澳門東側(cè)水域夏季余流及通量的時(shí)空變化特征

喻豐華, 方神光, 何 用, 何 青

（1. 珠江水利委員會(huì) 珠江水利科學(xué)研究院, 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,廣州 510611; 3. 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200241）

0 引 言

澳門東側(cè)水域是洪灣水道、大九洲南向水流和伶仃洋徑潮的主要通道[1]. 近年來, 港口航道、跨海大橋、圍墾造陸、機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建等人類活動(dòng), 對(duì)區(qū)域水動(dòng)力、水沙輸移、水環(huán)境及沖淤演變環(huán)境造成了顯著影響[2-5]. 余流是去除潮周期往復(fù)潮流后的剩余部分, 包括風(fēng)海流、密度流、徑流和潮余流等[6], 與過濾掉周期性潮汐之后形成的余水位相對(duì)應(yīng)[7], 是反映河口潮流物質(zhì)凈輸運(yùn)強(qiáng)度的重要?jiǎng)恿σ蜃覽8-10]. 趙煥庭[11]較早就系統(tǒng)總結(jié)了伶仃洋水域的水文動(dòng)力及地質(zhì)地貌特征, 指出: 伶仃洋水域常年表層余流的流向大多數(shù)為偏南, 下泄徑流是主要因素. 韓保新等[12]首次對(duì)整個(gè)珠江口河口海區(qū)洪季潮汐和潮流進(jìn)行了數(shù)值模擬, 指出: 珠澳近岸附近余流較弱, 僅為1 ～ 6 cm/s, 處于水體交換的滯流區(qū). 陳子燊[13]根據(jù)單寬物質(zhì)凈通量公式分析了伶仃洋河口灣及鄰近陸架凈平流作用、潮抽吸與凈環(huán)流的輸運(yùn)作用, 指出: 洪季該水域縱斷面上凈環(huán)流輸運(yùn)是鹽分縱向通量的控制因素且方向指向上游, 其余季節(jié)以向海的凈平流輸運(yùn)為主; 懸沙凈通量受凈平流及潮抽吸輸運(yùn)控制, 兩者方向相反. 肖志健[14]根據(jù)珠江河口表層沉積的粒徑分布趨勢(shì), 指出: 珠江河口及近岸區(qū)域10 m 以淺泥沙主要向南和西南運(yùn)移, 與珠江沖淡水受科氏力影響向西南擴(kuò)散的余流方向一致. 高時(shí)友等[15]基于磨刀門口外洪枯季定點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù), 分析顯示: 該水域斯托克斯余流方向與歐拉余流方向基本相反; 冬季以季風(fēng)驅(qū)動(dòng)為主, 夏季主要因素為徑流和海面風(fēng). 林若蘭等[16]分析了風(fēng)對(duì)枯季伶仃洋水域?yàn)┎塾嗔鞯挠绊? 指出: 北風(fēng)和東北風(fēng)能增強(qiáng)深槽的垂向環(huán)流, 淺灘余流也相應(yīng)增強(qiáng); 東風(fēng)則總體起到抑制作用. 可見, 有關(guān)余流動(dòng)力機(jī)制方面的理論研究和應(yīng)用成果較為成熟和豐富, 被廣泛用來剖析河口水域面臨的各類灘槽沖淤和水生態(tài)環(huán)境成因.澳門水域處于大灣區(qū)的核心地帶, 長(zhǎng)期存在水動(dòng)力不足導(dǎo)致的灘槽淤積及污染物滯留形成的水質(zhì)惡化問題[17]. 因此, 本文基于澳門東側(cè)水域布設(shè)的兩座河口原型觀測(cè)試驗(yàn)站 (A6 和A7) 洪季連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù), 探討了該水域半月時(shí)段內(nèi)的余流特征及主要影響因素, 為河口灣治理和保護(hù)提供基礎(chǔ)支撐.

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)收集

1.1 研究水域概況

澳門附近水域位于伶仃洋口門西側(cè), 北緯22°06′39″ ～ 22°13′06″、東經(jīng)113°31′33″ ～ 113°35′43″,西與磨刀門水道相連, 東與伶仃洋相通, 南與南海毗連. 受島嶼分隔, 水域內(nèi)形成東、西向的澳門水道,該水道西接洪灣水道, 東連伶仃洋, 南北方向有灣仔水道和十字門水道, 各水道互相貫通, 呈十字形交匯, 如圖1 所示. 澳門水道是澳門附近水域泄洪、輸沙和潮流的主要通道, 其徑流和泥沙主要來自洪灣水道[18], 分洪量占磨刀門徑流量的 12% ～ 18%[19]. 澳門機(jī)場(chǎng)以東水域即伶仃洋西灘南部水域, 該區(qū)域水面寬闊, 近岸水深在3 ～ 5 m 之間, 離岸水深在5 ～ 7 m 之間, 是伶仃洋及澳門水道下泄水沙的過境通道. 澳門附近水域位于不規(guī)則半日潮的弱潮河口, 多年平均潮差1.03 m, 日潮不等顯著, 洪季漲潮流以N—NNE 向?yàn)橹? 枯季以NNW—WNW 向?yàn)橹? 落潮流為S—SW 向[20].

圖1 澳門水域圖Fig. 1 Map of Macao waters

1.2 資料來源

研究數(shù)據(jù)取自珠江河口A6 (22.18°N, 113.61°E) 和A7 (22.1°N, 113.61°E) 原型觀測(cè)試驗(yàn)站, 兩站距離約11.2 km, 平均水深分別為5.16 m 和7.58 m (珠江基面), 采用聲學(xué)多普勒波浪剖面流速儀(浪龍, 1 MHz)采集流向、流速、水深等數(shù)據(jù). 數(shù)據(jù)垂向分辨率為0.30 ～ 0.50 m, 垂向測(cè)量范圍為0.41 ～25.00 m, 采樣間隔為20 min. 觀測(cè)時(shí)段為2020 年6 月21 日—7 月5 日共15 d, 對(duì)應(yīng)農(nóng)歷2020 年5 月初一至十五. 其間, 上游馬口站和三水站從6 月26 日—7 月3 日觀測(cè)到一次典型洪水過程 (洪水期),持續(xù)時(shí)間約8 d (圖2). 馬口站最大洪峰流量為15 800 m3/s, 三水 (二) 站洪峰值為5 340 m3/s, 出現(xiàn)時(shí)間都在6 月29 日, 屬于珠江河口常遇洪水量級(jí). A7 站觀測(cè)了海面以上2 m 的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù), 采用的設(shè)備型號(hào)為GILL GMX500 風(fēng)速風(fēng)向儀, 觀測(cè)頻次為10 min. 觀測(cè)期間平均風(fēng)速為4.9 m/s, 平均風(fēng)向?yàn)槲髂掀巷L(fēng), 最大風(fēng)速10 m/s, 正南風(fēng). A6 站潮動(dòng)力最大出現(xiàn)在大潮期間的第2 個(gè)潮周期 (6 月22 日, 農(nóng)歷初二), 平均潮差約0.97 m. A7 站潮動(dòng)力最大出現(xiàn)在大潮期間的第3 個(gè)潮周期 (6 月23 日,農(nóng)歷初三), 平均潮差約1.77 m. 洪水期處于小潮—中潮期, 呈現(xiàn)東南側(cè)外海潮動(dòng)力顯著強(qiáng)于東北側(cè)水域.

圖2 馬口站和三水站洪水過程線Fig. 2 Flood processes observed at Makou and Sanshui stations

1.3 余流計(jì)算方法

采用潮通量或物質(zhì)通量方法[21-23], 可將余流區(qū)分為歐拉余流、斯托克斯余流和拉格朗日余流, 計(jì)算公式為

式(1)中:Q是單寬潮通量, m3/s;T是潮周期, min;z是垂向坐標(biāo), m;t是時(shí)間, min;u是任一時(shí)刻垂向坐標(biāo)z位置的實(shí)測(cè)流速, m/s;是歐拉余流, m/s;是斯托克斯余流, m/s;是拉格朗日余流,m/s;h0是潮周期 (或分析時(shí)段) 平均水深, m;h是任一時(shí)刻實(shí)測(cè)水深, m. 歐拉余流為空間固定地點(diǎn)的平流凈輸移, 主要由長(zhǎng)周期內(nèi)的潮流與地形的非線性作用及科氏力等相對(duì)固定作用力形成; 斯托克斯余流則是潮流變化項(xiàng)與水深變化項(xiàng)的潮周期相關(guān)大小. 因此, 歐拉余流和斯托克斯余流的區(qū)分與分析時(shí)段長(zhǎng)度及水域位置關(guān)系較為密切. 拉格朗日余流包含歐拉余流以及斯托克斯余流, 完整地給出一個(gè)流體元的物質(zhì)凈輸移. 基于時(shí)段內(nèi)海流和水深垂向連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù), 采用公式(1)即可求出潮周期或分析時(shí)段內(nèi)的拉格朗日余流、歐拉余流和斯托克斯余流.

另外, 為初步探討潮汐動(dòng)力對(duì)垂向分層余流的響應(yīng)關(guān)系, 此處將潮周期或時(shí)段內(nèi)拉格朗日余流、歐拉余流和斯托克斯余流的概念推廣到垂向分層余流分析中. 因此, 基于公式(1)得到分層潮周期或分析時(shí)段內(nèi)拉格朗日余流流速的計(jì)算公式為

基于實(shí)測(cè)流速和水深數(shù)據(jù)可求出拉格朗日余流和歐拉余流, 同理基于公式(1)求出斯托克斯余流流速. 為更準(zhǔn)確地分析水深平均及潮周期平均余流, 均采用時(shí)空積分法計(jì)算余流.

2 余流半月整體特征

2.1 垂向平均余流整體特征

洪季共15 d 時(shí)段內(nèi)的垂向平均流速和余流如圖3 所示. 洪季半月時(shí)段內(nèi), 澳門東側(cè)南、北端水域整體漲、落潮流態(tài)基本一致, 南側(cè)水域位于外海側(cè), 潮流動(dòng)力和余流流速整體大于北端. 東北側(cè)水域拉格朗日余流與歐拉余流基本一致, 余流流速約為2.2 cm/s, 潮流物質(zhì)朝西北向近岸輸移為主, 斯托克斯余流輸移作用很小, 可忽略不計(jì). 東南側(cè)水域靠近外海, 受珠江河口夏季西南季風(fēng)影響明顯, 斯托克斯漂移作用顯著增強(qiáng), 達(dá)1.8 cm/s, 方向沿 –6 m 等深線指向東北側(cè)伶仃洋, 受此影響, 拉格朗日余流流速為5.1 cm/s, 小于歐拉余流6.2 cm/s, 且方向較歐拉余流東偏. 根據(jù)Huthnance[24]提出的2 種潮余流 (歐拉余流) 形成機(jī)制分析, 基于澳門東側(cè)水域等深線南北走向分布態(tài)勢(shì)和漲、落潮主動(dòng)力軸線走向, 科氏效應(yīng)形成的潮余流總體朝南指向外海, 摩擦-平流效應(yīng)在東北側(cè)水域形成的余流總體朝北, 東南側(cè)水域總體朝南. 因此, A6 站所在東北側(cè)水域由于水深淺, 歐拉余流為西北向說明摩擦-平流效應(yīng)更為顯著. A7 站科氏效應(yīng)和摩擦-平流效應(yīng)形成的余流都指向外海側(cè), 但受西南季風(fēng)影響, 歐拉余流和拉格朗日余流都顯著東偏. 另外, 從潮余流與地形β效應(yīng)成正比關(guān)系來看[25], 東南側(cè)A7 站水域位置等深線分布相較A6 站更為密集, 因此β值更大, 形成的余流流速也更大.

圖3 半月時(shí)段垂向平均流速和余流Fig. 3 Depth-averaged velocity and residual current over a half-month period

2.2 分層余流整體特征

圖4 給出了A6 和A7 站表、底層半月時(shí)段平均余流矢量圖, 顯示澳門東側(cè)水域表層余流流速總體大于底層, 兩站表層拉格朗日余流流速分別為6.6 cm/s 和24.1 cm/s, 南端余流流速顯著大于北端. 北端水域斯托克斯余流很小, 可忽略不計(jì), 而南端水域斯托克斯漂移影響明顯增強(qiáng), 表層達(dá)到2.2 cm/s.受夏季持續(xù)西南季風(fēng)影響[26], 表層歐拉余流、拉格朗日余流和斯托克斯余流流向都為東北向. 東北側(cè)水域水深淺, 在徑潮動(dòng)力及海面風(fēng)作用下, 垂向混合均勻, 整體以平流凈輸運(yùn)為主, 斯托克斯漂移影響很小. 東南側(cè)水域處于外海, 夏季受西南季風(fēng)和東北沿岸流影響[27], 表層潮流物質(zhì)朝東北向凈輸運(yùn), 洪季在表層沖淡水及底層高鹽陸架水作用下垂向分層顯著[28], 斯托克斯漂移影響增強(qiáng), 表層斯托克斯漂移與風(fēng)向相同, 底層與高鹽陸架水朝河口入侵方向相同. 與“97.9”臨時(shí)觀測(cè)成果[20]比較, 兩次水文觀測(cè)期間上游來流量基本相近, 都在15 000 m3/s 左右 (馬口 + 三水); “97.9”期間南、北端水域表層余流均為南向, 明顯有別于本次東北向, 與本次觀測(cè)期間受西南季風(fēng)影響密切相關(guān). 底層流態(tài)在北端水域基本一致, 以指向西北向?yàn)橹? 南端水域略有差別, “97.9”期間為西南向, 本次為東南向.

圖4 半月時(shí)段分層平均余流Fig. 4 Stratified average residual current over a half-month period

3 潮周期垂向平均余流變化特征分析

3.1 潮周期垂向平均余流變化特征

珠江河口水域?yàn)椴灰?guī)則半日潮, 一個(gè)完整天文潮周期約為24.8 h, 因此本次分析時(shí)段內(nèi) (15 d) 有14 個(gè)連續(xù)完整的潮周期. 圖5 給出了A7 站14 個(gè)潮周期內(nèi)平均風(fēng)矢量圖, 可見夏季以西南風(fēng)為主. 潮周期平均風(fēng)速最大為6.3 m/s, 西南偏南風(fēng), 出現(xiàn)在第5 個(gè)潮周期; 最小平均風(fēng)速2.9 m/s, 正南風(fēng), 出現(xiàn)在第10 個(gè)潮周期; 第11 個(gè)潮周期平均風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng), 風(fēng)速為3.3 m/s, 與其他潮周期內(nèi)的平均風(fēng)向差別略大.

圖5 A7 站潮周期平均海面風(fēng)矢量圖Fig. 5 Wind vectors on sea water surface during a tidal cycle at field station A7

為分析潮周期余流的連續(xù)變化特征, 圖6 給出了兩站14 個(gè)連續(xù)潮周期的垂向平均歐拉余流、拉格朗日余流和斯托克斯余流矢量變化圖. 夏季澳門東側(cè)水域洪水期和非洪水期的潮流物質(zhì)凈輸移方向存在顯著差異. 洪水期, 總體朝南側(cè)外海方向凈輸出, 垂向平均拉格朗日余流和歐拉余流流速在東北側(cè)水域不超過3.0 cm/s, 東南側(cè)水域在3.0 ～ 16.0 cm/s 之間. 非洪水期, 東北側(cè)水域潮流物質(zhì)朝近岸方向輸送, 且拉格朗日余流流速大于洪水期; 東南側(cè)水域朝東側(cè)凈輸移, 最大拉格朗日余流流速小于洪水期. 東北側(cè)水域斯托克斯漂移流速很小, 洪水期較非洪水期略有增強(qiáng), 方向與凈輸移方向相反;東南側(cè)水域斯托克斯流速洪水期較非洪水期有所減弱, 流速較大且方向與海面風(fēng)向基本相同. 斯托克斯漂移是平流凈輸移 (歐拉余流) 外的潮汐和潮流不均勻變形作用形成的, 本水域總體表現(xiàn)為平流凈輸運(yùn)越強(qiáng), 漂移作用也越強(qiáng). 海面風(fēng)對(duì)東南側(cè)水域的斯托克斯漂移起主導(dǎo)作用, 但對(duì)東北側(cè)水域影響不明顯, 而洪水期潮流物質(zhì)穩(wěn)定朝外輸出對(duì)海面風(fēng)引起的漂移具有抑制作用.

圖6 連續(xù)潮周期垂向平均余流矢量圖Fig. 6 Depth-averaged residual current vectors across continuous tidal cycles

3.2 潮周期凈通量變化特征

圖7 統(tǒng)計(jì)了A6 和A7 站在E 軸和N 軸潮周期中平均單寬凈通量, 正值表示與該軸正向相同, 負(fù)值表示相反. E 軸方向, 洪水期 (第7 ～ 10 個(gè)潮周期), 南、北兩端水域徑潮通量相差不大, 潮周期內(nèi)凈通量不超過100.0 m3, 且東南側(cè)水域部分潮周期內(nèi)朝西側(cè)凈輸運(yùn)[29]; 非洪水期, A7 站所在東南側(cè)水域凈通量遠(yuǎn)大于東北側(cè)水域A6 站, 且呈現(xiàn)南端朝東、北端朝西的反向凈輸運(yùn), 考慮兩站相距較近且東南側(cè)外海水域潮流物質(zhì)自西向東凈輸運(yùn)動(dòng)力強(qiáng)勁, 會(huì)在其北側(cè)形成自東向西的反向補(bǔ)償流, 是造成澳門東北側(cè)水域潮流物質(zhì)朝近岸輸送的主要原因之一. N 軸方向, 更多體現(xiàn)上、下游徑潮動(dòng)力的連貫性,因A6 站緊鄰A7 站上游, 非洪水期的第1 ～ 5 個(gè)潮周期, 兩站凈通量相差不大且都以朝南側(cè)外海輸運(yùn)為主, 具有較好的連續(xù)性; 洪水期的第7 ～ 11 個(gè)潮周期, A7 站朝外海側(cè)的凈通量遠(yuǎn)大于A6 站, 且E 軸向凈通量很小, 與洪水期A7 站位于伶仃洋西側(cè)主要徑潮通道位置密切相關(guān); 洪水后期的第12 和第13 個(gè)潮周期為中潮過渡期, 呈北側(cè)水域朝北凈輸運(yùn)、南側(cè)水域朝南凈輸運(yùn)的分離流態(tài)勢(shì), 加劇了北側(cè)水域自東向西的補(bǔ)償流運(yùn)動(dòng), 如在第12 個(gè)潮周期內(nèi), A6 站E 軸向凈輸移量達(dá)到本次14 個(gè)潮周期內(nèi)的最大值(227.0 m3), E 軸向拉格朗日余流流速也達(dá)到最大值(3.4 cm/s).

圖7 A6 和A7 站潮周期單寬凈通量比較Fig. 7 Comparison of net flux per unit width during a tidal cycle at stations A6 and A7

因此, 夏季澳門東側(cè)水域潮流物質(zhì)的凈輸運(yùn)方向受珠江河口外海側(cè)東北向沿岸流和季風(fēng)影響明顯[27], 表現(xiàn)為自東向西的補(bǔ)償流態(tài)勢(shì), 口門外側(cè)表現(xiàn)為自西向東的沿岸流. 分析認(rèn)為, 夏季非洪水期澳門東側(cè)水域存在一逆時(shí)針的余環(huán)流, 澳門水道下泄徑流主要貼近澳門東側(cè)近岸水域朝南側(cè)外海輸運(yùn);小潮向大潮過渡的中潮期間出現(xiàn)北側(cè)朝北、南側(cè)朝南凈輸運(yùn)的分離流態(tài)勢(shì), 進(jìn)一步加強(qiáng)澳門東側(cè)水域自東向西的潮流凈輸運(yùn)補(bǔ)償流.

4 潮周期余流垂向時(shí)空變化特征

4.1 東北側(cè)水域潮周期余流時(shí)空特征

圖8 給出了A6 站潮周期平均歐拉余流、拉格朗日余流和斯托克斯余流E 軸分量和N 軸分量的時(shí)空變化, 垂向用相對(duì)水深 (0 H 表示近水面, 1.0 H 表示近河床). 可見, 歐拉余流和拉格朗日余流時(shí)空變化規(guī)律基本一致, 呈現(xiàn)N 軸余流分量大于E 軸分量、表層大于底層的分層結(jié)構(gòu)特征. 斯托克斯余流較小, E 軸分量不超過1.0 cm/s, N 軸分量不超過2.0 cm/s.

圖8 A6 站余流E 向和N 向分量時(shí)空分布Fig. 8 Temporal and spatial distribution of residual current components in E-axis and N-axis at station A6

非洪水期, 拉格朗日余流E 軸向垂向以0.3 H 為界, 呈表層朝東、中底層朝西的反向凈輸運(yùn)結(jié)構(gòu),N 軸向全部指向上游方向, 近表層為主要輸運(yùn)通道 (0 ～ 0.4 H). 洪水期 (2020 年6 月27 日—7 月3 日), 下泄洪水徑流動(dòng)力強(qiáng)勁, 拉格朗日余流E 軸向沿水深余流不超過2.0 cm/s, 總體指向西側(cè); N 軸向沿水深變?yōu)槌谕鈨糨敵鰹橹? 中層水深是潮流物質(zhì)朝口外輸出的主要通道. 非洪水期, 以0.4 H 位置為界, 斯托克斯余流E 軸向呈上層朝東下層朝西、N 軸向呈上層朝北下層朝南的垂向反向輸運(yùn)結(jié)構(gòu);洪水期, 下泄徑流動(dòng)力增強(qiáng), 削弱了E 軸向斯托克斯漂移動(dòng)力, N 軸向南向漂移強(qiáng)度則有所增強(qiáng).

4.2 東南側(cè)水域潮周期余流分量特征

圖9 為A7 站余流E 軸分量和N 軸分量的時(shí)空分布結(jié)構(gòu). 歐拉余流和拉格朗日余流時(shí)空變化規(guī)律基本一致, 其在E 軸分量不超過70.0 cm/s, N 軸分量不超過60.0 cm/s; 斯托克斯余流E 軸分量和N 軸分量不超過5.0 cm/s, N 軸分量大于E 軸分量.

圖9 A7 站余流E 向和N 向分量時(shí)空分布Fig. 9 Temporal and spatial distribution of residual current components in E-axis and N-axis at station A7

拉格朗日余流E 軸分量在非洪水期, 垂向呈2 ～ 3 層結(jié)構(gòu), 近表層 (0 ～ 0.4 H) 和近底層 (0.8 ～1.0 H) 都指向東側(cè)、中層 (0.4 ～ 0.8 H) 指向西側(cè). 洪水期, 受徑流動(dòng)力增強(qiáng)和阻隔的影響, 表層?xùn)|向凈輸運(yùn)流速迅速減小, 并在第11 個(gè)潮周期 (7 月1 日) 與中層一并朝西, 影響直達(dá)底層. 斯托克斯余流E 軸分量較小, 不超過2.0 cm/s, 垂向上總體指向東側(cè), 洪水期有所減小. 拉格朗日余流N 軸分量所有潮周期內(nèi)表層 (0 ～ 0.2 H) 凈輸運(yùn)方向始終指向上游, 中層和底層總體指向下游外海側(cè). 但洪水期(6 月27 日—7 月4 日), 表層流速有所減小, 中層 (0.2 ～ 0.6 H) 區(qū)域朝外海凈輸運(yùn)流速顯著增大, 最大出現(xiàn)在第10 個(gè)潮周期內(nèi) (6 月30 日), 約32.0 cm/s. 所有潮周期內(nèi)斯托克斯N 軸分量漂移作用引起的凈輸運(yùn)方向都指向上游, 總體不超過5.0 cm/s, 呈由表層至底層逐漸減小的趨勢(shì), 洪水期有所減小.

4.3 凈通量及余流與海面風(fēng)和潮動(dòng)力的相關(guān)性分析

采用Pearson 法, 計(jì)算A6 站和A7 站潮周期平均潮差和海面風(fēng)與凈通量和表層拉格朗日余流相關(guān)系數(shù)(圖10). A6 站潮差與E 軸向和N 軸向凈通量的相關(guān)系數(shù)僅為0.03 和0.28, 相關(guān)性很差; A7 站潮差與E 軸向和N 軸向凈通量的相關(guān)系數(shù)都達(dá)0.70. A6 站所在澳門東北側(cè)水域潮動(dòng)力對(duì)潮流物質(zhì)凈輸運(yùn)強(qiáng)度影響不明顯, 但對(duì)A7 站所在東南側(cè)水域影響顯著, 呈現(xiàn)潮動(dòng)力越強(qiáng)、凈輸運(yùn)強(qiáng)度越大的變化趨勢(shì). A6 站和A7 站E 軸向海面風(fēng)與E 軸向凈潮通量相關(guān)系數(shù)分別為 –0.15 和0.83, N 軸向海面風(fēng)與N 軸向凈通量相關(guān)系數(shù)分別為0.70 和0.90. 圖10 還顯示, 澳門東北側(cè)水域, 海面風(fēng)對(duì)南北向 (N 軸)潮流物質(zhì)凈輸運(yùn)強(qiáng)度影響顯著, 但與東西向 (E 軸) 凈輸移量相關(guān)性很小. 東南側(cè)水域, 不論是南北向還是東西向, 潮流物質(zhì)凈輸移強(qiáng)度都與風(fēng)速大小密切相關(guān), 且海面風(fēng)速越大、凈通量越大. A6 站和A7 站海面風(fēng)和表層拉格朗日余流E 軸分量相關(guān)系數(shù)分別為0.81 和0.97, N 軸分量相關(guān)系數(shù)分別為0.63 和0.94, 表明澳門東側(cè)水域表層流速與海面風(fēng)速密切相關(guān), 呈現(xiàn)風(fēng)速越大、表層流速越大的趨勢(shì).

圖10 潮周期凈通量和表層拉格朗日余流與動(dòng)力因子的相關(guān)系數(shù)Fig. 10 Correlation between net flux and Lagrange residual current on the surface layer during a tidal cycle with dynamical factors

5 結(jié) 論

基于夏季澳門東側(cè)水域?qū)崪y(cè)水文氣象數(shù)據(jù)分析, 得出以下主要結(jié)論.

(1) 澳門東南側(cè)水域潮動(dòng)力強(qiáng)于東北側(cè), 且余流流速更大; 東北側(cè)水域整體朝西北側(cè)近岸方向凈輸運(yùn), 東南側(cè)水域整體朝東南側(cè)外海凈輸出. 受西南季風(fēng)影響, 該水域表層歐拉余流、拉格朗日余流和斯托克斯余流都為東北向; 斯托克斯漂移作用在東北側(cè)水域很小, 在東南側(cè)水域較強(qiáng).

(2) 洪水期, 澳門東側(cè)水域潮流物質(zhì)朝外海凈輸出, 斯托克斯漂移作用在東北側(cè)水域略有增強(qiáng)、東南側(cè)水域有所減弱. 非洪水期, 東北側(cè)水域朝近岸側(cè)凈輸送, 東南側(cè)水域朝伶仃洋河口東側(cè)凈輸運(yùn). 海面風(fēng)主導(dǎo)東南側(cè)水域的斯托克斯漂移強(qiáng)度, 對(duì)東北側(cè)水域影響不明顯, 洪水期徑流動(dòng)力增強(qiáng)顯著削弱了斯托克斯漂移.

(3) 受西南季風(fēng)和珠江河口外側(cè)東北向沿岸流影響, 澳門水道出口以下水域存在較為穩(wěn)定的逆時(shí)針余環(huán)流, 對(duì)該水域潮流泥沙輸運(yùn)造成顯著影響; 澳門水道下泄徑流主要貼近澳門東側(cè)近岸朝南側(cè)外海輸出, 小潮向大潮過渡期該余環(huán)流有增強(qiáng)趨勢(shì).

(4) 非洪水期, 該水域在E 軸向存在表層朝東、中底層朝西的垂向反向輸運(yùn)結(jié)構(gòu); N 軸向, 東北側(cè)水域凈輸運(yùn)全斷面指向上游, 東南側(cè)水域呈表層朝北、中底層朝南的垂向凈輸運(yùn)結(jié)構(gòu). 洪水期, 該水域E 軸向垂向反向凈輸運(yùn)結(jié)構(gòu)減弱或消失, N 軸向下泄洪水及沖淡水垂向上主要從中層朝口外輸出.

(5) 夏季, 潮動(dòng)力對(duì)澳門東北側(cè)水域凈潮通量影響很小, 海面風(fēng)主要影響該水域南北向凈通量, 對(duì)東西向影響不明顯. 東南側(cè)水域, 潮動(dòng)力和海面風(fēng)對(duì)該水域潮流物質(zhì)凈輸移強(qiáng)度影響明顯, 且都呈正相關(guān). 南、北側(cè)水域表層潮流物質(zhì)輸運(yùn)強(qiáng)度都與海面風(fēng)密切正相關(guān).

長(zhǎng)期以來, 澳門內(nèi)、外港及附近水域夏季都存在較為嚴(yán)重的灘槽淤積和水體交換不暢造成的水質(zhì)惡化等問題, 顯然與夏季上游來沙量顯著增加和機(jī)場(chǎng)東側(cè)水域獨(dú)特的逆時(shí)針余環(huán)流結(jié)構(gòu)密切相關(guān). 該結(jié)構(gòu)特征壓迫澳門水道承泄的水沙緊貼機(jī)場(chǎng)東側(cè)水域朝口外宣泄, 但會(huì)截留上游部分伶仃洋西灘承泄的東四口門水沙停滯于本水域. 部分隨漲潮流重新進(jìn)入澳門水道, 并對(duì)澳門水道下泄洪水形成阻礙和滯留作用, 進(jìn)一步加強(qiáng)泥沙在澳門水道及出口位置的淤積, 同理也會(huì)導(dǎo)致污染物滯留和水質(zhì)惡化等問題. 近年來珠江河口水域含沙量急劇減小有助于緩解該淤積趨勢(shì), 但水質(zhì)惡化問題則有賴于上游及陸域污染物排放量的削減. 枯季, 上游來水含沙量很小及珠江河口變?yōu)槲髂舷蜓匕读? 疊加?xùn)|北季風(fēng)影響, 該逆時(shí)針余環(huán)流結(jié)構(gòu)將不復(fù)存在, 有利于澳門水道及東側(cè)水域過境通道的維持.