羅 鋒，廖光洪，盛建明，楊成浩

(1.江蘇省海涂研究中心，江蘇南京 210036;2.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇南京 211101;3.國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州310012;4.國(guó)家海洋局海涂研究中心，江蘇 南京 210036)

樂(lè)清灣位于浙江省南部甌江口北側(cè)，是三面環(huán)陸、南面朝海的葫蘆狀半封閉型海灣，潮汐作用顯著。由圖1可見(jiàn)，樂(lè)清灣灣口島嶼眾多，以玉環(huán)西南大巖頭—小門(mén)島—樂(lè)清歧頭咀一線與外海相通，岸線長(zhǎng)達(dá)184.7 km，南北縱深42 km，東西向平均寬度約10 km，中部連嶼至打水山斷面最窄，約4.5 km，海域總面積約為463.6 km2。樂(lè)清灣東部深槽發(fā)育，水深一般在10～30 m，最大水深達(dá)100 m;西部為水下淺灘，寬度自10 m等深線至岸邊可達(dá)6～10 km。水下地貌主要包括水下淺灘、潮流沖刷槽和潮汐汊道潮溝。大荊溪、水漲溪、白溪、清江、淡溪、靈溪、江下等注入灣內(nèi)，各河溪口門(mén)處形成了大小不一的沖積-洪積小平原，海灣流域總集雨面積1470 km2，多年平均徑流量為 10.29 億 m3[1]。

圖1 樂(lè)清灣計(jì)算網(wǎng)格和觀測(cè)站位分布

海灣的海洋環(huán)境特征和水交換能力對(duì)確定海洋環(huán)境容量、制定海洋功能區(qū)劃、評(píng)估海岸工程環(huán)境影響等均有重要參考價(jià)值，對(duì)海灣污染的預(yù)防、治理和預(yù)測(cè)也有指導(dǎo)意義。樂(lè)清灣是典型半封閉海灣，水交換能力有限，污染形勢(shì)十分嚴(yán)峻，在我國(guó)閩浙沿海具有代表性。近年對(duì)樂(lè)清灣的相關(guān)研究主要涵蓋動(dòng)力環(huán)境[2-4]、水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境[5]、海岸資源環(huán)境開(kāi)發(fā)及管理[6]等方面，而對(duì)有關(guān)樂(lè)清灣海洋環(huán)境特征和水交換能力的系統(tǒng)研究甚少。因此，本研究基于2008—2009年4個(gè)季節(jié)航次20個(gè)大面觀測(cè)站的溫度、鹽度資料以及3個(gè)連續(xù)觀測(cè)站的潮位和海流數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析和研究樂(lè)清灣的溫度、鹽度、潮位、潮流和余流等海洋環(huán)境季節(jié)分布特征和規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，采用環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型[7](environmental fluid dynamics code，以下簡(jiǎn)稱EFDC)對(duì)樂(lè)清灣的水交換過(guò)程進(jìn)行研究。

1 樂(lè)清灣的海洋環(huán)境季節(jié)特征

為獲得樂(lè)清灣海洋環(huán)境季節(jié)分布特征，分別在2008年7月(夏)、2008年10月(秋)、2009年1月(冬)、2009年4月(春)開(kāi)展了4個(gè)季節(jié)的海上調(diào)查航次，觀測(cè)站位見(jiàn)圖1，其中Y4，Y14和Y15為連續(xù)觀測(cè)站和大面觀測(cè)站，其余均為大面觀測(cè)站。

1.1 溫(度)鹽(度)分布特征

受太陽(yáng)輻射影響，樂(lè)清灣海水溫度夏高冬低，季節(jié)變化顯著。4個(gè)航次的調(diào)查結(jié)果顯示，樂(lè)清灣最高水溫表層是 32°C(夏季，Y18)、底層是 30.9°C(夏季，Y20)，而最低水溫表底層均為7.6°C(冬季，Y19)。春、夏季打水山至連嶼斷面以南海域的表層呈現(xiàn)明顯的低溫區(qū)，樂(lè)清灣口門(mén)的東側(cè)溫度比西側(cè)低，溫度梯度大致為東西向，斷面以北區(qū)域?yàn)闇囟认鄬?duì)較高的區(qū)域。春季溫度梯度較大，夏季溫度分布則較均勻，秋季較其他季節(jié)而言溫度分布較復(fù)雜。樂(lè)清灣口東側(cè)和清江東南區(qū)域有明顯的高溫區(qū)，而樂(lè)清灣灣頂及東側(cè)表現(xiàn)為低溫區(qū)，且溫度變化較大，灣口中部和連嶼西側(cè)還分別出現(xiàn)一個(gè)低溫核。冬季與春、夏季相反，打水山至連嶼斷面以南區(qū)域的水溫較高，且分布較均勻，北面區(qū)域的水溫則較低。就4個(gè)季節(jié)底層的溫度而言，樂(lè)清灣春季南面呈現(xiàn)低溫區(qū)，溫度梯度東西方向，北部區(qū)域溫度相對(duì)較高，溫度梯度南北方向;夏季與春季相似，高溫區(qū)主要出現(xiàn)在樂(lè)清灣北部，南部為低溫區(qū)，樂(lè)清灣南部溫度梯度較大，接近東西方向，北部溫度梯度較小，近似南北方向;秋、冬季樂(lè)清灣的溫度分布態(tài)勢(shì)則與春、夏季相反，主要體現(xiàn)在灣的北部為低溫區(qū)，溫度梯度較大，南部為高溫區(qū)，溫度梯度較小。如圖1所示，把調(diào)查站位劃分成東、西和南3個(gè)斷面，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析溫(度)鹽(度)斷面分布特征。南斷面的春、夏季水溫表現(xiàn)為西高東低、表高底低，垂向梯度明顯;秋、冬季則東高西低，水平梯度明顯而垂向梯度不顯著。西斷面的春、夏季溫度水平梯度較弱，垂向梯度比較明顯;秋、冬季的溫度水平梯度顯著，斷面北端(Y12—Y19)表現(xiàn)特別明顯，垂向分布較均勻。東斷面的春、夏季水溫表現(xiàn)北高南低，秋、冬季水溫分布水平梯度明顯，南高北低。

4個(gè)季節(jié)樂(lè)清灣表層和底層的鹽度分布情況是:冬、春季鹽度較低，夏、秋季鹽度較高。樂(lè)清灣口門(mén)終年均表現(xiàn)為高鹽區(qū)，從灣口往灣內(nèi)鹽度逐漸降低，到灣頂鹽度最低。樂(lè)清灣鹽度分布規(guī)律與其周?chē)膹搅?、浙江沿岸流和外海的高鹽水有關(guān)。以打水山至連嶼斷面為界，樂(lè)清灣南部及西側(cè)的淺水區(qū)比樂(lè)清灣東側(cè)的鹽度要低，且由于樂(lè)清灣的西南側(cè)淡水明顯，春、夏季鹽度水平梯度明顯，而樂(lè)清灣南部秋、冬季的鹽度分布較均勻。這種規(guī)律與兩種因素有關(guān):①樂(lè)清灣東側(cè)為深水區(qū)，外海水通過(guò)潮波進(jìn)入灣內(nèi)，而潮波的傳播速度東岸比西岸快，② 春、夏季雨量充沛，受徑流量影響。樂(lè)清灣的北部區(qū)域在4個(gè)季節(jié)鹽度都較小，且鹽度梯度都較大。分析南斷面、西斷面和東斷面3個(gè)斷面的鹽度特征:南斷面春、夏、秋季鹽度分布特征相似，東高西低，鹽度水平梯度顯著;西斷面春季Y7—Y12觀測(cè)站由表層至底層均表現(xiàn)為高鹽水體，夏季高鹽水體面積減小，斷面的南端(Y2)和北端(Y19)出現(xiàn)明顯的低鹽水體，這與夏天徑流量的增加有關(guān)，秋季北端(Y5—Y19)的低鹽水體進(jìn)一步擴(kuò)大和加深，冬季北端則幾乎由高鹽的水體占據(jù);東斷面北端(Y14—Y20)四季均呈現(xiàn)低鹽水體，南端(Y4—Y13)則由高鹽水體支配，春、夏季該高鹽水體垂向梯度較明顯，存在一定的層化現(xiàn)象，而秋、冬季鹽度的垂向分布則表現(xiàn)較均勻。

樂(lè)清灣溫度和鹽度斷面分布特征可綜合為:南斷面溫度表層比底層高，西側(cè)比東側(cè)高;鹽度分布則表現(xiàn)為表層低于底層，西側(cè)低于東側(cè)。這種溫(度)鹽(度)的分布格局在春、夏季尤其明顯，表明在樂(lè)清灣的口門(mén)存在河口重力環(huán)流，即表層低鹽水向東運(yùn)動(dòng)，而高鹽的外海水則由底層向西入侵。從東斷面和西斷面情況來(lái)看，樂(lè)清灣從南至北存在著性質(zhì)不同的水團(tuán)。

1.2 溫(度)鹽(度)屬性分布特征

20個(gè)大面觀測(cè)站4個(gè)季節(jié)的溫度、鹽度調(diào)查數(shù)據(jù)表明:春季，樂(lè)清灣東側(cè)及中部水體性質(zhì)相近，溫度較低，鹽度較高;西南角的Y2、Y3和Y6觀測(cè)站表、底層水體鹽度差較大;樂(lè)清灣頂部的水體溫度較高，鹽度較低。夏季，樂(lè)清灣南部和東側(cè)呈現(xiàn)高溫高鹽水體，灣東北角(Y18、Y19和Y20)與西南角(Y2)水體溫度更高、鹽度最低;灣中部東西兩側(cè)的水體性質(zhì)相似，介于上述兩個(gè)水體屬性之間。秋、冬季，樂(lè)清灣溫(度)鹽(度)屬性分布沒(méi)有規(guī)律。秋季樂(lè)清灣口南部的水體屬性基本一致，表現(xiàn)為高溫高鹽;位于東北角的Y18和Y20觀測(cè)站的鹽度較低，水溫較高。冬季，由Y12、Y10和Y11觀測(cè)站連線以南的水體屬性幾乎一致，表現(xiàn)為高鹽、高溫，由Y12、Y10和Y11觀測(cè)站連線以北的水體溫度和鹽度均較低，但與其他三季比，整個(gè)灣的鹽度南北變化均較小，可能與枯冬季的徑流量小關(guān)系密切。

1.3 潮汐、潮流及余流特征

潮汐方面，由連續(xù)觀測(cè)站Y4、Y14和Y15的準(zhǔn)調(diào)和分析結(jié)果顯示，樂(lè)清灣潮汐為正規(guī)半日潮型，從灣口至灣頂潮汐作用逐漸增強(qiáng)，半日潮類型潮汐增強(qiáng)作用更為明顯，淺水分潮強(qiáng)度增大，灣口(Y4)淺水分潮振幅明顯低于灣頂(Y14、Y15)。潮流方面，受地形的影響，各觀測(cè)站位往復(fù)流特征明顯，Y4處于海面開(kāi)闊水深大的潮流進(jìn)出通道，漲潮流呈西北方向流入灣口中部海域，落潮流呈東南方向，清晰地顯示出該站位往復(fù)流的特征，且漲潮流速小于落潮流速;Y14位于茅埏島和漩門(mén)二期大壩中間，漲潮流呈東北偏北方向以北向流為主，落潮流呈西南偏南方向，漲潮流速小于落潮流速;Y15西邊為較深的航道，東邊為由茅埏島、毛擔(dān)山和大橫床組成的不連續(xù)弧形島鏈，漲潮流呈東北向，落潮流為西南向，漲潮流速小于落潮流速。3個(gè)連續(xù)觀測(cè)站位春、夏、秋季觀測(cè)結(jié)果與冬季觀測(cè)結(jié)果相似。余流方面，準(zhǔn)調(diào)和分析結(jié)果表明，各觀測(cè)站位半日分潮占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，Y4各分潮的橢圓傾角均朝西北方向，Y14和Y15各分潮的橢圓傾角均朝東北方向，Y14站位橢圓傾角比Y15向北偏移。4個(gè)季節(jié)航次Y4、Y14和Y15站位的M2分潮的潮流橢圓傾角和橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)度均變化不大，Y4為西北方向，Y14為東北偏北方向，Y15為東北方向。樂(lè)清灣的潮位、潮流和余流特征詳見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。

2 樂(lè)清灣的水交換過(guò)程

在研究分析樂(lè)清灣的溫(度)鹽(度)分布，潮汐、潮流和余流特征的基礎(chǔ)上，采用EFDC[7]模擬樂(lè)清灣水交換過(guò)程，通過(guò)灣內(nèi)水示蹤濃度計(jì)算灣內(nèi)各點(diǎn)水體被外海水置換情況。EFDC已在很多水域有過(guò)成功的應(yīng)用[8-10]，包括耦合溫鹽輸運(yùn)的三維水動(dòng)力過(guò)程、水質(zhì)與富營(yíng)養(yǎng)化耦合、泥沙及有毒污染物輸運(yùn)與預(yù)測(cè)、完整的近場(chǎng)混合帶模擬和水面追蹤等。與POM(princeton ocean model)等模型相比，EFDC邊界處理技術(shù)更靈活，計(jì)算穩(wěn)定性更強(qiáng)，能快速耦合水動(dòng)力、泥沙和水質(zhì)模塊，在河口海岸區(qū)域的適應(yīng)性好，可快速解決模型網(wǎng)格繪制及水深等海洋參數(shù)插值問(wèn)題。模擬過(guò)程中水平方向采用正交曲線網(wǎng)格擬合樂(lè)清灣復(fù)雜的岸線和地形(圖1)，垂直方向采用Sigma變換坐標(biāo)，垂向混合系數(shù)采用M-Y紊動(dòng)封閉模型，數(shù)值格式采用高效3層時(shí)間半隱式解，對(duì)流項(xiàng)處理采用COSMIC標(biāo)量對(duì)流格式，淺水區(qū)域采用干濕網(wǎng)格處理動(dòng)邊界，具體離散求解可參考文獻(xiàn)[7]。開(kāi)邊界采用水位控制，由開(kāi)發(fā)的東中國(guó)海潮波模型導(dǎo)出的潮位值插值得到開(kāi)邊界處的調(diào)和常數(shù)。水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果表明，受潮汐和地形作用共同影響，進(jìn)入灣內(nèi)的潮波發(fā)生淺水變形，潮差由灣口至灣頂漸增，潮流運(yùn)動(dòng)以往復(fù)流為主，漲潮流流向?yàn)镹W(北西)向，水流呈漫灘狀，流速緩慢，落潮流流向?yàn)镾E(南東)向，灘水歸槽入海，落潮流速大于漲潮流速，落潮歷時(shí)短于漲潮歷時(shí)[4]。

在不改變上述水動(dòng)力條件計(jì)算情況下，自2009年1月1日0時(shí)起，模式運(yùn)行70 d，假設(shè)灣內(nèi)均勻分布初始質(zhì)量濃度為1.0 mg/L的溶解態(tài)保守性示蹤物質(zhì)，開(kāi)邊界入流時(shí)的質(zhì)量濃度為0 mg/L，運(yùn)行潮波模式，當(dāng)潮波模擬穩(wěn)定后啟動(dòng)溶解態(tài)保守性示蹤物質(zhì)的對(duì)流-擴(kuò)散模式，并通過(guò)示蹤劑濃度計(jì)算灣內(nèi)各點(diǎn)水體交換情況。由計(jì)算結(jié)果可知，樂(lè)清灣水體縱向混合較好，表、底層示蹤劑濃度的分布差異小，保守性示蹤物質(zhì)的濃度值代表的不僅是其本身的濃度高低，同時(shí)也是此時(shí)當(dāng)?shù)厮w交換率的直觀顯示。

在水交換能力研究的常用方法中，通常將海灣看做一個(gè)箱體，假設(shè)箱外水進(jìn)入箱內(nèi)后能立即與整個(gè)箱內(nèi)水體完全混合，利用觀測(cè)資料(某種物質(zhì)在灣內(nèi)、灣外及海灣口門(mén)的濃度值)計(jì)算得到半交換時(shí)間、平均滯留時(shí)間等，通過(guò)這些時(shí)間概念描述水交換能力。這種方法的提出主要是在20世紀(jì)70—80年代計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬水平還較低的時(shí)候。隨著計(jì)算機(jī)水平和數(shù)值模式的改進(jìn)，現(xiàn)可采用保守性示蹤物質(zhì)的輸移擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，模擬每個(gè)計(jì)算網(wǎng)格保守性示蹤物質(zhì)的擴(kuò)散輸移以及稀釋的快慢，進(jìn)而得到整個(gè)海灣的水交換特征。

假設(shè)灣內(nèi)水在不同時(shí)刻被外海水置換的平均比率為R(t)，本研究采用下式計(jì)算樂(lè)清灣水體平均置換率:

式中:Hi0、Ci0分別為第i個(gè)計(jì)算網(wǎng)格初始時(shí)刻的總水深和示蹤劑質(zhì)量濃度，Ai(t)、Hi(t)和Ci(t)分別為第i個(gè)計(jì)算網(wǎng)格t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的面積、總水深和示蹤劑質(zhì)量濃度。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 樂(lè)清灣水體平均置換率

樂(lè)清灣的水體交換主要是由鹿西島兩側(cè)流入的外海水體與灣內(nèi)水體的交換，以及灣口門(mén)西側(cè)附近的灣內(nèi)水體與甌江北口徑流沖淡水的水體交換。從口門(mén)到灣頂，樂(lè)清灣水交換能力差別較大。根據(jù)樂(lè)清灣水體平均置換率(圖2)，樂(lè)清灣口門(mén)附近90%以上的水體被外海置換所需時(shí)間不到5 d，而此時(shí)灣頂示蹤劑的質(zhì)量濃度未有太大改變;到15 d左右，80%的灣內(nèi)水體被外海水置換;40 d后，90%灣內(nèi)水體被置換;70 d后，置換率達(dá)97%。樂(lè)清灣的水交換能力與灣內(nèi)溫(度)鹽(度)水平及斷面分布特征一致，以最窄的連嶼至打水山斷面為界，斷面以南的水體1個(gè)月基本可以完全交換，斷面以北的水體交換2個(gè)月仍無(wú)法達(dá)到灣口的水平。樂(lè)清灣溫度、鹽度的分布特征也同樣說(shuō)明斷面以北的水體主要受季節(jié)影響，與外海水交換混合能力很差。

3 結(jié)語(yǔ)

基于4個(gè)航次實(shí)測(cè)資料分析了樂(lè)清灣的溫(度)鹽(度)、潮汐、潮流和余流等海洋環(huán)境季節(jié)分布特征，并采用EFDC研究了樂(lè)清灣的水交換過(guò)程。結(jié)果表明，樂(lè)清灣水域中的水體交換能力差別很大，其水交換能力與灣內(nèi)溫(度)鹽(度)水平及斷面分布特征一致，說(shuō)明溫(度)鹽(度)分布和梯度可從另一個(gè)方面反映樂(lè)清灣水體交換能力。

[1]《中國(guó)海灣志》編篡委員會(huì).中國(guó)海灣志:第6分冊(cè)[M].北京:海洋出版社，1993:110-187.

[2]毛龍江，殷勇，郭偉，等.浙江樂(lè)清灣現(xiàn)代沉積與懸沙質(zhì)量濃度分布特征及意義[J].海洋科學(xué)，2005，29(10):93-96.

[3]楊成浩，廖光洪，羅鋒.樂(lè)清灣的潮位、潮流和余流特征[J].海洋學(xué)研究，2010，28(2):1-12.

[4]羅鋒，廖光洪，楊成浩，等.樂(lè)清灣水交換特征研究[J].海洋學(xué)研究，2011，20(2):79-88.

[5]陳雷，徐兆禮，陳勝，等.2007年樂(lè)清灣富營(yíng)養(yǎng)化空間特征及其成因分析[J].上海海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，19(1):91-97.

[6]李春平，張靈杰，董麗晶.浙江樂(lè)清灣海岸帶功能區(qū)劃分與海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展[J].海洋通報(bào)，2003，22(5):38-43.

[7]HAMRICK J M.A three-dimensional environmental fluid dynamics computer code:theoretical and computational aspects[R].Williamsburg:College of William and Mary，Virginia Institute of Marine Science，1992.

[8]李瑞杰，嚴(yán)以新，宋志堯.太平水道懸移質(zhì)輸運(yùn)數(shù)學(xué)模型[J].泥沙研究，2003(4):46-51.

[9]羅鋒，李瑞杰，廖光洪，等.水文氣象條件變化對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵影響研究[J].海洋學(xué)研究，2011，29(3):8-17.

[10]LUO Feng，LI Rui-jie.3D water environment simulation for north Jiangsu offshore sea based on EFDC[J].J Water Resource and Protection，2009(1):41-47.