珠江河口东四口门流场结构与涡流研究

熊宇知，包芸，邓俊杰

(1.中山大学力学系，广东广州510275；2.中山大学海洋科学学院，广东广州510275)

珠江三角洲地区是中国经济较具活力的区域之一，人口稠密、经济发达，伶仃洋内航运繁忙，世界级港口广州港、深圳港货轮川流不息。自20世纪起，国内已有众多学者对珠江河口水动力进行研究。徐君亮等[1]对珠江口伶仃洋潮汐、潮流特性进行研究；唐兆民等[2]对虎门小尺度动力结构、凫洲水道对虎门的动力及沉积影响作了讨论。近年来国内对珠江河口径潮作用的研究愈加深入[3-4]。邓俊杰[5]指出伶仃洋岸线的向海扩张使得口门入海水道延长，涨潮流将越来越难以涨入口门。

伶仃洋三大河优型口门均在伶仃洋湾侧，潮优型口门虎门在湾顶(图1)。由于山潮比的不同，虎门与其他3个河优型口门会有明显的涨、落潮不一致现象[6]。珠江东四口门流场相互影响，区别于单一河优型或潮优型口门流场。并且，珠江东四口门附近通常是径流与涨潮流相遇区域。然而，目前对不同山潮比的口门相互影响下的流场结构及涡流研究较少。口门附近是浅滩发育主要区域，因此，分析伶仃洋流场结构有助于加深对伶仃洋水下地形发育演变动力过程的认识。

注：图中红线是2006年岸线图1 内伶仃洋岸线变化(m)

1 研究区域

伶仃洋位于广东省珠江口外，北起虎门，南至香港、澳门，宽约4 km，为一喇叭口型河口湾，潮差小于2 m，属弱潮型河口[7]。东起深圳赤湾，经内伶仃岛，西至珠海淇澳岛一线以北称为内伶仃洋，水域面积约1 041 km2 [8]。珠江八大口门的“东四口门”(自东向西分别是虎门、蕉门、洪奇沥、横门)连接伶仃洋河口湾，虎门多年平均山潮比为0.253，蕉门为1.664，洪奇沥为2.071，横门为2.664[6]。虎门为潮流优势型河口，其他三大口门为径流优势型河口，且三大河优型口门都在内伶仃洋西岸。

图1是1974—2006年内伶仃洋岸线变化，在近几十年内伶仃洋岸线变化巨大，西岸变化尤为剧烈[5]。受人类活动和自然因素双重影响，岸线向海扩张，岸线变化对航运和生态产生了深远影响，且主要发生在西岸。例如，以龙穴岛为中心形成鸡抱沙、万顷沙扩张，横门岛面积大幅增大。

2 伶仃洋整体模型

2.1 水动力模型

本文二维水流模型采用的是Telemac2d模型，这是一款基于有限单元法求解二维浅水方程的开源软件。该模型可用于模拟河流、河口和海岸二维水动力，可广泛应用于研究风暴潮、河流海岸动力学、潮波传播、泥沙和污染物输移等，采用的非结构化三角形网格对于重要区域可进行局部加密。童朝锋等[9]应用Telemac2d模型建立长江口盐水数值模型，计算不同径流、潮汐条件下崇启大桥桥墩区域的潮位和盐度变化过程。

图2 计算网格及水下地形(m)

本文应用Telemac2d模型对伶仃洋二维水动力进行模拟。模型上边界为黄埔、南沙、冯马庙、横门，下边界至约50 m水深处的陆架海，涵盖珠江河口东四口门。外海边界基于全球潮汐模型数据Topo8.2，Telemac2d模型自动将这些数据插值到伶仃洋外海东西两侧边界。南沙边界给定实测流量，黄埔、冯马庙和横门边界给定水位边界。图2中，河道内网格沿河势延伸，非结构网格数为86 462个，节点数为44 618个，网格疏密不一致，最大长度为1 350～1 400 m，处于网格右下方，最小网格长度为150～200 m，位于河道内。从外海至河口湾，网格变密，内伶仃洋网格最大长度为550～600 m，仅为外海的2/5。 时间步长为10 s。

2.2 模型验证

本研究根据1978年伶仃洋水文调查数据，对模型水动力作了验证。本文模型的洪季计算时段范围为1978年7月5日19时至7月13日13时，共187 h。模型验证的主要验证站是虎门，选取大虎水文站作为虎门口门验站，另外以赤湾为外海潮波传入内伶仃洋的潮波验证。图3中，大虎站计算流量与实测流量误差在10%以内；计算时段内最高潮位和最低潮位计算值与实测值之差绝对值基本在0.1 m以内，高低潮验证良好，验证结果符合要求且较为可信。

a) 赤湾湖汐水位

b) 大虎潮汐水位

c) 大虎流量

图3模型验证结果

3 流场结构与涡流

本研究在1978年实测数据基础上进行了水动力模拟，得到潮汐典型时刻流场图和涡度分布图。计算时段内各口门山潮比差异较大，虎门-0.204(涨潮量大于落潮量)，蕉门2.369，洪奇沥20.63，而横门在该期间并未发生潮流上涨。因模型计算时段在洪季，故数值模拟径流动力大于多年平均数据，尤其是洪奇沥和横门。结果分析表明，潮优型口门虎门与其他三大河优型口门存在明显的涨、落潮不一致现象，且各口门间存在一定夹角，口门流场相互影响。流场分析发现局部区域存在涡流，而涡度分布进一步验证了相应区域涡流的存在。以下是具体的结果分析。

3.1 内伶仃洋流场结构

以大虎站为涨落潮参考点，图4为大、小潮各个典型时刻流场。虎门和蕉门涨、落潮流存在一定夹角，流场分析发现珠江口东四口门有明显的涨落潮不一致现象。大潮涨急时刻，涨潮流由川鼻深槽涨入虎门口，流速较大，呈射流形态。部分川鼻水道涨潮流西偏经由凫洲水道涨入蕉门，近西岸涨潮流绕过万顷沙涨入蕉门。洪奇沥由于径流作用较强，涨急时流向仍指向伶仃洋。横门岛阻隔及较强径流使得涨潮流不能涨入横门，横门口门内在涨急时刻流向始终指向伶仃洋。在涨平时刻，涨潮流从川鼻深槽涨入虎门，但流速相较于涨急时刻要小。蕉门、洪奇沥和横门在涨平时的流向均向海。

在落急时刻，从狮子洋处来的落潮流在虎门口呈射流形态进入川鼻深槽。蕉门部分落潮流沿凫洲水道流入川鼻深槽，横门北支落潮流与洪奇沥落潮流汇合流入西槽(伶仃水道)。在落平时刻，虎门落潮流流入川鼻深槽，蕉门落潮流主要分两支，分别由凫洲水道和蕉门南水道流出。洪奇沥落潮流流入西槽，横门北支落潮流汇入洪奇沥落潮流，南支部分落潮流沿东北方向与洪奇沥落潮流相遇并汇入。落平时，内伶仃岛附近已经开始涨潮，因此在口门落潮流与外海涨潮流相遇处流场较为复杂。

小潮涨落潮流向与大潮涨落潮基本一致，但洪奇沥在小潮涨急时刻流向指向河道，而且小潮期间洪奇沥的涨潮总量也相较于净泄量要小。蕉门小潮涨急时也表现出更强的涨潮动力，这与本研究的实测数据(南沙断面流量)是相吻合的。1978年洪季在虎门断面以及赤湾—唐家湾断面山潮比最小值也出现在小潮至中潮之间[5]。这些证据说明口门小潮的潮流动力强于大潮是可能且合理的。

a) 大潮涨急

b) 大潮涨平

c) 大潮落急

d) 大潮落平

e) 小潮涨急

f) 小潮涨平图4 大、小潮涨落潮流场(m)

g) 小潮落急

h) 小潮落平续图4 大、小潮涨落潮流场(m)

3.2 内伶仃洋涡度分布

涡度是流体的运动学特征，反映海水微团的自转趋势及速度矢量旋度[10]。涡度和涡流有一定的关系，旋转角速度不全为零即为涡流。以大虎站为涨落潮参考点，图5是内伶仃洋大、小潮各典型时刻涡度分布图。逆时针涡流对应正涡度，顺时针涡流对应负涡度。内伶仃洋涡度分布存在东西部差异和涨落潮差异。在涨潮时期，内伶仃洋东部区域以负涡度为主，靠近口门位置西部区域以正涡度为主。在落潮时期，内伶仃洋东部以正涡度为主，西部区域以负涡度为主，且落潮时期涡度绝对值较大。

以大潮为例。在涨急时刻，内伶仃洋西部区域以负涡度为主，东部区域以正涡度为主。龙穴岛至蕉门之间浅滩区域正、负涡度相间，万顷沙东部及前缘部分存在正涡度区域，沿洪奇沥和横门落潮流方向也存在正涡度区域。在涨平时刻，龙穴岛至蕉门之间存在着正涡度区域，而在万顷沙前缘却存在负涡度区域。沿洪奇沥落潮流方向存在正涡度区域，且涡度值较大，横门外也有涡度值较大的正涡度区域。

a) 大潮涨急

b) 大潮涨平

c) 大潮落急图5 大、小潮涨落潮涡度分布(m)

d) 大潮落平

e) 小潮涨急

f) 小潮涨平

g) 小潮落急

h) 小潮落平续图5 大、小潮涨落潮涡度分布(m)

在落急时刻，内伶仃洋东部区域以正涡度为主，伶仃水道以西区域以负涡为主。龙穴岛至蕉门浅滩区域存在正涡度区域，在沿洪奇沥落潮流方向也有明显正涡度区域，且涡度值较大，横门外同样存在涡度值较大的正涡度区域。在落平时刻，龙穴岛至蕉门浅滩区域正、负涡度相间，在沿洪奇沥和横门落潮流方向同样存在高值正涡度区域。小潮涨落潮涡度分布与大潮大致一致，只是小潮涡度绝对值较小。

内伶仃洋在西部口门附近局部区域存在与整体分布相异的涡度区域。在涨潮期间，由于洪奇沥部分落潮流沿东偏南方向落潮，横门落潮流也同样沿东偏南方向落潮，故导致该局部区域出现与西部区域整体以正涡为主相异的负涡度。

3.3 内伶仃洋涡流

图6a是龙穴岛至蕉门之间区域在大虎涨平时刻流场。龙穴岛至蕉门之间区域潮流动力主要受蕉门和虎门涨落潮流控制。由于蕉门比虎门更早进入落潮，且虎门和蕉门之间存在一定夹角，川鼻深槽涨潮流西偏涨入凫洲水道与蕉门落潮流形成涨落潮流路分异。川鼻深槽涨潮流西偏涨入凫洲水道，受蕉门落潮流挤压在龙穴岛北部形成逆时针涡流，部分蕉门落潮流在凫洲水道西偏的涨潮流挤压下向北涨潮，还有部分蕉门落潮流在涨落潮挤压下向南顺时针涨入蕉门。图6b显示，在龙穴岛北部附近存在高值正涡度区域，在龙穴岛西侧存在负涡度区域。凫洲水道落潮流受涨潮流挤压向北逆时针涨入蕉门，这与涡度分布图中该区域为正涡度相符合。

a) 高分辨率流场 b) 涡度分布图6 大虎涨平流场和涡度分布(m)

a) 高分辨率流场 b) 涡度分布图7 洪奇沥涨急流场和涡度分布(m)

万顷沙东南前缘部分涡流的发生主要受万顷沙等地形边界影响。图7a是万顷沙前缘部分在洪奇沥涨急时刻流场，洪奇沥潮流流向海。洪奇沥落潮流和横门北支落潮流在南北向涨潮流挤压下涨入蕉门，在万顷沙东南方向遭遇蕉门落潮流挤压，沿万顷沙岸线向南落潮，而在万顷沙前缘又存在洪奇沥东向落潮流，这使得该区域潮流易发生剪切形成逆时针涡流。图7b显示在万顷沙前缘确实存在高值正涡度区域，万顷沙前缘潮流有逆时针旋转趋势，这与流场图是相互印证的。

3.4 内伶仃洋涡流动力沉积效应探讨

在涨落潮流路分异和地形边界限制下，涡流主要发生在口门附近。结合图1中岸线变化发现，涡流发生主要区域同样是岸线变化的剧烈区域。而涡流使得流速减小，这有利于悬浮泥沙沉降，有利于口门附近浅滩面积增大。图1中，龙穴岛附近浅滩经过近几十年变化，现已和鸡抱沙和孖沙连成一片，万顷沙近几十年也在沿前缘向前推进，这其中除了人工围垦因素，涡流也起到了一定的积极作用。

4 结语

本文在1978年实测数据基础上进行了水动力模拟，对模拟得到的流场图和涡度分布图进行分析，并将涡流发生重点区域与近40 a内伶仃洋岸线变化的主要区域进行对比，得出以下结论。

a) 与单独口门流场不同，珠江河口东四口门流场相互影响，蕉门、洪奇沥、横门及虎门之间存在一定夹角，且珠江河口东四口门及外海涨落潮不同步，这些原因使得口门附近发生涨落潮流路分异。

b) 珠江河口东四口门附近涨落潮流路分异使得潮流易发生剪切，在岸线和地形边界的共同作用下导致口门附近易发生涡流。

c) 涡流的存在有利于悬浮泥沙沉降，使得浅滩面积扩大，改变了伶仃洋的地形。涡流形成与地形密切相关，而涡流的存在反过来又会改变地形，这又增加了研究的复杂性。对于涡流与浅滩成陆等地形变化之间的规律还需要进一步研究。