河口地貌對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性影響的數(shù)值模擬研究

周曾 ，陳璐瑩，蔣春海，儲(chǔ)鏖，Ian Townend，張長(zhǎng)寬

(1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 江蘇省海岸海洋資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境安全重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3.上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335；4.南安普頓大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，南安普頓 SO17 1BJ)

1 引言

潮波從外海向河口內(nèi)傳播的過(guò)程中，由于受到地貌形態(tài)[1-2]、徑流[3]、海平面上升[4]、人類(lèi)活動(dòng)[5]等影響產(chǎn)生變形，導(dǎo)致漲落潮不對(duì)稱(chēng)，這一現(xiàn)象通常被稱(chēng)為潮汐不對(duì)稱(chēng)性[6]，也有學(xué)者進(jìn)一步將漲落潮流速不相等的現(xiàn)象稱(chēng)為潮流不對(duì)稱(chēng)性[7-8]。在現(xiàn)有的研究中，大都對(duì)潮汐進(jìn)行了簡(jiǎn)化，在保證動(dòng)力場(chǎng)與實(shí)際情況一致或相似的情況下用若干起主要作用的特征潮來(lái)表達(dá)潮汐動(dòng)力[9-10]。Friedrichs 和Aubrey[11]指出在世界上大部分的半日潮海域，起主要控制作用的是M2分潮和由M2分潮自身演變出的M4分潮，針對(duì)這一部分海域可以近似用M2分潮和M4分潮來(lái)描述水位和流速（公式（1）、公式（2））。并基于此提出了用M4分潮與M2分潮的振幅比ηM4/ηM2或uM4/uM2來(lái)判斷潮汐不對(duì)稱(chēng)性的強(qiáng)弱，振幅比越大，潮汐不對(duì)稱(chēng)性越強(qiáng)；用M2分潮與M4分潮的相位差來(lái)判斷潮汐不對(duì)稱(chēng)性的類(lèi)型[11]（表1），這一方法至今仍廣為使用[12-13]。本文將從水位相位差、斷面流速及余流分布等多角度入手來(lái)研究河口地貌形態(tài)對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性的影響。

表1 潮汐不對(duì)稱(chēng)性類(lèi)型Table 1 The type of tidal asymmetry

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和河口海岸防護(hù)需求的提高，我國(guó)在河口區(qū)開(kāi)展了建港、圍墾等海岸工程[14]，導(dǎo)致河口地貌形態(tài)發(fā)生了改變，從而影響了河口區(qū)的潮汐不對(duì)稱(chēng)性[15]，由于水動(dòng)力與地貌形態(tài)的互饋?zhàn)饔?，又將進(jìn)一步影響到河口地貌平衡形態(tài)[16]。例如，膠州灣的圍墾工程改變了地貌形態(tài)，使其潮汐不對(duì)稱(chēng)性增強(qiáng)[17]；象山港的圍墾使得灣內(nèi)潮汐不對(duì)稱(chēng)性發(fā)生改變，灣中部和灣頂由落潮占優(yōu)轉(zhuǎn)變?yōu)闈q潮占優(yōu)[18]；珠江三角洲黃茅海河口的灘槽潮汐不對(duì)稱(chēng)性不同，潮灘為漲潮主導(dǎo)型，主槽為落潮主導(dǎo)型[19]，長(zhǎng)江口北支為漲潮主導(dǎo)型，但由于長(zhǎng)江口北支斷面從下游到上游不斷縮窄，潮波變形加劇，使上游的潮汐不對(duì)稱(chēng)性更強(qiáng)[13]；杭州灣-錢(qián)塘江口的岸線改變使得該區(qū)域的潮汐不對(duì)稱(chēng)性發(fā)生改變，部分區(qū)域漲潮優(yōu)勢(shì)增強(qiáng)，而部分區(qū)域的漲潮優(yōu)勢(shì)減弱[20]。以上這些現(xiàn)象表明河口地貌對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性的產(chǎn)生和發(fā)展有著重要影響。然而，潮汐不對(duì)稱(chēng)性的變化會(huì)直接影響河口地區(qū)的泥沙凈輸運(yùn)，從而進(jìn)一步對(duì)河口地貌進(jìn)行重新塑造[21]，研究潮汐不對(duì)稱(chēng)性可以對(duì)后續(xù)海岸工程的選址、建設(shè)以及維護(hù)進(jìn)行指導(dǎo)[22]，同時(shí)潮汐不對(duì)稱(chēng)性與徑流的互相作用對(duì)河口地區(qū)的水質(zhì)也有一定影響[23]，因此研究河口地貌對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景，亟需深入研究。

通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)河口較淺且潮灘容積較小時(shí)，河口傾向于漲潮主導(dǎo)型，泥沙向陸發(fā)生凈輸運(yùn)[24]；當(dāng)河口較深而潮灘較大時(shí)則傾向于落潮主導(dǎo)型[25-26]，當(dāng)潮灘的位置處于平均水位或略高于平均水位時(shí)，落潮流達(dá)到最強(qiáng)，落潮流隨著相對(duì)潮振幅的增大而減小，當(dāng)潮灘位于平均水位以下時(shí)，潮汐不對(duì)稱(chēng)性主要由相對(duì)潮振幅（即潮振幅與水深比值a/h）決定[27]。此外，河口主槽的斷面形態(tài)、平面形態(tài)和長(zhǎng)度對(duì)潮流也有較大的影響，研究發(fā)現(xiàn)上凸型的潮灘斷面對(duì)落潮流的增強(qiáng)效果更為顯著[28-29]，從海向陸劇烈收縮的河口平面形態(tài)促進(jìn)漲潮主導(dǎo)[30]，這是因?yàn)殡S著河口收縮率的增加，潮波變形加劇，流速和波長(zhǎng)增加[30-31]。最后，河口長(zhǎng)度的影響主要體現(xiàn)在對(duì)于較短的河口，潮灘越大越傾向于落潮主導(dǎo)，而當(dāng)河口長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，較寬的潮灘則傾向于漲潮主導(dǎo)[32]。

納潮量是反映河口內(nèi)部水體和外海水體交換的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)河口泥沙沖淤有著重要影響。目前，關(guān)于河口地貌形態(tài)對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性影響的研究較少考慮納潮量這一關(guān)鍵因子，然而河口形態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致河口的納潮量產(chǎn)生變化，進(jìn)而對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性產(chǎn)生巨大影響，打破河口水動(dòng)力條件與地貌形態(tài)間的匹配關(guān)系。鑒于此，本文將基于英國(guó)Humber 河口數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)一步討論在納潮量相同時(shí)，潮灘或主槽斷面形態(tài)的改變對(duì)河口潮汐不對(duì)稱(chēng)性的影響，也進(jìn)一步探究河口長(zhǎng)度以及收縮率的變化對(duì)河口整體以及潮灘、主槽上的潮汐不對(duì)稱(chēng)性的影響。Humber 河口是英國(guó)第二大河口，也是英國(guó)東海岸最大的河口，是英國(guó)最發(fā)達(dá)的區(qū)域之一。其擁有豐富多樣的物種和棲息地，是歐洲最重要的鳥(niǎo)類(lèi)越冬河口之一，同時(shí)也是一個(gè)重要的工業(yè)區(qū)和貿(mào)易門(mén)戶，英國(guó)近1/4 的海上貿(mào)易都要經(jīng)過(guò)該河口。由于其重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)地位，成為世界上研究最多的河口之一，積累了大量的研究資料，因此本研究將其作為概化模型的參照河口。

2 模型建立及參數(shù)設(shè)置

本文利用Delft3D 軟件中的水動(dòng)力模塊，基于英國(guó)Humber 河口數(shù)據(jù)和Townend 等提出的理想河口表達(dá)式[33-36]建立二維理論模型（圖1），Humber 河口長(zhǎng)約140 km，自西向東延伸，平均水深16.5 m，在大潮期間平均潮差達(dá)5.7 m。由于理論模型斷面形態(tài)較復(fù)雜，因此在保證潮灘容積、主槽容積、底坡及平面形態(tài)不變的情況下將理論模型斷面形態(tài)簡(jiǎn)化為潮灘斷面呈線性變化，主槽斷面為矩形。該簡(jiǎn)化斷面形態(tài)常被用于河口地貌形態(tài)的研究，能較好地反映河口的水動(dòng)力變化[32,37]，且經(jīng)驗(yàn)證后該方案模型與理論模型的潮汐不對(duì)稱(chēng)性與流場(chǎng)基本一致。基于該簡(jiǎn)化模型，根據(jù)常用的納潮量計(jì)算公式[38-40]，在保證納潮量相同的情況下，將兩種寬度（寬、窄）的潮灘和3 種主槽深度（較深主槽、基準(zhǔn)深度、較淺主槽）進(jìn)行組合，得到6 種不同斷面形態(tài)的河口模型（圖2，表2）。

表2 不同斷面形態(tài)模型匯總Table 2 The summary of different cross sections

圖1 基于Humber 河口數(shù)據(jù)的理論模型示意圖[41]Fig.1 Schematic diagram of the theoretical model based on the data of Humber Estuary[41]

圖2 不同斷面形態(tài)示意圖Fig.2 Schematic diagram of different cross sections

納潮量（W）計(jì)算公式為

式中，S1、S2分別為高、低潮位時(shí)的水域面積（單位：m2）；h1、h2分別為高、低潮位時(shí)的水深（單位：m）。

由于簡(jiǎn)化模型平面形態(tài)呈指數(shù)型收縮，河床高程沿程隨河口寬度的變化而變化，因此在研究不同平面形態(tài)對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性的影響時(shí)，首先將簡(jiǎn)化模型的變化底坡改成平底。在其他參數(shù)不變的情況下，底坡為平底的簡(jiǎn)化模型只需要80 km 長(zhǎng)即可達(dá)到變化底坡簡(jiǎn)化模型的納潮量?；谠撃Ｐ?，在納潮量不變的情況下，設(shè)置另外兩種不同平面形態(tài)的模型（平面形態(tài)為矩形，平面形態(tài)線性變化）。同時(shí)，還另外設(shè)置了一個(gè)不同收縮率的指數(shù)型收縮平面模型來(lái)研究收縮率對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性的影響（表3）。通過(guò)設(shè)置模型外海側(cè)的潮流過(guò)程，利用上游河道的徑流過(guò)程進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其余均設(shè)為固邊界。外海開(kāi)邊界現(xiàn)僅考慮M2分潮（太陰主要半日分潮），振幅為3 m（參照Humber 河口口門(mén)最大潮振幅），頻率為28.985 5°/h，相位差為0°，上游河道徑流設(shè)定為200 m3/s 的恒定流。模型模擬時(shí)間均為1 個(gè)月。

表3 不同平面形態(tài)模型匯總Table 3 The summary of different plan forms

3 斷面形態(tài)的改變對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性的影響

通過(guò)分析斷面平均流速隨時(shí)間的變化（圖3），可以看出漲潮最大流速大于落潮最大流速，寬、窄潮灘的最大漲潮流速均值分別為1.16 m/s 和1.34 m/s，而最大落潮流速分別為0.98 m/s 和1.04 m/s。潮灘寬度相同時(shí)，不同主槽深度下漲潮最大流速相差不大，寬潮灘對(duì)應(yīng)的3 種主槽深度最大流速均約為1.15 m/s，窄潮灘對(duì)應(yīng)的3 種主槽深度最大流速約為1.35 m/s。但對(duì)落潮流速而言，主槽越淺，落潮流速越小，落潮歷時(shí)更長(zhǎng)，印證了主槽越淺，河口更傾向于漲潮主導(dǎo)型。當(dāng)主槽深度相同時(shí)，漲落潮的最大流速均是窄潮灘大于寬潮灘，窄潮灘最大流速約是寬潮灘最大流速的1.13 倍。

圖3 不同潮灘寬度以及不同主槽深度的河口斷面平均流速隨時(shí)間的變化過(guò)程Fig.3 The change of cross-sectionally averaged along-channel velocities in estuaries with different tidal width and channel depth

由于斷面平均流速不能展現(xiàn)出流速在潮灘以及主槽上的不同，因此取高水位、平均水位和低水位3 個(gè)時(shí)刻，對(duì)斷面流速進(jìn)行分析（圖4）。首先，不管水位如何變化以及潮灘的寬窄，主槽越淺，斷面面積越小，使得潮灘和主槽上的流速越大。為了保證納潮量相同，縮窄潮灘的同時(shí)增加了低水位時(shí)的河口寬度，使得在相同水深的情況下，窄潮灘所對(duì)應(yīng)的主槽面積大于寬潮灘對(duì)應(yīng)的主槽面積，使得窄潮灘的斷面流速小于寬潮灘的斷面流速，例如在主槽較深深度情況下，寬潮灘在高水位（HWL）、平均水位（MWL）、低水位（LWL）的流速分別為 0.87 m/s、1.13 m/s、0.17 m/s，而窄潮灘在3 種水位狀態(tài)下，流速分別為0.53 m/s、0.74m/s、0.05 m/s。

圖4 不同潮灘寬度以及不同主槽深度的河口在不同水位下的斷面流速Fig.4 Cross-sectional distribution of the along-channel depth averaged velocities in estuaries with different tidal width and channel depth under different tidal levels

分別取不同斷面形態(tài)河口7 個(gè)潮周期內(nèi)的水位變化過(guò)程進(jìn)行調(diào)和分析并對(duì)所得的相位差沿程變化進(jìn)行匯總（圖5）。經(jīng)計(jì)算，在河口的前60 km 范圍內(nèi)，相位差由口門(mén)處的-3°～3°迅速上升到約50°，60～140 km 范圍內(nèi)的相位差趨向于穩(wěn)定，可以看出在納潮量相同的情況下，不同的潮灘寬度和主槽深度會(huì)對(duì)沿程的潮汐不對(duì)稱(chēng)性產(chǎn)生影響，相位差的增長(zhǎng)幅度最小為寬潮灘+較深主槽的54.31°到窄潮灘+較深主槽的61.2°，增加了12.7%，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的速度也不同，但總體的潮汐不對(duì)稱(chēng)性仍處于漲潮主導(dǎo)型，且沿程相位差均值相差不大。

圖5 不同斷面形態(tài)的河口沿程相位差變化Fig.5 Changes of relative tidal phase along the channel in estuaries with different cross sections

對(duì)于較寬的潮灘而言（圖5 中不同線型的藍(lán)線，對(duì)應(yīng)表4 中的b-d 3 種類(lèi)型），平均延程相位差從主槽較深深度的45.51°上升到主槽較淺深度的56.10°，主槽越淺，相位差越大，越傾向于漲潮主導(dǎo)型，且相位差越快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)潮灘較寬且主槽較淺時(shí)，相位差呈現(xiàn)從靠近口門(mén)處的-2°左右出現(xiàn)先略微減小2°～5°再增大的趨勢(shì)，且其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的距離最長(zhǎng)。這是由于寬潮灘會(huì)使河口傾向于落潮主導(dǎo)型，淺主槽使河口傾向于漲潮主導(dǎo)型，在口門(mén)附近潮灘較寬，而隨著潮波向內(nèi)推進(jìn)，河口逐漸縮窄，潮灘變窄，主槽進(jìn)一步變淺，使得河口的漲潮流逐漸增強(qiáng)，落潮流減弱。

對(duì)于較窄的潮灘（圖5 中不同線型的紅線，對(duì)應(yīng)表4 中的e-g 3 種類(lèi)型），無(wú)論主槽的深度如何，沿程相位差都會(huì)呈現(xiàn)先快速增長(zhǎng)，到達(dá)峰值相位差50°～60°后開(kāi)始減小，最后穩(wěn)定在50°左右的態(tài)勢(shì)，且主槽越深，峰值越大，到達(dá)峰值所需的距離越長(zhǎng)。這說(shuō)明較淺的主槽深度能使?jié)q潮流快速達(dá)到峰值。而對(duì)于相同的主槽深度（圖5 中以相同線型表示），總體而言窄潮灘更傾向于漲潮主導(dǎo)型，但是潮灘的影響因主槽深度的不同而不同，主槽深度較深時(shí)，潮灘的縮窄會(huì)使沿程相位差均值增加更多，也就是說(shuō)潮灘大小對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性的影響在主槽較深的情況下更為顯著。雖然口門(mén)處的斷面形態(tài)差異較大，但隨著平面形態(tài)以及底坡的變化趨勢(shì)減緩，當(dāng)距口門(mén)50 km 及更遠(yuǎn)后，不同斷面之間的差異較小，主槽深度差異約為0.5 m，潮灘寬度的差異則在50 m 左右，因此潮汐不對(duì)稱(chēng)性逐漸趨于穩(wěn)定且不同斷面之間的潮汐不對(duì)稱(chēng)性差異不大。此外，從不同河口斷面的沿程相位差均值（表4）來(lái)看，符合寬潮灘削弱漲潮主導(dǎo)，淺主槽增強(qiáng)漲潮主導(dǎo)這一理論。當(dāng)主槽較淺且潮灘較窄時(shí)河口整體的漲潮主導(dǎo)最強(qiáng)，當(dāng)主槽較深且潮灘較寬時(shí)河口整體的漲潮主導(dǎo)最弱。當(dāng)潮灘較寬時(shí)相位差對(duì)主槽深度變化的響應(yīng)相較于潮灘較淺時(shí)更為靈敏，主槽從深到淺時(shí)相位差增加得更多。

表4 不同斷面形態(tài)河口的沿程相位差均值Table 4 The along-channel averaged relative tidal phases of estuaries with different cross sections

斷面形態(tài)的改變會(huì)引起不同的能量耗散。由于摩擦系數(shù)與流速有關(guān)，斷面面積減小，流速增大，摩擦系數(shù)增大，能量耗散加劇，從而導(dǎo)致漲落潮歷時(shí)不相等，河口更傾向于漲潮主導(dǎo)[37,42-43]。上述結(jié)果表明，河口地貌對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性的產(chǎn)生和發(fā)展有著重要的影響，當(dāng)納潮量相同時(shí)，潮灘縮窄使得斷面面積減小，流速加大，漲潮歷時(shí)減短，因此窄潮灘傾向于漲潮主導(dǎo)，寬潮灘傾向于落潮主導(dǎo)，同理，淺主槽傾向于漲潮主導(dǎo)，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了文獻(xiàn)[11,44-46]的相關(guān)發(fā)現(xiàn)。

4 平面形態(tài)改變對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性的影響

為了使不同模型之間的納潮量相等，設(shè)計(jì)的3 個(gè)模型的平面形態(tài)以及長(zhǎng)度均不相同，但口門(mén)處的斷面是相同的并且沿程水深相等。同樣，對(duì)水位進(jìn)行調(diào)和分析，可以得到3 個(gè)不同平面形態(tài)河口相位差2θM2-θM4的沿程變化（圖6）。

圖6 不同平面形態(tài)的相位差2θM2-θM4沿程變化Fig.6 Changes of relative tidal phase along the channel in estuaries with different plan forms

潮灘面積從大到小依次為矩形平面河口、線性變化平面河口和指數(shù)型收縮平面河口。為了使納潮量相同，河口的長(zhǎng)度則依次增加。當(dāng)納潮量相同時(shí)，雖然河口的平面形態(tài)、長(zhǎng)度有所不同，但整體依舊是傾向于漲潮主導(dǎo)。經(jīng)計(jì)算，指數(shù)型收縮平面、線性變化平面以及矩形平面的平均沿程相位差2θM2-θM4分別為32.73°、13.37°和6.68°（表5），其中，長(zhǎng)度最短的矩形平面河口的漲潮主導(dǎo)最弱，線性變化平面河口其次，長(zhǎng)度最長(zhǎng)的指數(shù)型收縮平面河口漲潮主導(dǎo)最強(qiáng)。由于3 種河口在口門(mén)處的斷面相同，因此在口門(mén)附近三者的相位差2θM2-θM4相差不大。隨著潮波繼續(xù)向內(nèi)傳播，由于矩形平面的河口寬度沿程不變，不會(huì)產(chǎn)生較大的由于平面形態(tài)改變而帶來(lái)的能量聚集，加之長(zhǎng)度短，易受徑流的影響，漲潮流流速的增速逐漸減緩，沿程相位差2θM2-θM4從口門(mén)處的2.9°增加到9.34°后逐漸趨于平緩。線性變化平面的河口同樣也由于長(zhǎng)度較短，徑流影響大，因此在河口長(zhǎng)度的前1/3 段由口門(mén)處的3.21°增加了7.39°到10.6°，而后1/3 段相位差僅由17.89°增加了2.94°到20.83°，增幅減弱。而指數(shù)型收縮平面沿程縮窄較快，使得漲潮流速不斷增加，從而導(dǎo)致沿程相位差2θM2-θM4由3.05°不斷增大至59.23°，又因?yàn)閺搅鞫说膶挾日?，徑流流速較大，削弱了漲潮流速，使得相位差2θM2-θM4在靠近徑流端處由59.23°減小至52.79°。

表5 不同平面形態(tài)的沿程相位差均值Table 5 The along-channel averaged relative tidal phases of estuaries with different plan forms

從余流場(chǎng)看，在納潮量相同時(shí)，平面形態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致潮灘與主槽的余流流速不同（圖7）。雖然不同河口的沿程相位差在口門(mén)附近的差異不大，但余流流速不同。指數(shù)型收縮平面的河口主槽流速明顯大于線性變化平面河口與矩形平面河口，并且隨著河口平面形態(tài)的不斷縮窄，主槽的余流流速逐漸增加。對(duì)于線性變化的河口而言，由于河口平面形態(tài)的變化并不劇烈，因此主槽的余流流速增加并不顯著。矩形平面河口的主槽內(nèi)余流流速最小。而對(duì)于潮灘而言，平面形態(tài)的縮窄會(huì)導(dǎo)致潮灘余流流速減小，這表明在納潮量相同時(shí)，河口寬度的快速縮窄會(huì)加大主槽的余流流速，減小潮灘的余流流速。

圖7 不同平面形態(tài)河口的余流場(chǎng)Fig.7 Residual currents in estuaries with different plan forms

隨著河口收縮率的增加，潮波變形加劇，流速和波長(zhǎng)增加，漲潮主導(dǎo)增強(qiáng)[30-31]。在實(shí)際河口中，河口的平面形態(tài)大多沿程發(fā)生收縮（圖8，圖9）。下面通過(guò)強(qiáng)收縮的指數(shù)型收縮河口和弱收縮的指數(shù)型收縮河口兩種不同收縮率的河口來(lái)討論河口平面形態(tài)的不同收縮率對(duì)于潮汐不對(duì)稱(chēng)性的影響。為了消除長(zhǎng)度帶來(lái)的影響，將河口長(zhǎng)度固定為80 km。雖然收縮率不同，但兩者均為漲潮主導(dǎo)型。相位差均沿程緩慢增加，強(qiáng)收縮河口的沿程相位差大于弱收縮河口的沿程相位差，弱收縮平面和強(qiáng)收縮平面的平均沿程相位差2θM2-θM4分別為21.40°和32.73°，這意味著當(dāng)河口的平面收縮率較大時(shí)，由于斷面的快速縮窄導(dǎo)致漲潮流速增大，此時(shí)河口相較于收縮率較小的情況下更傾向于漲潮主導(dǎo)型。從余流圖來(lái)看，平面形態(tài)的收縮會(huì)改變潮灘的落潮主導(dǎo)情況，隨著收縮率的加劇，潮灘向落潮方向的余流流速轉(zhuǎn)向漲潮方向。并且隨著收縮率的增加，主槽的流速逐漸減小，潮灘的流速逐漸增加。從上述研究可以看出，河口平面形態(tài)對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性的影響本質(zhì)是由平面形態(tài)改變引起沿程斷面形態(tài)變化造成的。本發(fā)現(xiàn)也進(jìn)一步驗(yàn)證了其他相關(guān)研究，表明平面收縮較強(qiáng)的河口更傾向于漲潮主導(dǎo)[13,30]。

圖8 不同平面收縮率河口的相位差2θM2-θM4沿程變化Fig.8 Changes of relative tidal phase along the channel in estuaries with different convergence

圖9 不同收縮率河口的余流場(chǎng)Fig.9 Residual currents in estuaries with different convergence

5 結(jié)論

本文通過(guò)二維水動(dòng)力模型模擬了不同斷面形態(tài)和平面形態(tài)的理想河口水動(dòng)力情況，從流速、相位差和余流3 方面進(jìn)行了分析，主要得出以下3 點(diǎn)結(jié)論。

（1）主槽深度會(huì)影響沿程相位差出現(xiàn)峰值的位置和大小，較深的主槽能使峰值出現(xiàn)較晚且峰值更大。此外還會(huì)影響最大落潮流速以及落潮歷時(shí)，主槽越淺，最大落潮流速越小，落潮所需歷時(shí)越長(zhǎng)，河口更傾向于漲潮主導(dǎo)。潮灘大小的變化對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性的影響在主槽較深時(shí)更顯著。窄潮灘傾向于漲潮主導(dǎo)型，寬潮灘傾向于落潮主導(dǎo)型。此外，相較于主槽較淺的河口，潮灘大小的變化對(duì)潮汐不對(duì)稱(chēng)性的影響在主槽較深的河口中更為顯著。

（2）在納潮量相同的情況下，本文設(shè)置了矩形、指數(shù)收縮型以及線性變化3 種平面形態(tài)。在沿程水深不變的情況下，平面形態(tài)的改變不會(huì)影響河口整體的漲落潮主導(dǎo)趨勢(shì)。順直且較短的河口漲潮主導(dǎo)最弱，而平面形態(tài)沿程收縮且長(zhǎng)度較長(zhǎng)的河口漲潮主導(dǎo)型最強(qiáng)。此外，河口寬度沿程縮窄會(huì)加大主槽的余流流速，減小潮灘的余流流速。

（3）收縮型河口的相位差沿程緩慢增加。收縮較強(qiáng)的河口相較于弱收縮河口沿程相位差更大，其漲潮主導(dǎo)特性更為顯著。隨著河口平面收縮率的增強(qiáng)，主槽的余流流速減小，潮灘余流流速增大，潮灘的漲潮主導(dǎo)增強(qiáng)。

最后，值得一提的是河口水動(dòng)力、泥沙、地貌三者相互作用，處在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中。本文尚未考慮泥沙輸運(yùn)及其引起的地貌演變，未來(lái)研究可將泥沙引入，進(jìn)一步揭示河口地貌演變與潮汐不對(duì)稱(chēng)性變化的互饋機(jī)制。