（物理海洋学专业论文）磨刀门咸淡水混合及盐水入侵动力机制分析.pdf

中山大学硕士学位论文 磨刀门咸淡水混合及盐水入侵动力机制分析 专业：物理海洋学 硕士生：曾学智 指导老师：任杰副教授 摘要 磨刀门水道是珠江三角洲重要的入海通道之一，也是近年来珠江三角洲咸潮 入侵最严重的口门，咸潮入侵的时问从每年的九、十月份开始，到第二年的三月 份左右结束。咸潮入侵已严重影响磨刀f - j 道所处行政区域的中山、珠海、澳门 等地区的农业、工业及生活用水安全，成为磨乃1 1 一个重要的环境问题。 本文利用s e l f e 模型建立一个磨刀门水道的三维斜压模型，考虑环流、潮 汐、风及盐度的影响。水平方向采用非结构三角形网格，能较好地贴合实际岸线； 垂向采用混合坐标系，水深小于4 5 m 的采用具有地形跟踪功能的s 坐标，保证 较浅的区域也有足够多的垂向分层。模拟结果表明磨刀门水道盐度层化具有明显 的空间差异：挂定角到口门一段，涨潮时表底盐度差较小，垂向混合较好，主要 为潮汐动力所控制；落潮时表底盐度差较大，垂向趋于层化，径流效应明显。盐 度的混合过程在一个潮周期内呈现明显的层化反层化现象。挂定角到竹排沙一 段，在涨落潮时，层化发育都较好。 利用s i m p s o n 提出的势能异常指标分析环流、潮汐及风对层化反层化过程 的影响，结果表明：环流驱动的层化在磨刀门水道占主导地位，风的扰动在某些 区域可与环流驱动的层化达到同一量级，潮汐扰动的作用最小。对不同地形条件 进行分析表明：磨刀门深槽区域环流驱动的层化为浅滩区域的1 0 倍，风的扰动 在浅滩区域某些时刻可与环流驱动的层化达到同一量级，潮汐扰动在两个区域均 比其他两个因素小一个量级以上。因此，深槽层化发育主要受环流的影响，浅滩 混合显著主要为风的扰动所致。涨潮时江心洲顶部受江心洲屏蔽作用，潮汐扰动 比两边小。 中山大学硕士学位论文 对磨刀门水道纵向盐度输运通量进行分析，结果表明：挂定角以下5 5 k m 处 的断面，左岸为深槽，右岸为浅滩，横向地形变化大，横向剪切通量超过垂向剪 切通量，与平流通量相近。挂定角断面横向地形变化不明显，垂向剪切通量超过 横向剪切通量。总盐度通量在大潮期向海输运，小潮期向陆输运，因此，小潮期 咸潮入侵严重。这主要是因为小潮期平流通量转变为由海向陆输运。从断面潮周 期平均流速分布可以看出，挂定角以下5 5 k m 处的断面大潮期断面流速分布均为 向海，小潮期表层流速向海，底层流速向陆，底层存在向陆输运的盐度通量。 本文基于实测资料分析与数值模拟结果讨论，分析了磨刀门咸淡水混合特征 及不同地貌单元的咸淡水混合差异，根据盐度纵向输运通量分解，讨论了各驱动 因素的盐分输运贡献，为磨刀门盐水入侵在小潮期末上溯最远的现象给出了动力 学机理上的解释。论文对其中某些因素对盐水入侵的影响，如潮汐振动剪切引起 的盐度输运通量还可做进一步的研究。 关键词：咸淡水混合盐水入侵盐度通量磨刀门 中山大学硕上学位论文 d y n a m i c sm e c h a n i s m o ff r e s h w a t e r - s e a w a t e rm i x i n g a n ds a l i n i t yi n t r u s i o nm o d e s t u a r y s a l i n i t y i n t r u s l o na ta o m e ns t u a r yj v l o d m a j o r - p h y s i c a lo c e a n o g r a p h y n a m e ：z e n gx u e z h i s u p e r v i s o r ：r e nj i e ( a s s o c i a t ep r o f e s s o r ) a b s t r a c t m o d a o m e ne s t u a r yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta c c e s s e st ot h es e ai np e a r l r i v e r d e l t a , a n ds u f f e r st h em o s ts e r i o u ss a l i n i t yi n t r u s i o ni nr e c e n ty e a r s s a l i n i t yi n t r u s i o n w h i c hb e g i n sf r o ms e p t e m b e ro ro c t o b e rt oa b o u tt h en e x tm a r c hh a v es e r i o u s l y a f f e c t e dt h es a f e t yo fi n d u s t r i a l ，a g r i c u l t u r a la n dd o m e s t i cw a t e ri nz h o n s h a n ，z h u h a i ， a o m e na n do t h e ra d m i n i s t r a t i v er e g i o n sw h e r em o d a o m e nc h a n n e lf l o w st h r o u g h t h e r e f o r e ，i th a sb e c o m eas e v e r ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e mi nm o d a o m e nr e g i o n a3 - db a r o c l i n i cm o d e lo fm o d a o m e n , c o n s i d e r i n gt h er u n o f f , f i d e ，、航n da n d s a l i n i t y , h a sb e e ne s t a b l i s h e db yu s i n gt h es e l f e m o d e l i tu s e su n s t r u c t u r e d - 酣di n h o r i z o n t a ld i r e c t i o nt om a t c ht h ec o a s t l i n e sa n dh y b r i dc o o r d i n a t ei nv e r t i c a ld i r e c t i o n t of o l l o wt h et e r r a i na n de l l s t i r ee n o u g hl e v e l si ns h a l l o wa r e a s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t s a l i i l i t y s t r a t i f i c a t i o ni nm o d a o m e ne s t u a r yh a sas i g n i f i c a n t s p a t i a l d i f f e r e n c e ：t h es a l i n i t yd i f f e r e n c eb e t w e e ns u r f a c ea n db o t t o mi ss m a l li n t h e g u a d i n g j i a o m o u t hr e a c h a tf l o o dt i d ew h i l et h ew a t e rt e n d st ob es t r a t i f i e da te b bf i d e i nt h eg u a d i n g j i a o z h u p a i s h ar e a c h , s t r a t i f i c a t i o nd e v e l o p sa tf l o o da n de b bt i d e a n a l y z i n gt h ei m p a c t so f e s t u a r i n ec i r c u l a t i o n , t i d ea n dw i n do ns t r a t i f i c a t i o na n d d e s t r a t i f i c a t i o np r o c e s sb yu s i n gt h ep o t e n t i a le n e r g ya n o m a l yp r o p o s e db ys i m p s o n , t h er e s u l t ss h o w st h a t ：s t r a t i f i c a t i o ni n d u c e db ye s t u a r i n ec i r c u l a t i o ni sd o m i n a n ti n m o d a o r n e ne s t u a r y , w i n ds t i r r i n gc o u l db et h es 卸m 【eo r d e ro fm a g n i t u d e 、) i ，i t h s t r a t i f i c a t i o ni n d u c e db ye s t u a d n ec i r c u l a t i o ni ns a m ea r e a s ，t i d a ls t i r r i n gh a st h el e a s t i n f l u e n c e c o m p a r i n gt h ep o t e n t i a le n e r g ya n o m a l yi nd i f f e r e n tt e r r a i nc o n d i t i o n s ，i t m 中山大学硕士学位论文 d e m o n s t r a t e st h a t ：s t r a t i f i c a t i o ni n d u c e db ye s t u a r i n ec i r c u l a t i o ni nd e e pt r o u g hi s10 t i m e sl a r g e rt h e nt h a ti ns h a l l o w w i n ds t i r r i n gc a nb eu pt ot h es a m eo r d e ro f m a g n i t u d ew i t hs t r a t i f i c a t i o ni n d u c e db ye s t u a r i n ec i r c u l a t i o na ts o m et i m e si n s h a l l o w t i d a ls t i r r i n gi nt h et w or e g i o n si so n eo rt w oo r d e ro fm a g n i t u d es m a l l e r t h e no t h e rt w of a c t o r s t h e r e f o r e ，s t r a t i f i c a t i o ni nd e e pt r o u g hi sm a i n l ya f f e c t e db y t h ei m p a c to fs t r a t i f i c a t i o ni n d u c e db ye s t u a r i n ec i r c u l a t i o n ；m i x i n gi ns h a l l o wi s m a i n l yc a u s e db yw i n ds t i r r i n g n d a ls t i r r i n gi nt h ec o n f l u e n c ei ss m a l l e rt h e nt h e s i d e sb yt h es h i e l d i n ge f f e c to ft h ea l t a n a l y z i n gt h el o n g i t u d i n a ls a l i i l i t yf l u xs h o w st h a t , t r a n s v e r s es h e a rf l u xi so v e r t h ev e r t i c a ls h e a rf l u xa n dc l o s e dt ot h ea d v e e t i v ef l u xi nt h ec r o s ss e c t i o n d o w n s t r e a m5 5 k mf r o mg u a d i n g j i a o ，a sar e s u l to ft h ev a r y i n gd e p t ho v e rt h ec r o s s s e c t i o n v e r t i c a ls h e a rf l u xi sl a r g e rt h e nt r a n s v e r s es h e a rf l u xi nt h ec r o s ss e c t i o ni n g u a d i n g j i a o t o t a ls a l i n i t yf l u xi ss e a w a r da ts p r i n gf i d ew h i l el a n d w a r da tn e a pt i d e t h e r e f o r e ，s a l i n i t yi n t r u s i o ni sm o s ts e r i o u sa tn e a pt i d e 珊si sm a i n l yb e c a u s eo f t h e t r a n s p o r td i r e c t i o no fa d v e c t i v ef l u xw h i c hc h a n g e st ol a n d w a r da tn e a pt i d e f r o mt h e p r o f i l eo f2 5 - ha v e r a g e dv e l o c i t y , t h ev e l o c i t yo f t h ew h o l ec r o s ss e c t i o ni ss e a w a r da t s p r i n gt i d e ，w h i l et h es u r f a c ev e l o c i t yi ss e a w a r db u tt h eb o t t o mv e l o c i t yi sl a n d w a r d a tn e a pt i d e al a n d w a r ds a l i n i t yf l u xe x i s t sa tn e a pt i d e b a s e do nf i e l dd a t aa n dn u m e r i c a lr e s u l t s ，t h i sp a p e rd i s e n s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f f r e s h w a t e r - s e a w a t e rm i x i n g ，m i x i n gm e c h a n i s mo ff r e s h w a t e r - s e a w a t e ri nd i f f e r e n t t e r r a i nc o n d i t i o n s ，s e v e r a lf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h el o n g i t u d i n a ls a l i n i t yf l u xi n m o d a o m e n , a n dm a k ea ne x p l a n a t i o nt ot h ef a c tt h a ts a l i n i t yi n t r u s i o ni sm o s ts e r i o u s a tn e a pt i d ei nm o d a o m e n s o m eo ft h ef a c t o r so nt h ei m p a c to fs a l i n i t yi n t r u s i o n , s u c ha st i d a lo s c i l l a t i o ns h e a rf l u x ，c a nb ef o rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：f r e s h w a t e r - s e a w a t e rm i x i n g , s a l i n i t yi n t r u s i o n ，s a l i n i t yf l u x , m o d a o m e ne s t u a r y i v 中山大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明： 本人所呈交的学位论文，是本人在导师的悉心指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确的方式表明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：糯送镊 日期：伽l 矿年易月尹日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：嗜成魄 日期：锄扫年6 月7 日 2 导师签名：f 参务 日期：矽，口年6 月罗日 中山大学硕士学位论文 第一章引言 i i 问题的提出及研究意义 当海洋大陆架高盐水团随潮汐涨潮流进入河口，并沿着河口向上游推进，盐 水扩散、咸淡水混合往内陆上溯，内河含盐量超过一定标准，水体变咸即形成咸 潮( 或称咸潮入侵、咸潮上溯) 。河口地区咸潮上溯是入注海洋河流的河口最主 要的潮汐动力过程之一，是河口特有的自然现象，多发于枯水季节、干旱时期。 河口地区历来是人类聚居和经济发展的首选地，其生存环境和区域可持续发展性 更为人类关注，这一区域的环境生态问题在世界先进国家都放在流域管理的优先 地位。 珠江三角洲地区河道纵横交错，受径流和潮流共同影响，水流往复回荡，易 受咸潮威胁。近几年来，咸潮上溯的频率提高、范围扩大，危及西江、北江、东 江、韩江、鉴江等重要江河及珠江三角洲农业、工业及生活饮用水源水质，对珠 江三角洲地区居民生活用水、农业用水以至城市工业生产及经济发展都有相当大 的影响，咸潮上溯已成为珠江河口地区严重的环境问题之一。2 0 0 3 2 0 0 6 年枯水 季节，珠江河口连续三年发生特大咸潮，影响人口约1 5 0 0 万人，每年直接经济 损失约一亿元。因此，咸潮入侵的研究具有重要的现实意义。 咸潮入侵涉及到咸淡水的混合及盐度的纵向输运。混合是盐水向上游输运的 内在机制。在一个潮周期内，盐水随涨潮流进入河口，这一部分水体如果不与周 围水体发生混合，将随着落潮流退出河口而无法上溯到河道上游更远的地方。 珠江三角洲河网水系结构复杂，具有独特的动力地貌，咸潮入侵的规律及机 理也必然有着自身的特点。本文选择珠江口咸潮入侵最严重的口门磨刀门作 为研究对象，研究磨刀门水道咸淡水混合特征，环流、潮汐及风等因素对混合的 影响，特殊地貌条件下的咸淡水混合规律及径流、潮流和地形所引起的纵向盐度 输运，对咸潮的研究及治理都有一定的理论意义。 中山大学硕士学位论文 1 2 研究进展 1 2 1 河口盐水入侵研究进展 国外成潮的研究始于2 0 世纪3 0 年代，美国陆军工程兵水道试验站( w e s ) 和荷兰d e l f t 水工试验所做了许多基础工作。而对河口盐水入侵作用的认识大体 上始于5 0 年代，其中重要的启发来自早期的河口水力模型试验，只有在模型海 洋部分的水体中加入适当的盐量使其与天然海水含盐度相似时，模型结果才能与 实际水流状况相吻合。美国潮汐动力委员会于1 9 5 4 于对哥伦比亚河口的盐水入 侵及其现象进行调查分析，这是早期盐水入侵研究中比较重要的工作。随后， p r i t c h a r d ( 1 9 5 2 ，1 9 5 4 ，1 9 6 7 ) ，i p p c n ( 1 9 6 1 ) ，h a n s e n ( 1 9 6 6 ，1 9 6 7 ) ，s i m m o n s ( 1 9 6 9 ) ，d y e r ( 1 9 7 9 ) ，o f f i c e r ( 1 9 7 6 ，1 9 8 0 ) 等学者对与盐水运动相关的基本 河口现象及过程进行了开创性和奠基性的研究工作，这些研究工作主要集中在河 口密度环流、盐水入侵长度、河口咸淡水混合类型、河口的混合过程、河口环流 与最大混浊带的关系等基本的水动力问题。其中，p r i t c h a r d ( 1 9 6 3 ) 按河口的分 层特点和盐度分布对河口类型进行了划分，分为盐水楔河口、部分混合河口和强 混合河口。h a n s e n 和r a t t r a y ( 1 9 6 6 ) 使用两个无量纲参数描述河口：分层参数 必& 和环流参数配u , 。，其中帮是表底层盐度差，品是断面( 或单宽断面) 平 均盐度，u 。是表层流速，以n 是断面( 或单宽、即垂线平均) 流速，提出了分层 环流河口分类图。 从8 0 年代开始，盐水入侵相关的模型开始发展。s a v e n i j e ( 1 9 8 6 ，1 9 9 2 ，1 9 9 3 ) 基于对大量河口盐水入侵曲线的研究，归纳出“递降 型、“铃 型、“拱顶”型 和“驼背 型等4 种类型，发展了一系列咸潮上溯模型，用来模拟或预测河口的 咸潮。类似的解析模型还有落憩模型、潮期平均模型，它们均以流体力学方程为 基础，基于不同的假定或简化条件，建立了成潮与河口几何形态、淡水流量、潮 汐等的关系，探讨咸水入侵上限及纵向扩散机制。模拟盐水入侵的数学模型在这 一时期也取得了丰硕的成果。近年来，m u l r e n n a n ( 1 9 9 8 ) 分析了不同历史时期 的海岸平原河流咸水入侵的演变规律，t a i ns h i n gm a ( 1 9 9 7 ) 模拟了k a n s a s 中 南部的河口成潮上溯：p r a n d l e ( 2 0 0 3 ) 和t h a i n ( 2 0 0 4 ) 对部分混合型河口的咸 2 中山大学硕士学位论文 潮上溯和潮汐入侵锋进行了详细的研究，其中p r a n d l e 以早期的具有明确的盐度 和流速垂向剖面结构的潮平均线性理论为基础，考虑潮汐形变和与之相关的对流 倒置( 浮力与垂向涡动扩散) 作用，探讨了影响成潮上溯的诸多敏感性因素。 国内对河口盐水入侵的研究，相对国外起步较晚，始于二十世纪六十年代， 到2 0 世纪8 0 年代才开始有较为系统的研究，主要集中在长江三角洲和珠江三角 洲。相关的研究工作与国外的类似，主要体现在河口咸淡水混合，河口环流，盐 水模型的应用，入海通量等方面。 在长江河口盐水入侵方面，沈焕庭等的多位专家学者对这个区域进行了长期 深入的研究，以专著长江河口盐水入侵为代表( 2 0 0 3 ) ，该书不仅对长江口 盐水入侵的来源、咸淡水混合类型以及盐度的时空变化规律进行了较为全面、深 入的探讨，还对重大工程对盐水入侵的影响以及减轻盐水入侵的对策进行了深入 的研究；茅志昌( 1 9 9 5 ) 依据实测资料，对长江口盐水入侵锋、盐水从北支倒灌 南支的通量及潮汐分汉河口入侵类型等多方面对盐水入侵进行了全面的探讨，从 动力机制上给出了解释；杨桂山( 1 9 9 3 ) 及肖成猷( 1 9 9 8 ) 则分别对长江口海面 上升对成潮的影响及咸潮的影响因子进行了分析。 在珠江口的盐水入侵研究上，徐君亮( 1 9 8 1 ) 较早开始了对河口湾之一的伶 仃洋盐水活动进行研究。应秩甫( 1 9 8 3 ) 利用混合指数、分层系数、淡水分值及 分层环流图对珠江口伶仃洋咸淡水混合特征进行了较深入的研究。赵焕庭 ( 1 9 9 0 ) 也对珠江河口湾的咸淡水混合特征进行了探讨。李春初( 1 9 9 0 ) 研究了 高盐陆架水入侵机制及对河口动力的影响，提出高盐陆架水入侵我国河口方面的 研究应该引起重视。黄方等( 1 9 9 4 ) 通过对1 9 9 2 年冬、夏季盐度实测资料分析， 对黄茅海盐度变化规律、咸淡水混合状况、盐水楔活动范围及冬季盐水入侵距离 进行了研究。方畴军( 1 9 9 5 ) ，周文浩( 1 9 9 8 ) ，李素琼( 2 0 0 0 ) 探讨了海平面上 升对珠江三角洲盐水入侵的影响，并用伊本( i p p e n ) 模型计算了咸潮上溯的距 离。包芸和任杰( 2 0 0 1 ) 采用基于b a c k h a u s 的三维斜压模式，修改盐度差分格 式和方程并引入物理扩散项，模拟了夏季丰水期珠江口的盐度分层现象。侯卫东 等( 2 0 0 4 ) 等对影响咸水入侵的径流分配的时间变化作了探讨。谭启明( 2 0 0 5 ) 也利用水文大同步资料，伊本模型和1 d 河网模型对西江磨刀门水道的上溯现象 进行了研究。包芸等( 2 0 0 9 ) 通过实测资料整理分析，认为潮差最小的后两天挂 3 中山大学硕士学位论文 定角净泄量为零是磨刀门水道咸潮灾害小潮期间强烈而大潮期间微弱的主要原 因。 在其他河口盐水入侵的研究，俞呜同( 1 9 9 8 ) 通过对1 9 9 2 年大潮丰水期一 个潮周期的氯度监测资料分析，探讨了闽江口盐水楔的形成、发展和消退过程， 并分析了盐水楔活动对闽江口水质、河口水文环境，以及河口沉积的影响。韩曾 萃等( 2 0 0 2 ) 讨论了修建新安江水库及治江缩窄这两类人类活动对钱塘江河口盐 水入侵的影响。 近年来，随着数学模型的广泛应用，作为一个有力工具，推动了有关盐水入 侵方面研究的发展，其中朱建荣( 2 0 0 3 ) 做了较多工作，利用e c o m s i 海洋模 式对不同河口形状下的盐水入侵做了大量的数值实验，研究河口形状对河口环流 及盐水入侵的影响，同时，也考虑了在全球变暖的情况下，海平面上升对盐水入 侵的影响。另外，匡翠萍( 1 9 9 7 ) 、罗小锋( 2 0 0 5 ) 及马钢锋( 2 0 0 6 ) 等人也分 别在长江口盐水入侵和e c o m 模式的改进及工程应用方面做了一定的工作。茅 泽育等( 2 0 0 9 ) 采用欧拉拉格朗日混合解法( e l m ) 求解盐度方程，将扩散项 和对流项分裂求解，解决了传统采用的空间插值方法带来的较大的数值扩散和耗 散的问题。 1 2 2 咸淡水混合机制研究进展 混合是河口地区一个重要的物理过程，驱动着盐度的纵向输运。我们对于河 口环流和河口混合过程的理解，很多是来自于h a n s o n 和r a t t r a y ( 1 9 6 5 ，1 9 6 6 ) 的经典文献，他们利用一个密度驱动的环流理论解来评估环流对盐度通量的贡 献，并利用一个参数v ( 潮流驱动扩散率除以总扩散率) ，讨论了密度驱动和潮 流驱动这两种不同的混合机制在特定河口的重要性。随后，几位学者也关注于特 定河口的主要混合机制。s m i t h ( 1 9 8 0 ) 把密度驱动扩散称为浮力驱动扩散。他 指出，在较宽的河口，浮力效应是占主要的。w e s t 和b r o y d ( 1 9 8 1 ) 证实了这一 点并认为横向振荡剪切( 潮流驱动) 在窄而浅的河口占主导，横向重力剪切( 密 度驱动) 在宽的河口占主导。f i s c h e r ( 1 9 7 9 ) 观察到在地形变化很大的断面，密 度梯度驱动的横向剪切超过垂向剪切并提出一个计算有效纵向扩散的公式： 坟a c 芦譬) 2 h s b 2 ，重力扩散( 密度驱动) 是水深及盐度梯度的函数。s i m p s o n 4 中山大学硕士学位论文 ( 1 9 8 1 ，1 9 9 0 ) 提出一个衡量水体层化程度的标量一势能异常，考虑了潮汐、风、 太阳辐射及环流对混合的影响，并认为潮汐及风对水体有扰动作用，有利用于水 体混合，太阳辐射及环流则有利用层化的发育。随后，有许多学者运用势能异常 这个概念来研究水体的混合机理。v a na k e n ( 1 9 8 6 ) 忽略了平流项，但是加入了 水平密度梯度的影响( 垂向致) 。这个过程以微分的形式给出，并考虑了潮汐 形变及河口环流的影响。n u n e sv a z 等( 1 9 8 9 ) 基于不变的混合效率对表面对流 冷却过程进行了参数化。w i l e s 等( 2 0 0 6 ) 对表面波浪破碎效应进行了参数化并 提出水体短波辐射吸收效率在浅水区域的一个经验表达式。r i p p e t h 等( 1 9 9 6 ) 研究了c l y d es e a 表层水体冷却引起的混合及高密度水体引起的重新分层过程。 多位学者( s i m p s o n 等，1 9 9 0 ；s h a r p i e s 等，1 9 9 5 ；r i p p e t h 等，2 0 0 1 ；s c o t t ， 2 0 0 4 ) 研究了潮汐形变及垂向混合在l i v e r p o o lb a y 的相对重要性。 1 3 研究内容和方法 本文从下面几个角度，对珠江磨刀门河口盐水入侵的动力学问题进行探讨。 ( 1 ) 磨刀门河口区咸淡水混合特征及环流、潮汐、风等各种因素对咸淡水 混合的影响。 ( 2 ) 磨刀门水道咸淡水混合与地形的效应，深槽和浅滩的咸淡水混合差异。 ( 3 ) 磨刀门水道盐水入侵的规律及径流、潮汐、地形等各种因素所引起的 纵向盐度输运通量。 本论文运用河口动力学和海岸动力地貌学等多学科领域的基本原理，结合实 测水文资料及数值模拟技术，研究磨刀门水动力特性、咸淡水混合特征、纵向盐 度输运通量及咸潮运动规律。 1 4 资料来源 本文所用资料如下： ( 1 ) 2 0 0 3 年1 2 月9 日1 5 日中山大学近岸海洋研究中心与佛山水文分局联 合对磨刀门冬季水文测验所得的流速、盐度资料。 ( 2 ) 1 9 9 9 年珠江三角洲河网区域河道地形图，广东省水利电力勘测设计研 5 中山大学硕士学位论文 究院提供。 ( 3 ) 1 9 9 9 年1 2 月1 日1 2 月2 0 日天河及石咀的水位数据。 ( 4 ) 沿岸地形资料，主要来自2 0 0 3 2 0 0 5 年的海图数学化成果，其信息如 表1 1 。表1 1 中的海图均为中华人民共和国海事局出版，1 9 5 4 年北京坐标系。 ( 5 ) e t o p 卫星南海北部海底地形水深资料( n s c s ) 。 表1 - 1 近岸海域计算采用的海图 f i g u r e1 - 1c h a r t si nt h eo f f s h o r ea r e a 6 中山大学硕：t 学位论文 第二章研究区域概述 珠江水系主要由西江、北江和东江三大支流组成，其河网密布，水道纵横， 流域总面积达到4 6 x 1 0 5 k m 2 。珠江三角洲诸河自东向西汇集于虎门、蕉门、洪奇 沥、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门、崖门这八个口门流入南海，形成“三江汇 流，八口入海”的水系特征。西江是珠江最长的支流，为珠江的主干。西江干流 进入珠江三角洲网河区后，在天河以下称西海水道，百顷头以下至大横琴则称为 磨刀门水道，长约4 4 k m 。磨刀门是西江的主要入海口，也是珠江主要的泄洪通 道之一，径流作用较强。本文主要研究区域在珠江三角洲中的位置如图2 1 所示。 本文的研究区域是西江天河站以下于流，主要集中在磨刀门水道至口外现代 拦门沙外1 0 m 水深，洪湾水道至马骝洲河段，所处经纬度范围大概位于 1 1 3 2 5 e 1 1 3 6 5 e ，2 1 9 0 n - 2 2 4 0 n 之间( 图2 2 ) 。 7 中山大学硕士学位论文 越 婚 经度 图2 - 1 珠江三角洲略图( 框内为本文研究区域) f i 和他2 - 1t h em a p o fp e a r l r i v e r d e l t a 8 中m 学颐i 学位论文 1 1 331 1 33 51 1 3 41 1 3 4 51 1 35 1 1 35 51 1 361 1 36 5 绔瘦 图2 - 2 主要研究区域( 三角形标示位置为水位验证站点 圆点标示位置为流速、盐度验证站点) f i g u r e2 - 2 m a i ns t u d ya r e a l ( t r i a u g k ：s i t e f o re l e v a t i o n ；d o t ：s i t e f o r v e l o c i t ya n ds a l i n i t y ) 2 1 地理概况 磨刀门是西江干流的主要出海口，是一个典型的径流型河口，其径流下泄量 约占西江径流总量的三分之一左右，来水来沙多使得河r q 区滩地淤积迅速，而人 工围垦又加快了河口向海的延伸进程，时至今日，磨刀门内海己基本围垦成陆， 河口真正外延伸至开敞海域，也是珠江八大1 3 门中率先面海的口门，磨刀门的演 中山大学硕士学位论文 变已进入后门时期( 吴超羽等，2 0 0 6 ) 。磨刀门口门外分布着一系列的山丘、 小岛，自东而西为j 亡洲、大小横琴、石栏洲、横洲、马鬃岛和三灶岛等。磨刀门 水道在挂定角以下分为三个水道，即挂定角至石栏洲的磨刀门水道及支汉洪湾水 道和鹤洲水道( 图2 2 ) ，口门位置在石栏洲附近。洪湾水道在马骝洲附近进入澳 门浅海区，之后向东至伶仃洋出口，向南经十字门水道汇入南海。鹤洲水道分流 较小。磨刀门水道流经的行政区域为江门市、中山市、珠海市。 2 2 水文概况 2 2 1 来水来沙状况 磨刀门在珠江八大口门中，输水量、输沙量最大。磨刀门年径流量 9 2 3 x 1 0 3 m 3 ，占八大口门出海总水量的2 8 3 ，灯笼山站年均净泄量为 8 8 3 9 3 x1 0 8 m 3 ，占上游西、北江来水量的3 1 8 5 ，占西江马口站的3 7 8 6 ( 据 1 9 5 9 1 9 9 8 年实测流量资料统计，马1 3 站多年平均径流量为2 3 3 5 x 1 0 8 m 3 ) ，年均 输沙总量为2 3 4 1 1 0 4 t ，占八大口门出海总沙量的3 3 ，约占马口站输沙量的 3 0 ( 贾良文等，2 0 0 6 ) 。 2 2 2 径流和潮汐 磨刀门属强径流弱潮流河口，多年平均山潮比为5 7 8 ，水文动力存在明显的 季节变化。根据马口站1 9 5 9 1 9 9 8 年实测流量资料统计，马口站多年平均流量为 7 4 0 0 m 3 s ，汛期( 4 9 月) 平均流量为11 4 0 0 m 3 5 ，汛期径流量占年总量的7 6 9 ， 枯水期( 1 0 月至次年3 月) 平均流量为3 4 2 0 m 3 s ，枯水期径流量占年总量的2 3 1 。 由于径流明显的季节变化，磨刀门洪季径流作用较强，枯季径流减弱而潮汐与波 浪动力明显加强，可见磨刀门水道的动力条件非常复杂。当马口站流量大于 1 0 0 0 0 m 3 s 时，径流影响明显加强；当马口站流量小于6 0 0 0 m 3 s 时，以潮流作 用为主。 磨刀门水道的潮汐类型属不规则半日混合潮，潮汐日不等现象显著，潮位和 1 0 中山大学硕士学位论文 涨落潮历时均不相等，一个曰周期内发生两次高潮、两次低潮，历时约2 4 h 5 0 m i n ， 且冬春之间高高潮多出现在夜间，低低潮多出现在白天，夏秋之间则相反。主要 分潮为m 2 、s 2 、k 1 、o l ，其中以m 2 分潮最大，振幅在3 3 7 - 4 2 8 c m 之间。磨 刀门属弱潮型河口，潮差较小，一般为l m 左右，且潮差年际变化不大，年内变 化相对较大，枯水期潮差大于汛期潮差。潮差沿程变化的规律是由海区向内河递 减。枯季潮汐带有明显的江河潮汐的特点，即落潮潮差大于涨潮潮差，落潮流流 速大于涨潮流流速，垂线上为落潮优势( 贾良文等，2 0 0 6 ) 。 2 2 3 潮流和余流 磨刀门河口内潮流为往复流，流向与河道走向基本一致，磨刀门口外主要潮 流方向为西北东南向，涨潮流为西北向，落潮流为东南向，转流时作顺时针旋 转。磨刀门拦门沙以外海域终年存在向西的海岸流。流速的垂线分布是中间层流 速最大，表层次之，越接近底层流速越小。在沿岸区水深较浅，一般为5 1 0 m 层 潮流最大。 磨刀门口的余流主要来源于径流、风和密度环流等，波浪及沿岸流也扮演重 要角色。 2 2 4 风 根据珠海气象站资料统计，最大风频为东北风，东南风次之。夏季风以东南 风为主，冬季风以东北风为主。最大风力可达3 0 m s 。据斗门县气象资料统计， 1 0 月到1 1 月风向以北同为主，9 月和1 2 月风向以北北西为主。因此，磨刀门水 道枯季的风向以偏北风为主，为离岸风( 刘欢等，2 0 0 8 ) 。 2 2 5 地形 西江干流通往磨刀门方向的河道比较顺直，河面较宽广，至灯笼山处有深槽 延续，水深一般大于5 m ，但自灯笼山以下水深明显变浅，由于上游来水来沙丰 富，在河口区域形成大规模的拦门浅滩。磨刀门水道进入宽阔的浅海区之后，由 中山大学硕士学位论文 于流速迅速降低，大量泥沙落淤，河口每年以约1 0 0 m 左右的速度向j l - 海自然延 伸。主槽横洲口拦门沙发育，河床纵剖面呈倒比降。 2 3 咸潮上溯概况 咸潮上溯属于河口一种特有的自然现象，多发于枯水季节。咸潮上溯意味着 位于江河下游的水厂在咸潮上溯期间抽上来的水不符合水质标准，亦不满足灌溉 的淡水要求。 从动力角度来看，河口咸潮上溯是径流动力和潮流动力相互作用，相互消长 的结果。径流动力强，咸潮被挡在口门之外，一旦径流动力减弱，潮流动力相对 加强，咸潮上溯就会加剧。因此，咸潮一般都出现在每年的l l 、1 2 月和翌年的l 、 2 月，这个时候是河流的枯季，径流动力弱，咸潮上溯距离就长，而近几年磨刀 门的咸潮1 0 月甚至9 月就开始，到3 月底才结束。 磨刀门枯季由于径流作用减弱，盐水随潮流进入磨刀门水道、洪湾水道并向 上游入侵，各河道含氯度大增，咸潮影响范围通常至竹排沙下。若以盐度0 5 计， 磨刀门的盐水入侵的上界，平水年一般在灯笼山上下，距河口约2 0 k i n 左右；大 早年可上溯到竹银以北。 近年来，咸潮越来越强。1 9 9 8 年咸潮上溯到南镇( 距口f - # j 3 4 k r n ) ，1 9 9 9 年 至全禄水厂( 距口门约5 8 k i n ) ，2 0 0 3 年末更是越过全禄水厂。2 0 0 3 2 0 0 4 枯水期， 据实地调查，在强咸潮活动期，中山市东西两大主力水厂相互交织同时受到侵袭， 水中氯化物含量达至u t 3 5 0 0 m g l ，不得不采取低压供水措施，部分地区供水中 断近1 8 个小时，同时将供水含氯度标准提高4 0 0m g l ，少供水量2 0 x1 0 4m 3 。2 0 0 4 年2 月期间，珠海市主要泵站之一的广昌泵站泵机曾连续2 9 天都无法开动，横琴 岛及三灶4 0 多天无水供应，其他地区只能低压供水，且供水含氯度标准提高至u 4 0 0 m g l ，澳门甚至提高n s o om g l ( 吴亚帝等，2 0 0 5 ) 。2 0 0 9 年9 年，中山、珠海、 澳门即先后受咸潮困扰，受上游干旱气候影响，1 0 月份，西江流域主要水库蓄水 量与往年同期相比锐减了1 1 0 3 x 1 0 9 m 3 ，上游来水减少，咸潮入侵更加猛烈，2 0 1 0 年1 、2 月珠海的供水标准均超过4 0 0m g l ，n 3 月份，咸潮才得缓解。 随着近几年咸潮上溯越来越严重，澳门、珠海、中山、广州等地的供水安全 中山大学硕士学位论文 受到严重威胁。为了应对珠江三角洲的威情，保障澳门、珠海等珠三角地区供水 安全，国家防汛抗旱总指挥部于2 0 0 5 年1 月7 日正式批准实施珠江压咸补淡应 急调水，这是珠江流域有史以来首次远距离应急调水压咸方案。2 0 0 6 年冬2 0 0 7 年春，珠江防总又多次实施调水压咸，咸情得到有效控制，取得了明显成效。 1 3 中山犬学硕士学位论文 第三章s e l f e 模型理论介绍 美国俄勒冈州o r e g o nh e a l t h & s c i e n c eu n i v e r s i t y 的o g is c h o o lo fs c i e n c e & e n g i n e e r i n g 的研究人员基于对哥伦比亚河的研究，开发了s e l f e 模型( z h a n g ， 2 0 0 4 ，2 0 0 8 ) 。s e l f e 是一个跨尺度三维模型，模拟的空间尺度为河流河口陆 架大洋，水平方向采用非结构化网格，垂直方向采用s z 混合坐标，采用半隐有 限元欧拉拉格朗日算法求解n a v i e r - s t o k e s 方程，可以真实模拟大气、海洋及河 流动力的物理过程，自动判别潮滩的干湿，数值算法稳定，计算效率高，并能保 证物质守恒。s e l f e 已进行了一系列的标准大洋海岸基准测试，并应用于大量 的海湾及河口的环流、海啸、风暴潮、内波、泥沙输运、沿海生态及波流相互作 用的研究。本文采用的是s e l f ev 1 5 k 7 版本。 3 1 基本理论