枯季伶仃航道三期工程對鹽淡水混合的影響*

何為 朱良生 胡金鵬

(華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510640)

枯季伶仃航道三期工程對鹽淡水混合的影響*

何為 朱良生?胡金鵬

(華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510640)

伶仃洋為一典型的復合型潮汐河口灣，以潮流動力作用為主.伶仃洋枯季鹽淡水混合具有很大的時空變化特點，不能認為是單一的緩混合型；另外，航道加深會影響動力及物質輸運.文中在動力地貌學的基礎上，采用機制分解法和三維數(shù)學模式研究了航道三期工程前后航道的動力變化和鹽淡水混合特征.結果表明：伶仃航道上、中、下3個區(qū)段的動力特點以及鹽淡水混合機制不同；工程后陸架水從底層入侵河口比較明顯；漲、落潮流速增大，航道的垂向環(huán)流明顯增強；表層的流速增大幅度較底層大；工程后分層系數(shù)和環(huán)流系數(shù)都有所加大，鹽淡水混合作用加強.

枯季；大潮；伶仃航道；鹽淡水混合

廣州港伶仃航道三期工程按10萬噸級集裝箱船不乘潮單向通航，兼顧12萬噸級散貨船乘潮單向通航、5萬噸級集裝箱船不乘潮雙向通航的標準建設，航道長約71.84 km，航道有效寬度取243 m(應急避讓區(qū)航道底寬為365 m)，設計底標高-17.0 m(理論潮面).現(xiàn)有成果利用一、二維連接數(shù)學模型研究工程實施后的動力及泥沙[1]、鹽度[2]，認為航道疏浚會加強潮流上溯動力，有利于保持獅子洋及伶仃洋的潮汐動力，維持潮汐通道的穩(wěn)定；口門咸潮呈輕微上升趨勢[2].文獻[3-4]中用Tk-2D軟件建立伶仃洋二維潮流數(shù)學模型[3]和懸沙數(shù)學模型[4]，認為工程實施后南沙港區(qū)以南伶仃航道的漲、落潮流速有增加的趨勢，鄰近南沙港區(qū)附近航道段流速有減小的趨勢[3]；航道淤積主要發(fā)生在大濠島以北的伶仃航道段和進港航道段，沿程淤強變化由北向南呈遞減分布，大濠島以南航道的泥沙淤積很少[4].文獻[5]中根據(jù)二維潮流泥沙數(shù)學模型計算分析，發(fā)現(xiàn)伶仃洋西槽和西灘淤積向下(海域)發(fā)展.

鹽淡水混合是河口學研究的一個熱點問題，早期研究的時空尺度比較大，以實測資料宏觀分析為主[6-9]，近年來加強了對風、浪、流等多因素作用下鹽淡水混合過程特點[10]和在潮周期內(nèi)河口不同區(qū)段鹽淡水混合機制的研究[11-12]，研究手段以數(shù)值計算為主[13-15].

伶仃航道中下段受到陸架水控制，航道的加深垂向環(huán)流加強，會誘導陸架水進一步入侵伶仃洋[16].航道加深引起的動力和鹽淡水混合的變化是一個三維的問題，文中建立包括八大口門在內(nèi)的三維水力學、鹽度數(shù)學模型，研究伶仃航道加深后對航道動力和鹽淡水混合的影響.

1 區(qū)域概況

伶仃洋是一個典型的復合型河口.西北三口門(蕉門、洪奇門、橫門)以徑流動力作用為主，虎門以潮流動力作用為主.伶仃洋以潮流動力作用為主.伶仃洋地形分為三灘兩槽，即東灘、中灘和西灘，以及東槽和西槽(伶仃航道)，如圖1(a)所示.

伶仃洋有三大動力沉積體系，即西北部的徑流動力沉積體系、中上部的潮汐通道動力沉積體系、南部的陸架水動力沉積體系(如圖1(b)所示)[16]，三大動力沉積體系控制伶仃洋的泥沙輸運與沉積，也影響鹽分輸運，這三大動力沉積體系的相對強弱變化受上、下邊界條件和大型工程(人類活動)的影響.這種動力地貌體系與以徑流動力作用為主的長江河口有很大的不同[17].伶仃航道處于這三大動力的交匯過渡區(qū)，動力和物質輸運較復雜.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文中采用中山港二期擴建工程航道科研工作同步水文泥沙測驗的水文數(shù)據(jù)，測驗單位為長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局.水文測驗時間段為2005年11月3日10:00至11月4日15:00，測驗項目包括水流、水位、鹽度、懸沙，代表水文組合為枯季大潮.測點位置見圖2.

2.2 流速與鹽度分解

(1)

(2)

則有

(3)

鹽度可表示為

(4)

圖2 水文測站位置圖

水深可表示為

h(x,t)=h0+ht

(5)

單寬水體輸運量為

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

單寬物質輸運量為

(11)

式中,T1為平均流引起的物質輸運項,T2為斯托克斯漂移項,T1+T2為平流項,T3為潮汐與物質含量的潮變化相關項,T4為物質濃度與潮流變化相關項(潮汐捕集項，潮泵項),T5為垂向流速變化和物質含量相關項,T6、T7為時均量與潮振動切變引起的剪切項,T8為垂向潮振蕩切變作用項.

2.3 數(shù)學模式

ECOMSED是一個國內(nèi)外廣泛使用的水動力和泥沙輸運模型，能夠模擬環(huán)流、溫度鹽度、粘性與非粘性泥沙的輸運、沉積與再懸浮.ECOMSED包括以下幾個模塊：水動力模塊、泥沙輸運模塊、風驅波浪模塊、熱通量模塊和粒子示蹤模塊.文中使用水動力模塊模擬了工程前后的潮流和鹽度的變化.模型上邊界給流量，下邊界給水位；垂向分層共15層；糙率取0.010～0.025.計算范圍和局部網(wǎng)格配置見圖3，驗證圖見圖4.

圖3 計算范圍和局部網(wǎng)格配置

圖4 模型驗證圖

3 結果與討論

3.1 航道動力

根據(jù)動力地貌學，結合流場圖(圖5(a)、5(b))，將伶仃航道分為上、中、下3個區(qū)段.上段為蕉門南支匯入處上至南沙港區(qū)段，中段為匯入處下至內(nèi)伶仃島段，內(nèi)伶仃島以下為下段.

上段地形起伏較大，水深最大可達25 m，處于虎門潮汐通道動力軸線和伶仃航道動力軸線的交匯，其明顯特點是：水流渦動比較大，處于漲、落潮流的轉流區(qū)，流速的垂向分層較小.中段具有一軸兩翼的動力特點(圖5(a)、5(b))，一軸是指沿航道基本順直的動力軸線，兩翼是指來受到自西灘和中灘水流的挾持作用，中灘和西灘會加速伶仃航道的水流流速，落潮具有“歸槽”作用，加大下泄流；漲潮時候，則有“分流”的作用.觀測數(shù)據(jù)表明，位于西灘中部的7號測點漲潮最大流速大于落潮流速，漫灘水流減小漲潮時對航道水流的頂托作用，對于航道漲潮流速具有加大作用.下段地形平面形態(tài)突然展寬，受科氏力影響，水流動力軸線西偏，動力軸線并不與航道走向完全一致；枯季以漲潮動力優(yōu)勢，完全受高鹽陸架水控制.

航道加深，漲、落潮流最大流速有所加大.落急流速增加幅度大于漲急，表層大于底層.內(nèi)伶仃島以下的外伶仃洋由于平面上展寬的幅度加大，水流向西擴散，位于航道下端的L1的流速增加的幅度不及航道中上段的L3和L5大.落急時段，工程后伶仃航道上段(近南沙港)航道加深2～3 m，加深幅度較大，伶仃航道分流來自鳧洲水道和虎門的流量加大，落急流速增加幅度較大.由于受到來自西灘的水流匯入伶仃航道的影響，落急時段L3的底層流速增加幅度最大(如圖5(c)所示).

圖5 表層漲急流場、表層落急流場和流速變化圖

Fig.5 Flood current field and ebb current field of surface layer as well as velocity change

西灘中部的7號點，工程后由于受到航道加深的影響，最大落潮流速大于漲潮流速，亦即西灘中部由漲潮動力優(yōu)勢變?yōu)槁涑眲恿?yōu)勢，加大了航道的落潮流速.

表層和底層流速的增加幅度不一樣，引起余流垂向變化.伶仃航道表層余流向海，底層余流向陸，工程后垂向環(huán)流加大，中、底層余流向陸增加的幅度較大.通常把余流為零的位置稱為滯流點，工程前伶仃航道底層滯流點在伶仃航道上端的南沙港區(qū)，滯流點不止1個，顯示其水流條件復雜.虎門潮汐通道段潮流動力強勁，受工程影響較小，余流變化不大.由于航道上端疏通，下泄流加大，工程后表層滯流點向海移動1.5 km，底層滯流點向海移動0.6 km(如圖6所示).滯流點有兩種類型，按滯流點兩側的余流方向，可以分為相向滯流點(匯流點)和離向滯流點(分流點).航道上段處于兩大動力體系的交匯區(qū)域，是漲落潮流的轉流區(qū)域，表、底層余流較中、下段小很多.

圖6 枯水大潮伶仃航道余流圖

Fig.6 Residual circulation velocity of Lingding channel in dry season and spring tide

3.2 鹽度輸運

疏浚工程使得航道床底1～3 m的凹凸起伏變化變得更加平滑，底摩擦力減小，會促使陸架水上溯(如圖7所示).陸架水上溯加強了河口的密度環(huán)流，也加強了漲潮流速.L1-L5由于航道加深，工程后落急時段流速增加幅度大于漲急時段，伶仃航道的平流輸運項有增加的趨勢.處于航道中段的L3和L4樣點，來自蕉門南支和洪奇瀝北汊的水流以及來自中灘水流的匯入，落潮流速較大，平流輸運項較大；工程后匯流作用加強，平流項增大幅度較其他各點大.工程后潮汐捕集項T4增大；由于工程后垂向環(huán)流加大，垂向環(huán)流引起的向陸輸運項T5有增加的趨勢.其余各項變化不大.

圖7 工程前后鹽度等值線圖

3.3 鹽淡水混合

Simmons根據(jù)徑、潮比M(混合指數(shù))將河口分為3類[21]：M>0.7，為高度分層型(鹽水楔、弱混合型；0.1

有學者認為分層會抑制水體的渦動擴散[22]，分層系數(shù)越大水體越穩(wěn)定[6]，高度分層型河口混合作用較弱[7,23].也有學者[24]認為高度分層型河口混合作用也很強，河口鹽淡水混合強度從上游到下游呈倒覆鐘狀曲線分布，即淡水混合強度呈先增大再減小的變化趨勢.

鹽水混合強弱具有很大的時空變化性，是一個動態(tài)變化的過程.分層會抑制水體的渦動擴散是在陸海動力處于相對平衡的相持狀態(tài)才成立，潮汐和徑流量為非恒定值，平衡狀態(tài)持續(xù)的時間短.夏季，在高度分層的密西西比河口觀測到分層界面發(fā)生強烈的卷積摻混作用，界面的平衡被打破，鹽淡水混合作用很強.伶仃洋鹽度層結狀態(tài)隨季節(jié)變化較大，洪季呈高度分層型，枯季則出現(xiàn)部分混合(緩混合).枯季大、小潮與漲、落及其不同的時段鹽淡水混合變化很大，東槽和西槽以及上、中、下段差別也很大.

工程后伶仃航道環(huán)流作用加強，鹽淡水的混合作用加強.鹽度剖面圖顯示漲潮階段，航道中上段表層的鹽度上升較快，說明其混合作用較強，對鹽水入侵比較敏感.

分層-環(huán)流圖中，按分層系數(shù)自上而下可以分為3個區(qū)[6,25]：分層系數(shù)大于1.00的為高度分層區(qū)；分層系數(shù)在1.00～0.01之間的為緩混合區(qū)，又分為a、b兩小區(qū)，a區(qū)混合較好，b區(qū)為弱混合或似層狀；分層系數(shù)在0.01以下的為強混合區(qū).以環(huán)流系數(shù)自左向右也可以分為4個區(qū)，1區(qū)無平流發(fā)育，鹽淡水混合主要受潮汐影響的擴散作用；2區(qū)由擴散作用過渡到平流摻混作用為主，有異重流；3區(qū)為峽灣型河口兩層結構；4區(qū)具有鹽水楔的層狀結構.

將伶仃航道分層系數(shù)和環(huán)流系數(shù)(如表1所示)，繪制在分層-環(huán)流圖上(如圖8所示).從現(xiàn)場測驗資料看，6-9號點位于伶仃航道中段西側，分層系數(shù)大于0.10，為緩混合型.9號測點分層系數(shù)最大，這與西灘匯入的鹽度較低的水流有關.由于西灘和中灘水流的匯入航道，6-9號點環(huán)流系數(shù)依次增大.數(shù)學模型計算結果表明，工程前樣點L1-L6自下而上分層系數(shù)依次減小，L2-L6環(huán)流系數(shù)依次減??；工程后除L1環(huán)流系數(shù)減小外，其余點分層系數(shù)和環(huán)流系數(shù)增大.

表1 鹽度分層系數(shù)和環(huán)流系數(shù)

圖8 枯季分層-環(huán)流圖

枯季大潮伶仃航道表現(xiàn)為強混合，上、中、下段動力機制不一樣.上段因為受到不規(guī)則地形及水流的交匯作用，渦動較強.下段受來自大濠島西側的強勁潮流動力占絕對優(yōu)勢，徑流動力因擴散作用大大削弱，混合作用較強.中段摻混作用較強.

4 結論

綜上所述，得出以下結論.

1)枯季大潮水文條件下，工程后航道的漲、落潮動力加強;垂向環(huán)流加強,表層余流向海增大，底層余流向陸增大.

2)工程后分層系數(shù)和環(huán)流系數(shù)增大，底層鹽度增大的幅度較表層大；航道中上段表層鹽度上升較下段快，對鹽水入侵較敏感.

3)枯季大潮伶仃航道鹽淡水混合表現(xiàn)為強混合.工程后伶仃航道的鹽淡水混合作用增強.

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Impact of Lingding Navigation Channel on Fresh Salt-Water Mixing in Dry Season

HEWeiZHULiang-shengHUJin-peng

(School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Lindingyang bay is a typical complex tide-dominated estuary. In dry season, fresh salt-water mixing presents obvious temporal and spatial variations and cannot be regarded as a single partial mixing type. In addition,the dredged channel may affect hydrodynamics and material transportation. In order to reveal the dynamic change and fresh-salt-water mixing characteristics of Linding navigation channel before and after the third-stage engineering, a dynamical geomorphology analysis is conducted, and the mechanism decomposition method as well as the three-dimension mathematical model is adopted. The results shows that (1) Lingding channel can be divided into three parts, namely upper, middle and lower sectors, and the dynamic characteristics as well as the fresh salt-water mixing mechanism varies in different sectors; (2) after engineering, the shelf water intrusion from the bottom into Lingdingyang bay becomes obvious; (3) with the increase of the velocity caused by flood tide and ebb tide, the vertical circulation of the channel becomes strong.The surface velocity increases more significantly than that of the bottom;and (4) after engineering, the stratification and circulation coefficients both increase, and the fresh salt-water mixing effect is enhanced.Key words:dry season; spring tide; Lingding navigation channel; fresh-salt-water mixing

2016-06-27

國家自然科學基金資助項目(10902039) Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(10902039)

何為(1974-)，男，博士后，主要從事海洋動力學等研究.E-mail：772365131@qq.com

? 通信作者: 朱良生(1963-)，男，教授，主要從事海洋動力學等研究.E-mail：lshzhu@scut.edu.cn

1000-565X(2017)04-0138-07

U 612.1+6

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.04.020