呂紫君,馮佳佳,孔 俊,羅照陽,潘明婕
(1.河海大學(xué) 江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點(diǎn)試驗(yàn)室,南京 210098;2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,南京 210006)
鹽水入侵是沿海河口地區(qū)特有的一種水文現(xiàn)象,多發(fā)于枯水期,是河口研究中關(guān)鍵問題之一。國(guó)外關(guān)于鹽水入侵的研究從20世紀(jì)50年代開始,早期研究工作主要集中在河口環(huán)流、鹽水入侵長(zhǎng)度、鹽淡水混合類型、最大渾濁帶等[1-3]。河口區(qū)的鹽淡水混合與輸運(yùn)是一個(gè)極其復(fù)雜的過程,鹽水入侵受向陸和向海兩種鹽度輸送驅(qū)動(dòng)力共同控制;Hansen[2]較早開始采用機(jī)制分解方法研究河口鹽度輸運(yùn),提出以河口流速及鹽度的垂、橫向變化來描述河口的鹽度通量;Lerczak[4]根據(jù)實(shí)測(cè)資料研究了哈德遜河口的鹽度輸運(yùn),將縱向鹽度輸運(yùn)分成平流輸運(yùn)、穩(wěn)定剪切輸運(yùn)及潮汐震動(dòng)輸運(yùn)。國(guó)內(nèi)關(guān)于鹽水入侵的研究從20世紀(jì)80年代開始,主要集中在長(zhǎng)江口[5]和珠江口[6]。
珠江口磨刀門水道沿途分布著眾多取水口,是珠海、中山、澳門等城市的主要飲用水水源地。21世紀(jì)以來,受航道疏浚、口門挖沙以及上游徑流量變化的影響,磨刀門鹽水入侵日趨嚴(yán)重,眾多學(xué)者針對(duì)這一問題開展了大量研究。賈良文等[7]對(duì)磨刀門水流及鹽度的變化過程進(jìn)行分析,得出磨刀門枯季鹽淡水類型屬于緩混合型;韓志遠(yuǎn)等[8]基于不同年份的潮位和地形資料,分析了磨刀門鹽水入侵加劇的原因;盧陳等[9]采用物理模型實(shí)驗(yàn)方法對(duì)不同潮差驅(qū)動(dòng)下鹽水入侵距離進(jìn)行研究,結(jié)果表明存在潮差臨界值使得鹽水入侵距離最短。由于實(shí)地測(cè)量的時(shí)空覆蓋有限,而物理試驗(yàn)的研究成本高,所以數(shù)值模擬已廣泛應(yīng)用于河口鹽水入侵的研究,Gong和Shen[10]采用ELCIRC模型對(duì)磨刀門鹽水入侵與徑流和潮差的響應(yīng)法則進(jìn)行研究,表明徑流量的大小是影響鹽水入侵的關(guān)鍵因素;Wang等[11]、陳文龍等[12]利用FVCOM模型對(duì)磨刀門水道的鹽水入侵規(guī)律進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)鹽水入侵最遠(yuǎn)出現(xiàn)在小潮之后的中潮。
上述成果多為對(duì)磨刀門鹽水入侵規(guī)律與影響因素的研究,相應(yīng)的物質(zhì)輸運(yùn)通量及其分解的研究偏少,鹽水入侵半月周期變化的動(dòng)力學(xué)機(jī)制尚不明確,同時(shí)磨刀門鹽度數(shù)值模擬的精度及效率有待進(jìn)一步提高。鑒于此,本文基于一種最新發(fā)展的河口海洋模型SCHISM[13],構(gòu)建磨刀門水道三維水流鹽度數(shù)值模型,利用該模型對(duì)磨刀門鹽水入侵特性、縱向鹽度輸運(yùn)進(jìn)行分析,探究磨刀門鹽水入侵的動(dòng)力機(jī)制。
研究中采用的模型為SCHISM[13],該模型是基于SELFE[14]開發(fā)出的一個(gè)跨尺度湖泊-河流-河口-海洋數(shù)值模型,計(jì)算區(qū)域水平方向上采用三角形和四邊形混合網(wǎng)格,可以靈活地?cái)M合復(fù)雜的地形和岸線;垂向上采用傳統(tǒng)的混合SZ坐標(biāo)或者新增的LSC2坐標(biāo)[15],混合SZ坐標(biāo)不僅能適應(yīng)復(fù)雜不規(guī)則地形,而且能有效改善模型垂向的空間分辨率,克服河口區(qū)因地形變化大而引起的模擬水平梯度失真的難題;而LSC2坐標(biāo)在保證深海區(qū)垂向網(wǎng)格精度的同時(shí),避免淺水區(qū)垂向?qū)訑?shù)過多。模型采用高階ELM方法處理動(dòng)量方程中的對(duì)流項(xiàng),采用迎風(fēng)格式或隱式二階TVD格式處理物質(zhì)輸運(yùn)方程中的對(duì)流項(xiàng),既可提高計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng),又可保證模型計(jì)算穩(wěn)定性和效率。采用GLS模型求解摻混系數(shù),并提供了與通用的GOTM模塊的接口。關(guān)于SCHISM模型的其他詳細(xì)介紹,可見參考文獻(xiàn)[13],模型在水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上耦合了波浪、生態(tài)、水質(zhì)、風(fēng)暴潮等模塊,已經(jīng)用于全球的水動(dòng)力相關(guān)問題的研究與預(yù)報(bào),如北海和波羅海[16]等。
磨刀門三維數(shù)值模型共有2個(gè)開邊界,上游開邊界位于百頃頭以上的外海大橋附近,給流量過程,下游至磨刀門口外-15 m等深線附近,給水位過程;邊界流量、水位及鹽度均從已建的珠江口二維模型中提取,穩(wěn)定的初始鹽度場(chǎng)通過循環(huán)運(yùn)行模型得出。模型水平方向采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格,網(wǎng)格共23 283個(gè),節(jié)點(diǎn)共13 168個(gè);模型垂向采用混合SZ坐標(biāo),平均海平面45 m以下采用Z坐標(biāo),分1層;45 m以上采用S坐標(biāo),分11層,每層厚度隨地形變化。網(wǎng)格分辨率的大小直接影響著模型的計(jì)算效率和精度,故分辨率分區(qū)域給定,口門區(qū)域分辨率取為1 500 m,而為確保鹽度模擬精度,河道內(nèi)分辨率取在40 m以下。
模型計(jì)算時(shí)間為2009年1月2日~1月31日,共30 d,時(shí)間步長(zhǎng)為150 s;模型全域給恒定曼寧系數(shù),大小取0.015;模型為斜壓模型,采用冷啟動(dòng),不考慮底床變形和風(fēng)應(yīng)力,采用GLS湍流混合模型求解摻混系數(shù),采用隱式TVD2格式處理輸運(yùn)方程中的對(duì)流項(xiàng),采用高階ELM方法處理動(dòng)量方程中的對(duì)流項(xiàng),干濕網(wǎng)格判斷最小水深均為0.1 m。
圖1 磨刀門水深地形及測(cè)點(diǎn)位置圖Fig.1 Topography of the Modaomen estuary and the locations of measurement stations
采用2009年1月的實(shí)測(cè)資料對(duì)建立的數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證點(diǎn)位置分布見圖1,其中三灶站、燈籠山站、竹銀站為水位測(cè)站,M1 ~ M8點(diǎn)為流速和鹽度測(cè)點(diǎn)。為定量評(píng)估驗(yàn)證精度,引入均方根誤差(RMSE),其表達(dá)方式如下
(1)
式中:Xmod為模型計(jì)算值;Xobs為實(shí)際測(cè)量值;N為觀測(cè)次數(shù)。鑒于篇幅所限,本文只列出了部分驗(yàn)證成果,如圖2~圖4所示,圓點(diǎn)為實(shí)測(cè)值,實(shí)線為模擬值。驗(yàn)證表明,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好,誤差均在允許范圍之內(nèi)??傮w上,模型能較好地反演磨刀門水流及鹽度的變化過程,因此建立的三維水流鹽度數(shù)值模型可用于鹽水入侵機(jī)制的研究。
圖3 M2、M6測(cè)點(diǎn)流速驗(yàn)證Fig.3 Calibration of flow velocity at M2 and M6 station
圖4 M2、M6測(cè)點(diǎn)鹽度驗(yàn)證Fig.4 Calibration of salinity at M2 and M6 stations
圖5 M6點(diǎn)表、底層鹽度時(shí)間過程線Fig.5 Temporal variation of surface and bottom salinity at M6 station
珠江河口的潮汐類型為不規(guī)則半日潮,一天中出現(xiàn)2次高潮和2次低潮,潮差和潮歷時(shí)明顯不等。圖5給出了M6點(diǎn)表、底層的鹽度時(shí)間變化過程,為說明鹽度隨大小潮潮型的變化,同時(shí)給出了三灶站的潮位過程。由圖可知,M6點(diǎn)的底層鹽度變化在0~9 ppt之間,表層鹽度變化在0~6 ppt之間;且鹽水入侵過程有著明顯的半月周期變化規(guī)律,表底層鹽度在小潮后期驟然升高,并在中潮時(shí)達(dá)到峰值,之后隨著潮差增大,鹽度慢慢變小。
圖6和圖7分別給出了小潮、大潮期間磨刀門水道潮平均的表、底層的流場(chǎng)和鹽度場(chǎng)分布情況,小潮期間(圖6),表層余流在整個(gè)磨刀門水道包括洪灣水道及鶴州水道都是向海運(yùn)動(dòng),磨刀門水道流速有明顯的橫向差異,東側(cè)流速明顯較西側(cè)大,這是因?yàn)闁|側(cè)為深槽,是重要潮流通道,流速相對(duì)較大,而西側(cè)為淺灘,底摩阻相對(duì)較大,削弱了潮流動(dòng)力,流速相對(duì)較??;底層余流在磨刀門水道主要向陸運(yùn)動(dòng),在西岸淺灘區(qū)域則向海運(yùn)動(dòng),在洪灣水道上段向海運(yùn)動(dòng),下段則向陸運(yùn)動(dòng);鹽水沿磨刀門水道東側(cè)深槽入侵,底部10 ppt鹽水可入侵到掛定角以上4 km附近,表層10 ppt等鹽度線則處于口門大橫琴附近,表底層鹽度差異大,鹽水分層明顯。大潮期間(圖7),表層余流在磨刀門口外海區(qū)、口內(nèi)河道和洪灣水道仍是向海運(yùn)動(dòng),底層余流在磨刀門水道深槽區(qū)向陸運(yùn)動(dòng),在淺灘則向海運(yùn)動(dòng);與小潮相比,磨刀門水道內(nèi)鹽水入侵減弱,底部10 ppt鹽水回落到掛定角以上1.5 km處,鹽水分層較弱。
從潮周期平均的流場(chǎng)和鹽度場(chǎng)分布可以看出,磨刀門水道東側(cè)深槽是高鹽水入侵磨刀門的重要通道,小潮期間磨刀門水道攔門沙至掛定角段底部積聚較高的鹽水,隨著潮差增大,積聚的鹽水被輸送至上游。
圖6 小潮期間表層(左)及底層(右)流場(chǎng)、鹽度分布Fig.6Surface(left)andbottom(right)meancurrentandtidally-averagedsalinityatneaptide圖7 大潮期間表層(左)及底層(右)流場(chǎng)、鹽度分布Fig.7Surface(left)andbottom(right)meancurrentandtidally-averagedsalinityatspringtide
3.2.1 鹽淡水混合特征
為了進(jìn)一步分析磨刀門鹽水入侵的動(dòng)力機(jī)制,利用數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果,繪制了漲急、落急時(shí)刻A-A縱斷面的瞬時(shí)鹽度場(chǎng),縱斷面位置如圖1所示。選取分層系數(shù)(n)來描述不同時(shí)刻鹽度的分層特征,n為測(cè)點(diǎn)表、底層的鹽度差與測(cè)點(diǎn)垂線平均鹽度的比值,定義為
(2)
圖8-a為小潮期間漲急、落急時(shí)刻磨刀門縱斷面鹽度分布圖,圖上橫軸為與外海A點(diǎn)的距離,流速箭頭代表沿河道的流速(下同)。小潮期間,三灶站的漲潮潮差為0.93 m,落潮潮差為0.68 m,潮汐動(dòng)力較小,縱斷面的鹽度等值線走勢(shì)比較平緩,沿程鹽度分層明顯。漲急時(shí)刻,口外底部水體鹽度變大,最高鹽度可達(dá)30 ppt,而表層鹽度值較低,隨著漲潮動(dòng)力增強(qiáng),口外高鹽水團(tuán)沿河道底部向上游推進(jìn),表層水體受其擠壓作用,形成明顯的高、低鹽水分界面;此時(shí),n2= 0.77,n4= 1.65,n6= 0.01,磨刀門水道的鹽水幾乎處于高度分層狀態(tài),且越往上游,分層越明顯,直到上游燈籠山附近,鹽水濃度很低,鹽度均勻分布,分層現(xiàn)象消失。落急時(shí)刻,中層及表層鹽水隨落潮流退至外海,但口門至洪灣水道段底部仍積蓄著高鹽水;此時(shí),n2= 0.47,n4= 0.91,n6= 1.28,水道下游的鹽水處于緩混合狀態(tài),而洪灣水道至燈籠山的鹽水仍處于高度分層狀態(tài)。
中潮期間(圖8-b),三灶站的漲潮潮差為1.01 m,落潮潮差為1.73 m,與小潮期間相比,縱斷面的鹽度等值線趨勢(shì)有所傾斜,鹽水分層減弱。漲急時(shí)刻,口外鹽水楔進(jìn)入河道,與表層低鹽水混合后整體向上游入侵,水道內(nèi)鹽水濃度明顯變高,鹽水入侵距離增加;此時(shí),n2= 0.51,n4= 0.98,n6= 1.46,在鹽水楔鋒面所在范圍內(nèi),鹽水處于高度分層狀態(tài)。落急時(shí)刻,口外高鹽水稍有退卻,鹽水入侵距離達(dá)到峰值;此時(shí),n2= 0.34,n4= 0.55,n6= 0.35,鹽淡水混合充分,河道內(nèi)的鹽水基本處于緩混合狀態(tài)。
大潮期間(圖8-c),三灶站的漲潮潮差為1.31 m,落潮潮差為2.01 m。漲急時(shí)刻,口外高鹽水團(tuán)進(jìn)入河道,相比中潮漲急時(shí)刻,磨刀門水道內(nèi)鹽水濃度變低,鹽水入侵距離減??;此時(shí),n2= 0.62,n4= 1.24,n6= 0.70,磨刀門水道的鹽水分層加強(qiáng)。落急時(shí)刻,口外高鹽水隨落潮流退出河道,此時(shí),n2= 0.41,n4= 0.89,n6= 0.67,鹽水基本處于緩混合狀態(tài),大潮潮汐動(dòng)力強(qiáng),一天中鹽水濃度變化劇烈,鹽水“大進(jìn)大出”。
3.2.2 鹽通量分解
本文采用Lerczak等[4]提出的計(jì)算鹽度通量的方法,將河口的鹽度輸運(yùn)分為平流輸運(yùn)(advection transport)、穩(wěn)定剪切輸運(yùn)(steady shear transport)、潮汐震蕩輸運(yùn)(tidal oscillatory transport)三部分。斷面總鹽通量可以表示如下
FS=
(3)
式中:u為軸向流速,m/s;s為鹽度,ppt;A為橫斷面面積,m2;下標(biāo)0為潮平均的余流;下標(biāo)E為剪切流;下標(biāo)T為潮流波動(dòng)。MacCready[17]認(rèn)為公式中的交叉項(xiàng)可以近似為零,得出鹽度通量的分解表達(dá)式如下
FS=<(u0s0uESE+uTST)dA>=Qfs0+FE+FT
(4)
式中:FS為總鹽通量;Qfs0為平流輸運(yùn)項(xiàng);FE為穩(wěn)定剪切項(xiàng);FT為潮汐震蕩項(xiàng)。平流輸運(yùn)項(xiàng)是由上游流量以及外海stokes漂流引起的,主要是將上游鹽水輸運(yùn)至外海;穩(wěn)定剪切項(xiàng)主要由垂向剪切流引起,而潮汐震蕩項(xiàng)是由流速與鹽度的潮內(nèi)變化相互作用產(chǎn)生,它們則主要是將外海的高鹽水輸運(yùn)至河口上游。
以口門處的M2點(diǎn)為起始點(diǎn),向上游河道每隔5 km取一個(gè)橫斷面,共選取6個(gè)橫斷面,計(jì)算并分析各斷面的鹽通量在一個(gè)潮周期過程中的變化情況。圖9給出了斷面2及斷面5的鹽通量分量Qfs0、FE和FT以及總鹽通量FS在一個(gè)完整潮周期過程中的變化情況,圖中正值表示向海輸運(yùn);負(fù)值表示向陸輸運(yùn),斷面具體位置如圖8所示。
圖9-c為斷面2的鹽通量分量,在斷面2處,Qfs0始終為正值,即平流輸送作用向海輸送鹽水,且在小潮期間平流輸送作用弱,在大潮期間平流輸送作用強(qiáng);FE始終為負(fù)值,即穩(wěn)定剪切作用向陸輸送鹽水,且在小潮期間穩(wěn)定剪切作用強(qiáng),在大潮期間穩(wěn)定剪切作用明顯減弱;潮汐震蕩作用FT在斷面2處向陸輸送鹽水,且在大潮期間最強(qiáng),在小潮期間最弱;總鹽通量FS在小潮期間通過斷面2向河道內(nèi)輸送鹽水,而在大潮期間向外海輸送鹽水。
圖9-d為斷面5的鹽通量分量,在斷面5處,穩(wěn)定剪切輸送、平流輸送和潮汐震蕩的規(guī)律與斷面2基本相同,但輸送強(qiáng)度變??;FS在后半月周期的小潮期間向陸輸送鹽水,隨后在中潮轉(zhuǎn)大潮、大潮期間向海輸送鹽水,而在前半月周期(1月6日~1月17日),F(xiàn)S基本為0,表明在Qfs0、FE和FT三者作用下,此期間磨刀門水道內(nèi)的日潮平均總鹽量處于平衡狀態(tài)。
9-a 三灶站水位 9-b 鹽水入侵長(zhǎng)度
9-c 斷面2的鹽通量分量 9-d 斷面5的鹽通量分量圖9 鹽通量分量過程圖Fig.9 Decomposition of salt transport flux
基于SCHISM模型,對(duì)磨刀門水道鹽水入侵特性、縱向鹽度輸運(yùn)進(jìn)行了分析,得出以下結(jié)論:
(1)枯季磨刀門鹽水入侵一般特性為:小潮期間,磨刀門水道鹽水分層明顯,攔門沙至掛定角段底部積聚高鹽水,鹽水入侵距離較??;中潮期間,鹽水混合充分,小潮時(shí)積聚的底部高鹽水逐漸摻混至表層,并被輸送至上游,鹽水入侵距離最遠(yuǎn);大潮期間,一天中鹽水濃度變化劇烈,鹽水“大進(jìn)大出”,鹽水入侵距離比中潮期間有所減小,但大于小潮期間的入侵距離。
(2)磨刀門日平均鹽度受平流輸送和穩(wěn)定剪切輸送共同作用,鹽量輸運(yùn)在大部分時(shí)間內(nèi)處于不平衡狀態(tài)。小潮期間,總鹽通量向陸,穩(wěn)定剪切作用強(qiáng),平流輸運(yùn)作用弱,鹽量在河道里累積;中潮期間,總鹽通量由向陸轉(zhuǎn)為向海,河道內(nèi)的日平均鹽度最大,鹽水入侵距離最遠(yuǎn);大潮期間,總鹽度通量向海,驅(qū)動(dòng)鹽水向陸輸送的穩(wěn)定剪切和潮汐震蕩作用小于驅(qū)動(dòng)鹽水向海輸送的平流輸送作用,鹽量被沖出河口。
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