2022, Vol. 46
文章信息
- 乔守文, 李凡, 秦华伟, 石洪源. 2022.
- QIAO Shou-wen, LI Fan, QIN Hua-wei, SHI Hong-yuan. 2022.
- 黄河口门位置及入海径流变化对莱州湾盐度分布的影响
- The effects of gate and runoff changes on salinity distribution around Laizhou Bay
- 海洋科学, 46(9): 12-24
- Marina Sciences, 46(9): 12-24.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20211124001
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文章历史
- 收稿日期：2021-11-24
- 修回日期：2022-06-12
2. 鲁东大学 水利工程学院, 山东 烟台 264025;
3. 山东省海洋资源与环境研究院 山东省海洋生态修复重点实验室, 山东 烟台 265500
2. Ludong University College of Hydraulic Engineering, Yantai 264025, China;
3. Shandong Marine Resources and Environment Research Institute, Shandong Key Laboratory of Marine Ecological Restoration, Yantai 265500, China
入海河口不同于大洋区域, 不管在近海海洋结构还是在生态环境上, 都充分体现着其自身的复杂性。河口的潮汐环流和盐度输移过程通常是非常复杂和高度动态的。由于盐和淡水的混合以及径流、潮汐、海浪、风和离岸流的同步影响, 会使情况变得更加复杂[1]。当淡水从河口流入开阔的近岸水域时, 由于河口内外密度流的侵入速度不同, 在河口附近形成了羽流状的扩散结构[2]。而且低盐度区已经成为重要的海洋渔业经济发展区域, 河口盐度的变化对生物生存、海水养殖、水下建筑等方面都会产生极大的影响。黄河是汇入渤海湾的主要径流。黄河口是典型的演变频繁的陆相河口[3, 4], 一直都是被关注和研究的重点区域。黄河口的低盐度区是渤海重要的鱼类产卵区域和栖息环境[5]。最近几十年来, 在自然因素以及水库建设等人为因素的影响下, 黄河径流量显著减少, 必将对黄河口附近海域乃至整个渤海的温盐场产生影响[6-8]。黄河入海径流量大幅度锐减造成整个渤海特别是莱州湾的盐度有所上升。
吴德星等[9, 10]通过渤海沿岸4个观测站35 a和渤海常规断面21 a的盐度观测资料, 研究了盐度场长序列时间的变化特点, 发现渤海的盐度在35 a内上升了2个实用盐度(practical salinity scale, psu), 并且分析认为近年来渤海海域盐度值的升高和黄河入海水量的显著减少关系密切。张洪量等[11]将实测的盐度资料和黄河入海径流量结合分析, 发现40 a来莱州湾盐度总体上呈现出一种上升的趋势, 同时研究表明黄河的入海径流量锐减和断流是引起这种变化的关键因素。赵鹏等[12]基于2000—2005年莱州湾5 a的大面积实测数据和实测的黄河入海径流量数据, 发现2003年是莱州湾平均盐度变化的一个明显的转折点, 2003年后的平均盐度与历年平均盐度对比有明显的减小。黄河入海径流量对莱州湾的盐度变化起着决定性作用[13]。近年来黄河入海径流量的减少, 引起黄河口海域水动力和盐度发生动态变化。入海径流的变化对黄河口低盐度区的分布影响显著[14]。黄河口海域盐度变化受入海径流和海洋动力因素等条件影响, 时空特征变化明显。WANG[15]使用数值模型指出黄河口盐度变化有明显的季节性变化, 说明了径流变化对河口盐度的影响。LIU[16]使用三维原始方程海洋环流模型指出风和潮汐对黄河口盐度分布有很大影响。CHENG[17]基于ECOM数值模型, 研究了黄河改道3次以来, 径流和地形变化对盐度扩散带来的变化和差异。SHI[18]利用ROMS数值模型, 研究了入海径流对莱州湾盐度的影响。卢昱岑[19]基于有限体积海岸海洋模型(Finite Volume Community Ocean Model, FVCOM)数值模型探究了黄河口地形淤进对近海盐度分布的影响。
已有的一系列研究表明, 黄河口盐度的分布对于径流量、风、潮汐等因素的变化十分敏感。但是针对黄河口盐度扩散影响因素的综合性和特殊性研究开展较少。2020年黄河丰水期出现了近20年来最大的入海径流量, 本文考虑黄河入海的感潮河段, 使用2020年的最新的岸线、地形、径流等统计数据, 综合探究径流、风、口门变迁等影响因素, 对2020年黄河口和莱州湾盐度变化的时空特征进行分析, 并与前人研究成果进行对比, 探讨黄河口门变迁及径流变化对黄河口及莱州湾盐度的影响。
1 模型设置与验证 1.1 方法和模型设置FVCOM是一款基于非结构化三角网格的三维近岸海洋模型[20], 该模型可以较好模拟河口区域复杂状况。本模型模拟海域为整个渤海, 黄河口区域网格加密处理, 最小网格长度为50 m, 共有100 428个单元和51 499个节点, 计算区域及网格设置见图 1。垂直方向分为20个sigma层, 模式计算采用内外模分裂算法, 其中内模时间步长设置为5 s, 外模时间步长设置为0.5 s, 可以很好地满足计算精度要求。
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| 图 1 计算区域网格(左)及水深分布(右)图 Fig. 1 Grid and depth distribution map of the calculation area |
外海水深使用的是由美国地球物理中心(U.S. National Geophysical Data Center, NGDC)发布的ETOP1地形高程数据; 黄河口附近近岸水深选取中国人民解放军海军航海保证部制作电子海图, 根据沿海海洋站潮位与最低理论基准面关系对海图水深进行订正, 以及部分工程和勘测水深数据。岸线由海图的岸线、工程附近海岸线勘测资料和Google earth最新岸线信息拼接而成。
模型盐度初始场采用简单海洋数据同化(Simple Ocean Data Assimilation, SODA)数据, 以近10 a对应时间的平均值作为初始场。2020年黄河利津站逐日径流量作为径流输入数据。风数据来自于ERA5 (ECMWF Reanalysis v5), 分辨率为0.25°×0.25°, 时间步长为1 h。模型选用了8个主要分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1), 使用“TPXO”潮位模型设置了模型开边界潮位信息。
在模拟过程中, 黄河淡水盐度为0, 分别模拟丰水期代表月份(7~8月)和枯水期代表月份(1~2月)盐度的扩散情况。考虑蒸发和降水对模型的影响, 蒸发和降水数据使用ERA5逐时的分辨率为0.25°×0.25°的数据。蒸发考虑的热通量包括长波、短波、潜热和感热。模型采用冷启动, 所有强迫从始至终存在, 丰水期模拟时间为2020年7月1日—2020年8月31日, 枯水期模拟时间为2020年1月1日—2020年2月29日, 考虑到模型稳定时长, 本文主要对2月份和8月份的结果进行分析, 分析数据采用2月及8月的模型计算结果的日平均值。两个时期的径流量变化及风情况见图 2~图 3。
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| 图 2 2020年丰水期(左)和枯水期(右)入海径流日变化图 Fig. 2 Daily variation of runoff into the sea during the wet and dry seasons in 2020 |
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| 图 3 2020年丰水期(左)和枯水期(右)风玫瑰图 Fig. 3 Wind rose for the wet and dry seasons in 2020 |
为了验证模型的准确性, 本文选取3个潮位站和2个潮流站实测数据进行验证。图 4是测站的具体位置, 表 1为测站详细信息。为了说明模型的准确性, 仅对长周期的潮位验证计算了均方根误差(rms)、相对平均误差(E)和模型技能参数(Skill)。
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| 图 4 测站位置图 Fig. 4 Location of observation stations |
| 测站类型 | 测站 | 经度(E) | 纬度(N) | 观测时间(年.月.日) |
| 潮流 | L1 | 119.0723° | 37.6001° | 2020.12.09-2020.12.10 |
| L2 | 119.1290° | 37.4651° | 2020.12.09-2020.12.10 | |
| 潮位 | T1 | 120.7356° | 37.8724° | 2016.04.01-2016.04.13 |
| T2 | 119.0383° | 38.1502° | 2019.11.29-2019.12.13 | |
| 盐度 | S1 | 118.9983° | 38.0894° | 2020.2.20-2.28, 8.20-2.27 |
| S2 | 120.2561° | 37.6427° | 2020.2.20-2.28, 8.20-2.27 |
图 5是潮位对比验证图, 图 6是流速和流向对比验证图。图 7是盐度对比验证图。对比结果显示: 盐度计算值与实测值基本一致。对S1站而言, 其距离黄河口较近, 受黄河径流波动影响较大, 枯丰季节盐度模拟结果与实测有一定差距, 差值均在0.5 psu以内; 龙口站距离黄河口较远, 受黄河径流的影响小, 数模结果与实测一致性较好, 绝对差值均在0.1 psu以内。计算结果基本反映了计算海域盐度变化状况。
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| 图 5 潮位验证对比图 Fig. 5 Comparison diagram of tide level verification |
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| 图 6 流速和流向验证对比图 Fig. 6 Comparison diagram of flow rate and flow direction verification |
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| 图 7 盐度验证对比图 Fig. 7 Comparison diagram of salinity |
黄河径流的输入是导致莱州湾盐度场变化最主要的原因。图 8和图 9分别是丰水期和枯水期4个典型时刻的表层潮流分布图, 高流速区域主要集中在黄河口和莱州湾北部。莱州湾的流速普遍在0.3 m/s以下, 上述区域流速在0.5 m/s以上。图 10是1个太阴日的余流图, 将纯潮流剔除, 主要由径流和风引起。在余流的作用下, 黄河冲淡水长期向莱州湾输入。这也是黄河口海域和莱州湾进行黄河冲淡水扩散的方式之一。黄河冲淡水在地形和科氏力的影响下, 会出现明显的“南偏”现象[21]。入海径流量、季风的差异对这些现象有很大的影响, 所以丰水期和枯水期的余流、黄河冲淡水的转向都有显著的差异。
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| 图 8 2020年丰水期典型时刻表层潮流分布 Fig. 8 Surface tidal current distribution at a typical time in the wet season in 2020 a. 涨急; b. 涨憩; c. 落急; d. 落憩 a. maximum flood; b. flood slack; c. ebb slack; d. maximum ebb |
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| 图 9 2020年枯水期典型时刻表层潮流分布 Fig. 9 Surface tidal current distribution at a typical time in the dry season in 2020 a. 涨急; b. 涨憩; c. 落急; d. 落憩 a. maximum flood; b. flood slack; c. ebb slack; d. maximum ebb |
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| 图 10 2020年丰水期(左)和枯水期(右)表层余流分布图 Fig. 10 Surface residual current distribution in the wet season (left) and dry season (right) in 2020 |
图 11和图 12是丰水期和枯水期表层及底层盐度空间分布图。模型结果显示, 黄河口及莱州湾海域丰水期和枯水期的盐度分布差异巨大, 这种差异主要受到径流量的影响。丰水期, 黄河冲淡水几乎影响了整个莱州湾; 枯水期, 由于径流量的限制, 黄河冲淡水的影响区域局限在莱州湾的西北部。盐度空间分布差异也较大, 夏季时盐度的空间分布有明显的分层现象, 表层和底层盐度分布差别很大; 冬季的空间差异主要体现在水平向的盐度分布, 盐度的垂向分布较均匀。
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| 图 11 2020年丰水期(左)和枯水期(右)表层盐度空间分布图 Fig. 11 Spatial distribution of surface salinity in the wet and dry seasons in 2020 |
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| 图 12 2020年丰水期(左)和枯水期(右)底层盐度空间分布图 Fig. 12 Spatial distribution of bottom salinity in the wet season (left) and dry season (right) in 2020 |
27 psu等盐度线是衡量盐度分布的一个重要指标, 27 psu以下的低盐度区域是极适合海洋生物生存的[22-23]。夏季, 黄河口东南风向居多, 低盐度水向东南方向的扩散受到限制, 在表层流的作用下, 使得低盐度水向莱州湾扩散。根据模型丰水期的结果显示(图 11左), 27 psu盐度锋可以扩散到莱州湾中部, 经计算表层盐度场中27 psu等盐线的包络面积为2 665.61 km2, 27psu包络面积可以占到整个莱州湾1/4左右; 而在枯水期(图 11右)时, 27 psu以下的区域只集中在黄河口附近。对莱州湾并没有产生比较大的影响。表层27 psu等盐度线的包络面积为199.65 km2。枯水期27 psu等盐线的包络面积仅为丰水期时的1/13.35。这主要由径流和风限制所导致的。虽然低盐度水有明显东南向的扩散趋势, 但是黄河冲淡水供给不足, 只在黄河口南部不远处形成一小团低盐度区域。
图 10是丰水期和枯水期表层余流分布, 主要考虑径流和风的影响, 对1个太阴日周期进行余流分析。丰水期和枯水期, 黄河口附近的余流方向都是向莱州湾方向扩散的。丰水期黄河口附近余流流速较大, 莱州湾余流流速较小; 枯水期时, 黄河口附近高流速区域面积较小。这主要是悬殊的径流差异引起的。枯水期时黄河口和莱州湾海域的余流流速比较均匀, 且在莱州湾内, 余流流速略大于丰水期时的流速, 这主要和冬季盛行风力大的偏北风有关。盐度扩散主要依靠径流、潮汐和风等作用进行, 黄河冲淡水和周围高盐度水体混合, 径流量越高, 和周围高盐度水体混合后, 形成的低盐度区域越大, 混合扩散的方向和盐度的扩散结构受潮汐和风等作用影响。
2.2 莱州湾海域垂向盐度场时空分布特征考虑受环流和余流影响较大, 且盐度扩散现象比较明显, 本文以119.3°E展开剖面, 研究盐度扩散情况。图 13是具体展开的剖面位置。图 14是丰水期和枯水期盐度的剖面分布图。
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| 图 13 剖面位置图 Fig. 13 Section location map |
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| 图 14 2020年丰水期(上)和枯水期(下)莱州湾盐度剖面分布图 Fig. 14 Salinity profile of Laizhou Bay in the wet and dry seasons in 2020 |
图 14显示, 丰水期径流量大, 黄河冲淡水影响莱州湾的盐度分布范围大。上层的盐度交换比较剧烈, 所以盐度锋比较突出。随着向莱州湾南部的深入, 表层的低盐度水团越来越少, 垂向交换的深度也越来越浅。通过剖面图也可以看出丰水期羽流扩散的距离更远。距离表层5 m的范围内才有明显的水体交换现象。
枯水期(图 14下), 整个莱州湾盐度都偏高, 盐度值在28~30 psu。盐度垂向分布比较均质, 只有在莱州湾最北部有发生明显的盐度的垂向扩散。
3 讨论WANG[24]于2008年发表的论文说明了低盐度区域在黄河口和莱州湾的分布情况。研究指出, 枯水期时, 黄河冲淡水沿着近岸, 向莱州湾扩散, 莱州湾的西侧和南侧都是30 psu以下的区域。丰水期时, 黄河冲淡水更多的是向渤海湾中部扩散。本次模拟的结果和上述结论差别很大, 使用2020年的最新数据得出的结论显示, 丰水期和枯水期, 黄河冲淡水都是向莱州湾方向扩散的。丰水期在莱州湾的羽流扩散面积比WANG模拟的结果更大。造成这种现象可能的原因, 主要为入海径流量的变化、黄河入海口门位置的变迁。
3.1 入海径流量对黄河冲淡水扩散的影响根据利津站统计数据得到1952—2017年黄河入海年径流量变化(图 15)。近几十年, 黄河入海的径流量动态起伏, 但整体上呈减少的趋势。1964年, 黄河入海径流量达到最大值1 057×108 m3; 2002年, 黄河入海径流量仅达到41.9×108 m3, 是近几十年以来入海径流量的最低值。2002年后, 对黄河进行了水调节[14], 入海径流量有所上升。
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| 图 15 1952—2017年黄河入海年径流量变化图 Fig. 15 Annual runoff variation of the Yellow River into the sea from 1952 to 2017 |
WANG[24]使用的径流量数据是1977—2002年的月平均值, 包含了2000年前后黄河入海径流量骤减的阶段, 丰水期平均径流量在1 400 m3/s左右, 枯水期平均径流量在340 m3/s左右。据利津站统计, 2020年丰水期的平均入海径流量为2 761.935 m3/s, 枯水期平均入海径流量为209.783 m3/s。两个模型使用的径流数据相比, 2020年丰水期的入海径流量远超WANG所使用的数据, 但是枯水期的入海径流量偏小。
初始模型使用的是2020年丰水期和枯水期对应的逐日变化的径流数据。为探究径流变化对盐度扩散的影响, 新增2个模型, 新增模型1使用2020年丰水期平均径流量模拟的丰水期黄河口及莱州湾表层盐度分布情况(图 16); 新增模型2使用1 400 m3/s的平均入海径流模拟的丰水期黄河口及莱州湾表层盐度分布情况(图 13), 2002—2020年的丰水期平均入海径流为1 200 m3/s, 和WANG模型中使用的400 m3/s的丰水期径流量差别不大, 故不再设置径流量梯度。
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| 图 16 新增模型1的丰水期表层盐度分布图 Fig. 16 Surface salinity distribution of added model 1 in the wet season |
新增模型2(图 17)的结果显示, 由于入海径流量的大幅度减少, 相比初始模型, 丰水期黄河冲淡水扩散的距离和面积大大减小。和WANG建立的模型一样, 丰水期的低盐度区域主要集中在黄河口附近和莱州湾的西北角, 部分扩散形状上的差异可能与当年的潮汐和风应力条件有关系。但是在羽流的扩散方向上依旧存在差异, 新增模型在丰水期的扩散方向和初始模型一致, 有着明显向南扩散的盐度锋。
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| 图 17 新增模型2的丰水期表层盐度分布图 Fig. 17 Surface salinity distribution of added model 2 in the wet season |
径流的大小在水平方向上主要影响盐度的扩散面积和扩散距离。通过新增模型1(图 16)和模型2 (图 17)的对比, 2020年丰水期盐度扩散的面积更大、距离更远。27 psu盐度锋向北和向莱州湾扩散的距离更远, 27 psu包络面积更大。2020年丰水期的27 psu等盐线包络面积为2 023.938 km2, 新增模型2产生的27 psu等盐度线表层包络面积为1 285.495 km2, 前者比后者的包络面积大738.443 km2, 相差1.6倍左右。前者27 psu表层盐度锋向北扩散的距离为29.012 km, 向南扩散的距离为36.037 km, 向东扩散的距离为18.358 km; 后者向北扩散的距离为25.075 km, 向南扩散的距离为28.152 km, 向东扩散的距离为15.536 km, 2020年丰水期相比往年的数据, 27 psu向北扩散的距离远3.937 km, 向南扩散的距离远7.885 km, 向东扩散的距离远2.882 km。
3.2 入海口门位置对黄河冲淡水扩散的影响黄河经过多次改道和地形变迁, 目前稳定在山东省东营市垦利区入海, 口门位置朝向稳定在偏北方向。WANG的模型的口门朝向偏东, 大致是20世纪80年代的黄河入海口位置。为探究口门位置对黄河冲淡水的影响, 新增模型2的口门朝向偏东, 并使用对应时期的岸线数据, 综合岸线改变和口门朝向变化, 探究入海口门变迁对黄河冲淡水扩散的影响。图 18是丰水期时的表层盐度分布图。结果显示, 黄河冲淡水经东向口门和北向口门向外海扩散的扩散不同。经东向口门, 黄河冲淡水有明显向北扩散的盐度锋, 这和WANG的模式结果是一致的。经北向口门, 黄河冲淡水主要向莱州湾输入。造成这种现象的主要原因是余流影响。潮流图(图 8~图 9)显示, 黄河口西北侧的潮流方向是沿着岸线, 随着涨落潮呈西北-东南方向往复; 黄河口以南包括莱州湾的潮流方向均随着涨落潮呈东北-西南方向往复。图 19是初始模型和新增模型3的表层余流分布情况图。初始模型在黄河口区域的余流方向大致是向东南方, 在黄河口与莱州湾的区域有顺时针环流, 导致黄河冲淡水沿着东南方向从口门扩散出来, 在环流的影响下继而向南扩散至莱州湾。新增模型3在黄河口附近的余流方向是向北, 北向的余流使得黄河冲淡水从东向口门扩散出来后, 直接向渤海中部方向扩散。
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| 图 18 新增模型2丰水期表层盐度分布图 Fig. 18 Surface salinity distribution of added model 2 in the wet season |
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| 图 19 初始模型(左)和新增模型3(右)表层余流场图 Fig. 19 Surface residual current field of the initial model and added model 3 |
图 20展示的是无风条件下, 丰水期和枯水期的表层盐度分布情况。在潮流作用下, 丰水期时黄河冲淡水也有明显向莱州湾扩散的行为, 枯水期因为径流量的限制并不明显。经计算丰水期无风条件下表层27 psu包络面积是1 885.83 km2, 枯水期无风条件下表层27 psu包络面积是135.56 km2。相比考虑风影响的结果(图 11), 丰水期表层27 psu包络面积减少了779.78 km2, 枯水期表层包络面积减少了64.09 km2。从而证实风可以促进盐度的扩散。
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| 图 20 无风条件下丰水期(左)和枯水期(右)表层盐度分布图 Fig. 20 Spatial distribution of surface salinity in wet and dry seasons with no wind |
本文使用FVCOM温盐模式, 对黄河口及莱州湾海域进行盐度模拟。展示说明2020年丰水期和枯水期黄河口及莱州湾海域的盐度分布特征, 并讨论径流量和黄河口门位置对黄河冲淡水扩散的影响。得到以下结论。
(1) 2020年丰水期和枯水期, 黄河羽流都是向南扩散进入莱州湾, 由于枯水期径流量的限制, 枯水期羽流只有向莱州湾扩散的趋势。
(2) 2020年丰水期径流量比往年平均值高一倍以上, 黄河冲淡水几乎影响了整个莱州湾, 27 psu等盐线包络面积占莱州湾的1/4左右。枯水期径流量和往年变化不大, 27 psu以下盐度区域只集中在黄河口附近。枯水期27 psu等盐线的包络面积仅为丰水期时的1/13.35。
(3) 入海径流量的变化主要影响黄河口羽流的扩散面积, 径流量越大, 扩散面积越大。2020年丰水期的27 psu等盐线包络面积为2 023.938 km2, 往年的径流数据产生的27 psu等盐度线表层包络面积为1 285.495 km2, 相差1.6倍左右。2020年丰水期相比往年, 27 psu盐度锋向北扩散的距离远3.937 km, 向南扩散的距离远7.885 km, 向东扩散的距离远2.882 km。
(4) 风会促进表层盐度的扩散, 不考虑风的影响后, 丰水期表层27 psu包络面积减少了779.78 km2, 枯水期表层包络面积减少了64.09 km2。
(5) 入海口门位置的变化会改变羽流的扩散结构。黄河口西北侧潮流沿岸线方向, 随着涨落潮呈西北-东南向往复; 黄河口以南包括莱州湾的潮流方向均随着涨落潮呈东北-西南方向往复。在余流的作用下, 黄河冲淡水经北向口门入海更多地会向南扩散进入莱州湾; 经东向口门入海主要向北扩散影响渤海湾中部。
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