澳门东侧水域夏季余流及通量的时空变化特征

喻丰华, 方神光, 何 用, 何 青

（1. 珠江水利委员会 珠江水利科学研究院, 广州 510611; 2. 水利部珠江河口治理与保护重点实验室,广州 510611; 3. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室, 上海 200241）

0 引 言

澳门东侧水域是洪湾水道、大九洲南向水流和伶仃洋径潮的主要通道[1]. 近年来, 港口航道、跨海大桥、围垦造陆、机场扩建等人类活动, 对区域水动力、水沙输移、水环境及冲淤演变环境造成了显著影响[2-5]. 余流是去除潮周期往复潮流后的剩余部分, 包括风海流、密度流、径流和潮余流等[6], 与过滤掉周期性潮汐之后形成的余水位相对应[7], 是反映河口潮流物质净输运强度的重要动力因子[8-10]. 赵焕庭[11]较早就系统总结了伶仃洋水域的水文动力及地质地貌特征, 指出: 伶仃洋水域常年表层余流的流向大多数为偏南, 下泄径流是主要因素. 韩保新等[12]首次对整个珠江口河口海区洪季潮汐和潮流进行了数值模拟, 指出: 珠澳近岸附近余流较弱, 仅为1 ～ 6 cm/s, 处于水体交换的滞流区. 陈子燊[13]根据单宽物质净通量公式分析了伶仃洋河口湾及邻近陆架净平流作用、潮抽吸与净环流的输运作用, 指出: 洪季该水域纵断面上净环流输运是盐分纵向通量的控制因素且方向指向上游, 其余季节以向海的净平流输运为主; 悬沙净通量受净平流及潮抽吸输运控制, 两者方向相反. 肖志健[14]根据珠江河口表层沉积的粒径分布趋势, 指出: 珠江河口及近岸区域10 m 以浅泥沙主要向南和西南运移, 与珠江冲淡水受科氏力影响向西南扩散的余流方向一致. 高时友等[15]基于磨刀门口外洪枯季定点观测数据, 分析显示: 该水域斯托克斯余流方向与欧拉余流方向基本相反; 冬季以季风驱动为主, 夏季主要因素为径流和海面风. 林若兰等[16]分析了风对枯季伶仃洋水域滩槽余流的影响, 指出: 北风和东北风能增强深槽的垂向环流, 浅滩余流也相应增强; 东风则总体起到抑制作用. 可见, 有关余流动力机制方面的理论研究和应用成果较为成熟和丰富, 被广泛用来剖析河口水域面临的各类滩槽冲淤和水生态环境成因.澳门水域处于大湾区的核心地带, 长期存在水动力不足导致的滩槽淤积及污染物滞留形成的水质恶化问题[17]. 因此, 本文基于澳门东侧水域布设的两座河口原型观测试验站 (A6 和A7) 洪季连续观测数据, 探讨了该水域半月时段内的余流特征及主要影响因素, 为河口湾治理和保护提供基础支撑.

1 研究区域及数据收集

1.1 研究水域概况

澳门附近水域位于伶仃洋口门西侧, 北纬22°06′39″ ～ 22°13′06″、东经113°31′33″ ～ 113°35′43″,西与磨刀门水道相连, 东与伶仃洋相通, 南与南海毗连. 受岛屿分隔, 水域内形成东、西向的澳门水道,该水道西接洪湾水道, 东连伶仃洋, 南北方向有湾仔水道和十字门水道, 各水道互相贯通, 呈十字形交汇, 如图1 所示. 澳门水道是澳门附近水域泄洪、输沙和潮流的主要通道, 其径流和泥沙主要来自洪湾水道[18], 分洪量占磨刀门径流量的 12% ～ 18%[19]. 澳门机场以东水域即伶仃洋西滩南部水域, 该区域水面宽阔, 近岸水深在3 ～ 5 m 之间, 离岸水深在5 ～ 7 m 之间, 是伶仃洋及澳门水道下泄水沙的过境通道. 澳门附近水域位于不规则半日潮的弱潮河口, 多年平均潮差1.03 m, 日潮不等显著, 洪季涨潮流以N—NNE 向为主, 枯季以NNW—WNW 向为主, 落潮流为S—SW 向[20].

图1 澳门水域图Fig. 1 Map of Macao waters

1.2 资料来源

研究数据取自珠江河口A6 (22.18°N, 113.61°E) 和A7 (22.1°N, 113.61°E) 原型观测试验站, 两站距离约11.2 km, 平均水深分别为5.16 m 和7.58 m (珠江基面), 采用声学多普勒波浪剖面流速仪(浪龙, 1 MHz)采集流向、流速、水深等数据. 数据垂向分辨率为0.30 ～ 0.50 m, 垂向测量范围为0.41 ～25.00 m, 采样间隔为20 min. 观测时段为2020 年6 月21 日—7 月5 日共15 d, 对应农历2020 年5 月初一至十五. 其间, 上游马口站和三水站从6 月26 日—7 月3 日观测到一次典型洪水过程 (洪水期),持续时间约8 d (图2). 马口站最大洪峰流量为15 800 m3/s, 三水 (二) 站洪峰值为5 340 m3/s, 出现时间都在6 月29 日, 属于珠江河口常遇洪水量级. A7 站观测了海面以上2 m 的风速风向数据, 采用的设备型号为GILL GMX500 风速风向仪, 观测频次为10 min. 观测期间平均风速为4.9 m/s, 平均风向为西南偏南风, 最大风速10 m/s, 正南风. A6 站潮动力最大出现在大潮期间的第2 个潮周期 (6 月22 日, 农历初二), 平均潮差约0.97 m. A7 站潮动力最大出现在大潮期间的第3 个潮周期 (6 月23 日,农历初三), 平均潮差约1.77 m. 洪水期处于小潮—中潮期, 呈现东南侧外海潮动力显著强于东北侧水域.

图2 马口站和三水站洪水过程线Fig. 2 Flood processes observed at Makou and Sanshui stations

1.3 余流计算方法

采用潮通量或物质通量方法[21-23], 可将余流区分为欧拉余流、斯托克斯余流和拉格朗日余流, 计算公式为

式(1)中:Q是单宽潮通量, m3/s;T是潮周期, min;z是垂向坐标, m;t是时间, min;u是任一时刻垂向坐标z位置的实测流速, m/s;是欧拉余流, m/s;是斯托克斯余流, m/s;是拉格朗日余流,m/s;h0是潮周期 (或分析时段) 平均水深, m;h是任一时刻实测水深, m. 欧拉余流为空间固定地点的平流净输移, 主要由长周期内的潮流与地形的非线性作用及科氏力等相对固定作用力形成; 斯托克斯余流则是潮流变化项与水深变化项的潮周期相关大小. 因此, 欧拉余流和斯托克斯余流的区分与分析时段长度及水域位置关系较为密切. 拉格朗日余流包含欧拉余流以及斯托克斯余流, 完整地给出一个流体元的物质净输移. 基于时段内海流和水深垂向连续观测数据, 采用公式(1)即可求出潮周期或分析时段内的拉格朗日余流、欧拉余流和斯托克斯余流.

另外, 为初步探讨潮汐动力对垂向分层余流的响应关系, 此处将潮周期或时段内拉格朗日余流、欧拉余流和斯托克斯余流的概念推广到垂向分层余流分析中. 因此, 基于公式(1)得到分层潮周期或分析时段内拉格朗日余流流速的计算公式为

基于实测流速和水深数据可求出拉格朗日余流和欧拉余流, 同理基于公式(1)求出斯托克斯余流流速. 为更准确地分析水深平均及潮周期平均余流, 均采用时空积分法计算余流.

2 余流半月整体特征

2.1 垂向平均余流整体特征

洪季共15 d 时段内的垂向平均流速和余流如图3 所示. 洪季半月时段内, 澳门东侧南、北端水域整体涨、落潮流态基本一致, 南侧水域位于外海侧, 潮流动力和余流流速整体大于北端. 东北侧水域拉格朗日余流与欧拉余流基本一致, 余流流速约为2.2 cm/s, 潮流物质朝西北向近岸输移为主, 斯托克斯余流输移作用很小, 可忽略不计. 东南侧水域靠近外海, 受珠江河口夏季西南季风影响明显, 斯托克斯漂移作用显著增强, 达1.8 cm/s, 方向沿 –6 m 等深线指向东北侧伶仃洋, 受此影响, 拉格朗日余流流速为5.1 cm/s, 小于欧拉余流6.2 cm/s, 且方向较欧拉余流东偏. 根据Huthnance[24]提出的2 种潮余流 (欧拉余流) 形成机制分析, 基于澳门东侧水域等深线南北走向分布态势和涨、落潮主动力轴线走向, 科氏效应形成的潮余流总体朝南指向外海, 摩擦-平流效应在东北侧水域形成的余流总体朝北, 东南侧水域总体朝南. 因此, A6 站所在东北侧水域由于水深浅, 欧拉余流为西北向说明摩擦-平流效应更为显著. A7 站科氏效应和摩擦-平流效应形成的余流都指向外海侧, 但受西南季风影响, 欧拉余流和拉格朗日余流都显著东偏. 另外, 从潮余流与地形β效应成正比关系来看[25], 东南侧A7 站水域位置等深线分布相较A6 站更为密集, 因此β值更大, 形成的余流流速也更大.

图3 半月时段垂向平均流速和余流Fig. 3 Depth-averaged velocity and residual current over a half-month period

2.2 分层余流整体特征

图4 给出了A6 和A7 站表、底层半月时段平均余流矢量图, 显示澳门东侧水域表层余流流速总体大于底层, 两站表层拉格朗日余流流速分别为6.6 cm/s 和24.1 cm/s, 南端余流流速显著大于北端. 北端水域斯托克斯余流很小, 可忽略不计, 而南端水域斯托克斯漂移影响明显增强, 表层达到2.2 cm/s.受夏季持续西南季风影响[26], 表层欧拉余流、拉格朗日余流和斯托克斯余流流向都为东北向. 东北侧水域水深浅, 在径潮动力及海面风作用下, 垂向混合均匀, 整体以平流净输运为主, 斯托克斯漂移影响很小. 东南侧水域处于外海, 夏季受西南季风和东北沿岸流影响[27], 表层潮流物质朝东北向净输运, 洪季在表层冲淡水及底层高盐陆架水作用下垂向分层显著[28], 斯托克斯漂移影响增强, 表层斯托克斯漂移与风向相同, 底层与高盐陆架水朝河口入侵方向相同. 与“97.9”临时观测成果[20]比较, 两次水文观测期间上游来流量基本相近, 都在15 000 m3/s 左右 (马口 + 三水); “97.9”期间南、北端水域表层余流均为南向, 明显有别于本次东北向, 与本次观测期间受西南季风影响密切相关. 底层流态在北端水域基本一致, 以指向西北向为主; 南端水域略有差别, “97.9”期间为西南向, 本次为东南向.

图4 半月时段分层平均余流Fig. 4 Stratified average residual current over a half-month period

3 潮周期垂向平均余流变化特征分析

3.1 潮周期垂向平均余流变化特征

珠江河口水域为不规则半日潮, 一个完整天文潮周期约为24.8 h, 因此本次分析时段内 (15 d) 有14 个连续完整的潮周期. 图5 给出了A7 站14 个潮周期内平均风矢量图, 可见夏季以西南风为主. 潮周期平均风速最大为6.3 m/s, 西南偏南风, 出现在第5 个潮周期; 最小平均风速2.9 m/s, 正南风, 出现在第10 个潮周期; 第11 个潮周期平均风向为东南风, 风速为3.3 m/s, 与其他潮周期内的平均风向差别略大.

图5 A7 站潮周期平均海面风矢量图Fig. 5 Wind vectors on sea water surface during a tidal cycle at field station A7

为分析潮周期余流的连续变化特征, 图6 给出了两站14 个连续潮周期的垂向平均欧拉余流、拉格朗日余流和斯托克斯余流矢量变化图. 夏季澳门东侧水域洪水期和非洪水期的潮流物质净输移方向存在显著差异. 洪水期, 总体朝南侧外海方向净输出, 垂向平均拉格朗日余流和欧拉余流流速在东北侧水域不超过3.0 cm/s, 东南侧水域在3.0 ～ 16.0 cm/s 之间. 非洪水期, 东北侧水域潮流物质朝近岸方向输送, 且拉格朗日余流流速大于洪水期; 东南侧水域朝东侧净输移, 最大拉格朗日余流流速小于洪水期. 东北侧水域斯托克斯漂移流速很小, 洪水期较非洪水期略有增强, 方向与净输移方向相反;东南侧水域斯托克斯流速洪水期较非洪水期有所减弱, 流速较大且方向与海面风向基本相同. 斯托克斯漂移是平流净输移 (欧拉余流) 外的潮汐和潮流不均匀变形作用形成的, 本水域总体表现为平流净输运越强, 漂移作用也越强. 海面风对东南侧水域的斯托克斯漂移起主导作用, 但对东北侧水域影响不明显, 而洪水期潮流物质稳定朝外输出对海面风引起的漂移具有抑制作用.

图6 连续潮周期垂向平均余流矢量图Fig. 6 Depth-averaged residual current vectors across continuous tidal cycles

3.2 潮周期净通量变化特征

图7 统计了A6 和A7 站在E 轴和N 轴潮周期中平均单宽净通量, 正值表示与该轴正向相同, 负值表示相反. E 轴方向, 洪水期 (第7 ～ 10 个潮周期), 南、北两端水域径潮通量相差不大, 潮周期内净通量不超过100.0 m3, 且东南侧水域部分潮周期内朝西侧净输运[29]; 非洪水期, A7 站所在东南侧水域净通量远大于东北侧水域A6 站, 且呈现南端朝东、北端朝西的反向净输运, 考虑两站相距较近且东南侧外海水域潮流物质自西向东净输运动力强劲, 会在其北侧形成自东向西的反向补偿流, 是造成澳门东北侧水域潮流物质朝近岸输送的主要原因之一. N 轴方向, 更多体现上、下游径潮动力的连贯性,因A6 站紧邻A7 站上游, 非洪水期的第1 ～ 5 个潮周期, 两站净通量相差不大且都以朝南侧外海输运为主, 具有较好的连续性; 洪水期的第7 ～ 11 个潮周期, A7 站朝外海侧的净通量远大于A6 站, 且E 轴向净通量很小, 与洪水期A7 站位于伶仃洋西侧主要径潮通道位置密切相关; 洪水后期的第12 和第13 个潮周期为中潮过渡期, 呈北侧水域朝北净输运、南侧水域朝南净输运的分离流态势, 加剧了北侧水域自东向西的补偿流运动, 如在第12 个潮周期内, A6 站E 轴向净输移量达到本次14 个潮周期内的最大值(227.0 m3), E 轴向拉格朗日余流流速也达到最大值(3.4 cm/s).

图7 A6 和A7 站潮周期单宽净通量比较Fig. 7 Comparison of net flux per unit width during a tidal cycle at stations A6 and A7

因此, 夏季澳门东侧水域潮流物质的净输运方向受珠江河口外海侧东北向沿岸流和季风影响明显[27], 表现为自东向西的补偿流态势, 口门外侧表现为自西向东的沿岸流. 分析认为, 夏季非洪水期澳门东侧水域存在一逆时针的余环流, 澳门水道下泄径流主要贴近澳门东侧近岸水域朝南侧外海输运;小潮向大潮过渡的中潮期间出现北侧朝北、南侧朝南净输运的分离流态势, 进一步加强澳门东侧水域自东向西的潮流净输运补偿流.

4 潮周期余流垂向时空变化特征

4.1 东北侧水域潮周期余流时空特征

图8 给出了A6 站潮周期平均欧拉余流、拉格朗日余流和斯托克斯余流E 轴分量和N 轴分量的时空变化, 垂向用相对水深 (0 H 表示近水面, 1.0 H 表示近河床). 可见, 欧拉余流和拉格朗日余流时空变化规律基本一致, 呈现N 轴余流分量大于E 轴分量、表层大于底层的分层结构特征. 斯托克斯余流较小, E 轴分量不超过1.0 cm/s, N 轴分量不超过2.0 cm/s.

图8 A6 站余流E 向和N 向分量时空分布Fig. 8 Temporal and spatial distribution of residual current components in E-axis and N-axis at station A6

非洪水期, 拉格朗日余流E 轴向垂向以0.3 H 为界, 呈表层朝东、中底层朝西的反向净输运结构,N 轴向全部指向上游方向, 近表层为主要输运通道 (0 ～ 0.4 H). 洪水期 (2020 年6 月27 日—7 月3 日), 下泄洪水径流动力强劲, 拉格朗日余流E 轴向沿水深余流不超过2.0 cm/s, 总体指向西侧; N 轴向沿水深变为朝口外净输出为主, 中层水深是潮流物质朝口外输出的主要通道. 非洪水期, 以0.4 H 位置为界, 斯托克斯余流E 轴向呈上层朝东下层朝西、N 轴向呈上层朝北下层朝南的垂向反向输运结构;洪水期, 下泄径流动力增强, 削弱了E 轴向斯托克斯漂移动力, N 轴向南向漂移强度则有所增强.

4.2 东南侧水域潮周期余流分量特征

图9 为A7 站余流E 轴分量和N 轴分量的时空分布结构. 欧拉余流和拉格朗日余流时空变化规律基本一致, 其在E 轴分量不超过70.0 cm/s, N 轴分量不超过60.0 cm/s; 斯托克斯余流E 轴分量和N 轴分量不超过5.0 cm/s, N 轴分量大于E 轴分量.

图9 A7 站余流E 向和N 向分量时空分布Fig. 9 Temporal and spatial distribution of residual current components in E-axis and N-axis at station A7

拉格朗日余流E 轴分量在非洪水期, 垂向呈2 ～ 3 层结构, 近表层 (0 ～ 0.4 H) 和近底层 (0.8 ～1.0 H) 都指向东侧、中层 (0.4 ～ 0.8 H) 指向西侧. 洪水期, 受径流动力增强和阻隔的影响, 表层东向净输运流速迅速减小, 并在第11 个潮周期 (7 月1 日) 与中层一并朝西, 影响直达底层. 斯托克斯余流E 轴分量较小, 不超过2.0 cm/s, 垂向上总体指向东侧, 洪水期有所减小. 拉格朗日余流N 轴分量所有潮周期内表层 (0 ～ 0.2 H) 净输运方向始终指向上游, 中层和底层总体指向下游外海侧. 但洪水期(6 月27 日—7 月4 日), 表层流速有所减小, 中层 (0.2 ～ 0.6 H) 区域朝外海净输运流速显著增大, 最大出现在第10 个潮周期内 (6 月30 日), 约32.0 cm/s. 所有潮周期内斯托克斯N 轴分量漂移作用引起的净输运方向都指向上游, 总体不超过5.0 cm/s, 呈由表层至底层逐渐减小的趋势, 洪水期有所减小.

4.3 净通量及余流与海面风和潮动力的相关性分析

采用Pearson 法, 计算A6 站和A7 站潮周期平均潮差和海面风与净通量和表层拉格朗日余流相关系数(图10). A6 站潮差与E 轴向和N 轴向净通量的相关系数仅为0.03 和0.28, 相关性很差; A7 站潮差与E 轴向和N 轴向净通量的相关系数都达0.70. A6 站所在澳门东北侧水域潮动力对潮流物质净输运强度影响不明显, 但对A7 站所在东南侧水域影响显著, 呈现潮动力越强、净输运强度越大的变化趋势. A6 站和A7 站E 轴向海面风与E 轴向净潮通量相关系数分别为 –0.15 和0.83, N 轴向海面风与N 轴向净通量相关系数分别为0.70 和0.90. 图10 还显示, 澳门东北侧水域, 海面风对南北向 (N 轴)潮流物质净输运强度影响显著, 但与东西向 (E 轴) 净输移量相关性很小. 东南侧水域, 不论是南北向还是东西向, 潮流物质净输移强度都与风速大小密切相关, 且海面风速越大、净通量越大. A6 站和A7 站海面风和表层拉格朗日余流E 轴分量相关系数分别为0.81 和0.97, N 轴分量相关系数分别为0.63 和0.94, 表明澳门东侧水域表层流速与海面风速密切相关, 呈现风速越大、表层流速越大的趋势.

图10 潮周期净通量和表层拉格朗日余流与动力因子的相关系数Fig. 10 Correlation between net flux and Lagrange residual current on the surface layer during a tidal cycle with dynamical factors

5 结 论

基于夏季澳门东侧水域实测水文气象数据分析, 得出以下主要结论.

(1) 澳门东南侧水域潮动力强于东北侧, 且余流流速更大; 东北侧水域整体朝西北侧近岸方向净输运, 东南侧水域整体朝东南侧外海净输出. 受西南季风影响, 该水域表层欧拉余流、拉格朗日余流和斯托克斯余流都为东北向; 斯托克斯漂移作用在东北侧水域很小, 在东南侧水域较强.

(2) 洪水期, 澳门东侧水域潮流物质朝外海净输出, 斯托克斯漂移作用在东北侧水域略有增强、东南侧水域有所减弱. 非洪水期, 东北侧水域朝近岸侧净输送, 东南侧水域朝伶仃洋河口东侧净输运. 海面风主导东南侧水域的斯托克斯漂移强度, 对东北侧水域影响不明显, 洪水期径流动力增强显著削弱了斯托克斯漂移.

(3) 受西南季风和珠江河口外侧东北向沿岸流影响, 澳门水道出口以下水域存在较为稳定的逆时针余环流, 对该水域潮流泥沙输运造成显著影响; 澳门水道下泄径流主要贴近澳门东侧近岸朝南侧外海输出, 小潮向大潮过渡期该余环流有增强趋势.

(4) 非洪水期, 该水域在E 轴向存在表层朝东、中底层朝西的垂向反向输运结构; N 轴向, 东北侧水域净输运全断面指向上游, 东南侧水域呈表层朝北、中底层朝南的垂向净输运结构. 洪水期, 该水域E 轴向垂向反向净输运结构减弱或消失, N 轴向下泄洪水及冲淡水垂向上主要从中层朝口外输出.

(5) 夏季, 潮动力对澳门东北侧水域净潮通量影响很小, 海面风主要影响该水域南北向净通量, 对东西向影响不明显. 东南侧水域, 潮动力和海面风对该水域潮流物质净输移强度影响明显, 且都呈正相关. 南、北侧水域表层潮流物质输运强度都与海面风密切正相关.

长期以来, 澳门内、外港及附近水域夏季都存在较为严重的滩槽淤积和水体交换不畅造成的水质恶化等问题, 显然与夏季上游来沙量显著增加和机场东侧水域独特的逆时针余环流结构密切相关. 该结构特征压迫澳门水道承泄的水沙紧贴机场东侧水域朝口外宣泄, 但会截留上游部分伶仃洋西滩承泄的东四口门水沙停滞于本水域. 部分随涨潮流重新进入澳门水道, 并对澳门水道下泄洪水形成阻碍和滞留作用, 进一步加强泥沙在澳门水道及出口位置的淤积, 同理也会导致污染物滞留和水质恶化等问题. 近年来珠江河口水域含沙量急剧减小有助于缓解该淤积趋势, 但水质恶化问题则有赖于上游及陆域污染物排放量的削减. 枯季, 上游来水含沙量很小及珠江河口变为西南向沿岸流, 叠加东北季风影响, 该逆时针余环流结构将不复存在, 有利于澳门水道及东侧水域过境通道的维持.