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  • ISSN 1007-6336
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珠江口伶仃洋及磨刀门盐淡水混合特征及机制分析

袁菲 卢陈 杨裕桂 叶荣辉

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珠江口伶仃洋及磨刀门盐淡水混合特征及机制分析

    作者简介: 袁 菲(1992-),女,江西九江人,硕士,主要研究方向为河口海岸动力,E-mail:yf0524@163.com;
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(51409286);水文水资源与水利工程科学国家重点实验室“一带一路”水与可持续发展科技基金项目(2018491111)
  • 中图分类号: X143

Comparative analysis of the characteristics and mechanism of the salt-fresh water mixing in Lingdingyang and Modaomen estuary, Pearl River Estuary

  • 摘要: 基于2016年1月3日至18日的珠江口盐度分层观测资料,对比分析伶仃洋与磨刀门盐淡水混合特征及其机制,结果表明:(1)伶仃洋及磨刀门水域口门处盐度分层最明显,小潮阶段分层特征最显著;(2)磨刀门分层较伶仃洋更为显著,主要原因在于上游流量的差异;(3)大潮转小潮过程中,伶仃洋上游盐度虽向口门下落,但下落速度较慢,分层逐渐明显,而磨刀门水道中盐淡水却混合充分,这是由于盐度在河道中剧烈震荡并快速退出河口所致;(4)在伶仃洋及磨刀门口门附近,重力环流与潮汐剪切产生的抑制混合作用大于潮流紊动促进混合的作用,因此分层显著,河口上游水深较浅,潮流紊动作用较强,起到促进混合的作用。
  • 图 1  测点空间分布

    Figure 1.  Spatial distribution of the observation station

    图 2  伶仃洋及磨刀门日潮平均分层系数变化

    Figure 2.  Average stratification coefficient of daily tides of Lingdingyang and Modaomen

    图 3  伶仃洋及磨刀门河口理查森数

    Figure 3.  The Richardson Number of Lingdingyang and Modaomen

    图 4  伶仃洋及磨刀门各测点的混合能量变化率

    Figure 4.  The rate of mixing energy change in each station of Lingdingyang and Modaomen

    图 5  伶仃洋不同测点的混合需能驱动力随潮汐变化过程

    Figure 5.  The process of driving force of mixing energy with tides in each station of Lingdingyang

    图 6  磨刀门不同测点的混合需能三项变化率随潮汐变化过程

    Figure 6.  The process of driving force of mixing energy with tides in each station of Modaomen

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-17
  • 录用日期:  2020-08-21
  • 刊出日期:  2021-06-20

珠江口伶仃洋及磨刀门盐淡水混合特征及机制分析

    作者简介:袁 菲(1992-),女,江西九江人,硕士,主要研究方向为河口海岸动力,E-mail:yf0524@163.com
  • 1. 珠江水利委员会珠江水利科学研究院 广东 广州 510611
  • 2. 水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室,广东 广州 510611
基金项目: 国家自然科学基金项目(51409286);水文水资源与水利工程科学国家重点实验室“一带一路”水与可持续发展科技基金项目(2018491111)

摘要: 基于2016年1月3日至18日的珠江口盐度分层观测资料,对比分析伶仃洋与磨刀门盐淡水混合特征及其机制,结果表明:(1)伶仃洋及磨刀门水域口门处盐度分层最明显,小潮阶段分层特征最显著;(2)磨刀门分层较伶仃洋更为显著,主要原因在于上游流量的差异;(3)大潮转小潮过程中,伶仃洋上游盐度虽向口门下落,但下落速度较慢,分层逐渐明显,而磨刀门水道中盐淡水却混合充分,这是由于盐度在河道中剧烈震荡并快速退出河口所致;(4)在伶仃洋及磨刀门口门附近,重力环流与潮汐剪切产生的抑制混合作用大于潮流紊动促进混合的作用,因此分层显著,河口上游水深较浅,潮流紊动作用较强,起到促进混合的作用。

English Abstract

  • 盐淡水混合过程是河口区水动力过程的一个重要部分。关于河口盐淡水混合问题国内外已有较多研究,早期主要对盐淡水的混合特征进行研究并提出混合类型的划分依据。Pritchard[1]根据Chesapeake湾和James河口实测资料,将河口依据盐淡水的混合特征划分为充分混合、部分混合和分层3种类型。Bowden等[2]通过对Mersey河口的实测资料进行分析,研究了河口纵向流速分布特征、纵向环流形成机制和盐度混合过程等。Hansen和Rattray[3]根据河口实测资料,提出了分层系数和环流系数的概念,并据此划分河口盐淡水混合特征和河口环流动力特点。Uncles 和 Radford[4]通过对实际河口观测资料进行回归分析,研究了河口混合系数与径流、大小潮的关系,并指出河口混合系数上游大、下游小。

    近年来,一些学者开展了河口混合层化动力机制的研究。Simpson 等[5]在 Liverpool 湾的研究中提出,分层机制主要有潮汐混合、潮汐变形及河口环流,并首次发现潮汐的应变效应。Scully 等[6]总结得出,对于大多数河口,落潮期潮汐应变作用将引起更强的水体分层。Trowbridge 等[7]研究了Hudson 河口水体紊动、垂向流速的结构及河口动量平衡的问题。Pu 等[8]基于simpson相关理论分析了长江河口深水航道处的重力环流和潮汐应变环流对混合层化的影响。

    我国入海河口众多,相对于国内其他主要河口而言,珠江河口咸潮的相关研究起步较晚,资料也相对不足。珠江河口咸潮受径流、潮汐、风、浪、河口形态、地形、海平面变化等诸多因素影响,其活动特性和动力机制相当复杂,各口门咸淡水混合类型呈多样性的特征。肖莞生等[9]研究发现,珠江三角洲各河口盐淡水混合以缓混合型为主,分层系数的范围为0.01~1.0;陈子燊[10]认为,伶仃河口湾表、中层冲淡水和内陆架底层上溯的高盐补偿流构成了河口湾和内陆架之间的净环流;吕紫君等[11]认为,枯季磨刀门河口小潮时水体层化最强,中潮时水体层化最弱。龚文平认为,在年际尺度上径流对盐水入侵的影响最大[12]。盐水入侵对流速变化的响应主要取决于流量的变化[13],有学者进一步对比分析了平流输运及潮汐输运在盐水入侵过程中的作用[14],说明风加强了磨刀门水道的紊态剪切运输,洪湾水道是磨刀门水道盐水的主要来源[15]

    由此可见,目前对于珠江口磨刀门的盐淡水混合已有一定研究,但对于伶仃洋盐淡水的研究涉及较少,且关于伶仃洋与磨刀门盐淡水混合差异及其形成机制暂未见对比研究。本文基于珠江口长达半月的枯季盐度分层实测资料,通过对比伶仃洋与磨刀门分层系数及河口理查森数,分析伶仃洋与磨刀门盐淡水混合特征差异,进一步深入研究河口混合需能与重力环流、潮流剪切及潮流紊动3种驱动力之间的关系,说明伶仃洋与磨刀门盐淡水混合的机制,从而为河口抑咸措施提供理论支撑。

    • 本文数据为 2016年1月3日(农历十一月廿四)14时至1月18日(农历十二月初九)14时珠江口盐度同步观测资料,主要选取伶仃洋水域3个观测点GY01—GY03及磨刀门水道4个观测点GY04—GY07进行研究。测点范围与咸潮活动范围基本一致,空间分布情况如图1所示。

      图  1  测点空间分布

      Figure 1.  Spatial distribution of the observation station

      GY01—GY03测点每小时正点采用阔龙多普勒剖面流速仪测量剖面流速流向,并用自记式盐度计实时观测盐度;GY04—GY07测点每小时正点采用旋浆式流速仪进行流速流向观测,并采用YSI 600 LS多参数水质监测仪进行盐度测定。采用“六点法”,即表层、0.2层、0.4层、0.6层、0.8层和底层依次进行,每测点观测历时30 s以上。流量数据来源于珠江水文局提供的高要、石角和博罗站流量值。

    • 河口盐度的混合类型由动力结构决定,对于珠江河口而言,随着径、潮流的不同组合,不仅不同时间不同河段会出现高度分层、部分混合和充分混合3种类型,而且不同时间同一河段也会出现高度分层、部分混合和充分混合3种类型。本文选取分层系数作为评价混合强弱的指标,对珠江河口盐度的混合特征进行分析,其表达式为:

      式中:N为分层系数;$\Delta s$为表、底层盐度差;$\overline {{s_0}} $为剖面平均盐度。分层系数N越小,混合越均匀;反之,则分层明显。Prandle[16]认为,N<0.15为充分混合类型;0.15≤ N≤0.32为部分混合类型;N>0.32为高度分层类型。

    • 关于河口分层研究的另一个重要参数是河口理查森数,它表征的是每个潮周期内阻止混合的势能与实现混合的动能的比值,势能表达式为:

      动能表达式为:

      河口理查森数表达式为:

      式中:${Q_f}$为上游流量;${{\Delta \rho } / \rho }$为河口密度变化;h为平均水深;T为时间;${A_0}$为河口宽度;${\nu _0}$为河口最大流速;${E_0} = {\nu _0}T/\pi $。Fischer[17] 认为,当NR较大时,河口强烈分层且河口流态主要由密度流控制;当NR较小时,河口呈充分混合状态,可以忽略密度效应。通过对河口的实地数据观察,可以认为,从充分混合河口过渡到强烈分层河口,NR的变化范围为0.08~0.8。

    • 河口某一位置的瞬时盐度分层状态可用混合需能函数φ表示[18]

      式中:$\rho \left( z \right)$为水体沿水深的密度,盐度与密度的关系为$\rho = {\rho _0}\left( {1 + \beta s} \right)$${\rho _0}$为淡水密度,$s$为盐度,$ \beta \approx 7.7 \times {10^{ - 4}}\;{\rm{ps}}{{\rm{u}}^{{\rm{ - 1}}}}$${h_0}$为日平均水深;$\eta $ 为水位波动;${\overset{\frown}\rho}$为密度垂向平均值。$\varphi ({\rm{J}} \cdot {{\rm{m^{ - 3}}}})$ 是将水体完全混合均匀需提供的能量,即混合需能,$\varphi $值的大小可以表征分层的状态,盐度垂向分布越均匀$\varphi $越小,完全混合均匀时,$\varphi = 0$$\varphi $的全导数表达式为:

      方程以河口口门的平均水位处为坐标原点,$x$轴向海方向为正。${\overset{\frown}\mu} $为垂向平均流速。忽略水面波动变化对$\varphi $的时间导数的影响,并结合方程(6)对$\varphi $的定义,可以得到:

      假定盐度的纵向梯度与水深无关,即:

      则方程(8)右边第二项等于零,因此得到:

      忽略扩散作用,密度沿河道纵向的输运方程为:

      ${\overset{\frown}\mu} $为垂向平均流速。结合方程(10)~(11),得到:

      $\left[ \mu \right]$表示日潮平均余流,将速度分解为$\mu = {\mu _0} + $$ {\mu _E} + {\mu _T}$,其中,${\mu _0} = [ {{\overset{\frown}\mu} } ]$${\mu _E} = \left[ \mu \right] - {\mu _0}$${\mu _T} = \mu - {\mu _0} - $$ {\mu _E}$${\mu _0}$是一个日潮周期的垂线平均余流;${\mu _E}$为某一点的余流减去垂线平均余流,表示重力环流;${\mu _T}$是瞬时流速减去余流和重力环流,代表纯粹的潮流波动速度。将分解后的速度代入方程(12),得到:

      考虑到方程(11)中忽略了扩散效应,附加潮汐紊动造成的能量变化[17],得到了混合需能$\varphi $的时间变化率与3种驱动力之间的关系:

      式中:$\varepsilon $为0.004;K为0.0025;$k{e_1}$表示重力环流作用;$k{e_2}$表示潮流剪切作用;$k{e_3}$表示潮流紊动作用。重力环流作用始终为正,起抑制混合的作用,其强度主要由纵向盐度梯度决定。潮汐剪切作用由潮流速度垂向梯度和纵向盐度梯度共同决定,不论是涨潮还是落潮,表层潮流剪切流速都大于底层,涨潮的时候,潮流将口门外的高盐水推入河口内部,表层流速大就能使表层有更多的高盐水得到补充,减小了表、底层盐度差;落潮的时候,表层流速大,使得上游的低盐水更快地到达表层,增加了表、底层的盐度差,因此潮汐剪切作用在涨潮过程中为负,在落潮过程中为正。潮流紊动始终为负,起到混合的作用,其与速度垂向平均值的3次方成正比,因此潮流速度的大小决定了紊动混合强度。

    • 对伶仃洋及磨刀门水域附近各测点的逐时分层系数进行分析,从图2可看出,分层系数N的大小总体表现为:GY02>GY03>GY01,GY06>GY05>GY04>GY07,即口门处分层最明显,分层强度略强于口外,而越往口门上游混合强度越大。伶仃洋及磨刀门口门分层系数皆大于0.15,属于高度分层河口,从分层系数范围来看,磨刀门分层系数总体略大于伶仃洋河口,分层更为显著。磨刀门上游联石湾随潮汐涨落过程,状态由高度分层向充分混合过渡,其他测点则无此规律。

      图  2  伶仃洋及磨刀门日潮平均分层系数变化

      Figure 2.  Average stratification coefficient of daily tides of Lingdingyang and Modaomen

      伶仃洋各测点分层系数随大、小潮变化规律表现为:在小潮阶段分层系数最大,分层特征最明显;随着潮差的增大,分层系数逐渐减少,小潮后的大潮混合强度最大;大潮转小潮过程中,分层系数又逐渐增大。磨刀门各测点分层系数随大、小潮变化规律与伶仃洋基本相同,但在大潮转小潮过程中,仅口门处的大横琴测点分层系数逐渐增大,而磨刀门水道其他测点分层系数基本为0。差异的原因在于,伶仃洋河口大潮转小潮过程中,河道中盐度虽向口门下落,但下落速度较慢,仍有部分停留在河道中,而在磨刀门河口大潮转小潮过程中,盐度在河道中剧烈震荡并快速退出河口。

    • 对伶仃洋与磨刀门河口理查森数${N_R}$进行分析,由图3可见,伶仃洋河口仅在小潮阶段出现${N_R} > 0.8$的状态,小潮过后${N_R}$皆小于0.8;而磨刀门河口在整个潮周期内皆出现${N_R} > 0.8$的状态,且在小潮阶段${N_R}$值最大。这表明伶仃洋河口仅在小潮阶段出现强烈分层,其余阶段河口呈强混合状态,而磨刀门河口在整个潮周期内都出现强烈分层。为弄清伶仃洋河口与磨刀门河口这种分层差异产生的原因,分析影响河口理查森数的主要参数上游流量${Q_f}$、河口最大流速${\nu _0}$以及河口密度变化${{\Delta \rho } / \rho }$。磨刀门河口上游承接西江来水来沙,伶仃洋河口承接东江和溪流河的全部来水及北江的部分来水,磨刀门上游径流量显著大于伶仃洋上游径流量;伶仃洋是强潮作用的喇叭型河口,磨刀门是径流作用为主的冲积型河口,因此伶仃洋的大虎断面潮差及流速皆大于磨刀门河口的大横琴断面。另外,由于磨刀门的强径流作用,密度变化${{\Delta \rho } / \rho }$呈大起大落的趋势,大潮期间${{\Delta \rho } / \rho }$达到最大,伶仃洋密度变化${{\Delta \rho } / \rho }$相对稳定,小潮期间${{\Delta \rho } / \rho }$最大。通过控制变量法可以推断,引起磨刀门与伶仃洋河口理查森数差异的主要因素是上游流量变化。

      根据伶仃洋及磨刀门河口水文特点,对各项因素进行相关性分析。影响伶仃洋河口理查森数${N_R}$的最主要因素是最大流速${\nu _0}$,其次为河口密度变化${{\Delta \rho } / \rho }$及上游流量${Q_f}$。对伶仃洋河口流速与潮位进行线性拟合,R2可达到0.85,这表明潮位与流速具有极强相关性,进一步说明对伶仃洋河口理查森数${N_R}$起决定作用的是潮汐作用。影响磨刀门河口理查森数${N_R}$的最主要因素是密度变化${{\Delta \rho } / \rho }$,其次为最大流速${\nu _0}$及上游流量${Q_f}$。河口密度变化主要由口门及上游淡水的盐度共同决定,而磨刀门河口流速与潮位的线性拟合相关性较差,R2仅为0.37,这表明,流速除受潮汐驱动外,还受到上游流量等其他因素影响,因此可以认为,磨刀门河口理查森数${N_R}$由潮汐与径流作用共同决定。

      图  3  伶仃洋及磨刀门河口理查森数

      Figure 3.  The Richardson Number of Lingdingyang and Modaomen

      通过观察伶仃洋及磨刀门河口理查森数${N_R}$较大值出现的时刻,发现在伶仃河口小潮阶段第一个半日潮${N_R}$值较大,这是由于小潮的第一个半日潮阶段,流速相对较小,促进混合的动能相对较弱,因此由势能引起较强烈的分层,而其他时段动能增大,强潮引起强混合。磨刀门河口理查森数${N_R}$随潮位涨落而变化,高高潮位时${N_R}$值亦较大,主要是由于高高潮位时河口密度变化更大。

    • 图4分别给出了由方程计算得到的伶仃洋及磨刀门上、下游不同站点混合需能时间变化率。可以看出,混合需能和分层状态之间存在着良好的对应关系,混合需能越大,分层越显著。

      图  4  伶仃洋及磨刀门各测点的混合能量变化率

      Figure 4.  The rate of mixing energy change in each station of Lingdingyang and Modaomen

      在伶仃洋河口,口门虎门处(GY02测点)混合需能最大,且小潮阶段混合需能大于大潮混合需能,在一个全潮周期内,抑制混合的作用大于促进混合的作用,大潮后以抑制混合为主;位于虎门下游的GY03测点舢板洲与GY02混合能量变化率规律相似;越往上游混合需能越小,上游沙湾水道(GY01测点)小潮至中潮期间混合需能接近于零,大潮后以促进混合为主。

      图5为伶仃洋不同测点的混合需能3项变化率随潮汐变化过程。GY01测点潮流紊动的促进混合作用远大于重力环流作用及潮流剪切作用,这是由于GY01测点位于河道上游,水深较浅,容易产生较强的紊动混合作用,而越接近上游盐度的纵向梯度越小,重力环流作用及潮流剪切作用都不大,因此GY01测点以促进混合作用为主,盐度分层不明显。GY03测点与GY02测点混合能量3项变化率规律相似,但混合需能的数值偏小,这是因为GY02测点位于口门位置,由于口门辐聚作用,流速大于口门外的GY03测点,因此GY02测点的混合需能3项变化率更大,分层也较GY03测点更为显著。GY02和GY03号测点重力环流作用始终为正,抑制混合;潮流速度的垂向梯度较大,产生较强的潮汐剪切作用,在涨潮时促进混合,落潮时抑制混合;由于GY02和GY03测点水深较深,潮流紊动作用几乎可以忽略不计,即GY02和GY03号测点主要受重力环流及潮流剪切作用,混合需能表现为抑制混合作用大于促进混合作用,小潮期混合需能较大潮期大,因此小潮期分层亦较大潮期更为显著。

      图  5  伶仃洋不同测点的混合需能驱动力随潮汐变化过程

      Figure 5.  The process of driving force of mixing energy with tides in each station of Lingdingyang

      在磨刀门河口,口门挂定角(GY06测点)混合需能最大,且混合需能变化率呈非连续性,在中潮期间混合需能最小,小潮和大潮期间混合需能略大于中潮,以抑制混合的作用为主,大潮过后混合需能接近于零;口外大横琴附近(GY05测点)在一个全潮周期内,促进混合的作用大于抑制混合的作用;而越往上游混合需能越小,上游联石湾(GY07测点)在一个全潮周期内,都表现为促进混合的作用。

      图6为磨刀门不同测点的混合需能3项变化率随潮汐变化过程。GY05测点潮流紊动的促进混合作用大于重力环流作用及潮汐剪切作用,这是由于GY05测点水深较浅,产生较强的紊动混合作用,因此GY05测点以促进混合作用为主,盐度分层不明显。GY06测点重力环流作用始终为正且小潮时最大,在GY06测点潮流速度的垂向梯度较大,产生较强的潮汐剪切作用,在涨潮时促进混合,落潮时抑制混合。GY07测点由于盐度纵向梯度极小,因此重力环流与潮汐剪切作用都很弱,相比之下,潮流紊动作用较强,起到促进混合的作用。

      图  6  磨刀门不同测点的混合需能三项变化率随潮汐变化过程

      Figure 6.  The process of driving force of mixing energy with tides in each station of Modaomen

    • (1)伶仃洋及磨刀门河口的盐淡水混合在口门及小潮阶段分层最显著。磨刀门较伶仃洋河口分层显著的原因在于上游流量的差异。

      (2)伶仃洋河口大潮转小潮过程中,分层逐渐明显,上游盐度虽向口门下落,但下落速度较慢;而磨刀门水道中盐淡水混合充分,盐度在河道中剧烈震荡并快速退出河口。

      (3)在伶仃洋及磨刀门河口,口门附近潮汐剪切及重力环流产生的抑制混合作用大于促进混合作用,因此分层显著。河口上游潮流紊动的促进混合作用大于重力环流作用及潮流剪切作用,盐度分层不显著。

参考文献 (18)

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