珠江芸程序开发余流的垂向分布

珠江芸程序开发余流的垂向分布

珠江三角洲河口的河流交叉，受径向流和趋势的影响，水动力条件复杂。伶仃洋是一个宽而浅的喇叭状海湾,它汇集了珠江八大口门中的东部4个口门的来水来沙。伶仃洋河口湾北起沙角至大角山嘴之间宽度约4km的虎门剖面,南抵香港大屿山与澳门之间宽约30km的水域,由湾顶虎门至大屿山-澳门剖面的纵向长度约60km,河口湾内面积约为2000km2。影响珠江河口余流的因素主要包括内陆来的淡水径流、由于咸淡水密度差所产生的河口区的异重流、地球自转所产生的柯氏力,此外风力和波浪作用对余流也会产生影响。河口余流的流向一般具有一定的指向性,与长期物质输运关系密切。分析珠江口余流的分布和变化规律对于研究河口泥沙、营养盐、污染物等输运有着十分重要的意义。国内对伶仃洋海区的动力及演变进行了较多研究,主要利用观测资料分析及数值模拟方法揭示口门的动力特点,获得了定性与定量分析结果。在珠江口余流垂向分布特征方面,陈子分析了伶仃河口湾在不同径流影响下水体混合的空间状态和季节变化特征,指出由河口湾表、中层冲淡水和内陆架底层上溯的高盐补偿流构成了河口湾和内陆架之间的净环流;林祖亨等根据同步观测资料对珠江口水域余流的流速、流向分布进行了分析,认为余流受珠江径流下泄入海的影响较明显,反映了径流下泄的主要去向,同时得出珠江口水域余流较弱的结论;任杰等曾在研究伶仃洋的纵向水沙输移特征时讨论了伶仃洋河口湾余流垂向分布特征,认为伶仃洋的最大混浊带水沙输运机制可分解成8项,观测点所在的垂向断面净环流主要由河口湾表层下泄流和底层上溯的高盐补偿流构成。这些研究多为针对某季节或某涨落潮过程的资料分析,对于珠江口余流垂向分布年内变化研究尚不多见。本文对珠江伶仃洋出口处某观测地所在垂向断面一整年海流及其他观测得出的数据进行整理,分析了余流垂向分布的年内变化及其与径流的关系,旨在填补这方面研究的一些空白。1数据来源和处理1.1海流、潮位的观测位置珠江口伶仃洋面向外海,边界有众多岛屿包围。根据研究区域的水文特征,并考虑航道等因素,海流、潮位的观测位置设在如图1所示位置,处在伶仃西航道的西侧。测点年平均水深约为10.3m。1.2海流剖面观测所有数据观测均为期1年,自2007年4月1日0:00起至2008年3月31日23:00止。海流观测利用AWAC波浪海流剖面仪进行定点的水流全剖面连续长期观测,测流层数不少于6层,每天24h连续观测,每隔60min记录一次,每次记录时间不小于100s。海流观测资料的完整率为96%,满足计算使用要求。珠江径流数据来源于广东省水文局提供的高要、石角及博罗3个水文站的同期旬平均水文资料,并按洪枯季分别计算伶仃洋4口门流量。1.3行业平均海流值与流利用观测点6个水层(表层、0.2H层、0.4H层、0.6H层、0.8H层和底层)一年整点观测的海流资料,运用插值方法求取整点时刻6个水层的海流值。分别对这6个水层一年的整点海流值利用最小二乘法的调和分析方法进行潮流调和分析,从而得到观测点垂向断面各层余流的流速与流向。将坐标轴旋转340°以符合河口轴线走向,以此得到代表伶仃洋河口湾出口余流的纵向流速和横向流速,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变化2.1朱江口的水文气象2.1.1年—径流情况珠江口8个口门中4个在伶仃洋,分别是虎门、蕉门、洪奇沥和横门。进入伶仃洋的平均流量约5663m3·s-1,径流总量约1792亿m3·a-1,近年来其出流量约占珠江出海总量的65%,洪季径流量占全年的80%,枯季的径流量仅占20%。径流量在4月到9月显示出明显的洪季特征,约占年径流总量的80%,特别是在6月至8月,流量急剧增大,3个月占年径流量的50%以上;而从10月开始到次年3月则为枯季。根据广东省水文局的资料,观测年洪季5—8月珠江平均总径流量约为12000m3·s-1,而多年同期珠江平均径流量为约18000m3·s-1;枯季11月、12月珠江径流量分别约为3000m3·s-1、2000m3·s-1,多年12月—次年2月珠江平均径流量约为5000m3·s-1。可见,观测年珠江径流量较多年同期平均径流量偏低。2.1.2季节动态风速指标伶仃洋地处东亚季风区,受台风、季风、副热带高压等天气系统的影响,具有典型的季风特征:每年5—8月为夏季西南季风时期,低空为西南季风;10月至次年3月为冬季东北季风时期,低空为东北季风;而4月和9月为转换月份,从冬季到夏季的转换过程比较迅速,而由夏季到冬季的过渡比较缓慢。珠海气象站1978—2007年30年平均风速为2.9m·s-1,观测年度2007-04—2008-03珠海气象站年平均风速为2.5m·s-1,小于多年平均风速,属于小风年。观测点在本年8—9月受到热带气旋影响较大,包括强热带风暴“帕奇”、热带风暴“蝴蝶”、强台风“圣帕”以及热带风暴“范斯高”和“利奇马”。2.1.3压力和盐度分布伶仃洋存在密度梯度驱动的垂向环流已成为共识,其咸淡水分布及混合状态主要受上游径流量和潮汐强弱的制约。受珠江径流的影响,洪季靠近珠江口的上层海水等盐度线较为密集,盐度的水平梯度和垂直梯度均较大;而在枯季近岸温、盐垂直混合均匀,而且具有低温低盐的特性。2.2余流的年际变化特征观测点6个水层潮流性质比值F=(WK1+WO1)/WM2介于0.68—0.82之间,该点潮流属于不规则半日潮流。图2为各月余流流速矢量的垂向分布图。从全年来看,余流流速表层为11—23cm·s-1,底层为4—8cm·s-1。在洪季,表层的余流流向为175°—180°,呈南偏东流向;底层流向为348°—4°,呈正北流向。在枯季,表层流向为176°—241°,呈西南流向;底层流向为320°—351°,呈北偏西流向。与邱章等的华南海岸水文调查结果相近。由图2可以看到,在所观测的海域,余流垂向分布的年际变化存在以下特点:(1)余流的垂向分布具有明显的上溯流和下泄流分层现象,下泄流厚度从洪季的上4层变薄到枯季的表层,同时上溯流厚度从洪季的底下2层变厚到底下4层,呈现出明显的月不等现象,这与径流流量的控制作用有很大的关系。(2)各月余流最大流速均出现在表层。从春季到仲秋,表层平均余流流速比其余季节的大,流速在10cm·s-1以上,流向基本为S向,只有个别月份为偏东南或西南向,呈下泄流形式。各月0.2H层也主要表现为下泄流,但冬季的11月—2月表现为上溯流。(3)靠底2层的流态相对稳定,余流速度维持在10cm·s-1以下,同时由于底摩擦耗散等影响,底层流速比0.8H层稍小或持平。各月靠底2层流向都较为单一,角度相差较小,多为偏N向,呈上溯流形态;同时,靠近底面2层的年内变化呈现出明显的双周期现象,即在洪季和枯季流速均比较小,而在转季的时候流速增大。这样的变化一年有2次,其可能原因之一为在年平均流量时当地盐水楔斜压梯度力与水面坡度梯度力的动态平衡充分发展,产生的原因有待进一步理论分析。(4)0.4H层介于下泄流和上溯流之间,为上溯流和下泄流交替作用层,其稳定性相对较差,流速分层的界限也不明显。流向从年初到年末呈顺时针方向转动,从洪季的下泄流状态转变成枯季的上溯流状态,这是由于径流减少而导致盐水楔向伶仃洋上游河口入侵造成的。(5)在6、7、8这3个月表面2层下泄流流速明显增大而底面3层流速则明显变小,这与在此期间珠江径流大量来水有很大关系,其中6月进入伶仃洋的径流量超过12000m3·s-1;此外6—7月此海域频繁出现雷雨大风天气,由此造成观测处海水水体在垂向的高度分层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流量分布观测点断面的季度欧拉余流纵向流速如图3所示(图中以指向外海为正)。由图中可以看到,一年之中余流的断面平均纵向流速并不一致,在夏季指向下游而在春秋季和冬季则指向上游,变化与径流量大小有较大的关系。就所观测年全年来说,当地的余流流动是呈上溯趋势的。2.3.2向水量输移考虑余流的单宽水量纵向输移q,式中为观测点垂向平均纵向余流流速,h0为观测点垂向平均水深。计算得各月平均纵向水量输移如表1所示。可以看到,在所观测的位置欧拉余流在一年大部分月份里是向上游输运水量的,只有在6、7两月径流较大时才向伶仃洋外输送水量,同样的还有3月份也呈整体下泄态。由此可见,在伶仃洋河口湾存在余环流,并不是单纯下泄状态,同时在一年的不同月份其纵向水量输移大小是不同的,这对该海区的水沙及物质输运会产生较深远的影响。3在分析剩余流与径向流的影响因素关系时3.1回归方程结果实测各月余流纵向流速的垂向分布分为顶层、0.2H层、0.4H层、0.6H层、0.8H层以及底层。其中表面2层主要表现为下泄流,底下3层主要表现为上溯流,0.4H层表现为过渡层。分别取进入伶仃洋径流的平均流量资料和测点处各层的实测余流流速资料进行线性相关分析,同时用统计假设检验相关系数的显著性。作原假设H0β=0,构造统计量F:R为线性相关系数。在显著性水平α下有1-α分位数F1-α(1,n-2)=5.59,若F<F1-α(1,n-2),接受H0,否则拒绝H0,即两变量之间的线性关系是明显的。得到测点实测各层余流流速与径流量的线性回归方程如表2所示。由以上结果可以看到,进入伶仃洋的径流与余流表层下泄流有良好的线性相关性,与珠江河口为径流控制型河口相吻合,其径流在内伶仃洋口外对余流仍有控制性的作用。同时,径流对余流的影响在水深增加后有所减小。处于下泄流和上溯补偿流之间的过渡层水体流动与径流相关性也比较差,结合图2也可以印证,过渡层流速的稳定性较差,与季节、盐水楔上溯距离等有较大的关系。靠底几层的上溯流与径流量大小的线性相关性不明显,特别是越到下层其线性相关性越差,到了底层则完全为线性无关,其原因是观测点底层的上溯流除受到径流影响外,还受到河口盐水斜压、地形条件等因素影响。3.2调查问卷的指数关系分析考虑2.2节余流年内变化特征(3),靠近底面2层余流的年内变化呈现出明显的周期性,洪季和枯季流速均比较小,而在转季的时候流速反而变大。取进入伶仃洋的径流平均流量资料和测点处的靠底2层实测余流流速资料进行指数关系相关分析,同时用统计假设检验相关系数的显著性,F1-α同上。构造以下指数拟合关系式:得到测点实测靠底2层余流流速与径流量的指数关系回归方程如表3所示。由以上结果可以看到,进入伶仃洋的径流与余流靠底两层的上溯流有良好的指数相关性,特别是在底层。上溯流在年平均流量附近最小,在洪、枯季转换季节上溯流较小,在洪季和枯季上溯流较大。其可能原因之一为在年平均流量时当地盐水楔斜压梯度力与水面坡度梯度力的动态平衡充分发展产生的原因有待进一步理论分析。4调查数据分析根据本次一整年度的观测资料分析,可以得到以下结论。1)全年余流流速表层为11—23cm·s-1,底层为4—8cm·s-1。余流的表层流向为175°—180°(以正北为0°),呈南偏东流向;底层流向为348°—4°,呈正北流向。在枯季,表层流向为176°—241°,呈西南流向;底层流向为320°—351°,呈北偏西流向。2)伶仃洋口观测点所在位置余流的垂向分布具有明显的上溯流和下泄流分层现象,下泄流厚度从洪季的上4层变薄到枯季的表层,同时上