長江口北槽枯季混合與層化特征分析

黃惠明，姚佳輝，王義剛，華 廈

(河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

河口海岸水體中，徑流和潮流的相互作用致使水體在水平和垂直方向上產(chǎn)生密度梯度，并在垂向上產(chǎn)生混合與層化的周期性變化。英國Simpson[1-2]導出了勢能差異變化率公式，同時提出了潮汐應變的概念。Gayer and Maccready[3]提出了潮汐應變環(huán)流概念。國內也有很多學者作過關于混合與層化的研究，大多圍繞長江口和珠江口兩大河口。部分學者通過實地勘測與理論計算對長江口的鹽水入侵、水流結構和鹽度分布進行研究，也有學者對河口的混合層化時空變化和機制進行了深入探討[4-8]。熊龍兵基于Simpson的勢能差異理論，研究了潮汐應變對長江口混合層化的影響[9]；任杰等根據(jù)2009年珠江磨刀門水道的實測水文數(shù)據(jù)，分析了徑流層化、潮汐混合以及風攪動對混合層化的影響[10]；李霞等將潮汐應變理論應用于長江口混合層化的研究中[11]；浦祥等基于潮汐應變的概念及一維和三維勢能差異方程，利用2012年的實測資料對長江口北槽進行了混合與層化分析[12-13]。長江口的混合層化隨著徑流、潮流相互作用的變化具有不同的時空變化特征，以上長江口混合層化的研究數(shù)據(jù)取自2010年和2012年，近幾年長江口的層化特征是否會發(fā)生變化呢？本文將根據(jù)長江口2016年枯季實測資料，采用定性與定量相結合的方法分析長江口北槽區(qū)域枯季大小潮及漲落潮期間水體的混合層化的時空變化特征及主要物理機制。

1 研究背景

長江河口經(jīng)過長期的發(fā)育和演變呈現(xiàn)出三級分汊、四口入海的格局。長江河口為中等潮汐河口，口外為規(guī)則半日潮，口內為非規(guī)則半日潮。長江河口深水航道整治工程位于北槽，包括南導堤、北導堤和19個丁壩(南側9個、北側10個)。本文研究區(qū)域為長江口南支南港的北槽區(qū)域，具體見圖1。

在南港-北槽布置CS0S、CS9S、CS6S、CSWS、CS3S、CS7S、CS4S及CS10S共8條固定垂線(圖2)，測量時間為2016年3月3日至2016年3月12日，測量內容包括流速、流向、溫度、含鹽度等項目，包含大、小兩個代表潮的全潮水文測量數(shù)據(jù)。測量方法采用ADCP與流速儀結合，在海流計施測流速時同時施測水溫，并且采用橫式采樣器采取水樣分析鹽度數(shù)據(jù)。測量方法按照六點法測量，包括水面，0.2h、0.4h、0.6h、0.8h和水底(h為水深)，所有數(shù)據(jù)均為每小時觀測一次。測量期間，上游大通站的平均流量為21 480 m3/s，小潮平均潮差為1.14 m，大潮平均潮差為3.96 m。

圖2 北槽固定垂線測點分布圖Fig.2 Distribution of fixed vertical measuring points of the North Passage

2 研究方法

2.1 混合與層化特征指標

混合層化特征指標是反映河口垂向各層不同密度水體混合層化程度的依據(jù)，常用的指標有勢能差異函數(shù)φ、Richardson數(shù)等。為了定量計算水體混合與層化強度，本文采用Simpson提出的勢能差異函數(shù)φ[14]。

(1)

式中：ρ(z)為垂向的水體密度分布，單位是kg/m3；h為水深，單位為m；g為重力加速度，取9.81 m/s2。φ的物理意義是將單位體積的水體由層化轉變?yōu)橥耆旌蠣顟B(tài)所需的能量，單位是J/m3，φ值越大代表垂向上層化越強，φ等于0表示完全混合，大于0代表穩(wěn)定層化，小于0代表不穩(wěn)定層化。

上式中，水體密度采用Millero等[15]的海水狀態(tài)方程求得，其中t為溫度，s為鹽度：

ρ=ρ0+As+Bs3/2+Cs2

(2)

ρ0=999.842 584+6.793 952×10-2t-9.095 290×

10-3t2+1.001 685×10-4t3-1.120 083×10-6t4+

6.536 332×10-9t5

A=8.244 93×10-1-4.089 9×10-3t+7.643 8×

10-5t2-8.246 7×10-7t3+5.387 5×10-9t4

B=-5.724 66×10-3+1.022 7×10-4t-

1.654 6×10-6t2

C=4.831 4×10-4

2.2 層化機制分析方法

采用Pu X[16]改進的縱向一維勢能差異方程對混合與層化機制進行分析，其中主要影響φ的五種動力因子分別是潮汐應變、重力環(huán)流、河流效應、潮汐攪動和風攪動。重力環(huán)流項指河口縱向密度梯度驅動的環(huán)流與縱向密度梯度相互作用，始終促進層化。河流效應指河流流速在底摩擦的作用下會產(chǎn)生垂向剪切，而垂向剪切與縱向密度梯度相互作用，能夠顯著加劇層化。潮汐攪動和風攪動持續(xù)促進河口的混合。潮汐應變則是在落潮期間促進層化，漲潮期間促進混合。φ隨時間的變化率如式(3)[16]：

(3)

潮汐應變+河流效應+重力環(huán)流+

潮汐攪動+風攪動

3 結果與分析

3.1 水流、鹽度特征分析

3.1.1 流場特征分析

根據(jù)長江口北槽深水航道2016年枯季大潮及小潮期間的各站位流速資料，繪制了各站位的漲落潮垂線平均流速分布圖(圖3)。不論大小潮，北槽水域從上游往下游(從CS0S至CS10S)各垂線的漲、落潮平均流速沿程變化均呈現(xiàn)為中間高兩頭低的形態(tài)，即航槽中段的漲、落潮動力明顯強于北槽出口處，大潮期間規(guī)律性更明顯，并且漲潮動力的沿程變化幅度明顯小于落潮。觀察北槽沿程各站點的漲落潮最大流速分布，測驗期間漲潮測點最大流速為2.43 m/s，出現(xiàn)在北槽彎段的CSWS垂線處大潮期，落潮測點最大流速為4.03 m/s，出現(xiàn)在北槽下段的CS4S垂線處大潮期，其中大潮各站點流速相對小潮更大。

圖3 北槽縱向各站位大小潮流速分布圖Fig.3 Longitudinal distribution of current velocity f each station along the North Passage

圖4中的流速分布可以反映北槽各站點垂向上漲落潮的流速變化，可以看出北槽各站點測驗期間各垂線的漲、落潮測點最大流速多數(shù)出現(xiàn)在表層和近表層，漲潮期部分垂線最大流速極值出現(xiàn)在垂線的中下層。在小潮期，北槽區(qū)域從CS0S至CS7S，漲潮測點最大流速均出現(xiàn)在0.8H或0.6H。

3.1.2 鹽度特征分析

根據(jù)長江口北槽深水航道2016年枯季大潮及小潮期間的實測同步流速流向、溫度、鹽度等水文資料，繪制了漲急、漲憩、落急、落憩四個典型時刻的縱向鹽度、流速分布圖(圖4)，以此來定性分析北槽鹽度特征的時空變化。當鹽度等值線垂直，水體混合均勻；鹽度等值線傾斜程度越大，水體鹽度分層越顯著。

如圖4(a)、(c)、(e)、(g)所示，在枯季小潮的漲落潮期間，北槽中的CSWS站位表底層鹽度差異ΔS為14.96‰～20.06‰，顯示出鹽度層化的漲落潮變化。以3‰鹽度等值線和23‰高鹽度等值線為例分析水體鹽度結構的變化。漲急時刻，3‰的鹽度等值線表層在CS7S站位，底層在CS0S站位，縱向長度為37 km。漲憩時刻，3‰鹽度等值線的表層上溯到CS3S站位，縱向長度縮短為30 km，傾斜度略低，反映出漲潮期間層化的減弱。落急時刻，3‰鹽度等值線底層位置與漲憩時刻相比變化不大，表層下移到CS3S和CS7S之間，縱向長度變長，傾斜度變大。落憩時刻，3‰的鹽度等值線表層下移到CS7S和CS4S之間，縱向長度為40 km，傾斜度達到最大，此時層化在整個潮周期內達到最強。在小潮的漲落潮周期內，北槽鹽度層化區(qū)域集中在CS9S到CS4S之間。相比而言23‰高鹽度等值線在小潮的漲落潮周期內變動幅度不大，等值線底層位置在CS3S附近擺動，上段在北槽口外，整體傾斜度較大，反映出高鹽度水體層化現(xiàn)象較為明顯。其中漲憩時刻23‰高鹽度等值線傾斜度達到最大，近乎水平，表明漲憩時刻北槽中下段水體高鹽度水體分層現(xiàn)象最為明顯。

如圖4(b)、(d)、(f)、(h)所示，在枯季大潮的漲落潮期間，CSWS的表底層鹽度差異ΔS為12.32‰～16.90‰，小于小潮時期CSWS站位的ΔS，且北槽大潮鹽度等值線的傾斜程度小于小潮，得出枯季大潮期間的鹽度層化弱于小潮。大潮期間，漲落潮流速較小潮偏大，漲急時刻，3‰鹽度等值線的表底層均在CS6S到CSWS之間且傾斜度較低，反映出CS6S站位上游水體鹽度混合較為均勻，CS6S下游的CSWS和CS7S之間的7‰、11‰和15‰鹽度等值線有明顯的分層。漲憩時刻，3‰鹽度等值線的傾斜度增加，水體鹽度有明顯層化現(xiàn)象。落急時刻與漲急時刻類似。落憩時刻，3‰鹽度等值線表底層均在CS6S到CSWS之間，等值線接近垂直，表明CS6S以上區(qū)域鹽度無明顯分層。而23‰高鹽度等值線與鹽水楔前端的變化趨勢有著較大的區(qū)別。在漲急、落急以及落憩時刻，雖然鹽水楔前端接近垂直，但高鹽度等值線在水體中上層傾斜度較大，分層現(xiàn)象明顯。在漲憩時刻，高鹽度等值線傾斜度達到最大，潮周期內高鹽度水體分層達到最強。在大潮的漲落潮周期內，漲潮的層化程度強于落潮，并且北槽鹽度層化區(qū)域集中在CSWS和CS7S之間，北槽的上段和下段混合現(xiàn)象顯著。

整體來說，枯季大小潮期間北槽有明顯的鹽水楔結構，小潮期間水體鹽度層化更為顯著。在水體鹽度層化區(qū)域的分布上，小潮的層化范圍要比大潮的層化范圍大。浦祥[12]曾利用2012年2月份長江口北槽枯季的實測資料研究北槽鹽度分布，他發(fā)現(xiàn)2012年枯季小潮鹽淡水界面(以1 psu鹽度等值線劃分)的縱向長度約為7～15 km (主要位于CS0S和CS2S之間，其中CS2S位于2016年CS6S與CSWS中間)，枯季大潮為1～13 km (主要位于NGN4S和CS0S之間，其中NGN4S在CS0S上端)，鹽水楔在枯季小潮、枯季大潮的一個漲/落潮周期內縱向的移動距離分別約為10 km、25 km。相較于2012年，2016年鹽水楔的結構在大小潮期間分層更加顯著，且鹽水入侵距離更遠，原因是由于2016年枯季小潮平均潮差1.14 m，較往年偏小，潮動力偏弱造成的。

3.2 勢能差異的時空變化分析

圖5為利用公式(1)計算得出的枯季北槽各站位在兩個完整的漲落潮周期內的勢能差異值，反映了各站位在漲落潮期間的層化程度。橫坐標為各站位距CS0S的距離，縱坐標為兩個潮周期的時間序列，0～0.5和1～1.5為漲潮，0.5～1和1.5～2為落潮。

在枯季小潮階段，高勢能差異區(qū)域分布在CS9S到CSWS之間。小潮期間勢能差異最大值是225.08 J·m-3，發(fā)生在CS6S的小潮漲憩時刻左右。北槽最上端的CS0S勢能差異平均值為1.64 J·m-3，層化現(xiàn)象不顯著。在一個漲落潮周期內，CS9S，CS6S和CSWS三個站位勢能差異的變化規(guī)律是漲潮期間越來越大，落潮期間越來越小，勢能差異極值出現(xiàn)在漲憩時刻。原因是這三個站位處于鹽水楔的中上端(圖4)，漲潮時鹽水楔向陸地方向推移，導致該站位層化現(xiàn)象增強，反之減弱。而CS3S、CS7S、CS4S和CS10S四個站位的勢能差異變化規(guī)律是從漲潮初期到漲急越來越大，從漲急到漲憩越來越小，從漲憩到落急越來越大，從落急到落憩越來越小。勢能差異的極大值出現(xiàn)在漲急落急時刻，極小值出現(xiàn)在漲憩落憩時刻。原因是漲急落急時刻流速較大(圖3)，水體的剪切作用較強，導致層化作用的增強。

圖5 北槽各站位勢能差異的時間序列圖Fig.5 Time series diagram of potential energy difference between stations along the North Passage

在枯季大潮階段，高勢能差異區(qū)域分布在CS6S和CSWS之間。其中CS6S勢能差異平均值為72.41 J·m-3，勢能差異最大值發(fā)生在漲憩時刻，為191.24 J·m-3；CSWS勢能差異平均值為90.13 J·m-3，勢能差異最大值發(fā)生在漲憩到漲急時刻之間，為183.03 J·m-3。由于大潮期間潮動力較強，流速較大，導致徑流和潮流混合作用增強，因此整體層化現(xiàn)象較小潮減弱。在漲落潮周期內，各站位勢能差異的變化規(guī)律與小潮類似。

對比圖5中枯季小潮和枯季大潮的勢能差異可知，小潮各站點的勢能差異均大于大潮。從小潮到大潮，高勢能差異區(qū)域從CS9S到CS6S之間下移到CS6S到CSWS之間，小潮層化范圍明顯超過大潮。浦祥[12]曾利用2012年2月份長江口北槽枯季的實測資料研究北槽勢能差異變化，得到小潮高勢能差異區(qū)域分布在CS3S和CS7S之間，最大值為250 J·m-3，大潮則在CSWS和CS3S之間，最大值為154 J·m-3。對比2016年和2012年高勢能差異區(qū)域分布變化，小潮較2012年上移15 km，大潮較2012年上移5 km。原因主要是2016年為豐水年，枯季流量較往年較大，且小潮平均潮差1.14 m，較往年偏小，潮動力偏弱，最終造成小潮北槽區(qū)域整體層化現(xiàn)象更為顯著。

3.3 勢能差異變化率的時空變化分析

本節(jié)利用公式(3)計算得到枯季大潮和小潮期間各站位流速、潮汐應變、重力環(huán)流、河流效應、潮汐攪動和總勢能差異變化率的時間序列圖(圖6—圖11)，進而探討它們的對應關系并研究影響混合層化的主要物理機制。由于改進的縱向一維勢能差異方程的計算需要用到縱向密度梯度?ρ/?x，需要結合各站位以及附近的兩個站位進行計算，因此本文選取數(shù)據(jù)較為完整的CS9S、CS6S、CSWS、CS3S、CS7S、CS4S六個站位進行分析。

潮汐應變引起的勢能差異變化率：如圖6—圖11各站位的(b)圖，(?φ/?t)strain在大小潮和不同站位之間的波動幅度都不同，北槽上端CS9S波動幅度較小，下端CS4S波動幅度較大。大潮的潮汐應變值波動范圍在-126.31×10-4W·m-3到86.95×10-4W·m-3之間，而小潮期間的波動范圍則在-20.15×10-4W·m-3到15.70×10-4W·m-3之間，可見大潮的潮汐應變值區(qū)間波動比小潮大。雖然(?φ/?t)strain的波動范圍較大，但是潮汐應變的潮平均值較小，在一個潮周期內對混合層化影響不大。(?φ/?t)strain在漲落潮期間與流速也有著較好的對應關系，在落潮期間為正促進層化，漲潮期間為負促進混合，極值出現(xiàn)在漲急和落急時刻左右。

重力環(huán)流引起的勢能差異變化率：如圖6—圖11各站位的圖(c)，各站位的(?φ/?t)cir均大于0，表明重力環(huán)流不斷促進河口的層化，并且(?φ/?t)cir總體呈現(xiàn)脈沖一樣的波動，極值出現(xiàn)在漲急到漲憩之間，是漲潮期間促進河口層化的主要動力機制。小潮時期(?φ/?t)cir的范圍在0.01～157.98×10-4W·m-3之間，大潮時期(?φ/?t)cir的范圍在0.05～548.09×10-4W·m-3之間，北槽中下段的重力環(huán)流比上段強。由于大潮期間部分站點密度梯度值較大，導致大潮期間(?φ/?t)cir有超過200×10-4W·m-3的特大值，而大部分時間各站位小潮(?φ/?t)cir大于大潮，因為小潮期間強烈的層化能夠顯著減低渦粘系數(shù)Nz，從而抑制垂向混合導致重力環(huán)流的增強[17]。

河流效應引起的勢能差異變化率：河流效應可以評估河流流速的垂向剪切與縱向密度梯度的相互作用對層化可能的影響，與落潮期間潮汐應變的作用機理類似。如圖6—圖11各站位的(d)圖，各站位的(?φ/?t)river均大于0，表明河流效應不斷促進河口的層化，且在落潮期間偏大。小潮時期(?φ/?t)river的范圍在0～14.39×10-4W·m-3之間，大潮時期(?φ/?t)river的范圍在0～131.91×10-4W·m-3之間，總體來說，河流效應潮平均的作用強于潮汐應變項。

潮汐攪動引起的勢能差異變化率：如圖6—圖11各站位的(e)圖，(?φ/?t)stir無論大小潮在各個站位均為負值，表明潮汐攪動在不斷促進水體的混合。小潮(?φ/?t)stir的變化范圍在-7.87×10-4W·m-3～0之間，大潮(?φ/?t)stir的變化范圍在-259.16×10-4W·m-3～0之間，可見大潮(?φ/?t)stir比小潮大1～2個量級。(?φ/?t)stir極大值出現(xiàn)在漲憩和落憩時刻，原因是此時流速較小，水體結構穩(wěn)定；極小值出現(xiàn)在漲急和落急時刻，原因是此時流速較大，水體與底床摩擦強烈，造成水體紊動劇烈，導致(?φ/?t)stir較小。從CS4S到CS9S六個站位潮汐攪動的變化趨勢可知(?φ/?t)stir從北槽下游到上游沿程減小，原因是潮動力決定潮汐攪動強弱，而潮動力沿著北槽向上逐漸減弱。

如圖7、圖8所示，在大潮的落急到漲憩期間，CS6S和CSWS的重力環(huán)流和河流效應之和大于潮汐攪動和潮汐應變，總勢能差異變化率大于0，整體促進水體層化，這正是圖5中大潮期間CS6S和CSWS在漲憩時刻層化現(xiàn)象較強的原因。圖5中北槽中下段CS3S和CS7S在漲急時刻層化現(xiàn)象較強，原因也是如此。并且圖6—圖11中各站位總勢能差異變化率的正極值對應的時刻與圖5中層化高值區(qū)域對應時刻有著很好的一致性，反映出Pu X[16]改進的縱向一維勢能差異方程能夠較好地解釋長江口區(qū)域混合層化的特性。

綜合上述影響混合層化的動力因子的分析，得到水體的混合與層化趨勢由潮汐應變、重力環(huán)流、河流效應和潮汐攪動四者的相對大小決定。其中潮汐應變在漲落潮周期內有一定變化，但潮平均值較小，潮周期內對混合層化影響較弱；重力環(huán)流促進河口層化，是漲潮期促進河口層化的主要動力機制；河流效應在落潮期間偏大，潮平均作用強于潮汐應變，整體促進河口層化；潮汐攪動促進河口混合，北槽下段潮汐攪動強于上段，且大潮比小潮大1～2個量級，削弱了大潮的層化作用。在枯季小潮，落潮流速大于漲潮流速，但潮汐攪動小于河流效應和重力環(huán)流的效應之和，導致小潮強烈的層化現(xiàn)象。在枯季大潮，潮汐攪動效應比河流效應和重力環(huán)流效應之和大，破壞小潮形成的層化結構，導致大潮期間層化現(xiàn)象較弱。

圖6 CS9S站位相關參數(shù)隨時間變化圖Fig.6 Changes of time-related parameters of CS9S station

圖7 CS6S站位相關參數(shù)隨時間變化圖Fig.7 Changes of time-related parameters of CS6S station

圖8 CSWS站位相關參數(shù)隨時間變化圖Fig.8 Changes of time-related parameters of CSWS station

圖9 CS3S站位相關參數(shù)隨時間變化圖Fig.9 Changes of time-related parameters of CS35 station

圖10 CS7S站位相關參數(shù)隨時間變化圖Fig.10 Changes of time-related parameters of CS75 station

圖11 CS4S站位相關參數(shù)隨時間變化圖Fig.11 Changes of time-related parameters of CS45 station

4 結論

1)2016年長江口北槽枯季鹽度呈周期性變化，存在明顯鹽水楔結構，小潮期間層化比大潮更為顯著，層化范圍更大，且鹽度等值線縱向長度更長。

2)枯季小潮勢能差異極值為225.08 J·m-3，大潮勢能差異極值為191.24 J·m-3，小潮勢能差異較大潮更大且范圍更大。在北槽中上段，勢能差異極值出現(xiàn)在轉流時刻，而北槽下段，勢能差異極值出現(xiàn)在漲急落急時刻。對比2012年枯季北槽混合層化研究，得到2016年枯季大小潮高勢能差異區(qū)域更大，且較2012年上移5～15 km。

3)采用改進的一維勢能差異方程研究北槽混合層化機制，得到水體混合與層化趨勢是由潮汐應變、重力環(huán)流、河流效應和潮汐攪四者相對大小決定，并且影響層化的大小潮變化的機制是潮汐攪動、重力環(huán)流和河流效應。

4)影響河口混合層化的四個機制中，潮汐應變的潮平均值較小，潮周期內對混合層化影響較弱；重力環(huán)流是漲潮期促進河口層化的主要動力機制；河流效應在落潮期間偏大，潮平均作用強于潮汐應變，整體促進河口層化；潮汐攪動大潮比小潮大1～2個量級，削弱了大潮的層化作用。