陳 斌 高 飛 印 萍 劉金慶,

(1.國(guó)土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071;2.青島海洋地質(zhì)研究所 青島 266071;3.中國(guó)海洋大學(xué) 青島 266100)

近幾年來,LOICZ、MARGINS等研究表明,中小河流的入海物質(zhì)在陸-海相互作用、世界邊緣海沉積、全球海洋生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演重要角色。一方面它的豐枯變化直接影響河口環(huán)境、流域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,另一方面河流的入海物質(zhì)是沿途風(fēng)化產(chǎn)物和污染物質(zhì)的重要載體,直接影響近海生態(tài)環(huán)境(Hilton et al,2011)。尤其是在較強(qiáng)的季風(fēng)、臺(tái)風(fēng)天氣及大量降水等綜合影響下,中小河流的入海物質(zhì)會(huì)在幾天內(nèi)快速入海(Kao et al,2008;Liu et al,2009),河口地區(qū)接收的物質(zhì)通量將瞬間增大。入海物質(zhì)通量的快速變化對(duì)流域-河口的環(huán)境響應(yīng)已經(jīng)成為近幾年國(guó)際地球科學(xué)界的研究熱點(diǎn)(Milliman et al,2011)。目前來說,我國(guó)對(duì)入海中小河流的基礎(chǔ)研究還很弱;與長(zhǎng)江、黃河、珠江等大江大河相比,對(duì)于中小河流入海物質(zhì)的通量變化及其對(duì)流域-河口環(huán)境響應(yīng),以及自然與人類活動(dòng)雙重因素驅(qū)動(dòng)下陸源物質(zhì)從流域到河口的源-匯過程的研究不足。

南渡江發(fā)源于海南白沙縣南峰山,是海南第一大河,斜貫海南島中北部,向北流經(jīng)海口市匯入瓊州海峽,全長(zhǎng)334km,流域面積7033km2(海南省地方辦公室,2005)。據(jù)龍?zhí)琳舅馁Y料(1957—1988年;2006—2008 年)統(tǒng)計(jì),年均徑流量為 4.728×108m3,年均輸沙量為3.231×104t。南渡江的水沙特征表現(xiàn)出季節(jié)性變化特征,臺(tái)風(fēng)季節(jié)(7—10月)的徑流量占全年的 62.3%,輸沙量占全年輸沙量的 74.4%(楊志宏等,2013)。

南渡江河口海域?qū)儆跓釒Ъ撅L(fēng)氣候,盛行季風(fēng),冬季多偏北風(fēng),平均風(fēng)速超過3.5m/s,夏季多偏南風(fēng),平均風(fēng)速在3.0m/s以下。每年的7—10月為臺(tái)風(fēng)頻發(fā)季節(jié)。波浪以風(fēng)浪為主,5—8月以偏南向浪為主,9月至翌年 4月以東北向浪為主(柯佩輝,1983)。該海域潮汐類型為日潮,潮汐作用弱于風(fēng)浪作用,平均潮差1.0m左右,為弱潮河口。瓊州海峽海域以往復(fù)流為主,有漲潮東流、西流和落潮東流、西流4種流動(dòng)形式。南渡江口近岸海域以漲潮東流和落潮西流為主,轉(zhuǎn)流一般發(fā)生在平均水位附近,平均水位以上以東流為主,平均水位以下以西流為主(龔文平等,2012)。

關(guān)于南渡江河口的研究多集中在鹽水入侵(龔文平等,2012;趙軍鵬等,2013)、三角洲及岸灘演變(王文介等,1986;龔文平等,1998;戴志軍等,2000)、泥沙運(yùn)移(李春初等,1997;陳沈良等,1998)等方面。近幾年關(guān)于南渡江河口水文泥沙季節(jié)性變化的調(diào)查研究相對(duì)較少,尤其是在臺(tái)風(fēng)天氣狀況下對(duì)南渡江入海水沙通量的變化研究,由于觀測(cè)極為困難所以幾乎未見。本文通過2014年洪、枯季兩個(gè)航次的調(diào)查數(shù)據(jù),以及臺(tái)風(fēng)“海鷗”過境的監(jiān)測(cè)資料,分析研究了南渡江河口近岸海域的水文泥沙洪、枯季時(shí)空變化特征,并探討河口水文泥沙要素與動(dòng)力因子之間的響應(yīng)關(guān)系。根據(jù)臺(tái)風(fēng)過境的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),揭示了南渡江入海物質(zhì)通量瞬時(shí)變化趨勢(shì),為河口近岸海域環(huán)境及流域水資源的時(shí)空分布相關(guān)研究提供了依據(jù)。

1 資料與方法

2014年的枯季和洪季在南渡江河口海域及流域開展了兩個(gè)航次的水文泥沙調(diào)查(圖1)。南渡江河口潮汐為周日內(nèi)一漲一落。4月 1日(枯季),選取大潮時(shí)期的漲潮階段,利用走航觀測(cè)在河口海域完成了 5條主要調(diào)查斷面共計(jì) 20個(gè)站位的觀測(cè),每個(gè)斷面觀測(cè)大約用時(shí)1.5h,觀測(cè)的主要參數(shù)為溫度、鹽度、濁度等;在南渡江河道完成 15站水文泥沙觀測(cè),其中干流12站,支流3站。根據(jù)龍?zhí)了恼練v史資料,此季節(jié)的徑流量約為43.36m3/s。9月25日(洪季),選取大潮時(shí)期的落潮階段,利用走航觀測(cè)對(duì)海域5條調(diào)查斷面和河道 15站進(jìn)行了重復(fù)觀測(cè),此季節(jié)的徑流量約為446.62m3/s。9月15—23日,在南渡江中游潮流界以上河道(新大洲大橋附近)布設(shè)河床基監(jiān)測(cè)站,全程監(jiān)測(cè)了臺(tái)風(fēng)“海鷗”登陸期間的水沙通量。此外,兩個(gè)航次完成了3個(gè)錨系站位連續(xù)25h海流、溫度、鹽度、濁度等參數(shù)的觀測(cè)。

在兩個(gè)海域調(diào)查航次期間,天氣狀況良好,無明顯風(fēng)浪。其中測(cè)站剖面的參數(shù)采集使用美國(guó) Seabird公司生產(chǎn)的SBE19 Plus多參數(shù)CTD;錨系站位的海流觀測(cè)使用美國(guó)TRDI公司生產(chǎn)的ADCP(600 kHz)聲學(xué)多普勒流速剖面儀;河道水文泥沙觀測(cè)使用日本JFE公司生產(chǎn)的ASTD 152自容式CTD。

圖1 南渡江調(diào)查站位Fig.1 The investigation sites along the Nandu River

2 洪、枯季節(jié)溫度、鹽度、濁度的變化特征

2.1 洪、枯季節(jié)溫度、鹽度、濁度的平面分布特征

南渡江位于海南省最北部,屬于亞熱帶地區(qū),根據(jù)龍?zhí)了恼練v史資料,從圖2可以看出南渡江的多年平均月入海徑流量和輸沙量均為典型的單峰型,徑流量的峰值出現(xiàn)在 10月份,占河流年徑流量總量的34.1%;輸沙量的峰值出現(xiàn)在9月份,占全年總量的25.5%。一般來說,1—4月為海南河流的枯水季節(jié),7—10月為洪水季節(jié)(楊志宏等,2013)。

圖2 南渡江龍?zhí)琳径嗄昶骄聫搅髁考拜斏沉糠植糉ig.2 Average monthly runoff and sediment discharge of Nandu River

枯季,表、底層的水溫均呈現(xiàn)向海遞減的趨勢(shì),變化范圍在20—25°C之間,表層溫度略高于底層(圖3a,b)。河口以東水體溫度明顯高于西部,站位資料均在漲潮期間獲取,漲潮流以偏西向?yàn)橹?推測(cè)南海溫度相對(duì)較高的水體在漲潮流的攜帶下向瓊州海峽輸運(yùn),另外在4月份以偏東風(fēng)為主,表層水體基本上由東南往西北流動(dòng)(柯佩輝,1983),與圖3中表層溫度的分布特征一致。根據(jù)資料顯示4月份瓊州海峽東部水體溫度在23—24.73°C之間(楊士瑛等,2006),也與本文中河口以東水體溫度值吻合。

洪季水溫明顯高于枯季,河口附近海域水溫略高于離岸海域,變化范圍在 28—29.5°C之間,表、底層的溫度差異更小(圖3c,d)。洪季觀測(cè)數(shù)據(jù)是在臺(tái)風(fēng)“海鷗”登陸后第七天的落潮期間采集,在這幾天中大量的河流淡水入海,又加之臺(tái)風(fēng)作用,使得河口近海水體混合增強(qiáng),造成水溫的空間分布特征較為一致。河口以西表層水體溫度略高,河口海域底層水溫略高。

圖3 枯、洪季節(jié)溫度的表、底層分布Fig.3 Temperature at the surface and bottom layers in dry and flood seasons

枯季,表、底層的鹽度分布較為一致,空間上差異不大(圖4a,b);但在河口東側(cè)入海岔道的外海域,水深大約 15m的表層水體,出現(xiàn)一個(gè)低鹽度的區(qū)域,表現(xiàn)出異常低的鹽度值(小于16),同時(shí)也出現(xiàn)在底層水體,但其鹽度值高于表層。除去該低鹽區(qū),其它區(qū)域的鹽度基本在33左右。

洪季,研究海域的鹽度明顯低于枯季,在臺(tái)風(fēng)作用下,洪季的鹽度分布也較為平均(圖4c,d)。洪水季節(jié)降雨較多,本次觀測(cè)又恰逢臺(tái)風(fēng)過后,故整個(gè)河口海域表現(xiàn)出較低的鹽度值,在 28—30之間;但河口東側(cè)的低鹽區(qū)在表層水體依舊存在,鹽度值小于 21,其位置與枯季數(shù)據(jù)一致。在后面章節(jié)對(duì)可能導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因進(jìn)行討論。

濁度主要反映水體懸浮體的特征。南渡江河口的懸浮泥沙,其空間分布,近岸大于遠(yuǎn)岸、底層大于表層;其時(shí)間分布,洪季高于枯季(圖5)?？菁?河口處濁度的垂向梯度較大,表層的濁度高值區(qū)位于河口東岸(圖5a),推測(cè)為南渡江三角洲東側(cè)廢棄岸段的再懸浮泥沙在潮流和東南季風(fēng)的作用下向西輸運(yùn);前人計(jì)算該岸段的向西年輸沙量約為 73.969m3(陳沈良等,1998)。底層的高值區(qū)位于南渡江東岸和橫溝河岔道入?？谖鱾?cè),濁度值為20 ftu左右(圖5b),河口東岸的泥沙主要來自于東側(cè)廢棄岸段的再懸浮泥沙,而橫溝河岔道入海口西側(cè)的泥沙則主要由在河口底床沉積的入海泥沙在動(dòng)力作用下再懸浮進(jìn)入水體而后再向西輸運(yùn)所致?？傮w來講,在枯季,由南渡江直接入海的泥沙不多,在干流入?？跊]有發(fā)現(xiàn)高濁度區(qū)域,大多是底床的再懸浮泥沙沿岸輸運(yùn),大致保持沿岸向西運(yùn)移的趨勢(shì),而本研究所涉及的兩個(gè)岸段即南渡江干流入?？谝詵|岸段、南渡江干流入?？谝晕髦翙M溝河岔道入?？谖鱾?cè)分別為廢棄侵蝕岸段和泥沙轉(zhuǎn)運(yùn)岸段(李春初等,1997),符合本文的泥沙運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

圖4 枯、洪季節(jié)鹽度的表、底層分布Fig.4 Salinity at the surface and bottom layers in dry and flood seasons

圖5 枯、洪季節(jié)的濁度表、底層分布Fig.5 Turbidity at the surface and bottom layers in dry and flood seasons

洪季的懸浮泥沙分布非常有特點(diǎn),以臺(tái)風(fēng)過后 7天的觀測(cè)結(jié)果為例,水體的濁度值明顯高于枯季,大量的河口沉積物被徑流攜帶入海,泥沙入海后迅速沉積,底層水體的濁度明顯高于表層(圖5c,d),最大值超過60 ftu。入海口含沙量明顯高于其它海域,呈現(xiàn)出典型的河口輸沙入海的特點(diǎn)。此外,泥沙在洪季也表現(xiàn)為向西輸運(yùn)的特征。表層水體易于流動(dòng),已經(jīng)表現(xiàn)出向西運(yùn)動(dòng)的態(tài)勢(shì);而底層水體的泥沙除了徑流攜帶的泥沙入海,還有部分在臺(tái)風(fēng)攪動(dòng)下沒有落淤的再懸浮泥沙,由于底床水體相對(duì)穩(wěn)定性較強(qiáng)、流速較小,還有沒有形成向西運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。

2.2 洪、枯季溫度、鹽度、濁度的斷面分布特征

由于南渡江河口地理位置的原因,溫度、鹽度、濁度不具備其它一般河流河口“夏儲(chǔ)冬輸”的季節(jié)性特征,但具備低緯度、熱帶季風(fēng)氣候控制下的河流特征。為討論溫度、鹽度、濁度在洪、枯季的變化特征,選擇由岸到海不同位置的斷面: 斷面 1(圖6)位于河口以西,正對(duì)南渡江支流分叉入海口;斷面3(圖7)正對(duì)南渡江入?？?斷面5(圖8)位于河口以東。

斷面 1的枯季溫度變化范圍為 20—21°C,洪季溫度的變化范圍為28.3—30°C,明顯低于洪季;但在兩個(gè)季節(jié)溫躍層均不明顯,表、底層的溫度差異在1—2°C,洪季的溫度分布更為平均。由于洪季降雨量較大,故鹽度(約為 31.5)低于枯季(約為 33);鹽度在垂向上差異不大,說明該區(qū)域混合作用很強(qiáng),沒有明顯的水體層化現(xiàn)象。枯季,斷面1的水體較清,雖然呈現(xiàn)由岸到海逐漸降低的趨勢(shì),但總體上濁度值小于5 ftu,表明該岔道入海泥沙量不多;洪季濁度值高于枯季,近岸海域濁度值高于20 ftu,垂向梯度增大,依然表現(xiàn)為向海遞減之趨勢(shì)。

圖6 斷面1溫度、鹽度、濁度枯、洪季分布Fig.6 Temperature,salinity,and turbidity across Section 1 in dry and flood seasons

在潮流、徑流的相互作用下,斷面3的水體混合程度要高于河口西部(斷面 1),洪、枯季溫度均高于西部。枯季,由岸向海溫度呈現(xiàn)降低,而洪季由岸向海則呈現(xiàn)先降低再升高的特征,這是由于河口東部溫度較高的水體隨漲潮流到達(dá)此處?？菁镜柠}度(約33)高于洪季(約31—31.5),兩個(gè)季節(jié)斷面中出現(xiàn)的低鹽區(qū)可能是淡水排放或羽狀流攜帶淡水所致。斷面3的濁度最高,尤其在洪季河口區(qū)超過50 ftu。從斷面分布特征來看,枯季入海泥沙較少,口門底床堆積的泥沙也較少,且顆粒較細(xì)的底床泥沙在動(dòng)力作用下再懸浮進(jìn)入水體,易于在季風(fēng)的作用下向海擴(kuò)散;而在洪季大量的徑流攜沙入海,大部分細(xì)顆粒的泥沙入海后已經(jīng)向瓊州海峽或沿岸輸運(yùn),顆粒較粗的泥沙沉降在口門底床上,大部分泥沙在動(dòng)力作用下進(jìn)入水體后,在底層水體中沿下層水體向外輸運(yùn),細(xì)顆粒的泥沙則進(jìn)入上層水體向外擴(kuò)散。

圖7 斷面3溫度、鹽度、濁度枯、洪季分布Fig.7 Temperature,salinity,and turbidity across Section 3 in dry and flood seasons

與其它斷面相比,斷面5的枯季溫度在近岸最高,向海逐漸降低,且混合較強(qiáng),垂向梯度較小;洪季在表層有一層較薄的高溫水,為潮流攜來的河口東部高溫水?？菁镜柠}度分布非常均勻,由于斷面5所處海域沒有正對(duì)河流入?？?故鹽度高于正對(duì)入?？诘臄嗝?和正對(duì)分叉支流入海口的斷面1;而在洪季此斷面鹽度卻為最低,目前尚無理想的解釋。斷面 5正處于河口東部的侵蝕岸段,故在枯季表現(xiàn)出相對(duì)高的濁度向海擴(kuò)散,且輸運(yùn)范圍較大,而洪季更顯示出明顯的底床泥沙再懸浮,垂向梯度較大,表層水體濁度近于0,而底層水體的濁度可達(dá)20 ftu,表現(xiàn)出一定的侵蝕特性。

3 河口海域水文泥沙與潮流動(dòng)力的響應(yīng)

3.1 潮流

根據(jù)所觀測(cè)的3個(gè)錨系站位連續(xù)25h的實(shí)測(cè)流速資料,通過引入差比關(guān)系,對(duì)垂向平均流速進(jìn)行潮流的準(zhǔn)調(diào)和分析(方國(guó)洪等,1986;吳德安等,2008),獲取3站位的O1,K1,M2,S2這4個(gè)主要分潮潮流調(diào)和常數(shù)(表1)。獲得的潮流調(diào)和常數(shù)列于表1中。南渡江河口海域全日潮流振幅的東、北分量的均大于半日潮流的東、北分量,體現(xiàn)出該海域全日潮流占主要地位,呈現(xiàn)全日潮流的性質(zhì)。對(duì)于O1,K1,M2,S2這4個(gè)主要分潮流,東分量明顯大于北分量,表現(xiàn)出潮流的主流向?yàn)闁|西向。

圖8 斷面5溫度、鹽度、濁度枯季和洪季的分布Fig.8 Temperature,salinity,and turbidity across Section 5 in dry and flood seasons

表1 CL01、CL02、CL03三站潮流調(diào)和常數(shù)Tab.1 Tidal harmonic constants at Stations CL01,CL02,and CL03

為進(jìn)一步分析潮流特征,分別計(jì)算4個(gè)主要分潮的潮流橢圓要素,列于表2中。下面對(duì)計(jì)算所得各站的潮流橢圓要素結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步比較和分析。根據(jù)各分潮潮流振幅(WK1、WO1、WM2),計(jì)算 3測(cè)站的潮流性質(zhì)F=(WK1+WO1)WM2可得到: CL01、CL02和CL03站分別為5.6,2.8和3.6,均大于2,因此該海域?qū)儆诓徽?guī)全日潮流區(qū),3測(cè)站均以全日分潮 K1潮流占優(yōu)。計(jì)算所得三站的M2潮流橢圓率基本為0,說明南渡江河口區(qū)潮流為東西向的往復(fù)流。

3.2 水文泥沙要素與潮流動(dòng)力的響應(yīng)關(guān)系

本文以CL01和CL02站來闡明南渡江口海域水文環(huán)境要素在潮周期內(nèi)的變化特征及其對(duì)潮流動(dòng)力的響應(yīng)(圖9)。

CL01站位于白沙淺灘以東,水深大約 18m,于枯季進(jìn)行觀測(cè)。從溫度的變化過程來看,溫度較高的水體沿表層隨著西向的漲潮流經(jīng)過CL01站,使得該站在整個(gè)漲潮過程中表層水體溫度較高,而后在較大的東向落潮流的驅(qū)動(dòng)下,高溫水迅速東流,因此在落急時(shí)刻后溫度較低。4月份瓊州海峽的東部水體溫度要高于西部,相對(duì)高溫的東部水體隨著漲潮被攜帶至此,而又隨著落潮流流向東部,這也與前面所述的河口海域溫度東高西低的分布特征相吻合。從鹽度的變化過程來看,東部高鹽水在漲潮時(shí)入侵,且垂向

混合較好,最大鹽度出現(xiàn)于漲憩時(shí),而最小鹽度出現(xiàn)在落憩時(shí)。濁度反映了水體中懸浮物的含量,從濁度變化過程來看,濁度與流速變化密切相關(guān)。流速超過一定程度時(shí),可使部分底床泥沙懸浮,增加水體的含沙量;距離底床越近,懸浮作用對(duì)含沙量的影響越明顯,表現(xiàn)為漲急和落急時(shí)含沙量明顯增大,而漲憩和落憩時(shí)含沙量迅速降低,表明一方面再懸浮過程占主導(dǎo),另一方面泥沙的沉降速度較大,在流速降低后迅速落淤。該海域在一個(gè)太陰日內(nèi)發(fā)生一次漲落潮過程,漲潮歷時(shí)14h,落潮歷時(shí)10h,經(jīng)垂向平均的漲潮流速為 0.41m/s,落潮平均流速為 0.52m/s,顯示出漲落潮的不對(duì)稱性。從含沙量的垂向分布來看,底層含沙量明顯高于表層,漲潮時(shí)水體含沙量的垂向梯度明顯小于落潮時(shí)。漲落潮期間的含沙量總體相差不大,運(yùn)動(dòng)形式以當(dāng)?shù)氐状材嗌硲腋?沉降-再懸浮為主。

表2 CL01、CL02、CL03三站潮流橢圓要素Tab.2 Ellipse elements of tidal current at Stations CL01,CL02,and CL03

圖9 CL01和CL02站潮流與溫度、鹽度、濁度之間的響應(yīng)關(guān)系Fig.9 The corresponding relationship between tidal current and temperature,salinity,turbidity at CL01 and L02 stations

CL02站位于橫溝河入?？谝詵|,水深大約12m,于洪季進(jìn)行觀測(cè)。該站的漲潮流速大于落潮流速,漲潮歷時(shí)也大于落潮歷時(shí)。由于該站距離河口較近,受到入海淡水影響較大,溫度的變化規(guī)律不明顯,在整個(gè)漲落潮期間溫度變化不大,在漲潮流平流輸運(yùn)和入海徑流混合作用下,最大值出現(xiàn)在第一個(gè)漲潮期間,最小值出現(xiàn)在落憩時(shí)。鹽度變化具備河口特點(diǎn),在漲潮時(shí)鹽度增大,落潮時(shí)入海徑流沿表層向外海輸運(yùn),并在落憩時(shí)達(dá)到最小值。含沙量的變化過程與CL01站類似,但其垂向梯度要大于CL01站。在瓊州海峽較強(qiáng)潮流的影響下,南渡江河口的環(huán)境因子具有較強(qiáng)的潮汐性變化特點(diǎn)。

4 南渡江河道水文泥沙特征

4.1 枯季南渡江河道斷面水文泥沙特征

利用枯季調(diào)查的河道垂向剖面資料繪制河道斷面圖(圖10)。海南地處亞熱地地區(qū),即使在4月份,陸源效應(yīng)也非常明顯,受其影響,河道水溫呈現(xiàn)由中下游向入海口遞減之趨勢(shì),中游水溫與入?？谙嗖?4°C之多,由于觀測(cè)在漲潮期間進(jìn)行,可以看到河口處低溫水體已經(jīng)向河道入侵。從鹽度的斷面圖可以看到河道內(nèi)出現(xiàn)了明顯的鹽水楔,但是受到中上游徑流的頂托作用,鹽水楔的前緣被強(qiáng)烈壓縮,鋒面處的垂向梯度很大。在河道布設(shè)站位,距離河口15km處的監(jiān)測(cè)斷面鹽度值為 0,而相距最近(3km)的下游站位的鹽度值,從表層到底層變化范圍為 2—11,由此推算南渡江的潮流界線在此兩站之間,也就是距入?？?2—15km處,此結(jié)果與之前的研究(趙軍鵬等,2013)認(rèn)為最大的潮流界為13km相吻合。從溫度的剖面圖也能看到海水對(duì)河流的影響區(qū)域也大體與鹽度一致。濁度的剖面圖展示了南渡江在枯季向海輸沙的情況,在漲潮期間僅有少量泥沙入海,大量泥沙聚集在河流的中游地區(qū): 一是由于中游河道較深,上游的來沙需要在較強(qiáng)的攜沙力的帶動(dòng)下才能向河流的下游輸運(yùn),而在枯季降雨量較小,徑流沒有足夠的流速來攜帶泥沙向海輸運(yùn);二是南渡江是海南省的第一大河,上游建造了多項(xiàng)水壩、水庫(kù)等設(shè)施,也降低徑流的流速;再加上漲潮的消能和鹽水入侵等因素,大部分懸沙由于自重或絮凝作用落淤,沉降在中游河段底床之上。對(duì)于落潮期間的泥沙入海情況還有待于后續(xù)航次的調(diào)查,以期與現(xiàn)在的研究進(jìn)行比對(duì)。

圖10 枯季溫度、鹽度、濁度河道斷面分布圖Fig.10 Temperature,salinity,turbidity,in dry season

4.2 洪季南渡江河道平面水文泥沙特征

圖11是根據(jù)臺(tái)風(fēng)登陸后第七天的落潮期間采集的數(shù)據(jù)繪制,在臺(tái)風(fēng)作用下,河道的表、底層水體進(jìn)行了充分混合,水體垂向差異不大,故此處僅采用平面圖來闡述。此時(shí)仍然有明顯的淡水入海,仍然受陸地?zé)嵩葱?yīng)影響。南渡江中下游溫度較高的水入海后,與漲潮流在河口處混合,并在河口近岸海域形成溫度較高的區(qū)域。對(duì)于鹽度,受臺(tái)風(fēng)洪水的影響,降水迫使潮流界向河口前移,鹽水入侵的強(qiáng)度減弱,上游河道鹽度接近 0,在入?？陂T處,漲潮流攜帶鹽水與淡水混合形成咸淡水鋒面。與枯季相比,臺(tái)風(fēng)帶來降雨引發(fā)的洪水期間,水體湍動(dòng)強(qiáng)烈,徑流較大,大部分的泥沙向口外沖瀉,河道大部分的細(xì)顆粒物質(zhì)被沖刷入海,下游部分推移質(zhì)也以滾動(dòng)或躍移的形式被輸運(yùn)至口門。臺(tái)風(fēng)過后,由于大部分細(xì)顆粒的物質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)被沖刷入海,河道內(nèi)水體的含沙量不高,濁度在20—40 ftu之間,仍然在較大徑流的攜帶下向海輸運(yùn),并在入海口門處形成高值區(qū)。同時(shí)徑流經(jīng)過沿途的底部摩擦入海后流速銳減,泥沙顆粒出現(xiàn)明顯的分選,其中顆粒較粗的物質(zhì)堆積在口門附近,較細(xì)的泥沙則進(jìn)入海域,或進(jìn)入瓊州海峽沿岸向西輸運(yùn)?？梢姳韺铀w的泥沙已經(jīng)運(yùn)移,而底床泥沙在動(dòng)力作用下再懸浮進(jìn)入底層水體,形成含沙濃度較高的水體。

圖11 洪季溫度、鹽度、濁度河道及河口平面分布圖Fig.11 The temperature,salinity,turbidity in flood season

5 討論

5.1 河口海域低鹽區(qū)形成的可能原因

前面章節(jié)已經(jīng)論述過,在洪季和枯季河口東側(cè)入海岔道的外海域水深大約 15m的表層水體存在低鹽區(qū),表現(xiàn)出異常低的鹽度值;同時(shí)底層水體也存在類似低鹽區(qū)但其鹽度值高于表層。在兩個(gè)航次的調(diào)查中均出現(xiàn)這一現(xiàn)象,且位置一致,表明該現(xiàn)象不是觀測(cè)誤差所致。有兩種可能性,一種可能是由于該區(qū)域附近存在淡水排放點(diǎn)或者深海海底排水管道,低鹽水體在海底排放后上升至表層,在潮流的作用下運(yùn)移到該位置;亦有可能是河流淡水進(jìn)入海域后,徑流和海水之間的混合使水體在垂向上產(chǎn)生密度層化．從而擴(kuò)展形成羽狀流,將由河口向外流出的低鹽水輸運(yùn)至此。經(jīng)進(jìn)一步查閱相關(guān)資料,發(fā)現(xiàn)?？谖鬯？谖鬯幚韽S深海排污口位于在橫溝河以東海域,而低鹽區(qū)中心站位的垂向流速為0.55m/s,方向?yàn)?65°,說明在調(diào)查時(shí)刻潮流為西向,應(yīng)該不是該排污口所致。為了進(jìn)一步確認(rèn)在低鹽區(qū)周邊是否存在排污口,對(duì)低鹽區(qū)中心站位 H07站周圍4個(gè)站位的垂向剖面鹽度值進(jìn)行檢查,距離 H07站最近的距離為1.4km,最遠(yuǎn)為4.2km,發(fā)現(xiàn)除了最近岸的H08站表層鹽度略低之外,其它站位的鹽度無明顯的低值。這個(gè)現(xiàn)象至少說明,如果是深海排水管道所致,那該排污口距離H07站的距離應(yīng)該小于4.2km,但目前尚未查明排污口的位置。另外H08站距離橫溝河入?？诖蠹s1.9km,且表層也出現(xiàn)一個(gè)次低值,說明也可能是橫溝河徑流入海后,在河口混合作用下形成羽狀流將淡水輸運(yùn)至此所致,計(jì)算H07和H08站的Richardson數(shù),雖不能直接證明羽狀流輸運(yùn)影響,但可藉此來判定由潮流導(dǎo)致的混合程度,推斷羽狀流影響的可能性。通常以Ri值來衡量水體的穩(wěn)定性;Ri越小,說明湍流運(yùn)動(dòng)逐漸加強(qiáng),層化減弱,混合程度加強(qiáng)。通過圖12發(fā)現(xiàn),這兩站的 Ri值都小于臨界值0.25,潮致混合都較充分,尤其是下層水體;由于距離河口更近,H08站的混合程度高于H07站;H07站的表層低鹽水體恰巧也為 Ri最大值區(qū)域,也證明了羽狀流輸運(yùn)淡水的可能性。但低鹽區(qū)成何目前僅停留在推測(cè)階段,尚無直接證據(jù),期望通過今后的補(bǔ)充航次找到解釋。

圖12 H07、H08站鹽度和Richardson數(shù)垂向剖面圖Fig.12 Profiles of salinity and the Richardson Number in H07 and H08

5.2 臺(tái)風(fēng)“海鷗”過境對(duì)南渡江水沙通量的影響

強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海鷗”9月16日9: 40在海南省文昌市登陸(圖13),中心附近最大風(fēng)力有 13級(jí)(40m/s),當(dāng)日11: 00自?？谑须x開海南。期間大約在10: 20臺(tái)風(fēng)中心橫穿過監(jiān)測(cè)斷面,臺(tái)風(fēng)期間降雨量達(dá)到354mm。

圖13 臺(tái)風(fēng)“海鷗”路徑圖Fig.13 The trajectory of typhoon “Kalmaegi”

整個(gè)監(jiān)測(cè)過程自9月15日15: 00開始,至9月23日10: 00監(jiān)測(cè)結(jié)束,涵蓋了臺(tái)風(fēng)登陸前到臺(tái)風(fēng)的影響消退整個(gè)時(shí)段,共計(jì)約8天。從圖14中可以看到,在9月16日9: 40臺(tái)風(fēng)登陸到當(dāng)日11: 00離開海南島期間(圖14紅框),水位開始上升,徑流量也開始增大,但含沙量和輸沙量上升緩慢,顯示出一定的滯后性;直到9月16日18: 00,輸沙量開始急劇增大,在9月17日15: 00到達(dá)峰值,此時(shí)中游河道水位上漲3.3m,含沙量約為500mg/L,徑流量達(dá)到8000m3/s以上,瞬時(shí)輸沙量為3821kg/s;此后水位緩慢下降,大約5天后,臺(tái)風(fēng)帶來的洪水事件消退。

臺(tái)風(fēng)過境引發(fā)的洪峰過程從9月16日18: 00到18日10: 00(圖14黑框),歷時(shí)約40h。根據(jù)監(jiān)測(cè)斷面獲取的流速、濁度、含沙量及河道斷面面積,估算得出洪峰時(shí)段南渡江入海徑流量、輸沙量及含沙量,并將其與龍?zhí)了恼举Y料進(jìn)行對(duì)比。多年平均的水沙資料顯示,年均徑流量為 182m3/s,年均輸沙量為3.2×105t,年均含沙量為 50mg/L;而計(jì)算得到臺(tái)風(fēng)洪峰期間的徑流量、輸沙量及含沙量分別為6830m3/s、2.3×105t、362mg/L,其中,徑流量和含沙量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過多年平均數(shù)值,而洪峰過程內(nèi)的輸沙量竟然達(dá)到了年均輸沙量的70%以上,可見臺(tái)風(fēng)“海鷗”對(duì)南渡江入海水沙影響之大,同時(shí)也說明南渡江河口地區(qū)具有“臺(tái)風(fēng)季節(jié)”特點(diǎn)。

圖14 臺(tái)風(fēng)期間水位、徑流量、含沙量及輸沙量的變化過程線Fig.14 Elevation,runoff,suspended sediment concentration and sediment discharge during typhoon “Kalmaegi”

此外,河道的濁度與水流速度表現(xiàn)出正相關(guān)(圖15),這里的濁度和流速為儀器直接觀測(cè)的參數(shù)。根據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的臺(tái)風(fēng)前后的降雨量數(shù)據(jù),降雨量在臺(tái)風(fēng)過境前開始增加,9月15日1: 00左右降雨量為2.8mm/h,此時(shí)南渡江河道徑流量也開始增大,河道內(nèi)水量整體上漲,故而在9月16日凌晨濁度下降。隨著臺(tái)風(fēng)迫近海南,降雨量急劇增大,在9月16日10: 00—11: 00降雨量到達(dá)峰值,此后水流速度增大,攜帶上游泥沙的能力也增強(qiáng),從而使得水體濁度增大。另外在較大流速的條件下,河道底床泥沙的再懸浮作用增強(qiáng),大量細(xì)顆粒物質(zhì)進(jìn)入水體,也導(dǎo)致水體濁度增大。9月16日11: 00臺(tái)風(fēng)過境后降雨量迅速減少,而流速和濁度卻表現(xiàn)出滯后性。9月17日0: 00流速達(dá)到峰值,而濁度在9月17日10: 00達(dá)到最大值。在流速到達(dá)峰值后,隨著降雨量的減少或增大,流速出現(xiàn)減小—增大—再減小—再增大的過程,從9月 18日開始流速總體上持續(xù)減小。而水體濁度自峰值后持續(xù)減小,至 9月22日后水體濁度處于穩(wěn)定狀態(tài),在大量的降雨沖淡作用及徑流攜帶大部分底床的細(xì)顆粒泥沙入海的條件下,臺(tái)風(fēng)過后的河道水體濁度低于臺(tái)風(fēng)前。同時(shí),洪水過程導(dǎo)致了水體溫度急降,臺(tái)風(fēng)前約 31°C,在洪水過程中降到了 26°C,洪峰過后緩慢回升到 29°C。這是由于在降雨過程中風(fēng)力較大、氣溫較低、太陽(yáng)輻射減少,同時(shí)大量雨水的注入致使溫度急劇降低;洪峰過后,天氣轉(zhuǎn)晴、輻射增強(qiáng)、氣溫回升,河水溫度緩慢回升。鹽度自然也出現(xiàn)一個(gè)降低—再回升的過程,但該監(jiān)測(cè)斷面位于潮流界以上,基本不受潮汐影響,鹽度基本為0,其變化可以忽略。

圖15 臺(tái)風(fēng)期間水流、濁度、溫度及鹽度的變化Fig.15 Current speed,turbidity,temperature,and salinity during typhoon “Kalmaegi”

6 結(jié)論

(1)南渡江流域?qū)儆跓釒Ъ撅L(fēng)氣候,具有獨(dú)特的臺(tái)風(fēng)季節(jié)特征。洪、枯季節(jié)的水體層化作用不強(qiáng),洪季的水溫高于枯季,鹽度低于枯季。由于亞熱帶地區(qū)的陸源效應(yīng),水溫呈現(xiàn)向海遞減的趨勢(shì),而鹽度整體分布較為均勻。河口水體含沙量近岸大于離岸,底層大于表層?？菁镜暮涌谔帩岫鹊拇瓜蛱荻容^大,但輸沙入海量不多。洪季含沙量明顯高于枯季。

(2)枯季河口三角洲東側(cè)廢棄侵蝕岸段的泥沙在漲潮流和東南季風(fēng)的作用下向西輸運(yùn),主要以底床再懸浮泥沙為主;洪季的河流泥沙入海量遠(yuǎn)大于枯季,大量的泥沙入海后,粗顆粒的物質(zhì)在口門沉積,細(xì)顆粒的泥沙依然沿岸向西輸運(yùn)或向瓊州海峽輸運(yùn),輸運(yùn)的物質(zhì)通量也遠(yuǎn)大于枯季。因此,南渡江河口不具備“夏儲(chǔ)冬輸”的泥沙特征,而是明顯的臺(tái)風(fēng)季節(jié)特征,尤其強(qiáng)臺(tái)風(fēng)帶來的急劇降雨是南渡江河流在“源-匯機(jī)制”中的主要驅(qū)動(dòng)力。

(3)河口海域潮汐類型為不規(guī)則全日潮,潮流為東西向往復(fù)流特。河口溫度、鹽度和濁度均呈現(xiàn)較強(qiáng)的潮汐性特點(diǎn),而濁度的峰值與流速的峰值與潮汐的相關(guān)性更加明顯,本地含沙量主要來自于底床泥沙的再懸浮。

(4)枯季河道內(nèi)存在明顯的鹽水楔,受到中上游徑流的頂托作用鹽水楔的前緣被強(qiáng)烈壓縮,鋒面處的垂向梯度很大,在口門向陸大約12—15km以上的河道水體不再受潮汐影響。河道水溫由中下游向入海口遞減,中游水溫與入?？谙嗖?4°C。漲潮期間僅有少量泥沙入海,大量的泥沙聚集在河流的中游地區(qū)。

(5)臺(tái)風(fēng)期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示入海通量的峰值具有一定的延時(shí)性和瞬時(shí)性,一般在臺(tái)風(fēng)過境大量降水后,入海通量的峰值才會(huì)出現(xiàn),內(nèi)徑流量、輸沙量及含沙量分別為 6830m3/s、2.3×105t、362mg/L,其中徑流量和含沙量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過多年平均數(shù)值,可見臺(tái)風(fēng)對(duì)該地區(qū)的超強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力,充分證實(shí)了“臺(tái)風(fēng)季節(jié)”的特點(diǎn)。此外臺(tái)風(fēng)天氣也使得水溫隨洪峰急劇降低,洪峰后緩慢回升。

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