擦項(xiàng)；Ssurf為破波項(xiàng).

1.2模型范圍

模型計(jì)算范圍西起長江口潮流界江陰，東邊界至東經(jīng)122.48°，北邊界至北緯32.08°，南邊界包括南匯嘴向東延伸，包括南北支、南北港和南北槽在內(nèi)的整個(gè)長江口水域.計(jì)算網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為10 948，單元數(shù)為20 466，空間步長60 ～ 4 428 m(圖1).

圖1　計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

1.3模型參數(shù)設(shè)置

由于長江口口門朝向?yàn)闁|南向，主要受到東向波浪的影響，選取NNE(北東北)、E(東)和SE(東南)三個(gè)風(fēng)向?qū)涌趨^(qū)域的影響進(jìn)行計(jì)算分析.由于不同風(fēng)向?qū)﹂L江口波浪的影響相似，本文主要以常風(fēng)向NNE向風(fēng)下海平面上升對波浪的影響進(jìn)行詳細(xì)分析.由長江口風(fēng)速資料統(tǒng)計(jì)資料結(jié)果，采用NNE向及此風(fēng)向下的平均風(fēng)速作為風(fēng)場條件，風(fēng)速取值7.8 m·s-1，風(fēng)向取值22.6°；計(jì)算區(qū)域的東邊界和北邊界為開邊界，邊界條件采用嵊山站(位于模型東邊界上)累年NNE向波要素，平均有效波高取值1.02 m，波峰周期取值6.3 s，平均波向取值22.6°，南邊界為側(cè)向邊界，上游邊界為江陰，采用徑流條件；考慮波浪破碎，破波系數(shù)設(shè)為0.8；底摩擦選用尼古拉茲粗糙系數(shù)計(jì)算，取值為0.000 27 ～ 0.001 45；考慮白浪耗散；不考慮波浪繞射.

1.4模型驗(yàn)證

采用長江口區(qū)域的實(shí)測波高和波周期資料[11]對模型進(jìn)行驗(yàn)證，其中，實(shí)測波高資料為顯著波高H1/10，通過不同特征波高的關(guān)系轉(zhuǎn)化為有效波高H1/3進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證點(diǎn)引水船和灘許位置見圖2，驗(yàn)證結(jié)果見表1.圖2中另有17個(gè)分析點(diǎn)，nz1～nz5、bz1～bz2、ng1～ng2、bg1～bg3、nc1～nc2和bc1～bc3分別位于南支、北支、南港、北港、南槽和北槽.

圖2　波浪驗(yàn)證測站及分析點(diǎn)位置分布

有效波高平均波周期實(shí)測值/m計(jì)算值/m相對誤差/%實(shí)測值/s計(jì)算值/s相對誤差/%灘許0.550.6110.93.02.93.3引水船0.790.763.82.83.110.7

2　海平面上升對長江口波浪影響的模擬與分析

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)[12]于2013年發(fā)布的第五次報(bào)告中預(yù)測本世紀(jì)末海平面可能升高26 ～ 82 cm；中國海平面公報(bào)[13]預(yù)測2050年的海平面將較常年(1975 ～ 1993年的平均海平面)升高14.5 ～ 20.0 cm；鄭文振[14]預(yù)測相較于2000年，2100年長江三角洲海平面可能上升113.7 ～ 165.6 cm；施雅風(fēng)等[6]預(yù)測相較于1990年的海平面，2050年長江三角洲可能的上升幅度為25 ～ 51 cm；劉杜娟和葉銀燦[15]預(yù)測相較于1990年的海平面，2050年最可能的上升幅度為37 ～ 61 cm.綜合考慮各家對海平面上升預(yù)測的結(jié)果，選取0.5，1.0，1.5 m三種典型情景作為2100年海平面可能的上升值進(jìn)行模擬和分析.

基于已驗(yàn)證的長江口波浪模型，計(jì)算長江口區(qū)域在各海平面高度下的波浪.計(jì)算考慮潮汐的影響，利用MIKE 21 Flow模型，將外海開邊界處的平均潮位分別增加0.5，1.0，1.5 m，計(jì)算得到不同海平面上升下長江口區(qū)域的潮位變化.其余參數(shù)的設(shè)置及邊界條件與驗(yàn)證時(shí)相同.

在長江口區(qū)域內(nèi)共選擇17個(gè)分析點(diǎn)(見圖2)，對它們的有效波高和平均波周期進(jìn)行觀察和對比分析.

2.1海平面上升對長江口波高影響的分析

在海平面上升的影響下，有效波高體現(xiàn)出與潮位過程一致的周期性變化.以點(diǎn)bc3為例，圖3a和3b分別為其在不同海平面下潮位和有效波高的變化過程圖.對應(yīng)于長江口半日潮的特性，有效波高在一日內(nèi)出現(xiàn)兩漲兩落，形成兩組極大、極小值，極大值出現(xiàn)在9:00 ～ 10:00和21:00 ～ 22:00時(shí)間段，此時(shí)水深最大，底部摩擦消耗和淺水變形小，從而波高大；反之，極小值出現(xiàn)在4:00 ～ 6:00和16:00 ～ 18:00時(shí)間段，此時(shí)水深最小，底部摩擦消耗和淺水變形大，從而波高小.

總體上有效波高隨海平面上升而增大，而且當(dāng)海平面上升相同時(shí)，高水位時(shí)的波高增量高于低水位時(shí)的波高增量，如圖3b.徐六涇附近水域點(diǎn)nz1表現(xiàn)出了不同的趨勢，從圖3d可以看出，隨著海平面的上升，該點(diǎn)的有效波高反而略有減小(小于2 %).長江口海域沙灘眾多，水動力環(huán)境較為復(fù)雜，使得長江口外的波浪在向口內(nèi)傳播過程中，波要素的變化相當(dāng)復(fù)雜.文獻(xiàn)[16]以長江三角洲海岸為例，對潮灘上波高的時(shí)空變化及其影響因素進(jìn)行研究，其觀測表明：波高和水深之間的顯著正相關(guān)關(guān)系并不是潮灘上的普遍現(xiàn)象，只有在潮灘坡度較小(例如<1‰)，風(fēng)速、風(fēng)向較為穩(wěn)定時(shí)，波高和水深之間的顯著正相關(guān)關(guān)系才存在.隨著海平面上升，潮位抬升而波高減小的區(qū)域位于徐六涇附近的通洲沙處，該段灘槽交錯(cuò)且岸線發(fā)生轉(zhuǎn)折，因此波高隨海平面上升而減小是受到岸線走向和岸灘坡度的綜合影響.

a 點(diǎn)bc3潮位過程

b 點(diǎn)bc3有效波高過程

c 點(diǎn)nz1潮位過程

d 點(diǎn)nz1有效波高過程

表2為分析點(diǎn)在不同海平面上升下有效波高的日均值及其變化幅度.隨著海平面上升，除nz1以外的分析點(diǎn)的有效波高表現(xiàn)出升高的趨勢，增幅與海平面上升高度呈正相關(guān)關(guān)系；海平面上升0.5，1.0，1.5 m，NNE向有效波高增幅分別在1.0 % ～ 72.9 %、2.4 % ～ 128.8 %和4.7 % ～ 186.0 %之間；相應(yīng)地，E向有效波高增幅分別在0.5 % ～ 94.9 %、1.0 % ～ 206.0 %和1.2 % ～ 303.0 %之間；SE向有效波高增幅分別在1.8 % ～ 21.8 %、3.9 % ～ 38.1 %和5.8 % ～ 52.2 %之間.

表2　海平面上升對有效波高的影響

圖4為當(dāng)前海平面下漲急時(shí)刻(10:00)長江口有效波高分布.圖中，橫軸刻度最大值為122.60(以下圖5—6，圖8—9同)在口門各淺灘的摩阻作用和口門內(nèi)岸線的約束作用下，長江口內(nèi)的有效波高明顯小于口外.長江口各分汊中北港內(nèi)傳入的有效波高最小，在NNE向風(fēng)的作用下，岸灘迎風(fēng)面的有效波高要大于背風(fēng)面.圖5a ～ 5c分別為漲急時(shí)刻(10:00)海平面上升0.5，1.0，1.5 m時(shí)有效波高變化分布圖.除徐六涇附近小部分區(qū)域的有效波高隨海平面上升而減小外，大部分地區(qū)隨著海平面上升有效波高增量逐漸增大，口內(nèi)的增量小于口外.灘地隨著海平面上升被逐漸淹沒，這些地區(qū)的有效波高增量也最大，而且灘地迎風(fēng)向波高增量高于背風(fēng)向.圖6a ～ 6c比較了NNE、E和SE三種風(fēng)向下海平面上升1.5m時(shí)有效波高變化的分布，顯示了E向和SE向風(fēng)對波浪的影響規(guī)律與NNE向一致；即有效波高增量口內(nèi)小于口外，灘地迎風(fēng)向大于背風(fēng)向.

圖4　漲急時(shí)刻當(dāng)前海平面下有效波高的分布

2.2海平面上升對長江口波周期影響的分析

海平面上升后平均波周期過程體現(xiàn)出與潮位過程一致的周期性變化，平均波周期隨海平面上升而增大，如圖7點(diǎn)bc3的平均波周期變化過程所示.

隨著海平面的上升，除南支和北港小部分區(qū)域的平均波周期變化幅度很小或略有減小(小于2 %)外，北支、南港、南槽和北槽的平均波周期表現(xiàn)出升高的趨勢，增幅與海平面上升高度呈正相關(guān)關(guān)系；海平面上升0.5，1.0，1.5 m，NNE向平均波周期增幅分別在0.4 % ～ 20.0 %、0.6 % ～ 40.2 %和0.8 % ～ 53.2 %之間；相應(yīng)地，E向平均波周期增幅分別在1.3 % ～ 16.3 %、2.9 % ～ 31.1 %和4.8 % ～ 44.5 %之間；SE向平均波周期增幅分別在1.0 % ～ 11.3 %、2.0 % ～ 23.4 %和2.7 % ～ 34.1 %之間.波周期隨海平面上升的變幅遠(yuǎn)小于波高的變幅.

a 海平面上升0.5 m

c 海平面上升1.5 m

a NNE向風(fēng)

b E向風(fēng)

c SE向風(fēng)

圖7　不同海平面上升下平均波周期的變化過程

圖8為當(dāng)前海平面下漲急時(shí)刻(10:00)長江口平均波周期分布.長江口內(nèi)的平均波周期遠(yuǎn)小于口外，在NNE向風(fēng)的作用下，岸灘迎風(fēng)面的平均波周期大于背風(fēng)面.圖9a ～ 9c分別為漲急時(shí)刻(10:00)海平面上升0.5，1.0，1.5 m時(shí)平均波周期變化分布圖.隨著海平面上升，平均波周期增量逐漸增大，口內(nèi)的增量小于口外.各灘地隨著海平面上升被逐漸淹沒，這些地區(qū)的平均波周期增量最大.

圖8　漲急時(shí)刻當(dāng)前海平面高度下平均波周期的分布

a 海平面上升0.5 m

b 海平面上升1.0 m

c 海平面上升1.5 m

3　結(jié)論

本文基于MIKE 21 SW建立了長江口波浪數(shù)學(xué)模型，分別模擬在NNE、E和SE三種風(fēng)向作用下，當(dāng)前海平面和海平面上升0.5，1.0，1.5 m情景下的波浪場，比較得到長江口不同方向波浪隨海平面上升而變化的一般特征如下：

(1)不同方向的海向來風(fēng)對波浪的影響規(guī)律一致.波高體現(xiàn)出與潮位過程一致的周期性變化，波高在1 d內(nèi)兩漲兩落，極大值和極小值分別出現(xiàn)在高水位和低水位.

(2)長江口大部分地區(qū)有效波高隨海平面上升而增大，且當(dāng)海平面上升相同時(shí)，高水位時(shí)的波高增量大于低水位時(shí)的波高增量.

(3)長江口內(nèi)的波高增量明顯小于口外，灘地隨著海平面上升被逐漸淹沒，波高增量最大；灘地迎風(fēng)向波高增量比背風(fēng)向大.

(4)海平面上升對平均波周期的影響的分布規(guī)律總體上與對有效波高的影響相似，但變幅遠(yuǎn)小于波高變幅.波周期體現(xiàn)出與潮位過程一致的周期性變化.北支、南港、南槽和北槽的平均波周期隨海平面上升而增大，口內(nèi)的波周期增量明顯小于口外，灘地的波周期增量最大，且迎風(fēng)向大于背風(fēng)向.

風(fēng)作用下形成的波浪是長江口波浪的主要形式，海平面上升和潮位變化改變了水深的時(shí)空分布，直接影響了波浪的時(shí)空分布.潮流也是河口區(qū)重要的動力因素，進(jìn)一步應(yīng)研究潮流對波浪的影響以及波流耦合的響應(yīng)關(guān)系.

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Prediction and Analysis of the Impacts on Wave in the Yangtze River Estuary due to Potential Sea Level Rise

KUANG Cuiping1, TANG Li1, CHEN Wei2, GU Jie3

(1. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092，China; 2. School of Maritime and Civil Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316000，China; 3. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306，China)

A numerical wave model of the Yangtze River Estuary (YRE) was established based on MIKE 21 SW and validated with field wave measurements. After the validation, the model was applied to simulate three scenarios of different sea level rises (0.5, 1.0, 1.5m). The general changing features of wave due to sea level rise in the YRE can be summarized: the time history of wave height and wave period agree with that of tidal level, and the increase of wave height at high water level is larger than that at low water level; wave height increase inside the entrance is less than that out of the entrance, and shoals are places with the biggest impact where increased wave height on the windward side is larger than that on the leeward side; the impact of sea level rise on wave period is similar to that of wave height, but is less affected.

the Yangtze River Estuary; sea level rise; MIKE 21; wave height; wave period

2015-06-12

國家“九七三”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2012CB957704)

匡翠萍(1966—)，女，工學(xué)博士，教授，主要研究方向?yàn)楹涌诤０豆こ?E-mail：cpkuang@#edu.cn

顧杰(1961—)，男，工學(xué)博士，教授，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境.E-mail：jgu@shou.edu.cn

P753

A