珠江磨刀門河口環(huán)流結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征分析

盧陳，吳堯，楊裕桂，袁菲

(1.珠江水利委員會(huì) 珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611；2.水利部珠江河口治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510611；3.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；4.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東 珠海 519000)

1 引言

河口的動(dòng)力過(guò)程是河口泥沙等物質(zhì)輸運(yùn)和沉積、地貌演變以及河口生態(tài)健康的重要基礎(chǔ)。作為海洋與河流的交匯區(qū)，河口動(dòng)力過(guò)程受到徑流、潮流、密度、灘槽地形、科氏力和風(fēng)等物理要素的共同影響[1–2]。復(fù)雜動(dòng)力環(huán)境和邊界條件驅(qū)動(dòng)形成了平面環(huán)流、重力環(huán)流以及潮汐應(yīng)變環(huán)流等為主導(dǎo)的河口動(dòng)力環(huán)境，也是河口動(dòng)力學(xué)研究的基本問(wèn)題之一，關(guān)系到河口三角洲的水文過(guò)程、生態(tài)環(huán)境、河道變遷和沖淤演變等實(shí)際問(wèn)題，研究環(huán)流結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化特征并探討其物理機(jī)制，有助于提升河口水安全保障能力，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展[3–4]。

由于動(dòng)力條件和地形的空間變化，河口的環(huán)流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)三維分布特征[5]。潮波在不同汊道間的傳播過(guò)程中存在相位差，導(dǎo)致不同支汊軸向的動(dòng)力過(guò)程呈現(xiàn)時(shí)空分布差異[6]，形成的平面環(huán)流結(jié)構(gòu)影響各支汊間懸沙的交換和分配[7–8]。含鹽水體隨漲潮上溯的過(guò)程中，與徑流作用時(shí)呈現(xiàn)層化與混合交替的現(xiàn)象，這種層化作用產(chǎn)生的河口縱向環(huán)流結(jié)構(gòu)亦或是摻混時(shí)的湍流也對(duì)河口處表底層的懸沙輸運(yùn)有重要影響[9]。目前，對(duì)河口平面環(huán)流結(jié)構(gòu)和縱向環(huán)流結(jié)構(gòu)都開(kāi)展了一定程度的研究，但河口平面環(huán)流較多地關(guān)注河口灣等中大尺度的環(huán)流變化特征，如Chesapeake 灣[10]、Ise灣[11]和Delaware 灣[12]等，而且對(duì)于河口縱向環(huán)流中的重力環(huán)流與潮汐應(yīng)變環(huán)流的區(qū)分研究相對(duì)較少[13]。

作為粵港澳大灣區(qū)重要的泄洪納潮口門和珠江河口最大的輸水輸沙通道，磨刀門河口的泥沙運(yùn)動(dòng)在多種動(dòng)力要素作用下形成了中心攔門沙及兩側(cè)東、西汊道的典型地貌形態(tài)（圖1），河口的徑潮相互作用以及典型灘槽形態(tài)反過(guò)來(lái)又進(jìn)一步強(qiáng)化了河口的平面環(huán)流及縱向環(huán)流結(jié)構(gòu)，使之呈現(xiàn)更為復(fù)雜的時(shí)空變化特征[14–15]。準(zhǔn)確識(shí)別磨刀門河口的環(huán)流結(jié)構(gòu)，有助于深入認(rèn)識(shí)磨刀門河口泥沙的搬運(yùn)沉積及攔門沙塑造過(guò)程，能為磨刀門咸潮上溯等水安全治理、磨刀門出海航道布置等實(shí)際問(wèn)題提供理論支撐。

圖1 珠江口和磨刀門河口位置Fig.1 The location of the Zhujiang River and Modaomen Estuary

2 數(shù)據(jù)資料及研究方法

2.1 資料來(lái)源及測(cè)點(diǎn)布置

磨刀門作為典型的徑流型口門，其環(huán)流結(jié)構(gòu)和水沙動(dòng)力隨洪枯季徑流變化而呈現(xiàn)顯著的季節(jié)差異。根據(jù)磨刀門上游馬口站的實(shí)測(cè)徑流資料，其洪枯季多年平均徑流量分別為10 900 m3/s 和3 339 m3/s。磨刀門河口三灶站大潮潮差可超2.5 m，小潮潮差則不足1 m，大小潮潮動(dòng)力的周期性變化顯著。河口口門區(qū)含沙量則呈現(xiàn)空間分布差異，洪季平均含沙量介于0.04～0.08 kg/m3，而枯季平均含沙量則介于0.01～0.02 kg/m3。

本研究選取包含洪枯季的河口潮流、鹽度連續(xù)觀測(cè)資料，分析磨刀門河口環(huán)流動(dòng)力的時(shí)空變化特征。2016 年，珠江水利科學(xué)研究院在珠江河口成功投放12 個(gè)原型觀測(cè)浮標(biāo)站，其中磨刀門河口共布置3 個(gè)測(cè)站（圖1），通過(guò)聲學(xué)多普勒流速儀、OBS3A、風(fēng)速風(fēng)向儀等，分別監(jiān)測(cè)其流速、流向、鹽度、濁度、風(fēng)速、風(fēng)向等要素。本文重點(diǎn)選用3 個(gè)測(cè)站的2019 年6 月（洪季）和2019 年10 月（枯季）流速、流向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各測(cè)量要素的觀測(cè)頻率為15 min，聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)量的流速流向垂向分層設(shè)置為0.2 m 每層。

2.2 測(cè)點(diǎn)位置

如圖2 所示，磨刀門河口測(cè)站分別布置于原灘槽格局的出口、東汊及西汊位置。其中A8 測(cè)站位于磨刀門水道出口大橫琴水文站西側(cè)，水深約為6 m，A9 測(cè)站位于原東汊槽道上，水深約為3 m，A10 測(cè)站位于西汊槽道出口，水深約為4.2 m，站點(diǎn)具體坐標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)站位置表Table 1 The field measured sites

圖2 珠江河口原型觀測(cè)平臺(tái)站點(diǎn)位置Fig.2 The location of the prototype observation platform in the Zhujiang River Estuary

2.3 研究方法

2.3.1 重力環(huán)流

基于分?匯汊道同步觀測(cè)資料計(jì)算縱向密度梯度?ρ/?x，進(jìn)而定量計(jì)算重力環(huán)流[9]：

式中，?ρ 為表底層的密度差；?u為速度差。

2.3.2 潮汐應(yīng)變環(huán)流

混合參數(shù)是衡量潮汐應(yīng)變環(huán)流的重要參考，可以用來(lái)研究潮汐應(yīng)變環(huán)流的變化特征。本研究引入混合參數(shù)M區(qū)分垂向環(huán)流結(jié)構(gòu)中的潮汐應(yīng)變環(huán)流，混合參數(shù)M定義如下[16]：

式中，CD為底部拖曳系數(shù)；uT為水深平均的潮流幅值；ω為相應(yīng)的潮流圓頻率；N0=(βgsocean/H)1/2為河口最大鹽度層化所對(duì)應(yīng)的浮力頻率，β ?7.7×10?4為鹽度膨脹系數(shù)，相應(yīng)的socean為河口可能出現(xiàn)的表底層最大鹽度差異；H為總水深?；旌蠀?shù)M代表了潮汐時(shí)間尺度和混合時(shí)間尺度之比，當(dāng)M>1 時(shí)，混合時(shí)間尺度小于潮汐時(shí)間尺度，潮周期內(nèi)出現(xiàn)混合和層化的交替變化，當(dāng)M<1 時(shí)，混合時(shí)間尺度大于潮汐時(shí)間尺度，河口呈部分混合或強(qiáng)層化特征[13]。

2.3.3 河口余流

河口余流的物理機(jī)制除了受徑潮作用的影響，還受風(fēng)和縱向密度梯度的影響[17]。由于河口余流的周期遠(yuǎn)大于潮流，本文基于分–匯汊道洪枯季大小潮同步水流觀測(cè)資料，使用低通濾波器定量計(jì)算河口余流。8 階Butterworth 濾波器是定量汁算河口余流的有效方法，公式如下：

式中，H為濾波增益，半增益周期設(shè)置為48 h 以去除半日/全日周期的潮流信號(hào)；f為頻率，而fc為半增益對(duì)應(yīng)的頻率；?t為時(shí)間間隔；n為濾波的階數(shù)。值得注意的是，驅(qū)動(dòng)潮汐應(yīng)變環(huán)流的物理機(jī)制為潮汐混合不對(duì)稱，因此潮汐應(yīng)變環(huán)流同樣具有明顯的潮周期信號(hào)，在低通濾波時(shí)可被有效地去除。

3 潮流特征分析

3.1 全年流速統(tǒng)計(jì)分析

在磨刀門河口，口門處（A8 測(cè)站）潮流受河道邊界約束，漲、落潮流向基本與河道走向一致，呈西北–東南向；攔門沙東汊（A9 測(cè)站）、西汊（A10 測(cè)站）漲、落潮流與深槽走向基本一致，東汊潮流為西北–東南向，西汊潮流接近南–北向。受徑流作用，河口各測(cè)站落潮流速顯著大于漲潮流速，西汊年平均落潮流速為0.43 m/s，漲潮流速為0.23 m/s，落潮流速接近漲潮流速兩倍；東汊年平均落潮流速為0.29 m/s，漲潮流速為0.2 m/s，東西汊漲潮流速較為接近，西汊落潮流速顯著大于東汊（表2）。

表2 珠江口原型觀測(cè)站磨刀門水域測(cè)站平均流速和流向Table 2 The statistical data of average flow velocity and direction at Modaomen based on the prototype observation platform in Zhujiang River Estuary

3.2 典型時(shí)空差異分析

選取典型洪枯季（2019 年6 月和10 月）磨刀門河口東西汊的潮流觀測(cè)資料，研究磨刀門河口東、西汊潮動(dòng)力的大小潮及洪枯季差異。西汊水動(dòng)力強(qiáng)度明顯大于東汊，東汊整體以東南–西北向漲落潮往復(fù)流為主，西汊則為南向略偏西落潮流主導(dǎo)，漲潮動(dòng)力較弱且流向較為散亂。洪季整體落潮動(dòng)力強(qiáng)于漲潮動(dòng)力，枯季西汊漲落潮動(dòng)力較為相當(dāng)，漲落潮動(dòng)力受徑流季節(jié)變化影響顯著。除此之外，漲落潮流速、流向隨著周期性大小潮變化呈現(xiàn)波動(dòng)特征（圖3），西汊大潮期流速最大可超過(guò)1 m/s，小潮期流速最大僅為0.5～0.7 m/s；東汊大潮期最大流速接近0.5 m/s，小潮期最大流速基本不足0.3 m/s。

圖3 2019 年6 月（洪季）（a）和10 月（枯季）（b）東、西汊流速流向和潮位特征Fig.3 The characteristic of flow velocity,direction and tidal level at east and west branches in June(flood season) (a) and October (dry season) (b) 2019

進(jìn)一步研究洪枯季磨刀門河口漲落急最大流速、漲落潮平均流速及歷時(shí)的時(shí)空變化特征，洪季落潮動(dòng)力顯著大于漲潮動(dòng)力，西汊落潮動(dòng)力顯著大于東汊，西汊洪季落潮平均流速約為0.4 m/s，東汊洪季漲潮平均流速則約為0.15 m/s（圖4a，圖4b）。枯季磨刀門河口漲潮動(dòng)力略有增強(qiáng)，落潮動(dòng)力相應(yīng)減弱。由于西汊在枯季仍為主要的徑流下泄通道，因此其洪枯季差異較不明顯；東汊則存在顯著的洪枯季差異，枯季漲潮動(dòng)力顯著增強(qiáng)甚至大于落潮，落潮動(dòng)力顯著降低，其中最大落急流速僅為0.58 m/s，比洪季落急流速減小0.24 m/s，而東汊枯季漲潮平均流速增大至0.15 m/s，其洪季漲潮平均流速僅約為0.1 m/s。

其次，東、西汊的大小潮流速，尤其是流向存在顯著的差異。整體來(lái)看，西汊為磨刀門河口主槽，動(dòng)力作用較強(qiáng)，以西南向落潮流為主導(dǎo)，小潮期基本無(wú)漲潮流，大潮期存在較弱的東北向漲潮流；東汊水深較淺，動(dòng)力明顯較弱，以東南向落潮動(dòng)力為主導(dǎo)，漲落潮流向較為散亂，大潮期漲潮動(dòng)力增強(qiáng)，出現(xiàn)西北向漲潮流（圖3）。

從圖4c 中可以看出，洪季東、西汊的落潮流歷時(shí)均超過(guò)16 h，漲潮流歷時(shí)均不足8 h，東、西汊的漲落潮歷時(shí)較為接近，東、西汊主要表現(xiàn)為同漲或同落?？菁疚縻饴涑绷鳉v時(shí)為15.6 h，遠(yuǎn)超過(guò)漲潮流歷時(shí)9.2 h；東汊則基本相反，其落潮流歷時(shí)僅為9.0 h，漲潮流歷時(shí)為15.8 h。

圖4 洪枯季漲落潮流速、歷時(shí)差異Fig.4 The flood and ebb tide flow,duration difference at wet and dry seasons

4 環(huán)流結(jié)構(gòu)分析

4.1 平面環(huán)流特征分析

從圖5 可以看出，磨刀門河口洪季東、西汊漲落潮流歷時(shí)基本一致，枯季東、西汊漲落潮流歷時(shí)則存在明顯的差異，枯季西汊落潮歷時(shí)比漲潮歷時(shí)長(zhǎng)約6 h，表明西汊枯季以落潮流主導(dǎo)，東汊反之。因此，枯季磨刀門河口在潮周期一定時(shí)段內(nèi)呈現(xiàn)東漲西落的平面環(huán)流形態(tài)。為進(jìn)一步分析平面環(huán)流形態(tài)的洪枯季、大小潮差異，選取洪枯季大小潮時(shí)刻進(jìn)行對(duì)比分析。從圖5a 可以看出，洪季大潮時(shí)，徑流動(dòng)力和潮動(dòng)力均較強(qiáng)，東、西汊的漲落潮基本同步，漲潮流速均超過(guò)0.2 m/s，落潮流速超過(guò)0.6 m/s，此時(shí)，磨刀門河口不存在平面環(huán)流形態(tài)。洪季小潮時(shí)，徑流動(dòng)力占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，東、西汊均以落潮動(dòng)力為主導(dǎo)，西汊均為落潮流，對(duì)槽道的沖刷塑造作用最強(qiáng)，最大流速接近0.8 m/s（圖5b），東汊在漲潮時(shí)刻徑潮動(dòng)力較為相當(dāng)，流速較小且漲潮流不明顯。

對(duì)于枯季大潮，潮動(dòng)力作用相對(duì)較強(qiáng)。東汊由落轉(zhuǎn)漲時(shí)，西汊仍處于落潮階段，西汊由落轉(zhuǎn)漲的時(shí)刻滯后東汊約3 h，表明在此期間，東、西汊呈現(xiàn)東漲西落的平面環(huán)流形態(tài)，東汊漲潮最大流速接近0.4 m/s。而后西汊由漲轉(zhuǎn)落時(shí)，東汊仍為漲潮流，兩者相差約3 h，此時(shí)河口仍呈現(xiàn)東漲西落的平面環(huán)流形態(tài)（圖5c）。對(duì)于枯季小潮，在漲落潮轉(zhuǎn)流時(shí)刻，東、西汊同樣呈現(xiàn)東漲西落的平面環(huán)流結(jié)構(gòu)，但其持續(xù)時(shí)間較短，約1～2 h（圖5d）。綜上可知，洪季徑流作用相對(duì)較強(qiáng)時(shí)，大小潮期磨刀門河口東、西汊漲落潮基本同步，表明強(qiáng)徑流作用會(huì)抑制平面環(huán)流的產(chǎn)生。對(duì)于枯水期，尤其是大潮期潮動(dòng)力較強(qiáng)時(shí)，轉(zhuǎn)潮時(shí)刻前后是平面環(huán)流出現(xiàn)的時(shí)機(jī)。

圖5 平面環(huán)流的時(shí)空分布特征Fig.5 Temporal and spatial distribution characteristic of the plane circulation

4.2 重力環(huán)流時(shí)空變化特征分析

結(jié)合磨刀門出口A8 原型觀測(cè)平臺(tái)資料，計(jì)算河口東、西汊的縱向密度梯度，進(jìn)而利用式（1）的理論方法定量計(jì)算重力環(huán)流的時(shí)空變化特征。從圖6 可以看出，河口東、西汊均呈現(xiàn)表層向海、底層向陸的重力環(huán)流形態(tài)，且表現(xiàn)出一定的時(shí)空差異性。

圖6 重力環(huán)流時(shí)空變化特征Fig.6 Temporal and spatial variations characterisitic of gravity circulation

從東西汊差異來(lái)看，磨刀門西汊水深相對(duì)較大，西汊的重力環(huán)流強(qiáng)度大于東汊，西汊局部時(shí)段表層向海重力環(huán)流流速超過(guò)0.25 m/s，東汊表層向海重力環(huán)流流速最大約為0.2 m/s，東、西汊底層向陸重力環(huán)流流速差異相對(duì)較小。

此外，河口重力環(huán)流強(qiáng)度還呈現(xiàn)明顯洪枯季及大小潮變化特征。從洪枯季差異和大小潮差異來(lái)看，當(dāng)縱向密度梯度力較小時(shí)，枯季大潮期重力環(huán)流強(qiáng)度相對(duì)較大，小潮期重力環(huán)流強(qiáng)度有所減小，表層向海重力環(huán)流流速基本不足0.2 m/s，表明大潮期層化作用相對(duì)較強(qiáng)，小潮期表底層水體混合相對(duì)較好。洪枯季的重力環(huán)流同樣呈現(xiàn)明顯差異，枯季重力環(huán)流強(qiáng)度整體略大于洪季，對(duì)于西汊，枯季底層垂向環(huán)流強(qiáng)度相對(duì)較大，表明枯季河口的層化作用較為顯著。實(shí)際上，河口沿程重力環(huán)流強(qiáng)度呈現(xiàn)不同的洪枯季及大小潮變化特征。對(duì)于磨刀門河口東、西汊中部，在潮流作用占主導(dǎo)的枯季大潮期，重力環(huán)流強(qiáng)度相對(duì)較大。而對(duì)于河口不同空間位置處在洪季小潮期，徑流作用主導(dǎo)時(shí)層化作用較強(qiáng)，重力環(huán)流現(xiàn)象明顯。

5 環(huán)流的動(dòng)力機(jī)制

5.1 平面環(huán)流

影響河口平面環(huán)流形態(tài)的因素包括科氏力、灘槽地形、風(fēng)以及沿岸流等物理要素?？剖狭κ沟煤涌谙滦箯搅鞔嬖谙蛭髌D(zhuǎn)的趨勢(shì)，因此在科氏力作用下，磨刀門河口無(wú)論洪枯季落潮流均以西汊為主槽，其水流水動(dòng)力明顯強(qiáng)于東汊。目前磨刀門西汊槽道深度約為4.2 m，東汊相對(duì)較淺，枯水期在科氏力作用下，徑流量較小的下泄水流出現(xiàn)主要集中于西汊較深河槽，是導(dǎo)致枯季磨刀門河口東漲西落平面環(huán)流形態(tài)的重要原因。此外，灘槽地形也可直接影響平面環(huán)流的形成機(jī)制，由于不同汊道的長(zhǎng)度、寬度、深度、平面形態(tài)等幾何構(gòu)型以及底摩阻等物理特性的不同，使得潮波在不同潮汐汊道間的傳播存在振幅和相位的差異，在Berau 河口相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)灘槽地形導(dǎo)致相連汊道的相位差超過(guò)2 h，是形成平面環(huán)流結(jié)構(gòu)的重要物理機(jī)制[18]。

在南海東北季風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下，冬季磨刀門口海域具有穩(wěn)定西南向沿岸流，夏季磨刀門河口大小潮期的沿岸流特征各異，其受徑流和季風(fēng)共同影響?？菁痉€(wěn)定的沿岸流形態(tài)有利于平面環(huán)流結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。總體來(lái)說(shuō)，在漲落潮轉(zhuǎn)潮期，東漲西落的平面環(huán)流形態(tài)有利于兩汊中間位置處泥沙捕集，是促進(jìn)磨刀門河口攔門沙發(fā)育的動(dòng)力機(jī)制。而穩(wěn)定的攔門沙及兩側(cè)汊道的灘槽形態(tài)，反過(guò)來(lái)亦是河口平面環(huán)流產(chǎn)生的重要物理要素，這反映了河口環(huán)流動(dòng)力過(guò)程與灘槽形態(tài)的互饋?zhàn)饔谩?/p>

5.2 河口縱向環(huán)流

水面縱向比降引起的正壓效應(yīng)、由鹽水入侵引起的斜壓效應(yīng)與底摩擦引起的湍流混合效應(yīng)之間保持平衡狀態(tài)。早期研究中假定垂向上水體混合是恒定的，經(jīng)典的河口縱向環(huán)流理論認(rèn)為，河口鹽淡水混合產(chǎn)生的縱向鹽度梯度與河床縱向底坡度相互作用是其產(chǎn)生的物理機(jī)制，忽略了垂向混合和層化作用（垂向鹽度梯度變化）對(duì)縱向環(huán)流的影響[1]。實(shí)際上，僅由斜壓力，即縱向密度梯度驅(qū)動(dòng)的河口縱向環(huán)流稱為重力環(huán)流，是河口縱向環(huán)流的重要組成部分[19]。在前述研究中，在潮流作用占主導(dǎo)的枯季大潮期，重力環(huán)流強(qiáng)度相對(duì)較大，是河口縱向環(huán)流的重要組成成分。而在洪季較強(qiáng)的徑流作用下，重力環(huán)流流速相對(duì)較小，河口垂向上水體混合較好。在長(zhǎng)江口等一些國(guó)內(nèi)外的重要河口研究中均發(fā)現(xiàn)，鹽淡水混合引起的重力環(huán)流是河口縱向環(huán)流的重要組成部分[20]。對(duì)于弱層化型和部分混合型河口而言，重力環(huán)流則不是形成河口縱向環(huán)流的主要因素，如德國(guó)萊茵河口，美國(guó)哈得孫河口。本研究在磨刀門河口中對(duì)此進(jìn)一步加以證實(shí)，因此經(jīng)典理論中的重力環(huán)流在磨刀門的河口縱向環(huán)流物理機(jī)制研究中具有重要的指導(dǎo)意義。

實(shí)際上，除了重力環(huán)流，表征垂向水體在潮間混合和層化狀態(tài)交替變化的潮汐應(yīng)變環(huán)流也同樣是河口縱向環(huán)流的重要組成部分，其驅(qū)動(dòng)機(jī)制主要為潮汐混合不對(duì)稱性。為了深入分析磨刀門河口縱向環(huán)流的動(dòng)力結(jié)構(gòu)，區(qū)分重力環(huán)流和潮汐應(yīng)變環(huán)流對(duì)河口縱向環(huán)流的影響程度[9]。本研究進(jìn)一步引入混合參數(shù)M，探討潮汐應(yīng)變環(huán)流的時(shí)空變化特征。洪季混合參數(shù)整體大于枯季，大潮期混合參數(shù)大于小潮期?？菁拘〕睍r(shí)，混合參數(shù)M為0.6～0.75，小于臨界值1，表明此時(shí)水體的混合時(shí)間尺度長(zhǎng)于潮汐時(shí)間尺度，沒(méi)有形成充分混合及層化的交替變化狀態(tài)，這可能與枯季小潮時(shí)河口整體動(dòng)力條件較弱有關(guān)。洪季大潮時(shí)混合參數(shù)為1.51～1.89，均大于臨界值1，表明磨刀門河口水體的層化與混合交替狀態(tài)驅(qū)動(dòng)顯著的潮汐不對(duì)稱性，從而產(chǎn)生潮汐應(yīng)變環(huán)流，進(jìn)而增強(qiáng)河口縱向環(huán)流強(qiáng)度。而洪季小潮和枯季大潮時(shí)混合參數(shù)較為接近，分別為1.05～1.55 和1.03～1.47，變化范圍整體均大于1，表明存在一定程度的潮汐應(yīng)變環(huán)流作用，但其數(shù)值小于洪季大潮的混合參數(shù)，這可能是由于洪季小潮較強(qiáng)的徑流動(dòng)力以及枯季大潮較強(qiáng)的潮動(dòng)力對(duì)河口水體周期性的層化與混合存在一定的抑制作用。由于目前混合參數(shù)與潮汐應(yīng)變環(huán)流的定量關(guān)系尚未得到深入揭示，因此無(wú)法量化計(jì)算潮汐應(yīng)變環(huán)流的具體大小，本研究?jī)H作為不同洪枯季、大小潮期間其對(duì)河口縱向環(huán)流貢獻(xiàn)的參考。

5.3 物質(zhì)輸運(yùn)

通常來(lái)說(shuō)，河口余流可以用來(lái)表征泥沙等物質(zhì)的輸移方向。計(jì)算余流常用若干個(gè)潮周期內(nèi)平均或者利用濾波法去除主要分潮，在此基礎(chǔ)上研究磨刀門河口東西汊洪枯季、大中小潮的垂向多層余流特征，分析東西汊在不同徑潮動(dòng)力下垂向的物質(zhì)輸運(yùn)特征。

從圖7 可以看出，磨刀門河口的余流呈現(xiàn)明顯的表底層差異性和時(shí)空分布特征。洪季西汊呈現(xiàn)大量徑流，在不同潮型下表底層余流方向均指向下游，此時(shí)潮動(dòng)力僅對(duì)西汊的余流強(qiáng)度有所影響，而不改變余流方向，小潮期表層余流流速超過(guò)0.6 m/s，中層余流流速約為0.5 m/s，大潮和中潮期中上層余流流速約為0.3 m/s，相比小潮條件下余流流速減?。▓D7a）。由于枯季河口下泄徑流量減少，枯季西汊的余流流速明顯減小，小潮期垂向上余流方向均指向下游，表層余流流速可達(dá)0.4 m/s，大潮和中潮條件下余流流速較小，基本介于–0.1～0.1 m/s，整體來(lái)說(shuō)徑潮作用較為相當(dāng)，呈現(xiàn)正壓驅(qū)動(dòng)的表層余流向海而斜壓驅(qū)動(dòng)的底層余流向陸，從余流的垂向結(jié)構(gòu)看也表現(xiàn)為垂向環(huán)流結(jié)構(gòu)（圖7b），但由于大中潮期余流強(qiáng)度較弱，整體對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)的作用相對(duì)較小。對(duì)于東汊，無(wú)論洪枯季垂向的余流均表現(xiàn)為表層向海、底層向陸的分布特征。其中洪季表層向海余流相對(duì)較大，余流大小為0.2～0.3 m/s，近底層向陸余流量值超過(guò)0.1 m/s（圖7c），枯季東汊表底層的余流強(qiáng)度較為相當(dāng)，表底層最大余流均接近0.2 m/s，而方向相反，不同潮型條件下對(duì)余流強(qiáng)度的影響較?。▓D7d）。由于與河口灘槽地形塑造息息相關(guān)的泥沙運(yùn)動(dòng)主要集中在近底層，由于洪枯季條件下東汊底層的余流方向均向陸，因此東汊泥沙呈現(xiàn)向陸推移的趨勢(shì)，這與近幾年?yáng)|汊汊道淤積特性基本一致。

圖7 垂向河口余流的時(shí)空變化特征Fig.7 Temporal and spatial variations characteristic of vertical residual flow

結(jié)合前述分析可知，洪枯季不同徑流作用下對(duì)磨刀門河口垂向的余流影響顯著，無(wú)論東、西汊的垂向余流結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出明顯的洪枯季差異。潮差大小同樣關(guān)系到河口余流的分布特征，尤其對(duì)于洪季西汊，不同潮差作用下余流強(qiáng)度變化明顯，但不改變余流方向。潮差大小總體來(lái)說(shuō)與底層向陸的余流強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，而對(duì)表層的余流具有抑制作用。此外，枯季磨刀門河口典型東北季風(fēng)條件會(huì)促進(jìn)西汊表層的西南向余流，而對(duì)近底層泥沙輸運(yùn)具有顯著影響的底層余流，其強(qiáng)度和方向直接關(guān)系到磨刀門河口攔門沙區(qū)域及兩汊的地貌演變特性?？傮w上，余流強(qiáng)度及方向是直接關(guān)系泥沙等物質(zhì)輸運(yùn)乃至河口沖淤的動(dòng)力指標(biāo)，而河口環(huán)流結(jié)構(gòu)則通過(guò)影響垂向密度梯度使得水體呈現(xiàn)混合或?qū)踊癄顟B(tài)，并改變紊動(dòng)作用及湍流的垂向交換，進(jìn)而控制著懸沙等物質(zhì)的垂向沉降和擴(kuò)散模式[3]。探討河口余流及河口環(huán)流結(jié)構(gòu)為研究磨刀門河口地貌演變提供了良好的水動(dòng)力分析基礎(chǔ)，而深入辨析河口余流及河口環(huán)流對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)的貢獻(xiàn)度和作用機(jī)制仍有待進(jìn)一步開(kāi)展研究。

6 結(jié)論

基于2019 年珠江河口磨刀門東、西汊洪枯季河口原型觀測(cè)平臺(tái)潮流資料，分析河口漲落潮流速及歷時(shí)的時(shí)空分布特征，研究河口平面環(huán)流、縱向環(huán)流結(jié)構(gòu)并探討其動(dòng)力機(jī)制，主要研究結(jié)論如下：

（1）西汊為磨刀門河口主汊，以南向略偏西落潮流為主導(dǎo)，小潮期基本無(wú)漲潮流，大潮期存在較弱的東北向漲潮流；東汊水深較淺，以東南向落潮動(dòng)力為主導(dǎo)，漲落潮流向較為散亂。河口洪季落潮動(dòng)力顯著大于漲潮動(dòng)力，枯季東汊漲落潮動(dòng)力較為相當(dāng)。

（2）受科氏力、地形及風(fēng)等因素影響，枯季漲落潮轉(zhuǎn)流時(shí)刻呈現(xiàn)明顯的東漲西落平面環(huán)流特征?？菁敬蟪睎|、西汊漲落潮歷時(shí)相差約6 h，枯季小潮則相差1～2 h，較強(qiáng)的徑流作用會(huì)抑制平面環(huán)流產(chǎn)生。

（3）磨刀門河口重力環(huán)流呈現(xiàn)明顯的時(shí)空分布特征。西汊的重力環(huán)流強(qiáng)度大于東汊，枯季重力環(huán)流強(qiáng)度整體略大于洪季。在潮流作用占主導(dǎo)且縱向密度梯度力較小時(shí)，大潮重力環(huán)流強(qiáng)度相對(duì)較大，小潮重力環(huán)流強(qiáng)度有所減小，表明大潮層化作用相對(duì)較強(qiáng)，小潮表底層水體混合相對(duì)較好。

（4）主汊西汊在洪枯季基本呈現(xiàn)向海的余流，對(duì)槽道具有明顯的沖刷塑造作用，東汊則表現(xiàn)為正壓驅(qū)動(dòng)的表層余流向海而斜壓驅(qū)動(dòng)的底層余流向陸。潮差大小則與底層向陸的余流強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，但對(duì)表層的余流具有抑制作用。