澳門東側水域夏季潮流動力時空變化特征

方神光,黃春華,喻豐華,王世俊,何 用

(1.珠江水利委員會珠江水利科學研究院,廣東 廣州 510611;2.水利部珠江河口治理與保護重點實驗室,廣東 廣州 510611)

伶仃洋河口灣是大灣區的核心地帶,近些年在強人類活動的影響下,河口灣地貌發生巨大變化,水域面積較歷史上減少約35%[1],珠江三角洲網河區河床要恢復至20世紀90年代水平至少需要127～180 a左右[2],中灘從2008年以來則形成了容積達7億m3的巨大采砂坑[3],圍墾導致河口岸線邊界急劇變化致使潮汐不對稱現象加劇,淺水分潮M4振幅總體呈增大趨勢,漲潮動力占優趨勢增強[4]。以1999年為時間節點,前期來水較20世紀80年代增大15.9%及河口區高強度采砂致使伶仃洋東四口門徑流動力增強,后期來水減少12.2%則導致虎門、蕉門徑流動力減弱而洪奇門和蕉門徑流動力增強[5]。伶仃洋河口灣屬于典型徑潮交匯區,洪季徑流動力強,河口鋒尤為活躍[6],河口羽狀鋒有關的鋒動力控制著珠江口的環流[7],在弱、緩混合型河口容易在縱向上出現上層凈流向海、下層凈流向陸的垂向余環流[8]。澳門東側水域位于伶仃洋口門西側,是洪灣水道和伶仃洋上游西灘水沙的重要通道[9],隨著澳門機場擴建、珠澳人工口岸及填海A區等工程建成,對該通道水流動力造成顯著影響。因此,本文基于澳門東側水域洪季連續觀測數據,探討了該水域半月時段內的潮流動力結構特征及主控動力因子,為河口灣治理和保護提供基礎支撐。

1 研究區域及數據收集

1.1 研究水域概況

珠江河口澳門附近水域位于珠江口西側,地處澳門特別行政區與廣東省珠海市之間,北緯22°06′39″～22°13′06″、東經113°31′33″～113°35′43″,西與磨刀門水道相連,東與伶仃洋相通、南與南海毗連。受島嶼分隔,水域內形成東、西向的澳門水道,該水道西接洪灣水道,東連伶仃洋,南北方向有灣仔水道和十字門水道,各水道互相貫通,呈十字形交匯,見圖1。澳門水道是澳門附近水域泄洪、輸沙和潮流的主要通道,其徑流和泥沙主要來自洪灣水道[10],分洪量約占磨刀門徑流量的 12%～18%[11]。澳門機場以東水域即伶仃洋西灘南部水域,本區域水面寬闊,近岸水深在3～5 m,離岸水深在5～7 m,是伶仃洋及澳門水道下泄水沙的過境通道。澳門附近水域位于不規則半日潮的弱潮河口,多年平均潮差1.03 m,日潮不等顯著,洪季漲潮流以N—NNE向為主,枯季以NNW—WNW向為主,落潮流為S—SW向[12]。

圖1 澳門水域

1.2 資料來源

本文采用的數據來自珠江河口A6(22.18°N,113.61°E)和A7(22.1°N,113.61°E)浮標站(圖1),兩站分別位于澳門東側水域的北端和南端,很好代表控制澳門水域的潮汐和徑流的動力特征;兩站點相距約11.2 km,分別位于-5、-6 m等深線附近(珠江基面);都使用聲學多普勒波浪剖面流速儀(浪龍1 MHz)采集流向、流速、水深等數據,數據垂向分辨率為0.3～0.5 m/層,垂向測量范圍為0.4～25.0 m,采樣間隔為20 min。本次分析選取時段為2020年6月21日至7月5日共15 d,對應農歷2020年5月初一至十五,潮型變化過程為:大潮→中潮→小潮→中潮→大潮,期間西北江上游主要控制站馬口站和三水站從6月26日—7月3日觀測到一次典型洪水過程,見圖2,持續時間約8 d,馬口站最大洪峰流量15 800 m3/s,三水(二)站洪峰值5 340 m3/s,出現時間都在6月29日,屬于珠江河口常遇洪水量級。

圖2 馬口站和三水站洪水過程線

1.3 研究方法

河口潮流受潮汐、徑流、風及地形等因素影響,流態較為復雜,潮周期內的主流向呈現隨季節和時間變化的趨勢。但潮流的漲潮和落潮特性判斷尤為重要,是開展河口動力特征分析的基礎,以往習慣采用潮周期內漲急和落急方向進行區分,存在較多的誤差和經驗因素;徐志揚等[13]通過尋找實測潮流矢量在某一方向流速分量絕對值之和的最大值方法來區分漲潮和落潮,更為科學和適用,但從動量定律的物理意義上略有不足。為更準確探討分析時段內海流的流動特征,避免潮汐漲落與潮流漲落部分時段不對應造成的誤差,此處引入主潮通量斷面的概念,該斷面對應潮流橢圓短軸,物理機制為通過該斷面的單寬潮通量最大(包括漲潮通量和落潮通量),該斷面兩側潮流矢量定義為漲潮或落潮時段。為探尋分析時長tm內的主潮通量斷面位置,任選一斷面,與N向夾角為θ1,通過該斷面的單寬總潮量為:

(1)

式中Fnθ1、Fj——單寬總通量和潮段通量;m——漲落潮時段的總和數量;Qin、Vin、hi——i時刻的單寬流量、流速和水深;tj、tj-1——漲落潮段起止時刻。

將該斷面按順(逆)時針旋轉,旋轉范圍為(θ1,θ1+180°),即可計算出通過不同短軸斷面的單寬總潮通量{Fnθ1,Fnθ2,…,Fnθk,…,Fn(θ1+180°)},則主潮通量斷面位置夾角為式(2):

θk=θkr,max{Fnθ1,Fnθ2,…,Fnθk,…,Fn(θ1+180°)}

(2)

獲得主潮通量斷面位置后,即可區分漲落潮矢量,將其分解到N方向和E方向,采用沿時間軸積分的方法即可求出潮周期內的時段漲(落)平均流速和余流流速。此處余流為沿水深和時間的平均,其計算模式概化為式(3):

(3)

根據定義[14]可知,此處主要給出歐拉余流,反應觀測點位置的凈輸運。

2 潮汐及潮流特征

2.1 潮汐組分

圖3給出了A6和A7站半個月時間內的海面高度變化,兩站半月平均潮差分別為0.4、0.6 m,最大潮差均出現在大潮期,A6站為2.18 m,A7站為2.42 m;A7站潮汐峰值出現時間較A6提前約1 h。采用Pan等[15]提供的MATLAB程序包S_TIDE對A6和A7站海面高度資料進行調和分析,調和常數結果見表1。兩站主導分潮相同,以M2和K1分潮振幅最大,為0.35～0.50 m;淺水分潮中,A6站M4淺水分潮振幅顯著大于A7站,主要原因是A6站水深淺且受岸線影響顯著所致。從澳門東側水域分潮振幅梯度[16]可見,O1分潮和M2分潮振幅由南向北傳播過程中呈顯著衰減趨勢,M4淺水分潮振幅呈顯著增強趨勢。顯然,A6站緊鄰澳門水道出口,水深較淺,受洪水徑流及淺水分潮影響更明顯。A7站遲角總體小于A6站,顯示潮波抵達A7站時間略早于A6。兩站潮汐類型計算(Hk1+Ho1)/HM2值[17]分別是2.07和1.68,為不規則半日潮型。

圖3 海面高度變化

表1 潮汐調和常數

2.2 流速及歷時特征

計算2020年所選時段洪季共15 d時段內的漲潮垂向平均流速、落潮垂向平均流速及垂向平均余流見圖4,口外側A7站整體漲落潮流速大于口內A6站;A6和A7站漲潮流向分別為N和NNE向,落潮流向都為S向,外海側A7站漲潮流態略東偏。兩站余流流速分別為2、6 cm/s,流向分別為NW和SSE向,外海側A7站余流流速明顯大于內側A6站。圖5顯示A6站漲潮流歷時比落潮流歷時略大2%,單寬漲潮量比落潮量大8%;A7站落潮歷時比漲潮歷時大6%,單寬落潮量比漲潮量大10%;顯示洪季半月潮內澳門東北側和東南側水域潮流特性存在明顯差異,東北側呈現漲潮流略占優,東南側水域為落潮優勢流,北、南側的岸線走向及水深地形差異是造成該現象的主要原因。A6站位于澳門水道出口外側約3 km,水深較淺且離岸很近,該位置M4淺水分潮影響比A7站大一個數量級,引起的潮汐和潮流不對稱作用是南、北側水域潮流特征顯著差異的重要原因之一。

圖4 漲落潮平均流速及余流

圖5 歷時及單寬潮量占比

3 動力結構時空變化特征分析

3.1 潮周期平均動力變化特征

珠江河口水域為不規則半日潮,以24.8 h為時間單位(天文潮周期),統計洪季連續14個完整潮周期的平均漲落潮矢量見圖6。A6和A7站潮周期漲潮平均流速時間變化線呈“V”字型,潮動力越強,漲潮流速越大,漲潮流速最小值出現在6月29日小潮期,疊加上游洪水徑流抵達口門影響,兩站分別僅為13、17 cm/s;A6站和A7站落潮流速主要取決于潮型,洪水徑流對其影響較小。A7站所在澳門東南側水域落潮流速整體大于漲潮流速,洪水期(6月27日至30日)最為明顯;A6站洪水期(6月28日—7月1日)落潮流速略大于漲潮流速,其他時段都為漲潮流速大于落潮平均流速。兩站潮周期內漲潮和落潮垂向平均流向較為穩定,隨時間變化幅度較小。

圖6 潮周期漲落潮垂向平均流速矢量

潮周期垂向平均余流矢量見圖7,A7站潮周期垂向平均余流流速變化范圍為4～16 cm/s,總體大于A6站的0～6 cm/s。上游洪水從6月26日起漲,過程持續時間約8 d,洪水抵達口門約1 d時間,A6站余流流速在洪水抵達的6月27日—7月1日小潮至中潮期基本為0,其他時段余流以西北向為主;6月27日—7月3日小潮至中潮期,A7站余流流速則顯著增大,7月1日達到最大15.4 cm/s,余流以南向為主,其他時段則以東向為主。因此,非洪水期,澳門東北側水域凈通量指向西北,東南側水域指向東側;洪水期,澳門東北側水域余流接近0,處于穩定靜止狀態,有利于懸沙沉降,東南側水域朝南側外海凈輸出為主。

圖7 潮周期垂向平均余流矢量

圖8為潮周期漲落潮流歷時變化,漲潮歷時和落潮歷時占比隨洪水期和非洪水期呈規律性變化,洪水期,A6站潮周期落潮歷時略長于漲潮歷時,其他時段都為漲潮歷時長于落潮;A7站潮周期落潮歷時顯著長于漲潮,其他時段為漲潮歷時長于落潮歷時。非洪水期,澳門東側水域為漲潮歷時長于落潮歷時,南、北側水域漲潮歷時和落潮歷時基本相近;洪水期,東南側水域落潮歷時顯著延長,東北側漲潮歷時和落潮歷時基本相等,因此部分時段澳門東側水域會形成潮流的輻散流態,容易導致東南側高鹽咸水的入侵。

圖8 潮周期潮流垂向平均歷時變化

3.2 垂向動力結構特征

3.2.1分層余流時空特征

圖9給出了A6和A7站潮周期內分層余流矢量,垂向為相對水深,0代表近水面層,1代表近河床底層。選取A7站海面以上2 m處實測風速,統計平均風速為4.75 m/s,以西南偏南風為主,最大風速近10 m/s,為正南風,日均風速為3.0～6.0 m/s;7月1日風向為東南風,日均風速2.7 m/s,為半月時段內最小日均風速。

圖9 余流垂向分層時空變化

6月29日—7月1日洪峰抵達口門前后,A6站水域分層余流流速很小,處于滯流狀態;其他時段,受海面西南風影響,表層(0.0)余流流速為10～20 cm/s,流向變化范圍為NE—N;0.1～0.4層范圍屬于過渡層,余流流態在時空范圍內呈順時針旋轉,由表層東北向過渡到0.5層的西向,余流流速在20 cm/s以內,呈典型余環流特征[8,19],極易導致懸沙的聚集和沉積[20];0.5～1.0層水深范圍余流流速為0～10 cm/s,以W—NNW向為主。東北側水域表層凈向東、底層凈向西的垂向余環流結構與洪季伶仃洋西側南北走向的河口鋒帶密切相關[21]。

受海面西南風影響,A7站半月時段內0～0.1近表層余流指向東北,余流流速在60 cm/s以內,7月1日受東南風及洪水影響,近表層余流轉為西向。A7站所在東南側水域近表層水體受西南風影響顯著,凈通量指向伶仃洋口門內側,中、底層仍朝口門外凈輸出,洪水期會加強徑潮流朝口外凈輸出的趨勢,余流垂向呈現典型河口風作用下的兩層流結構[22]。

比較風向與垂向分層余流流向,表層約10%水深范圍余流流向與海面風向具有較好的跟隨性,且影響可達水面以下40%的水深范圍;受其影響,澳門東側水域表、底層潮量凈輸運方向呈反向結構,南、北側水域在中、底層余流流向的分離態勢是海面風、岸線及地形影響共同作用的結果,會導致外海高鹽水體由中、底層向澳門近岸入侵。比較海面風向與潮周期垂向平均輸移方向(圖7),整體凈通量方向受海面風影響不明顯,受洪水影響顯著。因此,澳門東側水域海面風對近表層潮量凈通量影響顯著,但對河口潮流整體凈輸運影響不明顯[23]。

3.2.2流速垂向梯度及含沙量時空特征

圖10給出了A6和A7站垂向流速剪切梯度的時空分布。海面風影響下,近表層流速剪切梯度峰值一般出現在潮周期中的第二次漲憩(最高潮位)至落憩時段(最低潮位),其中漲急至漲憩時段內,海面風形成的流速剪切梯度主要局限在表層范圍內,落憩階段,其影響水深可直達水體底層,其原因主要是由于洪季盛行西南風,漲潮流向與風向接近一致,而落潮階段,風向與落潮流向相反所致。A6站所在澳門東北側水域垂向流速剪切梯度大多在0.5 m/(s·m)以內,由于水深較淺,海面風造成的垂向流速剪切梯度很容易影響到水體底層,導致部分時段河床底層流速剪切梯度較大。A7站水深相對較深,海面風影響主要局限在表層3 m水深范圍內,最大值流速剪切梯度也出現在洪水期6月30日落憩時段近表層1.5 m左右的水深位置,達到1.06 m/(s·m),大部分時段不超過0.10 m/(s·m)。比較可見,A7站位于澳門東南側外海,受海面風影響更明顯,最大垂向流速剪切梯度顯著大于東北側水域A6站,但由于水深較深,其影響主要局限在近表層水深范圍,最大流速梯度剪切力也出現在近表層;A6站位于澳門東北側水域,盡管海面風引起的流速梯度整體小于A7站,但由于水深較淺,其影響直達底層,在床面摩阻力的共同作用下,引起底層剪切應力顯著增強,整體大于A7站所在東南側水域床面剪切應力,且最大剪切應力也出現在近底層水域。

圖10 垂向流速梯度時空變化

水體垂向流速梯度與河口分層水體之間的剪切作用和紊動密切相關,流速梯度越大,剪切作用力越強,分層水體間混合作用也越強[24],紊動也更劇烈,水深較淺時,海面風引起的垂向剪切直達海床,與床面邊界層共同作用,容易造成床面泥沙的啟動和懸浮[25]。圖11給出了本次半月時段內A6和A7站在0.2層水深位置觀測的含沙量隨時間的變化過程線,該水深層內A6站和A7站平均含沙量分別為0.065、0.036 kg/m3。14個潮周期內含沙量峰值出現時間與低低潮位出現的落憩時段具有很好的對應關系,如A6站最大含沙量近0.16 kg/m3,出現在第14個潮周期的7月4日15至18點,對應該潮周期內17點左右出現的最低海面高度-0.78 m;A7站含沙量整體很小,峰值主要出現在潮周期內的第二次落潮及落憩階段,觀測到最大含沙量僅0.12 kg/m3,出現在第5個潮周期第二次落急階段,該站其他潮周期內的最大含沙量也總體出現在落憩時段。洪水期(6月27日—7月3日),A6站和A7站在0.2層水深范圍內平均含沙量為0.05、0.03 kg/m3,小于非洪水期的平均含沙量0.072、0.040 kg/m3,顯示洪季澳門東側水域海面風作用下的流速梯度剪切力增強引起的床沙再懸浮對水體含沙量影響更為顯著,而洪水期大量淡水徑流下泄在伶仃洋口門區形成的密度分層則抑制了底層泥沙向表層的輸運,可能是導致洪水期近表層含沙量低于非洪水期的原因。

a)A6站圖11 含沙量隨潮汐時空變化

b)A7站續圖11 含沙量隨潮汐時空變化

3.2.3垂向漲落潮歷時特征

圖12給出了半月時段內A6站和A7站漲落潮流歷時占比之差(漲潮流歷時占比-落潮流歷時占比)及兩站漲潮流歷時差的時空分布。A6站半月時段內表、中、底層沿水深方向漲潮歷時和落潮歷時總體相差不大,漲潮流歷時略大于落潮流,洪水期落潮流歷時長于漲潮流。A7站半月時段內表層大部分時間為漲潮流,中、底層則由補償流及洪水徑流影響等原因,落潮流歷時占優;洪水期間,主要是中層漲潮流歷時受到明顯影響,0.3～0.7層水深位置落潮流歷時顯著延長。

圖12 潮周期內的漲潮流歷時變化

由于A6和A7站距離較近,天文潮以M2分潮為主,漲潮和落潮流態基本相似,但兩站漲潮和落潮垂向歷時存在顯著差異。從圖12c可見(A7站漲潮流歷時占比-A6站漲潮流歷時占比),近表層為A7站漲潮流歷時顯著大于A6站,潮周期內平均差值約23%,中、底層為A7站漲潮流歷時小于A6站,尤其以6月27日—7月3日洪水期中層最為顯著,A7站漲潮流歷時比A6站平均小28%左右。因此,洪季澳門東南側水域表層漲潮流歷時顯著長于東北側表層水體、而中底層則小于東北側,導致澳門東側水域出現“表層匯、中底層散”的流態結構,洪水期該趨勢顯著加強,受西側岸線制約,形成的垂向動力結構會加劇表層沖淡水向東側漂移、底層高鹽水向近岸入侵。因此,澳門東側水域潮流特征的主導動力因子除潮汐外,海面風和洪水徑流影響也較為顯著;造成澳門東北側水域和東南側水域潮流動力差異的原因主要是A6站M4淺水分潮影響更為顯著,岸線和淺灘摩阻應力造成的潮汐捕集效應[26]影響到潮流歷時及相位差是造成南北動力差異的主要原因。

4 結論

基于澳門水域東側水域洪季實測數據分析,探討了澳門東側水文動力的時空變化特征。研究顯示:澳門東側水域主要由半日潮M2分潮和全日潮K1分潮主導,為典型不規則半日潮型。漲潮流態為N—NNW向、落潮流態為S向,漲潮垂向平均流速21～23 cm/s,落潮垂向平均流速18～29 cm/s,南側靠外海潮流動力更強。東南側水域落潮流占優,余流為東南偏南向;東北側水域則正好相反,漲潮流略占優,余流為西北向。潮周期平均流速和流向主要取決于潮型,洪水徑流作用主要對余流及歷時有明顯影響。洪水期,澳門東北側水域形成余流為0的滯流區,東南側水域凈潮通量指向外海方向。

水域垂向余流結構受海面風影響明顯,近海面10%水深范圍內余流流向與海面風向具有較好的跟隨性,并對近海面40%水深范圍內的垂向余流結構產生顯著影響;北側水域表層余流指向東北側伶仃洋,中、底層指向澳門水道方向;南側水域表層指向東北側伶仃洋口門內,中、底層指向西南側外海方向。洪季西南風作用下,水域最大流速剪切梯度出現在潮周期內落憩時段,東北側水域水深淺,影響直達床面底層,床面整體剪切應力顯著大于東南側;潮周期內最大含沙量出現在落憩時段,與流速梯度剪切作用具有很好的對應關系;由于洪季南、北側水域在垂向分層漲落潮歷時的顯著差異,部分時段形成“表層匯、中底層散”的垂向動力結構特征,加劇了表層沖淡水朝東側漂移、底層高鹽水向近岸入侵。