台风“纳沙”过境期间磨刀门水道咸潮上溯的动力机制

2019-07-09潘明婕罗照阳

水资源保护 2019年4期

潘明婕，杨芳，荆立，罗照阳，王青，孔俊

(1.海岸灾害及防护教育部重点实验室(河海大学), 江苏南京 210098; 2.南京昊控软件技术有限公司, 江苏南京 211100; 3.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州 510611; 4.生态环境部南京环境科学研究所, 江苏南京 210042)

磨刀门水道是中山、珠海、澳门特别行政区的主要饮用水水源地，其水质安全对周边城市的经济、社会发展有重要的影响。2000年以来，受河道疏浚、围垦工程、人工采砂等人类活动的影响，磨刀门盐水入侵问题日益严峻，极大地威胁到周围城市的供水安全[1]。磨刀门水道地处亚热带季风气候区，临近南海，容易受到热带气旋的袭击。根据1949—2008年在珠江三角洲登陆的热带气旋资料统计，平均每年有5.7个热带气旋在此登陆。受台风天气的影响，磨刀门水道盐水入侵的形势变得更为复杂。

针对河口地区的咸潮上溯问题，近年来国内外众多学者开展了深入的研究[2-3]。Li等[4]揭示了强台风影响下，半封闭海湾经历了强盐水上涌、盐淡水分层破坏以及台风过后受重力调整的再次层化过程。Gong等[5]基于大量实测数据，利用EFDC建立了磨刀门水道三维水流盐度数值模型，分析了枯季盐度输运动力特征，结果显示磨刀门盐水入侵主要受潮汐和径流的相互作用，大的径流量能有效抑制盐水入侵。刘吉等[6]通过分析2008年强台风“黑格比”登陆期间磨刀门水道纵向盐度变化发现，风暴潮期间磨刀门水体盐度具有突发、单峰特征，且盐度变化过程与增水过程基本一致。Burchard等[7]指出，在较弱盐度梯度力作用下，潮汐应变控制交换余环流(residual exchange circulation)形成纵向河口环流，且河口环流强度随盐度梯度的增大而明显增大。目前，关于台风对咸潮的影响，大多集中于定性和现象的描述，对其动力作用机制缺乏深入的探讨。

本文选取具有代表性的台风“纳沙”，基于SCHISM模型，建立了台风天气下磨刀门水道三维潮流盐度数值模型，并结合辛普森数(Simpson number)分析了台风过境期间水道河口环流形成的动力机制，同时采用盐通量机制分析法解释台风期盐度分布“双峰”特征形成的动力机制。

1 台风“纳沙”过境期间特殊动力条件与现象

图1为研究区域和水位、盐度测站位置示意图(图中S—S为水道沿程纵断面，断面TR为横断面，1、2、3、4为所选分析点)。“纳沙”为2011年登陆珠江的年度最强台风。结合表1可知，移动过程中“纳沙”先后于9月26日23时和29日7时两次加强到强台风强度且长期维持在台风强度。此次台风影响范围广、作用强度大，对我国海南、广东和广西以及菲律宾多地造成重大影响。

图1 研究区域和水位、盐度测站位置

“纳沙”过境期间，磨刀门水道出现严重的盐水入侵，平岗泵测站盐度过程呈现出特殊的“双峰”现象(图2)。该现象的形成还受到上游径流量影响，由于2011年珠江流域遭受干旱灾害，9月流量长期维持在2 000 m3/s左右，低径流量为咸潮上溯创造了有利条件。

图2 “纳沙”过境期间磨刀门水道表层盐度和流量过程

2 研究方法

2.1 数值模型

2.1.1模型建立

磨刀门水道三维水流盐度数值模型采用Zhang等[8]开发的、广泛用于河口海洋水动力问题研究的SCHISM跨尺度湖泊-河流-河口-海洋水动力模型。模型水平方向采用无结构网格(图3)，垂向采用SZ混合坐标，输运方程采用TVD2(高阶隐式平流格式)求解。上游流量边界和外海水位、盐度边界从珠江大范围潮流数学模型提取，二维模型范围及网格如图4所示。大范围二维模型上游流量边界为实测流量，外海水位由潮汐预报值和实测水位值综合率定调整得到，盐度边界为定值33 psu；风速条件采用构建的台风场计算得出，台风场由CCMP/NECP背景风场和台风经验模型风场合成得到。详细构建方法参见文献[9]。模型运行102 d达到稳定状态。

图3 磨刀门水道三维模型网格

表1 “纳沙”台风中心位置、气压、风速特征

图4 珠江二维模型网格

2.1.2模型验证

采用“纳沙”过境期间实测水位和表层盐度数据对磨刀门水道三维模型进行验证，水位和盐度测站位置见图1。模型验证结果如图5和图6所示，由于台风期外海风浪较大，大横琴测站部分盐度数据缺测。验证结果显示模型模拟结果较好，可用于后期计算分析。

2.2 辛普森数分析法

潮汐河口受水平水体密度梯度影响，潮周期过程水道中主要呈现出3种基本盐淡水状态：完全混合状态、应变致周期性层化(strain-induced periodic stratification，SPIS)状态以及持续层化状态[10]。采用辛普森数Si可以刻画潮汐应变的动态变化，其定义为应变引起的势能变化与湍动能产生率之比[7,11-12]：

(1)

其中

(a)三灶测站

(b)大横琴测站

(c)竹银测站

(a)大横琴测站

(b)挂定角测站

(c)平岗泵测站

η为潮位幅值。当辛普森数较小时，落潮时湍动能作用超过潮汐应变的层化稳定作用，导致水体垂向完全混合；当辛普森数处于中间大小时，水体呈现SPIS状态，即落潮期水体层化、涨潮期水体混合；当辛普森数较大时，河道长期处于层化状态[11]。针对不同河口，辛普森数的临界值有所不同，Simpson等[12]针对Liverpool Bay划定：完全混合和SPIS状态的临界值为8.8×10-2，SPIS和持续层化状态的临界值为8.4×10-1；而Stacey等[13]取0.2作为落潮期持续层化和混合的临界值，即此时垂向混合和SPIS作用相平衡。此外，辛普森数的临界值大小还受风应力[14]、地球自转和相对潮汐频率[15]的影响。

2.3 盐通量机制分析法

为分析台风期盐度输运的动力机制，采用Lerczak等[16]提出的盐通量机制分析法，其中总盐通量Fs表示为

Fs=〈∬usdA〉

(2)

式中：u为横断面法向流速；s为盐度；A为横断面面积；角括号表示33 h的低通滤波，角括号内横断面积分则得到瞬时的盐通量值。Fs可被分解为

Fs=〈∬(u0+uE+uT)(S0+SE+ST)dA〉≈

〈∬(u0S0+uESE+uTST)dA〉=

QfS0+FE+FT

(3)

式中：u0、uE、uT分别为潮平均断面平均的流速、潮平均断面变化的流速和潮汐变化断面变化的流速、S0、SE、ST分别为潮平均断面平均的盐度、潮平均断面变化的盐度和潮汐变化断面变化的盐度。机制分解结果显示，盐通量输运取决于潮平均断面平均的平流输运QfS0、潮平均剪切扩散FE和潮汐震荡FT三者动力输运的平衡。此外，Lerczak等[16]特别指出，FE和FT项主要驱动盐分向陆输运，而QfS0项主要受上游径流量影响，驱动盐分向海输运。

3 结果分析与讨论

针对纵断面沿程的流速、盐度分布，分析台风过境前、中、后期的变化差异，研究台风对磨刀门水道流速、盐度分布的影响；并采用辛普森数来定量分析磨刀门水道潮周期盐淡水混合状态，探究河口纵向环流的形成机制。此外，针对“纳沙”过境期间盐度分布的“双峰”性，设置数值试验并结合盐通量机制分析法，探究其形成的动力机制。

3.1 纵向水流盐度时空分布特征

通过分析台风过境前、中、后期纵向流速和盐度分布特点，详细对比不同时期纵断面差异性的动力特征，突出台风对纵向水流、盐度结构的影响。图7为三灶测站“纳沙”过境期间水位过程线(图中红色为潮周期历时)，统一选取落憩涨初时刻(图7中虚线)作为研究时刻，得到图1中S—S断面(从口门外拦门沙至竹银上游)流速、盐度分布如图8所示。

a. 台风来临前，磨刀门水道正处于小潮转大潮时期(图8(a))。21日小潮期垂向等盐度线分布最为密集，表底层盐度差较大，盐淡水分层最为明显。由于落憩时刻受盐度梯度影响，水道中普遍存在着表层向海、底层向陆的纵向环流，盐度从底层不断上溯。洪湾水道处盐度沿程分布不连续，盐度明显高于两侧，可见洪湾水道向主水道输送较多盐分，有助于盐分向上游扩散。此外，由于受倒坡地形影响，盐水被凸起的地形阻挡，小潮动力较弱，难以将盐水排出，从而囤积在上游水道中。

图7 “纳沙”过境期间三灶测站水位过程线

(a)“纳沙”过境前小潮期(2011-09-21T13：00)

(b)“纳沙”过境前中潮期(2011-09-24T16：00)

(c)“纳沙”过境前大潮期(2011-09-27T17：00)

(d)“纳沙”过境期间(2011-09-29T19：00)

(e)“纳沙”过境后(2011-10-01T9：00)

b. 24日中潮期(图8(b))，表底层盐度差减小，盐淡水分层相对小潮期减弱，水道中纵向环流强度也随着盐度梯度减小而有所减弱。但由于潮动力的增强，小潮期在水道中囤积的盐分得以向上游不断扩散，导致盐水上溯距离进一步增大。

c. 随着27日大潮期(图8(c))的到来，表底层盐度差锐减，盐淡水分层减弱，混合加强，盐水近乎垂直地退出水道，纵向环流基本消失。

d. 台风过境期间，磨刀门水道处于大潮转中潮时期(图8(d))。咸潮上溯本应较大潮期更弱，但受台风引发的外海增水影响，口门外高浓度盐水短时间大量涌入水道，导致水道中、下游盐度整体偏高且分层明显，进而在水道中部形成了较大范围的纵向环流。

e. 台风过境后，磨刀门水道大致处于中潮期(图8(e))，台风期涌入水道的盐水不断向外海排出。10月1日9时，台风影响基本消失，水道恢复正常天气下大潮后中潮期的流速、盐度分布状态，即水道混合较强，落潮时等盐度线垂直地退出水道。

3.2 河口环流形成的动力特征

采用辛普森数分析法，针对台风过境期间的特征潮周期历时(图7中红线)，分析水道沿程1、2、3、4点(图1)位置处的纵向环流形成的动力机制。4个沿程点分别位于磨刀门水道口门、下游水道中部、洪湾水道与主水道交汇处以及水道中游弯曲处。由于不同河口地形、动力条件的差异，辛普森数的临界值有所不同(表2)。本文结合磨刀门水道盐淡水混合状态的变化情况，参考Simpson等[12]以及Stacey等[13]研究成果，初步拟定辛普森数在0.08 ～ 0.12之间为SPIS状态，高于0.12为持续层化状态，低于0.08为完全混合状态。

表2 不同时期4个沿程点的辛普森数

a. 小潮期2、4点的辛普森数较大(>0.1)，其中2点的值超过0.15，可见该点附近产生持续层化，下游水道中部的河口环流不仅是由潮汐应变引起的，更主要的是强盐水体密度梯度力驱动下的重力环流；4点的值略小于0.15，水道中游盐度值相对下游整体偏低，水体密度梯度较小，局部纵向环流的主要驱动力还是潮汐应变，但是由于所处位置河道较为弯曲易于产生侧向环流，进而可能对纵向环流产生影响；1点的辛普森数最小，表示水体混合强烈，这主要与其所处位置密切相关，即口门处受潮汐混合作用最为强烈；3点的辛普森数为0.083 4，受洪湾水道潮周期性输水输盐影响，加强了水体混合，打破了主水道的高度层化状态，具有SPIS效应。

b. 中潮期仍是2点和4点的辛普森数较大(在0.09左右)，3点次之，1点最小。除口门1点变化不大，其余点位均较小潮期有所减小，表明潮汐混合动力增强，水道整体呈现SPIS状态。由于水道中水体密度梯度较小，重力环流较弱，河口环流主要由潮汐应变驱动且几乎只在落潮期出现。

c. 大潮期潮汐混合作用进一步加大，各点位的辛普森数进一步减小，水道以完全混合为主，仅落潮期出现弱层化状态，河口环流基本消失。小、中、大潮期辛普森数的变化与台风过境前纵断面流速、盐度分布变化(图8(a)(b)(c))相一致，解释了各时期环流形成的主要原因。

d. 台风期辛普森数的分布发生较大变化，1、2、3点较大潮期进一步减小，而4点却大幅增大，表明下游水道受台风影响混合更为强烈，而中游处随着盐水囤积增多，形成一定的水体密度梯度，导致水体层化。水道中纵向环流的形成，主要受潮汐应变作用，在落潮期出现，与图8(d)中环流出现时间及位置一致。

e. 大潮后中潮期辛普森数除1点外，均较大潮期有所减小，经过大潮期以及台风期强烈的混合作用，水道处于完全混合状态，与小潮后中潮的SIPS状态差别较大。

总体看来，辛普森数沿程分布存在差异，口门处1点辛普森数持续较小，水体长期处于完全混合状态，2、4点位置处在正常潮周期内，即从小潮至大潮后中潮期辛普森数不断变小，水道大体经历了“层化—SPIS—完全混合”的过程，3点受洪湾水道影响，比2或4点混合强烈，但是弱于1点。在洪枯季之交，上游径流量(马口站)为2 000 m3/s时，当水道处于高度层化状态时(小潮期)，纵向环流主要是受水体密度梯度驱动下的重力环流；水道处于SPIS状态时(小潮后中潮期)，纵向环流的形成主要受潮汐应变影响；水道处于完全混合状态时(大潮期及大潮后中潮期)，纵向环流几乎不可见。此外，辛普森数对台风的响应明显，改变了大潮后期水体完全混合的状态，水道中游出现特殊的SPIS状态，受潮汐应变影响落潮时形成纵向环流。

3.3 盐度分布“双峰”特征形成的动力机制

结合前文实测数据(图2)分析可知，台风“纳沙”过境期间，磨刀门水道盐度测站(平岗泵和挂定角)盐度变化过程呈现出“双峰”特征。针对这一特殊现象，设计去除“纳沙”影响的数值试验，并与经过实测数据验证的“纳沙”台风模型模拟结果进行对比，探究“双峰”特征形成的动力机制，结果见图9。

图9 挂定角测站盐度过程线模拟

从挂定角测站处的表层盐度变化过程可以直观地看出，盐度分布的“前峰”变化较为缓慢，而“后峰”的形成及衰落都十分迅速，且峰值高于“前峰”。去除台风影响后，盐度分布的“后峰”随之消失，表明“后峰”的形成与此次台风密切相关，而“前峰”的盐度几乎不变，应与此次台风无关。从潮周期来看，9月20日为小潮期，27日为大潮期，盐度“前峰”出现在25日，正是小潮后的中潮期。胡溪等[17]研究发现，磨刀门水道咸潮上溯过程具有明显的半月周期变化，盐水入侵在小潮期加强，在大潮期较弱，咸界上溯最远出现在小潮之后的中潮期，可见盐度分布的“前峰”很可能是周期性的盐水入侵所致。

通过计算“纳沙”台风模型和去台风影响模型三灶测站位置处的水位差，得到台风“纳沙”过境期间磨刀门水道大致的增水情况，如图10(图中时间以9月28日0时为起点“0”)所示。可见，此次台风增水约持续了36 h，最大达到1.0 m左右，使得磨刀门水道的外海动力加强，推动盐水向河道内涌入。

图10 三灶测站台风“纳沙”过境期间增水过程线

进一步计算水道断面TR(图1)的盐通量(图11)，从盐水入侵动力机制上对比分析盐度“双峰”特征形成的原因。由图11可见，9月20日小潮期总盐通量向陆输送，盐分不断向水道上游累积，其中平流通量和潮汐震荡通量变化不大，而剪切通量向陆输送明显增大，成为总盐通量向陆输送增大的主导因素。剪切通量与横断面流速分布有关，剪切通量增大表明表底层流速差大，盐淡水分层明显，重力环流不断加强，高浓度盐水从底层上溯，盐度分布不断上涨。23日之后水道进入中潮期，总盐通量转为向海输出，但量级较小，剪切通量有所减小，盐水从底层上溯变缓，盐度分布达到峰值。随着27日大潮的到来，剪切通量降到零点，总盐通量主要受平流通量控制，以向海输出为主，盐度分布逐渐降低。因此，在小潮转大潮的过程中，形成了盐度分布的“前峰”。此外，磨刀门盐水入侵长度受径流量影响很大，此次“前峰”产生的重要前提条件是，水道上游径流量长时间维持在2 000 m3/s左右。