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        磨刀門鹽水入侵特性及其動(dòng)力機(jī)制研究

        2018-05-10 09:16:32呂紫君馮佳佳羅照陽潘明婕
        水道港口 2018年2期
        關(guān)鍵詞:小潮平流磨刀

        呂紫君,馮佳佳,孔 俊,羅照陽,潘明婕

        (1.河海大學(xué) 江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點(diǎn)試驗(yàn)室,南京 210098;2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,南京 210006)

        鹽水入侵是沿海河口地區(qū)特有的一種水文現(xiàn)象,多發(fā)于枯水期,是河口研究中關(guān)鍵問題之一。國外關(guān)于鹽水入侵的研究從20世紀(jì)50年代開始,早期研究工作主要集中在河口環(huán)流、鹽水入侵長度、鹽淡水混合類型、最大渾濁帶等[1-3]。河口區(qū)的鹽淡水混合與輸運(yùn)是一個(gè)極其復(fù)雜的過程,鹽水入侵受向陸和向海兩種鹽度輸送驅(qū)動(dòng)力共同控制;Hansen[2]較早開始采用機(jī)制分解方法研究河口鹽度輸運(yùn),提出以河口流速及鹽度的垂、橫向變化來描述河口的鹽度通量;Lerczak[4]根據(jù)實(shí)測資料研究了哈德遜河口的鹽度輸運(yùn),將縱向鹽度輸運(yùn)分成平流輸運(yùn)、穩(wěn)定剪切輸運(yùn)及潮汐震動(dòng)輸運(yùn)。國內(nèi)關(guān)于鹽水入侵的研究從20世紀(jì)80年代開始,主要集中在長江口[5]和珠江口[6]。

        珠江口磨刀門水道沿途分布著眾多取水口,是珠海、中山、澳門等城市的主要飲用水水源地。21世紀(jì)以來,受航道疏浚、口門挖沙以及上游徑流量變化的影響,磨刀門鹽水入侵日趨嚴(yán)重,眾多學(xué)者針對(duì)這一問題開展了大量研究。賈良文等[7]對(duì)磨刀門水流及鹽度的變化過程進(jìn)行分析,得出磨刀門枯季鹽淡水類型屬于緩混合型;韓志遠(yuǎn)等[8]基于不同年份的潮位和地形資料,分析了磨刀門鹽水入侵加劇的原因;盧陳等[9]采用物理模型實(shí)驗(yàn)方法對(duì)不同潮差驅(qū)動(dòng)下鹽水入侵距離進(jìn)行研究,結(jié)果表明存在潮差臨界值使得鹽水入侵距離最短。由于實(shí)地測量的時(shí)空覆蓋有限,而物理試驗(yàn)的研究成本高,所以數(shù)值模擬已廣泛應(yīng)用于河口鹽水入侵的研究,Gong和Shen[10]采用ELCIRC模型對(duì)磨刀門鹽水入侵與徑流和潮差的響應(yīng)法則進(jìn)行研究,表明徑流量的大小是影響鹽水入侵的關(guān)鍵因素;Wang等[11]、陳文龍等[12]利用FVCOM模型對(duì)磨刀門水道的鹽水入侵規(guī)律進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)鹽水入侵最遠(yuǎn)出現(xiàn)在小潮之后的中潮。

        上述成果多為對(duì)磨刀門鹽水入侵規(guī)律與影響因素的研究,相應(yīng)的物質(zhì)輸運(yùn)通量及其分解的研究偏少,鹽水入侵半月周期變化的動(dòng)力學(xué)機(jī)制尚不明確,同時(shí)磨刀門鹽度數(shù)值模擬的精度及效率有待進(jìn)一步提高。鑒于此,本文基于一種最新發(fā)展的河口海洋模型SCHISM[13],構(gòu)建磨刀門水道三維水流鹽度數(shù)值模型,利用該模型對(duì)磨刀門鹽水入侵特性、縱向鹽度輸運(yùn)進(jìn)行分析,探究磨刀門鹽水入侵的動(dòng)力機(jī)制。

        1 數(shù)值模型建立

        1.1 數(shù)值模型

        研究中采用的模型為SCHISM[13],該模型是基于SELFE[14]開發(fā)出的一個(gè)跨尺度湖泊-河流-河口-海洋數(shù)值模型,計(jì)算區(qū)域水平方向上采用三角形和四邊形混合網(wǎng)格,可以靈活地?cái)M合復(fù)雜的地形和岸線;垂向上采用傳統(tǒng)的混合SZ坐標(biāo)或者新增的LSC2坐標(biāo)[15],混合SZ坐標(biāo)不僅能適應(yīng)復(fù)雜不規(guī)則地形,而且能有效改善模型垂向的空間分辨率,克服河口區(qū)因地形變化大而引起的模擬水平梯度失真的難題;而LSC2坐標(biāo)在保證深海區(qū)垂向網(wǎng)格精度的同時(shí),避免淺水區(qū)垂向?qū)訑?shù)過多。模型采用高階ELM方法處理動(dòng)量方程中的對(duì)流項(xiàng),采用迎風(fēng)格式或隱式二階TVD格式處理物質(zhì)輸運(yùn)方程中的對(duì)流項(xiàng),既可提高計(jì)算的時(shí)間步長,又可保證模型計(jì)算穩(wěn)定性和效率。采用GLS模型求解摻混系數(shù),并提供了與通用的GOTM模塊的接口。關(guān)于SCHISM模型的其他詳細(xì)介紹,可見參考文獻(xiàn)[13],模型在水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上耦合了波浪、生態(tài)、水質(zhì)、風(fēng)暴潮等模塊,已經(jīng)用于全球的水動(dòng)力相關(guān)問題的研究與預(yù)報(bào),如北海和波羅海[16]等。

        1.2 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格

        磨刀門三維數(shù)值模型共有2個(gè)開邊界,上游開邊界位于百頃頭以上的外海大橋附近,給流量過程,下游至磨刀門口外-15 m等深線附近,給水位過程;邊界流量、水位及鹽度均從已建的珠江口二維模型中提取,穩(wěn)定的初始鹽度場通過循環(huán)運(yùn)行模型得出。模型水平方向采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格,網(wǎng)格共23 283個(gè),節(jié)點(diǎn)共13 168個(gè);模型垂向采用混合SZ坐標(biāo),平均海平面45 m以下采用Z坐標(biāo),分1層;45 m以上采用S坐標(biāo),分11層,每層厚度隨地形變化。網(wǎng)格分辨率的大小直接影響著模型的計(jì)算效率和精度,故分辨率分區(qū)域給定,口門區(qū)域分辨率取為1 500 m,而為確保鹽度模擬精度,河道內(nèi)分辨率取在40 m以下。

        1.3 模型計(jì)算參數(shù)

        模型計(jì)算時(shí)間為2009年1月2日~1月31日,共30 d,時(shí)間步長為150 s;模型全域給恒定曼寧系數(shù),大小取0.015;模型為斜壓模型,采用冷啟動(dòng),不考慮底床變形和風(fēng)應(yīng)力,采用GLS湍流混合模型求解摻混系數(shù),采用隱式TVD2格式處理輸運(yùn)方程中的對(duì)流項(xiàng),采用高階ELM方法處理動(dòng)量方程中的對(duì)流項(xiàng),干濕網(wǎng)格判斷最小水深均為0.1 m。

        圖1 磨刀門水深地形及測點(diǎn)位置圖Fig.1 Topography of the Modaomen estuary and the locations of measurement stations

        2 模型驗(yàn)證

        采用2009年1月的實(shí)測資料對(duì)建立的數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證點(diǎn)位置分布見圖1,其中三灶站、燈籠山站、竹銀站為水位測站,M1 ~ M8點(diǎn)為流速和鹽度測點(diǎn)。為定量評(píng)估驗(yàn)證精度,引入均方根誤差(RMSE),其表達(dá)方式如下

        (1)

        式中:Xmod為模型計(jì)算值;Xobs為實(shí)際測量值;N為觀測次數(shù)。鑒于篇幅所限,本文只列出了部分驗(yàn)證成果,如圖2~圖4所示,圓點(diǎn)為實(shí)測值,實(shí)線為模擬值。驗(yàn)證表明,計(jì)算值與實(shí)測值吻合較好,誤差均在允許范圍之內(nèi)??傮w上,模型能較好地反演磨刀門水流及鹽度的變化過程,因此建立的三維水流鹽度數(shù)值模型可用于鹽水入侵機(jī)制的研究。

        圖3 M2、M6測點(diǎn)流速驗(yàn)證Fig.3 Calibration of flow velocity at M2 and M6 station

        圖4 M2、M6測點(diǎn)鹽度驗(yàn)證Fig.4 Calibration of salinity at M2 and M6 stations

        3 結(jié)果分析

        3.1 磨刀門鹽水入侵特征

        圖5 M6點(diǎn)表、底層鹽度時(shí)間過程線Fig.5 Temporal variation of surface and bottom salinity at M6 station

        珠江河口的潮汐類型為不規(guī)則半日潮,一天中出現(xiàn)2次高潮和2次低潮,潮差和潮歷時(shí)明顯不等。圖5給出了M6點(diǎn)表、底層的鹽度時(shí)間變化過程,為說明鹽度隨大小潮潮型的變化,同時(shí)給出了三灶站的潮位過程。由圖可知,M6點(diǎn)的底層鹽度變化在0~9 ppt之間,表層鹽度變化在0~6 ppt之間;且鹽水入侵過程有著明顯的半月周期變化規(guī)律,表底層鹽度在小潮后期驟然升高,并在中潮時(shí)達(dá)到峰值,之后隨著潮差增大,鹽度慢慢變小。

        圖6和圖7分別給出了小潮、大潮期間磨刀門水道潮平均的表、底層的流場和鹽度場分布情況,小潮期間(圖6),表層余流在整個(gè)磨刀門水道包括洪灣水道及鶴州水道都是向海運(yùn)動(dòng),磨刀門水道流速有明顯的橫向差異,東側(cè)流速明顯較西側(cè)大,這是因?yàn)闁|側(cè)為深槽,是重要潮流通道,流速相對(duì)較大,而西側(cè)為淺灘,底摩阻相對(duì)較大,削弱了潮流動(dòng)力,流速相對(duì)較?。坏讓佑嗔髟谀サ堕T水道主要向陸運(yùn)動(dòng),在西岸淺灘區(qū)域則向海運(yùn)動(dòng),在洪灣水道上段向海運(yùn)動(dòng),下段則向陸運(yùn)動(dòng);鹽水沿磨刀門水道東側(cè)深槽入侵,底部10 ppt鹽水可入侵到掛定角以上4 km附近,表層10 ppt等鹽度線則處于口門大橫琴附近,表底層鹽度差異大,鹽水分層明顯。大潮期間(圖7),表層余流在磨刀門口外海區(qū)、口內(nèi)河道和洪灣水道仍是向海運(yùn)動(dòng),底層余流在磨刀門水道深槽區(qū)向陸運(yùn)動(dòng),在淺灘則向海運(yùn)動(dòng);與小潮相比,磨刀門水道內(nèi)鹽水入侵減弱,底部10 ppt鹽水回落到掛定角以上1.5 km處,鹽水分層較弱。

        從潮周期平均的流場和鹽度場分布可以看出,磨刀門水道東側(cè)深槽是高鹽水入侵磨刀門的重要通道,小潮期間磨刀門水道攔門沙至掛定角段底部積聚較高的鹽水,隨著潮差增大,積聚的鹽水被輸送至上游。

        圖6 小潮期間表層(左)及底層(右)流場、鹽度分布Fig.6Surface(left)andbottom(right)meancurrentandtidally-averagedsalinityatneaptide圖7 大潮期間表層(左)及底層(右)流場、鹽度分布Fig.7Surface(left)andbottom(right)meancurrentandtidally-averagedsalinityatspringtide

        3.2 磨刀門鹽水入侵動(dòng)力機(jī)制分析

        3.2.1 鹽淡水混合特征

        為了進(jìn)一步分析磨刀門鹽水入侵的動(dòng)力機(jī)制,利用數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果,繪制了漲急、落急時(shí)刻A-A縱斷面的瞬時(shí)鹽度場,縱斷面位置如圖1所示。選取分層系數(shù)(n)來描述不同時(shí)刻鹽度的分層特征,n為測點(diǎn)表、底層的鹽度差與測點(diǎn)垂線平均鹽度的比值,定義為

        (2)

        圖8-a為小潮期間漲急、落急時(shí)刻磨刀門縱斷面鹽度分布圖,圖上橫軸為與外海A點(diǎn)的距離,流速箭頭代表沿河道的流速(下同)。小潮期間,三灶站的漲潮潮差為0.93 m,落潮潮差為0.68 m,潮汐動(dòng)力較小,縱斷面的鹽度等值線走勢比較平緩,沿程鹽度分層明顯。漲急時(shí)刻,口外底部水體鹽度變大,最高鹽度可達(dá)30 ppt,而表層鹽度值較低,隨著漲潮動(dòng)力增強(qiáng),口外高鹽水團(tuán)沿河道底部向上游推進(jìn),表層水體受其擠壓作用,形成明顯的高、低鹽水分界面;此時(shí),n2= 0.77,n4= 1.65,n6= 0.01,磨刀門水道的鹽水幾乎處于高度分層狀態(tài),且越往上游,分層越明顯,直到上游燈籠山附近,鹽水濃度很低,鹽度均勻分布,分層現(xiàn)象消失。落急時(shí)刻,中層及表層鹽水隨落潮流退至外海,但口門至洪灣水道段底部仍積蓄著高鹽水;此時(shí),n2= 0.47,n4= 0.91,n6= 1.28,水道下游的鹽水處于緩混合狀態(tài),而洪灣水道至燈籠山的鹽水仍處于高度分層狀態(tài)。

        中潮期間(圖8-b),三灶站的漲潮潮差為1.01 m,落潮潮差為1.73 m,與小潮期間相比,縱斷面的鹽度等值線趨勢有所傾斜,鹽水分層減弱。漲急時(shí)刻,口外鹽水楔進(jìn)入河道,與表層低鹽水混合后整體向上游入侵,水道內(nèi)鹽水濃度明顯變高,鹽水入侵距離增加;此時(shí),n2= 0.51,n4= 0.98,n6= 1.46,在鹽水楔鋒面所在范圍內(nèi),鹽水處于高度分層狀態(tài)。落急時(shí)刻,口外高鹽水稍有退卻,鹽水入侵距離達(dá)到峰值;此時(shí),n2= 0.34,n4= 0.55,n6= 0.35,鹽淡水混合充分,河道內(nèi)的鹽水基本處于緩混合狀態(tài)。

        大潮期間(圖8-c),三灶站的漲潮潮差為1.31 m,落潮潮差為2.01 m。漲急時(shí)刻,口外高鹽水團(tuán)進(jìn)入河道,相比中潮漲急時(shí)刻,磨刀門水道內(nèi)鹽水濃度變低,鹽水入侵距離減??;此時(shí),n2= 0.62,n4= 1.24,n6= 0.70,磨刀門水道的鹽水分層加強(qiáng)。落急時(shí)刻,口外高鹽水隨落潮流退出河道,此時(shí),n2= 0.41,n4= 0.89,n6= 0.67,鹽水基本處于緩混合狀態(tài),大潮潮汐動(dòng)力強(qiáng),一天中鹽水濃度變化劇烈,鹽水“大進(jìn)大出”。

        3.2.2 鹽通量分解

        本文采用Lerczak等[4]提出的計(jì)算鹽度通量的方法,將河口的鹽度輸運(yùn)分為平流輸運(yùn)(advection transport)、穩(wěn)定剪切輸運(yùn)(steady shear transport)、潮汐震蕩輸運(yùn)(tidal oscillatory transport)三部分。斷面總鹽通量可以表示如下

        FS==<(u0+uE+uT)(S0+SE+ST)dA>

        (3)

        式中:u為軸向流速,m/s;s為鹽度,ppt;A為橫斷面面積,m2;下標(biāo)0為潮平均的余流;下標(biāo)E為剪切流;下標(biāo)T為潮流波動(dòng)。MacCready[17]認(rèn)為公式中的交叉項(xiàng)可以近似為零,得出鹽度通量的分解表達(dá)式如下

        FS=<(u0s0uESE+uTST)dA>=Qfs0+FE+FT

        (4)

        式中:FS為總鹽通量;Qfs0為平流輸運(yùn)項(xiàng);FE為穩(wěn)定剪切項(xiàng);FT為潮汐震蕩項(xiàng)。平流輸運(yùn)項(xiàng)是由上游流量以及外海stokes漂流引起的,主要是將上游鹽水輸運(yùn)至外海;穩(wěn)定剪切項(xiàng)主要由垂向剪切流引起,而潮汐震蕩項(xiàng)是由流速與鹽度的潮內(nèi)變化相互作用產(chǎn)生,它們則主要是將外海的高鹽水輸運(yùn)至河口上游。

        以口門處的M2點(diǎn)為起始點(diǎn),向上游河道每隔5 km取一個(gè)橫斷面,共選取6個(gè)橫斷面,計(jì)算并分析各斷面的鹽通量在一個(gè)潮周期過程中的變化情況。圖9給出了斷面2及斷面5的鹽通量分量Qfs0、FE和FT以及總鹽通量FS在一個(gè)完整潮周期過程中的變化情況,圖中正值表示向海輸運(yùn);負(fù)值表示向陸輸運(yùn),斷面具體位置如圖8所示。

        圖9-c為斷面2的鹽通量分量,在斷面2處,Qfs0始終為正值,即平流輸送作用向海輸送鹽水,且在小潮期間平流輸送作用弱,在大潮期間平流輸送作用強(qiáng);FE始終為負(fù)值,即穩(wěn)定剪切作用向陸輸送鹽水,且在小潮期間穩(wěn)定剪切作用強(qiáng),在大潮期間穩(wěn)定剪切作用明顯減弱;潮汐震蕩作用FT在斷面2處向陸輸送鹽水,且在大潮期間最強(qiáng),在小潮期間最弱;總鹽通量FS在小潮期間通過斷面2向河道內(nèi)輸送鹽水,而在大潮期間向外海輸送鹽水。

        圖9-d為斷面5的鹽通量分量,在斷面5處,穩(wěn)定剪切輸送、平流輸送和潮汐震蕩的規(guī)律與斷面2基本相同,但輸送強(qiáng)度變??;FS在后半月周期的小潮期間向陸輸送鹽水,隨后在中潮轉(zhuǎn)大潮、大潮期間向海輸送鹽水,而在前半月周期(1月6日~1月17日),F(xiàn)S基本為0,表明在Qfs0、FE和FT三者作用下,此期間磨刀門水道內(nèi)的日潮平均總鹽量處于平衡狀態(tài)。

        9-a 三灶站水位 9-b 鹽水入侵長度

        9-c 斷面2的鹽通量分量 9-d 斷面5的鹽通量分量圖9 鹽通量分量過程圖Fig.9 Decomposition of salt transport flux

        4 結(jié)論

        基于SCHISM模型,對(duì)磨刀門水道鹽水入侵特性、縱向鹽度輸運(yùn)進(jìn)行了分析,得出以下結(jié)論:

        (1)枯季磨刀門鹽水入侵一般特性為:小潮期間,磨刀門水道鹽水分層明顯,攔門沙至掛定角段底部積聚高鹽水,鹽水入侵距離較??;中潮期間,鹽水混合充分,小潮時(shí)積聚的底部高鹽水逐漸摻混至表層,并被輸送至上游,鹽水入侵距離最遠(yuǎn);大潮期間,一天中鹽水濃度變化劇烈,鹽水“大進(jìn)大出”,鹽水入侵距離比中潮期間有所減小,但大于小潮期間的入侵距離。

        (2)磨刀門日平均鹽度受平流輸送和穩(wěn)定剪切輸送共同作用,鹽量輸運(yùn)在大部分時(shí)間內(nèi)處于不平衡狀態(tài)。小潮期間,總鹽通量向陸,穩(wěn)定剪切作用強(qiáng),平流輸運(yùn)作用弱,鹽量在河道里累積;中潮期間,總鹽通量由向陸轉(zhuǎn)為向海,河道內(nèi)的日平均鹽度最大,鹽水入侵距離最遠(yuǎn);大潮期間,總鹽度通量向海,驅(qū)動(dòng)鹽水向陸輸送的穩(wěn)定剪切和潮汐震蕩作用小于驅(qū)動(dòng)鹽水向海輸送的平流輸送作用,鹽量被沖出河口。

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