（物理海洋学专业论文）珠江口海域潮汐混合锋面形成机制数值模拟研究.pdf

珠江口海域潮汐混合锋面形成机制数值模拟研究 专业：物理海洋学 硕士生：张恒 指导老师：李适宇教授 摘要 海洋锋面因其强度不同时会有阻止或促进物质跨越锋面输运的特性，而这一 特性对污染物的扩散及泥沙的输运有重要的影响，所以在近年来备受人们的关 注。本文试图通过数值模拟方法揭示珠江口海域的水动力、地形、盐度及各物理 参数的变化特征及它们共同作用下对锋面形成的影响，从而探讨珠江口海域锋面 形成的机制。 依据1 9 9 9 年7 月在珠江口海域的实测水文资料，采用e c o m s e d 三维水动 力数学模型，计算出这一海域的流场和盐度场。零流速线和零流速面分别是锋面 在2 d 和3 d 结构上的的特征，本文通过对珠江口海域零流速线、零流速面及最 大盐度梯度值的分析，揭示了珠江口海域锋面形成的原因及其特征：零流速线及 零流速面出现的地方就是潮汐混合锋面出现的地方，由洪湾水道喷出的淡水以及 涨潮时外海海水对下泄径流运动方向的改变所形成的河口湾环流及东西槽之间 在大濠岛岸线边界作用下所形成的河口湾环流是形成伶仃洋海域潮汐混合锋面 的主要原因。而且，由于伶仃洋复杂的水下地以及科氏力的影响，伶仃洋内的水 流并不是简单的往复流，所以在潮汐混合锋面上，两边的速度并不是单纯的辐散 或者辐合，而是既有辐散、又有辐合，锋面的表面2 d 结构也因此而变得复杂。 伶仃洋海区出现的锋面的3 d 结构主要有零流面底端靠近水底和靠近水面两种情 况。在小潮时，无论是涨潮还是落潮，锋面的底端由于有沿深槽盐水的项托，较 为接近水面；而在大潮时，特别是在大潮的落潮时，由于断面上主要为径流所占 据，所以锋面的底端也较为靠近水底。 关键词：珠江口，水动力数值模拟，零流速线，零流速面，潮汐混合锋面 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ef o r m a t i o nm e g a n i s mo ft i d a l m i x i n g f r o n t si nt h ep e a r lr i v e r e s t u a r y m a j o r ：p h y s i c a lo c e a n o l o g y n a m e ：z h a n gh e n g s u p e r v i s o r ：p r o f l is h iy u t h eo c e a nf r o n tw i l li m p r o v eo rw e a l 【e nt h es u b s t a n c e st r a p s f r o n tt r a n s p o r t a t i o n w h e nt h ei n t e n s i t yo ft h ef r o n tw a sr e i n f o r c e do ri m p a i r e d a n da l lt h i sc h a r a c t e ro f f r o n th a di m p o r t a n tc o n n e c t i o nw i t ht h et r a n s p o r t a t i o no fp o l l u t a n t sa n ds e d i m e n t s ， t h i sl n a k ei tc a t c hg r e a ta t t e n t i o nf r o mt h es c i e n t i s t s 眦p a p e rt r yt or e v e a lt h e t r a n s f o r m a t i o na n dt h ei n t e r a c t i o no fh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r , u n d e r w a t e r t o p o g r a p h y , s a l i n i t ya n do t h e rp h y s i c a lp a r a m e t e rd i s t r i b u t i o ni nt h ep e a r lr i v e re s t u a r y , t h e n d i s c u s s i o nt h ei n f l u e n c eo ft h e s ef a c t o r so nt h ef o r m a t i o no ft h et i d a lf r o n t a c c o r d i n gt o f i e l dd a t ao ff l o wv e l o c i t y , t i d a ll e v e la n ds a l i n i t yd i s t n b u t i o n c o l l e c t e di nj u l y l - 3 11 9 9 9 w i t ht h ea i do ft h r e e - d i m e n s i o h a ld y n a m i cm a t h e m a t i c a l m o d e i ( e c o m s e d ) ，t h ef l o wf i e l da n dt h es a l i n i t yf i e l dw e r ec o m p u t e do u ti nt h es e a a r e a 0v e l o c i t yl i n ea n d0v e l o c i t ya r e aw e r er e s p e c t i v e l yt h e2 da n d3 dc h a r a c t e ro f t h ef r o n t s t r u c t u r e b yt h ea n a l y s i so ft h e s e t h r e ec h a r a c t e r s , t h ec h a r a c t e ra n d f o r m a t i o no ft i d a lf r o n ti np e a r ld e l t ae s t u a r yi sr e v e a l e d w h e r et h e0v e l o c i t yl i n e a p p e a ri sj u s tt h ep l a c ew h i c ht h et i d a lm i x i n gf r o n ta p p e a r 田圮t i d a lf r o n tw a sc a u s e d b yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ne s t u a r yc i r c u l a t i o nw h i c hc r e a t e db yw a t e rf l o wf r o m h o n g w a na q u e d u c t ，h u m a n ，j i a o m e n ，h e n g m e n a n d h o n g q i m e n , u n d e r w a t e r t o p o g r a p h ya n dt h ec o a s t a ll i n e b e c a u s et h ef l o wi nt h el i n g d i n g y a n gi sn o tj u s t s i m p l ye b ba n df l o wi no n ed i r e c t i o n ，s ot h es u r f a c ef r o n ts t r u c t u r ei s n o ti u s t d i v e r g e n c eo rc o n v e r g e n c e b u tb o t hc o n v e r g e n c ea n dd i v e r g e n c e t h cb o t t o mo ft h e f r o n tw i l lc l o s e rt ot h es u r f a c eo ft h es e aw h e ni nn e a pt i d ep e r i o df o rt h es t r o n g e rs a l t w a t c ri n v 弱i o nt h a ni nt h es p r i n gt i d e k e yw o r d s ：p e a r lr i v e re s t u a r y 、d y n a m i cm a t h e m a t i c a lf o r m a t i o n 、0v e l o c i t yl i n e 、 0v e l o c i t yf a c e 、t i d a lm i x i n gf r o n t 第1 章概述 1 1 研究的目的和意义 第1 章概述 河口区普遍地形复杂，普遍受到河流与海洋双重因素的影响，内含潮汐涨落、 锋面形成和消亡、水体层化、密度环流、泥沙输运沉积与污染物扩散转化以及生 物生长繁殖等过程，这些过程都具有明显的三维空间上的差异，另外，在时间上 也有明显的变化，如季节变化。 在上述这些过程中，锋面的形成和消亡及水体层化现象无疑对泥沙输运沉积 及污染物扩散转化、水生生物生长繁殖过程有很直接的影响。在泥沙输运和沉积 的机制方面，与泥沙的输运沉积作用关系最密切的就是河口锋和悬沙锋了。除了 我们经常所接触到的有关河口区射流对其输运以及由于海水盐度的絮凝作用及 水下地形的变化所引起的泥沙沉积作用外，跨锋面泥沙的输运机制和锋面两边泥 沙密度的差异所引起的各种不同效应对泥沙沉积作用的影响也是很显著的。河口 锋的发育也促成了河口最大混浊带的发育，在河口锋的内侧形成了含沙量明显高 于外侧的最大混浊带，并随着河口锋的移动上下移动，河口锋及其派生的河口锋 区环流、细颗粒泥沙絮凝沉积和河口最大混浊带，加剧了锋面活动区泥沙的淤积， 形成了碍航的河口拦门沙。在悬沙锋方面，由于河口是盐淡水混合地带，口门附 近的悬沙锋面是河口水和冲淡水的接触带，所以锋面是两种水体的辐合带，出现 垂直涡流，促使水中的悬浮体( 在这里悬浮体指的是水体中的泥沙、浮游植物、 浮游动物等物质) 沉降；同时，在其接触界面上絮凝作用造成细颗粒物质絮凝和 聚集，导致地球化学和生物化学沉积，因此悬沙锋的消长对悬浮体起着过滤的效 应。另外，水体层化作用对泥沙的沉积和输运作用的影响也是十分显著的。水 体层化作用的生消对泥沙分布的影响最常见的就是在河口区浅滩和深槽区由于 垂直混合作用和层化作用而出现的表底分布差异“1 。总之，锋面效应对于水下三 角洲的形成、河口区出海航道以及滩槽的泥沙交换与冲刷有十分重要的影响。 在污染物的扩散转化和浮游植物和浮游动物的生长繁殖方面，春季浮游植物 的快速增长以及我们经常所接触到的赤潮频繁爆发和水体底层季节性缺氧都有 第1 章概述 直接的联系k 3 | 0 水体底层季节性缺氧主要是因为夏季水体分层明显，底层消耗的 氧没有得到及时的补充，所以氧含量明显贫缺。冬季由于海水的垂直对流和涡动 混合作用占优势，氧含量分布均匀。而在春季浮游植物的快速生长，是因为在春 季，海表面的加热使混合层深度变浅，在多数情况下混合层深度接近或浅于真光 层。混合层变浅导致了浮游植物生物量将出现迅速增长的趋势。至于在河口区内 各种海洋锋面中各种营养物质的跨锋面交换、初级生产力在锋面附近由于锋面两 边盐度、水温、密度、悬沙浓度的不同而不同以及阻止生物量跨锋面输送而出现 高值的问题“1 ，上述的这些现象都影响着河口区的初级生产力变化，与河口区生 态环境息息相关。 基于以上的原因，本论文所模拟出来的锋面和水体层化现象的生消过程及其 发生的部位对航道工程疏浚、冲淤和沿海的水产养殖和近海排污工程等与国计民 生密切相关的方面有重要的指导意义。 1 2 河口海洋锋面研究动态 1 2 1 锋面 自7 0 年代以来，海洋锋作为一个新兴的学科越来越引起国内外学者的兴趣 和广泛的研究，并取得一系列的重要成果。但在初期，研究的范围主要集中在大 陆架浅海区域，对两侧受固体约束的河口区，因受径潮流相互作用产生的盐水入 侵锋的研究，一直都比较少，但是在9 0 年代中后期以后对河口区锋面的研究越 来越受到大广大学者的重视“1 。 海洋锋面是指物理、化学等特征明显不同的两种或几种水体之间的狭窄过渡 带“1 。众所周知，河口区域往往存在着河水和海水交界的锋面，河口锋面由于本 身的动力学特征，在河口的物质输送、沉积、水文、生态等海洋过程中起着重要 作用，近年来日益受到人们的关注。目前国内外习惯于把海洋锋面分为四大类， 即低盐锋面、潮汐混合锋面、斜坡锋面和上升流锋面，而在河口区，最常见和 研究最多的就是低盐锋面和潮汐混合锋面。在这里，低盐锋面指的是由于河口冲 淡水在陆架近岸产生的低盐水与高盐海水之间的急剧过渡带：潮汐混合锋面是由 2 第1 章概述 潮汐混合所产生的温度盐度或密度过渡带”1 。 在国外，s i m p s o n , h u n t e r 两人在1 9 7 4 年的n a t u r e 杂志上发表的f r o n t si nt h e i r i s h s e a 被普遍认为是河口锋面研究中的经典之作7 ，也是河口锋面系统研究的 开端。 在沿岸河口湾水域，锋面的形成常常取决于潮动力混合和浮力输入之间的 能量平衡关系，这类锋面被称为潮汐混合锋。近二十年来，在潮锋理论方面的研 究已取得了很大的进展。一般地，形成和维持沿岸密度梯度场的浮力输入可来自 表面加热、蒸发或淡水径流的作用，当由此而弓l 起的位能改变与潮混合所产生的 动能输入相平衡时，便会形成所谓的潮生锋面。基于能量平衡的观点，s i m p s o n 和h u n t e r 首先在浅陆架海域，以海面加热作为浮力输入的主要来源时，导出了 锋面形成的h u 3 判据”1 ，而n u n e s 等提出的h u 判据则揭示了一般河口湾中以 径流或淡水蒸发作为浮力输入的主要来源时盐度锋的形成条件“1 。当同时考虑 海面加热和径流效应时，w a n g n 应用水动力学基本方程和第一热力学基本方程 1 ，并耦合湍流能量方程，导出了一般情形下浅海湾潮锋形成的判据。 随后，自八十年代美国的舒贝尔提出河口过滤效应后，对河口区域的锋面现 象的研究不断深入。r j g i b b s 对亚马逊河口羽锋的研究“”，r k i r b y 对萨纹河口 悬沙锋的分析研究1 “，都丰富和发展了河口物理海洋学的内容。另外，在七十 年代和八十年代交接时期，国外也出版了不少与近海海洋环流及近岸咸淡水混合 有关的专著( 其中就包括不少对锋面现象的研究) ，如g t c s a n a d y 的c i r c u l a t i o n i nt h ec o a s t a lo c e a n “2 1 和f i s h e r 等人的m i x i n gi ni n l a n da n dc o a s t a lw a t e r “”，特 别是后者的书，对八十年代中国国内同类题材的教科书影响深远。 尽管早期的锋面研究以建立简单的模式为主，但随着数值模拟技术的快速发 展，国外的学者很快便把数学模型应用于锋面的研究。同时，国外学者也把更多 的注意力投向了水动力特征比近海更复杂的河口湾地区。在这方面，国外比较突 出的有威尔士大学应用海洋科学中心s pn e i u ( 2 0 0 3 ) “等人应用数学模型和 实测数据对苏格兰的t a y 河口所进行的河口锋的研究：麻省大学海洋科学中心陈 长胜教授等人运用e c o m 模式( 2 0 0 1 ) n 5 1 及f v c o m ( 非结构有限体积数学模型) “” 对美国缅因湾对开的佐治亚滩有关锋面方面的数值研究。 在国内的研究方面，国内的学者对海洋锋面方面的研究取得了不少成绩，但 3 第1 章概述 也存在不少问题。在国内对锋面研究最多的区域是长江口。在其中，上海华东师 范大学河口海岸研究所胡方西教授和他的同事做了大量的工作如”1 。早在 1 9 7 9 1 9 8 2 年，中美两国海洋学家进行的东海陆架沉积动力过程联合调查中就指 出了长江口羽状锋的存在和分布区域“”；1 9 8 8 年8 月到1 9 8 9 年8 月，中国主要 河口沉积动力过程研究及其应用基金项目之一的“河口锋的研究”课题组在长 江口进行了三次综合调查，这三次调查使国内学者大大加深了对长江口锋面生消 过程的理解“”。除此之外，华东师范大学河口海岸研究所曹沛奎、严肃庄对长 江口悬沙锋及其对物质输移影响的研究算得上是国内比较早的将锋面的动力研 究与水下三角洲的变化联系在一起研究的代表n ”。再加上华东师范大学杨蕉文 等人对长江口羽状锋区浮游植物的生态研究。1 。在近两年，还有华东师范大学 的朱建荣等人在数值模拟和实际观测中的分析总结n 乜”。除长江口外，还有苏 纪兰、王康缮对杭州湾锋面结构的研究”3 “，国家海洋局第二海洋研究所陈伟 ( 1 9 9 8 ) 运用理想地形的简单模式对象山港盐度锋面及其动力成因的分析2 ”， 国家海洋局第三海洋研究所温生辉等人( 1 9 9 9 ) 运用二维海洋模型对厦门港退潮 锋面的研究2 等等。 相比之下，有关珠江口锋面研究的文章，就比较少了。早期的研究只有一些 有关伶仃洋海域盐水入侵及咸淡水混合特征的文章。比较系统的工作有中山大学 河口海岸研究所应秩甫、陈世光的珠江口伶仃洋咸淡水混合特征( 1 9 8 3 海洋 学报) “”。期间，徐君亮，李永兴，陈天富等人就伶仃洋的盐水入侵及盐水楔 的活动规律展开了研究伽1 ，中山大学的李春初就高盐陆架水入侵我国河1 ：3 的概 况进行了总体的概括“”。其后，在1 9 9 4 年，应秩甫根据实测数据对伶仃洋锋的 的分类及其对泥沙沉积的影响进行了讨论“1 。 综上所述，国内对海洋锋面的研究存在如下几个问题：1 、研究地点有局限。 到目前为止，国内对于河口锋面的研究主要集中在长江口，其次是厦门地区和杭 州湾。而对于珠江口来讲，是比较少的，对于像珠江口这么一个社会经济发达、 人口众多、对海洋资源开发程度相对较高的河口地区来讲，对锋面的研究是很不 够的。2 、在研究手段方面有所局限。目前国内对于海洋锋面的研究，以长江口 为例，主要以对实测数据的分析为主。而缺少运用有效的数学模型进行的研究。 其中，虽然有像国家海洋局第二海洋研究所的陈伟以及国家海洋局第三海洋研究 4 第1 章概述 所的温生辉等分别运用理想地形的河口动力二维响应模式和二维的海洋模型进 行研究，但二维模型的不足在于无法体现出锋面结构的垂向特征。3 、在与河口 最常见的泥沙沉积和生态动力过程联系起来进行研究时，缺乏运用数学模型进行 定量讨论。 1 2 2 水体层化效应 目前国内外对水体层化效应的研究主要分为三类，分别是温跃层，混合层， 和盐度分层( 也可称为密度跃层) 。 在国外，对混合层的研究很早以前就开始了。长期以来，海洋生态动力学研 究中一个令人感兴趣的问题是解释海洋近表层内浮游植物在春季迅速生长的机 理。早年的一些学者认为这是由于春季太阳辐射能量成倍增强所导致的光合作用 增加的结果( a t k i n ，1 9 2 8 ) ”“，但这一推理很快就被直接观测到的事实所推翻。 观测发现在一些海域中无论春夏秋冬，太阳辐射的能量都能满足最佳光合作用所 需要的光强，但浮游植物的迅速生长仅出在春季( m a r s h a l l 和0 r r ，1 9 2 8 ) 。观测 也发现在温带海洋内浮游植物初级生产力的大小与温度的垂直层化稳定度直接 相关。在秋、冬两季，海表面大气冷却和强风频繁地出现导致了混合层深度远大 于真光层的深度，在自身下沉速度和湍流混合的作用下，这些浮游植物无法在光 合作用较佳的真光层内聚集，其中相当大的部分沉至缺少光强的混合层底部并在 那里停留到春季。在春季，海表面的加热使混合层深度变浅，在多数情况下混合 层深度接近或浅于真光层。混合层变浅导致了浮游植物生物量将出现迅速增长的 趋势( g r a n 和b r a a r u d ，1 9 3 5 3 妇：m i l l s ，1 9 8 9 ；r i l e y ，1 9 4 2 ，1 9 4 9 “”“”) 。这些 从直接观测中获得的定性认识在1 9 5 3 年被海洋学家s v e r d r u p 上升到理论高度，由 此产生了海洋生物学中著名的s v e r d r u p 理论“1 。 之后，随着数值模拟技术的迅速发展，开始利用数学模型对水体层化结构进 行模拟。近年来，在水体层化现象的数值模拟方面也有不少研究令人瞩目，如德 国汉堡大学的c o r r i n as c h r u m ：乖 j 用汉堡三维水动力模型对德国的w r i g h tb a y , 昕进 行的盐度高度成层和潮汐混合锋不稳定性的模拟研究及水体不稳定性与水体层 化现象之间的关系“”；英国伯肯黑德的b i d s i o n 观测中心的p m u d m a n 海洋实验室 第1 章概述 的j i u x i r l gr d n g 和a l a nm d a v i e s 利用三维模型对爱尔兰海的浅海区域水体层化 现象的研究“1 ；还有美国麻省大学海洋研究中心陈长胜和b e a r d s l e yr f r a n k spj s ，利用e c o m 模式对佐治亚滩在日同太阳辐射强度变化的情况下对水体层化作 用影响的研究“1 。 国内目前在水体层化方面的研究应该说在一定程度上还是跟住了国际潮流 的。但目前国内水体层化方面的数值模拟研究主要都集中在陆架海区域，在河口 区的较少。如在混合层方面，有青岛海洋大学刘秦玉、孙即霖、贾旭晶对春季南 海南部混合层的数值模拟“”，中国科学院刘克修、赵保仁对黄海垂直分布溶解 氧研究时所涉及到的对黄海温跃层的模拟“1 1 等等：而在温跃层方面，有青岛海 洋大学物理海洋实验室的张晨等人的黄、渤海温跃层的三维数值模拟“”。另外 香港科技大学利用“海监7 4 ”于1 9 9 9 年7 月在珠江口监测结果做了一系列的数据 分析，结果显示在珠江口海域的夏季有温跃层的存在“”。 综上所述，目前国内对于水体层化现象的研究，无论是在实测数据分析，还 是数值模拟方面，对黄渤海海域研究的较多。在珠江口海区这种小面积海域对水 体层化现象的研究，无论是实测数据的分析还是数值模拟方面都是比较少的。 1 3 主要研究方法 珠江口海域海洋锋面的产生主要是各种外部动力因素，包括地形演变( 在这 其中又分为水下地形和岸界) 、八大口门入海径流量的变化、气象因素( 如风力、 气温) 的变化等作用下的结果，前人也对这些因素做了大量的研究。本文主要借 助e c o m s e d 三维海洋模型，利用中山大学近岸海洋科学研究中心和香港科技 大学1 9 9 9 年7 月在国家8 6 3 计划资助下得到的出海监测数据，对1 9 9 9 年7 月珠 江口海域的水动力场和盐度场进行模拟再现，模拟得出的数据经过与出海实测资 料进行验证后，对模拟的数据进行分析，总结在锋面处的水动力特性和跨越锋面 的物质输送规律。 ( 1l 利用e c o m s e d3 d 水动力模型对1 9 9 9 年7 月珠江口海域的流场进行模 拟，并以实测资料进行验证，分析珠江口海域的水动力特性。 ( 2 ) 根据上述求得的流场资料和实测数据，用所得出的垂向涡动粘性系数 6 第1 章概述 ( k i n ) 和垂向分子扩散系数( k h ) 对锋面的流场结构进行分析。 ( 3 ) 盐度分层作用( 稳定) 和锋面物质输送作用( 不稳定) 的区别比较，在这 里将引入拉格朗日示踪粒子对这两种作用进行分析。 ( 4 ) 锋面随大潮、小潮和在一个潮周期内涨潮、退潮所发生的各种变化及其周 期性摆动，以及影响这种摆动的机理。 7 第2 章珠江河口动力及地形特征 第2 章珠江河口动力及地形特征 珠江口河口区东到香港，西至上川岛内，北至各分流河口，南至淡水所及海 域，总面积约1 万平方公里。珠江口位于中国广东省南部，东到香港，西至上川 岛内，北至各分流河口，南至淡水所及海域，总面积约1 万平方公里，是中国著 名三大河流中珠江的出海口，是中国南方最大的河口。珠江水系主要干流西江、 北江和东江的淡水径流途经珠江三角洲经济发展区，汇合后经由虎门、蕉门、洪 奇门、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门和崖f 3 a 大口门分流进入珠江口。其中， 虎门、焦门、洪奇门和横门的淡水径流进入伶仃洋水域，磨刀门的淡水径流进入 磨刀门水域，鸡啼门的淡水径流进入鸡啼门水域，虎跳门和崖门的淡水径流进入 黄茅海水域。珠江口水域面积广阔，岛屿众多，生态环境独具特色。珠江口属南 亚热带海洋性季风气候区，水熟条件好，自然资源丰富，历史文化源远流长。珠 江口在形成和发展过程中，衍生出各种可供利用的资源。珠江口海底地势和缓， 土地资源、滩涂资源、渔业资源、港口航道资源、人文和自然景观资源丰富。珠 江口沿岸城市人口集中，经济高度发达，伶仃洋湾口两翼毗连港澳地区，是海外 交通、贸易和海防的要地，是中国与世界各国交往的南大门地理位置极其重要。 珠江口的生态环境关系到珠江三角洲和港澳地区未来经济的发展和社会建设目 标的实现。 2 1 地貌特征 珠江河口区中部自伶仃洋西北侧至黄茅海东侧，计有蕉门、洪奇沥、横门、 磨刀门、鸡啼门和虎跳门六大分流河口( 见图2 - 1 ) 。这些河口的共同特点是以径 流作用为主，潮汐作用较弱( 在磨刀门还会受到一定程序的波浪作用) 。河口多 心滩、天然堤和弓形拦门浅滩发育，口门汉道水深很浅( 2 至3 米) 。而珠江河 口区韵东西两侧的虎门和崖门是以潮流作用为主的河口，径流作用较弱，河口主 槽水深可达1 0 米以上。泥沙堆积主要出现在口门之外的河口湾中部( 伶仃洋和 黄茅海) 。 8 第2 章珠江河口动力及地形特征 2 3 4 2 3 2 2 2 8 2 2 6 2 2 4 2 1 8 2 1 6 1 1 2 61 1 2 8”31 3 2 1 1 3 4 1 1 3 61 1 3 81 1 4 图2 1 珠江口地理位置分布图 伶仃洋自虎门口向南发育了两条潮流深槽( 水深5 至1 0 米) ，也就是矾石 水道和伶仃水道，水道两侧有东、中、西三大纵向浅滩，其中东、中二滩形态较 完整，西部浅滩因受蕉门，洪奇沥和横门分汉水道切割，呈指状向东南延伸。 磨刀门区域地形极不规则，自自藤堵海后，泥湾门被封闭，目前上游径流 和来沙仅从磨刀门注入湾内。湾外则有大小横琴、横洲、三灶等岛屿罗列，使河 口湾通过主槽、马骝洲水道、龙屎窟口门和大门与海相通，目前主槽水深5 至 9 第2 章珠江河口动力及地形特征 1 0 米。其南段( 大横琴岛西南部) 发育了一巨型水深仅1 至2 米的弓形拦门沙 坝。主槽以西为鹤洲、高杯沙纵向浅滩( 水下天然堤) ；再西为龙屎窟潮流深槽 和白藤浅滩。 黄茅海湾内，自崖门向南发育了条水深7 至1 0 米潮流深槽，其他区域多 属水深小于5 米的浅滩。在赤溪和南水岛之间水深仅2 到3 米，为拦门浅滩所在。 各河口湾外均为浅滩斜坡区，水深1 5 至3 0 米。 2 2 珠江河口的动力环境 2 2 1 径流特征 1 、径流量大 珠江三角洲地处低纬、属南亚热带季风气候区，全年受季风控制。雨量丰富， 且有雨季与旱季之分。降水与地表径流之间存在因果关系：雨季与洪水期、旱季 与枯水期相对应。珠江流域的多年平均降水量为1 4 7 0 r a m ，雨季主要集中在4 至 9 月，旱季为1 0 月至来年3 月。 珠江三角洲网河区年均承泄西江、北江、东江的径流量3 0 0 4 x 1 0 8 m 3 。它在 全国七大江河中仅次于长江( 9 7 9 4 x l o 肌3 ) ，是黄河( 5 7 5 1 0 s m 3 ) 的5 7 倍。 据1 9 5 9 到1 9 8 1 年资料统计，西江马口站的年径流量为2 3 8 0 x1 0 8 m 3 ，占入海河 川总径流量的7 3 ；北江三水站为3 9 5 x 1 0 8 m 3 ，占1 2 1 ：东江博罗站为 2 2 9 x 1 0 8 m 3 ，占7 0 ；三角洲及诸小河的径流量为2 5 6 x 1 0 8 用3 ，占7 9 1 4 4 1 。 2 、季节变化显著 受流域降水条件的制约，径流量与输沙量的年内分配极不均匀，也就是说季 节变化十分显著。珠江各水系径流量7 5 以上集中在4 至9 月的汛期，其中谣江 1 0 第2 章珠江河口动力及地形特征 马口站占7 7 7 、北江三水站占8 8 8 、东江博罗站占7 4 3 、增江麒麟咀站占 8 3 3 、流溪河牛心岭站占8 4 。而汛期又集中在6 至8 这三个月，如蔼江马口 站6 到8 月的径流量占全年的4 7 9 ，北江三水站竟占5 9 9 。每年l o 月到来 年的3 月枯水期，各水系的累加径流量仅占年总量的1 1 2 到2 5 7 。详见表 2 1 l “】。 3 、各口门分流比 珠江三角洲水道总长1 6 0 0 1 u n ，各河的径流进入网河区后，分汉众多，水流又 分又合，最后分由八大口门入海。据“珠江水利委员会委”1 9 8 6 年整理结果( 表 2 2 ) 4 s l 及省水电设计院在9 0 年代所重新计算的径流分流比，八大口门的分流比 近几十年来产生了重大变化。东四门分流比由2 0 世纪6 0 一7 0 年代的6 1 1 4 减 至8 0 年代的5 3 1 4 ，其中以洪奇门变化最为显著，分流比从1 5 1 9 锐减 6 1 4 ，虎门则增加较多；相应西四门的分流比都有所增加，从3 8 1 6 增至 4 6 1 6 ，以磨刀门增加较多。而到了九十年代，虎门的分流比超越磨刀门，居八 大口门的首位。 2 2 2 潮汐动力特征及其影响 珠江河口因平均潮差小于2 0 ，而归属于弱潮型河口。珠江八大口门的动力 条件差异较大，详看表2 3 。 由此可见，八大口门的平均潮差在o 8 6 至1 6 3 m 之间，其中以虎门的潮差 最大、涨潮量最多，径潮比为0 2 6 ，说明径流作用弱潮流作用强，可称为潮流型 口门：除虎门外，蕉门与崖门的平均潮差较大，但崖门受黄茅海纳潮面积较大影 响，导致涨潮量较大，径潮比o 3 l ，也可归为潮流型口门。磨刀门是西江主要泄 洪口门，年径流量及分流比最大，而平均潮差0 8 6 则是八口中最小的，其径潮 比为5 7 8 ，又是八口之冠，所以又把磨刀门称为径流型河口，其他五个河口也 偏向于径流型河口。 第2 章珠江河口动力及地形特征 表2 1马口、三水站径流量年内分配表 t a b 2 1d i s t r i b u t i o no f d i s c h a r g ei nm a k o ua n ds a n s h u is t a t i o n 表2 - 2珠江八大口门径流量分配比的变化 t a b 2 2 c h a n g eo f t h ef l o wr a t i oo ft h ee i g h to u t l e t so fp e a r lr i v e r 单位：u n i t ： 珠江河口区既受日分潮影响，又受半日潮制约，在潮型划分以日分潮振幅和 第2 章珠江河口动力及地形特征 半日分振幅的比值f ，也就是潮汐系数，坚生世来判断潮型【拍】。 h 2 f o 5 为半日潮，0 5 f 2 为不正规半日潮，2 f 4 为目潮。 其中，三灶、舢舨洲f 值分别为1 4 7 和1 1 1 ，所以珠江河口区的潮型属于不正 规半日潮。 以下我们再对珠江珠江口潮汐的各种特征进行分述： 表2 - 3 珠江八大口门的水沙分配及潮差表 t a b 2 3t h ed i s t r i b u t i o no f d i s c h a r g ea n ds e d i m e n ta n dt i d er a n g eo f t h ee i g h t o u t l e t so f p e a r ll u v e r 第2 章珠江河口动力及地形特征 1 潮汐不等现象 珠江口海区属于不正规半日潮，在一个太阳日里，出现两次高潮和两次低潮， 且两次高潮和两次低潮的潮高均不相等，各潮潮差的大小和历时的长短也各不一 样。由于受地形的影响，大潮和小潮有“滞后”现象，也就是说大潮不是出现在 朔、望，小潮不是出现在上、下弦，而要滞后2 到3 天。为了说明日不等现象， 现选用珠江口海岸带和海涂资源综合调查研究文集中1 9 8 1 年6 月1 5 到2 3 日的潮位资料说明问题。在这里，我们以低低潮与高低潮潮位的差值和低高潮与 高高潮潮位的差值，求其均值作分予，以高高潮的涨落潮潮差的均值作分母，求 出比值。不等现象显著者比值较大，反之则较小( 表2 - 4 ) 表2 - 4 各站潮差比值表 从表2 - 4 我们可以看出：潮汐目不等现象，海岛站较口门大，愈向内( 往上游) 则愈小。 2 潮位 在潮位方面，最高潮位与最低潮位的差值，一般口门处较海岛站为大，海岛 站西部的差值较东部大。最高潮位出现在汛期( 6 至7 月) ，最低潮位多数出现 在桔期( 1 至3 月，个别站出现在5 月) 。这说明珠江口滨海区潮位是兼受潮汐 及径流的影响( 表2 5 ) 。 a 1 潮差 潮差是反映潮汐特性和强弱程度的一项重要因素。珠江口滨海区的涨、落潮 差大小不等腰三角形，其中高高潮的落潮差最大；低高潮的落潮差最小。潮差的 月内变化，在朔、望附近的大潮期，潮差最大；在上、下弦附近的小潮期，潮差 最小。珠江口外各岛屿的潮差，在经向上是自东向西从担杆岛至上川岛递增。担 杆站最大潮差为2 1 7 米，荷苞岛和沙堤均为2 8 8 米。担秆站平均潮差为0 8 6 米， 1 4 第2 章珠江河口动力及地形特征 沙堤为1 2 0 米。在纬向上则自南向北，也就是从口外岛屿向海岸线递增。进入 口门后，一般又递减。但伶仃洋的潮差仍向湾顶递增，且东岸的潮差较西岸的大。 东岸从赤湾到舢舨洲，平均潮差为1 3 8 至1 6 4 米，最大潮差为3 0 5 至3 1 9 米， 最小潮差为2 1 1 至2 6 0 米。各口门中，潮差最小的是磨刀门，灯笼山站平均潮 差为0 8 3 米，西岸从横门到南沙，平均潮差为1 0 8 到1 4 1 米，最大潮差为1 9 3 米。造成潮差较大差别的原因，主要是由于地形和口门的形状以及上游径流的影 响。 表2 5 珠江口滨海区各站最高最低潮位 第2 章珠江河口动力及地形特征 m 潮时 由于潮波受到径流和地形的影响发生变形，所以珠江口海区各部分潮历时各 地有所不同。 东海区涨、落潮的最大历时和最小历时的出现时间，大都在上、下弦附近。 就季节而言，涨潮平均历时，冬季较长，春季、秋季次之，夏季较短；落潮平均 历时则相反。( 见表2 - 6 a 和2 - 6 b ) 4 6 1 2 2 3 潮流 潮流运动形式分为为旋转流和往复流两类，前者是潮流运动的基本形式，后者 是其在特殊条件下的变态。珠江口滨海区除存在上述两种流态外，还有沿岸流。 伶仃洋海区，内伶仃岛以北为明显的往复流。内伶仃岛至桂山岛区域，其东 部槽沟和西部帆船水道呈住复流。伶仃水道下段及青洲水道，表层流态较复杂， 介于往复流和旋转流之间，中、底层仍为往复流。涨潮主流向北偏西上溯，落潮 流除帆船水道略向南偏西外，其余水道多向南偏东。 磨刀门及崖门口的内海区，受径流，潮流和地形制约，呈往复流，主航道尤 为明显。横洲水道主槽以径流作用为主，主流向与中泓线基本一致。汛期，落潮 流占优势，落潮主流贴东岸较顺直下泄出海，有利于东岸冲刷。龙屎窟水道潮流 作用较主槽强，鹤洲附近主流向为北北西南南东；龙屎窟口门附近落潮流东南 向下泄出海，涨潮流向北偏西上溯。枯期湾项至湾疆落潮流南偏西沿主槽下行， 涨潮流一般北偏东上溯。 2 2 4 余流场 伶仃洋余流特征流速自表层向底层减小。与一般的河流流速垂线分布型式相 似，说明这一海区的余流主要为各口门的下泄径流。伶仃洋西部海区，受西北部 三个口门下泄径流的影响，余流偏向东南，基本上与各口门下泄径流的流向吻合， 余流流速也较大，反映了西部浅滩区河流作用大的特点。而东部海区，无论浅滩 或深槽，余流流向偏向西南，这说明径流作用减弱，流向受科氏力影响而右偏； 1 6 第2 章珠江河口动力及地形特征 余流速度较小，尤其是东槽比西槽更小，表明越向伶仃洋东部径流作用越小，潮 流作用显著的特征。 2 2 5 咸淡水混合 在河口地区，咸淡水混合作用的强弱或混合类型对河口地区锋面的形成有很 大的影响。其混合类型可以依据山潮比或混合指数来划分。依据西蒙斯 o ( s i m m o n s ) 和奥菲赛( o f f i c e r ) 的潮合指数： f 一二( q 为涨潮总流量，q l 为同期径流总量) 并结合伶仃洋的实际情况，确定伶仃洋河口区m z1 时，为弱 混合型【4 7 1 ，m 在0 9 9 至0 0 1 时，为缓混合型，m s 0 0 1 时为强混合型。通过实 测氯度图解的验证，可知伶仃洋无论洪季还是枯季、大潮或小潮，其混合指数均 在0 0 4 至0 5 8 之间，属于缓混合型。只是在枯季大潮遇径流偏小的情况下，则 可出现强混合型。由于伶仃洋为缓混合型河口，盐度分布在垂直和水平方向上存 在密度坡降而形成的密度流，密度流的产生将会引起水流形态的改变，这对盐水 楔活动和河口锋面的形成产生重要的影响。涨潮流密度坡降与水面坡降一致，加 大了涨潮流速，由于底层密度大于表层，所以底层流速大于表层流速，盐水楔随 落潮流速有阻滞作用，加速楔顶附近泥沙淤积。伶仃洋洪水时期盐水楔随着潮汐 周期的往复，楔顶活动于舢舨洲东南部至大铲岛至淇澳岛一线。 第2 章珠江河口动力及地形特征 】8 第2 章珠江河口动力及地形特征 表撕b 珠江口滨海区各站涨潮落潮晟小历时统计 1 9 第3 章珠江口海域3 d 水动力数值模拟 河口海洋锋面的形成，主要是受径流、潮汐、径流、风( 包括台风这类突变 型的天气现象) 以及水下地形在一定的边界条件下长期非线性相互作用的结果。 为了研究非线性作用下的锋面现象，使用3 d 水动力数学模型对珠江口海域的流 场和赫度场进行模拟是首选的研究方法，在此，我们选用了美国h y d r o q u a l 公司 的e c o m s e d 海洋数值模型来模拟珠江口海域的流场和盐度场，取得了较为满 意的结果。 3 13 b 水动力模型 e c o m s e d ( c s t u a r i c sa n dc o a s t a lo 蛆m o d e lw i t hs e d i m e n tm d d u l c l 海洋数值 模式最早起源于1 9 7 7 年美国p r i n c e t o n 大学建立的p r i n c e t o no c e a i lm o d e l ，并根 据其应用于河流、海湾、河口、近海以及水库和湖泊等浅水环境的版本e c o m 发展而成。e c o m 属于三维数学模型，垂向混合采用m e l l o r - - y a m a d a2 5 阶湍流 闭合方程。模型主要模拟变量包括三维流速、温度、盐度、湍动能、湍流长度等。 模型的动力方程为非线性的，考虑由于温、盐导致流体密度差异所产生的上升和 下降流，以及流体的水平对流。模型可以计算自由表面变化。模型的求解采取了 模式分裂技术，将流体体积的水平移动和垂向流速剪切分别独立求解，因此使模 型可以取更长的计算时间步长，提高计算效率。目前，该模式已被成功地应用于 美国的c h e s a p c a k eb a y ，m a s s a c h u s e t t sb a y ，n e wy 0 r kh a r b o r 等，成为世界上比 较流行的海洋环境数值模拟程序之一。 以下是有关e c o m s e d 模型的介绍( 艚l ： 3 1 1 模型的基本假设和近似 描述海洋中水动力和热力系统的基本方程为：关于运动的n a v i e r - - s t o k e s 方 程，描述质量守恒的连续方程，海水的状态方程，温度的守恒方程。为了把这些 方程应用到海洋，对这些方程作一些近似与假定： 1 ) 海水运动的速度远小于声速，所以把海水看作是不可压缩流体。 2 ) 假设海水密度的变化仅与温度有关。 3 ) 对于大多数海水，水体垂直方向的运动速度比重力加速度小得多，可以近 似认为服从准静压力平衡分布。 4 ) 在运动方程中仅包含科氏力的水平分量。 5 ) 海面大气压强p = c o n s t a n t 。 3 1 2 控制方程 假设一右手笛卡几坐标系0 ，y ，z ) 建立在静止的海面上，向东为x 轴方向，向 北为y 轴方向，垂直向上为z 轴方向。海水的自由表面定义在zm ，7 0 ，y ，t ) ，而 海洋的底部定义在zm n ( x ，y ) 。假设哪，v ) 为水平流速矢量，v 为水平梯度 运算符，连续方程可写成： 雷诺动力方程为： v 矿+ 业，o 0 z ( 3 - 1 ) 堂厉v，+缈詈一-一去詈+旦当+e(3-2)otp o z 8 z如 。 o 缸 、1 业+ v 矿+ 坐+ ，u 一去善+ 1 0k。一avot a z p o za z ) + ( 3 3 )。 n 却 7 p g 一娑( 3 - 4 ) d z 其中，p 。为海水密度常数，p 是实际密度，g 是重力加速度，p 是压力，k 。 是垂向湍动能混合的涡粘系数，是随纬度变化的科氏力参数。 任一水深z 处的压力是通过把方程( 3 _ 4 ) 沿垂向从z 积分至自由表面r 得： e ( x ，y ，2 ，f ) - f 珈+ g p 。r l + g y p ( x ，y , z , t ) d z ( 3 _ 5 ) 这里大气压力只。视为常数。 温度、盐厦、污染物的守恒万程j 以写成p 式： 警+ 矿啪+ wo ，o 。兰当+