珠江口磨刀门水道枯季咸潮上溯与盐度输运机理分析

高时友，陈子燊

（1.中山大学 地理和规划学院，广东 广州 510275；2.珠江水利科学研究院，广东 广州 510611）

珠江口磨刀门水道枯季咸潮上溯与盐度输运机理分析

高时友1，2，陈子燊1

（1.中山大学 地理和规划学院，广东 广州 510275；2.珠江水利科学研究院，广东 广州 510611）

以珠江河口磨刀门盐度和流速观测资料为基础，采用盐度输运分解的计算方法对磨刀门盐度输运特征进行分析，对比各分解项动力成因和对盐度输运贡献的大小，分析磨刀门水道盐度分布特征和输运特征，结果表明：（1）磨刀门水道盐度输运主要由径流为主要作用的欧拉输运、潮流剪切输运和由河口密度梯度产生的垂向环流输运为主，其中欧拉输运方向向海，潮流剪切和重力环流输运向陆，两种不同方向的盐度输运在大、小潮期相对强弱的变化，导致了咸潮上溯的增强或者减弱。小潮期间，垂向环流和潮流剪切输运大于欧拉输运，净输运方向向陆导致咸潮上溯；大潮期间，垂向环流输运显著减小，净输运方向向海导致咸潮后退。（2）洪湾水道盐度输运主要以欧拉输运为主，垂向环流输运很小，与磨刀门水道盐度输运具有显著的不同。

咸潮上溯；盐度输运；垂向环流

珠江三角洲枯季咸潮灾害问题突出，尤其是珠江河口八大口门之一的磨刀门（图1）咸潮上溯显著，对居民生活用水、农业用水以及城市工业生产及其发展都有相当大的影响（胥加仕等，2005）。磨刀门咸潮上溯规律在小潮期增强，大潮期减弱的现象，与常规的大潮盐水上溯强而咸潮灾害强，小潮盐水上溯弱而咸潮灾害弱的河口盐水运动规律不一致（包芸 等，2009）。自2005年以来，珠江河口咸潮上溯引起社会的广泛关注，咸潮上溯问题得到大量研究，磨刀门独特的咸潮上溯过程为研究重点之一。包芸等（2009）研究了磨刀门水道咸潮上溯过程及规律，认为小潮期连续的涨潮流是咸潮上溯强烈的主要原因；卢陈等（2013）通过水槽试验分析了潮汐强度对咸潮上溯的影响；宋晓飞等（2014）、陈玲舫等（2014）和陈子燊等（2015）分析了磨刀门河道深泓、水文气象要素的变化特征及其对磨刀门水道咸潮上溯的影响。总之，对磨刀门咸潮上溯规律以及其各个因素之间的相互作用给予了不同角度的解释。

图1 磨刀门位置

河口的盐度输运是径流、潮流、净重力环流等众多因素共同作用的结果，为了研究各种因素在盐度输运中的作用，采用盐度输运机制分解的方法是了解各项动力因素对盐度输运贡献大小的有效手段。20世纪60年代，Bowden（1963）和Hansen（1967）将余流分解为斯托克斯漂移和欧拉余流，随后Dyer（1988）和Maccread（1999）进一步发展了物质输运的计算公式求得单宽断面的水、沙等物质通量。但该方法要求具有详细的垂向流速、盐度资料（肖莞生等，2010）。

2009年12月10日至25日磨刀门进行了连续15 d的咸潮观测，布置了8条垂线（图2），范围包括自竹银至石栏洲约40 km的河段，主要观测要素包括盐度、深度和流速流向等常规水文要素，采样间隔每1 h一次，垂向上按间隔1 m施测一次（罗丹，2011）。观测期流量和潮差见图3。

图2 磨刀门测点位置

图3 观测期流量和潮差

1 输运分解计算方法

单宽潮周期平均输水量为：

单宽盐度输移量如下：

各输运项的表达式及意义如表1所示。

表1 各输运项的代表意义

2 计算结果及讨论

2.1余流和分层特征分析

表2为磨刀门水道连续15 d的余流、平均盐度、分层系数等特征值计算结果。欧拉余流反映的是径流等非周期性作用力的结果，各站欧拉余流指向河口；斯托克斯余流反映潮汐的抽吸效应，其方向指向上游。分层系数为表底层盐度差与垂线平均盐度的比值，其值越小则垂向混合越均匀，反之则分层越明显。除处于洪湾水道的4#测站外，磨刀门水道上的测站15 d平均分层系数处于0.56～1.56之间，整体上属于缓混合类型，但在大潮落憩时刻，垂向盐度混合较为均匀，分层系数变小，瞬时存在充分混合状态。

2.2盐度分布特征分析

根据位于磨刀门水道上的1#～3#、5#～8#测站盐度数据，以1#测站为起点，绘制了小潮（12月11日）和大潮（12月16日）的高低潮位时刻纵向盐度分布图（图4）。小潮时高、低潮位时刻表层均为低盐水占据，底层为高盐水占据，盐度等高线呈水平状，但高潮位时刻涨潮水体呈楔状切入河道，其头部等高线局部较为陡峭，而小潮低潮位时盐水楔向河口移动，等高线则较为平缓。大潮时涨潮水体仍以楔状切入河道，但涨潮动力强劲，口门外高盐水大量进入河道，使得盐度等高线较为陡峭，表底层盐度差趋于减小，大潮落潮至低潮位时盐水楔被破坏，高盐水体退出河道，表底层盐度趋于一致。由此可见，磨刀门为缓混合性河口，河道盐度具有日、半月变化特征，在一个半月周期内，小潮期垂向流动形式主要为表落底涨状态，盐水由底层不断侵入河道，垂向盐度分层显著，当潮流增大后，潮致混合增强（袁丽蓉等，2012），使得大潮落潮末期垂线盐度基本混合均匀，盐度等高线呈竖直状，等高线间距增大。

表2 观测期间各站余流与分层系数

图4 典型时刻纵向盐度分布

2.3盐度输运分析

2.3.1 磨刀门水道纵向盐度输运分析

一个完整的半月时段（12月10日-12月25日）盐度输运分解计算结果见表3。从各输运项对比可以看出，欧拉输运（T1）、斯托克斯输运（T2）、盐度与潮流的潮变化项（T4）、垂向环流输运（T5）和垂向潮振动切变项（T8）对盐度输运贡献较大，其他3项输运量很小。

欧拉输运项（T1）反映的是径流等非周期性作用流动输运的结果，各站欧拉输运方向向海。由于盐度自上而下逐渐增大，欧拉输运项量值上相应的自上而下逐渐增大。

斯托克斯输运项（T2）是潮流速和水深潮偏差过程存在相位差而产生的输运。由于水深增大时为涨潮，水深减小时为落潮，且涨、落憩时刻滞后于高、低潮位时刻，导致水深与潮流速的潮偏差值方向相反，使得斯托克斯输运方向向陆。由于垂线平均盐度自上而下逐渐增大，斯托克斯输运量也呈增大的趋势。

盐度和潮流的潮变化项（T4）主要是由垂线平均流速和垂线平均盐度的潮偏差过程存在相位差而产生的输运，其大小和方向与相位偏差的程度有关。

垂向环流项（T5）反映的是流速和盐度垂向分布差异。由于盐度垂向偏差值为表负底正，而流速垂向偏差值为表正底负，导致垂向环流输运方向总向陆。其大小与分层流状态密切相关，表层与底层流速、盐度差异越大，则垂向环流项越大，表底层流速差主要受河口密度梯度力、底摩擦力影响，表底层盐度差主要与水平对流、垂向混合强度有关。

垂向潮振动切变项（T8）是由盐度和潮流垂向变化场产生的输运，与垂向环流输运相似，其方向向陆。

向海输运项主要为径流产生的欧拉输运项（T1），而向陆输运项则包括了潮汐振动项（T2、T4和T8）和垂向环流项（T5），其中垂向环流项在咸潮上溯中起主要作用，潮汐造成的向陆输运也不可忽视。

2.3.2 磨刀门水道盐度输运半月周期分析

根据统计结果，图5给出了对盐度输运起主要

作用的各输运项在半月潮周期内的变化过程。由纵向盐度输运分解分析结果可知，河口盐度输运主要作用包括径流、潮流、环流3项。欧拉输运项（T1）变化过程与来流过程（图3）基本一致。实际上河口径流一方面和三角洲来水条件有关，还与河网汊道分流比有关。潮变化项（T2、T4、T8）与潮差有关，呈现大潮大小潮小的特点。垂向环流项（T5）主要与河口垂向流速、盐度分布有关，尤其是和盐度垂向分布有关。图6为1#测站大潮（12月16日）和小潮（12月10日）潮平均盐度和流速垂线偏差量分布，可见大小潮之间的潮平均垂向流速偏差值相差较小，而由于小潮盐度显著分层，大潮盐度分层减小，大小潮之间的潮平均垂向盐度偏差值相差较大，导致环流输运项呈小潮大、大潮小的变化趋势。

表3 盐度输运分解计算结果（psu·m·s-1，负值表示向陆输运）

图5 各测点输运通量大小潮变化图（向海输运为正值，向陆输运为负值）

从各项输运量在半月潮周期内的变化幅度来看，变幅较大的是欧拉输运项和环流输运项，其它各项在半月周期内的变化幅度小。欧拉输运量主要与径流和盐度变化有关，而环流输运与盐度和流速垂向分布有关，即与垂向混合状况有关，大潮潮动力造成垂向混合增强，盐度垂线偏差显著减小，使得环流输运项大潮期间显著减小。因此在欧拉输运量变化不显著的情况下（如5#、6#测站），垂向环流输运量的变化决定了净输运方向。

图6 潮平均盐度和流速垂线偏差量分布

2.3.3 洪湾水道盐度输运分析

磨刀门河口形成了一主一支形态，其中洪湾水道为支汊，其净泄量分配比约为15%，3#、4#测站均位于分汊口下游。由输运分解结果可以看出，位于洪湾水道的4#测站盐度输运表现出不同的特征，洪湾水道欧拉输运占主导作用，其次为斯托克斯输运，再次为垂向环流输运，其它各项均较小，与磨刀门水道具有很大不同。这与洪湾水道的水深、出口形势有关。洪湾水道汇入澳门水域，主要由伶仃洋出海。洪湾水道下游为澳门水域，水深较小，表层与底层盐度比较接近，与磨刀门水道相比，由澳门水域涨入洪湾水道的盐淡水表层盐度大而底层盐度小（图7），分层系数仅为0.15，纵向盐度梯度相对较小，导致洪湾水道垂向环流作用较小。

图7 表、底层盐度变化

4 结论

输运分解是了解输运动力因素影响的有效方法，磨刀门水道盐度输运分解计算结果显示，枯季磨刀门咸潮上溯的主要动力是垂向环流输运和潮致混合输运，垂向环流输运起主导作用，抑制咸潮上溯的动力是以径流为主的欧拉输运。向陆输运的垂向环流项在大潮期间显著减小使得大潮期间净输运方向向海，而小潮期间欧拉输运项减小、垂向环流输运增强，使得净输运方向向陆，两个方向输运量在半月潮周期内大小的对比变化决定了咸潮运动方向。洪湾水道作为磨刀门水道的主要汊道，盐度输运表现出不同的特征，洪湾水道欧拉输运占主导作用，其次为斯托克斯输运，再次为垂向环流输运，其它各项均较小，不同于磨刀门水道。

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（本文编辑：袁泽轶）

Analysis on salinity transport mechanism for the Modaomen waterway of Pearl River in the dry season

GAO Shi-you1,2,CHEN Zi-shen1

（1.Department of Water Resource and Environment,Zhongshan University,Guangzhou,510275,China; 2.Pearl River Hydraulic ResearchInstitute,Guangzhou,510611,China）

Based on the observation data of salinity and velocity in the Modaomen waterway of Pearl River,the decomposition calculation method of salinity transport was used to analyze the characteristics of salinity transport.Comparing each decomposition term by dynamics and contribution to salinity transport to analyze the characteristics of salinity distribution and transportation in Modaomen,the result shows that:(1)Euler transport,tidal shear transport and vertical circulation transport caused by density gradients play major roles in the salinity transport in Modaomen waterway,and among these,the direction of Euler transport is seaward,and the tidal shear transport and vertical circulation transport are landward. The changes of salinity transport in two different directions at the relative strength of the spring and neap tides result in salt water intrusion increase or decrease.In neap tide,the vertical circulation transport is greater than Euler transport,so the net transport is landward which makes salt water intrusion;in spring tide,the vertical circulation transport is significantly decreased,so the net transport is seaward which makes salt water retreat.(2)In Hongwan waterway,Euler transport is the main way for the salinity transport while the vertical circulation transport is small,which is different from Modaomen waterway.

salt water intrusion;salinity transport;vertical circulation

P343.5

A

1001-6932（2016）06-0625-07

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.06.004

2016-01-26；

2016-03-08

国家自然科学基金（41371498）；广东水利创新项目（2009-41）。

高时友（1978-），男，硕士，高级工程师，主要从事河口海岸动力学研究。电子邮箱：pearlgsy@qq.com。

陈子燊，教授。电子邮箱：eesczs@mail.sysu.edu.cn。