北風(fēng)對磨刀門咸潮上溯的影響機(jī)制

高晨晨，才多

(1. 上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200061；2. 上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心，上海200061)

磨刀門是珠江干流西江的主要出?？陂T，也是珠江三角洲的主要泄洪通道和輸沙通道，其泄洪量和輸沙量均居珠江八大口門之首[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，磨刀門河口咸潮上溯日趨嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為咸潮出現(xiàn)時(shí)間提前，影響范圍擴(kuò)大，持續(xù)時(shí)間延長。磨刀門水道作為珠江三角洲主要的飲用水水源地，枯水期咸潮上溯引起咸界上移，勢必會(huì)影響兩岸取水，導(dǎo)致供水安全問題，嚴(yán)重時(shí)甚至影響生產(chǎn)發(fā)展與社會(huì)穩(wěn)定。因此，開展磨刀門河口咸潮研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者針對磨刀門咸潮問題開展了大量的基礎(chǔ)研究工作[2-15]，如探討了上游徑流量變化[2-4,14]、外海潮汐動(dòng)力[13-14]、海平面上升[11-12,15]、河床下切[9-10]、表面風(fēng)應(yīng)力[2,5-8]等因素對磨刀門咸潮的影響。其中，關(guān)于風(fēng)對磨刀門咸潮活動(dòng)的影響，黃新華等[5]較早進(jìn)行過論述，認(rèn)為東風(fēng)和東北風(fēng)會(huì)使洪灣、坦洲一帶的咸害加重。彭靖[6]基于現(xiàn)場觀測資料，初步探討了風(fēng)對磨刀門水道鹽度分布的影響，認(rèn)為當(dāng)風(fēng)向外海吹時(shí)，風(fēng)的作用可等效為加大了上游徑流量，從而促進(jìn)表層水體向外海宣泄，同時(shí)底層水體的上溯也得到加強(qiáng)，形成明顯的河口環(huán)流。風(fēng)應(yīng)力愈大，垂向分層愈明顯，河口環(huán)流也愈強(qiáng)。聞平等[2]分析了磨刀門逐時(shí)風(fēng)速風(fēng)向資料和平崗泵站逐時(shí)含氯度資料，認(rèn)為北風(fēng)和東北風(fēng)能顯著增強(qiáng)磨刀門水道的咸潮入侵。蘇波等[8]曾根據(jù)原型觀測的鹽度及風(fēng)資料，分析了不同風(fēng)向和不同風(fēng)力對磨刀門咸潮的影響，認(rèn)為在強(qiáng)偏北風(fēng)作用下，洪灣水道水體鹽分輸運(yùn)占主導(dǎo)作用；一般風(fēng)力條件下，橫洲水道水體鹽分輸運(yùn)占主導(dǎo)作用。大量研究表明，北風(fēng)能夠加劇磨刀門水道咸潮上溯，但造成這一現(xiàn)象的原因尚無定論。鑒于此，本文基于MIKE3軟件建立了磨刀門水道三維潮流鹽度數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果并結(jié)合鹽通量分解方法，分析北風(fēng)對磨刀門咸潮上溯的影響機(jī)制，以期為磨刀門水道水資源的保護(hù)和利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 模型建立

咸潮上溯是一個(gè)三維非恒定過程[16]。本文基于MIKE21和MIKE3模型，分別建立了珠江口大范圍二維模型和磨刀門小范圍三維模型，由大范圍二維模型為小范圍三維模型提供邊界條件和初始鹽度場。

大范圍二維模型的計(jì)算范圍與網(wǎng)格布置見圖1。模型計(jì)算區(qū)域采用無結(jié)構(gòu)三角形與四邊形混合網(wǎng)格進(jìn)行離散，網(wǎng)格的設(shè)計(jì)充分考慮了對地形邊界的貼合，網(wǎng)格總數(shù)為91 161，節(jié)點(diǎn)總數(shù)81 049。二維模型共設(shè)有7個(gè)控制邊界，4個(gè)上游邊界分別取在石咀、高要、石角以及老鴉崗站。其中，石咀和老鴉崗邊界給定模擬時(shí)段對應(yīng)的實(shí)測潮位過程；高要和石角邊界給定模擬時(shí)段的實(shí)測流量過程；模型的外海邊界取在珠江口外南海-30 m等深線附近，其潮位過程由已建的中國近海潮波模型提供。由于距口門足夠遠(yuǎn)，二維模型上游4個(gè)邊界上的鹽度均取為0 PSU，外海邊界的鹽度取為33 PSU。

圖1 平面二維潮流鹽度數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍與網(wǎng)格布置

磨刀門三維模型的計(jì)算范圍與網(wǎng)格布置見圖2。模型計(jì)算區(qū)域水平向采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格進(jìn)行離散，外海區(qū)域網(wǎng)格分辨率較低，最大網(wǎng)格邊長約1 800 m；主河道內(nèi)網(wǎng)格分辨率較高，網(wǎng)格邊長約100 m；窄細(xì)支汊局部加密，網(wǎng)格分辨率達(dá)到50 m以下。模型垂向采用σ坐標(biāo)進(jìn)行空間離散，分為等距的10層。三維模型共有4個(gè)開邊界，上游開邊界設(shè)在百頃頭上游的外海大橋附近，給定流量過程；下游設(shè)3個(gè)開邊界，給潮位過程。流量邊界和潮位邊界均由上述二維模型提供。此外，二維模型還為三維模型提供邊界逐時(shí)鹽度過程以及初始鹽度場。三維模型中，垂向湍流采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計(jì)算，水平向渦黏系數(shù)采用Smagorinsky亞網(wǎng)格模型計(jì)算，風(fēng)應(yīng)力采用澳門氣象站提供的逐時(shí)實(shí)測風(fēng)資料。

圖2 磨刀門三維潮流鹽度數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍與網(wǎng)格布置

1.2 模型驗(yàn)證

采用2009年1月的實(shí)測資料對三維模型進(jìn)行了率定和驗(yàn)證。其中，潮位的觀測時(shí)段為1月10日0時(shí)至1月13日23時(shí)；流速及鹽度觀測時(shí)段為1月12日14時(shí)至1月13日18時(shí)。各實(shí)測站點(diǎn)位置分布見圖3，圖中三灶、燈籠山、竹銀為潮位觀測站；M1—M8為流速和鹽度觀測點(diǎn)。

圖3 站點(diǎn)位置

三維模型在斜壓模式下連續(xù)運(yùn)行30 d(2009年1月1日至2009年1月30日)。由于篇幅所限，這里僅列出了部分驗(yàn)證成果，見圖4—6。驗(yàn)證結(jié)果表明，潮位計(jì)算值與實(shí)測值吻合較好，潮流與鹽度計(jì)算值在大小及相位上與實(shí)測值基本一致。整體而言，模型結(jié)果能很好地反演磨刀門水道枯水期的咸潮運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此本文建立的三維模型可以用于枯水期磨刀門北風(fēng)增咸的動(dòng)力機(jī)制研究。

圖4 潮位驗(yàn)證

a)M2測站流速流向 b)M6測站流速流向

圖5流速流向驗(yàn)證

a)M2測站鹽度圖6 鹽度驗(yàn)證

b)M6測站鹽度

續(xù)圖6鹽度驗(yàn)證

1.3 鹽通量分解方法

徑流、重力環(huán)流和潮汐離散是影響河口鹽分輸運(yùn)的重要因素。Hansen和Rattray[17]最早建立了包含這3個(gè)因素的理論模型，并采用通量機(jī)制分解方法研究河口鹽度輸運(yùn)。此后，諸多學(xué)者在此模型的基礎(chǔ)上相繼提出了各自的機(jī)制分解方法，如Park和James[18]的十一項(xiàng)分解法以及Lerczak等[19]的三項(xiàng)分解法等。本文即采用Lerczak等[19]提出的方法進(jìn)行斷面鹽通量的機(jī)制分解，將瞬時(shí)速度和瞬時(shí)鹽度分解為u=u0+uE+uT，s=s0+sE+sT，其中以0、E、T為下標(biāo)的各項(xiàng)分別表示潮平均的斷面平均余流項(xiàng)、穩(wěn)定剪切輸運(yùn)項(xiàng)以及潮流波動(dòng)項(xiàng)。以φ代表瞬時(shí)流速u和瞬時(shí)鹽度s，各項(xiàng)的定義如下：

(1)

(2)

φT=φ-φ0-φE

(3)

式中 尖括號(hào)——潮周期平均，取25 h；A0——潮周期平均的斷面面積，m2；h——水深，m；η——自由水面高程，m。

由此可按下式計(jì)算斷面總鹽通量：

(4)

式中Qf——斷面流量，m3/s；A——斷面面積，m2。

由此，斷面總鹽通量Fs被分解成了3部分，包括平流通量Qfs0、穩(wěn)定剪切輸運(yùn)通量FE以及潮汐震蕩通量FT。

1.4 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)置

數(shù)值試驗(yàn)綜合考慮上游徑流、外海潮汐和表面風(fēng)的影響。其中，控制試驗(yàn)的風(fēng)況取枯水期平均風(fēng)況，即北風(fēng)風(fēng)速5 m/s。為了了解不同北風(fēng)風(fēng)力對磨刀門咸潮上溯的影響情況，同時(shí)設(shè)置無風(fēng)和強(qiáng)北風(fēng)(北風(fēng)風(fēng)速10 m/s)作為對比數(shù)值試驗(yàn)。模式計(jì)算時(shí)段為2009年1月1日至1月30日，其中1月1日至7日為鹽度分層穩(wěn)定的過渡時(shí)段，取1月8日至30日的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 磨刀門水道咸潮上溯基本規(guī)律

由于控制數(shù)值試驗(yàn)中的風(fēng)況取的是枯水期平均風(fēng)況，因此能夠代表磨刀門枯水期咸潮活動(dòng)的基本規(guī)律。圖7為小潮漲、落憩時(shí)刻磨刀門水道的鹽度縱向分布。

a) 漲憩

b) 落憩圖7 小潮漲、落憩時(shí)刻的鹽度縱向分布

由圖7可見，小潮期間，鹽度垂向分層較為明顯，層化發(fā)育較好，口外高濃度鹽水沿底部上溯，而上游徑流淡水主要從表層下泄，并在下泄過程中不斷與下部咸水層發(fā)生摻混，致使表層下泄水流的含鹽度沿程不斷升高，厚度不斷減小。小潮漲憩時(shí)刻(圖7a)，大井角、掛錠角及燈籠山的分層系數(shù)分別為0.74、0.94和1.16；沿磨刀門水道縱斷面L-L(圖8)，26 PSU高濃度鹽水已越過攔門沙，到達(dá)大井角下游約2 km的位置；口門至掛錠角之間的河道底部區(qū)域被20～26 PSU的高鹽水所覆蓋；2 PSU鹽度等值線位于距口門約31 km處，大致在燈籠山與竹銀之間。小潮落憩時(shí)刻(圖7b)，鹽度垂向分層現(xiàn)象較漲憩時(shí)刻更為顯著，垂向梯度較大，大井角、掛錠角及燈籠山的分層系數(shù)分別為0.96、1.20和1.59，咸淡水混合類型以高度分層型為主。小潮落憩時(shí)刻高濃度鹽水并未完全退出磨刀門水道，26 PSU鹽度等值線與漲憩時(shí)刻相比僅下移了約1 km；18～26 PSU的高濃度鹽水依然占據(jù)著口門至掛錠角之間的河道底部區(qū)域。

圖9為小潮后的中潮漲、落憩時(shí)刻磨刀門水道的鹽度縱向分布。中潮漲憩時(shí)刻(圖9a)，咸潮上溯強(qiáng)度達(dá)到最大，2 PSU鹽度等值線已越過竹銀。與小潮漲憩時(shí)刻相比，水道內(nèi)的鹽水濃度顯著提高，但水體層化強(qiáng)度有所減弱，大井角、掛錠角及燈籠山3條垂線上的分層系數(shù)分別為0.64、0.63和0.83，咸淡水混合類型為部分混合型。中潮落憩時(shí)刻(圖9b)，鹽度垂向梯度較漲憩時(shí)刻明顯增大，大井角、掛錠角及燈籠山的分層系數(shù)分別為0.79、1.22和1.57，口門至上游10 km內(nèi)河段水體處于緩混合狀態(tài)，距離口門10 km以上且鹽度大于2 PSU河段水體則以高度分層型為主。中潮落憩時(shí)刻，2 PSU咸界較漲憩時(shí)刻下移了約7 km，口門附近26 PSU鹽度等值線已退出磨刀門水道。

a) 漲憩

b) 落憩圖9 中潮漲、落憩時(shí)刻鹽度縱向分布

圖10為大潮漲、落憩時(shí)刻磨刀門水道的鹽度縱向分布。大潮漲憩時(shí)刻(圖10a)，潮汐動(dòng)力較強(qiáng)，水體摻混劇烈，垂向鹽度梯度較小，大井角、掛錠角及燈籠山的分層系數(shù)分別為0.34、0.86和0.64，咸淡水混合類型為部分混合型。相比于小潮漲憩時(shí)刻，大潮漲憩時(shí)刻水面存在較為顯著的縱向鹽度梯度，同時(shí)掛錠角下游河段鹽度增加明顯，大量高濃度鹽水隨潮進(jìn)入磨刀門水道。大潮落憩時(shí)刻(圖10b)，水道內(nèi)鹽水濃度較漲憩時(shí)刻顯著降低，但鹽水分層現(xiàn)象明顯增強(qiáng)，大井角、掛錠角及燈籠山的分層系數(shù)均在1.0以上(分別為1.01、1.75和2.62)，為高度分層型。相比于小潮階段，大潮期間的咸界變化十分明顯，大潮落憩時(shí)刻2 PSU咸界較漲憩時(shí)刻下移了約9 km；大潮落憩時(shí)刻口門附近鹽度最大不超過20 PSU，表明高鹽水已完全退出磨刀門水道。

a) 漲憩

b) 落憩圖10 大潮漲憩時(shí)刻與落憩時(shí)刻鹽度縱向分布

以上研究揭示了枯水期磨刀門咸潮上溯強(qiáng)度在小潮轉(zhuǎn)大潮的中潮漲憩階段達(dá)到最大，大潮排水排鹽的基本規(guī)律。為了找出造成這一現(xiàn)象的原因，下面采用上述介紹的三項(xiàng)機(jī)制分解方法，進(jìn)行斷面鹽通量機(jī)制分解，分析斷面的位置見圖8，分解結(jié)果見圖11。圖11中，咸潮上溯長度定義為沿河道縱剖面從河口口門到底部0.5 PSU鹽度等值線之間的距離。

a)三灶站潮位

b)咸潮上溯距離

c)N斷面鹽通量

d)S斷面鹽通量

e)E斷面鹽通量圖11 控制試驗(yàn)工況下，各斷面鹽通量隨時(shí)間變化過程

斷面總鹽通量Fs的正負(fù)決定了鹽是在河口持續(xù)累積增加抑或是被沖淡而減少。Fs為正，鹽分向陸輸運(yùn)，鹽在河道內(nèi)累積，反之則向海輸運(yùn)，鹽分減少。從圖11中可以看到，位于磨刀門主干的N斷面總鹽通量Fs在大小潮過程中發(fā)生了正負(fù)變化，在大潮轉(zhuǎn)小潮的中潮末期到下一個(gè)周期小潮轉(zhuǎn)大潮的中潮末期均大于零，而在其他時(shí)段則小于零。對于N斷面，其斷面總鹽通量Fs主要受向陸的穩(wěn)定剪切輸運(yùn)通量FE和向海的平流通量Qfs0控制，而潮汐震蕩通量FT較小，與其余兩者相比可忽略不計(jì)。

S斷面的鹽通量變化過程與N斷面略有差別，其FE通量顯著小于N斷面。這是由于穩(wěn)定剪切輸運(yùn)主要受縱向鹽度梯度影響。相較N斷面，S斷面更靠近口門，在大小潮變化過程中更易被高鹽水占據(jù)，故鹽度梯度不大，而N斷面介于高鹽水與低鹽水之間，鹽度縱向梯度較大，致使N斷面的FE通量顯著大于S斷面。

E斷面的鹽通量變化過程與N斷面和S斷面存在明顯區(qū)別。E斷面位于洪灣水道，水深較淺且斷面寬度較窄，受底摩阻及側(cè)邊界影響較大，水體摻混較強(qiáng)，鹽度縱向梯度不大，導(dǎo)致E斷面的FE通量較小，斷面總鹽通量Fs主要受平流通量Qfs0控制。與N斷面和S斷面相比，E斷面總鹽通量Fs在整個(gè)研究時(shí)段始終表現(xiàn)為向海輸送，表明在枯水期平均風(fēng)況下(北風(fēng)風(fēng)速5 m/s)，洪灣水道是磨刀門主干往外海排鹽的通道。

2.2 北風(fēng)增咸的動(dòng)力機(jī)制

上一節(jié)以北風(fēng)風(fēng)速5 m/s作為控制試驗(yàn)組，從動(dòng)力機(jī)制上揭示了在枯水期平均風(fēng)況下磨刀門咸潮上溯規(guī)律及鹽分輸運(yùn)途徑。為了了解不同北風(fēng)風(fēng)力對磨刀門咸潮上溯強(qiáng)度及鹽分輸運(yùn)途徑的影響，本節(jié)對無風(fēng)和強(qiáng)北風(fēng)(北風(fēng)風(fēng)速10 m/s)數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)行分析。

圖12給出了無風(fēng)工況下的三灶站潮位、咸潮上溯距離及斷面鹽通量變化過程。從咸潮上溯長度隨時(shí)間的變化過程可以看出，無風(fēng)作用下咸潮上溯距離顯著減小(圖12b)，表明咸潮上溯強(qiáng)度與北風(fēng)風(fēng)速存在正相關(guān)關(guān)系。從斷面鹽通量變化過程可以看出，無風(fēng)作用下各斷面鹽通量變化過程與控制試驗(yàn)基本類似。對于N斷面和S斷面，其斷面總鹽通量Fs主要受向陸的穩(wěn)定剪切輸運(yùn)通量FE和向海的平流通量Qfs0控制；而E斷面總鹽通量Fs主要受平流通量Qfs0控制。對于E斷面，在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)其斷面總鹽通量Fs始終為負(fù)，表現(xiàn)為鹽分由磨刀門主干經(jīng)洪灣水道向外海輸送，表明在無風(fēng)工況下，洪灣水道仍是磨刀門主干往外海排鹽的通道。

a)三灶站潮位

b)咸潮上溯距離

c)N斷面鹽通量

d)S斷面鹽通量

e)E斷面鹽通量圖12 無風(fēng)工況下各斷面鹽通量隨時(shí)間變化過程

圖13給出了強(qiáng)北風(fēng)工況下的三灶站潮位、咸潮上溯距離及斷面鹽通量變化過程。從咸潮上溯長度隨時(shí)間的變化過程可以看出，強(qiáng)北風(fēng)作用下咸潮上溯距離顯著增大(圖13b)，進(jìn)一步表明咸潮上溯強(qiáng)度與北風(fēng)風(fēng)速存在正相關(guān)關(guān)系。強(qiáng)北風(fēng)作用下，N斷面鹽通量三分量及總鹽通量的變化趨勢與控制試驗(yàn)相同，只在量值上存在些許差別。例如N斷面的穩(wěn)定剪切輸運(yùn)通量FE與控制試驗(yàn)相比有明顯提高，這跟強(qiáng)北風(fēng)作用下水道縱向鹽度梯度增大有關(guān)。而S斷面和E斷面鹽通量變化過程與控制試驗(yàn)存在顯著不同。對于S斷面，強(qiáng)北風(fēng)作用下其穩(wěn)定剪切輸運(yùn)通量FE和平流輸運(yùn)通量Qfs0均有所增大，但平流通量Qfs0增大的幅度更大，致使在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)其斷面總鹽通量Fs始終為負(fù)，表現(xiàn)為鹽分經(jīng)橫洲水道向外海輸送。而在強(qiáng)北風(fēng)作用下，E斷面的總鹽通量Fs始終為正，這與控制試驗(yàn)及無風(fēng)試驗(yàn)情況下剛好相反，表明北風(fēng)風(fēng)速會(huì)影響磨刀門鹽分輸運(yùn)途徑，在強(qiáng)北風(fēng)條件下，洪灣水道成了磨刀門水道鹽分的主要來源。

a)三灶站潮位

b)咸潮上溯距離

c)N斷面鹽通量

d)S斷面鹽通量

e)E斷面鹽通量圖13 強(qiáng)北風(fēng)工況下各斷面鹽通量隨時(shí)間變化過程

為了進(jìn)一步說明強(qiáng)北風(fēng)增咸的主要途徑為洪灣水道，在強(qiáng)北風(fēng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又增加了1組洪灣水道封堵的數(shù)值試驗(yàn)。圖14、15為洪灣水道封堵前后，位于橫洲水道與洪灣水道分汊口上游的N斷面潮平均鹽度分布。從圖中可以看到，在洪灣水道封堵情況下，N斷面潮平均鹽度較封堵前顯著減小，這從側(cè)面反映了洪灣水道確實(shí)是強(qiáng)北風(fēng)增咸的主要途徑。

a) N斷面小潮

b) N斷面中潮

c) N斷面大潮

圖14洪灣水道封堵前平均鹽度分布

a) N斷面小潮圖15 洪灣水道封堵后平均鹽度分布

b)N斷面中潮

c)N斷面大潮

續(xù)圖15洪灣水道封堵后平均鹽度分布

3 結(jié)論與展望

a) 枯水期磨刀門咸潮上溯強(qiáng)度在小潮轉(zhuǎn)大潮的中潮漲憩階段達(dá)到最大。造成這一現(xiàn)象的原因是磨刀門水道斷面總鹽通量在大潮轉(zhuǎn)小潮的中潮末期到下一個(gè)周期小潮轉(zhuǎn)大潮的中潮末期大于零，表明鹽分凈輸移方向?yàn)殛懴?，鹽分在河口不斷累積，至小潮后的中潮末期達(dá)到最大。

b) 北風(fēng)風(fēng)力的大小直接影響磨刀門水道鹽分輸運(yùn)途徑：風(fēng)力較小時(shí)，磨刀門水道分汊口以上的鹽分主要來自于橫洲水道，而洪灣水道則表現(xiàn)為磨刀門主干往外海排鹽的通道；但在強(qiáng)北風(fēng)作用下，洪灣水道成了磨刀門水道鹽分的主要來源。這與蘇波等[8]基于原型觀測資料的研究結(jié)果是一致的。

本文在研究過程中僅考慮了風(fēng)的表層剪切作用，并未考慮伴生波浪的影響。而實(shí)際情況下有風(fēng)就有浪，難以將兩者割裂開來衡量。關(guān)于風(fēng)、浪作用下能夠多大程度影響磨刀門咸潮活動(dòng)，今后還需要進(jìn)一步研究加以論證。另外，磨刀門河口受臺(tái)風(fēng)影響較為頻繁。臺(tái)風(fēng)期間氣壓驟降引起潮水位在短時(shí)間內(nèi)異常升高，會(huì)對河口咸潮活動(dòng)產(chǎn)生極大影響。由于臺(tái)風(fēng)期間的一手水文資料難以獲取，目前有關(guān)風(fēng)暴潮對磨刀門咸潮影響的論述很少，可作為今后研究的方向。