北風對磨刀門咸潮上溯的影響機制

高晨晨，才多

(1. 上海市水利工程設計研究院有限公司，上海200061；2. 上海灘涂海岸工程技術研究中心，上海200061)

磨刀門是珠江干流西江的主要出海口門，也是珠江三角洲的主要泄洪通道和輸沙通道，其泄洪量和輸沙量均居珠江八大口門之首[1]。進入21世紀以來，磨刀門河口咸潮上溯日趨嚴重，主要表現為咸潮出現時間提前，影響范圍擴大，持續時間延長。磨刀門水道作為珠江三角洲主要的飲用水水源地，枯水期咸潮上溯引起咸界上移，勢必會影響兩岸取水，導致供水安全問題，嚴重時甚至影響生產發展與社會穩定。因此，開展磨刀門河口咸潮研究具有重要的理論和現實意義。

迄今為止，國內外學者針對磨刀門咸潮問題開展了大量的基礎研究工作[2-15]，如探討了上游徑流量變化[2-4,14]、外海潮汐動力[13-14]、海平面上升[11-12,15]、河床下切[9-10]、表面風應力[2,5-8]等因素對磨刀門咸潮的影響。其中，關于風對磨刀門咸潮活動的影響，黃新華等[5]較早進行過論述，認為東風和東北風會使洪灣、坦洲一帶的咸害加重。彭靖[6]基于現場觀測資料，初步探討了風對磨刀門水道鹽度分布的影響，認為當風向外海吹時，風的作用可等效為加大了上游徑流量，從而促進表層水體向外海宣泄，同時底層水體的上溯也得到加強，形成明顯的河口環流。風應力愈大，垂向分層愈明顯，河口環流也愈強。聞平等[2]分析了磨刀門逐時風速風向資料和平崗泵站逐時含氯度資料，認為北風和東北風能顯著增強磨刀門水道的咸潮入侵。蘇波等[8]曾根據原型觀測的鹽度及風資料，分析了不同風向和不同風力對磨刀門咸潮的影響，認為在強偏北風作用下，洪灣水道水體鹽分輸運占主導作用；一般風力條件下，橫洲水道水體鹽分輸運占主導作用。大量研究表明，北風能夠加劇磨刀門水道咸潮上溯，但造成這一現象的原因尚無定論。鑒于此，本文基于MIKE3軟件建立了磨刀門水道三維潮流鹽度數學模型，根據數值模擬結果并結合鹽通量分解方法，分析北風對磨刀門咸潮上溯的影響機制，以期為磨刀門水道水資源的保護和利用提供科學依據。

1 研究方法

1.1 模型建立

咸潮上溯是一個三維非恒定過程[16]。本文基于MIKE21和MIKE3模型，分別建立了珠江口大范圍二維模型和磨刀門小范圍三維模型，由大范圍二維模型為小范圍三維模型提供邊界條件和初始鹽度場。

大范圍二維模型的計算范圍與網格布置見圖1。模型計算區域采用無結構三角形與四邊形混合網格進行離散，網格的設計充分考慮了對地形邊界的貼合，網格總數為91 161，節點總數81 049。二維模型共設有7個控制邊界，4個上游邊界分別取在石咀、高要、石角以及老鴉崗站。其中，石咀和老鴉崗邊界給定模擬時段對應的實測潮位過程；高要和石角邊界給定模擬時段的實測流量過程；模型的外海邊界取在珠江口外南海-30 m等深線附近，其潮位過程由已建的中國近海潮波模型提供。由于距口門足夠遠，二維模型上游4個邊界上的鹽度均取為0 PSU，外海邊界的鹽度取為33 PSU。

圖1 平面二維潮流鹽度數學模型計算范圍與網格布置

磨刀門三維模型的計算范圍與網格布置見圖2。模型計算區域水平向采用無結構三角形網格進行離散，外海區域網格分辨率較低，最大網格邊長約1 800 m；主河道內網格分辨率較高，網格邊長約100 m；窄細支汊局部加密，網格分辨率達到50 m以下。模型垂向采用σ坐標進行空間離散，分為等距的10層。三維模型共有4個開邊界，上游開邊界設在百頃頭上游的外海大橋附近，給定流量過程；下游設3個開邊界，給潮位過程。流量邊界和潮位邊界均由上述二維模型提供。此外，二維模型還為三維模型提供邊界逐時鹽度過程以及初始鹽度場。三維模型中，垂向湍流采用標準k-ε模型計算，水平向渦黏系數采用Smagorinsky亞網格模型計算，風應力采用澳門氣象站提供的逐時實測風資料。

圖2 磨刀門三維潮流鹽度數學模型計算范圍與網格布置

1.2 模型驗證

采用2009年1月的實測資料對三維模型進行了率定和驗證。其中，潮位的觀測時段為1月10日0時至1月13日23時；流速及鹽度觀測時段為1月12日14時至1月13日18時。各實測站點位置分布見圖3，圖中三灶、燈籠山、竹銀為潮位觀測站；M1—M8為流速和鹽度觀測點。

圖3 站點位置

三維模型在斜壓模式下連續運行30 d(2009年1月1日至2009年1月30日)。由于篇幅所限，這里僅列出了部分驗證成果，見圖4—6。驗證結果表明，潮位計算值與實測值吻合較好，潮流與鹽度計算值在大小及相位上與實測值基本一致。整體而言，模型結果能很好地反演磨刀門水道枯水期的咸潮運動規律。因此本文建立的三維模型可以用于枯水期磨刀門北風增咸的動力機制研究。

圖4 潮位驗證

a)M2測站流速流向 b)M6測站流速流向

圖5流速流向驗證

a)M2測站鹽度圖6 鹽度驗證

b)M6測站鹽度

續圖6鹽度驗證

1.3 鹽通量分解方法

徑流、重力環流和潮汐離散是影響河口鹽分輸運的重要因素。Hansen和Rattray[17]最早建立了包含這3個因素的理論模型，并采用通量機制分解方法研究河口鹽度輸運。此后，諸多學者在此模型的基礎上相繼提出了各自的機制分解方法，如Park和James[18]的十一項分解法以及Lerczak等[19]的三項分解法等。本文即采用Lerczak等[19]提出的方法進行斷面鹽通量的機制分解，將瞬時速度和瞬時鹽度分解為u=u0+uE+uT，s=s0+sE+sT，其中以0、E、T為下標的各項分別表示潮平均的斷面平均余流項、穩定剪切輸運項以及潮流波動項。以φ代表瞬時流速u和瞬時鹽度s，各項的定義如下：

(1)

(2)

φT=φ-φ0-φE

(3)

式中 尖括號——潮周期平均，取25 h；A0——潮周期平均的斷面面積，m2；h——水深，m；η——自由水面高程，m。

由此可按下式計算斷面總鹽通量：

(4)

式中Qf——斷面流量，m3/s；A——斷面面積，m2。

由此，斷面總鹽通量Fs被分解成了3部分，包括平流通量Qfs0、穩定剪切輸運通量FE以及潮汐震蕩通量FT。

1.4 數值試驗設置

數值試驗綜合考慮上游徑流、外海潮汐和表面風的影響。其中，控制試驗的風況取枯水期平均風況，即北風風速5 m/s。為了了解不同北風風力對磨刀門咸潮上溯的影響情況，同時設置無風和強北風(北風風速10 m/s)作為對比數值試驗。模式計算時段為2009年1月1日至1月30日，其中1月1日至7日為鹽度分層穩定的過渡時段，取1月8日至30日的數據進行統計分析。

2 結果分析

2.1 磨刀門水道咸潮上溯基本規律

由于控制數值試驗中的風況取的是枯水期平均風況，因此能夠代表磨刀門枯水期咸潮活動的基本規律。圖7為小潮漲、落憩時刻磨刀門水道的鹽度縱向分布。

a) 漲憩

b) 落憩圖7 小潮漲、落憩時刻的鹽度縱向分布

由圖7可見，小潮期間，鹽度垂向分層較為明顯，層化發育較好，口外高濃度鹽水沿底部上溯，而上游徑流淡水主要從表層下泄，并在下泄過程中不斷與下部咸水層發生摻混，致使表層下泄水流的含鹽度沿程不斷升高，厚度不斷減小。小潮漲憩時刻(圖7a)，大井角、掛錠角及燈籠山的分層系數分別為0.74、0.94和1.16；沿磨刀門水道縱斷面L-L(圖8)，26 PSU高濃度鹽水已越過攔門沙，到達大井角下游約2 km的位置；口門至掛錠角之間的河道底部區域被20～26 PSU的高鹽水所覆蓋；2 PSU鹽度等值線位于距口門約31 km處，大致在燈籠山與竹銀之間。小潮落憩時刻(圖7b)，鹽度垂向分層現象較漲憩時刻更為顯著，垂向梯度較大，大井角、掛錠角及燈籠山的分層系數分別為0.96、1.20和1.59，咸淡水混合類型以高度分層型為主。小潮落憩時刻高濃度鹽水并未完全退出磨刀門水道，26 PSU鹽度等值線與漲憩時刻相比僅下移了約1 km；18～26 PSU的高濃度鹽水依然占據著口門至掛錠角之間的河道底部區域。

圖9為小潮后的中潮漲、落憩時刻磨刀門水道的鹽度縱向分布。中潮漲憩時刻(圖9a)，咸潮上溯強度達到最大，2 PSU鹽度等值線已越過竹銀。與小潮漲憩時刻相比，水道內的鹽水濃度顯著提高，但水體層化強度有所減弱，大井角、掛錠角及燈籠山3條垂線上的分層系數分別為0.64、0.63和0.83，咸淡水混合類型為部分混合型。中潮落憩時刻(圖9b)，鹽度垂向梯度較漲憩時刻明顯增大，大井角、掛錠角及燈籠山的分層系數分別為0.79、1.22和1.57，口門至上游10 km內河段水體處于緩混合狀態，距離口門10 km以上且鹽度大于2 PSU河段水體則以高度分層型為主。中潮落憩時刻，2 PSU咸界較漲憩時刻下移了約7 km，口門附近26 PSU鹽度等值線已退出磨刀門水道。

a) 漲憩

b) 落憩圖9 中潮漲、落憩時刻鹽度縱向分布

圖10為大潮漲、落憩時刻磨刀門水道的鹽度縱向分布。大潮漲憩時刻(圖10a)，潮汐動力較強，水體摻混劇烈，垂向鹽度梯度較小，大井角、掛錠角及燈籠山的分層系數分別為0.34、0.86和0.64，咸淡水混合類型為部分混合型。相比于小潮漲憩時刻，大潮漲憩時刻水面存在較為顯著的縱向鹽度梯度，同時掛錠角下游河段鹽度增加明顯，大量高濃度鹽水隨潮進入磨刀門水道。大潮落憩時刻(圖10b)，水道內鹽水濃度較漲憩時刻顯著降低，但鹽水分層現象明顯增強，大井角、掛錠角及燈籠山的分層系數均在1.0以上(分別為1.01、1.75和2.62)，為高度分層型。相比于小潮階段，大潮期間的咸界變化十分明顯，大潮落憩時刻2 PSU咸界較漲憩時刻下移了約9 km；大潮落憩時刻口門附近鹽度最大不超過20 PSU，表明高鹽水已完全退出磨刀門水道。

a) 漲憩

b) 落憩圖10 大潮漲憩時刻與落憩時刻鹽度縱向分布

以上研究揭示了枯水期磨刀門咸潮上溯強度在小潮轉大潮的中潮漲憩階段達到最大，大潮排水排鹽的基本規律。為了找出造成這一現象的原因，下面采用上述介紹的三項機制分解方法，進行斷面鹽通量機制分解，分析斷面的位置見圖8，分解結果見圖11。圖11中，咸潮上溯長度定義為沿河道縱剖面從河口口門到底部0.5 PSU鹽度等值線之間的距離。

a)三灶站潮位

b)咸潮上溯距離

c)N斷面鹽通量

d)S斷面鹽通量

e)E斷面鹽通量圖11 控制試驗工況下，各斷面鹽通量隨時間變化過程

斷面總鹽通量Fs的正負決定了鹽是在河口持續累積增加抑或是被沖淡而減少。Fs為正，鹽分向陸輸運，鹽在河道內累積，反之則向海輸運，鹽分減少。從圖11中可以看到，位于磨刀門主干的N斷面總鹽通量Fs在大小潮過程中發生了正負變化，在大潮轉小潮的中潮末期到下一個周期小潮轉大潮的中潮末期均大于零，而在其他時段則小于零。對于N斷面，其斷面總鹽通量Fs主要受向陸的穩定剪切輸運通量FE和向海的平流通量Qfs0控制，而潮汐震蕩通量FT較小，與其余兩者相比可忽略不計。

S斷面的鹽通量變化過程與N斷面略有差別，其FE通量顯著小于N斷面。這是由于穩定剪切輸運主要受縱向鹽度梯度影響。相較N斷面，S斷面更靠近口門，在大小潮變化過程中更易被高鹽水占據，故鹽度梯度不大，而N斷面介于高鹽水與低鹽水之間，鹽度縱向梯度較大，致使N斷面的FE通量顯著大于S斷面。

E斷面的鹽通量變化過程與N斷面和S斷面存在明顯區別。E斷面位于洪灣水道，水深較淺且斷面寬度較窄，受底摩阻及側邊界影響較大，水體摻混較強，鹽度縱向梯度不大，導致E斷面的FE通量較小，斷面總鹽通量Fs主要受平流通量Qfs0控制。與N斷面和S斷面相比，E斷面總鹽通量Fs在整個研究時段始終表現為向海輸送，表明在枯水期平均風況下(北風風速5 m/s)，洪灣水道是磨刀門主干往外海排鹽的通道。

2.2 北風增咸的動力機制

上一節以北風風速5 m/s作為控制試驗組，從動力機制上揭示了在枯水期平均風況下磨刀門咸潮上溯規律及鹽分輸運途徑。為了了解不同北風風力對磨刀門咸潮上溯強度及鹽分輸運途徑的影響，本節對無風和強北風(北風風速10 m/s)數值試驗進行分析。

圖12給出了無風工況下的三灶站潮位、咸潮上溯距離及斷面鹽通量變化過程。從咸潮上溯長度隨時間的變化過程可以看出，無風作用下咸潮上溯距離顯著減小(圖12b)，表明咸潮上溯強度與北風風速存在正相關關系。從斷面鹽通量變化過程可以看出，無風作用下各斷面鹽通量變化過程與控制試驗基本類似。對于N斷面和S斷面，其斷面總鹽通量Fs主要受向陸的穩定剪切輸運通量FE和向海的平流通量Qfs0控制；而E斷面總鹽通量Fs主要受平流通量Qfs0控制。對于E斷面，在整個研究時段內其斷面總鹽通量Fs始終為負，表現為鹽分由磨刀門主干經洪灣水道向外海輸送，表明在無風工況下，洪灣水道仍是磨刀門主干往外海排鹽的通道。

a)三灶站潮位

b)咸潮上溯距離

c)N斷面鹽通量

d)S斷面鹽通量

e)E斷面鹽通量圖12 無風工況下各斷面鹽通量隨時間變化過程

圖13給出了強北風工況下的三灶站潮位、咸潮上溯距離及斷面鹽通量變化過程。從咸潮上溯長度隨時間的變化過程可以看出，強北風作用下咸潮上溯距離顯著增大(圖13b)，進一步表明咸潮上溯強度與北風風速存在正相關關系。強北風作用下，N斷面鹽通量三分量及總鹽通量的變化趨勢與控制試驗相同，只在量值上存在些許差別。例如N斷面的穩定剪切輸運通量FE與控制試驗相比有明顯提高，這跟強北風作用下水道縱向鹽度梯度增大有關。而S斷面和E斷面鹽通量變化過程與控制試驗存在顯著不同。對于S斷面，強北風作用下其穩定剪切輸運通量FE和平流輸運通量Qfs0均有所增大，但平流通量Qfs0增大的幅度更大，致使在整個研究時段內其斷面總鹽通量Fs始終為負，表現為鹽分經橫洲水道向外海輸送。而在強北風作用下，E斷面的總鹽通量Fs始終為正，這與控制試驗及無風試驗情況下剛好相反，表明北風風速會影響磨刀門鹽分輸運途徑，在強北風條件下，洪灣水道成了磨刀門水道鹽分的主要來源。

a)三灶站潮位

b)咸潮上溯距離

c)N斷面鹽通量

d)S斷面鹽通量

e)E斷面鹽通量圖13 強北風工況下各斷面鹽通量隨時間變化過程

為了進一步說明強北風增咸的主要途徑為洪灣水道，在強北風試驗的基礎上，又增加了1組洪灣水道封堵的數值試驗。圖14、15為洪灣水道封堵前后，位于橫洲水道與洪灣水道分汊口上游的N斷面潮平均鹽度分布。從圖中可以看到，在洪灣水道封堵情況下，N斷面潮平均鹽度較封堵前顯著減小，這從側面反映了洪灣水道確實是強北風增咸的主要途徑。

a) N斷面小潮

b) N斷面中潮

c) N斷面大潮

圖14洪灣水道封堵前平均鹽度分布

a) N斷面小潮圖15 洪灣水道封堵后平均鹽度分布

b)N斷面中潮

c)N斷面大潮

續圖15洪灣水道封堵后平均鹽度分布

3 結論與展望

a) 枯水期磨刀門咸潮上溯強度在小潮轉大潮的中潮漲憩階段達到最大。造成這一現象的原因是磨刀門水道斷面總鹽通量在大潮轉小潮的中潮末期到下一個周期小潮轉大潮的中潮末期大于零，表明鹽分凈輸移方向為陸向，鹽分在河口不斷累積，至小潮后的中潮末期達到最大。

b) 北風風力的大小直接影響磨刀門水道鹽分輸運途徑：風力較小時，磨刀門水道分汊口以上的鹽分主要來自于橫洲水道，而洪灣水道則表現為磨刀門主干往外海排鹽的通道；但在強北風作用下，洪灣水道成了磨刀門水道鹽分的主要來源。這與蘇波等[8]基于原型觀測資料的研究結果是一致的。

本文在研究過程中僅考慮了風的表層剪切作用，并未考慮伴生波浪的影響。而實際情況下有風就有浪，難以將兩者割裂開來衡量。關于風、浪作用下能夠多大程度影響磨刀門咸潮活動，今后還需要進一步研究加以論證。另外，磨刀門河口受臺風影響較為頻繁。臺風期間氣壓驟降引起潮水位在短時間內異常升高，會對河口咸潮活動產生極大影響。由于臺風期間的一手水文資料難以獲取，目前有關風暴潮對磨刀門咸潮影響的論述很少，可作為今后研究的方向。