樂清灣海洋環(huán)境季節(jié)特征及水交換過程研究

羅 鋒，廖光洪，盛建明，楊成浩

(1.江蘇省海涂研究中心，江蘇南京 210036;2.解放軍理工大學氣象學院，江蘇南京 211101;3.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州310012;4.國家海洋局海涂研究中心，江蘇 南京 210036)

樂清灣位于浙江省南部甌江口北側，是三面環(huán)陸、南面朝海的葫蘆狀半封閉型海灣，潮汐作用顯著。由圖1可見，樂清灣灣口島嶼眾多，以玉環(huán)西南大巖頭—小門島—樂清歧頭咀一線與外海相通，岸線長達184.7 km，南北縱深42 km，東西向平均寬度約10 km，中部連嶼至打水山斷面最窄，約4.5 km，海域總面積約為463.6 km2。樂清灣東部深槽發(fā)育，水深一般在10～30 m，最大水深達100 m;西部為水下淺灘，寬度自10 m等深線至岸邊可達6～10 km。水下地貌主要包括水下淺灘、潮流沖刷槽和潮汐汊道潮溝。大荊溪、水漲溪、白溪、清江、淡溪、靈溪、江下等注入灣內(nèi)，各河溪口門處形成了大小不一的沖積-洪積小平原，海灣流域總集雨面積1470 km2，多年平均徑流量為 10.29 億 m3[1]。

圖1 樂清灣計算網(wǎng)格和觀測站位分布

海灣的海洋環(huán)境特征和水交換能力對確定海洋環(huán)境容量、制定海洋功能區(qū)劃、評估海岸工程環(huán)境影響等均有重要參考價值，對海灣污染的預防、治理和預測也有指導意義。樂清灣是典型半封閉海灣，水交換能力有限，污染形勢十分嚴峻，在我國閩浙沿海具有代表性。近年對樂清灣的相關研究主要涵蓋動力環(huán)境[2-4]、水質及生態(tài)環(huán)境[5]、海岸資源環(huán)境開發(fā)及管理[6]等方面，而對有關樂清灣海洋環(huán)境特征和水交換能力的系統(tǒng)研究甚少。因此，本研究基于2008—2009年4個季節(jié)航次20個大面觀測站的溫度、鹽度資料以及3個連續(xù)觀測站的潮位和海流數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析和研究樂清灣的溫度、鹽度、潮位、潮流和余流等海洋環(huán)境季節(jié)分布特征和規(guī)律，在此基礎上，采用環(huán)境流體動力學模型[7](environmental fluid dynamics code，以下簡稱EFDC)對樂清灣的水交換過程進行研究。

1 樂清灣的海洋環(huán)境季節(jié)特征

為獲得樂清灣海洋環(huán)境季節(jié)分布特征，分別在2008年7月(夏)、2008年10月(秋)、2009年1月(冬)、2009年4月(春)開展了4個季節(jié)的海上調(diào)查航次，觀測站位見圖1，其中Y4，Y14和Y15為連續(xù)觀測站和大面觀測站，其余均為大面觀測站。

1.1 溫(度)鹽(度)分布特征

受太陽輻射影響，樂清灣海水溫度夏高冬低，季節(jié)變化顯著。4個航次的調(diào)查結果顯示，樂清灣最高水溫表層是 32°C(夏季，Y18)、底層是 30.9°C(夏季，Y20)，而最低水溫表底層均為7.6°C(冬季，Y19)。春、夏季打水山至連嶼斷面以南海域的表層呈現(xiàn)明顯的低溫區(qū)，樂清灣口門的東側溫度比西側低，溫度梯度大致為東西向，斷面以北區(qū)域為溫度相對較高的區(qū)域。春季溫度梯度較大，夏季溫度分布則較均勻，秋季較其他季節(jié)而言溫度分布較復雜。樂清灣口東側和清江東南區(qū)域有明顯的高溫區(qū)，而樂清灣灣頂及東側表現(xiàn)為低溫區(qū)，且溫度變化較大，灣口中部和連嶼西側還分別出現(xiàn)一個低溫核。冬季與春、夏季相反，打水山至連嶼斷面以南區(qū)域的水溫較高，且分布較均勻，北面區(qū)域的水溫則較低。就4個季節(jié)底層的溫度而言，樂清灣春季南面呈現(xiàn)低溫區(qū)，溫度梯度東西方向，北部區(qū)域溫度相對較高，溫度梯度南北方向;夏季與春季相似，高溫區(qū)主要出現(xiàn)在樂清灣北部，南部為低溫區(qū)，樂清灣南部溫度梯度較大，接近東西方向，北部溫度梯度較小，近似南北方向;秋、冬季樂清灣的溫度分布態(tài)勢則與春、夏季相反，主要體現(xiàn)在灣的北部為低溫區(qū)，溫度梯度較大，南部為高溫區(qū)，溫度梯度較小。如圖1所示，把調(diào)查站位劃分成東、西和南3個斷面，根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析溫(度)鹽(度)斷面分布特征。南斷面的春、夏季水溫表現(xiàn)為西高東低、表高底低，垂向梯度明顯;秋、冬季則東高西低，水平梯度明顯而垂向梯度不顯著。西斷面的春、夏季溫度水平梯度較弱，垂向梯度比較明顯;秋、冬季的溫度水平梯度顯著，斷面北端(Y12—Y19)表現(xiàn)特別明顯，垂向分布較均勻。東斷面的春、夏季水溫表現(xiàn)北高南低，秋、冬季水溫分布水平梯度明顯，南高北低。

4個季節(jié)樂清灣表層和底層的鹽度分布情況是:冬、春季鹽度較低，夏、秋季鹽度較高。樂清灣口門終年均表現(xiàn)為高鹽區(qū)，從灣口往灣內(nèi)鹽度逐漸降低，到灣頂鹽度最低。樂清灣鹽度分布規(guī)律與其周圍的徑流、浙江沿岸流和外海的高鹽水有關。以打水山至連嶼斷面為界，樂清灣南部及西側的淺水區(qū)比樂清灣東側的鹽度要低，且由于樂清灣的西南側淡水明顯，春、夏季鹽度水平梯度明顯，而樂清灣南部秋、冬季的鹽度分布較均勻。這種規(guī)律與兩種因素有關:①樂清灣東側為深水區(qū)，外海水通過潮波進入灣內(nèi)，而潮波的傳播速度東岸比西岸快，② 春、夏季雨量充沛，受徑流量影響。樂清灣的北部區(qū)域在4個季節(jié)鹽度都較小，且鹽度梯度都較大。分析南斷面、西斷面和東斷面3個斷面的鹽度特征:南斷面春、夏、秋季鹽度分布特征相似，東高西低，鹽度水平梯度顯著;西斷面春季Y7—Y12觀測站由表層至底層均表現(xiàn)為高鹽水體，夏季高鹽水體面積減小，斷面的南端(Y2)和北端(Y19)出現(xiàn)明顯的低鹽水體，這與夏天徑流量的增加有關，秋季北端(Y5—Y19)的低鹽水體進一步擴大和加深，冬季北端則幾乎由高鹽的水體占據(jù);東斷面北端(Y14—Y20)四季均呈現(xiàn)低鹽水體，南端(Y4—Y13)則由高鹽水體支配，春、夏季該高鹽水體垂向梯度較明顯，存在一定的層化現(xiàn)象，而秋、冬季鹽度的垂向分布則表現(xiàn)較均勻。

樂清灣溫度和鹽度斷面分布特征可綜合為:南斷面溫度表層比底層高，西側比東側高;鹽度分布則表現(xiàn)為表層低于底層，西側低于東側。這種溫(度)鹽(度)的分布格局在春、夏季尤其明顯，表明在樂清灣的口門存在河口重力環(huán)流，即表層低鹽水向東運動，而高鹽的外海水則由底層向西入侵。從東斷面和西斷面情況來看，樂清灣從南至北存在著性質不同的水團。

1.2 溫(度)鹽(度)屬性分布特征

20個大面觀測站4個季節(jié)的溫度、鹽度調(diào)查數(shù)據(jù)表明:春季，樂清灣東側及中部水體性質相近，溫度較低，鹽度較高;西南角的Y2、Y3和Y6觀測站表、底層水體鹽度差較大;樂清灣頂部的水體溫度較高，鹽度較低。夏季，樂清灣南部和東側呈現(xiàn)高溫高鹽水體，灣東北角(Y18、Y19和Y20)與西南角(Y2)水體溫度更高、鹽度最低;灣中部東西兩側的水體性質相似，介于上述兩個水體屬性之間。秋、冬季，樂清灣溫(度)鹽(度)屬性分布沒有規(guī)律。秋季樂清灣口南部的水體屬性基本一致，表現(xiàn)為高溫高鹽;位于東北角的Y18和Y20觀測站的鹽度較低，水溫較高。冬季，由Y12、Y10和Y11觀測站連線以南的水體屬性幾乎一致，表現(xiàn)為高鹽、高溫，由Y12、Y10和Y11觀測站連線以北的水體溫度和鹽度均較低，但與其他三季比，整個灣的鹽度南北變化均較小，可能與枯冬季的徑流量小關系密切。

1.3 潮汐、潮流及余流特征

潮汐方面，由連續(xù)觀測站Y4、Y14和Y15的準調(diào)和分析結果顯示，樂清灣潮汐為正規(guī)半日潮型，從灣口至灣頂潮汐作用逐漸增強，半日潮類型潮汐增強作用更為明顯，淺水分潮強度增大，灣口(Y4)淺水分潮振幅明顯低于灣頂(Y14、Y15)。潮流方面，受地形的影響，各觀測站位往復流特征明顯，Y4處于海面開闊水深大的潮流進出通道，漲潮流呈西北方向流入灣口中部海域，落潮流呈東南方向，清晰地顯示出該站位往復流的特征，且漲潮流速小于落潮流速;Y14位于茅埏島和漩門二期大壩中間，漲潮流呈東北偏北方向以北向流為主，落潮流呈西南偏南方向，漲潮流速小于落潮流速;Y15西邊為較深的航道，東邊為由茅埏島、毛擔山和大橫床組成的不連續(xù)弧形島鏈，漲潮流呈東北向，落潮流為西南向，漲潮流速小于落潮流速。3個連續(xù)觀測站位春、夏、秋季觀測結果與冬季觀測結果相似。余流方面，準調(diào)和分析結果表明，各觀測站位半日分潮占絕對優(yōu)勢，Y4各分潮的橢圓傾角均朝西北方向，Y14和Y15各分潮的橢圓傾角均朝東北方向，Y14站位橢圓傾角比Y15向北偏移。4個季節(jié)航次Y4、Y14和Y15站位的M2分潮的潮流橢圓傾角和橢圓長軸長度均變化不大，Y4為西北方向，Y14為東北偏北方向，Y15為東北方向。樂清灣的潮位、潮流和余流特征詳見文獻[3]。

2 樂清灣的水交換過程

在研究分析樂清灣的溫(度)鹽(度)分布，潮汐、潮流和余流特征的基礎上，采用EFDC[7]模擬樂清灣水交換過程，通過灣內(nèi)水示蹤濃度計算灣內(nèi)各點水體被外海水置換情況。EFDC已在很多水域有過成功的應用[8-10]，包括耦合溫鹽輸運的三維水動力過程、水質與富營養(yǎng)化耦合、泥沙及有毒污染物輸運與預測、完整的近場混合帶模擬和水面追蹤等。與POM(princeton ocean model)等模型相比，EFDC邊界處理技術更靈活，計算穩(wěn)定性更強，能快速耦合水動力、泥沙和水質模塊，在河口海岸區(qū)域的適應性好，可快速解決模型網(wǎng)格繪制及水深等海洋參數(shù)插值問題。模擬過程中水平方向采用正交曲線網(wǎng)格擬合樂清灣復雜的岸線和地形(圖1)，垂直方向采用Sigma變換坐標，垂向混合系數(shù)采用M-Y紊動封閉模型，數(shù)值格式采用高效3層時間半隱式解，對流項處理采用COSMIC標量對流格式，淺水區(qū)域采用干濕網(wǎng)格處理動邊界，具體離散求解可參考文獻[7]。開邊界采用水位控制，由開發(fā)的東中國海潮波模型導出的潮位值插值得到開邊界處的調(diào)和常數(shù)。水動力計算結果表明，受潮汐和地形作用共同影響，進入灣內(nèi)的潮波發(fā)生淺水變形，潮差由灣口至灣頂漸增，潮流運動以往復流為主，漲潮流流向為NW(北西)向，水流呈漫灘狀，流速緩慢，落潮流流向為SE(南東)向，灘水歸槽入海，落潮流速大于漲潮流速，落潮歷時短于漲潮歷時[4]。

在不改變上述水動力條件計算情況下，自2009年1月1日0時起，模式運行70 d，假設灣內(nèi)均勻分布初始質量濃度為1.0 mg/L的溶解態(tài)保守性示蹤物質，開邊界入流時的質量濃度為0 mg/L，運行潮波模式，當潮波模擬穩(wěn)定后啟動溶解態(tài)保守性示蹤物質的對流-擴散模式，并通過示蹤劑濃度計算灣內(nèi)各點水體交換情況。由計算結果可知，樂清灣水體縱向混合較好，表、底層示蹤劑濃度的分布差異小，保守性示蹤物質的濃度值代表的不僅是其本身的濃度高低，同時也是此時當?shù)厮w交換率的直觀顯示。

在水交換能力研究的常用方法中，通常將海灣看做一個箱體，假設箱外水進入箱內(nèi)后能立即與整個箱內(nèi)水體完全混合，利用觀測資料(某種物質在灣內(nèi)、灣外及海灣口門的濃度值)計算得到半交換時間、平均滯留時間等，通過這些時間概念描述水交換能力。這種方法的提出主要是在20世紀70—80年代計算機和數(shù)值模擬水平還較低的時候。隨著計算機水平和數(shù)值模式的改進，現(xiàn)可采用保守性示蹤物質的輸移擴散數(shù)學模型，模擬每個計算網(wǎng)格保守性示蹤物質的擴散輸移以及稀釋的快慢，進而得到整個海灣的水交換特征。

假設灣內(nèi)水在不同時刻被外海水置換的平均比率為R(t)，本研究采用下式計算樂清灣水體平均置換率:

式中:Hi0、Ci0分別為第i個計算網(wǎng)格初始時刻的總水深和示蹤劑質量濃度，Ai(t)、Hi(t)和Ci(t)分別為第i個計算網(wǎng)格t時刻對應的面積、總水深和示蹤劑質量濃度。計算結果如圖2所示。

圖2 樂清灣水體平均置換率

樂清灣的水體交換主要是由鹿西島兩側流入的外海水體與灣內(nèi)水體的交換，以及灣口門西側附近的灣內(nèi)水體與甌江北口徑流沖淡水的水體交換。從口門到灣頂，樂清灣水交換能力差別較大。根據(jù)樂清灣水體平均置換率(圖2)，樂清灣口門附近90%以上的水體被外海置換所需時間不到5 d，而此時灣頂示蹤劑的質量濃度未有太大改變;到15 d左右，80%的灣內(nèi)水體被外海水置換;40 d后，90%灣內(nèi)水體被置換;70 d后，置換率達97%。樂清灣的水交換能力與灣內(nèi)溫(度)鹽(度)水平及斷面分布特征一致，以最窄的連嶼至打水山斷面為界，斷面以南的水體1個月基本可以完全交換，斷面以北的水體交換2個月仍無法達到灣口的水平。樂清灣溫度、鹽度的分布特征也同樣說明斷面以北的水體主要受季節(jié)影響，與外海水交換混合能力很差。

3 結語

基于4個航次實測資料分析了樂清灣的溫(度)鹽(度)、潮汐、潮流和余流等海洋環(huán)境季節(jié)分布特征，并采用EFDC研究了樂清灣的水交換過程。結果表明，樂清灣水域中的水體交換能力差別很大，其水交換能力與灣內(nèi)溫(度)鹽(度)水平及斷面分布特征一致，說明溫(度)鹽(度)分布和梯度可從另一個方面反映樂清灣水體交換能力。

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