磨刀門口夏冬季沿岸流特征及成因分析

高時友，何用，盧陳, 楊裕桂，吳門伍

(1.中山大學 地理科學與規劃學院，廣東 廣州 510275；2.水利部珠江河口動力學及伴生過程調控重點實驗室，廣東 廣州 510611；3.珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611)

磨刀門口夏冬季沿岸流特征及成因分析

高時友1，2，3，何用，盧陳2，3, 楊裕桂2，3，吳門伍2，3

(1.中山大學 地理科學與規劃學院，廣東 廣州 510275；2.水利部珠江河口動力學及伴生過程調控重點實驗室，廣東 廣州 510611；3.珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611)

根據2011—2012年磨刀門口的夏、冬季大、中、小潮定點觀測資料，對歐拉余流、斯托克斯余流以及拉格朗日余流進行分析。結果表明：(1)外海測點的歐拉余流和拉格朗日余流，冬季在各潮型下均為一致的西南沿岸方向，夏季除東、西汊道點在強徑流下表現為順汊道指向外海方向，其余外海各點仍以西南沿岸方向為主；(2)斯托克斯余流遠小于歐拉余流，夏季明顯大于冬季，方向基本與歐拉余流相反；(3)冬季磨刀門口海域具有穩定西南向沿岸流特征，南海東北季風的驅動作用是其形成的主要原因；夏季磨刀門口各潮型下沿岸流特征各異，其影響的主要因素為徑流和風，同時地形的影響不可忽略，特別是攔門沙形成的汊道分流作用，對強徑流作用下水沙輸移影響十分顯著。

沿岸流；磨刀門河口；歐拉余流；斯托克斯余流；拉格朗日余流

1 引言

珠江河口動力條件復雜，沿岸流特征顯著，形成機制復雜。珠江河口沿岸流規律及形成機制一直是眾多學者和專家關注的焦點，應秩甫[1]認為在珠江下泄的徑流和南海暖流的影響下，珠江口到湛江灣海域有一股常年存在的向西沿岸流，楊陽等[2]發現珠江沖淡水同時向粵西和粵東擴展，逯玲燕等[3]認為珠江口沿岸流冬季以粵西方向擴展為主，而夏季則主要向粵東方向擴展，Ou等[4]發現夏季珠江下泄徑流輸移方向與風的關系極為密切，當西南季風盛行時珠江沖淡水向東擴散更容易。楊士瑛等[5]發現夏季珠江口以西的近岸流大部分時間向西運動。磨刀門口沿岸流既有珠江河口沿岸流的統一特性，同時還具有其獨特性。磨刀門作為珠江河口泄洪排沙主要通道，口門外沿岸流影響著咸淡水和泥沙的輸運，認識口外沿岸流特征對磨刀門口門延伸和治理意義重大。董兆英等[6]認為磨刀門海區終年以下泄余流為主，近海區在徑流不斷擴散和沿岸流系的影響下，余流速度在不同水域變化較大，流向以西南為主。賈良文等[7]根據實測資料計算所得的密度弗勞德數，認為枯季磨刀門以浮力射流為主。方神光和王少波[8]根據實測水文資料，詳細分析了磨刀門漲落潮時表底層的水動力特性。可見學者對磨刀門沿岸流研究的側重點各不相同，系統地闡述磨刀門余流特征的研究并不多見。

珠江河口余流方向具有一定指向性，與長期徑流、泥沙、營養物等物質輸運關系密切，余流分布和特征一定程度反映沿岸流的變化特征。余流是河口物質輸運研究的重點，早在20世紀60年代，Bowden[9]就將余流分解為歐拉余流和斯托克斯余流，歐拉余流是對定點潮流的時間序列作潮周期平均，斯托克斯余流表達的則是潮流變化項與水深變化項的潮周期相關大小，表征了水流輸移量；將兩者矢量合成可得到拉格朗日余流，表征物質凈輸移的大小和方向。本文以2011-2012年磨刀門口的定點觀測資料為基礎，分析磨刀門口夏冬季的歐拉余流、斯托克斯余流以及拉格朗日余流的分布特征，探討磨刀門口沿岸流輸移特征及成因。

2 數據資料

2.1 資料來源

珠江水利科學研究院受珠海市橫琴島經濟區管理委員會、珠海藍灣建設開發有限公司委托，開展了磨刀門水道橫州口外河口夏季和冬季全潮水文測驗海洋水文觀測。如表1所示，冬季的觀測時間為2011年12月4-13日，夏季觀測時間為2012年5月7-14日，均分別監測了當月的大、中和小潮時間段。觀測的內容包括海流、水溫、鹽度、懸浮泥沙以及海底表層沉積物，各測量要素每小時整點觀測一次，連續觀測1個潮周期。

表1 夏、冬季觀測時間表

2.2 測點位置

磨刀門口海域位于橫琴島南面，東鄰澳門海域，北接磨刀門水道，河口外正對一“人”字形攔門沙中心區，攔門沙中心區兩側分別為東南和西南方向的東、西汊道及東、西區攔門沙。如圖1和2所示，定點監測時間分為冬季和夏季，測點位置以B和C來表示，各布置7個測點，具體坐標見表2。

B1位于磨刀門水道出口，B2、B3、B4自東向西分布于5 m等深線位置處，其中B3位于東汊出口處，B4位于攔門沙正南方，B5位于攔門沙西側，B6位于10 m等深線并正對攔門沙，B7位于攔門沙西南側的10 m等深線處。夏季測點與冬季略有偏差，其中C1同樣位于磨刀門水道出口處，比冬季靠內側，C3和C4正對于東、西汊道出口，C6點正對B3點，其他測點與冬季相同。

表2 測點位置表

圖1 冬季測點位置Fig.1 Location of measuring points in winter

圖2 夏季測點位置Fig.2 Location of measuring points in summer

2.3 分析處理方法

潮汐余流是由動量方程中的平流項、連續方程中的非線性項以及非線性底摩擦效應種種因素引起的，使其出現非線性效應，一般用拉格朗日法和歐拉法進行研究。歐拉余流適用于空間固定地點，而拉格朗日余流包含歐拉余流以及斯托克斯余流，它能完整地給出一個流體元的余流，為此依據實測水深和流速觀測資料，選取夏季、冬季大、中、小潮汐周期整點分層數據，按以下方法進行分解計算。

(1)

(2)

x方向瞬時流速可以分解為：

(3)

水深可以表示為：

h(t)=h0+ht.

(4)

沿x軸方向的單寬潮周期平均輸水量為：

(5)

(6)

其中，

(7)

(8)

(9)

3 余流分析

3.1 歐拉余流

3.1.1 冬季

如圖3所示，冬季歐拉余流值整體表現為磨刀門出口位置小，外海各點位置大的特征。其中B1的大、中、小潮歐拉余流值分別為11cm/s、6cm/s、2cm/s。大、中潮的方向以落潮流方向為主，即順磨刀門口指向外海，約為145°；小潮由于河道下泄徑流量小，在外海較強的西南向輸運動力下，其歐拉余流方向發生偏轉，變為228°，即指向西南方向。外海B2～B7歐拉余流方向基本為240°，表現出明顯的沿著橫琴島岸線，向西南方向輸移的整體趨勢。

3.1.2 夏季

如圖4各潮型下的夏季歐拉余流值，表現為磨刀門出口大于外海各點的特征。在夏季強泄徑流的影響下，C1歐拉余流值均較大，大、中、小潮分別為31cm/s、22cm/s、34cm/s，方向均為順磨刀門口指向外海。夏季大潮外海各點除C3外，歐拉余流基本以沿岸向西南方向為主。C3由于位于東汊出口位置，在磨刀門水道徑流量足夠大的情況下，沖淡水沿東汊道下泄，因而形成了C3歐拉余流方向為沿東汊道方向，即133°左右。夏季中潮的外海各點的歐拉余流表現為一致的西南沿岸流特征，夏季小潮則表現為C2、C3、C4歐拉余流向西南方向，C6和C7向東方向。

圖3 冬季歐拉余流Fig.3 Euler residual current in winter

圖4 夏季歐拉余流Fig.4 Euler residual current in summer

3.2 斯托克斯余流

3.2.1 冬季

冬季各潮型斯托克斯余流均較小，最大值均出現在B1，大、中、小潮分別為4cm/s、1cm/s、1cm/s，方向基本與漲潮流方向一致，為順著河道指向上游。受河口的束窄作用，潮流的斯托克斯輸移作用明顯加強，如圖5。外海B2～B7斯托克斯余流均小于1cm/s，方向以東北方向為主，總體上各點的斯托克斯余流從大到小依次為大潮、中潮、小潮，斯托克斯余流大小值與潮汐呈正相關關系。

3.2.2 夏季

如圖6，夏季斯托克斯余流與冬季類似，同樣的是最大值出現在C1，方向為順直河道指向上游，外海C2～C7斯托克斯余流均較小，除大、中潮的C3、C4以外，方向均以55°的東北方向為主。而大、中潮的C3由于受東汊漲潮流影響，其斯托克斯余流向為335°的西北方向，C4則由于受西汊漲潮流影響，其斯托克斯余流向為35°的東北方向。各潮型靠外海側的C6和C7的斯托克斯余流值，小于靠口門的C3、C4、C5。分析其原因是由于漲潮過程中靠口門的水深逐漸變淺，使得漲潮流變化量與潮汐變化量正相關性更強。

圖5 冬季斯托克斯余流Fig.5 Stokes residual current in winter

圖6 夏季斯托克斯余流Fig.6 Stokes residual current in summer

3.3 拉格朗日余流

3.3.1 冬季

如圖7，冬季拉格朗日余流均與歐拉余流相近，其中B1的歐拉余流為斯托克斯余流的3～5倍，方向正好相反，為此矢量合成的拉格朗日余流與歐拉余流方向一致。其余的外海點歐拉余流均為斯托克斯余流的幾十倍甚至上百倍，其大小和方向主要由歐拉余流決定。B1拉格朗日余流方向為順河道向外海的145°為主，外海除B5以外，均為230°～250°之間，表現出一致的沿岸向西南方向流動的特征。

3.3.2 夏季

如圖8，夏季拉格朗日余流同樣表現為與歐拉余流相近的趨勢，河道內的C1在強徑流作用下，沿口門向外海的拉格朗日余流特征顯著，外海各點的拉格朗日余流在不同潮型作用下則表現方向有所差異，總體表現為西南方向為主的特征。

圖8 夏季拉格朗日余流Fig.8 Lagrange residual current in summer

4 沿岸流成因分析

由前面的余流分析可知，磨刀門口“2011.12”測次表現為顯著的西南沿岸流特征，“2012.5”測次的沿岸流方向則表現為不確定性，而表征物質凈輸移大小和方向的拉格朗日余流與歐拉余流相近，說明沿岸流主要由形成歐拉余流的季風、徑流、地形等因素決定。

(1)枯季盛行東北風(9月中下旬至翌年4月)；洪季盛行西南風(5月至9月上旬)；9月為西南季風轉東北季風時段；5月為東北季風轉西南季風時段。

南海是北太平洋西部最大的一個邊緣海，是連接太平洋和印度洋的一條重要通道。海域上空，枯季盛行東北風，通常從9月中下旬到翌年的4月，洪季盛行西南風，通常始于5月，終于9月上旬。

(2)枯季東北季風是形成磨刀門口枯水期西南沿岸流的主要因素。

如圖9所示，測量期間B2、B6測站表明，測區風向主要為N、NE、ENE向風，枯季風向穩定，平均風速接近6.0m/s，風力較為強勁，磨刀門口海域在南海東北季風的驅動下形成穩定西南向沿岸流，各潮次的風速從大到小依次為大潮、小潮、中潮，與枯季沿岸流強度有較好的一致相關性，為此，在枯季磨刀門口下泄徑流量偏小的條件下，枯季季風是形成磨刀門口西南沿岸流的主要因素。

圖9 枯季逐時風速、風向Fig.9 Hourly wind speed and wind direction in the dry season

(3)“2012.5”測次的沿岸流方向不確定性，主要是由于5月轉季風引起的，徑流和風是影響沿岸流的主要動力，同時潮汐和地形作用也不可忽略。

洪季南海盛行西南季風，而5月份則正逢東北季風轉西南季風階段[10]。如圖10所示的C2、C6測站風況數據表明，風向以東南向、南向為主，其中大潮以東南向為主，中潮則逐漸由南向轉為東北向，小潮以西南和東南為主。

圖10 洪季逐時風速、風向Fig.10 Hourly wind speed and wind direction in the flood season

由前面的數據統計結果可知，C1洪季大、中、小潮歐拉余流值分別為31cm/s、22cm/s、34cm/s，方向均為順直磨刀門水道指向外海。根據珠江委水文局發布的流量數據，西江上游馬口站5月日均下泄徑流量在5 000～15 000m3/s之間，觀測期大、中、小潮的馬口實際流量分別為6 900m3/s、5 520m3/s、9 190m3/s。結合對應的馬口流量分析可知，馬口流量為從小到大依次為中潮、大潮、小潮，歐拉余流值也正好表現為小潮最大，中潮最小，即磨刀門河道出口的歐拉余流值的大小主要由徑流量決定。

洪季的外海各點拉格朗日余流在不同潮型下有所差異，大潮階段在徑流和東南向風的共同影響下，東西兩泄洪汊道表現為順汊道的輸移方向，外海余流主要為西南向沿岸輸移特征。中潮階段由于東南向風的存在，也使得余流為一致向西南向輸移的沿岸流特征，小潮階段由于逐漸轉向西南風向，則出現了近岸點西南向飄移，遠岸點東北向飄移的特征。即磨刀門口外海C2～C7測站洪季沿岸流以受徑流和風的影響為主，主要偏向西南方向，同時潮汐和地形的影響也不可忽略，特別是攔門沙形成的汊道分流在強徑流作用下輸移特征十分明顯。

5 結論

本文基于2011-2012年磨刀門口夏冬季的大、中、小潮7個同步海流及風況測點資料，統計分析了歐拉余流、斯托克斯余流以及拉格朗日余流的分布狀況，討論了磨刀門口沿岸流的成因，主要得到以下結論：

(1)歐拉余流和拉格朗日余流的大小和方向基本一致，磨刀門水道夏、冬季均以順河道指向口外為主，夏季明顯大于冬季。外海各點的歐拉余流和拉格朗日余流，冬季在各潮型下均為一致的西南沿岸方向，夏季的東、西汊道點在強徑流下表現為順汊道指向外海方向，其余外海各點仍以西南沿岸方向為主。

(2)斯托克斯余流遠小于歐拉余流，夏季明顯大于冬季，方向基本與歐拉余流相反。

(3)不同潮型的歐拉余流、斯托克斯余流和拉格朗日余流的大小和方向有所差異，其中斯托克斯余流與潮差有較好的正相關性。

(4)冬季磨刀門口海域具有穩定西南向沿岸流特征，南海東北季風的驅動作用是其形成的主要原因；夏季磨刀門口各潮型下沿岸流特征各異，其影響的主要因素為徑流和風，同時地形的影響不可忽略，特別是攔門沙形成的汊道分流作用，對強徑流作用下水沙輸移影響十分顯著。

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YangShiying,BaoXianwen,ChenChangsheng,etal.AnalysisoncharacteristicsandmechanismofcurrentsysteminwestcoastofGuangdongProvinceinthesummer[J].HaiyangXuebao, 2003, 25(6):1-8.

The characteristics of alongshore current in flood and the dry season in Modaomen Estuary of the Pearl River and the reason analysis

Gao Shiyou1,2,3, He Yong2,3, Lu Chen2,3,Yang Yugui2,3,Wu Menwu2,3

(1.SchoolofGeographyandPlanningofSunYat-SenUniversity,Guangzhou510275,China;2.KeyLaboratoryofthePearlRiverEstuarineDynamicsandAssociatedProcessRegulation,MinistryoftheWaterResources,Guangzhou510611,China;3.PearlRiverHydraulicResearchInstitute,Guangzhou510611,China)

According to the observation data in spring tide, middle tide, neap tide in flood and dry season at Modaomen Estuary from 2011 to 2012, this paper analyzes Euler residual current, Stokes residual current and Lagrange residual flow. The results show that: (1) the main direction of Euler residual current and Lagrange residual flow are southwest in winter and summer but the current in east and west branch show offshore under the strong runoff; (2) the Stokes residual current is much less than Euler residual current and much greater in summer than in winter, the direction of the Stokes residual current is in the opposite of Euler residual current; (3) there is a stable southwest alongshore current in winter in Modaomen Estuary, the driving effect of northeast monsoon in the South China Sea is the main reason, there is no consistent characteristics of alongshore current in summer, the main influencing factors is runoff and the wind, and the influence of the terrain especially the shunt effect caused by the mouth bar should not be neglected, it will influence the transport of water and sediment which under the strong runoff significantly.

alongshore current; Modaomen Estuary; Euler residual current; Stokes residual current; Lagrange residual flow

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.05.001

2016-04-20；

2016-11-09。

水利部公益性行業科研專項(201501010)；國家自然科學基金資助項目(51409286)；珠科院開放基金([2013]KJ05)。

高時友(1978—)，男，安徽省廬江縣人，主要從事河道與港航工程。E-mail：pearlgsy@qq.com

*通信作者：何用(1977—)，男，湖北省黃岡市人，工學博士，主要從事河口海岸動力學研究。E-mail：8459585@qq.com

P731.2

A

0253-4193(2017)05-0001-09

高時友，何用，盧陳，等. 磨刀門口夏冬季沿岸流特征及成因分析[J]. 海洋學報, 2017, 39(5): 1-9,

Gao Shiyou, He Yong, Lu Chen, et al. The characteristics of alongshore current in flood and the dry season in Modaomen Estuary of the Pearl River and the reason analysis[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(5): 1-9, doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.05.001