北风对磨刀门咸潮上溯的影响机制

高晨晨，才多

(1. 上海市水利工程设计研究院有限公司，上海200061；2. 上海滩涂海岸工程技术研究中心，上海200061)

磨刀门是珠江干流西江的主要出海口门，也是珠江三角洲的主要泄洪通道和输沙通道，其泄洪量和输沙量均居珠江八大口门之首[1]。进入21世纪以来，磨刀门河口咸潮上溯日趋严重，主要表现为咸潮出现时间提前，影响范围扩大，持续时间延长。磨刀门水道作为珠江三角洲主要的饮用水水源地，枯水期咸潮上溯引起咸界上移，势必会影响两岸取水，导致供水安全问题，严重时甚至影响生产发展与社会稳定。因此，开展磨刀门河口咸潮研究具有重要的理论和现实意义。

迄今为止，国内外学者针对磨刀门咸潮问题开展了大量的基础研究工作[2-15]，如探讨了上游径流量变化[2-4,14]、外海潮汐动力[13-14]、海平面上升[11-12,15]、河床下切[9-10]、表面风应力[2,5-8]等因素对磨刀门咸潮的影响。其中，关于风对磨刀门咸潮活动的影响，黄新华等[5]较早进行过论述，认为东风和东北风会使洪湾、坦洲一带的咸害加重。彭靖[6]基于现场观测资料，初步探讨了风对磨刀门水道盐度分布的影响，认为当风向外海吹时，风的作用可等效为加大了上游径流量，从而促进表层水体向外海宣泄，同时底层水体的上溯也得到加强，形成明显的河口环流。风应力愈大，垂向分层愈明显，河口环流也愈强。闻平等[2]分析了磨刀门逐时风速风向资料和平岗泵站逐时含氯度资料，认为北风和东北风能显著增强磨刀门水道的咸潮入侵。苏波等[8]曾根据原型观测的盐度及风资料，分析了不同风向和不同风力对磨刀门咸潮的影响，认为在强偏北风作用下，洪湾水道水体盐分输运占主导作用；一般风力条件下，横洲水道水体盐分输运占主导作用。大量研究表明，北风能够加剧磨刀门水道咸潮上溯，但造成这一现象的原因尚无定论。鉴于此，本文基于MIKE3软件建立了磨刀门水道三维潮流盐度数学模型，根据数值模拟结果并结合盐通量分解方法，分析北风对磨刀门咸潮上溯的影响机制，以期为磨刀门水道水资源的保护和利用提供科学依据。

1 研究方法

1.1 模型建立

咸潮上溯是一个三维非恒定过程[16]。本文基于MIKE21和MIKE3模型，分别建立了珠江口大范围二维模型和磨刀门小范围三维模型，由大范围二维模型为小范围三维模型提供边界条件和初始盐度场。

大范围二维模型的计算范围与网格布置见图1。模型计算区域采用无结构三角形与四边形混合网格进行离散，网格的设计充分考虑了对地形边界的贴合，网格总数为91 161，节点总数81 049。二维模型共设有7个控制边界，4个上游边界分别取在石咀、高要、石角以及老鸦岗站。其中，石咀和老鸦岗边界给定模拟时段对应的实测潮位过程；高要和石角边界给定模拟时段的实测流量过程；模型的外海边界取在珠江口外南海-30 m等深线附近，其潮位过程由已建的中国近海潮波模型提供。由于距口门足够远，二维模型上游4个边界上的盐度均取为0 PSU，外海边界的盐度取为33 PSU。

图1 平面二维潮流盐度数学模型计算范围与网格布置

磨刀门三维模型的计算范围与网格布置见图2。模型计算区域水平向采用无结构三角形网格进行离散，外海区域网格分辨率较低，最大网格边长约1 800 m；主河道内网格分辨率较高，网格边长约100 m；窄细支汊局部加密，网格分辨率达到50 m以下。模型垂向采用σ坐标进行空间离散，分为等距的10层。三维模型共有4个开边界，上游开边界设在百顷头上游的外海大桥附近，给定流量过程；下游设3个开边界，给潮位过程。流量边界和潮位边界均由上述二维模型提供。此外，二维模型还为三维模型提供边界逐时盐度过程以及初始盐度场。三维模型中，垂向湍流采用标准k-ε模型计算，水平向涡黏系数采用Smagorinsky亚网格模型计算，风应力采用澳门气象站提供的逐时实测风资料。

图2 磨刀门三维潮流盐度数学模型计算范围与网格布置

1.2 模型验证

采用2009年1月的实测资料对三维模型进行了率定和验证。其中，潮位的观测时段为1月10日0时至1月13日23时；流速及盐度观测时段为1月12日14时至1月13日18时。各实测站点位置分布见图3，图中三灶、灯笼山、竹银为潮位观测站；M1—M8为流速和盐度观测点。

图3 站点位置

三维模型在斜压模式下连续运行30 d(2009年1月1日至2009年1月30日)。由于篇幅所限，这里仅列出了部分验证成果，见图4—6。验证结果表明，潮位计算值与实测值吻合较好，潮流与盐度计算值在大小及相位上与实测值基本一致。整体而言，模型结果能很好地反演磨刀门水道枯水期的咸潮运动规律。因此本文建立的三维模型可以用于枯水期磨刀门北风增咸的动力机制研究。

图4 潮位验证

a)M2测站流速流向 b)M6测站流速流向

图5流速流向验证

a)M2测站盐度图6 盐度验证

b)M6测站盐度

续图6盐度验证

1.3 盐通量分解方法

径流、重力环流和潮汐离散是影响河口盐分输运的重要因素。Hansen和Rattray[17]最早建立了包含这3个因素的理论模型，并采用通量机制分解方法研究河口盐度输运。此后，诸多学者在此模型的基础上相继提出了各自的机制分解方法，如Park和James[18]的十一项分解法以及Lerczak等[19]的三项分解法等。本文即采用Lerczak等[19]提出的方法进行断面盐通量的机制分解，将瞬时速度和瞬时盐度分解为u=u0+uE+uT，s=s0+sE+sT，其中以0、E、T为下标的各项分别表示潮平均的断面平均余流项、稳定剪切输运项以及潮流波动项。以φ代表瞬时流速u和瞬时盐度s，各项的定义如下：

(1)

(2)

φT=φ-φ0-φE

(3)

式中 尖括号——潮周期平均，取25 h；A0——潮周期平均的断面面积，m2；h——水深，m；η——自由水面高程，m。

由此可按下式计算断面总盐通量：

(4)

式中Qf——断面流量，m3/s；A——断面面积，m2。

由此，断面总盐通量Fs被分解成了3部分，包括平流通量Qfs0、稳定剪切输运通量FE以及潮汐震荡通量FT。

1.4 数值试验设置

数值试验综合考虑上游径流、外海潮汐和表面风的影响。其中，控制试验的风况取枯水期平均风况，即北风风速5 m/s。为了了解不同北风风力对磨刀门咸潮上溯的影响情况，同时设置无风和强北风(北风风速10 m/s)作为对比数值试验。模式计算时段为2009年1月1日至1月30日，其中1月1日至7日为盐度分层稳定的过渡时段，取1月8日至30日的数据进行统计分析。

2 结果分析

2.1 磨刀门水道咸潮上溯基本规律

由于控制数值试验中的风况取的是枯水期平均风况，因此能够代表磨刀门枯水期咸潮活动的基本规律。图7为小潮涨、落憩时刻磨刀门水道的盐度纵向分布。

a) 涨憩

b) 落憩图7 小潮涨、落憩时刻的盐度纵向分布

由图7可见，小潮期间，盐度垂向分层较为明显，层化发育较好，口外高浓度盐水沿底部上溯，而上游径流淡水主要从表层下泄，并在下泄过程中不断与下部咸水层发生掺混，致使表层下泄水流的含盐度沿程不断升高，厚度不断减小。小潮涨憩时刻(图7a)，大井角、挂锭角及灯笼山的分层系数分别为0.74、0.94和1.16；沿磨刀门水道纵断面L-L(图8)，26 PSU高浓度盐水已越过拦门沙，到达大井角下游约2 km的位置；口门至挂锭角之间的河道底部区域被20～26 PSU的高盐水所覆盖；2 PSU盐度等值线位于距口门约31 km处，大致在灯笼山与竹银之间。小潮落憩时刻(图7b)，盐度垂向分层现象较涨憩时刻更为显著，垂向梯度较大，大井角、挂锭角及灯笼山的分层系数分别为0.96、1.20和1.59，咸淡水混合类型以高度分层型为主。小潮落憩时刻高浓度盐水并未完全退出磨刀门水道，26 PSU盐度等值线与涨憩时刻相比仅下移了约1 km；18～26 PSU的高浓度盐水依然占据着口门至挂锭角之间的河道底部区域。

图9为小潮后的中潮涨、落憩时刻磨刀门水道的盐度纵向分布。中潮涨憩时刻(图9a)，咸潮上溯强度达到最大，2 PSU盐度等值线已越过竹银。与小潮涨憩时刻相比，水道内的盐水浓度显著提高，但水体层化强度有所减弱，大井角、挂锭角及灯笼山3条垂线上的分层系数分别为0.64、0.63和0.83，咸淡水混合类型为部分混合型。中潮落憩时刻(图9b)，盐度垂向梯度较涨憩时刻明显增大，大井角、挂锭角及灯笼山的分层系数分别为0.79、1.22和1.57，口门至上游10 km内河段水体处于缓混合状态，距离口门10 km以上且盐度大于2 PSU河段水体则以高度分层型为主。中潮落憩时刻，2 PSU咸界较涨憩时刻下移了约7 km，口门附近26 PSU盐度等值线已退出磨刀门水道。

a) 涨憩

b) 落憩图9 中潮涨、落憩时刻盐度纵向分布

图10为大潮涨、落憩时刻磨刀门水道的盐度纵向分布。大潮涨憩时刻(图10a)，潮汐动力较强，水体掺混剧烈，垂向盐度梯度较小，大井角、挂锭角及灯笼山的分层系数分别为0.34、0.86和0.64，咸淡水混合类型为部分混合型。相比于小潮涨憩时刻，大潮涨憩时刻水面存在较为显著的纵向盐度梯度，同时挂锭角下游河段盐度增加明显，大量高浓度盐水随潮进入磨刀门水道。大潮落憩时刻(图10b)，水道内盐水浓度较涨憩时刻显著降低，但盐水分层现象明显增强，大井角、挂锭角及灯笼山的分层系数均在1.0以上(分别为1.01、1.75和2.62)，为高度分层型。相比于小潮阶段，大潮期间的咸界变化十分明显，大潮落憩时刻2 PSU咸界较涨憩时刻下移了约9 km；大潮落憩时刻口门附近盐度最大不超过20 PSU，表明高盐水已完全退出磨刀门水道。

a) 涨憩

b) 落憩图10 大潮涨憩时刻与落憩时刻盐度纵向分布

以上研究揭示了枯水期磨刀门咸潮上溯强度在小潮转大潮的中潮涨憩阶段达到最大，大潮排水排盐的基本规律。为了找出造成这一现象的原因，下面采用上述介绍的三项机制分解方法，进行断面盐通量机制分解，分析断面的位置见图8，分解结果见图11。图11中，咸潮上溯长度定义为沿河道纵剖面从河口口门到底部0.5 PSU盐度等值线之间的距离。

a)三灶站潮位

b)咸潮上溯距离

c)N断面盐通量

d)S断面盐通量

e)E断面盐通量图11 控制试验工况下，各断面盐通量随时间变化过程

断面总盐通量Fs的正负决定了盐是在河口持续累积增加抑或是被冲淡而减少。Fs为正，盐分向陆输运，盐在河道内累积，反之则向海输运，盐分减少。从图11中可以看到，位于磨刀门主干的N断面总盐通量Fs在大小潮过程中发生了正负变化，在大潮转小潮的中潮末期到下一个周期小潮转大潮的中潮末期均大于零，而在其他时段则小于零。对于N断面，其断面总盐通量Fs主要受向陆的稳定剪切输运通量FE和向海的平流通量Qfs0控制，而潮汐震荡通量FT较小，与其余两者相比可忽略不计。

S断面的盐通量变化过程与N断面略有差别，其FE通量显著小于N断面。这是由于稳定剪切输运主要受纵向盐度梯度影响。相较N断面，S断面更靠近口门，在大小潮变化过程中更易被高盐水占据，故盐度梯度不大，而N断面介于高盐水与低盐水之间，盐度纵向梯度较大，致使N断面的FE通量显著大于S断面。

E断面的盐通量变化过程与N断面和S断面存在明显区别。E断面位于洪湾水道，水深较浅且断面宽度较窄，受底摩阻及侧边界影响较大，水体掺混较强，盐度纵向梯度不大，导致E断面的FE通量较小，断面总盐通量Fs主要受平流通量Qfs0控制。与N断面和S断面相比，E断面总盐通量Fs在整个研究时段始终表现为向海输送，表明在枯水期平均风况下(北风风速5 m/s)，洪湾水道是磨刀门主干往外海排盐的通道。

2.2 北风增咸的动力机制

上一节以北风风速5 m/s作为控制试验组，从动力机制上揭示了在枯水期平均风况下磨刀门咸潮上溯规律及盐分输运途径。为了了解不同北风风力对磨刀门咸潮上溯强度及盐分输运途径的影响，本节对无风和强北风(北风风速10 m/s)数值试验进行分析。

图12给出了无风工况下的三灶站潮位、咸潮上溯距离及断面盐通量变化过程。从咸潮上溯长度随时间的变化过程可以看出，无风作用下咸潮上溯距离显著减小(图12b)，表明咸潮上溯强度与北风风速存在正相关关系。从断面盐通量变化过程可以看出，无风作用下各断面盐通量变化过程与控制试验基本类似。对于N断面和S断面，其断面总盐通量Fs主要受向陆的稳定剪切输运通量FE和向海的平流通量Qfs0控制；而E断面总盐通量Fs主要受平流通量Qfs0控制。对于E断面，在整个研究时段内其断面总盐通量Fs始终为负，表现为盐分由磨刀门主干经洪湾水道向外海输送，表明在无风工况下，洪湾水道仍是磨刀门主干往外海排盐的通道。

a)三灶站潮位

b)咸潮上溯距离

c)N断面盐通量

d)S断面盐通量

e)E断面盐通量图12 无风工况下各断面盐通量随时间变化过程

图13给出了强北风工况下的三灶站潮位、咸潮上溯距离及断面盐通量变化过程。从咸潮上溯长度随时间的变化过程可以看出，强北风作用下咸潮上溯距离显著增大(图13b)，进一步表明咸潮上溯强度与北风风速存在正相关关系。强北风作用下，N断面盐通量三分量及总盐通量的变化趋势与控制试验相同，只在量值上存在些许差别。例如N断面的稳定剪切输运通量FE与控制试验相比有明显提高，这跟强北风作用下水道纵向盐度梯度增大有关。而S断面和E断面盐通量变化过程与控制试验存在显著不同。对于S断面，强北风作用下其稳定剪切输运通量FE和平流输运通量Qfs0均有所增大，但平流通量Qfs0增大的幅度更大，致使在整个研究时段内其断面总盐通量Fs始终为负，表现为盐分经横洲水道向外海输送。而在强北风作用下，E断面的总盐通量Fs始终为正，这与控制试验及无风试验情况下刚好相反，表明北风风速会影响磨刀门盐分输运途径，在强北风条件下，洪湾水道成了磨刀门水道盐分的主要来源。

a)三灶站潮位

b)咸潮上溯距离

c)N断面盐通量

d)S断面盐通量

e)E断面盐通量图13 强北风工况下各断面盐通量随时间变化过程

为了进一步说明强北风增咸的主要途径为洪湾水道，在强北风试验的基础上，又增加了1组洪湾水道封堵的数值试验。图14、15为洪湾水道封堵前后，位于横洲水道与洪湾水道分汊口上游的N断面潮平均盐度分布。从图中可以看到，在洪湾水道封堵情况下，N断面潮平均盐度较封堵前显著减小，这从侧面反映了洪湾水道确实是强北风增咸的主要途径。

a) N断面小潮

b) N断面中潮

c) N断面大潮

图14洪湾水道封堵前平均盐度分布

a) N断面小潮图15 洪湾水道封堵后平均盐度分布

b)N断面中潮

c)N断面大潮

续图15洪湾水道封堵后平均盐度分布

3 结论与展望

a) 枯水期磨刀门咸潮上溯强度在小潮转大潮的中潮涨憩阶段达到最大。造成这一现象的原因是磨刀门水道断面总盐通量在大潮转小潮的中潮末期到下一个周期小潮转大潮的中潮末期大于零，表明盐分净输移方向为陆向，盐分在河口不断累积，至小潮后的中潮末期达到最大。

b) 北风风力的大小直接影响磨刀门水道盐分输运途径：风力较小时，磨刀门水道分汊口以上的盐分主要来自于横洲水道，而洪湾水道则表现为磨刀门主干往外海排盐的通道；但在强北风作用下，洪湾水道成了磨刀门水道盐分的主要来源。这与苏波等[8]基于原型观测资料的研究结果是一致的。

本文在研究过程中仅考虑了风的表层剪切作用，并未考虑伴生波浪的影响。而实际情况下有风就有浪，难以将两者割裂开来衡量。关于风、浪作用下能够多大程度影响磨刀门咸潮活动，今后还需要进一步研究加以论证。另外，磨刀门河口受台风影响较为频繁。台风期间气压骤降引起潮水位在短时间内异常升高，会对河口咸潮活动产生极大影响。由于台风期间的一手水文资料难以获取，目前有关风暴潮对磨刀门咸潮影响的论述很少，可作为今后研究的方向。