倪培桐,韋 惺,劉 歡
(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510630;2.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州510275;3.中國科學(xué)院南海海洋研究所,廣東 廣州510301)
在近岸河口區(qū)域,由于地形邊界對海洋和河流動(dòng)力的重塑作用,使得動(dòng)力場和能量場的空間重新分布,河口區(qū)能量的耗散特點(diǎn)等受到了巨大改變。能量耗散主要通過底摩擦實(shí)現(xiàn),底摩擦能耗表示為拖曳系數(shù)與摩阻流速三次方的乘積,這表明摩阻流速的微小變化將導(dǎo)致底摩擦能耗較大甚至是數(shù)量級的變化。河口海岸深槽和淺灘流速分布的不均勻,導(dǎo)致深槽和淺灘能耗的巨大差異。特殊地形與潮流的相互作用及其在區(qū)域能量耗散中占的地位逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。Zhong 和Li[1]在對切薩皮克灣(Chesapeake Bay)的潮能耗散研究中發(fā)現(xiàn)進(jìn)入灣內(nèi)約40%的能量消耗在灣口岬角、Rapahannock基巖地形、Bay Bridge附近收窄段和灣頂縮窄段等4個(gè)高能耗區(qū)。Foreman等[2]對Vancouver島附近水域的M2潮能耗散研究發(fā)現(xiàn)能量主要耗散在灣內(nèi)峽谷、圣胡安群島(San Juan Islands)、Juan de Fuca海峽等地形形態(tài)極具變化的區(qū)域,進(jìn)一步表明了形態(tài)對能量耗散影響的重要性。Argot M.L.等、Carbajal等對Gulf of California的研究表明大部分潮能耗散在Colorado 河三角洲的淺水地區(qū),如Ballenas Channel 、Salsipuedes Sill、Colorado三角洲是高耗能區(qū)[3-4]。文獻(xiàn)[5]則發(fā)現(xiàn)北太平洋東部的海底山附近淺水區(qū)的動(dòng)能耗散是遠(yuǎn)離海底山處的100~1 000倍。文獻(xiàn)[6]等研究了Columbia Sechelt Inlet基巖潮能耗散,潮流經(jīng)過水深較淺的基巖,潮位振幅減小和相位滯后,能量主要通過摩擦作用耗散,5%的能量通過潮汐表面射流耗散,0.5%的能量通過內(nèi)潮耗散。
珠江河口和三角洲基巖島嶼眾多、地形邊界復(fù)雜是其有別于世界其他河口的重要特征之一(圖1)。這些復(fù)雜的地形邊界形成八大口門,控制徑流、潮流的傳播形式,產(chǎn)生了復(fù)雜的平均流結(jié)構(gòu),影響其微結(jié)構(gòu)及湍流特性,并形成穩(wěn)定的能量耗散模式[7-11]。本文基于SELFE,建立三維水動(dòng)力模型,從宏觀上分析珠江河口的潮能通量和耗散的空間分布規(guī)律及能耗特性[12]。
圖1 珠江河口三角洲網(wǎng)河-河口灣系統(tǒng)
為探討珠江河口能量通量與耗散空間分布特征,本文基于SELFE建立了珠江河口三維數(shù)值模型。SELFE是M.Baptista等發(fā)展的半隱式歐拉-拉格郎日有限元模型[13],其水動(dòng)力模塊是一個(gè)基于靜壓和Boussinesq近似的三維斜壓原始方程模式,垂向采用S-Z 坐標(biāo)。模型計(jì)算范圍包括河網(wǎng)區(qū)、河口灣區(qū)和近海水域,計(jì)算范圍及網(wǎng)格見圖2。模型采用三角形網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)約21.5萬,節(jié)點(diǎn)數(shù)約12.5萬,垂向分10層。網(wǎng)河區(qū)地形資料采用1997和1999年1∶5 000河道地形圖、河口區(qū)及大陸架區(qū)采用2001年1∶10 000水下地形圖及海圖。模擬時(shí)段為2001年2月7日14∶00-16日8∶00。期間馬口、三水流量為2 085 m3/s、667 m3/s,接近馬口、三水進(jìn)入珠江三角洲的多年平均枯水流量。外海邊界條件采用MIKE21 Toolbox的潮位預(yù)報(bào)數(shù)據(jù);上游邊界采用同步實(shí)測水位或流量數(shù)據(jù)。湍流相關(guān)系數(shù)采用GOTM代碼計(jì)算。床面糙率高度取值取0.001 4 m,計(jì)算時(shí)間步長60 s。
圖2 模型計(jì)算網(wǎng)格
選取珠江水利委員會(huì)水文局2001年2月珠江三角洲網(wǎng)河河道同步水文測驗(yàn)24個(gè)潮位站和16個(gè)流量站對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行水位和流量驗(yàn)證,驗(yàn)證站點(diǎn)分布見圖1,驗(yàn)證結(jié)果參見文獻(xiàn)[12]。驗(yàn)證結(jié)果顯示,水動(dòng)力模型模擬的水位過程,包括潮差、漲落潮歷時(shí)等方面,都與實(shí)測值較為接近,流量過程線也與實(shí)測值較為吻合。各站點(diǎn)的水位平均絕對誤差在0.03~0.1 m,不超過0.1 m,計(jì)算的落潮流量相對誤差在0.03%~0.27%,漲潮流量的相對誤差在0.01%~0.36%之間。表明模型較好地反映該區(qū)域的水動(dòng)力特性,為進(jìn)一步分析河口地區(qū)的能量通量和能量耗散數(shù)值基礎(chǔ)。
潮汐調(diào)和分析顯示M2、S2、K1、O1為珠江三角洲最主要的4個(gè)分潮,其中又以M2分潮所占的比重最大,其次為K1、O1分潮。潮波在傳播過程中所表現(xiàn)的特征主要為:受河道摩擦的非線性作用及上游下泄徑流的阻尼作用,潮波發(fā)生變形、衰減,且越往上游,這種影響越明顯;而不同頻率的潮波衰減的程度不同,其中高頻潮波衰減得較快,頻率較低的波衰減得相對較慢,即半日潮波衰減得快,全日潮波衰減得相對較慢。
圖3中的M2、K1分潮潮波傳播即表現(xiàn)出這一規(guī)律:總體上,M2和K1分潮的振幅都是口門附近及獅子洋段變化較小,越往三角洲的上游受河道摩擦的非線性作用及徑流的作用越大,潮波快速衰減;只是不同位置其振幅減小幅度不同,不同分潮,其潮波振幅減小不同。從潮波振幅的大小來看,獅子洋附近站點(diǎn)振幅最大,其次為崖門;從空間的變化率來看,等振幅線密集區(qū)主要包括西北江三角洲網(wǎng)河上段、紫洞下段區(qū)域、三善滘下段區(qū)域、天河下段區(qū)域。兩分潮的衰減速率相比較,M2分潮振幅從口門到三角洲頂點(diǎn)的衰減速率比K1分潮快。
圖3 M2、K1分潮等振幅、遲角線圖
潮能通量,又稱能通量密度,是單位時(shí)間通過自海底至海面單位寬度斷面的潮能[8-9]。潮能通量與流速、水深、水位有關(guān)。表示為
(1)
將7個(gè)潮周期的潮波進(jìn)行平均并對潮能通量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從能量通量的空間分布上看,潮能通量在主槽大,灘地潮能通量較小,潮能通量傳播方向與河口地形走向基本一致。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示:外海向伶仃洋、黃茅海、磨刀門潮能通量分別約為219.7、47.5和20.82 MW,大部分潮能在河口灣區(qū)耗散,通過八大口門向上游傳播的潮能只有外海輸入能量的1/3(表1)。
表1 能量通量統(tǒng)計(jì)(MW)1)
1)方向指向上游為正
潮能傳播受局部地形的影響較大?!傲尕暄?虎門”水域潮能沿東槽和西槽往北傳播,在虎門口門川鼻水道匯聚后,進(jìn)入獅子洋。潮能通量在虎門口門處最大,往北潮能通量緩慢回落,一直到黃埔潮能通量仍然較高?!澳サ堕T河口”水域潮能的傳播方向、大小與磨刀門河口地形走向基本一致。潮能沿河口深槽自南往北傳播,往北潮能通量緩慢回落。磨刀門河口兩側(cè)及攔門沙淺灘水體較淺,潮流流速低灘能量通量也很小。黃茅海-潭江水域,表現(xiàn)為在河口灣灣頂、河道主槽、峽口區(qū)域潮能通量都較大,灘地較小,潮能通量傳播方向與河口地形走向大體一致??菁境蹦芡垦攸S茅海河口灣主槽往北傳播,隨著黃茅海河口灣水面寬度從灣口到灣頂逐漸束窄,沿程過水面積逐漸減小,導(dǎo)致能量集聚。能量通量從三角山向崖門逐漸增大,在崖門附近由于邊界突然縮窄,能量通量出現(xiàn)明顯峰值。在進(jìn)入銀洲湖后能量通量逐漸降低。由于縱剖面地形成波動(dòng)變化,能量通量沿程變化也非常復(fù)雜。
圖4 珠江河口三角洲潮能通量分布
將能量方程對自由表面S包圍的控制體積V積分,可以分析潮平均條件下控制體的能量耗散構(gòu)成[1],分別為:
1)水體表面和床面底摩擦耗散:
2)垂向渦動(dòng)擴(kuò)散有關(guān)的能耗:
3)正壓潮能水平擴(kuò)散:
ρ
河口三角洲7潮平均能耗的空間分布(圖5)顯示:總能耗分布總體上與地形分布一致,深槽能耗大,淺灘能耗相對小。伶仃洋-虎門水域,自內(nèi)伶仃島到-黃埔縱剖面能量耗散縱向上灣頂逐漸增大,到虎門口能量耗散最大,向獅子洋變小。黃茅海-潭江水域,三角山附近的河口灣區(qū)單位面積耗散率較低(約0.1 MW/km2),單位面積總能量耗散到崖門口附近達(dá)到最大值(約0.26 MW/km2),向崖門水道變小,進(jìn)入石咀上游彎曲水道能耗率變大(約0.09 MW/km2),然后向上游減小。磨刀門水域,河口能量耗散率較低,到掛定角附近最大,向上游變小,燈籠山附近(江心洲地形)能量耗散率又變大。三項(xiàng)能耗項(xiàng)中,底摩擦能耗是最重要的能耗項(xiàng),約占總能耗的70%以上,垂向擴(kuò)散能耗約占25%左右,水平擴(kuò)散能耗與其余兩項(xiàng)相比是小量。
圖5 珠江河口三角洲能量耗散分布(7潮平均)
1)地形因素。南海潮波從陸架傳入珠江河口的能量主要消耗在河口灣區(qū),僅小部分通過口門向上游河網(wǎng)傳播,潮汐能量通過床面摩擦、內(nèi)摩擦等作用逐漸耗散,其中地形影響能通量和耗散的空間分布。從潮能通量和耗散的空間分布上,可以把珠江口分為伶仃洋-虎門-獅子洋水域、黃茅海-譚江水域、磨刀門河口水域、網(wǎng)河區(qū)水域。從數(shù)學(xué)與物理上看,能量過程與動(dòng)力過程可以互相解釋,是一個(gè)過程的不同解釋。
珠江河口4個(gè)能量通量與能耗的分區(qū)表明,潮波珠江河口的傳播與變形存在空間差異。事實(shí)上,雖然“伶仃洋-虎門” 水域與“黃茅海-譚江” 水域地形與動(dòng)力結(jié)構(gòu)方面有部分共同點(diǎn),如都有喇叭形的河口灣、潮流作用較強(qiáng)、平均水位較低、存在“門”的雙向射流等;但潮差的沿程分布特點(diǎn)有較大差別,伶仃洋-虎門-獅子洋水域的潮差灣口到灣頂增大,然后向上游降低。而“黃茅海-譚江” 水域潮差自灣口向?yàn)稠敎p小,然后向上游增大。從地形上看“伶仃洋-虎門” 水域相對較深,且東西深槽水深都超過10 m,有利于潮波傳播?!包S茅海-譚江” 水域地形較淺,中部攔門沙僅2.4~3.0 m。
磨刀門河口灣地形較淺,部分?jǐn)r門沙已經(jīng)成陸。磨刀門河口灣是珠江三角洲主要泄洪通道,徑流作用相對較強(qiáng),無論洪、枯季節(jié)平均水位都較高,潮差從口門向上游衰減,磨刀門落潮單向射流明顯,這些特點(diǎn)與“黃茅海-譚江” 水域、“伶仃洋-虎門” 水域明顯不同。
2)動(dòng)力因素。珠江河口能量通量與能耗還受動(dòng)力因素的影響,如徑流、風(fēng)、潮汐等。以伶仃洋-虎門水域?yàn)槔?,枯季能量通量都是從伶仃洋向上游傳播,潮汐能量是廣州前、后航道-獅子洋-虎門水域的主要能量,能通量的方向向上游傳播。而在大洪水期間(“98.6”洪水),上述區(qū)域的能量通量方向指向下游。在強(qiáng)東北風(fēng)(風(fēng)速9.8m/s)條件下,垂向渦動(dòng)耗散項(xiàng)能耗增強(qiáng),垂向渦動(dòng)耗散項(xiàng)能耗為總能耗的35%~53%,底摩擦能耗項(xiàng)能耗占總能耗46%~64%[12]。
基于珠江河口三維數(shù)值模型,本文分析了珠江河口潮能通量與耗散的空間分布。珠江河口的能量通量與耗散受地形影響較大,潮能通量傳播方向與河口地形走向大體一致。能量耗散以底摩擦能耗為主,垂向擴(kuò)散耗散次之。從能通量和能耗分布特征看,珠江河口可以分為伶仃洋-虎門水域、磨刀門河口水域區(qū)、黃茅海-潭江水域、網(wǎng)河區(qū)水域。上述各區(qū)域存在‘門’等高能耗局部地形,其單位面積能耗比附近水域的高數(shù)倍甚至1~2個(gè)數(shù)量級。
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