磨刀门口夏冬季沿岸流特征及成因分析

高时友，何用，卢陈, 杨裕桂，吴门伍

(1.中山大学 地理科学与规划学院，广东 广州 510275；2.水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室，广东 广州 510611；3.珠江水利科学研究院，广东 广州 510611)

磨刀门口夏冬季沿岸流特征及成因分析

高时友1，2，3，何用，卢陈2，3, 杨裕桂2，3，吴门伍2，3

(1.中山大学 地理科学与规划学院，广东 广州 510275；2.水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室，广东 广州 510611；3.珠江水利科学研究院，广东 广州 510611)

根据2011—2012年磨刀门口的夏、冬季大、中、小潮定点观测资料，对欧拉余流、斯托克斯余流以及拉格朗日余流进行分析。结果表明：(1)外海测点的欧拉余流和拉格朗日余流，冬季在各潮型下均为一致的西南沿岸方向，夏季除东、西汊道点在强径流下表现为顺汊道指向外海方向，其余外海各点仍以西南沿岸方向为主；(2)斯托克斯余流远小于欧拉余流，夏季明显大于冬季，方向基本与欧拉余流相反；(3)冬季磨刀门口海域具有稳定西南向沿岸流特征，南海东北季风的驱动作用是其形成的主要原因；夏季磨刀门口各潮型下沿岸流特征各异，其影响的主要因素为径流和风，同时地形的影响不可忽略，特别是拦门沙形成的汊道分流作用，对强径流作用下水沙输移影响十分显著。

沿岸流；磨刀门河口；欧拉余流；斯托克斯余流；拉格朗日余流

1 引言

珠江河口动力条件复杂，沿岸流特征显著，形成机制复杂。珠江河口沿岸流规律及形成机制一直是众多学者和专家关注的焦点，应秩甫[1]认为在珠江下泄的径流和南海暖流的影响下，珠江口到湛江湾海域有一股常年存在的向西沿岸流，杨阳等[2]发现珠江冲淡水同时向粤西和粤东扩展，逯玲燕等[3]认为珠江口沿岸流冬季以粤西方向扩展为主，而夏季则主要向粤东方向扩展，Ou等[4]发现夏季珠江下泄径流输移方向与风的关系极为密切，当西南季风盛行时珠江冲淡水向东扩散更容易。杨士瑛等[5]发现夏季珠江口以西的近岸流大部分时间向西运动。磨刀门口沿岸流既有珠江河口沿岸流的统一特性，同时还具有其独特性。磨刀门作为珠江河口泄洪排沙主要通道，口门外沿岸流影响着咸淡水和泥沙的输运，认识口外沿岸流特征对磨刀门口门延伸和治理意义重大。董兆英等[6]认为磨刀门海区终年以下泄余流为主，近海区在径流不断扩散和沿岸流系的影响下，余流速度在不同水域变化较大，流向以西南为主。贾良文等[7]根据实测资料计算所得的密度弗劳德数，认为枯季磨刀门以浮力射流为主。方神光和王少波[8]根据实测水文资料，详细分析了磨刀门涨落潮时表底层的水动力特性。可见学者对磨刀门沿岸流研究的侧重点各不相同，系统地阐述磨刀门余流特征的研究并不多见。

珠江河口余流方向具有一定指向性，与长期径流、泥沙、营养物等物质输运关系密切，余流分布和特征一定程度反映沿岸流的变化特征。余流是河口物质输运研究的重点，早在20世纪60年代，Bowden[9]就将余流分解为欧拉余流和斯托克斯余流，欧拉余流是对定点潮流的时间序列作潮周期平均，斯托克斯余流表达的则是潮流变化项与水深变化项的潮周期相关大小，表征了水流输移量；将两者矢量合成可得到拉格朗日余流，表征物质净输移的大小和方向。本文以2011-2012年磨刀门口的定点观测资料为基础，分析磨刀门口夏冬季的欧拉余流、斯托克斯余流以及拉格朗日余流的分布特征，探讨磨刀门口沿岸流输移特征及成因。

2 数据资料

2.1 资料来源

珠江水利科学研究院受珠海市横琴岛经济区管理委员会、珠海蓝湾建设开发有限公司委托，开展了磨刀门水道横州口外河口夏季和冬季全潮水文测验海洋水文观测。如表1所示，冬季的观测时间为2011年12月4-13日，夏季观测时间为2012年5月7-14日，均分别监测了当月的大、中和小潮时间段。观测的内容包括海流、水温、盐度、悬浮泥沙以及海底表层沉积物，各测量要素每小时整点观测一次，连续观测1个潮周期。

表1 夏、冬季观测时间表

2.2 测点位置

磨刀门口海域位于横琴岛南面，东邻澳门海域，北接磨刀门水道，河口外正对一“人”字形拦门沙中心区，拦门沙中心区两侧分别为东南和西南方向的东、西汊道及东、西区拦门沙。如图1和2所示，定点监测时间分为冬季和夏季，测点位置以B和C来表示，各布置7个测点，具体坐标见表2。

B1位于磨刀门水道出口，B2、B3、B4自东向西分布于5 m等深线位置处，其中B3位于东汊出口处，B4位于拦门沙正南方，B5位于拦门沙西侧，B6位于10 m等深线并正对拦门沙，B7位于拦门沙西南侧的10 m等深线处。夏季测点与冬季略有偏差，其中C1同样位于磨刀门水道出口处，比冬季靠内侧，C3和C4正对于东、西汊道出口，C6点正对B3点，其他测点与冬季相同。

表2 测点位置表

图1 冬季测点位置Fig.1 Location of measuring points in winter

图2 夏季测点位置Fig.2 Location of measuring points in summer

2.3 分析处理方法

潮汐余流是由动量方程中的平流项、连续方程中的非线性项以及非线性底摩擦效应种种因素引起的，使其出现非线性效应，一般用拉格朗日法和欧拉法进行研究。欧拉余流适用于空间固定地点，而拉格朗日余流包含欧拉余流以及斯托克斯余流，它能完整地给出一个流体元的余流，为此依据实测水深和流速观测资料，选取夏季、冬季大、中、小潮汐周期整点分层数据，按以下方法进行分解计算。

(1)

(2)

x方向瞬时流速可以分解为：

(3)

水深可以表示为：

h(t)=h0+ht.

(4)

沿x轴方向的单宽潮周期平均输水量为：

(5)

(6)

其中，

(7)

(8)

(9)

3 余流分析

3.1 欧拉余流

3.1.1 冬季

如图3所示，冬季欧拉余流值整体表现为磨刀门出口位置小，外海各点位置大的特征。其中B1的大、中、小潮欧拉余流值分别为11cm/s、6cm/s、2cm/s。大、中潮的方向以落潮流方向为主，即顺磨刀门口指向外海，约为145°；小潮由于河道下泄径流量小，在外海较强的西南向输运动力下，其欧拉余流方向发生偏转，变为228°，即指向西南方向。外海B2～B7欧拉余流方向基本为240°，表现出明显的沿着横琴岛岸线，向西南方向输移的整体趋势。

3.1.2 夏季

如图4各潮型下的夏季欧拉余流值，表现为磨刀门出口大于外海各点的特征。在夏季强泄径流的影响下，C1欧拉余流值均较大，大、中、小潮分别为31cm/s、22cm/s、34cm/s，方向均为顺磨刀门口指向外海。夏季大潮外海各点除C3外，欧拉余流基本以沿岸向西南方向为主。C3由于位于东汊出口位置，在磨刀门水道径流量足够大的情况下，冲淡水沿东汊道下泄，因而形成了C3欧拉余流方向为沿东汊道方向，即133°左右。夏季中潮的外海各点的欧拉余流表现为一致的西南沿岸流特征，夏季小潮则表现为C2、C3、C4欧拉余流向西南方向，C6和C7向东方向。

图3 冬季欧拉余流Fig.3 Euler residual current in winter

图4 夏季欧拉余流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较小，最大值均出现在B1，大、中、小潮分别为4cm/s、1cm/s、1cm/s，方向基本与涨潮流方向一致，为顺着河道指向上游。受河口的束窄作用，潮流的斯托克斯输移作用明显加强，如图5。外海B2～B7斯托克斯余流均小于1cm/s，方向以东北方向为主，总体上各点的斯托克斯余流从大到小依次为大潮、中潮、小潮，斯托克斯余流大小值与潮汐呈正相关关系。

3.2.2 夏季

如图6，夏季斯托克斯余流与冬季类似，同样的是最大值出现在C1，方向为顺直河道指向上游，外海C2～C7斯托克斯余流均较小，除大、中潮的C3、C4以外，方向均以55°的东北方向为主。而大、中潮的C3由于受东汊涨潮流影响，其斯托克斯余流向为335°的西北方向，C4则由于受西汊涨潮流影响，其斯托克斯余流向为35°的东北方向。各潮型靠外海侧的C6和C7的斯托克斯余流值，小于靠口门的C3、C4、C5。分析其原因是由于涨潮过程中靠口门的水深逐渐变浅，使得涨潮流变化量与潮汐变化量正相关性更强。

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

图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

如图7，冬季拉格朗日余流均与欧拉余流相近，其中B1的欧拉余流为斯托克斯余流的3～5倍，方向正好相反，为此矢量合成的拉格朗日余流与欧拉余流方向一致。其余的外海点欧拉余流均为斯托克斯余流的几十倍甚至上百倍，其大小和方向主要由欧拉余流决定。B1拉格朗日余流方向为顺河道向外海的145°为主，外海除B5以外，均为230°～250°之间，表现出一致的沿岸向西南方向流动的特征。

3.3.2 夏季

如图8，夏季拉格朗日余流同样表现为与欧拉余流相近的趋势，河道内的C1在强径流作用下，沿口门向外海的拉格朗日余流特征显著，外海各点的拉格朗日余流在不同潮型作用下则表现方向有所差异，总体表现为西南方向为主的特征。

图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，磨刀门口“2011.12”测次表现为显著的西南沿岸流特征，“2012.5”测次的沿岸流方向则表现为不确定性，而表征物质净输移大小和方向的拉格朗日余流与欧拉余流相近，说明沿岸流主要由形成欧拉余流的季风、径流、地形等因素决定。

(1)枯季盛行东北风(9月中下旬至翌年4月)；洪季盛行西南风(5月至9月上旬)；9月为西南季风转东北季风时段；5月为东北季风转西南季风时段。

南海是北太平洋西部最大的一个边缘海，是连接太平洋和印度洋的一条重要通道。海域上空，枯季盛行东北风，通常从9月中下旬到翌年的4月，洪季盛行西南风，通常始于5月，终于9月上旬。

(2)枯季东北季风是形成磨刀门口枯水期西南沿岸流的主要因素。

如图9所示，测量期间B2、B6测站表明，测区风向主要为N、NE、ENE向风，枯季风向稳定，平均风速接近6.0m/s，风力较为强劲，磨刀门口海域在南海东北季风的驱动下形成稳定西南向沿岸流，各潮次的风速从大到小依次为大潮、小潮、中潮，与枯季沿岸流强度有较好的一致相关性，为此，在枯季磨刀门口下泄径流量偏小的条件下，枯季季风是形成磨刀门口西南沿岸流的主要因素。

图9 枯季逐时风速、风向Fig.9 Hourly wind speed and wind direction in the dry season

(3)“2012.5”测次的沿岸流方向不确定性，主要是由于5月转季风引起的，径流和风是影响沿岸流的主要动力，同时潮汐和地形作用也不可忽略。

洪季南海盛行西南季风，而5月份则正逢东北季风转西南季风阶段[10]。如图10所示的C2、C6测站风况数据表明，风向以东南向、南向为主，其中大潮以东南向为主，中潮则逐渐由南向转为东北向，小潮以西南和东南为主。

图10 洪季逐时风速、风向Fig.10 Hourly wind speed and wind direction in the flood season

由前面的数据统计结果可知，C1洪季大、中、小潮欧拉余流值分别为31cm/s、22cm/s、34cm/s，方向均为顺直磨刀门水道指向外海。根据珠江委水文局发布的流量数据，西江上游马口站5月日均下泄径流量在5 000～15 000m3/s之间，观测期大、中、小潮的马口实际流量分别为6 900m3/s、5 520m3/s、9 190m3/s。结合对应的马口流量分析可知，马口流量为从小到大依次为中潮、大潮、小潮，欧拉余流值也正好表现为小潮最大，中潮最小，即磨刀门河道出口的欧拉余流值的大小主要由径流量决定。

洪季的外海各点拉格朗日余流在不同潮型下有所差异，大潮阶段在径流和东南向风的共同影响下，东西两泄洪汊道表现为顺汊道的输移方向，外海余流主要为西南向沿岸输移特征。中潮阶段由于东南向风的存在，也使得余流为一致向西南向输移的沿岸流特征，小潮阶段由于逐渐转向西南风向，则出现了近岸点西南向飘移，远岸点东北向飘移的特征。即磨刀门口外海C2～C7测站洪季沿岸流以受径流和风的影响为主，主要偏向西南方向，同时潮汐和地形的影响也不可忽略，特别是拦门沙形成的汊道分流在强径流作用下输移特征十分明显。

5 结论

本文基于2011-2012年磨刀门口夏冬季的大、中、小潮7个同步海流及风况测点资料，统计分析了欧拉余流、斯托克斯余流以及拉格朗日余流的分布状况，讨论了磨刀门口沿岸流的成因，主要得到以下结论：

(1)欧拉余流和拉格朗日余流的大小和方向基本一致，磨刀门水道夏、冬季均以顺河道指向口外为主，夏季明显大于冬季。外海各点的欧拉余流和拉格朗日余流，冬季在各潮型下均为一致的西南沿岸方向，夏季的东、西汊道点在强径流下表现为顺汊道指向外海方向，其余外海各点仍以西南沿岸方向为主。

(2)斯托克斯余流远小于欧拉余流，夏季明显大于冬季，方向基本与欧拉余流相反。

(3)不同潮型的欧拉余流、斯托克斯余流和拉格朗日余流的大小和方向有所差异，其中斯托克斯余流与潮差有较好的正相关性。

(4)冬季磨刀门口海域具有稳定西南向沿岸流特征，南海东北季风的驱动作用是其形成的主要原因；夏季磨刀门口各潮型下沿岸流特征各异，其影响的主要因素为径流和风，同时地形的影响不可忽略，特别是拦门沙形成的汊道分流作用，对强径流作用下水沙输移影响十分显著。

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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。

水利部公益性行业科研专项(201501010)；国家自然科学基金资助项目(51409286)；珠科院开放基金([2013]KJ05)。

高时友(1978—)，男，安徽省庐江县人，主要从事河道与港航工程。E-mail：pearlgsy@qq.com

*通信作者：何用(1977—)，男，湖北省黄冈市人，工学博士，主要从事河口海岸动力学研究。E-mail：8459585@qq.com

P731.2

A

0253-4193(2017)05-0001-09

高时友，何用，卢陈，等. 磨刀门口夏冬季沿岸流特征及成因分析[J]. 海洋学报, 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