枯季伶仃航道三期工程对盐淡水混合的影响*

何为 朱良生 胡金鹏

(华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640)

枯季伶仃航道三期工程对盐淡水混合的影响*

何为 朱良生†胡金鹏

(华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640)

伶仃洋为一典型的复合型潮汐河口湾，以潮流动力作用为主.伶仃洋枯季盐淡水混合具有很大的时空变化特点，不能认为是单一的缓混合型；另外，航道加深会影响动力及物质输运.文中在动力地貌学的基础上，采用机制分解法和三维数学模式研究了航道三期工程前后航道的动力变化和盐淡水混合特征.结果表明：伶仃航道上、中、下3个区段的动力特点以及盐淡水混合机制不同；工程后陆架水从底层入侵河口比较明显；涨、落潮流速增大，航道的垂向环流明显增强；表层的流速增大幅度较底层大；工程后分层系数和环流系数都有所加大，盐淡水混合作用加强.

枯季；大潮；伶仃航道；盐淡水混合

广州港伶仃航道三期工程按10万吨级集装箱船不乘潮单向通航，兼顾12万吨级散货船乘潮单向通航、5万吨级集装箱船不乘潮双向通航的标准建设，航道长约71.84 km，航道有效宽度取243 m(应急避让区航道底宽为365 m)，设计底标高-17.0 m(理论潮面).现有成果利用一、二维连接数学模型研究工程实施后的动力及泥沙[1]、盐度[2]，认为航道疏浚会加强潮流上溯动力，有利于保持狮子洋及伶仃洋的潮汐动力，维持潮汐通道的稳定；口门咸潮呈轻微上升趋势[2].文献[3-4]中用Tk-2D软件建立伶仃洋二维潮流数学模型[3]和悬沙数学模型[4]，认为工程实施后南沙港区以南伶仃航道的涨、落潮流速有增加的趋势，邻近南沙港区附近航道段流速有减小的趋势[3]；航道淤积主要发生在大濠岛以北的伶仃航道段和进港航道段，沿程淤强变化由北向南呈递减分布，大濠岛以南航道的泥沙淤积很少[4].文献[5]中根据二维潮流泥沙数学模型计算分析，发现伶仃洋西槽和西滩淤积向下(海域)发展.

盐淡水混合是河口学研究的一个热点问题，早期研究的时空尺度比较大，以实测资料宏观分析为主[6-9]，近年来加强了对风、浪、流等多因素作用下盐淡水混合过程特点[10]和在潮周期内河口不同区段盐淡水混合机制的研究[11-12]，研究手段以数值计算为主[13-15].

伶仃航道中下段受到陆架水控制，航道的加深垂向环流加强，会诱导陆架水进一步入侵伶仃洋[16].航道加深引起的动力和盐淡水混合的变化是一个三维的问题，文中建立包括八大口门在内的三维水力学、盐度数学模型，研究伶仃航道加深后对航道动力和盐淡水混合的影响.

1 区域概况

伶仃洋是一个典型的复合型河口.西北三口门(蕉门、洪奇门、横门)以径流动力作用为主，虎门以潮流动力作用为主.伶仃洋以潮流动力作用为主.伶仃洋地形分为三滩两槽，即东滩、中滩和西滩，以及东槽和西槽(伶仃航道)，如图1(a)所示.

伶仃洋有三大动力沉积体系，即西北部的径流动力沉积体系、中上部的潮汐通道动力沉积体系、南部的陆架水动力沉积体系(如图1(b)所示)[16]，三大动力沉积体系控制伶仃洋的泥沙输运与沉积，也影响盐分输运，这三大动力沉积体系的相对强弱变化受上、下边界条件和大型工程(人类活动)的影响.这种动力地貌体系与以径流动力作用为主的长江河口有很大的不同[17].伶仃航道处于这三大动力的交汇过渡区，动力和物质输运较复杂.

2 数据与方法

2.1 数据来源

文中采用中山港二期扩建工程航道科研工作同步水文泥沙测验的水文数据，测验单位为长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局.水文测验时间段为2005年11月3日10:00至11月4日15:00，测验项目包括水流、水位、盐度、悬沙，代表水文组合为枯季大潮.测点位置见图2.

2.2 流速与盐度分解

(1)

(2)

则有

(3)

盐度可表示为

(4)

图2 水文测站位置图

水深可表示为

h(x,t)=h0+ht

(5)

单宽水体输运量为

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

单宽物质输运量为

(11)

式中,T1为平均流引起的物质输运项,T2为斯托克斯漂移项,T1+T2为平流项,T3为潮汐与物质含量的潮变化相关项,T4为物质浓度与潮流变化相关项(潮汐捕集项，潮泵项),T5为垂向流速变化和物质含量相关项,T6、T7为时均量与潮振动切变引起的剪切项,T8为垂向潮振荡切变作用项.

2.3 数学模式

ECOMSED是一个国内外广泛使用的水动力和泥沙输运模型，能够模拟环流、温度盐度、粘性与非粘性泥沙的输运、沉积与再悬浮.ECOMSED包括以下几个模块：水动力模块、泥沙输运模块、风驱波浪模块、热通量模块和粒子示踪模块.文中使用水动力模块模拟了工程前后的潮流和盐度的变化.模型上边界给流量，下边界给水位；垂向分层共15层；糙率取0.010～0.025.计算范围和局部网格配置见图3，验证图见图4.

图3 计算范围和局部网格配置

图4 模型验证图

3 结果与讨论

3.1 航道动力

根据动力地貌学，结合流场图(图5(a)、5(b))，将伶仃航道分为上、中、下3个区段.上段为蕉门南支汇入处上至南沙港区段，中段为汇入处下至内伶仃岛段，内伶仃岛以下为下段.

上段地形起伏较大，水深最大可达25 m，处于虎门潮汐通道动力轴线和伶仃航道动力轴线的交汇，其明显特点是：水流涡动比较大，处于涨、落潮流的转流区，流速的垂向分层较小.中段具有一轴两翼的动力特点(图5(a)、5(b))，一轴是指沿航道基本顺直的动力轴线，两翼是指来受到自西滩和中滩水流的挟持作用，中滩和西滩会加速伶仃航道的水流流速，落潮具有“归槽”作用，加大下泄流；涨潮时候，则有“分流”的作用.观测数据表明，位于西滩中部的7号测点涨潮最大流速大于落潮流速，漫滩水流减小涨潮时对航道水流的顶托作用，对于航道涨潮流速具有加大作用.下段地形平面形态突然展宽，受科氏力影响，水流动力轴线西偏，动力轴线并不与航道走向完全一致；枯季以涨潮动力优势，完全受高盐陆架水控制.

航道加深，涨、落潮流最大流速有所加大.落急流速增加幅度大于涨急，表层大于底层.内伶仃岛以下的外伶仃洋由于平面上展宽的幅度加大，水流向西扩散，位于航道下端的L1的流速增加的幅度不及航道中上段的L3和L5大.落急时段，工程后伶仃航道上段(近南沙港)航道加深2～3 m，加深幅度较大，伶仃航道分流来自凫洲水道和虎门的流量加大，落急流速增加幅度较大.由于受到来自西滩的水流汇入伶仃航道的影响，落急时段L3的底层流速增加幅度最大(如图5(c)所示).

图5 表层涨急流场、表层落急流场和流速变化图

Fig.5 Flood current field and ebb current field of surface layer as well as velocity change

西滩中部的7号点，工程后由于受到航道加深的影响，最大落潮流速大于涨潮流速，亦即西滩中部由涨潮动力优势变为落潮动力优势，加大了航道的落潮流速.

表层和底层流速的增加幅度不一样，引起余流垂向变化.伶仃航道表层余流向海，底层余流向陆，工程后垂向环流加大，中、底层余流向陆增加的幅度较大.通常把余流为零的位置称为滞流点，工程前伶仃航道底层滞流点在伶仃航道上端的南沙港区，滞流点不止1个，显示其水流条件复杂.虎门潮汐通道段潮流动力强劲，受工程影响较小，余流变化不大.由于航道上端疏通，下泄流加大，工程后表层滞流点向海移动1.5 km，底层滞流点向海移动0.6 km(如图6所示).滞流点有两种类型，按滞流点两侧的余流方向，可以分为相向滞流点(汇流点)和离向滞流点(分流点).航道上段处于两大动力体系的交汇区域，是涨落潮流的转流区域，表、底层余流较中、下段小很多.

图6 枯水大潮伶仃航道余流图

Fig.6 Residual circulation velocity of Lingding channel in dry season and spring tide

3.2 盐度输运

疏浚工程使得航道床底1～3 m的凹凸起伏变化变得更加平滑，底摩擦力减小，会促使陆架水上溯(如图7所示).陆架水上溯加强了河口的密度环流，也加强了涨潮流速.L1-L5由于航道加深，工程后落急时段流速增加幅度大于涨急时段，伶仃航道的平流输运项有增加的趋势.处于航道中段的L3和L4样点，来自蕉门南支和洪奇沥北汊的水流以及来自中滩水流的汇入，落潮流速较大，平流输运项较大；工程后汇流作用加强，平流项增大幅度较其他各点大.工程后潮汐捕集项T4增大；由于工程后垂向环流加大，垂向环流引起的向陆输运项T5有增加的趋势.其余各项变化不大.

图7 工程前后盐度等值线图

3.3 盐淡水混合

Simmons根据径、潮比M(混合指数)将河口分为3类[21]：M>0.7，为高度分层型(盐水楔、弱混合型；0.1

有学者认为分层会抑制水体的涡动扩散[22]，分层系数越大水体越稳定[6]，高度分层型河口混合作用较弱[7,23].也有学者[24]认为高度分层型河口混合作用也很强，河口盐淡水混合强度从上游到下游呈倒覆钟状曲线分布，即淡水混合强度呈先增大再减小的变化趋势.

盐水混合强弱具有很大的时空变化性，是一个动态变化的过程.分层会抑制水体的涡动扩散是在陆海动力处于相对平衡的相持状态才成立，潮汐和径流量为非恒定值，平衡状态持续的时间短.夏季，在高度分层的密西西比河口观测到分层界面发生强烈的卷积掺混作用，界面的平衡被打破，盐淡水混合作用很强.伶仃洋盐度层结状态随季节变化较大，洪季呈高度分层型，枯季则出现部分混合(缓混合).枯季大、小潮与涨、落及其不同的时段盐淡水混合变化很大，东槽和西槽以及上、中、下段差别也很大.

工程后伶仃航道环流作用加强，盐淡水的混合作用加强.盐度剖面图显示涨潮阶段，航道中上段表层的盐度上升较快，说明其混合作用较强，对盐水入侵比较敏感.

分层-环流图中，按分层系数自上而下可以分为3个区[6,25]：分层系数大于1.00的为高度分层区；分层系数在1.00～0.01之间的为缓混合区，又分为a、b两小区，a区混合较好，b区为弱混合或似层状；分层系数在0.01以下的为强混合区.以环流系数自左向右也可以分为4个区，1区无平流发育，盐淡水混合主要受潮汐影响的扩散作用；2区由扩散作用过渡到平流掺混作用为主，有异重流；3区为峡湾型河口两层结构；4区具有盐水楔的层状结构.

将伶仃航道分层系数和环流系数(如表1所示)，绘制在分层-环流图上(如图8所示).从现场测验资料看，6-9号点位于伶仃航道中段西侧，分层系数大于0.10，为缓混合型.9号测点分层系数最大，这与西滩汇入的盐度较低的水流有关.由于西滩和中滩水流的汇入航道，6-9号点环流系数依次增大.数学模型计算结果表明，工程前样点L1-L6自下而上分层系数依次减小，L2-L6环流系数依次减小；工程后除L1环流系数减小外，其余点分层系数和环流系数增大.

表1 盐度分层系数和环流系数

图8 枯季分层-环流图

枯季大潮伶仃航道表现为强混合，上、中、下段动力机制不一样.上段因为受到不规则地形及水流的交汇作用，涡动较强.下段受来自大濠岛西侧的强劲潮流动力占绝对优势，径流动力因扩散作用大大削弱，混合作用较强.中段掺混作用较强.

4 结论

综上所述，得出以下结论.

1)枯季大潮水文条件下，工程后航道的涨、落潮动力加强;垂向环流加强,表层余流向海增大，底层余流向陆增大.

2)工程后分层系数和环流系数增大，底层盐度增大的幅度较表层大；航道中上段表层盐度上升较下段快，对盐水入侵较敏感.

3)枯季大潮伶仃航道盐淡水混合表现为强混合.工程后伶仃航道的盐淡水混合作用增强.

[1] 刘俊勇，徐峰俊.广州港出海航道疏浚工程对珠江口水动力及河势稳定影响研究 [J].人民珠江，2006，4：11-14. LIU Jun-yong，XU Feng-jun.Probe into the index system for evaluating the health of the rivers in the Pearl River Basin [J].Pearl River,2006,4:11-14.

[2] 陈斌,杨聿,张强.广州港出海航道三期工程建设对咸潮上溯的影响分析 [J].人民珠江，2008，6：9-13. CHEN Bin,YANG Yu,ZHANG Qiang,Guangzhou port three phase channel project’s impact on salt water intrusion [J].Pearl River,2008,6:9-13.

[3] 李文丹.广州港出海航道三期工程潮流数学模型研究 [J].水道港口，2008，29(3)：179-184. LI Wen-dan.Numerical modeling of tidal currenton deep water channel project of Nansha Harbor District of Guangzhou Port [J].Journal of Waterway and Harbor,2008,29(3):179-184.

[4] 李孟国,韩西军,杨树森,等.广州港南沙港区深水航道水沙问题研究 [J].水动力学研究与进展,2008,23(3)：321-330. LI Meng-guo,HAN Xi-jun,YANG Shu-sen,et al.Study on tidal current and sediment problems of deep water channel project of Nansha Harbor District of Guangzhou Port [J].Chinese Journal of Hydrodynamics,2008,23(3):321-330.

[5] 胡小张.广州出海航道三期工程对内伶仃洋滩槽演变的影响 [J].水运工程，2011，6：94-105. HU Xiao-zhang.Effects of the third phase of Guangzhou seaward channel project on evolution of flats and channels of inner Lingdingyang [J].Port & Waterway Enginee-ring,2011,6:94-105.

[6] 应秩甫，陈世光.珠江口伶仃洋咸淡水混合特征 [J].海洋学报，1983，5(3)：1-10. YIN Zhi-fu,CHEN Shi-guang.Salt-fresh water mixing characteristics in Lingdingyang bay of the Pearl River Estuary [J].ACTA Oceanologica Sinica,1983,5(3):1-10.

[7] 金元欢，孙志林.中国河口盐淡水混合特征研究 [J].地理学报，1992,47(2)：165-173. JIN Yuan-huan,SUN Zhi-lin.Mixing characteristics of salt water and fresh water in Chinese estuaries [J].ACTA Geogrcaphia Sinia,1992,47(2):165-173.

[8] 潘定安，沈焕庭.闽江口的盐、淡水混合 [J].海洋与湖沼，1993,24(6)：599-607. PAN Ding-an,SHEN Huan-ting.The mixing of salt and fresh water in the Minjiang river estuary [J].Oceanologia ET Limnologia Sinica,1993,24(6):599-607.

[9] 沈焕庭,茅志昌,朱建荣.长江河口盐水入侵 [M].北京:海洋出版社,2003.

[10] SHI Zhong,LU Li-fang.A short note on the dispersion,mixing,stratification and circulation within the plume of the partially-mixed Changjiang River estuary [J].China,Journal of Hydro-Environment Research,2011,5:111-126.

[11] YUSAKU Kokubu,HIDEKATSU Yamazaki,TAKEYOSHI Nagai,et al.Mixing observations at a constricted channel of a semi-closed estuary:Tokyo Bay [J].Continental Shelf Research,2013,69:1-16.

[12] XIANG Pu,SHI John Z,HU Guo-Dong,et al.Circulation and mixing along the North Passage in the Changjiang River estuary [J].China,Journal of Marine Systems 2015,148:213-235.

[13] PURKIANI K,BECHERER J,FLÖSER G,et al.Numerical analysis of stratification and destratification processes in a tidally energetic inlet with an ebb tidal delta [J].J Geophys Res,2015,120(1):225-243.

[14] SCULLY M E,GEYER W R,LERCZAK J A.The influence of lateral advection on the residual estuarine circulation:a numerical modeling study of the Hudson River Estuary [J].J Phys Oceanogr,2009,39:107-124.

[15] SHI J Z,LI C,DOU X-P.Three-dimensional modeling of tidal circulation within the North and South Passages of the partially-mixed Changjiang River estuary [J].China J Hydrodyn,B22,2010,5(Suppl I ):656-661.

[16] 李春初.珠江河口湾三大动力-沉积地貌体系及其相互作用 [C]∥1997海岸海洋资源与环境学术研讨会文集.香港:[不详],1998.

[17] DAI Zhi-jun,FAGHERAZZI Sergio,MEI Xue-fei,et al.Decline in suspended sediment concentration delivered by the Changjiang(Yangtze)River into the East China Sea between 1956 and 2013 [J].Geomorphology,2016,268:123-132.

[18] UNCLES R J,ELLIORTT R C A,WESTON S A.Observed fluxes of water,salt and suspended sediment in a partly mixed estuary [J].Estuarine,Coastal and Shelf Science,1985,20:147-167.

[19] 陈子燊.珠江河口湾及其临近内陆架的纵向环流与物质输运分析 [J].热带海洋，1993，12(4):47-53. CHEN Zi-shen.Analysis on longitudinal net circulations and material fluxes in Lingding estuary,Pearl River and adjacent inner shelf waters [J].Tropic Oceanology,1993,12(4):47-53.

[20] 任杰，包芸，林卫强.珠江口伶仃洋水沙纵向输移特征分析 [J].热带海洋学报，2001,20(3):35-40. REN Jie,BAO Yun,LIN Wei-qiang.Analyses on water and suspended sediment fluxes in Lingdingyang estuary of Zhujiang river mouth [J].Journal of Tropical Oceanography,2001,20(3):35-40.

[21] SIMMONS H B,HERMANN F H.Effect of manmade works on the hydraulic salinity and shoaling regimes of estuaries [J].Memoir Geol Soc Amer,1972,13(3):555-570.

[22] GEYER W R.The importance of suppression of turbulence by stratification on the estuarine turbidity maximum [J].Estuaries,1993,16:1113-1125.

[23] SEHUBEL J R.Estuarine cireulation and sedimention:An reverview [J].Marine Geology and Oceanography of Arabian Sea and Coastal Pakistain,1984,2(5):113-136.

[24] 喻丰华，李春初. 河口盐淡水混合的几个认识和概念问题 [J].海洋通报，1998,17(3):8-12. YU Feng-hua,LI Chun-chu.Some problems of conception and cognition on estuarine fresh-salt water mixing [J].Marine Science Bulletin,1998,17(3):8-12.

[25] HANSEN D V,RACCRAY M.New dimensions in estuary classification [J].Limmol Oceanology,1966,11:319-326.

Impact of Lingding Navigation Channel on Fresh Salt-Water Mixing in Dry Season

HEWeiZHULiang-shengHUJin-peng

(School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Lindingyang bay is a typical complex tide-dominated estuary. In dry season, fresh salt-water mixing presents obvious temporal and spatial variations and cannot be regarded as a single partial mixing type. In addition,the dredged channel may affect hydrodynamics and material transportation. In order to reveal the dynamic change and fresh-salt-water mixing characteristics of Linding navigation channel before and after the third-stage engineering, a dynamical geomorphology analysis is conducted, and the mechanism decomposition method as well as the three-dimension mathematical model is adopted. The results shows that (1) Lingding channel can be divided into three parts, namely upper, middle and lower sectors, and the dynamic characteristics as well as the fresh salt-water mixing mechanism varies in different sectors; (2) after engineering, the shelf water intrusion from the bottom into Lingdingyang bay becomes obvious; (3) with the increase of the velocity caused by flood tide and ebb tide, the vertical circulation of the channel becomes strong.The surface velocity increases more significantly than that of the bottom;and (4) after engineering, the stratification and circulation coefficients both increase, and the fresh salt-water mixing effect is enhanced.Key words:dry season; spring tide; Lingding navigation channel; fresh-salt-water mixing

2016-06-27

国家自然科学基金资助项目(10902039) Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(10902039)

何为(1974-)，男，博士后，主要从事海洋动力学等研究.E-mail：772365131@qq.com

† 通信作者: 朱良生(1963-)，男，教授，主要从事海洋动力学等研究.E-mail：lshzhu@scut.edu.cn

1000-565X(2017)04-0138-07

U 612.1+6

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.04.020