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
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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)程與海灣中水交換過(guò)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。
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)λw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(guò)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(guò)程。其中水平渦粘度用Smagorinsky提出的一個(gè)有效渦粘度來(lái)計(jì)算次網(wǎng)格下的傳輸過(guò)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。
模型研究區(qū)域包括東江、北江河網(wǎng)區(qū)和東四口門(mén)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(kāi)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(lái)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(méi),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(guò)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
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(guò)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(lái)看,各站點(diǎn)水位MAD(平均絕對(duì)誤差)不超過(guò) 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(guò)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
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(jiàn),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(kāi)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(mén)與澳門(mén)-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(kāi)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。
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(lái)分析枯水期伶仃洋的歐拉余流。
對(duì)無(wú)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(guò)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(mén)、橫門(mén)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(guò)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(wú)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(jiàn),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(wú)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
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(lái)看,枯水期無(wú)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(mén)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(mén)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減小;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(wú)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(wú)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(wú)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(lái)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。
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(wú)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(méi)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>
基于 MIKE3模型對(duì)東四口門(mén)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)??菟谠跓o(wú)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%。