珠江口磨刀門水道枯季咸潮上溯與鹽度輸運機理分析

高時友，陳子燊

（1.中山大學(xué) 地理和規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611）

珠江口磨刀門水道枯季咸潮上溯與鹽度輸運機理分析

高時友1，2，陳子燊1

（1.中山大學(xué) 地理和規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611）

以珠江河口磨刀門鹽度和流速觀測資料為基礎(chǔ)，采用鹽度輸運分解的計算方法對磨刀門鹽度輸運特征進行分析，對比各分解項動力成因和對鹽度輸運貢獻的大小，分析磨刀門水道鹽度分布特征和輸運特征，結(jié)果表明：（1）磨刀門水道鹽度輸運主要由徑流為主要作用的歐拉輸運、潮流剪切輸運和由河口密度梯度產(chǎn)生的垂向環(huán)流輸運為主，其中歐拉輸運方向向海，潮流剪切和重力環(huán)流輸運向陸，兩種不同方向的鹽度輸運在大、小潮期相對強弱的變化，導(dǎo)致了咸潮上溯的增強或者減弱。小潮期間，垂向環(huán)流和潮流剪切輸運大于歐拉輸運，凈輸運方向向陸導(dǎo)致咸潮上溯；大潮期間，垂向環(huán)流輸運顯著減小，凈輸運方向向海導(dǎo)致咸潮后退。（2）洪灣水道鹽度輸運主要以歐拉輸運為主，垂向環(huán)流輸運很小，與磨刀門水道鹽度輸運具有顯著的不同。

咸潮上溯；鹽度輸運；垂向環(huán)流

珠江三角洲枯季咸潮災(zāi)害問題突出，尤其是珠江河口八大口門之一的磨刀門（圖1）咸潮上溯顯著，對居民生活用水、農(nóng)業(yè)用水以及城市工業(yè)生產(chǎn)及其發(fā)展都有相當(dāng)大的影響（胥加仕等，2005）。磨刀門咸潮上溯規(guī)律在小潮期增強，大潮期減弱的現(xiàn)象，與常規(guī)的大潮鹽水上溯強而咸潮災(zāi)害強，小潮鹽水上溯弱而咸潮災(zāi)害弱的河口鹽水運動規(guī)律不一致（包蕓 等，2009）。自2005年以來，珠江河口咸潮上溯引起社會的廣泛關(guān)注，咸潮上溯問題得到大量研究，磨刀門獨特的咸潮上溯過程為研究重點之一。包蕓等（2009）研究了磨刀門水道咸潮上溯過程及規(guī)律，認為小潮期連續(xù)的漲潮流是咸潮上溯強烈的主要原因；盧陳等（2013）通過水槽試驗分析了潮汐強度對咸潮上溯的影響；宋曉飛等（2014）、陳玲舫等（2014）和陳子燊等（2015）分析了磨刀門河道深泓、水文氣象要素的變化特征及其對磨刀門水道咸潮上溯的影響?？傊?，對磨刀門咸潮上溯規(guī)律以及其各個因素之間的相互作用給予了不同角度的解釋。

圖1 磨刀門位置

河口的鹽度輸運是徑流、潮流、凈重力環(huán)流等眾多因素共同作用的結(jié)果，為了研究各種因素在鹽度輸運中的作用，采用鹽度輸運機制分解的方法是了解各項動力因素對鹽度輸運貢獻大小的有效手段。20世紀60年代，Bowden（1963）和Hansen（1967）將余流分解為斯托克斯漂移和歐拉余流，隨后Dyer（1988）和Maccread（1999）進一步發(fā)展了物質(zhì)輸運的計算公式求得單寬斷面的水、沙等物質(zhì)通量。但該方法要求具有詳細的垂向流速、鹽度資料（肖莞生等，2010）。

2009年12月10日至25日磨刀門進行了連續(xù)15 d的咸潮觀測，布置了8條垂線（圖2），范圍包括自竹銀至石欄洲約40 km的河段，主要觀測要素包括鹽度、深度和流速流向等常規(guī)水文要素，采樣間隔每1 h一次，垂向上按間隔1 m施測一次（羅丹，2011）。觀測期流量和潮差見圖3。

圖2 磨刀門測點位置

圖3 觀測期流量和潮差

1 輸運分解計算方法

單寬潮周期平均輸水量為：

單寬鹽度輸移量如下：

各輸運項的表達式及意義如表1所示。

表1 各輸運項的代表意義

2 計算結(jié)果及討論

2.1余流和分層特征分析

表2為磨刀門水道連續(xù)15 d的余流、平均鹽度、分層系數(shù)等特征值計算結(jié)果。歐拉余流反映的是徑流等非周期性作用力的結(jié)果，各站歐拉余流指向河口；斯托克斯余流反映潮汐的抽吸效應(yīng)，其方向指向上游。分層系數(shù)為表底層鹽度差與垂線平均鹽度的比值，其值越小則垂向混合越均勻，反之則分層越明顯。除處于洪灣水道的4#測站外，磨刀門水道上的測站15 d平均分層系數(shù)處于0.56～1.56之間，整體上屬于緩混合類型，但在大潮落憩時刻，垂向鹽度混合較為均勻，分層系數(shù)變小，瞬時存在充分混合狀態(tài)。

2.2鹽度分布特征分析

根據(jù)位于磨刀門水道上的1#～3#、5#～8#測站鹽度數(shù)據(jù)，以1#測站為起點，繪制了小潮（12月11日）和大潮（12月16日）的高低潮位時刻縱向鹽度分布圖（圖4）。小潮時高、低潮位時刻表層均為低鹽水占據(jù)，底層為高鹽水占據(jù)，鹽度等高線呈水平狀，但高潮位時刻漲潮水體呈楔狀切入河道，其頭部等高線局部較為陡峭，而小潮低潮位時鹽水楔向河口移動，等高線則較為平緩。大潮時漲潮水體仍以楔狀切入河道，但漲潮動力強勁，口門外高鹽水大量進入河道，使得鹽度等高線較為陡峭，表底層鹽度差趨于減小，大潮落潮至低潮位時鹽水楔被破壞，高鹽水體退出河道，表底層鹽度趨于一致。由此可見，磨刀門為緩混合性河口，河道鹽度具有日、半月變化特征，在一個半月周期內(nèi)，小潮期垂向流動形式主要為表落底漲狀態(tài)，鹽水由底層不斷侵入河道，垂向鹽度分層顯著，當(dāng)潮流增大后，潮致混合增強（袁麗蓉等，2012），使得大潮落潮末期垂線鹽度基本混合均勻，鹽度等高線呈豎直狀，等高線間距增大。

表2 觀測期間各站余流與分層系數(shù)

圖4 典型時刻縱向鹽度分布

2.3鹽度輸運分析

2.3.1 磨刀門水道縱向鹽度輸運分析

一個完整的半月時段（12月10日-12月25日）鹽度輸運分解計算結(jié)果見表3。從各輸運項對比可以看出，歐拉輸運（T1）、斯托克斯輸運（T2）、鹽度與潮流的潮變化項（T4）、垂向環(huán)流輸運（T5）和垂向潮振動切變項（T8）對鹽度輸運貢獻較大，其他3項輸運量很小。

歐拉輸運項（T1）反映的是徑流等非周期性作用流動輸運的結(jié)果，各站歐拉輸運方向向海。由于鹽度自上而下逐漸增大，歐拉輸運項量值上相應(yīng)的自上而下逐漸增大。

斯托克斯輸運項（T2）是潮流速和水深潮偏差過程存在相位差而產(chǎn)生的輸運。由于水深增大時為漲潮，水深減小時為落潮，且漲、落憩時刻滯后于高、低潮位時刻，導(dǎo)致水深與潮流速的潮偏差值方向相反，使得斯托克斯輸運方向向陸。由于垂線平均鹽度自上而下逐漸增大，斯托克斯輸運量也呈增大的趨勢。

鹽度和潮流的潮變化項（T4）主要是由垂線平均流速和垂線平均鹽度的潮偏差過程存在相位差而產(chǎn)生的輸運，其大小和方向與相位偏差的程度有關(guān)。

垂向環(huán)流項（T5）反映的是流速和鹽度垂向分布差異。由于鹽度垂向偏差值為表負底正，而流速垂向偏差值為表正底負，導(dǎo)致垂向環(huán)流輸運方向總向陸。其大小與分層流狀態(tài)密切相關(guān)，表層與底層流速、鹽度差異越大，則垂向環(huán)流項越大，表底層流速差主要受河口密度梯度力、底摩擦力影響，表底層鹽度差主要與水平對流、垂向混合強度有關(guān)。

垂向潮振動切變項（T8）是由鹽度和潮流垂向變化場產(chǎn)生的輸運，與垂向環(huán)流輸運相似，其方向向陸。

向海輸運項主要為徑流產(chǎn)生的歐拉輸運項（T1），而向陸輸運項則包括了潮汐振動項（T2、T4和T8）和垂向環(huán)流項（T5），其中垂向環(huán)流項在咸潮上溯中起主要作用，潮汐造成的向陸輸運也不可忽視。

2.3.2 磨刀門水道鹽度輸運半月周期分析

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，圖5給出了對鹽度輸運起主要

作用的各輸運項在半月潮周期內(nèi)的變化過程。由縱向鹽度輸運分解分析結(jié)果可知，河口鹽度輸運主要作用包括徑流、潮流、環(huán)流3項。歐拉輸運項（T1）變化過程與來流過程（圖3）基本一致。實際上河口徑流一方面和三角洲來水條件有關(guān)，還與河網(wǎng)汊道分流比有關(guān)。潮變化項（T2、T4、T8）與潮差有關(guān)，呈現(xiàn)大潮大小潮小的特點。垂向環(huán)流項（T5）主要與河口垂向流速、鹽度分布有關(guān)，尤其是和鹽度垂向分布有關(guān)。圖6為1#測站大潮（12月16日）和小潮（12月10日）潮平均鹽度和流速垂線偏差量分布，可見大小潮之間的潮平均垂向流速偏差值相差較小，而由于小潮鹽度顯著分層，大潮鹽度分層減小，大小潮之間的潮平均垂向鹽度偏差值相差較大，導(dǎo)致環(huán)流輸運項呈小潮大、大潮小的變化趨勢。

表3 鹽度輸運分解計算結(jié)果（psu·m·s-1，負值表示向陸輸運）

圖5 各測點輸運通量大小潮變化圖（向海輸運為正值，向陸輸運為負值）

從各項輸運量在半月潮周期內(nèi)的變化幅度來看，變幅較大的是歐拉輸運項和環(huán)流輸運項，其它各項在半月周期內(nèi)的變化幅度小。歐拉輸運量主要與徑流和鹽度變化有關(guān)，而環(huán)流輸運與鹽度和流速垂向分布有關(guān)，即與垂向混合狀況有關(guān)，大潮潮動力造成垂向混合增強，鹽度垂線偏差顯著減小，使得環(huán)流輸運項大潮期間顯著減小。因此在歐拉輸運量變化不顯著的情況下（如5#、6#測站），垂向環(huán)流輸運量的變化決定了凈輸運方向。

圖6 潮平均鹽度和流速垂線偏差量分布

2.3.3 洪灣水道鹽度輸運分析

磨刀門河口形成了一主一支形態(tài)，其中洪灣水道為支汊，其凈泄量分配比約為15%，3#、4#測站均位于分汊口下游。由輸運分解結(jié)果可以看出，位于洪灣水道的4#測站鹽度輸運表現(xiàn)出不同的特征，洪灣水道歐拉輸運占主導(dǎo)作用，其次為斯托克斯輸運，再次為垂向環(huán)流輸運，其它各項均較小，與磨刀門水道具有很大不同。這與洪灣水道的水深、出口形勢有關(guān)。洪灣水道匯入澳門水域，主要由伶仃洋出海。洪灣水道下游為澳門水域，水深較小，表層與底層鹽度比較接近，與磨刀門水道相比，由澳門水域漲入洪灣水道的鹽淡水表層鹽度大而底層鹽度?。▓D7），分層系數(shù)僅為0.15，縱向鹽度梯度相對較小，導(dǎo)致洪灣水道垂向環(huán)流作用較小。

圖7 表、底層鹽度變化

4 結(jié)論

輸運分解是了解輸運動力因素影響的有效方法，磨刀門水道鹽度輸運分解計算結(jié)果顯示，枯季磨刀門咸潮上溯的主要動力是垂向環(huán)流輸運和潮致混合輸運，垂向環(huán)流輸運起主導(dǎo)作用，抑制咸潮上溯的動力是以徑流為主的歐拉輸運。向陸輸運的垂向環(huán)流項在大潮期間顯著減小使得大潮期間凈輸運方向向海，而小潮期間歐拉輸運項減小、垂向環(huán)流輸運增強，使得凈輸運方向向陸，兩個方向輸運量在半月潮周期內(nèi)大小的對比變化決定了咸潮運動方向。洪灣水道作為磨刀門水道的主要汊道，鹽度輸運表現(xiàn)出不同的特征，洪灣水道歐拉輸運占主導(dǎo)作用，其次為斯托克斯輸運，再次為垂向環(huán)流輸運，其它各項均較小，不同于磨刀門水道。

Bowden K F,1963.The mixing processes in a tidal estuary.Air&Water Pollution，7(3):343-56.

Dyer K R，1988.Fine Sediment Particle Transport in Estuaries.Physical Processes in Estuaries，Springer Berlin Heidelberg，295-310.

Hansen D V，1967.Salt balance and circulation in partially mixed estuaries.American Association for the Advancement of Science Publication.

Macready P，1999.Estuarine adjustment to changes in river flow and tidal mixing.Journal of Physical Oceanography，29(4):708-726.

包蕓，劉杰斌，任杰，等，2009.磨刀門水道鹽水強烈上溯規(guī)律和動力機制研究.中國科學(xué)（G輯：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)），39（10）：1 527-1 534.

陳玲舫，陳子燊，黃強，2014.珠江河口磨刀門水道的亞潮振蕩特征及其對水文氣象要素的響應(yīng).海洋通報，33（2）：126-131.

陳子燊，高時友，陳玲舫，2015.珠江口磨刀門水道鹽度變化對水文氣象要素的頻率響應(yīng)特征.海洋通報，34（1）：14-20.

盧陳，袁麗蓉，高時友，等，2013.潮汐強度與咸潮上溯距離試驗.水科學(xué)進展，24（2）：251-257.

羅丹，2011.磨刀門咸潮測驗的實踐.水利技術(shù)監(jiān)督，19（5）：21-23.

宋曉飛，石榮貴，孫羚晏，等，2014.珠江口磨刀門鹽水入侵的現(xiàn)狀與成因分析.海洋通報，33（1）：7-15.

肖莞生，陳子燊，2010.珠江河口區(qū)枯季咸潮入侵與鹽度輸運機理分析.水文，30（3）：10-15.

胥加仕，羅承平，2005.近年來珠江三角洲咸潮活動特點及重點研究領(lǐng)域探討.人民珠江，26（2）：21-23.

袁麗蓉，蘇波，余順超，等，2012.磨刀門河口瞬時鹽度分層狀態(tài)及其動力分析.人民珠江，33（z1）：12-16.

（本文編輯：袁澤軼）

Analysis on salinity transport mechanism for the Modaomen waterway of Pearl River in the dry season

GAO Shi-you1,2,CHEN Zi-shen1

（1.Department of Water Resource and Environment,Zhongshan University,Guangzhou,510275,China; 2.Pearl River Hydraulic ResearchInstitute,Guangzhou,510611,China）

Based on the observation data of salinity and velocity in the Modaomen waterway of Pearl River,the decomposition calculation method of salinity transport was used to analyze the characteristics of salinity transport.Comparing each decomposition term by dynamics and contribution to salinity transport to analyze the characteristics of salinity distribution and transportation in Modaomen,the result shows that:(1)Euler transport,tidal shear transport and vertical circulation transport caused by density gradients play major roles in the salinity transport in Modaomen waterway,and among these,the direction of Euler transport is seaward,and the tidal shear transport and vertical circulation transport are landward. The changes of salinity transport in two different directions at the relative strength of the spring and neap tides result in salt water intrusion increase or decrease.In neap tide,the vertical circulation transport is greater than Euler transport,so the net transport is landward which makes salt water intrusion;in spring tide,the vertical circulation transport is significantly decreased,so the net transport is seaward which makes salt water retreat.(2)In Hongwan waterway,Euler transport is the main way for the salinity transport while the vertical circulation transport is small,which is different from Modaomen waterway.

salt water intrusion;salinity transport;vertical circulation

P343.5

A

1001-6932（2016）06-0625-07

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.06.004

2016-01-26；

2016-03-08

國家自然科學(xué)基金（41371498）；廣東水利創(chuàng)新項目（2009-41）。

高時友（1978-），男，碩士，高級工程師，主要從事河口海岸動力學(xué)研究。電子郵箱：pearlgsy@qq.com。

陳子燊，教授。電子郵箱：eesczs@mail.sysu.edu.cn。