风对枯季伶仃洋水体交换的影响

林若兰，刘洋，卓文珊，高延康

1. 中山大学地理科学与规划学院，广州 510275

2. 华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室，广州 510275

3. 中山大学土木工程学院，珠海 519082

4. 中山大学测试中心，广州 510275

0 前言

余流是海流中除去周期性的潮流后的剩余部分，珠江口余流的主要影响因素为径流、沿岸流、风海流、南海暖流造成的密度流以及地形边界[1]。河口湾的水体通过对流和扩散与外界水体发生混合，使湾内污染物质稀释，水体得到更新，因此水体交换作用是水质改善的动力。近几十年来珠江三角洲经济高速发展为河口水生态环境的保护带来一定的压力，2000—2009年珠江口海域的赤潮发生次数为36次，且年度累计总时间和总面积呈波动上升趋势[2]。因此研究珠江口余流特性和水体交换能力的影响因素，分析物质长期运输以及水体自净能力具有重要意义。目前研究珠江口水体交换和物质运输的影响因素主要集中在径流[3-4]、潮汐[5-6]、地形和岸线[7]。然而对于风这一影响因素的研究较少，且主要集中在渤海水域[8-10]。枯水期时由于径流作用的减弱，珠江口水体交换能力降低，而风对于水体的混合[11]及环流结构[12-15]具有重要的影响，因此研究风对珠江口水体交换的影响，可为珠江口水体交换和物质运输的影响研究提供补充。

目前研究水体交换的方法主要有: 实测指示剂浓度法[16-17]和模型法，模型法包括箱式模型[18]、拉格朗日水质点模型[19]和对流扩散模型[20-21]，由于对流扩散模型的物理过程与海湾中水交换过程更加相近，因此选择MIKE三维水动力模型与对流扩散模型结合，对珠江口伶仃洋水域的水交换和物质运输进行研究。计算不同风向的均匀季风场作用下伶仃洋的余流分布，分析浅滩和深槽的余流对不同风向的响应差异，研究风作用下的水交换能力的变化，为评价水体的环境承载能力、水生态环境的保护等提供理论支撑。

1 数据与方法

1.1 模型介绍

MIKE3三维水动力模型是在二维水动力的基础上在垂直方向对水体进行分层，对不同层的水体进行模拟。模型以连续性方程和水平动量方程为基础构建了三维浅水非恒定流控制方程[22]，湍流在模拟过程中用涡粘度表示，涡粘度分为垂直方向和水平方向两种传输过程。其中水平涡粘度用Smagorinsky提出的一个有效涡粘度来计算次网格下的传输过程。水动力学模块采用交替方向隐式迭代法对动量及质量守恒方程进行积分，对其产生的数学矩阵采用双精度扫描法进行求解[22]。模型考虑径流、潮汐、科氏力、密度流、风的作用等。除了水动力模块以外，应用 Transport模块计算保守物质的运移，同时考虑水体对物质的对流和扩散作用，计算水体交换能力。

1.2 模型范围及设置

模型研究区域包括东江、北江河网区和东四口门外的河口湾，上边界到达南华、三水、老鸦岗、博罗，下边界达到河口湾 25米等深线附近(如图 1)，垂向上按σ坐标划分了5层。模型采用非结构化三角网格，在外海开边界一带采取5 km的分辨率、内河道较宽部分用500 m的分辨率，部分细窄河道用50—100m 分辨率来达成计算精度与计算效率的平衡。网格质量方面，三角形内角在30°到100°之间以避免发散。计算区域共生成 33445个三角形网格，21766个网格节点，由于河口水域存在浅滩，涨潮淹没，落潮出露，故采用干湿动边界处理方法。率定参数及模型验证时上边界采用实测逐时流量或水位，下边界用经过校正的全球潮汐预测模型生成的同步外海边界潮位，地形数据采用1999年的河道地形数据，率定验证时的风数据采用深圳宝安机场同步风速风向数据。初始水位对模拟结果的影响有限，故将初始水位设定为0 m。

图1 研究区地形和测站分布Figure 1 Topography and station distribution in the research area

1.3 模型验证

近几十年珠江三角洲地区经济发展迅猛，人类活动剧烈，河道地形变化较大，故采用与 1999年地形较匹配的2001年水文数据。采用2001年2月8日至2月16日的实测水文数据，由同时期的水位-过水断面关系和流量数据计算断面平均流速，对水位和断面平均流速的模拟效果进行验证，模拟效果如图2、图3所示，在此仅列出部分站点的水位、流速模拟效果。

从模拟结果来看，各站点水位MAD(平均绝对误差)不超过 0.15 m，R(相关系数)均大于 0.95，NS(纳西效率系数)均大于 0.85，水位模拟效果良好，能准确反映研究区大小潮时期潮位变化。各站点的流速MAD不超过0.16 m·s-1，R均大于0.85，NS均大于0.7，流速模拟效果较好，能反映研究区潮流运动，模型具有一定可靠性。

图2 计算水位与实测水位的比较Figure 2 Comparison of computed and observed water levels

图3 计算流速与实测流速的比较Figure 3 Comparison of computed and observed flow velocities

1.4 试验设计

风是河口水体重要的动力因素之一，对表层水体产生顺风向的表面剪切应力，使其顺风流动，在底部产生反向的补偿流，促进河口地区垂向环流的发展，使水体垂向混合。倪培桐[23]研究表明强东北风可使河口区垂向涡动耗散项能耗增大1—2倍，改变水体垂向结构。珠江口冬季的常风向为北风、东北风，东风也较为常见，而根据上川岛气象资料冬季风的平均风速为 4.9 m·s-1[23]，风速整体较小，故在模拟试验中，水动力模块选取5 m·s-1的北向、东北向、东向均匀季风场作为风动力条件，边界条件选取2001年枯水期平均流量，从2001年1月9日开始模拟，模型运行90天。为分析风对伶仃洋的水体交换的影响，设置 Transport模块，同时考虑对流和扩散作用，以溶解态的保守物质作为水体的示踪剂，设置伶仃洋(东四口门与澳门-大濠岛南之间)水域的保守物质浓度为 1 mg·L-1，其余水域及上下边界的保守物质浓度均为0，计算在径流、潮汐、风等动力作用下的水体交换能力。

衡量水体交换能力的概念较多，包括水体半交换时间(Half-life Time)、平均存留时间(Residence Time)、水龄(Age)、更新时间(Turnover Time)等，本文采用平均存留时间Tr[24]衡量水体交换能力，Tr指进入研究区的物质离开该区域所需要的平均时间，公式如下:

式(1)中，Tr为水体的平均存留时间，C(t)为t时刻的水体中保守物质的浓度，C0为初始保守物质浓度。Tr越小，表明水体交换能力越强，反之则表明水体交换能力越弱。

2 结果分析

2.1 余流分析

余流主要由底摩擦、地形、边界形状、风等因素引起，是海流中的非线性部分，分别选取模型稳定后各风况下潮流场的周期平均来分析枯水期伶仃洋的欧拉余流。

对无风时小潮和大潮时表底层余流进行分析(如图 4)，小潮时潮汐动力相对较弱，水体受径流下泄影响，河口湾余流除岛屿、河岸附近部分水域由于潮波和地形的非线性作用产生向陆余流以外，其余水域的余流向海，表层余流比底层余流大，方向以南向或东南向占优。深槽区垂向环流发育，表层向海，底层向陆，垂向平均余流向海，由于表底层余流方向相反，深槽区的垂向平均余流较小(如图5)。内伶仃岛北侧的东南向的下泄余流绕过内伶仃岛分成两股从大濠岛东西两侧流向外海。受洪奇门、横门的径流下泄影响西滩余流也较为明显，方向为南向或东南向，在经过大濠岛以西时受地形和科氏力影响，底层余流方向逐渐偏西。大潮时余流总体与小潮时相似，但由于大潮时混合作用增强，盐度分层减弱，垂向环流减弱，深槽区表底层余流流向基本一致，且深槽区的余流比浅滩的余流大。

各风况下垂向平均余流如图 5所示，在其它条件相同的情况下，在小潮期间，在北风作用下深槽区底层余流上溯增强，从而使深槽的向海的垂向平均余流减小，西槽、东槽分别降低 0.8 cm·s-1、0.7 cm·s-1，而西滩、中滩、东滩南向及东南向的下泄余流分别增强 1.8 cm·s-1、0.4 cm·s-1、1.1 cm·s-1；在东北风作用下深槽区同样增强底层上溯余流，西槽、东槽的向海的垂向平均余流分别降低 0.3 cm·s-1、0.5 cm·s-1，而西滩、东滩的南向及东南向的下泄余流分别增强3.4 cm·s-1、0.4 cm·s-1，中滩余流变化不大；在东风作用下深槽的变化与北风、东北风相反，表现为深槽余流的下泄增强，西槽增强0.3 cm·s-1、东槽余流有微弱的增强，西滩的下泄余流增强 0.5 cm·s-1，而中滩和西滩的余流分别减弱0.4 cm·s-1、0.7 cm·s-1。结果表明: 在小潮期间，对于深槽区，北风、东北风促进垂向环流使深槽底层的余流上溯增强，垂向平均余流减弱，且北风影响大于东北风，东风则抑制垂向环流使深槽的下泄余流增强。对于浅滩，东北风、北风使 “三滩”余流增强，由于东滩、中滩的余流以东南向为主，东风减少余流的东向分量，从而使东滩 、中滩余流减弱，而西滩的淇澳岛以南的余流以南向为主，东风使该处余流增强，方向偏向西南。在北风、东北风或东风的作用下，都使淇澳岛以南、大濠岛以西的浅滩水域向西南偏转。

大潮时，与无风时相比，在风的影响下伶仃洋表底层余流方向是基本相同的(图略)，几乎都指向海。在北风作用下，西槽、东槽的垂向平均下泄余流分别减弱 0.4 cm·s-1、0.3 cm·s-1，西滩、中滩、东滩的下泄余流分别增强 1.0 cm·s-1、0.2 cm·s-1、0.5 cm·s-1；东北风作用下余流变化规律与北风相似，西槽、东槽下泄余流分别减弱 0.2 cm·s-1、0.4 cm·s-1，西滩的下泄余流增强0.9 cm·s-1，中滩和东滩余流强度几乎不变；在东风作用下西槽、东槽的下泄余流都增强 0.1 cm·s-1，而西滩余流增强 0.2 cm·s-1，中滩、东滩分别减弱 0.3 cm·s-1、0.4 cm·s-1。由此可见，大潮和小潮时期风对伶仃洋余流的影响规律相同，但大潮时风作用下的余流变化比小潮时小。

图4 无风时小潮和大潮时表底层的余流Figure 4 Residual currents in surface and bottom waters at neap and spring tides under no wind condition

图5 各风况下小潮时垂向平均余流Figure 5 Vertically averaged residual currents under various wind conditions

2.2 水体交换

按照上述模型设置，分析各情境下模型的模拟结果，由于篇幅所限在此只分析垂向平均的水体平均存留时间Tr。统计伶仃洋空间上的Tr，结果如图6所示。从空间变化来看，枯水期无风时，Tr等值线呈东北-西南走向，并在深槽区向北凸出。从北向南Tr先增加后减少，口门内Tr小于10天，伶仃洋中部Tr较高，深圳湾为最高值区，其Tr在80天以上。这是由于靠近口门处径流的冲刷作用强，因此水体停留时间较短；而靠近外海处由于水面逐渐宽阔，在潮汐的作用下水体扩散快，因此靠近外海Tr减小；深圳湾由于呈半封闭状，且湾口与潮波传播方向垂直，因此Tr较高，水体交换能力弱，这在一定程度上导致深圳湾海水富营养化程度很高、赤潮发生频繁。

与无风时相比，在北风、东北风作用下伶仃洋的Tr等值线变化呈现滩槽分异，在西滩区的Tr等值线向南移，而在深槽区向北移动，可能与风促进深槽区垂向环流有关。在东风作用下，Tr等值线形状变化不大。北风、东北风和东风的作用都使伶仃洋中部和南部的Tr降低，Tr大于70天的水域面积明显减少，大濠岛西侧水域的Tr明显减低。

图6 各风况下垂向平均水体存留时间的空间分布Figure 6 Spatial distribution of vertically averaged residence time under various wind conditions

将伶仃洋划分为内伶仃洋(东由赤湾经内伶仃岛，西到珠海市淇澳岛一线以北)和外伶仃洋。整个伶仃洋的Tr在无风条件下为37.9天，北风、东北风、东风作用下Tr变化1.7%、-4.5%、-6.0%，表明东北风、东风整体上促进伶仃洋水体交换，使水体Tr变小，而北风则使Tr略微增大。外伶仃洋和内伶仃洋的Tr及其变化有所不同，无风条件下外伶仃洋的Tr为58.1天，而内伶仃洋的Tr只有26.3天，比外伶仃洋小得多，这是由于内伶仃洋的水体在上游来水径流的冲刷作用下，水体交换作用强。内伶仃洋在北风、东北风、东风作用下Tr变化10.0%、5.7%、0.1%，北风、东北风使Tr增大，水体交换能力减弱，可能与北风、东北风促进垂向环流有关，使保守物质向外伶仃洋扩散减弱，东风作用下内伶仃洋Tr变化不大。而外伶仃洋在北风、东北风、东风作用下Tr均减小，分别为-5.8%、-13.5%、-11.6%，各风向都促进外伶仃洋水体交换。

3 讨论

对伶仃洋深槽区小潮时表底层余流方向相反，表层向海，底层向陆，而大潮时表底层余流方向几乎相同，都向海，这与王彪[25]得出的规律相似。这是由于大潮时混合作用增强，盐度分层减弱，垂向环流减弱，深槽表底层余流流向几乎一致，另外由于本模型在垂向上只划分 5层，有可能大潮时深槽存在较弱垂向环流，向陆水层较薄且向陆余流速度较小，使第 1层(底层)余流方向仍为向海，表现出表层、底层余流均向海。枯水期无风时内伶仃洋的Tr计算结果与裴木凤[3]的结果相近，而外伶仃洋的Tr相差较大，与外伶仃洋的计算范围及动力条件不同(风条件、上游径流量)有关。另外根据 2000—2009年珠江口赤潮发生次数实际统计数据，深圳湾及其附近海域是珠江口赤潮发生最多的水域，其次是伶仃洋西部珠海近岸及其附近海域[2]，这与本模型水体平均停留时间的空间分布结果相符，水体平均停留时间越长，水交换能力越弱，赤潮发生次数越多。

本文只考虑较长期的季平均风的影响，对于短期异常大风没有进行试验研究。另外波浪的影响也需要进一步的研究，今后的研究可增加波浪模块，考虑波浪与潮流的作用产生的近岸流对水域的水体交换和物质运输的影响。

4 结论

基于 MIKE3模型对东四口门及邻近海域的水动力特性进行模拟，计算在风作用下枯水期伶仃洋的余流和水交换能力的变化，主要结论如下:

(1)伶仃洋大小潮时期的深槽余流明显不同，小潮时深槽区的表底层余流相反，存在较强垂向环流，大潮时不明显。

(2)小潮时，北风使深槽区的垂向环流增强，垂向平均下泄余流减弱，使浅滩的下泄余流增强。东北风的影响与北风相似，但对西滩、东滩和中滩影响程度不同。东风抑制垂向环流使深槽的下泄余流增强，使东滩 、中滩余流减弱，而西滩的淇澳岛以南水域的余流增强。大潮时深槽和浅滩对风的响应规律与小潮时相同，但小潮时的余流变化幅度比大潮大。

(3)伶仃洋的Tr从湾顶到湾口先增大后减小，深圳湾为最高值区。枯水期在无风条件下伶仃洋整体Tr为 37.9天，径流的冲刷作用对水体交换影响较大，因此内伶仃洋(26.3天)比外伶仃洋(58.1天)的Tr小得多。

(4)在北风、东北风的作用下，Tr等值线的变化呈现滩槽差异，在浅滩向南移动，在深槽向北移动，这与风增强深槽区的垂向余环流有关。内、外伶仃洋对风的响应不同，北风、东北风使内伶仃洋Tr增大，东风影响不大；而北风、东北风、东风都使外伶仃洋的Tr减小，其中东北风的影响最大，5 m·s-1的东北风使Tr降低13.5%。