珠江口蕉門南水道枯季時局部高鹽度區(qū) 形成與機理分析

劉永金，龔文平

(1. 湖北交通職業(yè)技術(shù)學院，湖北 武漢 430079；2. 中山大學 海洋學院，廣東 廣州 510275)

珠江口蕉門南水道枯季時局部高鹽度區(qū) 形成與機理分析

劉永金1，龔文平2

(1. 湖北交通職業(yè)技術(shù)學院，湖北 武漢 430079；2. 中山大學 海洋學院，廣東 廣州 510275)

采用ROMS模型研究了珠江口蕉門南水道枯季時的局部高鹽度現(xiàn)象。表明這一現(xiàn)象在大潮期發(fā)育顯著，而小潮期則不明顯。從動力機制上解釋了這一現(xiàn)象的成因，揭示其形成原因為大潮期的平流輸運強，漲潮時的潮程遠大于鳧洲水道的長度，以及大潮期徑流相對較小，有利于虎門的高鹽度水體輸運至蕉門水道。此外，大潮期由于洪奇瀝與橫門來的淡水在漲潮期向北輸運而導(dǎo)致蕉門南水道口門處鹽度較低。并進一步分析了這一現(xiàn)象的存在對蕉門南水道水體分層、河口環(huán)流及物質(zhì)輸運的意義。

珠江口；逆鹽度梯度；河口環(huán)流；水體分層與混合

Abstract: Utilizing ROMS model, this study investigates the formation of a local high-salinity zone in South Jiaomen Waterway, Lingdingyang Estuary in the dry season. The results show that this phenomenon occurs more obviously during spring tides, while in neap tides, the local high-salinity zone is not distinct. The mechanisms behind such a phenomenon are due to three reasons: 1) the tidal excursion during spring tides is significantly longer than that during neap tides, favoring the transport of high-salinity water from Humen Outlet to Jiaomen Outlet via Fozhou Waterway; 2) the runoff from upstream during spring tides is less than that during neap tides, and does not play a role in impeding the transport of high-salinity water from Humen to Jiaomen. 3) the salinity at the mouth of South Jiaomen Water way is relatively low due to the advection of fresher water from the Hongqili and Hengmen during flood tides. The existence of such a local high-salinity zone is significant in modulating the estuarine circulation, stratification in the water column, thus imposing an effect on oxygen and nutrient dynamics in the waterway.

Keywords: Pearl River Estuary; reversed salinity gradient; estuarine circulation; mixing and stratification

復(fù)雜河口中由于分汊水道之間或支汊水道與主水道之間(如珠江口磨刀門水道下游的洪灣水道與主水道)的相互作用，有時會產(chǎn)生上游鹽度高于下游鹽度的現(xiàn)象，形成逆鹽度梯度。Hayward等[1]在美國Chesapeake灣的支流York River的下游報道了這一現(xiàn)象。長江口的南支由于北支的鹽水倒灌，也存在局部鹽度高于上下游鹽度的區(qū)段[2]。逆鹽度梯度會形成反的河口環(huán)流(表層向陸、底層向海)，并影響水體的垂向混合與分層，從而對河口中的營養(yǎng)鹽、溶解氧等的輸運產(chǎn)生重要影響。Hayward等[1]分析了York River下游逆鹽度梯度造成的水體混合，并指出該現(xiàn)象對水體的氧氣、營養(yǎng)鹽輸運具有一定意義。

伶仃洋是珠江口的最大河口灣，珠江的東四口門(虎門、蕉門、洪奇瀝、橫門)攜帶淡水與泥沙注入伶仃洋內(nèi)。其中蕉門的下游又分兩支進入灣內(nèi)，分別為東側(cè)的鳧洲水道與南側(cè)的蕉門南水道。目前蕉門的水沙主要通過鳧洲水道進入虎門后再進入灣內(nèi)，而蕉門南水道則呈不斷萎縮的態(tài)勢[3]。有現(xiàn)場觀測表明，蕉門南水道內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)上游鹽度高、下游鹽度低的現(xiàn)象[4]。

蕉門南水道局部高鹽度的時空變化如何？其影響因素是什么？動力機制是怎樣的？它的形成對河口環(huán)流、水體的分層與混合及物質(zhì)輸運產(chǎn)生怎樣的影響？這些問題對伶仃洋的水沙通量、水體環(huán)境、地貌演變等都具有重要意義，但至今并未得到較好的研究。本研究采用數(shù)值模擬方法，對上述問題進行探討。

1 研究方法

本研究采用數(shù)值模擬的方法。采用的數(shù)值模型為ROMS(regional ocean modeling system)[5]。ROMS模型是目前國際上主流的海洋模型，平面上采用曲線正交網(wǎng)格，垂向上采用S或Sigma坐標。其方程為基于靜壓假定的Navier-Stokes方程，以及標量的輸運方程。模型采用外模與內(nèi)模分裂的方法，對于動量與輸運方程中的平流項有多種數(shù)值格式可供選擇。這里采用具有三階精度的HSIMT格式[6]；模型中的湍混合系數(shù)采用GLS(general length scale)混合模塊進行計算。ROMS模型已在河口、陸架等獲得廣泛應(yīng)用。

圖1 模型范圍與水深Fig. 1 Model domain and bathymetry

圖2 觀測站位與蕉門水道的縱斷面示意Fig. 2 The locations of observation stations and the longitudinal transect in the South Jiaomen Waterway

由于2005年11月有較好的觀測數(shù)據(jù)，采用這一時期的資料對模型進行驗證。觀測站位如圖2所示。觀測時間為自2005年11月3日9:00至4日10:00，每小時觀測一次流速、鹽度與懸沙的垂向剖面。為充分考慮鹽度對上下游邊界的適應(yīng)過程，模型的計算時段為2005年9月20日至11月5日。模型計算期間，梧州、石角與博羅站的平均流量分別為4 130、460和400 m3/s。這里給出模型計算值與實測值的對比情況，以均方根誤差及模型技能(model skill)來表征模型與實測值的吻合情況。模型技能的計算公式為：

表1 模擬值與實測值的比較情況Tab. 1 Comparison between the model results and observations

可以看出，模擬的垂向平均流速均方根誤差較小，模型技能值高(大于0.9)，而垂向平均鹽度與表底鹽度差的均方根誤差小于1 ppt，模型技能值大于0.5，表明模型較好地模擬了實際的水動力與鹽度變化過程。

同時，選取其中的幾個站位，將模型計算結(jié)果與實測值的比較情況加以顯示，如圖3所示。

圖3 幾個站位模擬與實測的流速與鹽度剖面對比(其中深色線為實測值，淺色線為模擬值)Fig. 3 Comparison of vertical profiles of axial velocity and salinity between model and observations in several stations (the black line depicts the observation, while the blue line is the modeled)

可以看出，模型較好地復(fù)演了伶仃洋的水位、流速與鹽度變化過程?？傮w的模擬效果較好，模型計算結(jié)果可用于下面進一步的分析。

2 結(jié)果分析

2.1大小潮期的潮平均鹽度與流速

由于珠江口為不正規(guī)半日潮區(qū)，在大小潮期分別采用50小時進行平均，得出平均的流速與鹽度分布，如圖4所示。

圖4 大小潮期的平均鹽度與流速分布Fig. 4 Tidally averaged velocity and salinity during spring and neap tides

研究表明，大潮期在蕉門南水道出現(xiàn)水道上段的鹽度高于下段的現(xiàn)象，即存在逆鹽度梯度，而在小潮期這一現(xiàn)象并不明顯。為進一步分析造成這一現(xiàn)象的原因，下面對大小潮期的潮內(nèi)過程進行闡述。

2.2大小潮期間蕉門南水道鹽度的潮內(nèi)變化過程

每2小時輸出一次大潮期蕉門南水道附近的垂線平均流速與鹽度分布圖，如圖5所示。

圖5 大潮期垂線平均鹽度與流速的潮內(nèi)變化過程Fig. 5 Intratidal variation of vertically averaged velocity and salinity during spring tide

圖5(a)為蕉門南落憩時，此時伶仃洋的下部已轉(zhuǎn)為漲潮流，由于洪奇瀝水道與橫門水道輸出的淡水較多，部分的沖淡水在漲潮流作用下帶到蕉門南水道的口門處，使其口門處的鹽度較??；而蕉門南水道的上段仍處于落潮期。圖5(b)為潮急時，虎門水道的高鹽水輸入到鳧洲水道內(nèi)，并開始進入蕉門南水道的上游。圖5(c)為漲憩時，此時已有大量鹽度較高的水體通過鳧洲水道進入蕉門南水道的上游；而水道的下游已轉(zhuǎn)為落潮。圖5(d)為落急時刻，蕉門南水道上游的相對較高的鹽水在平流作用下向下游輸運，在蕉門南水道的上段到中段形成局部鹽度較高的水體?？梢?，蕉門南水道內(nèi)局部較高鹽度的水體形成需幾方面的條件：1)漲潮時鹽度較高的水從虎門通過鳧洲水道進入蕉門南水道的上段；2)落潮時這一高鹽水向中下段輸運；3)漲潮時在蕉門南水道口門附近的鹽度相對較低，不會在漲潮時在水道下段形成高鹽水。

文中也分析了小潮期間蕉門南水道的鹽度過程。漲憩時(圖6(a))，水道的下游段鹽度略高，要高于洪奇瀝水道的出口段。鳧洲水道內(nèi)受虎門較高鹽度的水所控制，而蕉門南水道鹽度較低。落急時(圖6(b))，鳧洲水道由落潮流與淡水控制，蕉門南水道內(nèi)有范圍較小的高鹽水。落憩時(圖6(c))，在蕉門南水道的中段可出現(xiàn)局部的鹽度較高的水體，但范圍較小。漲急時(圖6(d))，虎門水道內(nèi)的高鹽水輸運到鳧洲水道，但未進入蕉門內(nèi)。

圖6 小潮期垂線平均鹽度與流速的潮內(nèi)變化過程Fig. 6 Intratidal variation of vertically averaged velocity and salinity during neap tide

從上面的分析可以看出，大潮期蕉門南水道局部高鹽水的范圍與持續(xù)時間要遠大于小潮期。其動力機制可歸結(jié)為：1)小潮期虎門附近高鹽水通過鳧洲水道向蕉門水道內(nèi)的輸運量小，這與小潮期間流速較小，平流輸運的距離短有關(guān)；以半日潮為例，一次漲潮過程小潮期的潮程(tidal excursion)為約6 km左右，剛好與鳧洲水道的長度類似，而大潮期的潮程可達約11 km，即大潮期一次漲潮過程虎門附近的高鹽水可輕易輸運至蕉門水道中。2)小潮期間上游的徑流向海輸運量大于大潮期，這一現(xiàn)象已由Gong等[8]進行了詳細分析。主要原因為大潮期潮平均的摩擦力大，在網(wǎng)河內(nèi)水體的動量平衡中需維持一個較大的水位梯度以平衡這一摩擦力，而這一增大的水位梯度主要由更多的淡水被滯留在網(wǎng)河的上游來實現(xiàn)，因而在大潮期有更多的徑流被留存在網(wǎng)河的上游，而這些淡水在小潮期大量釋放到網(wǎng)河的下游。這一結(jié)果可在鳧洲水道潮內(nèi)與潮平均的流速中看出。由于小潮期的徑流作用強，落潮歷時與落潮流都較強，從而抑制了虎門附近較高鹽度的水體通過鳧洲水道向蕉門水道的輸運。

3 討 論

為研究蕉門南水道在大潮期局部高鹽度的存在對河口動力的影響，選取沿著蕉門南水道深泓線的縱向斷面(見圖2)進行分析。

圖7 大潮期蕉門南水道縱斷面的潮平均流速與鹽度剖面Fig. 7 The distribution of tidally averaged velocity and salinity along the longitudinal transect during the spring tide

大潮期間潮平均的流速與鹽度如圖7所示。

表明自縱斷面的最南端，5～18 km段出現(xiàn)局部的高鹽度值，其鹽度要高于上下游。在局部鹽度高值區(qū)，水體的分層較差。整個縱斷面以向海余流為主，表明主要受徑流作用所控制。

沿著局部鹽度高值區(qū)選取四個站點(A、B、C、D)，分析其余流與潮平均鹽度的垂向分布(圖8)，表明以局部鹽度高值區(qū)的核心為界(以點C為代表)，如果去掉垂線平均值(圖中虛線所示)，其上游為典型的河口環(huán)流，余流底層向陸、表層向海(站C、D)，而在核心的下游則出現(xiàn)相反的格局，即底層向海、表層向陸(站B)。而再往下游，在蕉門南的口門段，則以經(jīng)典的河口環(huán)流發(fā)育為主。而從水體分層的情況來看，站位B的分層最差，為充分混合狀態(tài)，而其它站點的分層均強于B。

這一河口環(huán)流與水體分層的分布格局對物質(zhì)輸運具有重要意義。當徑流量相對較小時，在局部高鹽度核心的上游，底層以向陸輸運為主，而在核心，則以向海輸運為主，這樣高鹽度核心處成為近底層物質(zhì)輸運的輻散區(qū)，而在核心的下游至口門段，則成為近底層物質(zhì)輸運的輻聚區(qū)。在水體的上層，余流表現(xiàn)為相反的格局。因而懸浮在水體上部的物質(zhì)易于在局部高鹽度區(qū)的上層富集，而近底的物質(zhì)則易于在局部高鹽度區(qū)的下游富集。此外，局部高鹽度區(qū)水體處于充分混合狀態(tài)，有利于減輕水體的底部缺氧，增強營養(yǎng)物質(zhì)自水體下部向上部的混合輸運。

圖8 選取的4個站點余流與平均鹽度的垂向剖面Fig. 8 The vertical profiles of mean current and salinity at four selected sites

可見，局部鹽度較高區(qū)域的存在在河口環(huán)流、水體的分層與混合中具有重要意義，將對水體中的溶解氧、營養(yǎng)鹽、污染物等的輸運產(chǎn)生一定的影響。

4 結(jié) 語

采用ROMS模型模擬了珠江口伶仃洋枯季時的水動力與鹽度輸運。表明在蕉門南水道存在局部鹽度高于上下游的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在大潮期較為顯著，而在小潮期則不明顯。造成這一現(xiàn)象的主要原因為：1)大潮期漲潮時虎門水道的高鹽度水體在平流作用下向蕉門水道內(nèi)輸運，而落潮時則自蕉門水道的上游向下游輸運；2)與此同時，在蕉門南水道的口門附近的鹽度相對不高，漲潮期其向上游的輸運距離較短。而在小潮期，由于：1)潮流速度較小，潮程小于或與鳧洲水道的長度接近，虎門附近的高鹽度水體較難通過鳧州水道輸運至蕉門水道內(nèi)；2)小潮期的上游徑流來量要大于大潮期，鳧洲水道的落潮歷時與落潮流速要大于大潮期，從而抑制了虎門高鹽度水體穿過鳧洲水道進入蕉門水道，使小潮期蕉門南水道較難出現(xiàn)局部的鹽度高值區(qū)。

[1] HAYWARD D, WELCH C S, HAAS L W. York River destratification: an estuary-subestuary interaction[J]. Science, 1982, 216(4553):1413-1414.

[2] LI L, ZHU J, WU H, et al. Lateral saltwater intrusion in the North Channel of the Changjiang Estuary[J]. Estuaries and Coasts, 2014, 37:36-55.

[3] 王世俊，李春初，田向平. 蕉門口發(fā)育演變及其對南沙港的影響[J].泥沙研究, 2004(3): 59-63. (WANG Shijun, LI Chunchu, TIAN Xianping. The evolution of Jiaomen and its impact on the construction of Nansha Harbor[J]. Journal of Sediment Research, 2004(3): 59-63.(in Chinese))

[4] 何為.珠江河口分汊機制及其對排洪和咸潮上溯的影響—以東三口門為例[D].上海:華東師范大學，2012:118. (HE Wei. The mechanisms of splitting of Pearl River Estuary and its impact on protection of river flood and salt intrusion: a case study of the Three East Outlets[D].Shanghai: East China Normal University, 2012: 118. (in Chinese))

[5] SHCHEPETKIN A F, MCWILLIAMS J C. The regional ocean modeling system (Roms): A split-explicit, free-surface, topography-following coordinates oceanic model[J]. Ocean Modeling, 2005, 9:347-404.

[6] WU H, ZHU J. Advection scheme with 3rd high-order spatial interpolation at the middle temporal level and its application to saltwater intrusion in the Changjiang Estuary[J]. Ocean Modelling, 2010, 33:33-51.

[7] EGBERT G D, EROFEEVA S Y. Efficient inverse modeling of barotropic ocean tides[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2002, 19: 183-204.

[8] GONG W, SHEN J, JIA L. Salt intrusion during the dry season in the Huangmaohai Estuary, Pearl River Delta, China[J]. Journal of Marine Systems, 2013, 111-112: 235-252.

Formation of a local high-salinity zone in South Jiaomen Waterway of Lingdingyang Estuary and its associated mechanisms

LIU Yongjin1, GONG Wenping2

(1. Hubei Communications Technical College, Wuhan 430079, China; 2. School of Marine Science, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

TV148.4

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.03.014

1005-9865(2017)03-0105-07

2016-08-09

廣東省重點基金(2014A030311046)

劉永金(1967-)，男，湖北武漢人，副教授，主要從事地貌學與工程巖土研究。E-mail: 652741375@qq.com

龔文平。E-mail: gongwp@mail.sysu.edu.cn