利用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)模擬雙河口羽流相互作用的研究*

戴娟娟 袁野平 宋浩宸

(浙江大學(xué)海洋學(xué)院 舟山 316021)

河口羽流(river plume)是河流淡水流出河口口門后在近岸區(qū)域形成的鹽度較低的水體， 并發(fā)育特有的近岸流場， 一般會(huì)在河口附近形成一個(gè)向海突出的河口渦旋區(qū)(recirculating bulge)， 并在其下游形成沿岸流。河口羽流是沿海系統(tǒng)陸地物質(zhì)和土壤的重要來源， 也是近幾十年來的研究熱點(diǎn)。

關(guān)于單河口羽流結(jié)構(gòu)以及羽流系統(tǒng)中淡水與鹽水環(huán)境之間的混合情況， 前人早有研究。Yankovsky等(1997)通過理論推導(dǎo)出兩個(gè)長度尺度hb和ys， 并認(rèn)為其將直接影響大陸架的上層排放， 其中hb代表羽流平衡深度，ys代表羽流近海范圍。他們還指出在hb＜H且ys＞4Lr的情況下， 會(huì)出現(xiàn)具有循環(huán)渦旋結(jié)構(gòu)的表面平流羽流， 其中H代表河口深度，Lr代表入流羅斯貝變形半徑(Rossby radius of deformation)。在表面平流羽流中， 淡水流出河口后最初通過徑向擴(kuò)散(Garvine， 1987； Yuanet al， 2013)， 隨后由于受到科里 奧利力(北半球)的作用而偏向右側(cè)， 并且沒有進(jìn)一步接觸底部(Yankovskyet al， 1997)。在低風(fēng)及無環(huán)境流體的情況下， 它將形成兩部分結(jié)構(gòu)： 停留在河口附近的循環(huán)渦旋區(qū)及向下游流動(dòng)的沿岸流(Horner-Devineet al， 2006)。當(dāng)河口渦旋區(qū)形成時(shí)， 大部分淡水在河口渦旋區(qū)中循環(huán)形成河口渦旋， 河口渦旋區(qū)將累積河流淡水流量的25%到75%， 而只有小部分淡水將通過沿岸流向下游輸送(Fonget al， 2002； Avicolaet al， 2003a， b； Horner-Devineet al， 2006； Chantet al， 2008)。在大規(guī)模的現(xiàn)場采樣工作中， 前人已經(jīng)觀察到河口渦旋區(qū)的出現(xiàn)和沿岸流的相應(yīng)減少。同時(shí)， 衛(wèi)星觀測也記錄了河口渦旋區(qū)的不穩(wěn)定性及其對(duì)沿海生態(tài)系統(tǒng)的影響(Horner-Devineet al， 2008)。王凱敏等(2012)將夏季長江沖淡水?dāng)U展分為3 個(gè)階段： 第1 階段為射形流階段， 長江徑流直接沖入海并直達(dá)海底； 第2 階段為水舌形態(tài)擴(kuò)展階段， 沖淡水層的位置和運(yùn)動(dòng)受背景流場支配作用明顯； 第3 階段為擴(kuò)散階段， 沖淡水先以較大團(tuán)塊， 后以逐漸變小的水塊隨背景流場運(yùn)動(dòng)。

針對(duì)長江沖淡水?dāng)U展區(qū)域出現(xiàn)的河口渦旋區(qū)現(xiàn)象， 張文靜等(2014)對(duì)該現(xiàn)象開展正壓不穩(wěn)定機(jī)制研究， 主要討論了快波過程(重力慣性波)和慢波過程(余流作用)對(duì)河口渦旋區(qū)的影響。他們的研究表明， 快波過程對(duì)河口渦旋區(qū)基本沒影響， 而在河口渦旋從河口向口外運(yùn)動(dòng)的過程中， 由于水深加大， 慢波過程有利于河口渦旋區(qū)發(fā)展。浦泳修(2002)指出長江沖淡水的擴(kuò)散形態(tài)與臺(tái)灣暖流的強(qiáng)弱、離岸遠(yuǎn)近、離表面的深淺有關(guān)。樂肯堂(1984)等認(rèn)為只有當(dāng)徑流量超過臨界值時(shí)， 沖淡水才會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向， 而顧玉荷(1985)認(rèn)為徑流量越小， 外力越容易使其轉(zhuǎn)向。趙保仁(1991)認(rèn)為冬夏季風(fēng)應(yīng)力渦度的顯著變化是改變長江沖淡水路徑的原因。實(shí)際上， 長江沖淡水的發(fā)展是受到多因子共同影響的， 而不是某個(gè)因子單獨(dú)作用造成的。羽流對(duì)陸架環(huán)流和生態(tài)系統(tǒng)健康的影響取決于羽流的稀釋和運(yùn)輸過程， 其中稀釋過程主要通過垂直混合來控制， 這增加了羽流的鹽度并降低了河流攜帶物質(zhì)的濃度， 羽流中的運(yùn)輸過程則主要由水平對(duì)流控制， 水平對(duì)流主要由羽流浮力驅(qū)動(dòng)， 因此是通過混合作用驅(qū)動(dòng)的(Horner-Devineet al， 2015)。

在自然環(huán)境下， 多河口的場景是很常見的： 這包括一條有多個(gè)出口的河流， 如長江三角洲(Beardsleyet al， 1985)， 密西西比河(Wrightet al， 1971)。更常見的情況是， 當(dāng)來自不同流域且距離相近的多條河流在沿海海域相互作用時(shí)， 可能會(huì)出現(xiàn)重疊和聚結(jié)。例如， 由杜羅(Douro)和米尼奧(Minho)河流產(chǎn)生的西伊比利亞羽流(Western Iberian Buoyant Plume)(Mendeset al， 2016)， 由波河及一系列自亞平寧山脈流出的較小河流形成的西部亞得里亞海沿岸流(Artegianiet al， 1995； Raicich， 1996)， 從多條阿拉斯加沿海山脈小溪流中獲取淡水的阿拉斯加沿岸流(Royer， 1982； Stabenoet al， 2004)， 來自多條小山河的加利福尼亞州南部的沿岸流(Warricket al， 2017)等等。針對(duì)由多個(gè)淡水入流形成的沿岸流情況， 前人也做了一些研究。Yuan 等(2011)提出了一種技術(shù)用于區(qū)分來自不同水源的水團(tuán)， 并將其應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上雙羽流的演變過程。在旋轉(zhuǎn)條件下， 入流的密度差異(Cenedese， 2012)、羽流的相互碰撞(Warricket al， 2017)及羽流與環(huán)境水體間的混合(Cenedeseet al， 2008)決定了兩個(gè)浮力入流之間排列對(duì)齊的情況。

綜上所述， 前人的大多數(shù)研究都集中在單河口羽流模式及雙河口模型測算的羽流重疊結(jié)構(gòu)上， 而關(guān)于多河口羽流與羽流相互作用三維結(jié)構(gòu)的研究仍然較少。但是， 羽流多元互動(dòng)的問題是一個(gè)具有社會(huì)和生態(tài)意義的問題。例如， 多河口場景下羽流的相互作用對(duì)河口渦旋體積的影響非常大， 其同時(shí)又與污染物的命運(yùn)息息相關(guān)。羽流結(jié)構(gòu)中的河口渦旋如果較大， 營養(yǎng)物和污染物可能會(huì)積聚在河口渦旋區(qū)部位， 那么被運(yùn)送到下游的污染物就會(huì)變少， 反之更多的污染物將被運(yùn)送到下游， 從而影響下游人類生存環(huán)境。同時(shí)， 其與有害藻華的存活、幼蟲分散和種群連通性都息息相關(guān)。因此本文針對(duì)羽流與羽流之間的相互作用進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)， 在這項(xiàng)研究中， 我們提出了一種新技術(shù)來獲得羽流的速度場及渦度場， 并模擬了旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上雙羽流系統(tǒng)的準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)。我們對(duì)不同入流速度下的雙河口羽流流場演變過程和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列對(duì)比研究， 最終揭示在雙河口環(huán)境下， 上游河流的入流如何影響下游河口渦旋的形成， 以及羽流與羽流相互作用情形下各個(gè)羽流的演變情況。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與步驟

本文的實(shí)驗(yàn)是在浙江大學(xué)地球流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的半徑為1.5m 的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中進(jìn)行的(圖1)， 實(shí)驗(yàn)水槽的尺寸為 3m×3m×0.5m， 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)基座、平板、實(shí)驗(yàn)水槽、粒子圖像測速(Partical Imagery Velocimetry： PIV)系統(tǒng)、儀器設(shè)備支架、供水系統(tǒng)等構(gòu)成。整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)， 當(dāng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的底座平臺(tái)等速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)， 滿負(fù)載變形率小于0.3mm， 臺(tái)面平整度小于0.1mm。水槽側(cè)面玻璃與底部玻璃保持嚴(yán)格垂直， 這用來確保光可以從側(cè)面進(jìn)入水槽。我們在水槽中使用透明亞克力板搭建有兩個(gè)河口的海岸， 并用兩個(gè)8cm×2cm 的擴(kuò)散器連接到海岸的后部， 以模擬兩個(gè)相鄰的河口， 這兩個(gè)河口相隔48cm(中心到中心距離)。我們在水槽中填充了密度為ρa(bǔ)的鹽水用來模擬海水， 河口區(qū)則用淡水模擬河流注入， 我們結(jié)合控制恒流泵為河口供應(yīng)淡水及使用電動(dòng)位移臺(tái)控制河口閘門的方法， 來模擬河口河流在落潮或漲潮時(shí)的突然注入， 并將兩種不同密度的流體(ρup和ρdown)分別以Qup和Qdown的流速由河口擴(kuò)散器引入圓形水槽中。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置 Fig.1 The experimental set-up

在我們的實(shí)驗(yàn)中， 我們使用PIV 系統(tǒng)來可視化入流流動(dòng)(Horner-Devineet al， 2006)， 并應(yīng)用分層PIV 技術(shù)來獲得準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)(Wanget al， 2017)。我們使用密度為1.04g/cm3， 直徑為20μm 的聚苯乙烯粒子作為PIV 粒子， 并且將粒子密度設(shè)計(jì)為每32×32 pixel 包括大約20 個(gè)顆粒(Cowenet al， 1997)。我們將旋轉(zhuǎn)平臺(tái)兩側(cè)分布的六個(gè)激光器(每側(cè)三個(gè))調(diào)整到相同的水平位置以便照亮水槽平面， 并使用一臺(tái)CCD 相機(jī)以20幀/秒的幀率采集圖像。該相機(jī)被安裝在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的頂部， 距激光平面130cm， 相機(jī)正對(duì)激光平面拍攝， 采集的每個(gè)圖像的物理寬度為120cm×73cm， 像素寬度為1092pixel×1200pixel， 本實(shí)驗(yàn)中每個(gè)像素約代表0.061cm 的長度。在每組實(shí)驗(yàn)的圖像采集過程中， 我們首先在水體表面收集1200 張圖像(持續(xù)三個(gè)旋轉(zhuǎn)周期)， 這使我們能夠觀察到兩個(gè)羽流早期相互作用的演變情況。隨后系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷幽Ｊ剑?PIV 相機(jī)和激光器自表面同步下移， 每次移動(dòng)1cm 并在該層連續(xù)收集150 張圖像， 共下移10 次以獲得每層(共11層)的速度場。我們假設(shè)系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)三圈后是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的(Horner-Devineet al， 2006)， 故我們可以從每層獲得的上游或下游入流產(chǎn)生的羽流速度場構(gòu)建上游或下游羽流的準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)。

關(guān)于實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的誤差解釋如下， 流體密度的變化通常是與折射率的變化相關(guān)聯(lián)的， 而折射率的變化將扭曲入射激光路徑， 從而導(dǎo)致粒子反射的光線和從染料發(fā)出的光線也扭曲， 使得圖像模糊。針對(duì)該問題， 我們在實(shí)驗(yàn)前通過在配置淡水的水箱中加入異丙醇來精細(xì)匹配淡水和鹽水的折射率(Horner-Devineet al， 2006)來解決。針對(duì)可能收集到無效及奇異值數(shù)據(jù)的問題， 在對(duì)不同閾值進(jìn)行一系列測試后， 我們?nèi)コ嗣總€(gè)像素下超過4.5 倍標(biāo)準(zhǔn)差的速度數(shù)據(jù)， 在消除異常值的同時(shí)保證了不影響正常的羽流圖。

1.2 特征參數(shù)及實(shí)驗(yàn)組別

本實(shí)驗(yàn)對(duì)在上游流速改變情況下的雙河口羽流演變情況進(jìn)行了對(duì)比研究。在每組實(shí)驗(yàn)之前， 我們通過在水槽中裝滿鹽水并旋轉(zhuǎn)至少4h 來實(shí)現(xiàn)流體的鋼化(流體相對(duì)水槽保持靜止)。根據(jù)均勻旋轉(zhuǎn)時(shí)間來作為水槽流體達(dá)到鋼性的時(shí)間閾值， 以1/(E1/2f)≈10min(Wedemeyer， 1964)來看， 這個(gè)時(shí)間已經(jīng)足夠長， 其中?？寺鼣?shù)E=ν/fH02， 水黏度ν=1.01×10-6m2/s， 總水深H0=0.25m， 其中f代表科氏力參數(shù)。為了研究雙河口羽流如何相互作用， 我們同時(shí)將兩種浮力流體通過兩個(gè)擴(kuò)散器引入到環(huán)境鹽水自由表面下方的水槽中， 并進(jìn)行了九組實(shí)驗(yàn)。這其中包括四組通過恒流泵改變上游河口流速， 而下游河口流速Q(mào)down保持不變且只在下游河口投放PIV 粒子的羽流實(shí)驗(yàn)， 以及四次其他條件與前四組相同， 但改在上游河口投放PIV 粒子的轉(zhuǎn)臺(tái)羽流實(shí)驗(yàn)。除此之外， 我們還進(jìn)行了一組單一入流(Qup=0)的對(duì)照試驗(yàn)(表1)。

在我們的實(shí)驗(yàn)中， 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)周期T=20s， 擴(kuò)散器(河口)寬度W=8cm， 高度H=2cm。我們根據(jù)每組實(shí)驗(yàn)各自的實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算了其對(duì)應(yīng)與羽流結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)(Fr,Ro)。我們將每對(duì)PIV 實(shí)驗(yàn)都設(shè)計(jì)成具有相同的入流條件， 以獨(dú)立地模擬來自上游和下游羽流之間的相互作用情況和入流的最終命運(yùn)。然而， 由于實(shí)驗(yàn)的限制， 在兩次獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)中不可能完全匹配g'up和g'down， 但每對(duì)實(shí)驗(yàn)中g(shù)'的差異非常小， 處于可以接受的誤差范圍內(nèi)。為了研究上游產(chǎn)生的羽流對(duì)下游產(chǎn)生羽流的影響， 我們將上游河流的流量分別設(shè)計(jì)為下游入流流量的0.5， 1， 1.5 和2 倍。通過PIV系統(tǒng)， 我們預(yù)計(jì)將獲得由上游河口和下游河口產(chǎn)生的每層羽流的速度場， 并據(jù)此得到羽流的準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)， 最終結(jié)合參數(shù)的變化分析上游羽流對(duì)下游羽流的影響。

表1 實(shí)驗(yàn)組別及相關(guān)參數(shù) Tab.1 Experimental groups and parameters

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 上游河口羽流對(duì)下游河口渦旋的抑制作用

在河口開閘后， 淡水羽流開始從河口噴射出來。我們安排PIV 相機(jī)在羽流的表面采集3 個(gè)旋轉(zhuǎn)周期(共1min)共1200 張的圖片。如圖2 所示， 其展示了一組單羽流系統(tǒng)(Qdown=50cm3/s)下游羽流演變情況， 以及兩組雙羽流系統(tǒng)低上游和高上游入流流量條件下的下游羽流演變情況。從速度場中可以清晰分辨出典型羽流的兩個(gè)主要組成部分， 即河口渦旋區(qū)和沿岸流區(qū)(Horner-Devineet al， 2015)。

在單一河口入流(Qdown=50cm3/s)的條件下， 下游淡水流出后向右偏轉(zhuǎn)， 并在河口打開后的一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)重新接觸到海岸(圖2a)。河口渦旋區(qū)呈現(xiàn)出一個(gè)反氣旋渦旋和包圍渦旋的地轉(zhuǎn)射流結(jié)構(gòu)(Horner-Devineet al， 2006； Chen， 2014； Yuanet al， 2018)。在第一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期結(jié)束時(shí)， 沿岸流開始形成。圖2b 的河口渦旋與圖2a 相比明顯增大， 河口渦旋呈現(xiàn)反氣旋旋轉(zhuǎn)， 在接下來的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)周期中， 從圖2c和圖2d 中， 我們均可以觀察到沿岸流的出現(xiàn)， 即水流從河口渦旋區(qū)的右側(cè)位置脫離出來， 撞擊海岸形成沿岸流。我們可以觀察到沿岸流的寬度明顯增加， 這是因?yàn)殡S著時(shí)間的變化， 越來越多的水流從河口渦旋區(qū)中脫離出來形成了沿岸流。我們同時(shí)發(fā)現(xiàn)渦旋面積也在逐漸增大(圖2c， d)， 這說明這兩種情況是同時(shí)發(fā)生的， 即河口渦旋區(qū)在其生長過程的某個(gè)時(shí)刻就會(huì)開始釋放一部分水流， 而不是在其停止生長的時(shí)刻才開始形成沿岸流。在上游入流存在的情況下， 上游河口的羽流在出口的位置也會(huì)形成一個(gè)反氣旋的河口渦旋區(qū)， 隨著時(shí)間的推移， 該水團(tuán)逐漸變大， 并伴隨著沿岸流的出現(xiàn)。但由于下游河口的存在， 已經(jīng)形成的沿岸流會(huì)被卷吸入下游羽流的河口渦旋區(qū)中， 最終從河口渦旋區(qū)中脫離出來， 撞擊海岸形成沿岸流， 該入流條件下下游河口渦旋區(qū)的演變類似于前人對(duì)單河口羽流的實(shí)驗(yàn)研究(Horner-Devineet al， 2006)。然而， 在低上游入流流量(Qup=25cm3/s)和單一河口入流(Qup=0cm3/s)這兩種情況下， 羽流的整體形狀沒有產(chǎn)生顯著差異。當(dāng)上游入流流量為50cm3/s 時(shí)， 圖2e 的河口渦旋與圖2a 相比明顯減小， 在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期結(jié)束后， 圖2f 中已經(jīng)可以觀察到沿岸流的出現(xiàn)， 其較前一種情況(圖2b)出現(xiàn)得更早。這說明隨著上游入流流量的增加， 上游羽流形成的沿岸流對(duì)下游河口渦旋生長的抑制作用和沿岸遷移的促進(jìn)作用都會(huì)顯著增強(qiáng)。圖2h 與圖2d 相比沿岸流的厚度明顯增加， 說明當(dāng)上游羽流有更高的動(dòng)量輸入時(shí)， 將導(dǎo)致沿岸方向出現(xiàn)更強(qiáng)的沿岸流(Horner-Devineet al， 2006)。當(dāng)上游入流流量較大(Qup=100cm3/s)時(shí)， 在第一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期期間， 由于上游沿岸流還未發(fā)展完全， 下游河口處的淡水離開河口后首先向離岸方向噴射， 然后向右偏轉(zhuǎn)形成類圓狀河口渦旋(圖2)。河口渦旋區(qū)的核心區(qū)域的速度變化幾乎是線性的。在靠近海岸 的一側(cè)， 速度迅速降低到零， 而在離岸方向， 速度則是逐漸降低到零的。由于沿岸速度的這種不對(duì)稱變化， 河口渦旋的形狀并不是精確的圓形形狀， 而是偏向海岸一側(cè)。這與前人提出的慣性模型(Fonget al， 2002)以及實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)(Horner-Devineet al， 2006)的結(jié)果保持一致。隨后， 隨著上游羽流形成的沿岸流到達(dá)下游河口渦旋區(qū)位置， 下游河口渦旋在沿岸方向上受到更強(qiáng)的動(dòng)量輸入的影響， 河口渦旋區(qū)變?yōu)轭惾切螤畈⑶艺w上被推移到離河口更遠(yuǎn)的位置(圖2k和圖2l)。這表明上游沿岸流向下游淡水輸送了額外的沿岸動(dòng)量， 因此下游河口出流方向也將不再與海岸保持垂直。這種羽流結(jié)構(gòu)類似于Avicola 等(2003a)討論的入流與河口呈一定角度的情況， 這種情況在Horner-Devine 等(2015)的文章中也有總結(jié)。

圖2 單羽流系統(tǒng)中(a—d)及雙羽流系統(tǒng)中低上游入流流量(Qup=50cm3/s)下(e—h)及高上游入流流量(Qup=100cm3/s)下(i—l)下游(Qdown=50cm3/s)羽流的演變情況 Fig.2 The evolution of downstream (Qdown=50cm3/s) plume with the presence of single plume system (a—d) and plume-to-plume interaction under low upstream river discharge (Qup=50cm3/s) (e—h) and high upstream river discharge (Qup=100cm3/s) conditions (i—l)

2.2 下游羽流河口渦旋區(qū)面積的時(shí)間變化

我們將最大渦度的80%的等渦度線定義為羽流邊緣輪廓， 這很好地指出了河口渦旋區(qū)的邊界。我們 計(jì)算了表面一分鐘內(nèi)， 在不同上游河流排放條件下下游羽流河口渦旋區(qū)域的面積變化。如圖3 所示， 在所有情況下， 河口渦旋區(qū)的面積隨時(shí)間不斷增加， 這一點(diǎn)與前人的研究一致(Horner-Devineet al， 2006)。然而， 該面積增長速率在開始時(shí)較高， 并且在t=2T之后逐漸降低。值得注意的是， 該速率變化高度依賴于上游入流流量， 這一點(diǎn)也驗(yàn)證了Nof 等(2001)關(guān)于河口渦旋區(qū)的理論預(yù)測， 即上游羽流產(chǎn)生的沿岸流可以為平衡下游羽流產(chǎn)生的沿岸流提供動(dòng)量。因此， 特別是在上游入流流量等于或大于下游入流流量的情況下， 隨著上游沿岸流的發(fā)展， 河口渦旋區(qū)的體積增長將開始放緩。在上游入流流量是下游入流流量的兩倍的情況下， 第二次旋轉(zhuǎn)周期后， 河口渦旋區(qū)面積的增長幾乎停止。從旋轉(zhuǎn)三周后的面積來看， 當(dāng)Qup=0cm3/s 時(shí)， 河口渦旋區(qū)的表面積將超過其他所有情況， 這是由于下游河口渦旋區(qū)沒有受到上游的抑制作用所導(dǎo)致的。從2.1 節(jié)我們討論的結(jié)果來看， 隨 著上游河口的流量持續(xù)增加， 它對(duì)下游羽流的抑制作用將逐漸加強(qiáng)， 下游河口渦旋區(qū)面積本應(yīng)當(dāng)逐漸減少。但當(dāng)Qup=75cm3/s 時(shí)， 在三個(gè)旋轉(zhuǎn)周期之后， 其下游羽流河口渦旋區(qū)的表面積甚至超過了Qup=50cm3/s 的情況。我們猜測這種結(jié)果可能是由于Qup=75cm3/s 情況下， 下游羽流形成的河口渦旋中卷吸了更多的上游入流， 這種卷吸效應(yīng)甚至超過了上游羽流對(duì)其的抑制效果。當(dāng)Qup=100cm3/s 時(shí)， 羽流的面積在所有情況中處于最低水平， 造成這種情況的原因可能是上游羽流形成的沿岸流對(duì)下游河口渦旋區(qū)強(qiáng)烈的抑制作用已經(jīng)超過了下游河口渦旋對(duì)上游入流的卷吸效應(yīng)。

圖3 在不同的上游河流排放條件下下游河口渦旋區(qū)區(qū)域面積的時(shí)間序列 Fig.3 Time series of the downstream bulge area under different upstream river discharge conditions

2.3 羽流的準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)

在經(jīng)過3T(旋轉(zhuǎn)周期)的早期羽流演變之后， 河口渦旋將繼續(xù)穩(wěn)定增長到10T， 之后河口渦旋將在單羽流(Horner-Devineet al， 2006)或雙羽流狀況中變得不穩(wěn)定(Yuanet al， 2011)。如圖2 及圖3 所示， PIV 相機(jī)會(huì)在表面采集3T(1min)的圖片， 隨后我們讓它配合激光進(jìn)行同步下移來采集每一層羽流的圖像， 相機(jī)會(huì)在每一層停留7.5s 并采集150 張圖片， 一共下移10次共采集11 層的圖片。采集11 層圖片的總持續(xù)時(shí)間小于5T， 因此我們可以在在羽流變得不穩(wěn)定之前完成觀察。在河口渦旋穩(wěn)定生長的階段， 我們使用這種新穎的分層PIV 技術(shù)單獨(dú)研究每個(gè)羽流(分為上游河口和下游河口)的準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)(圖4， 5)。我們將每層獲取到的渦度場進(jìn)行150 張平均并模擬羽流的準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)圖， 同時(shí)我們在渦度場結(jié)構(gòu)上疊加了水平速度箭頭， 在旋轉(zhuǎn)參考系下垂直速度很小， 故在本研究中忽略不計(jì)。之前的研究表明羽流的垂直結(jié)構(gòu)對(duì)于羽流動(dòng)力學(xué)的研究非常重要(Horner-Devineet al， 2006； Cenedeseet al， 2008； Yuanet al， 2011)， Yuan 等(2011)使用光學(xué)方法研究了相同入流速度條件下兩種羽流相互作用的情況， 但目前關(guān)于垂直結(jié)構(gòu)的研究仍然非常少。我們認(rèn)為這種分層PIV 技術(shù)對(duì)不同入流速度 條件下羽流相互作用的垂直結(jié)構(gòu)的展示是一次重要的嘗試(圖5a， b)。

圖4 單羽流系統(tǒng)中由單一河口產(chǎn)生的羽狀的準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu) Fig.4 Quasi-3D structure of the plume generated by the downstream estuary

需要指出的是， 隨著河口渦旋在沿岸和離岸方向不斷成長， 河口渦旋的演變是一個(gè)不穩(wěn)定的過程(Nofet al， 2001； Horner-Devineet al， 2006)。下游羽流河口渦旋區(qū)的生長在受到抑制的同時(shí)并不會(huì)因上游羽流的存在而完全停止(參見2.1 節(jié)的討論)， 而且每層的圖像并不是同時(shí)拍攝的， 那么當(dāng)我們在較下層(如在t≈8T)拍攝圖像時(shí)， 表面處真實(shí)的河口渦旋其實(shí)已經(jīng)比圖中所示(圖4， 5)的河口渦旋(如在t≈3T)處大得多。因此我們最終得到的三維模型并不完全代表真實(shí)情況， 故將其稱為準(zhǔn)三維羽流結(jié)構(gòu)。

圖5 雙羽流系統(tǒng)中低上游入流流量情況下由上游河口(a， c)和下游河口(b， d)產(chǎn)生的羽狀的準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu) Fig.5 Quasi-3D structure of the plume generated by the upstream estuary (a， c) and downstream estuary (b， d)

我們按照統(tǒng)一的渦度標(biāo)準(zhǔn)來判斷渦旋邊界， 當(dāng)上游入流不存在時(shí)(圖4)， 據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)， 下游河口渦旋的深度可以延伸到表面下方約6cm 處。當(dāng)上游入流流量很小(Qup=25cm3/s)時(shí)， 它對(duì)下游河口渦旋的影響很小。在這種情況下， 下游河口渦旋區(qū)的結(jié)構(gòu)類似于單羽流的情況(圖4)。在Qup=50cm3/s 情況下(圖5a， b)， 即上下游入流流量相同的情況下， 如果上游羽流與下游羽流之間沒有相互作用， 則下游河口形成的河口渦旋應(yīng)與上游河口相同。但我們觀察到上游河口形成的河口渦旋明顯大于下游河口， 這也證明了下游羽流的成長受到了上游羽流的抑制。上游羽流的沿岸流并不是僅僅簡單環(huán)繞在下游河口渦旋周圍， 而是在類似于其自身河口渦旋的高度侵入下游河口渦旋區(qū)。在Qup=100cm3/s 情況下， 下游原有河口渦旋被推向更下游位置， 在遠(yuǎn)離河口的位置形成另一個(gè)河口渦旋(圖5c， d)。

在垂直方向上， 我們可以觀察到高上游入流流量條件下(圖5c， d)的下游河口渦旋深度比低上游入流流量條件(圖5a， b)更淺， 這一點(diǎn)為我們提供了一個(gè)關(guān)于雙羽流河口渦旋垂直結(jié)構(gòu)的新見解。一方面， 在水平對(duì)準(zhǔn)情況下， 下游羽流被上游羽流通過環(huán)境水體完全隔離開來。因此， 在這種情況下， 跨岸物質(zhì)輸送是有限的。另一方面， 在垂直對(duì)準(zhǔn)情況下， 上游羽流位于下游羽流的下方， 故三層結(jié)構(gòu)(下游水體-上游水體-環(huán)境水體)間的垂直分層較弱， 這也會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)羽流之間以及羽流和環(huán)境水體之間的混合增強(qiáng)。我們的實(shí)驗(yàn)首次嘗試研究了復(fù)雜情況下的羽狀垂直結(jié)構(gòu)， 我們希望該研究可以為如Kara Sea(Osadchievet al， 2017)， 西伊比利亞海岸(Mendeset al， 2016)， 或智利中部海岸(Saldíaset al， 2012)等短距離內(nèi)有多條河流流出的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)提供相關(guān)解釋。

3 結(jié)論

我們通過對(duì)不同上游入流速度下的雙河口羽流流場演變過程和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列對(duì)比研究， 最終揭示了在雙河口環(huán)境下， 上游河流的排放如何影響下游河口渦旋的形成及羽流與羽流相互作用情形下各個(gè)羽流的演變。得出以下結(jié)論：

1) 上游河口的羽流在出口的位置會(huì)形成一個(gè)反氣旋的河口渦旋， 隨著時(shí)間的推移河口渦旋逐漸變大， 并伴隨著沿岸流的出現(xiàn)， 但由于下游河口的存在， 已經(jīng)形成的沿岸流會(huì)被卷吸入下游羽流的河口渦旋中， 最終從下游河口渦旋中脫離出來， 撞擊沿岸形成沿岸流。隨著上游入流流量的增加， 上游羽流形成的沿岸流對(duì)下游河口渦旋沿岸遷移的促進(jìn)和離岸運(yùn)輸?shù)囊种谱饔脤⒏语@著；

2) 上游羽流產(chǎn)生的沿岸流可以為平衡下游羽流產(chǎn)生的沿岸流提供動(dòng)量。因此， 特別是在上游入流流量等于或大于下游入流流量的情況下， 隨著上游沿岸流的發(fā)展， 河口渦旋的體積增長也開始放緩。在上游入流流量是下游入流流量的兩倍的情況下， 第二 次旋轉(zhuǎn)周期后河口渦旋區(qū)面積的增長幾乎停止；

3) 當(dāng)Qup=75cm3/s 時(shí)， 在三個(gè)旋轉(zhuǎn)周期之后， 下游羽流河口渦旋區(qū)的表面積甚至超過了Qup=50cm3/s的情況。我們猜測這可能是由于下游羽流河口渦旋區(qū)中卷吸了更多的上游流量， 這種卷吸效應(yīng)甚至超過了上游羽流對(duì)其的抑制效果；

4) 上游羽流的沿岸流并不是簡單地環(huán)繞在下游河口渦旋區(qū)周圍， 而是在類似于其自身河口渦旋的高度侵入下游河口渦旋區(qū)。在上游入流流量較大的情況下， 下游原有河口渦旋被推向更下游位置， 在遠(yuǎn)離河口的位置形成另一個(gè)河口渦旋區(qū)。在垂直方向上， 我們可以觀察到高上游入流流量條件下的下游河口渦旋區(qū)深度比低上游入流流量條件更淺。

本文討論了在雙河口情況下兩個(gè)羽流將如何進(jìn)行相互作用， 且首次嘗試研究了復(fù)雜情況下的羽狀垂向結(jié)構(gòu)。但本文僅考慮了不同上游入流流量的這種情況， 實(shí)際上影響淡水羽流的擴(kuò)散和混合過程的動(dòng)力因素是多樣且多變的。羽流區(qū)既會(huì)受到河流徑流密度變化的影響， 例如河流當(dāng)?shù)亟邓康淖兓叭祟惢顒?dòng)對(duì)當(dāng)?shù)睾恿髅芏仍斐傻挠绊?如破壞植被造成水土流失， 河流密度變大)； 又受地轉(zhuǎn)偏向力的影響， 一方面地轉(zhuǎn)偏向力會(huì)影響河流的流向，另一方面不同緯度地區(qū)地轉(zhuǎn)偏向力大小不同； 而且還受風(fēng)場的影響， 風(fēng)場的存在會(huì)影響羽流垂直方向的混合。上升流風(fēng)使得淡水羽流向東北方向擴(kuò)散，由于風(fēng)生混合的影響， 淡水羽流鹽度在擴(kuò)散過程中逐漸減弱。下降流風(fēng)則使羽流局限在較窄的范圍內(nèi)并使羽流厚度增加。河口-陸架區(qū)的動(dòng)力過程由于這些動(dòng)力因素的共同作用變得異常復(fù)雜，未來我們將對(duì)羽流多元互動(dòng)等具有社會(huì)和生態(tài)意義的問題進(jìn)行更加深入的研究， 這就包括我們對(duì)這些動(dòng)力因素(入流密度， 科氏力， 風(fēng)應(yīng)力)對(duì)羽流的影響進(jìn)一步開展研究并進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析， 以便將來能更好地應(yīng)用于真實(shí)雙河口環(huán)境中不同密度入流， 不同科氏力及風(fēng)應(yīng)力作用條件下雙河口羽流的運(yùn)動(dòng)與歸宿等研究中去。研究淡水羽流的動(dòng)力機(jī)制對(duì)于河口泥沙輸運(yùn)和生態(tài)環(huán)境的變化趨勢具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。