水東灣近岸海域雙向射流系統(tǒng)初步研究*

楊留柱，劉宏坤，任 杰，喻豐華

(1.中山大學(xué)近岸海洋研究中心，廣東 廣州 510275；2.珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611)

自19世紀(jì)20年代根據(jù)混合長度理論求出紊流射流的解以來，射流的成果日益豐富。經(jīng)典的射流理論認(rèn)為，河口出流水體和泥沙通常以軸向射流或平面射流形式擴(kuò)散，其擴(kuò)散形式受慣性力、摩擦力和浮力之間的相互關(guān)系制約[1]。文獻(xiàn)[2-3]對(duì)河口射流理論有了進(jìn)一步的發(fā)展和完善，提出了河口漂浮輸出水流擴(kuò)展和變薄模式，并用浮力射流的相關(guān)理論研究了密西西比河的河口過程。近年，文獻(xiàn)[4-6]用衛(wèi)星跟蹤漂浮器的方法發(fā)現(xiàn)并對(duì)愛爾蘭海的非等密度射流進(jìn)行了研究。上述研究成果多針對(duì)單向射流體。

水東灣位于廣東省西部電白縣境內(nèi)，是一個(gè)大型沙壩圍抱的半封閉澙湖灣(圖1)。海灣通過一條長7 km、寬500～800 m、深5～15 m的潮汐水道與外海相通，水道兩端發(fā)育有漲、落潮三角洲堆積體。由于口門較窄，澙湖灣內(nèi)主要受潮汐動(dòng)力的影響，潮汐通道內(nèi)、外側(cè)出口岸線放寬，漲、落潮流皆具明顯的射流特征，并且因其距博賀灣較近，漲、落潮流皆會(huì)受到博賀灣潮流一定程度的影響。過去對(duì)水東灣的研究主要集中在自然環(huán)境與動(dòng)力條件[7-8]，潮汐通道流速的不對(duì)稱分布持性及射流擴(kuò)散模式[9-10]；本文從一個(gè)新的視角—雙向射流體發(fā)育特征，重新審視沙壩-澙湖型潮汐汊道這種地貌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力過程，研究有一定的新意，理論成果對(duì)于豐富潮汐汊道的研究以及射流理論具有一定的參考意義。

1 資料及方法

1.1 資料收集

中山大學(xué)河口海岸研究所于1982-1987年在水東灣及其周圍海域5次同步水文觀測(cè)(含夏、秋和冬季)及多年潮位與波浪觀測(cè)資料；2000-2001年水東港單點(diǎn)系泊的風(fēng)與波浪觀測(cè)以及周圍海區(qū)同步水文觀測(cè)資料。

1.2 研究方法

觀測(cè)資料僅局限在有限的空間點(diǎn)上，難以反映場(chǎng)的動(dòng)力特征，本文采用具有動(dòng)邊界處理技術(shù)的EFDC數(shù)學(xué)模型為工具，來揭示沙壩-澙湖海岸雙向射流體的結(jié)構(gòu)。EFDC模型在國內(nèi)外已有許多成功應(yīng)用，與POM，ECOM模型相比，EFDC模型優(yōu)勢(shì)為：靈活的變邊界處理技術(shù)，通用的文件輸入格式，能快速的耦合水動(dòng)力、泥沙和水質(zhì)模塊。變邊界模型采用設(shè)置干濕臨界水深進(jìn)行判斷的方法來模擬潮流的漫灘過程。在執(zhí)行干濕判斷過程中，全部遵循質(zhì)量守恒定律[11]。本次計(jì)算設(shè)定干濕臨界水深為0.1 m。

模型研究區(qū)域北面包括水東和博賀2個(gè)澙湖灣，南至小放雞島一線，南北寬約12 km，西起宴鏡嶺，東至蓮頭嶺，東西長約30 km，研究范圍見圖1。

圖1 研究范圍及EFDC模型計(jì)算網(wǎng)格

模型網(wǎng)格采用正交曲線網(wǎng)格，運(yùn)用網(wǎng)格局部加密技術(shù)，在水東澙湖灣和潮汐通道內(nèi)進(jìn)行了加密。網(wǎng)格數(shù)為239(列)×198(行)，網(wǎng)格在ξ1方向平均空間步長130 m，外海最大長度達(dá)480 m，通道、澙湖灣內(nèi)步長最小為18 m，在ξ2方向平均空間步長120 m，最大280 m，通道附近最小空間步長27 m，計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。

水東澙湖灣內(nèi)無徑流注入，不考慮河流入流邊界；外海邊界控制水位由廣東省沿海大范圍模型計(jì)算給出。根據(jù)觀測(cè)資料，本文對(duì)模型計(jì)算成果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了驗(yàn)證，水東港潮位站的水位平均絕對(duì)誤差在0.09 m，流速也與觀測(cè)資料吻合較好。

2 結(jié)果與討論

2.1 落急射流體

圖2a為落急射流體分布示意圖，可以看出，受到射流口地形的不對(duì)稱的影響(東側(cè)沙壩向海凸出)，落潮噴射流的擴(kuò)散也是不對(duì)稱的：在通道口附近，落潮流由于在西岸率先脫離岸線的約束，落潮噴射流在西岸得以較充分的擴(kuò)展；而在東岸落潮流出通道口后繼續(xù)受到東側(cè)沿岸沙壩的制約，流速沿程基本上沒有太大變化，直至脫離東岸沙壩的約束之后才得以擴(kuò)展。

射流體在脫離兩岸約束向海擴(kuò)展的過程中，其方向是逐漸偏向WS向的，可能由以下原因造成：射流體在流動(dòng)過程中受到科氏力的作用而向右偏；受到潮汐通道深槽偏WS走向的影響；射流口地形不對(duì)稱的作用；博賀灣落潮流的影響，由圖2a可以看到博賀灣近岸的落潮流由東向西發(fā)育成為強(qiáng)勁的沿岸流使得水東灣射流體偏向WS。

2.2 漲急射流體

圖2b為漲急射流體分布示意圖，可以看出，漲潮時(shí)潮流分別由大放雞島的東、西兩側(cè)向西北方進(jìn)入灣外海域。其中西支由北、西北向流至宴鏡嶺附近海域，東支自小放雞島附近海域流至攔門沙以東、尖崗嶺以南的海域折轉(zhuǎn)東北進(jìn)入博賀灣，從落急流場(chǎng)可以看到博賀灣落潮流主要經(jīng)灣的南側(cè)于小放雞島附近流出外海(圖2a)，所以水東灣外攔門沙以東至博賀區(qū)域有一順時(shí)針運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)流存在。而在水東灣口兩側(cè)存在著由于漲落潮流流路的差異引起的兩個(gè)方向相反的環(huán)流。在通道內(nèi)由于過水?dāng)嗝婕眲】s小，漲潮流速明顯比灣內(nèi)及灣外海域大；另外還可以發(fā)現(xiàn)漲潮射流體西側(cè)流速梯度較大，使斷面流速分布呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱，主要由于西側(cè)的大洲島作為射流體的側(cè)邊界對(duì)射流的側(cè)向摩擦作用較強(qiáng)，發(fā)育附壁射流，而射流體東側(cè)邊界基本不受地形影響，為自由射流。

2.3 射流區(qū)余流結(jié)構(gòu)

潮余流是潮波運(yùn)動(dòng)過程中因非線性作用所引起的持久性余流，只有在岸邊近海區(qū)和地形復(fù)雜的海灣或河口區(qū)潮余流才比較明顯。圖2c為余流場(chǎng)分布示意圖，圖中可以看出水東灣附近海域的余流是很顯著的。

在水東灣攔門沙以外海域由于粵西沿岸流的作用其余流方向基本以西向?yàn)橹?。在落潮三角洲的深槽區(qū)余流指向外海，表明落潮流占優(yōu)勢(shì)；在潮汐通道口東、西兩側(cè)余流方向皆指向通道口，說明此區(qū)域以漲潮流占優(yōu)，這與Oertel[13]提出的理想潮汐通道口外的“凈落潮三角洲流場(chǎng)”相符，即由輻聚的漲潮流場(chǎng)與自由射流的落潮流場(chǎng)而產(chǎn)生，流場(chǎng)有一個(gè)軸向落潮流優(yōu)勢(shì)帶，兩側(cè)各有一個(gè)漲潮流優(yōu)勢(shì)帶。在澙湖灣及通道內(nèi)余流以指向外海為主，表明在澙湖灣及通道也是落潮流占優(yōu)勢(shì)，但在通道內(nèi)的部分區(qū)域由于地形的作用余流指向澙湖，即以漲潮流占優(yōu)。

由余流場(chǎng)示意圖還可明顯看出存在的環(huán)流現(xiàn)象。在落潮三角洲的通道深槽西側(cè)存在著順時(shí)針的環(huán)流，這是該區(qū)域處于落潮射流體的影流區(qū)，在強(qiáng)勁落潮流射流體卷吸作用下的結(jié)果。從理論分析來看，在與深槽西側(cè)對(duì)應(yīng)的東側(cè)區(qū)域應(yīng)該發(fā)育方向相反的逆時(shí)針的環(huán)流，但由于自東向西的沿岸流的影響該逆時(shí)針環(huán)流并不明顯。另外在尖崗嶺以西的博賀灣水域存在著一順時(shí)針的環(huán)流，與上述漲、落急流場(chǎng)分析結(jié)果一致；在水東澙湖灣大洲島東側(cè)水域存在著順時(shí)針環(huán)流，這可能是漲潮流受到大洲島的阻隔而向東發(fā)育反向補(bǔ)償流的結(jié)果。

3 結(jié) 論

基于EFDC數(shù)值模型模擬了水東灣動(dòng)力場(chǎng)，探討了沙壩-澙湖型潮汐汊道這種地貌結(jié)構(gòu)下的雙向射流體的特征。研究表明，水東灣漲、落潮射流表現(xiàn)出如下特征：

1)受射流口不對(duì)稱地形的影響，落潮噴射流的擴(kuò)散呈現(xiàn)不對(duì)稱性，在西岸得以較充分的擴(kuò)展，而在東岸落潮流出通道口后繼續(xù)受到東側(cè)沿岸沙壩的制約，射流體在脫離兩岸約束向海擴(kuò)展的過程中，其方向是逐漸偏向WS向的；

2)漲潮射流體西側(cè)由于大洲島對(duì)射流體的側(cè)向摩擦作用較強(qiáng)，發(fā)育附壁射流，而射流體東側(cè)邊界基本不受地形影響，為自由射流。

3)水東灣附近海域的余流作用顯著，在水東灣攔門沙以外海域余流方向基本以W向?yàn)橹?；在落潮三角洲的深槽區(qū)余流指向外海，表明落潮流占優(yōu)勢(shì)；在潮汐通道口東、西兩側(cè)余流方向皆指向通道口，說明此區(qū)域以漲潮流占優(yōu)，在澙湖灣及通道內(nèi)余流以指向外海為主，表明落潮流占優(yōu)。

4)落潮三角洲的通道深槽西側(cè)由于處于落潮射流體的卷吸作用發(fā)育順時(shí)針的環(huán)流，深槽東側(cè)由于受到自東向西的沿岸流的作用，在此發(fā)育的逆時(shí)針環(huán)流并不明顯；在尖崗嶺以西的博賀灣水域存在順時(shí)針的環(huán)流。

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