珠江蕓程序開發余流的垂向分布

珠江三角洲河口的河流交叉，受徑向流和趨勢的影響，水動力條件復雜。伶仃洋是一個寬而淺的喇叭狀海灣,它匯集了珠江八大口門中的東部4個口門的來水來沙。伶仃洋河口灣北起沙角至大角山嘴之間寬度約4km的虎門剖面,南抵香港大嶼山與澳門之間寬約30km的水域,由灣頂虎門至大嶼山-澳門剖面的縱向長度約60km,河口灣內面積約為2000km2。影響珠江河口余流的因素主要包括內陸來的淡水徑流、由于咸淡水密度差所產生的河口區的異重流、地球自轉所產生的柯氏力,此外風力和波浪作用對余流也會產生影響。河口余流的流向一般具有一定的指向性,與長期物質輸運關系密切。分析珠江口余流的分布和變化規律對于研究河口泥沙、營養鹽、污染物等輸運有著十分重要的意義。國內對伶仃洋海區的動力及演變進行了較多研究,主要利用觀測資料分析及數值模擬方法揭示口門的動力特點,獲得了定性與定量分析結果。在珠江口余流垂向分布特征方面,陳子分析了伶仃河口灣在不同徑流影響下水體混合的空間狀態和季節變化特征,指出由河口灣表、中層沖淡水和內陸架底層上溯的高鹽補償流構成了河口灣和內陸架之間的凈環流;林祖亨等根據同步觀測資料對珠江口水域余流的流速、流向分布進行了分析,認為余流受珠江徑流下泄入海的影響較明顯,反映了徑流下泄的主要去向,同時得出珠江口水域余流較弱的結論;任杰等曾在研究伶仃洋的縱向水沙輸移特征時討論了伶仃洋河口灣余流垂向分布特征,認為伶仃洋的最大混濁帶水沙輸運機制可分解成8項,觀測點所在的垂向斷面凈環流主要由河口灣表層下泄流和底層上溯的高鹽補償流構成。這些研究多為針對某季節或某漲落潮過程的資料分析,對于珠江口余流垂向分布年內變化研究尚不多見。本文對珠江伶仃洋出口處某觀測地所在垂向斷面一整年海流及其他觀測得出的數據進行整理,分析了余流垂向分布的年內變化及其與徑流的關系,旨在填補這方面研究的一些空白。1數據來源和處理1.1海流、潮位的觀測位置珠江口伶仃洋面向外海,邊界有眾多島嶼包圍。根據研究區域的水文特征,并考慮航道等因素,海流、潮位的觀測位置設在如圖1所示位置,處在伶仃西航道的西側。測點年平均水深約為10.3m。1.2海流剖面觀測所有數據觀測均為期1年,自2007年4月1日0:00起至2008年3月31日23:00止。海流觀測利用AWAC波浪海流剖面儀進行定點的水流全剖面連續長期觀測,測流層數不少于6層,每天24h連續觀測,每隔60min記錄一次,每次記錄時間不小于100s。海流觀測資料的完整率為96%,滿足計算使用要求。珠江徑流數據來源于廣東省水文局提供的高要、石角及博羅3個水文站的同期旬平均水文資料,并按洪枯季分別計算伶仃洋4口門流量。1.3行業平均海流值與流利用觀測點6個水層(表層、0.2H層、0.4H層、0.6H層、0.8H層和底層)一年整點觀測的海流資料,運用插值方法求取整點時刻6個水層的海流值。分別對這6個水層一年的整點海流值利用最小二乘法的調和分析方法進行潮流調和分析,從而得到觀測點垂向斷面各層余流的流速與流向。將坐標軸旋轉340°以符合河口軸線走向,以此得到代表伶仃洋河口灣出口余流的縱向流速和橫向流速,即平行于河道方向和垂直于河道方向的分量。2年，剩余流垂直分布的一年變化2.1朱江口的水文氣象2.1.1年—徑流情況珠江口8個口門中4個在伶仃洋,分別是虎門、蕉門、洪奇瀝和橫門。進入伶仃洋的平均流量約5663m3·s-1,徑流總量約1792億m3·a-1,近年來其出流量約占珠江出?？偭康?5%,洪季徑流量占全年的80%,枯季的徑流量僅占20%。徑流量在4月到9月顯示出明顯的洪季特征,約占年徑流總量的80%,特別是在6月至8月,流量急劇增大,3個月占年徑流量的50%以上;而從10月開始到次年3月則為枯季。根據廣東省水文局的資料,觀測年洪季5—8月珠江平均總徑流量約為12000m3·s-1,而多年同期珠江平均徑流量為約18000m3·s-1;枯季11月、12月珠江徑流量分別約為3000m3·s-1、2000m3·s-1,多年12月—次年2月珠江平均徑流量約為5000m3·s-1?？梢?觀測年珠江徑流量較多年同期平均徑流量偏低。2.1.2季節動態風速指標伶仃洋地處東亞季風區,受臺風、季風、副熱帶高壓等天氣系統的影響,具有典型的季風特征:每年5—8月為夏季西南季風時期,低空為西南季風;10月至次年3月為冬季東北季風時期,低空為東北季風;而4月和9月為轉換月份,從冬季到夏季的轉換過程比較迅速,而由夏季到冬季的過渡比較緩慢。珠海氣象站1978—2007年30年平均風速為2.9m·s-1,觀測年度2007-04—2008-03珠海氣象站年平均風速為2.5m·s-1,小于多年平均風速,屬于小風年。觀測點在本年8—9月受到熱帶氣旋影響較大,包括強熱帶風暴“帕奇”、熱帶風暴“蝴蝶”、強臺風“圣帕”以及熱帶風暴“范斯高”和“利奇馬”。2.1.3壓力和鹽度分布伶仃洋存在密度梯度驅動的垂向環流已成為共識,其咸淡水分布及混合狀態主要受上游徑流量和潮汐強弱的制約。受珠江徑流的影響,洪季靠近珠江口的上層海水等鹽度線較為密集,鹽度的水平梯度和垂直梯度均較大;而在枯季近岸溫、鹽垂直混合均勻,而且具有低溫低鹽的特性。2.2余流的年際變化特征觀測點6個水層潮流性質比值F=(WK1+WO1)/WM2介于0.68—0.82之間,該點潮流屬于不規則半日潮流。圖2為各月余流流速矢量的垂向分布圖。從全年來看,余流流速表層為11—23cm·s-1,底層為4—8cm·s-1。在洪季,表層的余流流向為175°—180°,呈南偏東流向;底層流向為348°—4°,呈正北流向。在枯季,表層流向為176°—241°,呈西南流向;底層流向為320°—351°,呈北偏西流向。與邱章等的華南海岸水文調查結果相近。由圖2可以看到,在所觀測的海域,余流垂向分布的年際變化存在以下特點:(1)余流的垂向分布具有明顯的上溯流和下泄流分層現象,下泄流厚度從洪季的上4層變薄到枯季的表層,同時上溯流厚度從洪季的底下2層變厚到底下4層,呈現出明顯的月不等現象,這與徑流流量的控制作用有很大的關系。(2)各月余流最大流速均出現在表層。從春季到仲秋,表層平均余流流速比其余季節的大,流速在10cm·s-1以上,流向基本為S向,只有個別月份為偏東南或西南向,呈下泄流形式。各月0.2H層也主要表現為下泄流,但冬季的11月—2月表現為上溯流。(3)靠底2層的流態相對穩定,余流速度維持在10cm·s-1以下,同時由于底摩擦耗散等影響,底層流速比0.8H層稍小或持平。各月靠底2層流向都較為單一,角度相差較小,多為偏N向,呈上溯流形態;同時,靠近底面2層的年內變化呈現出明顯的雙周期現象,即在洪季和枯季流速均比較小,而在轉季的時候流速增大。這樣的變化一年有2次,其可能原因之一為在年平均流量時當地鹽水楔斜壓梯度力與水面坡度梯度力的動態平衡充分發展,產生的原因有待進一步理論分析。(4)0.4H層介于下泄流和上溯流之間,為上溯流和下泄流交替作用層,其穩定性相對較差,流速分層的界限也不明顯。流向從年初到年末呈順時針方向轉動,從洪季的下泄流狀態轉變成枯季的上溯流狀態,這是由于徑流減少而導致鹽水楔向伶仃洋上游河口入侵造成的。(5)在6、7、8這3個月表面2層下泄流流速明顯增大而底面3層流速則明顯變小,這與在此期間珠江徑流大量來水有很大關系,其中6月進入伶仃洋的徑流量超過12000m3·s-1;此外6—7月此海域頻繁出現雷雨大風天氣,由此造成觀測處海水水體在垂向的高度分層和余流下泄流的大幅增加。2.3其余流量的垂直流量2.3.1/3流量分布觀測點斷面的季度歐拉余流縱向流速如圖3所示(圖中以指向外海為正)。由圖中可以看到,一年之中余流的斷面平均縱向流速并不一致,在夏季指向下游而在春秋季和冬季則指向上游,變化與徑流量大小有較大的關系。就所觀測年全年來說,當地的余流流動是呈上溯趨勢的。2.3.2向水量輸移考慮余流的單寬水量縱向輸移q,式中為觀測點垂向平均縱向余流流速,h0為觀測點垂向平均水深。計算得各月平均縱向水量輸移如表1所示?？梢钥吹?在所觀測的位置歐拉余流在一年大部分月份里是向上游輸運水量的,只有在6、7兩月徑流較大時才向伶仃洋外輸送水量,同樣的還有3月份也呈整體下泄態。由此可見,在伶仃洋河口灣存在余環流,并不是單純下泄狀態,同時在一年的不同月份其縱向水量輸移大小是不同的,這對該海區的水沙及物質輸運會產生較深遠的影響。3在分析剩余流與徑向流的影響因素關系時3.1回歸方程結果實測各月余流縱向流速的垂向分布分為頂層、0.2H層、0.4H層、0.6H層、0.8H層以及底層。其中表面2層主要表現為下泄流,底下3層主要表現為上溯流,0.4H層表現為過渡層。分別取進入伶仃洋徑流的平均流量資料和測點處各層的實測余流流速資料進行線性相關分析,同時用統計假設檢驗相關系數的顯著性。作原假設H0β=0,構造統計量F:R為線性相關系數。在顯著性水平α下有1-α分位數F1-α(1,n-2)=5.59,若F<F1-α(1,n-2),接受H0,否則拒絕H0,即兩變量之間的線性關系是明顯的。得到測點實測各層余流流速與徑流量的線性回歸方程如表2所示。由以上結果可以看到,進入伶仃洋的徑流與余流表層下泄流有良好的線性相關性,與珠江河口為徑流控制型河口相吻合,其徑流在內伶仃洋口外對余流仍有控制性的作用。同時,徑流對余流的影響在水深增加后有所減小。處于下泄流和上溯補償流之間的過渡層水體流動與徑流相關性也比較差,結合圖2也可以印證,過渡層流速的穩定性較差,與季節、鹽水楔上溯距離等有較大的關系。靠底幾層的上溯流與徑流量大小的線性相關性不明顯,特別是越到下層其線性相關性越差,到了底層則完全為線性無關,其原因是觀測點底層的上溯流除受到徑流影響外,還受到河口鹽水斜壓、地形條件等因素影響。3.2調查問卷的指數關系分析考慮2.2節余流年內變化特征(3),靠近底面2層余流的年內變化呈現出明顯的周期性,洪季和枯季流速均比較小,而在轉季的時候流速反而變大。取進入伶仃洋的徑流平均流量資料和測點處的靠底2層實測余流流速資料進行指數關系相關分析,同時用統計假設檢驗相關系數的顯著性,F1-α同上。構造以下指數擬合關系式:得到測點實測靠底2層余流流速與徑流量的指數關系回歸方程如表3所示。由以上結果可以看到,進入伶仃洋的徑流與余流靠底兩層的上溯流有良好的指數相關性,特別是在底層。上溯流在年平均流量附近最小,在洪、枯季轉換季節上溯流較小,在洪季和枯季上溯流較大。其可能原因之一為在年平均流量時當地鹽水楔斜壓梯度力與水面坡度梯度力的動態平衡充分發展產生的原因有待進一步理論分析。4調查數據分析根據本次一整年度的觀測資料分析,可以得到以下結論。1)全年余流流速表層為11—23cm·s-1,底層為4—8cm·s-1。余流的表層流向為175°—180°(以正北為0°),呈南偏東流向;底層流向為348°—4°,呈正北流向。在枯季,表層流向為176°—241°,呈西南流向;底層流向為320°—351°,呈北偏西流向。2)伶仃洋口觀測點所在位置余流的垂向分布具有明顯的上溯流和下泄流分層現象,下泄流厚度從洪季的上4層變薄到枯季的表層,同時上