林若蘭，劉洋，卓文珊，高延康

1. 中山大學地理科學與規(guī)劃學院，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實驗室，廣州 510275

3. 中山大學土木工程學院，珠海 519082

4. 中山大學測試中心，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流和擴散與外界水體發(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)改善的動力。近幾十年來珠江三角洲經(jīng)濟高速發(fā)展為河口水生態(tài)環(huán)境的保護帶來一定的壓力，2000—2009年珠江口海域的赤潮發(fā)生次數(shù)為36次，且年度累計總時間和總面積呈波動上升趨勢[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)長期運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]。然而對于風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由于徑流作用的減弱，珠江口水體交換能力降低，而風對于水體的混合[11]及環(huán)流結(jié)構(gòu)[12-15]具有重要的影響，因此研究風對珠江口水體交換的影響，可為珠江口水體交換和物質(zhì)運輸?shù)挠绊懷芯刻峁┭a充。

目前研究水體交換的方法主要有: 實測指示劑濃度法[16-17]和模型法，模型法包括箱式模型[18]、拉格朗日水質(zhì)點模型[19]和對流擴散模型[20-21]，由于對流擴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三維水動力模型與對流擴散模型結(jié)合，對珠江口伶仃洋水域的水交換和物質(zhì)運輸進行研究。計算不同風向的均勻季風場作用下伶仃洋的余流分布，分析淺灘和深槽的余流對不同風向的響應差異，研究風作用下的水交換能力的變化，為評價水體的環(huán)境承載能力、水生態(tài)環(huán)境的保護等提供理論支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 模型介紹

MIKE3三維水動力模型是在二維水動力的基礎(chǔ)上在垂直方向?qū)λw進行分層，對不同層的水體進行模擬。模型以連續(xù)性方程和水平動量方程為基礎(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提出的一個有效渦粘度來計算次網(wǎng)格下的傳輸過程。水動力學模塊采用交替方向隱式迭代法對動量及質(zhì)量守恒方程進行積分，對其產(chǎn)生的數(shù)學矩陣采用雙精度掃描法進行求解[22]。模型考慮徑流、潮汐、科氏力、密度流、風的作用等。除了水動力模塊以外，應用 Transport模塊計算保守物質(zhì)的運移，同時考慮水體對物質(zhì)的對流和擴散作用，計算水體交換能力。

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，上邊界到達南華、三水、老鴉崗、博羅，下邊界達到河口灣 25米等深線附近(如圖 1)，垂向上按σ坐標劃分了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，部分細窄河道用50—100m 分辨率來達成計算精度與計算效率的平衡。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。計算區(qū)域共生成 33445個三角形網(wǎng)格，21766個網(wǎng)格節(jié)點，由于河口水域存在淺灘，漲潮淹沒，落潮出露，故采用干濕動邊界處理方法。率定參數(shù)及模型驗證時上邊界采用實測逐時流量或水位，下邊界用經(jīng)過校正的全球潮汐預測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)，率定驗證時的風數(shù)據(jù)采用深圳寶安機場同步風速風向數(shù)據(jù)。初始水位對模擬結(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)地形和測站分布Figure 1 Topography and station distribution in the research area

1.3 模型驗證

近幾十年珠江三角洲地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅猛，人類活動劇烈，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日的實測水文數(shù)據(jù)，由同時期的水位-過水斷面關(guān)系和流量數(shù)據(jù)計算斷面平均流速，對水位和斷面平均流速的模擬效果進行驗證，模擬效果如圖2、圖3所示，在此僅列出部分站點的水位、流速模擬效果。

從模擬結(jié)果來看，各站點水位MAD(平均絕對誤差)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，能準確反映研究區(qū)大小潮時期潮位變化。各站點的流速MAD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)潮流運動，模型具有一定可靠性。

圖2 計算水位與實測水位的比較Figure 2 Comparison of computed and observed water levels

圖3 計算流速與實測流速的比較Figure 3 Comparison of computed and observed flow velocities

1.4 試驗設(shè)計

風是河口水體重要的動力因素之一，對表層水體產(chǎn)生順風向的表面剪切應力，使其順風流動，在底部產(chǎn)生反向的補償流，促進河口地區(qū)垂向環(huán)流的發(fā)展，使水體垂向混合。倪培桐[23]研究表明強東北風可使河口區(qū)垂向渦動耗散項能耗增大1—2倍，改變水體垂向結(jié)構(gòu)。珠江口冬季的常風向為北風、東北風，東風也較為常見，而根據(jù)上川島氣象資料冬季風的平均風速為 4.9 m·s-1[23]，風速整體較小，故在模擬試驗中，水動力模塊選取5 m·s-1的北向、東北向、東向均勻季風場作為風動力條件，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，模型運行90天。為分析風對伶仃洋的水體交換的影響，設(shè)置 Transport模塊，同時考慮對流和擴散作用，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，計算在徑流、潮汐、風等動力作用下的水體交換能力。

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

式(1)中，Tr為水體的平均存留時間，C(t)為t時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，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)定后各風況下潮流場的周期平均來分析枯水期伶仃洋的歐拉余流。

對無風時小潮和大潮時表底層余流進行分析(如圖 4)，小潮時潮汐動力相對較弱，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，方向為南向或東南向，在經(jīng)過大濠島以西時受地形和科氏力影響，底層余流方向逐漸偏西。大潮時余流總體與小潮時相似，但由于大潮時混合作用增強，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，在北風作用下深槽區(qū)底層余流上溯增強，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 1.8 cm·s-1、0.4 cm·s-1、1.1 cm·s-1；在東北風作用下深槽區(qū)同樣增強底層上溯余流，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3.4 cm·s-1、0.4 cm·s-1，中灘余流變化不大；在東風作用下深槽的變化與北風、東北風相反，表現(xiàn)為深槽余流的下泄增強，西槽增強0.3 cm·s-1、東槽余流有微弱的增強，西灘的下泄余流增強 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，對于深槽區(qū)，北風、東北風促進垂向環(huán)流使深槽底層的余流上溯增強，垂向平均余流減弱，且北風影響大于東北風，東風則抑制垂向環(huán)流使深槽的下泄余流增強。對于淺灘，東北風、北風使 “三灘”余流增強，由于東灘、中灘的余流以東南向為主，東風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為主，東風使該處余流增強，方向偏向西南。在北風、東北風或東風的作用下，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，與無風時相比，在風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 1.0 cm·s-1、0.2 cm·s-1、0.5 cm·s-1；東北風作用下余流變化規(guī)律與北風相似，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0.9 cm·s-1，中灘和東灘余流強度幾乎不變；在東風作用下西槽、東槽的下泄余流都增強 0.1 cm·s-1，而西灘余流增強 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，大潮和小潮時期風對伶仃洋余流的影響規(guī)律相同，但大潮時風作用下的余流變化比小潮時小。

圖4 無風時小潮和大潮時表底層的余流Figure 4 Residual currents in surface and bottom waters at neap and spring tides under no wind condition

圖5 各風況下小潮時垂向平均余流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間Tr。統(tǒng)計伶仃洋空間上的Tr，結(jié)果如圖6所示。從空間變化來看，枯水期無風時，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，因此水體停留時間較短；而靠近外海處由于水面逐漸寬闊，在潮汐的作用下水體擴散快，因此靠近外海Tr減?。簧钲跒秤捎诔拾敕忾]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，這在一定程度上導致深圳灣海水富營養(yǎng)化程度很高、赤潮發(fā)生頻繁。

與無風時相比，在北風、東北風作用下伶仃洋的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，可能與風促進深槽區(qū)垂向環(huán)流有關(guān)。在東風作用下，Tr等值線形狀變化不大。北風、東北風和東風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 各風況下垂向平均水體存留時間的空間分布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。整個伶仃洋的Tr在無風條件下為37.9天，北風、東北風、東風作用下Tr變化1.7%、-4.5%、-6.0%，表明東北風、東風整體上促進伶仃洋水體交換，使水體Tr變小，而北風則使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。內(nèi)伶仃洋在北風、東北風、東風作用下Tr變化10.0%、5.7%、0.1%，北風、東北風使Tr增大，水體交換能力減弱，可能與北風、東北風促進垂向環(huán)流有關(guān)，使保守物質(zhì)向外伶仃洋擴散減弱，東風作用下內(nèi)伶仃洋Tr變化不大。而外伶仃洋在北風、東北風、東風作用下Tr均減小，分別為-5.8%、-13.5%、-11.6%，各風向都促進外伶仃洋水體交換。

3 討論

對伶仃洋深槽區(qū)小潮時表底層余流方向相反，表層向海，底層向陸，而大潮時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。這是由于大潮時混合作用增強，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風時內(nèi)伶仃洋的Tr計算結(jié)果與裴木鳳[3]的結(jié)果相近，而外伶仃洋的Tr相差較大，與外伶仃洋的計算范圍及動力條件不同(風條件、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)實際統(tǒng)計數(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間的空間分布結(jié)果相符，水體平均停留時間越長，水交換能力越弱，赤潮發(fā)生次數(shù)越多。

本文只考慮較長期的季平均風的影響，對于短期異常大風沒有進行試驗研究。另外波浪的影響也需要進一步的研究，今后的研究可增加波浪模塊，考慮波浪與潮流的作用產(chǎn)生的近岸流對水域的水體交換和物質(zhì)運輸?shù)挠绊憽?/p>

4 結(jié)論

基于 MIKE3模型對東四口門及鄰近海域的水動力特性進行模擬，計算在風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)伶仃洋大小潮時期的深槽余流明顯不同，小潮時深槽區(qū)的表底層余流相反，存在較強垂向環(huán)流，大潮時不明顯。

(2)小潮時，北風使深槽區(qū)的垂向環(huán)流增強，垂向平均下泄余流減弱，使淺灘的下泄余流增強。東北風的影響與北風相似，但對西灘、東灘和中灘影響程度不同。東風抑制垂向環(huán)流使深槽的下泄余流增強，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。大潮時深槽和淺灘對風的響應規(guī)律與小潮時相同，但小潮時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)。枯水期在無風條件下伶仃洋整體Tr為 37.9天，徑流的沖刷作用對水體交換影響較大，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、東北風的作用下，Tr等值線的變化呈現(xiàn)灘槽差異，在淺灘向南移動，在深槽向北移動，這與風增強深槽區(qū)的垂向余環(huán)流有關(guān)。內(nèi)、外伶仃洋對風的響應不同，北風、東北風使內(nèi)伶仃洋Tr增大，東風影響不大；而北風、東北風、東風都使外伶仃洋的Tr減小，其中東北風的影響最大，5 m·s-1的東北風使Tr降低13.5%。