珠江磨刀门河口环流结构动力特征分析

2022-02-04卢陈吴尧杨裕桂袁菲

海洋学报 2022年12期

卢陈，吴尧，杨裕桂，袁菲

(1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州 510611；2.水利部珠江河口治理与保护重点实验室，广东广州 510611；3.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098；4.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东珠海 519000)

1 引言

河口的动力过程是河口泥沙等物质输运和沉积、地貌演变以及河口生态健康的重要基础。作为海洋与河流的交汇区，河口动力过程受到径流、潮流、密度、滩槽地形、科氏力和风等物理要素的共同影响[1–2]。复杂动力环境和边界条件驱动形成了平面环流、重力环流以及潮汐应变环流等为主导的河口动力环境，也是河口动力学研究的基本问题之一，关系到河口三角洲的水文过程、生态环境、河道变迁和冲淤演变等实际问题，研究环流结构的时空变化特征并探讨其物理机制，有助于提升河口水安全保障能力，促进区域经济社会高质量发展[3–4]。

由于动力条件和地形的空间变化，河口的环流结构呈现三维分布特征[5]。潮波在不同汊道间的传播过程中存在相位差，导致不同支汊轴向的动力过程呈现时空分布差异[6]，形成的平面环流结构影响各支汊间悬沙的交换和分配[7–8]。含盐水体随涨潮上溯的过程中，与径流作用时呈现层化与混合交替的现象，这种层化作用产生的河口纵向环流结构亦或是掺混时的湍流也对河口处表底层的悬沙输运有重要影响[9]。目前，对河口平面环流结构和纵向环流结构都开展了一定程度的研究，但河口平面环流较多地关注河口湾等中大尺度的环流变化特征，如Chesapeake 湾[10]、Ise湾[11]和Delaware 湾[12]等，而且对于河口纵向环流中的重力环流与潮汐应变环流的区分研究相对较少[13]。

作为粤港澳大湾区重要的泄洪纳潮口门和珠江河口最大的输水输沙通道，磨刀门河口的泥沙运动在多种动力要素作用下形成了中心拦门沙及两侧东、西汊道的典型地貌形态（图1），河口的径潮相互作用以及典型滩槽形态反过来又进一步强化了河口的平面环流及纵向环流结构，使之呈现更为复杂的时空变化特征[14–15]。准确识别磨刀门河口的环流结构，有助于深入认识磨刀门河口泥沙的搬运沉积及拦门沙塑造过程，能为磨刀门咸潮上溯等水安全治理、磨刀门出海航道布置等实际问题提供理论支撑。

图1 珠江口和磨刀门河口位置Fig.1 The location of the Zhujiang River and Modaomen Estuary

2 数据资料及研究方法

2.1 资料来源及测点布置

磨刀门作为典型的径流型口门，其环流结构和水沙动力随洪枯季径流变化而呈现显著的季节差异。根据磨刀门上游马口站的实测径流资料，其洪枯季多年平均径流量分别为10 900 m3/s 和3 339 m3/s。磨刀门河口三灶站大潮潮差可超2.5 m，小潮潮差则不足1 m，大小潮潮动力的周期性变化显著。河口口门区含沙量则呈现空间分布差异，洪季平均含沙量介于0.04～0.08 kg/m3，而枯季平均含沙量则介于0.01～0.02 kg/m3。

本研究选取包含洪枯季的河口潮流、盐度连续观测资料，分析磨刀门河口环流动力的时空变化特征。2016 年，珠江水利科学研究院在珠江河口成功投放12 个原型观测浮标站，其中磨刀门河口共布置3 个测站（图1），通过声学多普勒流速仪、OBS3A、风速风向仪等，分别监测其流速、流向、盐度、浊度、风速、风向等要素。本文重点选用3 个测站的2019 年6 月（洪季）和2019 年10 月（枯季）流速、流向数据进行分析，各测量要素的观测频率为15 min，声学多普勒流速仪测量的流速流向垂向分层设置为0.2 m 每层。

2.2 测点位置

如图2 所示，磨刀门河口测站分别布置于原滩槽格局的出口、东汊及西汊位置。其中A8 测站位于磨刀门水道出口大横琴水文站西侧，水深约为6 m，A9 测站位于原东汊槽道上，水深约为3 m，A10 测站位于西汊槽道出口，水深约为4.2 m，站点具体坐标见表1。

表1 测站位置表Table 1 The field measured sites

图2 珠江河口原型观测平台站点位置Fig.2 The location of the prototype observation platform in the Zhujiang River Estuary

2.3 研究方法

2.3.1 重力环流

基于分−汇汊道同步观测资料计算纵向密度梯度∂ρ/∂x，进而定量计算重力环流[9]：

式中，∆ρ 为表底层的密度差；∆u为速度差。

2.3.2 潮汐应变环流

混合参数是衡量潮汐应变环流的重要参考，可以用来研究潮汐应变环流的变化特征。本研究引入混合参数M区分垂向环流结构中的潮汐应变环流，混合参数M定义如下[16]：

式中，CD为底部拖曳系数；uT为水深平均的潮流幅值；ω为相应的潮流圆频率；N0=(βgsocean/H)1/2为河口最大盐度层化所对应的浮力频率，β ≅7.7×10−4为盐度膨胀系数，相应的socean为河口可能出现的表底层最大盐度差异；H为总水深。混合参数M代表了潮汐时间尺度和混合时间尺度之比，当M>1 时，混合时间尺度小于潮汐时间尺度，潮周期内出现混合和层化的交替变化，当M<1 时，混合时间尺度大于潮汐时间尺度，河口呈部分混合或强层化特征[13]。

2.3.3 河口余流

河口余流的物理机制除了受径潮作用的影响，还受风和纵向密度梯度的影响[17]。由于河口余流的周期远大于潮流，本文基于分–汇汊道洪枯季大小潮同步水流观测资料，使用低通滤波器定量计算河口余流。8 阶Butterworth 滤波器是定量汁算河口余流的有效方法，公式如下：

式中，H为滤波增益，半增益周期设置为48 h 以去除半日/全日周期的潮流信号；f为频率，而fc为半增益对应的频率；∆t为时间间隔；n为滤波的阶数。值得注意的是，驱动潮汐应变环流的物理机制为潮汐混合不对称，因此潮汐应变环流同样具有明显的潮周期信号，在低通滤波时可被有效地去除。

3 潮流特征分析

3.1 全年流速统计分析

在磨刀门河口，口门处（A8 测站）潮流受河道边界约束，涨、落潮流向基本与河道走向一致，呈西北–东南向；拦门沙东汊（A9 测站）、西汊（A10 测站）涨、落潮流与深槽走向基本一致，东汊潮流为西北–东南向，西汊潮流接近南–北向。受径流作用，河口各测站落潮流速显著大于涨潮流速，西汊年平均落潮流速为0.43 m/s，涨潮流速为0.23 m/s，落潮流速接近涨潮流速两倍；东汊年平均落潮流速为0.29 m/s，涨潮流速为0.2 m/s，东西汊涨潮流速较为接近，西汊落潮流速显著大于东汊（表2）。

表2 珠江口原型观测站磨刀门水域测站平均流速和流向Table 2 The statistical data of average flow velocity and direction at Modaomen based on the prototype observation platform in Zhujiang River Estuary

3.2 典型时空差异分析

选取典型洪枯季（2019 年6 月和10 月）磨刀门河口东西汊的潮流观测资料，研究磨刀门河口东、西汊潮动力的大小潮及洪枯季差异。西汊水动力强度明显大于东汊，东汊整体以东南–西北向涨落潮往复流为主，西汊则为南向略偏西落潮流主导，涨潮动力较弱且流向较为散乱。洪季整体落潮动力强于涨潮动力，枯季西汊涨落潮动力较为相当，涨落潮动力受径流季节变化影响显著。除此之外，涨落潮流速、流向随着周期性大小潮变化呈现波动特征（图3），西汊大潮期流速最大可超过1 m/s，小潮期流速最大仅为0.5～0.7 m/s；东汊大潮期最大流速接近0.5 m/s，小潮期最大流速基本不足0.3 m/s。

图3 2019 年6 月（洪季）（a）和10 月（枯季）（b）东、西汊流速流向和潮位特征Fig.3 The characteristic of flow velocity,direction and tidal level at east and west branches in June(flood season) (a) and October (dry season) (b) 2019

进一步研究洪枯季磨刀门河口涨落急最大流速、涨落潮平均流速及历时的时空变化特征，洪季落潮动力显著大于涨潮动力，西汊落潮动力显著大于东汊，西汊洪季落潮平均流速约为0.4 m/s，东汊洪季涨潮平均流速则约为0.15 m/s（图4a，图4b）。枯季磨刀门河口涨潮动力略有增强，落潮动力相应减弱。由于西汊在枯季仍为主要的径流下泄通道，因此其洪枯季差异较不明显；东汊则存在显著的洪枯季差异，枯季涨潮动力显著增强甚至大于落潮，落潮动力显著降低，其中最大落急流速仅为0.58 m/s，比洪季落急流速减小0.24 m/s，而东汊枯季涨潮平均流速增大至0.15 m/s，其洪季涨潮平均流速仅约为0.1 m/s。

其次，东、西汊的大小潮流速，尤其是流向存在显著的差异。整体来看，西汊为磨刀门河口主槽，动力作用较强，以西南向落潮流为主导，小潮期基本无涨潮流，大潮期存在较弱的东北向涨潮流；东汊水深较浅，动力明显较弱，以东南向落潮动力为主导，涨落潮流向较为散乱，大潮期涨潮动力增强，出现西北向涨潮流（图3）。

从图4c 中可以看出，洪季东、西汊的落潮流历时均超过16 h，涨潮流历时均不足8 h，东、西汊的涨落潮历时较为接近，东、西汊主要表现为同涨或同落。枯季西汊落潮流历时为15.6 h，远超过涨潮流历时9.2 h；东汊则基本相反，其落潮流历时仅为9.0 h，涨潮流历时为15.8 h。

图4 洪枯季涨落潮流速、历时差异Fig.4 The flood and ebb tide flow,duration difference at wet and dry seasons

4 环流结构分析

4.1 平面环流特征分析

从图5 可以看出，磨刀门河口洪季东、西汊涨落潮流历时基本一致，枯季东、西汊涨落潮流历时则存在明显的差异，枯季西汊落潮历时比涨潮历时长约6 h，表明西汊枯季以落潮流主导，东汊反之。因此，枯季磨刀门河口在潮周期一定时段内呈现东涨西落的平面环流形态。为进一步分析平面环流形态的洪枯季、大小潮差异，选取洪枯季大小潮时刻进行对比分析。从图5a 可以看出，洪季大潮时，径流动力和潮动力均较强，东、西汊的涨落潮基本同步，涨潮流速均超过0.2 m/s，落潮流速超过0.6 m/s，此时，磨刀门河口不存在平面环流形态。洪季小潮时，径流动力占主导优势，东、西汊均以落潮动力为主导，西汊均为落潮流，对槽道的冲刷塑造作用最强，最大流速接近0.8 m/s（图5b），东汊在涨潮时刻径潮动力较为相当，流速较小且涨潮流不明显。

对于枯季大潮，潮动力作用相对较强。东汊由落转涨时，西汊仍处于落潮阶段，西汊由落转涨的时刻滞后东汊约3 h，表明在此期间，东、西汊呈现东涨西落的平面环流形态，东汊涨潮最大流速接近0.4 m/s。而后西汊由涨转落时，东汊仍为涨潮流，两者相差约3 h，此时河口仍呈现东涨西落的平面环流形态（图5c）。对于枯季小潮，在涨落潮转流时刻，东、西汊同样呈现东涨西落的平面环流结构，但其持续时间较短，约1～2 h（图5d）。综上可知，洪季径流作用相对较强时，大小潮期磨刀门河口东、西汊涨落潮基本同步，表明强径流作用会抑制平面环流的产生。对于枯水期，尤其是大潮期潮动力较强时，转潮时刻前后是平面环流出现的时机。

图5 平面环流的时空分布特征Fig.5 Temporal and spatial distribution characteristic of the plane circulation

4.2 重力环流时空变化特征分析

结合磨刀门出口A8 原型观测平台资料，计算河口东、西汊的纵向密度梯度，进而利用式（1）的理论方法定量计算重力环流的时空变化特征。从图6 可以看出，河口东、西汊均呈现表层向海、底层向陆的重力环流形态，且表现出一定的时空差异性。

图6 重力环流时空变化特征Fig.6 Temporal and spatial variations characterisitic of gravity circulation

从东西汊差异来看，磨刀门西汊水深相对较大，西汊的重力环流强度大于东汊，西汊局部时段表层向海重力环流流速超过0.25 m/s，东汊表层向海重力环流流速最大约为0.2 m/s，东、西汊底层向陆重力环流流速差异相对较小。

此外，河口重力环流强度还呈现明显洪枯季及大小潮变化特征。从洪枯季差异和大小潮差异来看，当纵向密度梯度力较小时，枯季大潮期重力环流强度相对较大，小潮期重力环流强度有所减小，表层向海重力环流流速基本不足0.2 m/s，表明大潮期层化作用相对较强，小潮期表底层水体混合相对较好。洪枯季的重力环流同样呈现明显差异，枯季重力环流强度整体略大于洪季，对于西汊，枯季底层垂向环流强度相对较大，表明枯季河口的层化作用较为显著。实际上，河口沿程重力环流强度呈现不同的洪枯季及大小潮变化特征。对于磨刀门河口东、西汊中部，在潮流作用占主导的枯季大潮期，重力环流强度相对较大。而对于河口不同空间位置处在洪季小潮期，径流作用主导时层化作用较强，重力环流现象明显。

5 环流的动力机制

5.1 平面环流

影响河口平面环流形态的因素包括科氏力、滩槽地形、风以及沿岸流等物理要素。科氏力使得河口下泄径流存在向西偏转的趋势，因此在科氏力作用下，磨刀门河口无论洪枯季落潮流均以西汊为主槽，其水流水动力明显强于东汊。目前磨刀门西汊槽道深度约为4.2 m，东汊相对较浅，枯水期在科氏力作用下，径流量较小的下泄水流出现主要集中于西汊较深河槽，是导致枯季磨刀门河口东涨西落平面环流形态的重要原因。此外，滩槽地形也可直接影响平面环流的形成机制，由于不同汊道的长度、宽度、深度、平面形态等几何构型以及底摩阻等物理特性的不同，使得潮波在不同潮汐汊道间的传播存在振幅和相位的差异，在Berau 河口相关研究发现滩槽地形导致相连汊道的相位差超过2 h，是形成平面环流结构的重要物理机制[18]。

在南海东北季风的驱动下，冬季磨刀门口海域具有稳定西南向沿岸流，夏季磨刀门河口大小潮期的沿岸流特征各异，其受径流和季风共同影响。枯季稳定的沿岸流形态有利于平面环流结构的产生。总体来说，在涨落潮转潮期，东涨西落的平面环流形态有利于两汊中间位置处泥沙捕集，是促进磨刀门河口拦门沙发育的动力机制。而稳定的拦门沙及两侧汊道的滩槽形态，反过来亦是河口平面环流产生的重要物理要素，这反映了河口环流动力过程与滩槽形态的互馈作用。

5.2 河口纵向环流

水面纵向比降引起的正压效应、由盐水入侵引起的斜压效应与底摩擦引起的湍流混合效应之间保持平衡状态。早期研究中假定垂向上水体混合是恒定的，经典的河口纵向环流理论认为，河口盐淡水混合产生的纵向盐度梯度与河床纵向底坡度相互作用是其产生的物理机制，忽略了垂向混合和层化作用（垂向盐度梯度变化）对纵向环流的影响[1]。实际上，仅由斜压力，即纵向密度梯度驱动的河口纵向环流称为重力环流，是河口纵向环流的重要组成部分[19]。在前述研究中，在潮流作用占主导的枯季大潮期，重力环流强度相对较大，是河口纵向环流的重要组成成分。而在洪季较强的径流作用下，重力环流流速相对较小，河口垂向上水体混合较好。在长江口等一些国内外的重要河口研究中均发现，盐淡水混合引起的重力环流是河口纵向环流的重要组成部分[20]。对于弱层化型和部分混合型河口而言，重力环流则不是形成河口纵向环流的主要因素，如德国莱茵河口，美国哈得孙河口。本研究在磨刀门河口中对此进一步加以证实，因此经典理论中的重力环流在磨刀门的河口纵向环流物理机制研究中具有重要的指导意义。

实际上，除了重力环流，表征垂向水体在潮间混合和层化状态交替变化的潮汐应变环流也同样是河口纵向环流的重要组成部分，其驱动机制主要为潮汐混合不对称性。为了深入分析磨刀门河口纵向环流的动力结构，区分重力环流和潮汐应变环流对河口纵向环流的影响程度[9]。本研究进一步引入混合参数M，探讨潮汐应变环流的时空变化特征。洪季混合参数整体大于枯季，大潮期混合参数大于小潮期。枯季小潮时，混合参数M为0.6～0.75，小于临界值1，表明此时水体的混合时间尺度长于潮汐时间尺度，没有形成充分混合及层化的交替变化状态，这可能与枯季小潮时河口整体动力条件较弱有关。洪季大潮时混合参数为1.51～1.89，均大于临界值1，表明磨刀门河口水体的层化与混合交替状态驱动显著的潮汐不对称性，从而产生潮汐应变环流，进而增强河口纵向环流强度。而洪季小潮和枯季大潮时混合参数较为接近，分别为1.05～1.55 和1.03～1.47，变化范围整体均大于1，表明存在一定程度的潮汐应变环流作用，但其数值小于洪季大潮的混合参数，这可能是由于洪季小潮较强的径流动力以及枯季大潮较强的潮动力对河口水体周期性的层化与混合存在一定的抑制作用。由于目前混合参数与潮汐应变环流的定量关系尚未得到深入揭示，因此无法量化计算潮汐应变环流的具体大小，本研究仅作为不同洪枯季、大小潮期间其对河口纵向环流贡献的参考。

5.3 物质输运

通常来说，河口余流可以用来表征泥沙等物质的输移方向。计算余流常用若干个潮周期内平均或者利用滤波法去除主要分潮，在此基础上研究磨刀门河口东西汊洪枯季、大中小潮的垂向多层余流特征，分析东西汊在不同径潮动力下垂向的物质输运特征。

从图7 可以看出，磨刀门河口的余流呈现明显的表底层差异性和时空分布特征。洪季西汊呈现大量径流，在不同潮型下表底层余流方向均指向下游，此时潮动力仅对西汊的余流强度有所影响，而不改变余流方向，小潮期表层余流流速超过0.6 m/s，中层余流流速约为0.5 m/s，大潮和中潮期中上层余流流速约为0.3 m/s，相比小潮条件下余流流速减小（图7a）。由于枯季河口下泄径流量减少，枯季西汊的余流流速明显减小，小潮期垂向上余流方向均指向下游，表层余流流速可达0.4 m/s，大潮和中潮条件下余流流速较小，基本介于–0.1～0.1 m/s，整体来说径潮作用较为相当，呈现正压驱动的表层余流向海而斜压驱动的底层余流向陆，从余流的垂向结构看也表现为垂向环流结构（图7b），但由于大中潮期余流强度较弱，整体对物质输运的作用相对较小。对于东汊，无论洪枯季垂向的余流均表现为表层向海、底层向陆的分布特征。其中洪季表层向海余流相对较大，余流大小为0.2～0.3 m/s，近底层向陆余流量值超过0.1 m/s（图7c），枯季东汊表底层的余流强度较为相当，表底层最大余流均接近0.2 m/s，而方向相反，不同潮型条件下对余流强度的影响较小（图7d）。由于与河口滩槽地形塑造息息相关的泥沙运动主要集中在近底层，由于洪枯季条件下东汊底层的余流方向均向陆，因此东汊泥沙呈现向陆推移的趋势，这与近几年东汊汊道淤积特性基本一致。

图7 垂向河口余流的时空变化特征Fig.7 Temporal and spatial variations characteristic of vertical residual flow

结合前述分析可知，洪枯季不同径流作用下对磨刀门河口垂向的余流影响显著，无论东、西汊的垂向余流结构均表现出明显的洪枯季差异。潮差大小同样关系到河口余流的分布特征，尤其对于洪季西汊，不同潮差作用下余流强度变化明显，但不改变余流方向。潮差大小总体来说与底层向陆的余流强度呈正相关关系，而对表层的余流具有抑制作用。此外，枯季磨刀门河口典型东北季风条件会促进西汊表层的西南向余流，而对近底层泥沙输运具有显著影响的底层余流，其强度和方向直接关系到磨刀门河口拦门沙区域及两汊的地貌演变特性。总体上，余流强度及方向是直接关系泥沙等物质输运乃至河口冲淤的动力指标，而河口环流结构则通过影响垂向密度梯度使得水体呈现混合或层化状态，并改变紊动作用及湍流的垂向交换，进而控制着悬沙等物质的垂向沉降和扩散模式[3]。探讨河口余流及河口环流结构为研究磨刀门河口地貌演变提供了良好的水动力分析基础，而深入辨析河口余流及河口环流对物质输运的贡献度和作用机制仍有待进一步开展研究。