高時(shí)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(yùn)機(jī)理分析

高時(shí)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(cè)資料為基礎(chǔ)，采用鹽度輸運(yùn)分解的計(jì)算方法對(duì)磨刀門鹽度輸運(yùn)特征進(jìn)行分析，對(duì)比各分解項(xiàng)動(dòng)力成因和對(duì)鹽度輸運(yùn)貢獻(xiàn)的大小，分析磨刀門水道鹽度分布特征和輸運(yùn)特征，結(jié)果表明：（1）磨刀門水道鹽度輸運(yùn)主要由徑流為主要作用的歐拉輸運(yùn)、潮流剪切輸運(yùn)和由河口密度梯度產(chǎn)生的垂向環(huán)流輸運(yùn)為主，其中歐拉輸運(yùn)方向向海，潮流剪切和重力環(huán)流輸運(yùn)向陸，兩種不同方向的鹽度輸運(yùn)在大、小潮期相對(duì)強(qiáng)弱的變化，導(dǎo)致了咸潮上溯的增強(qiáng)或者減弱。小潮期間，垂向環(huán)流和潮流剪切輸運(yùn)大于歐拉輸運(yùn)，凈輸運(yùn)方向向陸導(dǎo)致咸潮上溯；大潮期間，垂向環(huán)流輸運(yùn)顯著減小，凈輸運(yùn)方向向海導(dǎo)致咸潮后退。（2）洪灣水道鹽度輸運(yùn)主要以歐拉輸運(yùn)為主，垂向環(huán)流輸運(yùn)很小，與磨刀門水道鹽度輸運(yùn)具有顯著的不同。

咸潮上溯；鹽度輸運(yùn)；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(duì)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(qiáng)，大潮期減弱的現(xiàn)象，與常規(guī)的大潮鹽水上溯強(qiáng)而咸潮災(zāi)害強(qiáng)，小潮鹽水上溯弱而咸潮災(zāi)害弱的河口鹽水運(yùn)動(dòng)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(huì)的廣泛關(guān)注，咸潮上溯問題得到大量研究，磨刀門獨(dú)特的咸潮上溯過程為研究重點(diǎn)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(rèn)為小潮期連續(xù)的漲潮流是咸潮上溯強(qiáng)烈的主要原因；盧陳等（2013）通過水槽試驗(yàn)分析了潮汐強(qiáng)度對(duì)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(duì)磨刀門水道咸潮上溯的影響?？傊瑢?duì)磨刀門咸潮上溯規(guī)律以及其各個(gè)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(yùn)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(yùn)中的作用，采用鹽度輸運(yùn)機(jī)制分解的方法是了解各項(xiàng)動(dòng)力因素對(duì)鹽度輸運(yùn)貢獻(xiàn)大小的有效手段。20世紀(jì)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(jìn)一步發(fā)展了物質(zhì)輸運(yùn)的計(jì)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(xì)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(jìn)行了連續(xù)15 d的咸潮觀測(cè)，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(cè)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(cè)一次（羅丹，2011）。觀測(cè)期流量和潮差見圖3。

圖2 磨刀門測(cè)點(diǎn)位置

圖3 觀測(cè)期流量和潮差

1 輸運(yùn)分解計(jì)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(yùn)項(xiàng)的表達(dá)式及意義如表1所示。

表1 各輸運(yùn)項(xiàng)的代表意義

2 計(jì)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(jì)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(cè)站外，磨刀門水道上的測(cè)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(shí)刻，垂向鹽度混合較為均勻，分層系數(shù)變小，瞬時(shí)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(cè)站鹽度數(shù)據(jù)，以1#測(cè)站為起點(diǎn)，繪制了小潮（12月11日）和大潮（12月16日）的高低潮位時(shí)刻縱向鹽度分布圖（圖4）。小潮時(shí)高、低潮位時(shí)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(shí)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(shí)鹽水楔向河口移動(dòng)，等高線則較為平緩。大潮時(shí)漲潮水體仍以楔狀切入河道，但漲潮動(dòng)力強(qiáng)勁，口門外高鹽水大量進(jìn)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(shí)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(gè)半月周期內(nèi)，小潮期垂向流動(dòng)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(qiáng)（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(cè)期間各站余流與分層系數(shù)

圖4 典型時(shí)刻縱向鹽度分布

2.3鹽度輸運(yùn)分析

2.3.1 磨刀門水道縱向鹽度輸運(yùn)分析

一個(gè)完整的半月時(shí)段（12月10日-12月25日）鹽度輸運(yùn)分解計(jì)算結(jié)果見表3。從各輸運(yùn)項(xiàng)對(duì)比可以看出，歐拉輸運(yùn)（T1）、斯托克斯輸運(yùn)（T2）、鹽度與潮流的潮變化項(xiàng)（T4）、垂向環(huán)流輸運(yùn)（T5）和垂向潮振動(dòng)切變項(xiàng)（T8）對(duì)鹽度輸運(yùn)貢獻(xiàn)較大，其他3項(xiàng)輸運(yùn)量很小。

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

斯托克斯輸運(yùn)項(xiàng)（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(yùn)。由于水深增大時(shí)為漲潮，水深減小時(shí)為落潮，且漲、落憩時(shí)刻滯后于高、低潮位時(shí)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(yùn)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(yùn)量也呈增大的趨勢(shì)。

鹽度和潮流的潮變化項(xiàng)（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(yùn)，其大小和方向與相位偏差的程度有關(guān)。

垂向環(huán)流項(xiàng)（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(fù)底正，而流速垂向偏差值為表正底負(fù)，導(dǎo)致垂向環(huán)流輸運(yùn)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(xiàng)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(duì)流、垂向混合強(qiáng)度有關(guān)。

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

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

2.3.2 磨刀門水道鹽度輸運(yùn)半月周期分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖5給出了對(duì)鹽度輸運(yùn)起主要

作用的各輸運(yùn)項(xiàng)在半月潮周期內(nèi)的變化過程。由縱向鹽度輸運(yùn)分解分析結(jié)果可知，河口鹽度輸運(yùn)主要作用包括徑流、潮流、環(huán)流3項(xiàng)。歐拉輸運(yùn)項(xiàng)（T1）變化過程與來流過程（圖3）基本一致。實(shí)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(xiàng)（T2、T4、T8）與潮差有關(guān)，呈現(xiàn)大潮大小潮小的特點(diǎn)。垂向環(huán)流項(xiàng)（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(cè)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(yùn)項(xiàng)呈小潮大、大潮小的變化趨勢(shì)。

表3 鹽度輸運(yùn)分解計(jì)算結(jié)果（psu·m·s-1，負(fù)值表示向陸輸運(yùn)）

圖5 各測(cè)點(diǎn)輸運(yùn)通量大小潮變化圖（向海輸運(yùn)為正值，向陸輸運(yùn)為負(fù)值）

從各項(xiàng)輸運(yùn)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(yùn)項(xiàng)和環(huán)流輸運(yùn)項(xiàng)，其它各項(xiàng)在半月周期內(nèi)的變化幅度小。歐拉輸運(yùn)量主要與徑流和鹽度變化有關(guān)，而環(huán)流輸運(yùn)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(dòng)力造成垂向混合增強(qiáng)，鹽度垂線偏差顯著減小，使得環(huán)流輸運(yùn)項(xiàng)大潮期間顯著減小。因此在歐拉輸運(yùn)量變化不顯著的情況下（如5#、6#測(cè)站），垂向環(huán)流輸運(yùn)量的變化決定了凈輸運(yùn)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(yùn)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(cè)站均位于分汊口下游。由輸運(yùn)分解結(jié)果可以看出，位于洪灣水道的4#測(cè)站鹽度輸運(yùn)表現(xiàn)出不同的特征，洪灣水道歐拉輸運(yùn)占主導(dǎo)作用，其次為斯托克斯輸運(yùn)，再次為垂向環(huán)流輸運(yùn)，其它各項(xiàng)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(shì)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小（圖7），分層系數(shù)僅為0.15，縱向鹽度梯度相對(duì)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(yùn)分解是了解輸運(yùn)動(dòng)力因素影響的有效方法，磨刀門水道鹽度輸運(yùn)分解計(jì)算結(jié)果顯示，枯季磨刀門咸潮上溯的主要?jiǎng)恿κ谴瓜颦h(huán)流輸運(yùn)和潮致混合輸運(yùn)，垂向環(huán)流輸運(yùn)起主導(dǎo)作用，抑制咸潮上溯的動(dòng)力是以徑流為主的歐拉輸運(yùn)。向陸輸運(yùn)的垂向環(huán)流項(xiàng)在大潮期間顯著減小使得大潮期間凈輸運(yùn)方向向海，而小潮期間歐拉輸運(yùn)項(xiàng)減小、垂向環(huán)流輸運(yùn)增強(qiáng)，使得凈輸運(yùn)方向向陸，兩個(gè)方向輸運(yùn)量在半月潮周期內(nèi)大小的對(duì)比變化決定了咸潮運(yùn)動(dòng)方向。洪灣水道作為磨刀門水道的主要汊道，鹽度輸運(yùn)表現(xiàn)出不同的特征，洪灣水道歐拉輸運(yùn)占主導(dǎo)作用，其次為斯托克斯輸運(yùn)，再次為垂向環(huán)流輸運(yùn)，其它各項(xiàng)均較小，不同于磨刀門水道。

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

高時(shí)友（1978-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事河口海岸動(dòng)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。