珠江河口潮能及其耗散的空間分布*

倪培桐，韋 惺，劉 歡

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510630；2.中山大學環(huán)境科學與工程學院，廣東 廣州510275；3.中國科學院南海海洋研究所，廣東 廣州510301)

在近岸河口區(qū)域，由于地形邊界對海洋和河流動力的重塑作用，使得動力場和能量場的空間重新分布，河口區(qū)能量的耗散特點等受到了巨大改變。能量耗散主要通過底摩擦實現(xiàn)，底摩擦能耗表示為拖曳系數(shù)與摩阻流速三次方的乘積，這表明摩阻流速的微小變化將導(dǎo)致底摩擦能耗較大甚至是數(shù)量級的變化。河口海岸深槽和淺灘流速分布的不均勻，導(dǎo)致深槽和淺灘能耗的巨大差異。特殊地形與潮流的相互作用及其在區(qū)域能量耗散中占的地位逐漸成為人們關(guān)注的熱點問題。Zhong 和Li[1]在對切薩皮克灣(Chesapeake Bay)的潮能耗散研究中發(fā)現(xiàn)進入灣內(nèi)約40％的能量消耗在灣口岬角、Rapahannock基巖地形、Bay Bridge附近收窄段和灣頂縮窄段等4個高能耗區(qū)。Foreman等[2]對Vancouver島附近水域的M2潮能耗散研究發(fā)現(xiàn)能量主要耗散在灣內(nèi)峽谷、圣胡安群島(San Juan Islands)、Juan de Fuca海峽等地形形態(tài)極具變化的區(qū)域，進一步表明了形態(tài)對能量耗散影響的重要性。Argot M.L.等、Carbajal等對Gulf of California的研究表明大部分潮能耗散在Colorado 河三角洲的淺水地區(qū)，如Ballenas Channel 、Salsipuedes Sill、Colorado三角洲是高耗能區(qū)[3-4]。文獻[5]則發(fā)現(xiàn)北太平洋東部的海底山附近淺水區(qū)的動能耗散是遠離海底山處的100～1 000倍。文獻[6]等研究了Columbia Sechelt Inlet基巖潮能耗散，潮流經(jīng)過水深較淺的基巖，潮位振幅減小和相位滯后，能量主要通過摩擦作用耗散，5％的能量通過潮汐表面射流耗散，0.5％的能量通過內(nèi)潮耗散。

珠江河口和三角洲基巖島嶼眾多、地形邊界復(fù)雜是其有別于世界其他河口的重要特征之一(圖1)。這些復(fù)雜的地形邊界形成八大口門，控制徑流、潮流的傳播形式，產(chǎn)生了復(fù)雜的平均流結(jié)構(gòu)，影響其微結(jié)構(gòu)及湍流特性，并形成穩(wěn)定的能量耗散模式[7-11]。本文基于SELFE，建立三維水動力模型，從宏觀上分析珠江河口的潮能通量和耗散的空間分布規(guī)律及能耗特性[12]。

圖1 珠江河口三角洲網(wǎng)河-河口灣系統(tǒng)

1 模型建立及驗證

為探討珠江河口能量通量與耗散空間分布特征，本文基于SELFE建立了珠江河口三維數(shù)值模型。SELFE是M.Baptista等發(fā)展的半隱式歐拉-拉格郎日有限元模型[13]，其水動力模塊是一個基于靜壓和Boussinesq近似的三維斜壓原始方程模式，垂向采用S-Z 坐標。模型計算范圍包括河網(wǎng)區(qū)、河口灣區(qū)和近海水域，計算范圍及網(wǎng)格見圖2。模型采用三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約21.5萬，節(jié)點數(shù)約12.5萬，垂向分10層。網(wǎng)河區(qū)地形資料采用1997和1999年1∶5 000河道地形圖、河口區(qū)及大陸架區(qū)采用2001年1∶10 000水下地形圖及海圖。模擬時段為2001年2月7日14∶00-16日8∶00。期間馬口、三水流量為2 085 m3/s、667 m3/s，接近馬口、三水進入珠江三角洲的多年平均枯水流量。外海邊界條件采用MIKE21 Toolbox的潮位預(yù)報數(shù)據(jù)；上游邊界采用同步實測水位或流量數(shù)據(jù)。湍流相關(guān)系數(shù)采用GOTM代碼計算。床面糙率高度取值取0.001 4 m，計算時間步長60 s。

圖2 模型計算網(wǎng)格

選取珠江水利委員會水文局2001年2月珠江三角洲網(wǎng)河河道同步水文測驗24個潮位站和16個流量站對計算結(jié)果進行水位和流量驗證，驗證站點分布見圖1，驗證結(jié)果參見文獻[12]。驗證結(jié)果顯示，水動力模型模擬的水位過程，包括潮差、漲落潮歷時等方面，都與實測值較為接近，流量過程線也與實測值較為吻合。各站點的水位平均絕對誤差在0.03～0.1 m，不超過0.1 m，計算的落潮流量相對誤差在0.03％～0.27％，漲潮流量的相對誤差在0.01％～0.36％之間。表明模型較好地反映該區(qū)域的水動力特性，為進一步分析河口地區(qū)的能量通量和能量耗散數(shù)值基礎(chǔ)。

2 潮波傳播特征

潮汐調(diào)和分析顯示M2、S2、K1、O1為珠江三角洲最主要的4個分潮，其中又以M2分潮所占的比重最大，其次為K1、O1分潮。潮波在傳播過程中所表現(xiàn)的特征主要為：受河道摩擦的非線性作用及上游下泄徑流的阻尼作用，潮波發(fā)生變形、衰減，且越往上游，這種影響越明顯；而不同頻率的潮波衰減的程度不同，其中高頻潮波衰減得較快，頻率較低的波衰減得相對較慢，即半日潮波衰減得快，全日潮波衰減得相對較慢。

圖3中的M2、K1分潮潮波傳播即表現(xiàn)出這一規(guī)律：總體上，M2和K1分潮的振幅都是口門附近及獅子洋段變化較小，越往三角洲的上游受河道摩擦的非線性作用及徑流的作用越大，潮波快速衰減；只是不同位置其振幅減小幅度不同，不同分潮，其潮波振幅減小不同。從潮波振幅的大小來看，獅子洋附近站點振幅最大，其次為崖門；從空間的變化率來看，等振幅線密集區(qū)主要包括西北江三角洲網(wǎng)河上段、紫洞下段區(qū)域、三善滘下段區(qū)域、天河下段區(qū)域。兩分潮的衰減速率相比較，M2分潮振幅從口門到三角洲頂點的衰減速率比K1分潮快。

圖3 M2、K1分潮等振幅、遲角線圖

3 潮能通量與耗散分布

3.1 潮能通量

潮能通量，又稱能通量密度，是單位時間通過自海底至海面單位寬度斷面的潮能[8-9]。潮能通量與流速、水深、水位有關(guān)。表示為

(1)

將7個潮周期的潮波進行平均并對潮能通量進行統(tǒng)計。從能量通量的空間分布上看，潮能通量在主槽大，灘地潮能通量較小，潮能通量傳播方向與河口地形走向基本一致。統(tǒng)計結(jié)果顯示：外海向伶仃洋、黃茅海、磨刀門潮能通量分別約為219.7、47.5和20.82 MW，大部分潮能在河口灣區(qū)耗散，通過八大口門向上游傳播的潮能只有外海輸入能量的1/3(表1)。

表1 能量通量統(tǒng)計(MW)1)

1)方向指向上游為正

潮能傳播受局部地形的影響較大。“伶仃洋-虎門”水域潮能沿東槽和西槽往北傳播，在虎門口門川鼻水道匯聚后，進入獅子洋。潮能通量在虎門口門處最大，往北潮能通量緩慢回落，一直到黃埔潮能通量仍然較高?！澳サ堕T河口”水域潮能的傳播方向、大小與磨刀門河口地形走向基本一致。潮能沿河口深槽自南往北傳播，往北潮能通量緩慢回落。磨刀門河口兩側(cè)及攔門沙淺灘水體較淺，潮流流速低灘能量通量也很小。黃茅海-潭江水域，表現(xiàn)為在河口灣灣頂、河道主槽、峽口區(qū)域潮能通量都較大，灘地較小，潮能通量傳播方向與河口地形走向大體一致?？菁境蹦芡垦攸S茅海河口灣主槽往北傳播，隨著黃茅海河口灣水面寬度從灣口到灣頂逐漸束窄，沿程過水面積逐漸減小，導(dǎo)致能量集聚。能量通量從三角山向崖門逐漸增大，在崖門附近由于邊界突然縮窄，能量通量出現(xiàn)明顯峰值。在進入銀洲湖后能量通量逐漸降低。由于縱剖面地形成波動變化，能量通量沿程變化也非常復(fù)雜。

圖4 珠江河口三角洲潮能通量分布

3.2 潮能耗散

將能量方程對自由表面S包圍的控制體積V積分，可以分析潮平均條件下控制體的能量耗散構(gòu)成[1]，分別為：

1)水體表面和床面底摩擦耗散：

2)垂向渦動擴散有關(guān)的能耗：

3)正壓潮能水平擴散：

ρ

河口三角洲7潮平均能耗的空間分布(圖5)顯示：總能耗分布總體上與地形分布一致，深槽能耗大，淺灘能耗相對小。伶仃洋-虎門水域，自內(nèi)伶仃島到-黃埔縱剖面能量耗散縱向上灣頂逐漸增大，到虎門口能量耗散最大，向獅子洋變小。黃茅海-潭江水域，三角山附近的河口灣區(qū)單位面積耗散率較低(約0.1 MW/km2)，單位面積總能量耗散到崖門口附近達到最大值(約0.26 MW/km2)，向崖門水道變小，進入石咀上游彎曲水道能耗率變大(約0.09 MW/km2)，然后向上游減小。磨刀門水域，河口能量耗散率較低，到掛定角附近最大，向上游變小，燈籠山附近(江心洲地形)能量耗散率又變大。三項能耗項中，底摩擦能耗是最重要的能耗項，約占總能耗的70％以上，垂向擴散能耗約占25％左右，水平擴散能耗與其余兩項相比是小量。

圖5 珠江河口三角洲能量耗散分布(7潮平均)

3.3 潮能通量與能耗空間分布的影響因素

1)地形因素。南海潮波從陸架傳入珠江河口的能量主要消耗在河口灣區(qū)，僅小部分通過口門向上游河網(wǎng)傳播，潮汐能量通過床面摩擦、內(nèi)摩擦等作用逐漸耗散，其中地形影響能通量和耗散的空間分布。從潮能通量和耗散的空間分布上，可以把珠江口分為伶仃洋-虎門-獅子洋水域、黃茅海-譚江水域、磨刀門河口水域、網(wǎng)河區(qū)水域。從數(shù)學與物理上看，能量過程與動力過程可以互相解釋，是一個過程的不同解釋。

珠江河口4個能量通量與能耗的分區(qū)表明，潮波珠江河口的傳播與變形存在空間差異。事實上，雖然“伶仃洋-虎門” 水域與“黃茅海-譚江” 水域地形與動力結(jié)構(gòu)方面有部分共同點，如都有喇叭形的河口灣、潮流作用較強、平均水位較低、存在“門”的雙向射流等；但潮差的沿程分布特點有較大差別，伶仃洋-虎門-獅子洋水域的潮差灣口到灣頂增大，然后向上游降低。而“黃茅海-譚江” 水域潮差自灣口向灣頂減小，然后向上游增大。從地形上看“伶仃洋-虎門” 水域相對較深，且東西深槽水深都超過10 m，有利于潮波傳播?！包S茅海-譚江” 水域地形較淺，中部攔門沙僅2.4～3.0 m。

磨刀門河口灣地形較淺，部分攔門沙已經(jīng)成陸。磨刀門河口灣是珠江三角洲主要泄洪通道，徑流作用相對較強，無論洪、枯季節(jié)平均水位都較高，潮差從口門向上游衰減，磨刀門落潮單向射流明顯，這些特點與“黃茅海-譚江” 水域、“伶仃洋-虎門” 水域明顯不同。

2)動力因素。珠江河口能量通量與能耗還受動力因素的影響，如徑流、風、潮汐等。以伶仃洋-虎門水域為例，枯季能量通量都是從伶仃洋向上游傳播，潮汐能量是廣州前、后航道-獅子洋-虎門水域的主要能量，能通量的方向向上游傳播。而在大洪水期間(“98.6”洪水)，上述區(qū)域的能量通量方向指向下游。在強東北風(風速9.8m/s)條件下，垂向渦動耗散項能耗增強，垂向渦動耗散項能耗為總能耗的35％～53％，底摩擦能耗項能耗占總能耗46％～64％[12]。

4 結(jié) 論

基于珠江河口三維數(shù)值模型，本文分析了珠江河口潮能通量與耗散的空間分布。珠江河口的能量通量與耗散受地形影響較大，潮能通量傳播方向與河口地形走向大體一致。能量耗散以底摩擦能耗為主，垂向擴散耗散次之。從能通量和能耗分布特征看，珠江河口可以分為伶仃洋-虎門水域、磨刀門河口水域區(qū)、黃茅海-潭江水域、網(wǎng)河區(qū)水域。上述各區(qū)域存在‘門’等高能耗局部地形，其單位面積能耗比附近水域的高數(shù)倍甚至1～2個數(shù)量級。

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