風(fēng)對(duì)枯季伶仃洋水體交換的影響

林若蘭，劉洋，卓文珊，高延康

1. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣州 510275

2. 華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510275

3. 中山大學(xué)土木工程學(xué)院，珠海 519082

4. 中山大學(xué)測(cè)試中心，廣州 510275

0 前言

余流是海流中除去周期性的潮流后的剩余部分，珠江口余流的主要影響因素為徑流、沿岸流、風(fēng)海流、南海暖流造成的密度流以及地形邊界[1]。河口灣的水體通過對(duì)流和擴(kuò)散與外界水體發(fā)生混合，使灣內(nèi)污染物質(zhì)稀釋，水體得到更新，因此水體交換作用是水質(zhì)改善的動(dòng)力。近幾十年來珠江三角洲經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展為河口水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)帶來一定的壓力，2000—2009年珠江口海域的赤潮發(fā)生次數(shù)為36次，且年度累計(jì)總時(shí)間和總面積呈波動(dòng)上升趨勢(shì)[2]。因此研究珠江口余流特性和水體交換能力的影響因素，分析物質(zhì)長(zhǎng)期運(yùn)輸以及水體自凈能力具有重要意義。目前研究珠江口水體交換和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)挠绊懸蛩刂饕性趶搅鱗3-4]、潮汐[5-6]、地形和岸線[7]。然而對(duì)于風(fēng)這一影響因素的研究較少，且主要集中在渤海水域[8-10]?？菟跁r(shí)由于徑流作用的減弱，珠江口水體交換能力降低，而風(fēng)對(duì)于水體的混合[11]及環(huán)流結(jié)構(gòu)[12-15]具有重要的影響，因此研究風(fēng)對(duì)珠江口水體交換的影響，可為珠江口水體交換和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)挠绊懷芯刻峁┭a(bǔ)充。

目前研究水體交換的方法主要有: 實(shí)測(cè)指示劑濃度法[16-17]和模型法，模型法包括箱式模型[18]、拉格朗日水質(zhì)點(diǎn)模型[19]和對(duì)流擴(kuò)散模型[20-21]，由于對(duì)流擴(kuò)散模型的物理過程與海灣中水交換過程更加相近，因此選擇MIKE三維水動(dòng)力模型與對(duì)流擴(kuò)散模型結(jié)合，對(duì)珠江口伶仃洋水域的水交換和物質(zhì)運(yùn)輸進(jìn)行研究。計(jì)算不同風(fēng)向的均勻季風(fēng)場(chǎng)作用下伶仃洋的余流分布，分析淺灘和深槽的余流對(duì)不同風(fēng)向的響應(yīng)差異，研究風(fēng)作用下的水交換能力的變化，為評(píng)價(jià)水體的環(huán)境承載能力、水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)等提供理論支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 模型介紹

MIKE3三維水動(dòng)力模型是在二維水動(dòng)力的基礎(chǔ)上在垂直方向?qū)λw進(jìn)行分層，對(duì)不同層的水體進(jìn)行模擬。模型以連續(xù)性方程和水平動(dòng)量方程為基礎(chǔ)構(gòu)建了三維淺水非恒定流控制方程[22]，湍流在模擬過程中用渦粘度表示，渦粘度分為垂直方向和水平方向兩種傳輸過程。其中水平渦粘度用Smagorinsky提出的一個(gè)有效渦粘度來計(jì)算次網(wǎng)格下的傳輸過程。水動(dòng)力學(xué)模塊采用交替方向隱式迭代法對(duì)動(dòng)量及質(zhì)量守恒方程進(jìn)行積分，對(duì)其產(chǎn)生的數(shù)學(xué)矩陣采用雙精度掃描法進(jìn)行求解[22]。模型考慮徑流、潮汐、科氏力、密度流、風(fēng)的作用等。除了水動(dòng)力模塊以外，應(yīng)用 Transport模塊計(jì)算保守物質(zhì)的運(yùn)移，同時(shí)考慮水體對(duì)物質(zhì)的對(duì)流和擴(kuò)散作用，計(jì)算水體交換能力。

1.2 模型范圍及設(shè)置

模型研究區(qū)域包括東江、北江河網(wǎng)區(qū)和東四口門外的河口灣，上邊界到達(dá)南華、三水、老鴉崗、博羅，下邊界達(dá)到河口灣 25米等深線附近(如圖 1)，垂向上按σ坐標(biāo)劃分了5層。模型采用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格，在外海開邊界一帶采取5 km的分辨率、內(nèi)河道較寬部分用500 m的分辨率，部分細(xì)窄河道用50—100m 分辨率來達(dá)成計(jì)算精度與計(jì)算效率的平衡。網(wǎng)格質(zhì)量方面，三角形內(nèi)角在30°到100°之間以避免發(fā)散。計(jì)算區(qū)域共生成 33445個(gè)三角形網(wǎng)格，21766個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，由于河口水域存在淺灘，漲潮淹沒，落潮出露，故采用干濕動(dòng)邊界處理方法。率定參數(shù)及模型驗(yàn)證時(shí)上邊界采用實(shí)測(cè)逐時(shí)流量或水位，下邊界用經(jīng)過校正的全球潮汐預(yù)測(cè)模型生成的同步外海邊界潮位，地形數(shù)據(jù)采用1999年的河道地形數(shù)據(jù)，率定驗(yàn)證時(shí)的風(fēng)數(shù)據(jù)采用深圳寶安機(jī)場(chǎng)同步風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。初始水位對(duì)模擬結(jié)果的影響有限，故將初始水位設(shè)定為0 m。

圖1 研究區(qū)地形和測(cè)站分布Figure 1 Topography and station distribution in the research area

1.3 模型驗(yàn)證

近幾十年珠江三角洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，人類活動(dòng)劇烈，河道地形變化較大，故采用與 1999年地形較匹配的2001年水文數(shù)據(jù)。采用2001年2月8日至2月16日的實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)，由同時(shí)期的水位-過水?dāng)嗝骊P(guān)系和流量數(shù)據(jù)計(jì)算斷面平均流速，對(duì)水位和斷面平均流速的模擬效果進(jìn)行驗(yàn)證，模擬效果如圖2、圖3所示，在此僅列出部分站點(diǎn)的水位、流速模擬效果。

從模擬結(jié)果來看，各站點(diǎn)水位MAD(平均絕對(duì)誤差)不超過 0.15 m，R(相關(guān)系數(shù))均大于 0.95，NS(納西效率系數(shù))均大于 0.85，水位模擬效果良好，能準(zhǔn)確反映研究區(qū)大小潮時(shí)期潮位變化。各站點(diǎn)的流速M(fèi)AD不超過0.16 m·s-1，R均大于0.85，NS均大于0.7，流速模擬效果較好，能反映研究區(qū)潮流運(yùn)動(dòng)，模型具有一定可靠性。

圖2 計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位的比較Figure 2 Comparison of computed and observed water levels

圖3 計(jì)算流速與實(shí)測(cè)流速的比較Figure 3 Comparison of computed and observed flow velocities

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

風(fēng)是河口水體重要的動(dòng)力因素之一，對(duì)表層水體產(chǎn)生順風(fēng)向的表面剪切應(yīng)力，使其順風(fēng)流動(dòng)，在底部產(chǎn)生反向的補(bǔ)償流，促進(jìn)河口地區(qū)垂向環(huán)流的發(fā)展，使水體垂向混合。倪培桐[23]研究表明強(qiáng)東北風(fēng)可使河口區(qū)垂向渦動(dòng)耗散項(xiàng)能耗增大1—2倍，改變水體垂向結(jié)構(gòu)。珠江口冬季的常風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)、東北風(fēng)，東風(fēng)也較為常見，而根據(jù)上川島氣象資料冬季風(fēng)的平均風(fēng)速為 4.9 m·s-1[23]，風(fēng)速整體較小，故在模擬試驗(yàn)中，水動(dòng)力模塊選取5 m·s-1的北向、東北向、東向均勻季風(fēng)場(chǎng)作為風(fēng)動(dòng)力條件，邊界條件選取2001年枯水期平均流量，從2001年1月9日開始模擬，模型運(yùn)行90天。為分析風(fēng)對(duì)伶仃洋的水體交換的影響，設(shè)置 Transport模塊，同時(shí)考慮對(duì)流和擴(kuò)散作用，以溶解態(tài)的保守物質(zhì)作為水體的示蹤劑，設(shè)置伶仃洋(東四口門與澳門-大濠島南之間)水域的保守物質(zhì)濃度為 1 mg·L-1，其余水域及上下邊界的保守物質(zhì)濃度均為0，計(jì)算在徑流、潮汐、風(fēng)等動(dòng)力作用下的水體交換能力。

衡量水體交換能力的概念較多，包括水體半交換時(shí)間(Half-life Time)、平均存留時(shí)間(Residence Time)、水齡(Age)、更新時(shí)間(Turnover Time)等，本文采用平均存留時(shí)間Tr[24]衡量水體交換能力，Tr指進(jìn)入研究區(qū)的物質(zhì)離開該區(qū)域所需要的平均時(shí)間，公式如下:

式(1)中，Tr為水體的平均存留時(shí)間，C(t)為t時(shí)刻的水體中保守物質(zhì)的濃度，C0為初始保守物質(zhì)濃度。Tr越小，表明水體交換能力越強(qiáng)，反之則表明水體交換能力越弱。

2 結(jié)果分析

2.1 余流分析

余流主要由底摩擦、地形、邊界形狀、風(fēng)等因素引起，是海流中的非線性部分，分別選取模型穩(wěn)定后各風(fēng)況下潮流場(chǎng)的周期平均來分析枯水期伶仃洋的歐拉余流。

對(duì)無風(fēng)時(shí)小潮和大潮時(shí)表底層余流進(jìn)行分析(如圖 4)，小潮時(shí)潮汐動(dòng)力相對(duì)較弱，水體受徑流下泄影響，河口灣余流除島嶼、河岸附近部分水域由于潮波和地形的非線性作用產(chǎn)生向陸余流以外，其余水域的余流向海，表層余流比底層余流大，方向以南向或東南向占優(yōu)。深槽區(qū)垂向環(huán)流發(fā)育，表層向海，底層向陸，垂向平均余流向海，由于表底層余流方向相反，深槽區(qū)的垂向平均余流較小(如圖5)。內(nèi)伶仃島北側(cè)的東南向的下泄余流繞過內(nèi)伶仃島分成兩股從大濠島東西兩側(cè)流向外海。受洪奇門、橫門的徑流下泄影響西灘余流也較為明顯，方向?yàn)槟舷蚧驏|南向，在經(jīng)過大濠島以西時(shí)受地形和科氏力影響，底層余流方向逐漸偏西。大潮時(shí)余流總體與小潮時(shí)相似，但由于大潮時(shí)混合作用增強(qiáng)，鹽度分層減弱，垂向環(huán)流減弱，深槽區(qū)表底層余流流向基本一致，且深槽區(qū)的余流比淺灘的余流大。

各風(fēng)況下垂向平均余流如圖 5所示，在其它條件相同的情況下，在小潮期間，在北風(fēng)作用下深槽區(qū)底層余流上溯增強(qiáng)，從而使深槽的向海的垂向平均余流減小，西槽、東槽分別降低 0.8 cm·s-1、0.7 cm·s-1，而西灘、中灘、東灘南向及東南向的下泄余流分別增強(qiáng) 1.8 cm·s-1、0.4 cm·s-1、1.1 cm·s-1；在東北風(fēng)作用下深槽區(qū)同樣增強(qiáng)底層上溯余流，西槽、東槽的向海的垂向平均余流分別降低 0.3 cm·s-1、0.5 cm·s-1，而西灘、東灘的南向及東南向的下泄余流分別增強(qiáng)3.4 cm·s-1、0.4 cm·s-1，中灘余流變化不大；在東風(fēng)作用下深槽的變化與北風(fēng)、東北風(fēng)相反，表現(xiàn)為深槽余流的下泄增強(qiáng)，西槽增強(qiáng)0.3 cm·s-1、東槽余流有微弱的增強(qiáng)，西灘的下泄余流增強(qiáng) 0.5 cm·s-1，而中灘和西灘的余流分別減弱0.4 cm·s-1、0.7 cm·s-1。結(jié)果表明: 在小潮期間，對(duì)于深槽區(qū)，北風(fēng)、東北風(fēng)促進(jìn)垂向環(huán)流使深槽底層的余流上溯增強(qiáng)，垂向平均余流減弱，且北風(fēng)影響大于東北風(fēng)，東風(fēng)則抑制垂向環(huán)流使深槽的下泄余流增強(qiáng)。對(duì)于淺灘，東北風(fēng)、北風(fēng)使 “三灘”余流增強(qiáng)，由于東灘、中灘的余流以東南向?yàn)橹?，東風(fēng)減少余流的東向分量，從而使東灘 、中灘余流減弱，而西灘的淇澳島以南的余流以南向?yàn)橹?，東風(fēng)使該處余流增強(qiáng)，方向偏向西南。在北風(fēng)、東北風(fēng)或東風(fēng)的作用下，都使淇澳島以南、大濠島以西的淺灘水域向西南偏轉(zhuǎn)。

大潮時(shí)，與無風(fēng)時(shí)相比，在風(fēng)的影響下伶仃洋表底層余流方向是基本相同的(圖略)，幾乎都指向海。在北風(fēng)作用下，西槽、東槽的垂向平均下泄余流分別減弱 0.4 cm·s-1、0.3 cm·s-1，西灘、中灘、東灘的下泄余流分別增強(qiáng) 1.0 cm·s-1、0.2 cm·s-1、0.5 cm·s-1；東北風(fēng)作用下余流變化規(guī)律與北風(fēng)相似，西槽、東槽下泄余流分別減弱 0.2 cm·s-1、0.4 cm·s-1，西灘的下泄余流增強(qiáng)0.9 cm·s-1，中灘和東灘余流強(qiáng)度幾乎不變；在東風(fēng)作用下西槽、東槽的下泄余流都增強(qiáng) 0.1 cm·s-1，而西灘余流增強(qiáng) 0.2 cm·s-1，中灘、東灘分別減弱 0.3 cm·s-1、0.4 cm·s-1。由此可見，大潮和小潮時(shí)期風(fēng)對(duì)伶仃洋余流的影響規(guī)律相同，但大潮時(shí)風(fēng)作用下的余流變化比小潮時(shí)小。

圖4 無風(fēng)時(shí)小潮和大潮時(shí)表底層的余流Figure 4 Residual currents in surface and bottom waters at neap and spring tides under no wind condition

圖5 各風(fēng)況下小潮時(shí)垂向平均余流Figure 5 Vertically averaged residual currents under various wind conditions

2.2 水體交換

按照上述模型設(shè)置，分析各情境下模型的模擬結(jié)果，由于篇幅所限在此只分析垂向平均的水體平均存留時(shí)間Tr。統(tǒng)計(jì)伶仃洋空間上的Tr，結(jié)果如圖6所示。從空間變化來看，枯水期無風(fēng)時(shí)，Tr等值線呈東北-西南走向，并在深槽區(qū)向北凸出。從北向南Tr先增加后減少，口門內(nèi)Tr小于10天，伶仃洋中部Tr較高，深圳灣為最高值區(qū)，其Tr在80天以上。這是由于靠近口門處徑流的沖刷作用強(qiáng)，因此水體停留時(shí)間較短；而靠近外海處由于水面逐漸寬闊，在潮汐的作用下水體擴(kuò)散快，因此靠近外海Tr減??；深圳灣由于呈半封閉狀，且灣口與潮波傳播方向垂直，因此Tr較高，水體交換能力弱，這在一定程度上導(dǎo)致深圳灣海水富營(yíng)養(yǎng)化程度很高、赤潮發(fā)生頻繁。

與無風(fēng)時(shí)相比，在北風(fēng)、東北風(fēng)作用下伶仃洋的Tr等值線變化呈現(xiàn)灘槽分異，在西灘區(qū)的Tr等值線向南移，而在深槽區(qū)向北移動(dòng)，可能與風(fēng)促進(jìn)深槽區(qū)垂向環(huán)流有關(guān)。在東風(fēng)作用下，Tr等值線形狀變化不大。北風(fēng)、東北風(fēng)和東風(fēng)的作用都使伶仃洋中部和南部的Tr降低，Tr大于70天的水域面積明顯減少，大濠島西側(cè)水域的Tr明顯減低。

圖6 各風(fēng)況下垂向平均水體存留時(shí)間的空間分布Figure 6 Spatial distribution of vertically averaged residence time under various wind conditions

將伶仃洋劃分為內(nèi)伶仃洋(東由赤灣經(jīng)內(nèi)伶仃島，西到珠海市淇澳島一線以北)和外伶仃洋。整個(gè)伶仃洋的Tr在無風(fēng)條件下為37.9天，北風(fēng)、東北風(fēng)、東風(fēng)作用下Tr變化1.7%、-4.5%、-6.0%，表明東北風(fēng)、東風(fēng)整體上促進(jìn)伶仃洋水體交換，使水體Tr變小，而北風(fēng)則使Tr略微增大。外伶仃洋和內(nèi)伶仃洋的Tr及其變化有所不同，無風(fēng)條件下外伶仃洋的Tr為58.1天，而內(nèi)伶仃洋的Tr只有26.3天，比外伶仃洋小得多，這是由于內(nèi)伶仃洋的水體在上游來水徑流的沖刷作用下，水體交換作用強(qiáng)。內(nèi)伶仃洋在北風(fēng)、東北風(fēng)、東風(fēng)作用下Tr變化10.0%、5.7%、0.1%，北風(fēng)、東北風(fēng)使Tr增大，水體交換能力減弱，可能與北風(fēng)、東北風(fēng)促進(jìn)垂向環(huán)流有關(guān)，使保守物質(zhì)向外伶仃洋擴(kuò)散減弱，東風(fēng)作用下內(nèi)伶仃洋Tr變化不大。而外伶仃洋在北風(fēng)、東北風(fēng)、東風(fēng)作用下Tr均減小，分別為-5.8%、-13.5%、-11.6%，各風(fēng)向都促進(jìn)外伶仃洋水體交換。

3 討論

對(duì)伶仃洋深槽區(qū)小潮時(shí)表底層余流方向相反，表層向海，底層向陸，而大潮時(shí)表底層余流方向幾乎相同，都向海，這與王彪[25]得出的規(guī)律相似。這是由于大潮時(shí)混合作用增強(qiáng)，鹽度分層減弱，垂向環(huán)流減弱，深槽表底層余流流向幾乎一致，另外由于本模型在垂向上只劃分 5層，有可能大潮時(shí)深槽存在較弱垂向環(huán)流，向陸水層較薄且向陸余流速度較小，使第 1層(底層)余流方向仍為向海，表現(xiàn)出表層、底層余流均向海?？菟跓o風(fēng)時(shí)內(nèi)伶仃洋的Tr計(jì)算結(jié)果與裴木鳳[3]的結(jié)果相近，而外伶仃洋的Tr相差較大，與外伶仃洋的計(jì)算范圍及動(dòng)力條件不同(風(fēng)條件、上游徑流量)有關(guān)。另外根據(jù) 2000—2009年珠江口赤潮發(fā)生次數(shù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，深圳灣及其附近海域是珠江口赤潮發(fā)生最多的水域，其次是伶仃洋西部珠海近岸及其附近海域[2]，這與本模型水體平均停留時(shí)間的空間分布結(jié)果相符，水體平均停留時(shí)間越長(zhǎng)，水交換能力越弱，赤潮發(fā)生次數(shù)越多。

本文只考慮較長(zhǎng)期的季平均風(fēng)的影響，對(duì)于短期異常大風(fēng)沒有進(jìn)行試驗(yàn)研究。另外波浪的影響也需要進(jìn)一步的研究，今后的研究可增加波浪模塊，考慮波浪與潮流的作用產(chǎn)生的近岸流對(duì)水域的水體交換和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)挠绊憽?/p>

4 結(jié)論

基于 MIKE3模型對(duì)東四口門及鄰近海域的水動(dòng)力特性進(jìn)行模擬，計(jì)算在風(fēng)作用下枯水期伶仃洋的余流和水交換能力的變化，主要結(jié)論如下:

(1)伶仃洋大小潮時(shí)期的深槽余流明顯不同，小潮時(shí)深槽區(qū)的表底層余流相反，存在較強(qiáng)垂向環(huán)流，大潮時(shí)不明顯。

(2)小潮時(shí)，北風(fēng)使深槽區(qū)的垂向環(huán)流增強(qiáng)，垂向平均下泄余流減弱，使淺灘的下泄余流增強(qiáng)。東北風(fēng)的影響與北風(fēng)相似，但對(duì)西灘、東灘和中灘影響程度不同。東風(fēng)抑制垂向環(huán)流使深槽的下泄余流增強(qiáng)，使東灘 、中灘余流減弱，而西灘的淇澳島以南水域的余流增強(qiáng)。大潮時(shí)深槽和淺灘對(duì)風(fēng)的響應(yīng)規(guī)律與小潮時(shí)相同，但小潮時(shí)的余流變化幅度比大潮大。

(3)伶仃洋的Tr從灣頂?shù)綖晨谙仍龃蠛鬁p小，深圳灣為最高值區(qū)。枯水期在無風(fēng)條件下伶仃洋整體Tr為 37.9天，徑流的沖刷作用對(duì)水體交換影響較大，因此內(nèi)伶仃洋(26.3天)比外伶仃洋(58.1天)的Tr小得多。

(4)在北風(fēng)、東北風(fēng)的作用下，Tr等值線的變化呈現(xiàn)灘槽差異，在淺灘向南移動(dòng)，在深槽向北移動(dòng)，這與風(fēng)增強(qiáng)深槽區(qū)的垂向余環(huán)流有關(guān)。內(nèi)、外伶仃洋對(duì)風(fēng)的響應(yīng)不同，北風(fēng)、東北風(fēng)使內(nèi)伶仃洋Tr增大，東風(fēng)影響不大；而北風(fēng)、東北風(fēng)、東風(fēng)都使外伶仃洋的Tr減小，其中東北風(fēng)的影響最大，5 m·s-1的東北風(fēng)使Tr降低13.5%。