邱立国;韦惺;莫文渊;吴超羽;包芸
【摘 要】Modaomen estuary has been significantly changed by human activities and natural processes over the past decades. In order to study the evolution of the Modaomen Estuary during 1977 - 1988, a long-term (decadal-centennial scales) morphodynamic model which contains a rubble mound module and a waterway dredging mound module is developed to simulate the evolution of the Modaomen Estuary. The long-term simulation method and concept of model verification are discussed. Series of historical bathymet-ric charts are carefully analyzed to verify the model-simulated deposition and trends. The role of the human activities and natural process were separated based on the simulated result and situation analysis. The results of the numerical simulation and the morphodynamic analysis indicate that the sediment deposit of estuary on the west side is bigger than that on the east side, and affected by the riprap and reclamation project the main channel of Hengzhou is eroded by yearly, and the deep trough migrates seawards. However, the top of
the Longshiku channel shows as severe deposition and channel continuously narrowing.%在人类活动的参与下磨刀门河口演变已不再是纯粹的自然过程,而是自然和人类活动共同塑造的过程.建立了一个以过程模拟为主的10～100a尺度的长周期动力形态模型(PRD-LT-MM-10)用于模拟磨刀门河口在人类活动作用下的演变过程.该模型建立在水体运动方程和沉积物输运方程的基础上,应用约简技术对模型输入和计算进行处理,并包含了用于评价和量化人类活动的抛石促淤模块和航道疏浚模块.应用该模型较真实地模拟了磨刀门河口在1977-1988年的动力地形演变过程,并且通过模拟结果和情景分析,合理地分离了人类各种工程活动的长期影响和自然因素在河口演变中的作用.研究表明,治理工程对河口自然发展趋势造成了较大的改造,淤积强度表现为西侧大于东侧.抛石和围垦工程使横洲水道主槽逐年冲刷,深槽外移,而龙屎窟深槽上端则表现为严重淤积,深槽不断缩窄. 【期刊名称】《海洋学报（中文版）》
【年(卷),期】2012(034)004
国家税务总局公告2011年第25号【总页数】12页(P135-146)
百人会【关键词】磨刀门河口;长周期模型;演变
【作 者】邱立国;韦惺;莫文渊;吴超羽;包芸
【作者单位】海南省海洋开发规划设计研究院,海南 海口 570125;中山大学近岸海洋科学与技术研究中心,广东 广州 510275;中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家动力学重点实验室,广东 广州 510301;海南省海洋开发规划设计研究院,海南 海口 570125;中山大学近岸海洋科学与技术研究中心,广东 广州 510275;中山大学近岸海洋科学与技术研究中心,广东 广州 510275;中山大学工学院力学系,广东 广州 510275
【正文语种】吴嘉丽三级中 文
【中图分类】P737.12+1
河口由于其独特的地理位置和丰富的自然资源一直是人类开发利用的重点。在人类活动的参与下，河口的演变成为了人类活动和自然作用共同塑造的过程，而不再是纯粹的自然过程，因而基于人类活动影响下的近岸河口地貌演变的研究受到了研究者的普遍关注。现今对近岸河口长周期地貌形态演变的研究较多采用的方法为历史海图、地形测量数据、卫星遥感数据和GIS等的对比分析。如，van der Wal等利用历史海图、地形测量数据和卫星遥
感数据进行对比，分析了英格兰西北部的Ribble河口近150 a来在人类活动影响下的地形变化［1］；Jaffe等［2］利用系列的历史水深数据讨论了在1856－1983年间美国加利福尼亚州San Pablo湾的地形演变过程；Stanica等［3］利用现场测量和历史海图对比讨论了多瑙河Sulina河口在人类活动影响下近150 a的地形和泥沙输运的变化。虽然上述方法可以较好地反映了所研究区域的历史地貌演变过程和趋势，但上述方法必须基于所研究区域具有较为详细的历史数据和资料的基础上的，同时利用此种方法并不能展现近岸河口在人类活动作用下地形演变的地貌动力过程和机制，特别是一些引起长周期变化的主要小尺度过程（如流体动力、泥沙输运及沉积侵蚀等）。
为了能更好地预测未来近岸河口的地形变化、沉积物沉积特征和对人类的影响，必须很好地理解引起河口地形变化、过程机制变化的主导因素。对近岸河口的管理亦同样需要一系列能够应用不同时间尺度和空间尺度评估和预测的工具。对于短周期、小尺度的问题，利用水动力和其他一些基于过程的模型进行预测能得到令人较满意的结果。对于时间尺度为10～100 a，空间尺度更广阔的问题，方法有所不同，一般采用的是“演绎”模型（“top—down”model）和“混合”模型（“hybrid”model）［4－6］.Blott等［7］在对英格兰西北部的Mersey河口近150 a来在人类活动影响下的地貌演变进行研究时结合了“历史趋势分析”（hi
storical trend analysis，简称HTA）和“地貌专家评估”（expert geomorphological assessment，简称EGA）两种“演绎”方法，量化分析了Mersey河口地形演变和沉积容积变化，并指出了引起Mersey河口地形演变和沉积容积变化的可能因素。HTA主要关注的是历史资料的分析，被用于识别和预测未来的发展趋势，本质上它并不涉及引起河口地形演变和沉积容积变化的因素。以过程模拟为主的长周期数值模型不仅具有一般数学模型的预测能力，还有助于对事件发生过程的理解和辨识，正逐渐引起研究者的关注。此类模型以模拟事件的物理背景分析为基础，耦合小尺度过程上的流体动力、泥沙输运及沉积侵蚀计算，在一定控制或约简技术的导引下可以模拟或预测较长时间尺度上的动力地形变化。纵观国际上的长周期研究，其目标主要集中在岸线变迁、海岸剖面的平衡调整［8］、潮汐通道的封闭、经验平衡关系和海盆充填等［9－11］，模拟的时间尺度也多在中长（季节到年）或极长（地质年代）的尺度上。在较长时间尺度（1 000 a）上的过程模型则以应用于6 ka（hybrid model）珠江三角洲地形演变的PRD—LTMM［12－17］为代表，它是一个以过程模型为主的混合模型，该模型虽也以经典的Reynolds方程为基础，但PRD—LTMM在长周期计算框架中，引入了特殊的控制技术，这就保证了混合模型在处理泥沙沉积总量与空间分布的合理性。模型的验证方法也与一般的长周期模型不尽相同。PRD—LTMM在工程设计学报
模拟千年尺度的地形演变上的贡献是开创性的，在时间尺度（1000a）和空间尺度（三角洲演变）上都填补了长周期过程模型的一项空白。
基于千年尺度地形演变模型PRD—LTMM基本框架下发展而来的十年到百年尺度地形演变模型PRD—LTMM—10，在结合 PRD—LTMM 特殊的控制技术的过程中，作了适于十年到百年尺度地形演变模拟相应的调整和补充。本文主要介绍十年到百年尺度长周期模型的建模和验证思想，并将模型应用于珠江磨刀门河口，探讨在人类活动作用下磨刀门1977－1988年的地形演变规律。
作为多尺度动力地貌因素复合数学模型的一种，长时间尺度数学模型起始于短时间尺度的水流、泥沙运动的计算，但它并不是单单依靠平时所用的短时间尺度数学模型连续计算到需要的时间尺度，这主要因为：（1）现在通用的计算机无法承担这样的计算量；（2）输入条件和计算中产生的“干扰因素”可能被放大，以至于使计算结果的准确性受到严重挑战，所以长周期动力形态模型的成败在很大程度上取决于对不同时间尺度过程进行约简和整合处理［14］。正如 De Vriend等［18］所说：对繁杂信息的简化是长周期模拟中的一个关键问题，它涉及多个层次的简化：输入简化、物理系统或模型简化、输出简化等.它们以不同的方式反映在长周期模拟中。
输入简化主要指对模型边界条件的滤波，也包括对长周期过程中变化较小的一些参数（糙率、扩散系数等）的近似处理。边界输入的简化思想是略去影响较小的行为或过程，考虑用影响长时间尺度地形变化的主要因素来代替直接输入复杂的实际信息。输入简化对计算量和计算时间的节省有显著的意义。
长周期地形演变主要是动力与泥沙在不断改变的边界条件下作用的产物。潮汐和波浪具有从数秒至数月变化的特征时间尺度，在长时间尺度的数值模型中不可能考虑实际潮汐循环的细微过程，需要到一个数量尽量少的潮来取代整个潮循环（年或18.6 a的沙罗（Saros）周期）的方法，使对床底地形的影响效果与整个真实潮循环作用最接近。Latteux［19］和 De Vriend等［18］发现，代表潮的潮差略高于（7%～20%）平均潮潮差。计算代表潮的泥沙输运率和相应的实际潮的长时间尺度的平均输运率时，如果两者在大小和方向上均相等（或相近），则可将模拟时段的潮看作代表潮。在PRD—LTMM—10模型中潮位输入采用了代表潮取代实际潮的方法。
社会学三大奠基人在长周期模拟中计算潮流模型和悬沙模型通常耗费时间较长，即使用最好的计算机，对长尺度模拟也是难以接受的，所以我们必须考虑计算约简的处理方法。De Vriend等［18］提出了一些长周期模拟简化的基本思路：
（1）减少最耗时模块（流、波浪，有时也包括泥沙输运）的调用次数，则可以通过延长地形时间步长的方式；
（2）子模块间的数据传递通过变量或函数调用，而不是通过文件的调用；
（3）床底地形变化较小时，引进流场或波浪场更新的简化方法（连续性修正）；
（4）在较小的时间尺度、空间尺度上采用半经验性的平均算法；
（5）模型整体上的参数化、结构化。
将不同的约简方法应用于不同时间尺度的过程中（水动力过程或地形变化过程），基于潮汐过程的长周期地形模拟可以部分忽略，避免计算每个潮之后都去更新地形的一个有效办法是延长地形时间步长。约简技术包括直接推延法、时间中心推延法和潮汐延展推延法等。对PRD—LTMM—10模型采用潮汐延展推延法。
需要滤除计算中的噪声（包括衰减长时间累积的数字误差），提取有用信息，对地形长周期的变化趋势进行分析。对长周期地形模拟是实现一个高度非线性系统的高度随机过程，
模拟结果中往往会有大量的噪声干扰，在一定程度上掩盖了正确信息，甚至完全取代了正确信息。除了处理好输入滤波、模型简化、了解模型物理机制及给出合理的求解方法与格式外，还要对模拟结果进行正确滤波简化［20］.
长周期地形模拟不能模拟所有的物理过程和过程的所用方面。每个计算模块都在一定的物理近似和参数化下运行。PRD—LTMM—10动力形态模型包括二维水动力潮流模块、二维悬移质输运模块、底床变形模块和用于模拟人类行为作用下的抛石促淤模块、航道疏浚模块。图1是模型中各功能模块的耦合示意图。
在此形态模型仅考虑潮流和河流的共同作用。在珠江三角洲近岸河口波浪作用对河口发育过程的作用与潮流和河流相比是次要的［21］，目前的模型暂时不包括波浪作用。斜压的作用与正压相比，从整体看也是次要的.减少巨大的计算量也是考虑的因素之一。水流运动控制方程为连续方程和二维输运方程：
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