潘明婕, 孔俊, 楊芳, 羅照陽(yáng), 章衛(wèi)勝, 荊立, 4, 王青, 李占臣

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臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)磨刀門(mén)水道咸潮上溯動(dòng)力過(guò)程的影響機(jī)制

潘明婕1, 2, 孔俊1, 楊芳3, 羅照陽(yáng)1, 章衛(wèi)勝1, 荊立1, 4, 王青1, 李占臣5

1. 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河海大學(xué)), 江蘇 南京 210098; 2. 南京昊控軟件技術(shù)有限公司, 江蘇 南京 211100; 3. 珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院, 廣東 廣州 510611; 4. 生態(tài)環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210042; 5. 海軍北海工程設(shè)計(jì)院, 山東 青島 266012

隨著全球氣候變暖加劇, 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)量不斷增加, 加劇了磨刀門(mén)水道咸潮災(zāi)害的變化形勢(shì)。本文采用SCHISM(semi-implicit cross-scale hydroscience integrated system model)模型建立磨刀門(mén)水道三維水流鹽度數(shù)值模型, 分析臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)磨刀門(mén)水道鹽水入侵的影響。選取以“納沙”為代表的西徑型臺(tái)風(fēng)和以“天兔”為代表的東徑型臺(tái)風(fēng), 發(fā)現(xiàn)二者對(duì)鹽度輸運(yùn)和層化過(guò)程的動(dòng)力響應(yīng)具有差異性。東徑型臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致外海減水, 平流通量向海增大; 而西徑型臺(tái)風(fēng)引起外海增水, 逆轉(zhuǎn)了原本向口外輸出鹽度的平流通量, 會(huì)引起嚴(yán)重的鹽水入侵。臺(tái)風(fēng)不僅引起外海的增減水效應(yīng), 還帶來(lái)強(qiáng)勁的局地風(fēng)作用, 對(duì)水道流速和鹽度分布產(chǎn)生重要影響。在西徑型臺(tái)風(fēng)下, 順河口向上游的風(fēng)會(huì)減弱鹽淡水分層, 并加強(qiáng)平流項(xiàng)的向海輸出; 而在東徑型臺(tái)風(fēng)下, 一定強(qiáng)度順河口向下游的風(fēng)加強(qiáng)鹽淡水分層, 但當(dāng)風(fēng)速過(guò)強(qiáng)時(shí), 則會(huì)削弱鹽淡水分層。

鹽水入侵; 臺(tái)風(fēng)路徑; 數(shù)值模型; 磨刀門(mén)

21世紀(jì)以來(lái), 隨著全球變暖的加劇, 全球臺(tái)風(fēng)總數(shù)變化不明顯或可能出現(xiàn)下降趨勢(shì), 但臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度及強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的數(shù)量可能會(huì)不斷增加(Flato et al, 2013)。根據(jù)1949—2008年登陸珠江的熱帶氣旋情況統(tǒng)計(jì), 平均每年登陸珠江的熱帶氣旋有5.7個(gè)。臺(tái)風(fēng)作為短期改變海洋環(huán)境的重要?jiǎng)恿σ蛩? 會(huì)對(duì)近岸河口環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí), 強(qiáng)烈的氣旋性風(fēng)應(yīng)力使水體發(fā)生劇烈混合, 加快了陸—海、海—?dú)饧昂Ｋ练e物之間的物質(zhì)和能量交換(Fujii et al, 2002), 顯著改變海洋的溫度、鹽度、濁度和生態(tài)要素分布特征(Herbeck et al, 2011), 同時(shí)也會(huì)使海水化學(xué)性質(zhì)、水質(zhì)、海洋生物等要素在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生急劇變化(Yang et al, 2011)。Li等(2006)揭示了強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響下, 半封閉海灣經(jīng)歷了強(qiáng)鹽水上涌、鹽淡水分層現(xiàn)象破壞以及臺(tái)風(fēng)過(guò)后重力調(diào)整下的鹽淡水再層化過(guò)程。Li等(2009)根據(jù)實(shí)測(cè)資料, 分析了兩場(chǎng)連續(xù)颶風(fēng)影響下水通量和鹽通量的差異化響應(yīng)過(guò)程。Cho等(2012)通過(guò)綜合分析“弗洛依德”(Floyd)和“伊莎貝爾”(Isabel)兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)程對(duì)切薩皮克灣(Chesapeake Bay)的影響, 發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴潮作用主要有兩個(gè)階段, 一是遠(yuǎn)風(fēng)引起水面的增減水, 二是局地風(fēng)通過(guò)影響垂向混合和縱向鹽度輸運(yùn)調(diào)整流場(chǎng)和鹽度場(chǎng)分布; 并針對(duì)局地風(fēng)深入探究發(fā)現(xiàn), 順河口向下游的風(fēng)在一定強(qiáng)度下會(huì)加強(qiáng)層化, 但當(dāng)風(fēng)應(yīng)力增強(qiáng)則會(huì)經(jīng)歷層化增強(qiáng)后減弱的過(guò)程; 順河口向上游的風(fēng)深入水體中擾動(dòng), 通過(guò)逆轉(zhuǎn)重力環(huán)流減弱層化。

磨刀門(mén)水道位于中國(guó)第三大河流珠江的下游, 年徑流量占珠江入海徑流總量的28.3%, 為珠江八大口門(mén)之最。磨刀門(mén)水道沿途分布有竹洲頭泵站、全祿水廠取水口、平崗泵站等眾多取水口, 是中山、珠海、澳門(mén)特別行政區(qū)的主要飲用水水源地。近年來(lái), 磨刀門(mén)口門(mén)的圍墾工程和上游人工采沙活動(dòng)導(dǎo)致河道河床下切, 使得潮汐作用相對(duì)增強(qiáng)加大了外海鹽水的涌入, 使得鹽水入侵形勢(shì)日益嚴(yán)峻(呂愛(ài)琴等, 2006)。Gong等(2011, 2014)基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 利用EFDC(environmental fluid dynamics code)建立磨刀門(mén)水道三維水流鹽度數(shù)值模型, 分析枯季鹽度輸運(yùn)動(dòng)力特征, 結(jié)果顯示磨刀門(mén)鹽水入侵主要受潮汐和徑流的相互作用, 大的徑流量能有效抑制鹽水入侵。而在枯季正常流量條件下, 水道在小潮期間進(jìn)鹽, 大潮期出鹽, 從鹽通量機(jī)制上進(jìn)行解釋, 即使鹽度向陸輸運(yùn)的穩(wěn)定剪切通量在小潮達(dá)到最大, 大潮達(dá)到最小。關(guān)于磨刀門(mén)水道的鹽水入侵特征已有諸多學(xué)者展開(kāi)研究(Chen et al, 2009; Yuan et al, 2015), 然而隨著臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的加大及強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)量的增多, 且磨刀門(mén)作為受臺(tái)風(fēng)影響的高頻區(qū), 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)磨刀門(mén)水道動(dòng)力特征的改變已經(jīng)不容忽視, 但是由于臺(tái)風(fēng)期觀測(cè)困難, 實(shí)測(cè)資料較少, 針對(duì)磨刀門(mén)水道臺(tái)風(fēng)期鹽水入侵特征的研究較少。

本文選取以“納沙”為代表的西徑型臺(tái)風(fēng)和以“天兔”為代表的東徑型臺(tái)風(fēng), 研究不同臺(tái)風(fēng)路徑下, 磨刀門(mén)水道鹽水入侵的差異性響應(yīng)過(guò)程, 針對(duì)遠(yuǎn)風(fēng)產(chǎn)生的增減水效應(yīng)和局地風(fēng)對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的直接作用, 深入探究其影響機(jī)制。

1 實(shí)測(cè)資料分析

磨刀門(mén)水道地處中國(guó)南部沿海地區(qū), 面向南海, 屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 每年洪季受熱帶氣旋影響較為頻繁。本文選取2011年17號(hào)臺(tái)風(fēng)“納沙”和2013年19號(hào)臺(tái)風(fēng)“天兔”, 二者分別從磨刀門(mén)水道的西、東兩側(cè)過(guò)境, 分析不同路徑的臺(tái)風(fēng)對(duì)磨刀門(mén)水道鹽水入侵的影響。

“納沙”為2011年登陸珠江的年度最強(qiáng)臺(tái)風(fēng), 如圖1中臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑所示, “納沙”于9月24—30日從研究區(qū)域的西側(cè)過(guò)境。移動(dòng)過(guò)程中, “納沙”先后于9月26日23時(shí)和29日7時(shí)兩次加強(qiáng)到強(qiáng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度且長(zhǎng)期維持在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度。從澳門(mén)大潭山(圖1W點(diǎn))2h/次的風(fēng)矢量圖(圖2a)可以看出, “納沙”過(guò)境期間, 風(fēng)向由之前持續(xù)的偏北風(fēng), 突然沿順時(shí)針轉(zhuǎn)到東南風(fēng), 風(fēng)速最大可達(dá)13.9m·s–1, 之后隨著臺(tái)風(fēng)消散又轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)。臺(tái)風(fēng)“天兔”的移動(dòng)路徑與“納沙”不同, 于9月17—23日期間從磨刀門(mén)東側(cè)過(guò)境?！疤焱谩笔?013年全球最強(qiáng)臺(tái)風(fēng), 其移動(dòng)過(guò)程中, 臺(tái)風(fēng)風(fēng)勢(shì)持續(xù)強(qiáng)勁, 大部分時(shí)間都是強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)。從澳門(mén)大潭山2h/次的風(fēng)矢量過(guò)程(圖2b)可以看出, “天兔”過(guò)境期間, 風(fēng)向從偏東風(fēng)轉(zhuǎn)到偏西北風(fēng), 21日至23日期間隨著臺(tái)風(fēng)的臨近, 風(fēng)速持續(xù)增大, 最大達(dá)到11.8m·s–1, 之后隨著臺(tái)風(fēng)登陸風(fēng)速不斷減小。不同的臺(tái)風(fēng)路徑導(dǎo)致磨刀門(mén)水道受不同方向的強(qiáng)風(fēng)影響, 受“納沙”影響期主要盛行順河口向上游的風(fēng), 而“天兔”影響期主要盛行順河口向下游的風(fēng)。

圖1 研究區(qū)域及臺(tái)風(fēng)路徑圖TD: 熱帶低壓; TS: 熱帶風(fēng)暴; STS: 強(qiáng)熱帶風(fēng)暴; TY: 臺(tái)風(fēng); STY: 強(qiáng)臺(tái)風(fēng); tr1、tr2、tr3為所選橫斷面; M為所選分析點(diǎn); A-A為所選縱斷面

磨刀門(mén)水道鹽水入侵主要受徑流和潮汐的相互作用, 大徑流量對(duì)鹽水入侵有明顯的抑制作用?！凹{沙”和“天兔”都發(fā)生在9月洪季, 但是鹽水入侵情況卻截然不同。如圖3所示, 平崗泵在“納沙”期間連續(xù)15天測(cè)到鹽度, 而“天兔”期間鹽度卻一直為零。觀察其流量過(guò)程, 可以初步得到解釋, 即兩個(gè)時(shí)期上游流量懸殊。2011年珠江流域遭受干旱災(zāi)害, 9月期間流量在2000m3·s–1左右, 利于鹽水上溯。而2013年9月正值洪季, 流量大于5000m3·s–1, 極大地抑制了鹽水上溯。為避免流量差異過(guò)大的影響, 因此下文探討“納沙”和“天兔”不同臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)鹽水入侵的影響時(shí), 采用數(shù)值試驗(yàn)的方法, 取相同的定流量作為上游流量邊界進(jìn)行分析。

圖2 納沙(a)、天兔(b)期間實(shí)測(cè)風(fēng)速矢量圖圖中虛線框?yàn)榕_(tái)風(fēng)期影響時(shí)期

圖3 納沙(a)、天兔(b)期間實(shí)測(cè)表層鹽度和流量過(guò)程圖

2 數(shù)值模型及機(jī)制分析方法

2.1 數(shù)值模型

2.1.1 模型建立

磨刀門(mén)水道三維水流鹽度數(shù)值模型采用Zhang等(2016)在SELFE并行版的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的SCHISM (Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System Model)跨尺度湖泊-河流-河口-海洋水動(dòng)力模型, 該模型在水動(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, 廣泛用于河口海洋水動(dòng)力問(wèn)題研究。模型水平方向采用無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(圖4), 共有25998個(gè)網(wǎng)格單元, 15046個(gè)節(jié)點(diǎn), 垂向采用SZ混合坐標(biāo), 輸運(yùn)方程采用TVD2(高階隱式平流格式)進(jìn)行求解。上游流量邊界和外海水位、鹽度邊界從珠江大范圍潮流數(shù)學(xué)模型提取, 二維模型范圍及網(wǎng)格如圖4所示, 共有91161個(gè)網(wǎng)格單元、81049個(gè)節(jié)點(diǎn)。大范圍二維模型上游邊界為實(shí)測(cè)流量, 外海水位由潮汐預(yù)報(bào)值和實(shí)測(cè)水位值綜合率定調(diào)整而來(lái), 鹽度邊界為定值33‰; 風(fēng)速條件采用構(gòu)建的臺(tái)風(fēng)場(chǎng)計(jì)算得出, 臺(tái)風(fēng)場(chǎng)由基于Myers氣壓模型構(gòu)建的臺(tái)風(fēng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ惋L(fēng)場(chǎng)疊加CCMP/NECP背景風(fēng)場(chǎng)而來(lái), 詳細(xì)構(gòu)建方法參見(jiàn)葉榮輝等(2013)。模型運(yùn)行102天達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 大范圍二維模型網(wǎng)格(a)和磨刀門(mén)水道三維模型網(wǎng)格(b)

2.1.2 模型驗(yàn)證

采用“納沙”和“天兔”期間實(shí)測(cè)水位和表層鹽度數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證, 水位及鹽度測(cè)站位置如圖1所示。模型結(jié)果驗(yàn)證圖如5、6所示, 由于臺(tái)風(fēng)期外海風(fēng)浪較大, 大橫琴部分鹽度數(shù)據(jù)缺測(cè)。計(jì)算了各個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的均方根誤差(RMSE)附于驗(yàn)證圖上, 顯示模型驗(yàn)證結(jié)果較好, 模型可以用于后期分析。

圖5 納沙(2011年)、天兔(2013年)期間不同測(cè)站實(shí)測(cè)和模擬水位對(duì)比圖

圖6 納沙(2011年)、天兔(2013年)期間不同測(cè)站實(shí)測(cè)和模擬表層鹽度對(duì)比圖

2.2 鹽通量機(jī)制分析方法

為分析臺(tái)風(fēng)期鹽度輸運(yùn)的動(dòng)力機(jī)制, 采用Lerczak等(2006)提出的鹽通量機(jī)制分解方法, 其中總鹽通量s表示為:

式中, 方括號(hào)表示33小時(shí)的低通濾波;為法向流速,為鹽度,為斷面面積, 方括號(hào)內(nèi)橫斷面積分則得到瞬時(shí)的鹽通量值。而s可被分解為:

式中,和被分解為潮平均和斷面平均項(xiàng)(0和0)、潮平均和斷面變化項(xiàng)(E和E), 以及潮汐變化和斷面變化項(xiàng)(T和T)。機(jī)制分解結(jié)果顯示, 鹽通量輸運(yùn)取決于潮平均斷面平均的平流輸運(yùn)(f0)、潮平均剪切擴(kuò)散(E)和潮汐震蕩(T)三者動(dòng)力輸運(yùn)的平衡。此外, Lerczak等(2006)特別指出,E和T項(xiàng)主要驅(qū)動(dòng)鹽分向陸輸運(yùn), 而f0項(xiàng)主要受上游徑流量影響, 驅(qū)動(dòng)鹽分向海輸運(yùn)。

3 結(jié)果分析與討論

根據(jù)前文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析部分可知, 納沙和天兔過(guò)境時(shí)間雖然都在9月, 但是由于不同年份旱澇災(zāi)害情況不同, 導(dǎo)致上游徑流量差異較大。而磨刀門(mén)水道作為強(qiáng)徑弱潮型入海水道, 其鹽水入侵形勢(shì)受徑流影響很大。故本文在探討不同臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)磨刀門(mén)水道鹽水入侵影響過(guò)程中, 為排除徑流效應(yīng), 兩次臺(tái)風(fēng)期間取相同的上游定流量邊界。數(shù)值試驗(yàn)方法為: 大模型邊界2取2000m3·s–1的定流量(其余上游流量邊界根據(jù)邊界2按分流比給定值)分別在納沙和天兔驗(yàn)證好的數(shù)值案例基礎(chǔ)上運(yùn)行, 得到小模型流量邊界, 而納沙和天兔期間的小模型水位、鹽度邊界和風(fēng)速條件, 與經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證過(guò)的模擬案例保持一致, 數(shù)值試驗(yàn)的詳細(xì)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值試驗(yàn)匯總表

注: “無(wú)局地風(fēng)”即磨刀門(mén)水道三維模型沒(méi)有風(fēng)輸入

3.1 不同臺(tái)風(fēng)路徑導(dǎo)致的差異性增減水響應(yīng)過(guò)程

利用2000m3·s–1流量下納沙和天兔期間磨刀門(mén)水道三維數(shù)學(xué)模型, 對(duì)比分析西徑型和東徑型臺(tái)風(fēng)對(duì)水體運(yùn)動(dòng)的影響。從臺(tái)風(fēng)特征來(lái)看, 納沙期間(圖7中空心箭頭所示), 臺(tái)風(fēng)前期(29日10時(shí)前)風(fēng)速大致垂直于水道, 之后風(fēng)速方向轉(zhuǎn)為順河口向上游, 且風(fēng)速整體較大, 在5m·s–1以上; 天兔期間(圖8), 主要盛行順口向下游的風(fēng), 而風(fēng)速整體較小, 在3~5m·s–1, 臺(tái)風(fēng)后期風(fēng)速增大, 22日19時(shí)達(dá)到10.2m·s–1。從臺(tái)風(fēng)期水位的響應(yīng)過(guò)程來(lái)看, 納沙期間, 水位整體升高至少0.2m, 29日10時(shí)至12時(shí)高水位期水位增高更為明顯, 升高到1.8m, 較平時(shí)漲了0.4m, 可見(jiàn)納沙導(dǎo)致的增水現(xiàn)象十分明顯; 天兔期間, 水位整體降幅不大, 但是22日5時(shí)至7時(shí)落潮期, 低水位持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng), 不同于平時(shí)降到低水位后迅速漲水, 可見(jiàn)天兔造成一定的減水效應(yīng)?？傮w看來(lái), 以納沙為代表的西徑型臺(tái)風(fēng)影響下, 磨刀門(mén)水道盛行順河口向上游的風(fēng)并產(chǎn)生增水效應(yīng), 而以天兔為代表的東徑型臺(tái)風(fēng)影響下, 水道盛行順河口向下游的風(fēng)并產(chǎn)生減水效應(yīng)。

進(jìn)一步, 分析磨刀門(mén)水道橫斷面水量和鹽分的輸運(yùn)情況, 驗(yàn)證增減水效應(yīng), 探究鹽分輸運(yùn)特征。根據(jù)Kuo等 (1992)提出的公式(3)計(jì)算體積輸運(yùn), 分析斷面水通量的變化情況:

其中,指斷面水通量,指某一橫斷面每個(gè)小單元的面積,指斷面每個(gè)小單元的法向流速(流速方向以向海為正, 向陸為負(fù))。計(jì)算得到三個(gè)橫斷面(位置見(jiàn)圖1)隨潮汐變化的水通量變化過(guò)程, 取12h的平均過(guò)程繪出圖9。對(duì)比納沙和天兔期間水體輸運(yùn)過(guò)程可以發(fā)現(xiàn): 納沙期間, 9月29日12時(shí)前, 水通量總體較小且以向海輸出為主, 而29日前半日突然有較多水量向陸輸送, 之后連續(xù)24h大量向?；芈? 充分印證了外海增水引起的向陸水通量突然增大, 可見(jiàn)納沙影響顯著; 天兔期間, 水通量總體向海輸出, 尤其是9月22日至23日12時(shí), 輸出總量較大, 與天兔期間的減水效應(yīng)相對(duì)應(yīng)。從斷面鹽通量過(guò)程(圖10)來(lái)看, 磨刀門(mén)水道斷面鹽通量變化過(guò)程與水體輸運(yùn)過(guò)程保持一致。納沙期間, 28日12時(shí)至29日12時(shí)有較多鹽分向陸輸運(yùn), 是增水導(dǎo)致高濃度鹽度進(jìn)入水道所致; 天兔期間, 21日有鹽分向陸輸入, 可能是順河口向下游的風(fēng)較小, 加強(qiáng)鹽淡水層化, 使得鹽水從水道底層上溯, 而22日至23日12時(shí)向海輸出較多鹽分, 為風(fēng)應(yīng)力增大后減水效應(yīng)下鹽水向海運(yùn)動(dòng)。

采用鹽通量機(jī)制分解方法, 分析鹽度的輸運(yùn)過(guò)程, 結(jié)果如圖11所示。從沿程分布來(lái)看, 從斷面tr1至tr3鹽通量變化幅度逐漸減小, 這主要與鹽度入侵距離相關(guān), 外海潮汐上溯動(dòng)力從口門(mén)向上游不斷減弱, 平流項(xiàng)和震蕩項(xiàng)也隨之沿程減弱, 而剪切輸運(yùn)項(xiàng)沿程變化不大, 主要因?yàn)閿嗝媪魉?、鹽度剪切較大, 水道沿程形成重力環(huán)流, 促進(jìn)鹽分向陸輸運(yùn)。對(duì)比臺(tái)風(fēng)納沙和天兔期間的動(dòng)力輸運(yùn)特征可以發(fā)現(xiàn): 納沙期間, 鹽通量總體輸運(yùn)強(qiáng)度較大, 其中平流通量發(fā)生顯著變化, 通常情況下向海輸運(yùn)的平流項(xiàng), 在28、29日期間轉(zhuǎn)為向陸輸運(yùn), 導(dǎo)致凈向陸的總鹽通量(S)大幅增加, 震蕩項(xiàng)和剪切項(xiàng)也隨之略有增加; 天兔期間, 鹽通量總體輸運(yùn)強(qiáng)度較弱, 21日震蕩項(xiàng)和剪切項(xiàng)有所增大, 導(dǎo)致凈鹽通量向陸, 而22、23日期間向海的平流通量明顯增大, 將鹽分完全帶出水道。平流通量的變化與水體輸運(yùn)密切相關(guān), 受臺(tái)風(fēng)增減水影響顯著, 西徑型臺(tái)風(fēng)造成外海增水, 逆轉(zhuǎn)了原本向海方向的平流通量, 導(dǎo)致大量高鹽水從口門(mén)向上游涌入, 造成磨刀門(mén)水道產(chǎn)生更嚴(yán)重的咸潮災(zāi)害, 而東徑型臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致外海減水, 平流通量向海增大, 鹽度向口門(mén)外輸出, 緩解鹽水上溯形勢(shì)。

圖7 2000m3·s–1流量下納沙期間磨刀門(mén)水道水位和水深平均流速過(guò)程圖空心箭頭表示風(fēng)速

圖8 2000m3·s–1流量下天兔期間磨刀門(mén)水道水位和水深平均流速過(guò)程圖空心箭頭表示風(fēng)速

圖9 2000m3·s–1流量下納沙(a)、天兔(b)期間橫斷面 tr1、tr2和tr3的半日平均水體積輸運(yùn)正值表示向海, 負(fù)值表示向陸

圖10 2000m3·s–1流量下納沙(a)、天兔(b)期間橫斷面tr1、tr2和tr3的半日鹽通量正值表示向海, 負(fù)值表示向陸

圖11 2000m3·s–1流量下納沙(左)、天兔(右)期間的鹽通量33h濾波, 正值表示向海, 負(fù)值表示向陸, 虛線框表示臺(tái)風(fēng)影響階段; FE、FT、QFS0、FS分別指剪切擴(kuò)散鹽通量、潮汐震蕩鹽通量、平流輸運(yùn)鹽通量和總鹽通量

3.2 流量變化對(duì)不同臺(tái)風(fēng)路徑下鹽度輸運(yùn)的影響

針對(duì)臺(tái)風(fēng)期平流項(xiàng)的大幅變化, 改變上游徑流量, 如表1中設(shè)定的數(shù)值試驗(yàn)(N-1、N-2、N-3、N-4、N-6、N-8, U-1、U-2、U-3、U-4、U-6、U-8), 并選取中間tr2斷面分析徑流量變化對(duì)鹽通量的影響。

結(jié)合圖12和圖13分析發(fā)現(xiàn), 徑流量變化后, 平流項(xiàng)、震蕩項(xiàng)以及總鹽通量均有較大變化。當(dāng)徑流量減小時(shí), 對(duì)比圖12中1000和2000m3·s–1徑流情況: 納沙期間, 較低徑流量下, 平流項(xiàng)明顯向陸增大, 震蕩項(xiàng)和剪切項(xiàng)向陸略有減小, 凈鹽通量向陸輸運(yùn)加強(qiáng); 天兔期間, 各項(xiàng)變化趨勢(shì)與納沙基本一致, 平流項(xiàng)甚至從向海輸運(yùn)轉(zhuǎn)為向陸輸運(yùn), 而剪切項(xiàng)幾乎保持不變。當(dāng)徑流量增大時(shí), 對(duì)比圖12中2000和4000m3·s–1徑流情況: 納沙期間, 較高徑流量下, 平流項(xiàng)由向陸輸運(yùn)大致轉(zhuǎn)為向海輸運(yùn), 震蕩項(xiàng)和剪切項(xiàng)向陸均有增大, 凈鹽通量向陸輸運(yùn)減弱; 天兔期間, 平流項(xiàng)明顯向海增大, 震蕩項(xiàng)向陸增大, 但是剪切項(xiàng)向陸減小, 凈鹽通量向陸輸運(yùn)明顯減弱。

圖12 1000、2000、4000m3·s–1流量下納沙(左)、天兔(右)期間斷面2鹽通量圖(33h濾波)

選取特征時(shí)刻, 對(duì)比各流量下的鹽通量變化情況, 如圖13。所選時(shí)刻均在臺(tái)風(fēng)期, 且凈鹽通量為向陸輸運(yùn)。納沙(選取29日0時(shí))期間鹽水上溯嚴(yán)重, 斷面鹽通量較大, 當(dāng)徑流量不斷增大時(shí), 凈鹽通量向陸輸運(yùn)明顯減弱, 平流項(xiàng)向陸輸運(yùn)不斷減小, 徑流量大于6000m3·s–1后轉(zhuǎn)為向海輸運(yùn)并逐漸增大。震蕩項(xiàng)隨徑流量的變化也十分明顯, 徑流量越大, 向陸的震蕩項(xiàng)越大。天兔(選取22日12時(shí))期間鹽水入侵較弱, 斷面鹽通量較小, 當(dāng)徑流量增大時(shí), 凈鹽通量向陸輸運(yùn)明顯減弱, 流量為8000m3·s–1時(shí), 斷面凈鹽通量為零, 結(jié)合圖14鹽水入侵長(zhǎng)度線可知, 徑流量為8000m3·s–1時(shí)鹽度未能上溯到斷面2。隨著徑流量增大, 向海的平流項(xiàng)和向陸的震蕩項(xiàng)呈拋物線形式變化, 當(dāng)徑流量小于4000m3·s–1時(shí), 二者不斷增大, 而徑流量大于4000m3·s–1后, 二者受限于水道鹽度的整體下降, 而不斷減小。納沙和天兔期間, 隨著徑流量的加大, 剪切項(xiàng)卻呈現(xiàn)出幾乎相反的規(guī)律, 即納沙期間剪切項(xiàng)不斷增大而天兔期間剪切項(xiàng)略有增大后不斷減小。其主要原因在于, 納沙期間水道沿程含鹽度高, 徑流越大, 鹽度梯度越大, 形成的重力環(huán)流越強(qiáng), 使得剪切輸送的鹽度越多, 而天兔期間, 水道沿程含鹽度低, 徑流從1000m3·s–1增大到2000m3·s–1時(shí)尚能增強(qiáng)重力環(huán)流, 徑流更大時(shí), 則將上游鹽分帶出口外, 沿程鹽度梯度減小, 重力環(huán)流不斷減弱, 剪切輸送隨之減小。

圖13 不同徑流量下納沙(29日0時(shí))和天兔(22日12時(shí))期間斷面2鹽通量對(duì)比圖

沿縱向斷面A-A選取2‰作為臨界鹽度繪出鹽水入侵長(zhǎng)度線, 如圖14所示。納沙期間, 鹽水上溯距離較長(zhǎng), 低徑流量鹽水上溯更遠(yuǎn), 高徑流量鹽水上溯受到抑制。徑流量高于3000m3·s–1時(shí), 臺(tái)風(fēng)期鹽度則不能上溯到平崗泵處, 徑流量大于4000m3·s–1時(shí), 平崗泵基本不受咸潮影響。天兔期間, 鹽水上溯距離較短, 即使是1000m3·s–1流量下, 也未能上溯到平崗泵處, 主要原因在于臺(tái)風(fēng)之前受汛期徑流量大的影響, 近海鹽度普遍低于納沙時(shí)期, 加上臺(tái)風(fēng)減水期間潮汐動(dòng)力較弱, 鹽水上溯動(dòng)力不足。同樣, 與納沙期間規(guī)律一致, 隨著徑流量不斷加大, 鹽水上溯距離逐漸變短。

總體看來(lái), 徑流量對(duì)鹽水上溯影響顯著, 低徑流量時(shí), 平流項(xiàng)向陸輸運(yùn)加強(qiáng)(或向海輸運(yùn)減弱), 鹽通量?jī)粝蜿懺黾? 鹽水上溯更遠(yuǎn), 而高徑流量時(shí), 平流項(xiàng)向陸輸運(yùn)減弱(或向海輸運(yùn)加強(qiáng)), 鹽通量?jī)粝蜿憸p弱, 鹽水上溯受到抑制。

圖14 不同流量(顏色實(shí)線, 單位: m3·s–1)下納沙(a)、天兔(b)期間磨刀門(mén)水道底層鹽水(2‰)上溯距離(33h濾波)

3.3 不同臺(tái)風(fēng)路徑產(chǎn)生的不同方向局地風(fēng)對(duì)鹽度輸運(yùn)的影響

風(fēng)直接作用于水表面, 不僅能夠改變表層流速的大小, 還能夠通過(guò)?？寺斶\(yùn)(Ekman transport)改變垂向上的流速分布, 進(jìn)而影響鹽度分布。選取磨刀門(mén)水道深槽處的點(diǎn)M(位置如圖1所示), 對(duì)比臺(tái)風(fēng)期間有無(wú)局地風(fēng)作用下, 該點(diǎn)漲落潮期間的垂線流速和鹽度分布情況。具體分析的潮周期時(shí)刻如圖15所示, 其中a、b、c、d分別代表潮周期漲憩、落急、落憩、漲急四個(gè)特征時(shí)刻, 得到的垂線流速和鹽度分布結(jié)果如圖16、17、18所示。

納沙期間盛行順河口向上游的風(fēng), 如圖16所示, 所選潮周期內(nèi)風(fēng)速較強(qiáng), 在5.0m·s–1以上。從垂線流速分布來(lái)看, 與無(wú)風(fēng)條件(N-nlw)對(duì)比, 有風(fēng)(N-2)情況下, 表層流速向陸增加, 中、底層流速向陸減小, 特別是落憩時(shí)刻的流速受到較大影響, 使得表層原本向海的流速轉(zhuǎn)而向陸, 破壞了落憩時(shí)刻的重力環(huán)流結(jié)構(gòu), 加強(qiáng)了水體混合。從垂線鹽度分布來(lái)看, 有風(fēng)情況下, 漲憩至落急時(shí)刻的垂線鹽度均低于無(wú)風(fēng)情況, 而落憩至漲急時(shí)刻, 受表層流速向陸增加、底層流速向陸減小的影響, 表層鹽度加大而底層鹽度降低, 表底層鹽度差不斷減小。

圖15 納沙(2011年)、天兔(2013年)期間選取分析的時(shí)刻標(biāo)志a、b、c、d分別對(duì)應(yīng)漲憩、落急、落憩、漲急四個(gè)時(shí)刻

圖16 納沙(2011年)期間有無(wú)局地風(fēng)條件下(N-2和N-nlw)水道M點(diǎn)垂線流速、鹽度分布圖中虛線為流速方向區(qū)分線, 流速正值表示向海, 負(fù)值表示向陸; z為水深值, H為總水深值

天兔期間盛行順河口向下游的風(fēng), 且風(fēng)速變化分為兩個(gè)階段: 臺(tái)風(fēng)前期(22日14時(shí)前)風(fēng)速較小, 在5m·s–1以下, 但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng); 后期(22日15—24時(shí))風(fēng)速較大, 在5m·s–1以上, 最大可達(dá)11.4m·s–1, 但是持續(xù)時(shí)間短。因此針對(duì)兩個(gè)階段的風(fēng)況, 分別選取不同時(shí)段的潮周期(如圖15, 天兔期間, 分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)漲憩、落急、落憩、漲急周期), 分析垂線流速、鹽度變化特征。

臺(tái)風(fēng)前期, 順河口向下游的風(fēng)速大小在4~5m·s–1, 如圖17所示。從垂線流速分布來(lái)看, 與無(wú)風(fēng)條件(U-nlw)相比, 有風(fēng)(U-2)情況下, 表層流速向海增加, 漲憩時(shí)刻形成表層向海、底層向陸的環(huán)流, 落急時(shí)刻表、中層流速向海增加, 而底層向海減小, 落憩時(shí)刻流速變化不大, 漲急時(shí)刻影響最為明顯, 表、底層流速均向陸減小, 而中上層流速向陸增大。從垂線鹽度分布來(lái)看, 有風(fēng)情況下, 底層鹽水明顯增大, 漲憩時(shí)刻垂向鹽度較無(wú)風(fēng)情況已整體增大1‰, 鹽水入侵較多, 落急時(shí)刻隨著表層流速向海增大導(dǎo)致表層鹽度流失較快, 底層流速向海減小使得鹽度流失較慢, 表底層鹽度差進(jìn)一步加大, 落憩時(shí)刻除底層鹽度略有偏大外, 表、中層鹽度較無(wú)風(fēng)情況偏小, 形成一定的鹽度差, 漲急時(shí)刻隨著表、底層向陸流速減小, 中層流速加大, 鹽水從中、底部入侵較多, 表底層鹽度差進(jìn)一步加大。

圖17 天兔(2013年)期間有無(wú)局地風(fēng)條件下(U-2和U-nlw)第一階段水道M點(diǎn)垂線流速、鹽度分布

臺(tái)風(fēng)后期, 順河口向下游的風(fēng)增強(qiáng)(圖18), 風(fēng)速大小在5m·s–1以上, 但由于其持續(xù)時(shí)間短, 未能覆蓋一個(gè)完整的潮周期, 故選取的漲憩時(shí)刻風(fēng)速仍偏小。從垂線流速分布來(lái)看, 與無(wú)風(fēng)條件(U-nlw)相比, 有風(fēng)(U-2)情況下, 表層流速較一定風(fēng)速?gòu)?qiáng)度下進(jìn)一步向海增大, 風(fēng)的擾動(dòng)作用加強(qiáng), 且擾動(dòng)范圍從表層向水下加深; 落急時(shí)刻表層流速向海增大, 而中、底層幾乎不變; 落憩時(shí)刻加強(qiáng)了表層向海、底層向陸的環(huán)流; 漲急時(shí)刻影響依然最為明顯, 表層向陸流速明顯減弱, 中層向陸流速明顯增大, 底層向陸流速稍有減小。從垂線鹽度分布來(lái)看, 有風(fēng)情況下, 鹽度整體偏小, 落急時(shí)刻表層鹽度隨流速向海輸出較多, 而底層影響不大; 落憩時(shí)刻即使環(huán)流加強(qiáng), 底層鹽度也未有增加, 且中層鹽度顯著減小; 漲急時(shí)刻垂線鹽度整體偏小, 鹽水人侵強(qiáng)度減弱。

圖18 天兔(2013年)有無(wú)局地風(fēng)條件下(U-2和U-nlw)水道M點(diǎn)垂線流速、鹽度分布圖

綜合兩種風(fēng)強(qiáng)度影響來(lái)看, 順河口向下游的風(fēng)對(duì)漲潮時(shí)的流速、鹽度分布作用最為明顯。一定的風(fēng)強(qiáng)度下, 風(fēng)對(duì)表層流速有所擾動(dòng), 表層流速向陸減小, 中、上層流速向陸增大帶動(dòng)中層較高鹽度向陸輸運(yùn), 并向底層擴(kuò)散, 由漲急至漲憩時(shí)期, 中、底層鹽度不斷累積, 表底層鹽度差增大, 鹽水入侵不斷加強(qiáng)。風(fēng)速過(guò)強(qiáng)時(shí), 風(fēng)對(duì)流速的擾動(dòng)向下擴(kuò)深, 表層流速向陸減小較多, 表、中層鹽度隨之減少, 底層鹽度隨中層流速向陸增大而有所增加, 但垂線鹽度整體降低, 鹽水入侵強(qiáng)度減弱。此外, 在落潮期間, 一定風(fēng)強(qiáng)度下, 底層流速的減小能減緩底層鹽度向海輸出, 水道形成較強(qiáng)的分層, 而過(guò)強(qiáng)的風(fēng)力下, 除表層流速向海增大外, 中、底層流速變化不大, 總體上加快了鹽度的向海輸出。

為分析局地風(fēng)對(duì)水體分層的影響, 采用Hansen等 (1966)提出的分層系數(shù)進(jìn)行對(duì)比:

式中, 為底層鹽度, 為表層鹽度, 為垂線平均鹽度。根據(jù)分層系數(shù)將河口劃分為高度分層(>100), 部分混合(10–2 ~100)和強(qiáng)混合(<10–2)三種類(lèi)型。繪出有無(wú)局地風(fēng)條件下, M點(diǎn)的分層系數(shù)變化曲線, 如圖19。整體來(lái)看, 納沙期間水道一直處于高度分層狀態(tài), 分層的強(qiáng)弱隨漲落潮變化, 且受到局地風(fēng)的重要影響; 天兔期間水道大部分時(shí)間處于高度分層狀態(tài), 20日至22日落潮期間, 受局地風(fēng)作用, 水體混合較強(qiáng)。

針對(duì)臺(tái)風(fēng)期的特殊局地風(fēng)作用, 分析其對(duì)分層的作用效果, 風(fēng)作用范圍如圖19中虛線框標(biāo)出。納沙期間盛行順河口向上游的風(fēng), 有風(fēng)條件下, 分層明顯減弱, 與前面垂向流速、鹽度分布相對(duì)應(yīng), 風(fēng)力加強(qiáng)了水體混合, 促進(jìn)鹽度向海輸出。天兔期間, 與無(wú)風(fēng)情況相比, 前期一定風(fēng)力強(qiáng)度下, 鹽度分層加強(qiáng), 是因?yàn)楸韺拥娘L(fēng)生流使得表層水體運(yùn)動(dòng)加快, 而底部水體受底摩擦影響運(yùn)動(dòng)較慢, 鹽度從底層上溯, 表底層鹽度差逐漸加大, 而在后期過(guò)強(qiáng)的風(fēng)力下, 鹽度分層減弱, 原因在于風(fēng)對(duì)水體運(yùn)動(dòng)的作用范圍從水表面向水下延伸, 加強(qiáng)了水體的垂向混合。進(jìn)一步印證了Scully等(2005)、Purkiani等(2016)的觀點(diǎn), 即順河口向上游的風(fēng)會(huì)加強(qiáng)水體混合, 減弱鹽淡水分層, 而一定強(qiáng)度的順河口向下游的風(fēng)會(huì)增加鹽淡水分層, 過(guò)強(qiáng)的順河口向下游的風(fēng)則減弱鹽淡水分層。

進(jìn)一步, 對(duì)比有無(wú)局地風(fēng)作用下鹽通量各項(xiàng)分布(圖20), 整體來(lái)看, 風(fēng)通過(guò)改變流速和鹽度分布, 對(duì)鹽通量產(chǎn)生重要影響。西徑型臺(tái)風(fēng)帶來(lái)順河口向下游的風(fēng), 與無(wú)風(fēng)情況對(duì)比, 有風(fēng)條件下, 剪切項(xiàng)明顯向陸減小, 震蕩項(xiàng)向陸略有減小, 平流項(xiàng)向海先增大后減小, 總體加快了凈鹽通量的向海輸出。東徑型臺(tái)風(fēng)帶來(lái)順河口向上游的風(fēng), 前期一定風(fēng)強(qiáng)度下, 剪切項(xiàng)向陸增加, 震蕩項(xiàng)向陸明顯增加, 平流項(xiàng)向海增大, 凈鹽通量向陸輸運(yùn)加強(qiáng); 后期強(qiáng)風(fēng)作用下, 剪切項(xiàng)向陸先增大后減小, 震蕩項(xiàng)向陸明顯減小, 平流項(xiàng)向海先增大后減小, 凈鹽通量向海輸出加強(qiáng)。與流速、鹽度分布及分層系數(shù)結(jié)果一致。

總體看來(lái), 在西徑型臺(tái)風(fēng)下, 順河口向上游的風(fēng)會(huì)減弱重力環(huán)流, 加強(qiáng)水體混合, 減弱鹽淡水分層并促進(jìn)鹽度向海輸出。在東徑型臺(tái)風(fēng)下, 順河口向下游的風(fēng)的作用取決于風(fēng)的強(qiáng)度, 一定的風(fēng)強(qiáng)度下, 鹽淡水分層加強(qiáng), 鹽度向陸輸運(yùn)加強(qiáng), 但當(dāng)風(fēng)速過(guò)強(qiáng)時(shí), 則會(huì)增強(qiáng)垂向擾動(dòng), 削弱鹽淡水分層, 促進(jìn)鹽度向海輸出。

4 結(jié)論

本文采用SCHISM建立三維水動(dòng)力數(shù)值模型, 研究了臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)磨刀門(mén)水道鹽水入侵動(dòng)力機(jī)制的特殊影響。選取以“納沙”為代表的西徑型臺(tái)風(fēng)和以“天兔”為代表的東徑型臺(tái)風(fēng), 它們都在9月生成且臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度大, 但由于路徑不同, 給磨刀門(mén)水道帶來(lái)了不同方向的風(fēng)應(yīng)力作用。模型抓住了兩場(chǎng)臺(tái)風(fēng)的特點(diǎn), 與實(shí)測(cè)水位、鹽度數(shù)據(jù)驗(yàn)證較好。鑒于兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)程徑流量懸殊, 對(duì)鹽水入侵產(chǎn)生較大影響, 故設(shè)計(jì)數(shù)值試驗(yàn), 取相同徑流下的兩場(chǎng)臺(tái)風(fēng)作用結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖20 納沙(2011年)、天兔(2013年)期間有無(wú)風(fēng)條件下斷面2鹽通量各項(xiàng)對(duì)比圖

磨刀門(mén)水道對(duì)兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)程的響應(yīng)結(jié)果表明: 不同的臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)應(yīng)著磨刀門(mén)水道受不同方向的風(fēng)應(yīng)力作用, 進(jìn)而產(chǎn)生相反的增減水效應(yīng), 而海面增減水對(duì)鹽通量機(jī)制中的平流通量項(xiàng)影響較大, 改變了鹽度輸運(yùn)過(guò)程。其中, 東徑型臺(tái)風(fēng)帶來(lái)順河口向下的風(fēng)應(yīng)力作用, 并產(chǎn)生外海減水, 導(dǎo)致平流項(xiàng)向海增大, 在一定程度上緩解鹽水入侵; 西徑型臺(tái)風(fēng)帶來(lái)順河口向上的風(fēng)應(yīng)力作用, 并產(chǎn)生外海增水, 逆轉(zhuǎn)了原本向口外輸出鹽度的平流通量, 導(dǎo)致大量高鹽水從口門(mén)向上游涌入, 造成磨刀門(mén)水道發(fā)生更嚴(yán)重的咸潮災(zāi)害。針對(duì)平流項(xiàng)的重要影響, 設(shè)計(jì)流量敏感性試驗(yàn)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn): 無(wú)論東徑型或西徑型臺(tái)風(fēng)期間, 當(dāng)流量減小時(shí), 平流項(xiàng)隨之向陸增加(或向海減小), 震蕩項(xiàng)向陸減小, 鹽通量?jī)粝蜿懺黾? 鹽水上溯加劇; 流量增大時(shí), 平流項(xiàng)隨之向海增大(或向陸減小), 震蕩項(xiàng)向陸增大, 鹽通量?jī)粝蜿憸p小, 可以有效抑制鹽水入侵, 當(dāng)流量增大到4000m3·s–1時(shí), 水道平崗泵站往上基本不受咸潮影響。臺(tái)風(fēng)不僅引起外海的增水效應(yīng), 還帶來(lái)強(qiáng)勁的局地風(fēng)作用, 對(duì)水道流速分布及鹽度輸運(yùn)產(chǎn)生重要影響。西徑型臺(tái)風(fēng)下, 順河口向上游的風(fēng)會(huì)減弱重力環(huán)流, 鹽淡水分層隨之減弱, 剪切項(xiàng)向陸減小, 加快了凈鹽通量的向海輸出。而在東徑型臺(tái)風(fēng)下, 順河口向下游的風(fēng)的作用取決于風(fēng)的強(qiáng)度, 一定的風(fēng)強(qiáng)度下, 鹽淡水分層加強(qiáng), 剪切項(xiàng)和震蕩項(xiàng)均向陸增加, 凈鹽通量向陸輸運(yùn)加強(qiáng), 但當(dāng)風(fēng)速過(guò)強(qiáng)時(shí), 風(fēng)對(duì)水體的垂向擾動(dòng)增強(qiáng), 削弱鹽淡水分層, 震蕩項(xiàng)向陸明顯減小, 凈鹽通量向海輸出加強(qiáng)。

總之, 西徑型臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的增水作用對(duì)磨刀門(mén)鹽水入侵影響最為顯著, 雖然順河口向上游的風(fēng)在一定程度上利于鹽度向外海輸出, 但受潮汐、地形等因素影響, 大量涌入水道的高濃度鹽水難以及時(shí)排出水道。東徑型臺(tái)風(fēng)前期在一定強(qiáng)度的風(fēng)力作用下, 鹽度凈向陸輸運(yùn)略有增強(qiáng), 但受外海的減水效應(yīng)影響以及后期強(qiáng)風(fēng)作用下, 鹽水入侵距離迅速減弱。

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The particular influence caused by typhoon path on salt intrusion in the Modaomen Waterway, China

PAN Mingjie1, 2, KONG Jun1, YANG Fang3, LUO Zhaoyang1, ZHANG Weisheng1, JING Li1, 4, WANG Qing1, LI Zhanchen5

1. Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence (Hohai University), Ministry of Education, Nanjing 210098, China; 2. Nanjing Hawksoft Technology Company Limited, Nanjing 211100, China; 3. Scientific Research Institute, Pearl River Water Resources Commission, Guangzhou 510611, China; 4. Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China; 5. Beihai Navy Engineer Design Institute, Qingdao 266012, China

As global warming intensifies, the intensity of typhoon and the number of powerful typhoons have been increasing, which exacerbate the changing situation of salty tide disaster in the Modaomen Waterway. A three-dimensional baroclinic model was applied with SCHISM (semi-implicit cross-scale hydroscience integrated system model) in the Modaomen Waterway to analyze the effect of typhoon path on saltwater intrusion. Taking Typhoon Nesat (the west-path typhoon) and Typhoon Usagi (the east-path typhoon) as examples, different dynamic responses of saltwater transport and stratification were revealed. The east-path typhoon led to the set-down of coastal sea level, which increased the oceanward advective flux. However, the west-path typhoon led to the set-up of coastal sea level, which promoted the oceanward advective flux landward and caused more serious saltwater intrusion. Apart from the effect on coastal sea level, typhoons also cause strong local winds, which have important influences on velocity field and saltwater transport. The up-estuary local wind caused by the west-path typhoon tended to reduce stratification and increase the oceanward advective flux. However, the down-estuary local wind caused by the east-path typhoon tended to enhance stratification under moderate wind, but it reduced stratification when the wind stress increased.

saltwater intrusion; typhoon path; numerical model; Modaomen Waterway

P731.2; P732.6

A

1009-5470(2019)03-0053-15

10.11978/2018081

2018-08-06;

2018-11-24。林強(qiáng)編輯

水利部珠江河口動(dòng)力學(xué)及伴生過(guò)程調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金([2018]KJ07); 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(201706)

潘明婕(1993—), 女, 碩士, 主要從事河口海岸水動(dòng)力機(jī)理及模擬技術(shù)研究。E-mail: panmingjie1993@126.com

孔俊。E-mail: kongjun999@126.com

2018-08-06;

2018-11-24. Editor: LIN Qiang

Open Research Fund of Key Laboratory of Pearl River Estuary Dynamics and Associated Process Regulation, Ministry of Water Resources ([2018]KJ07); Open Fund for Key Laboratory of the Ministry of Coastal Disaster and Protection Education (201706)

KONG Jun. E-mail: kongjun999@126.com