南渡江河口內(nèi)侵水型鹽水的分布特征

南渡江河口內(nèi)侵水型鹽水的分布特征

南渡河是海南省最大的河流，河口長度較短（約25公里）。河口外流入復(fù)雜的瓊州海峽，河口發(fā)育海水。枯季時(shí),南渡江河口呈現(xiàn)出鹽水楔河口的特征(趙軍鵬,2011),相應(yīng)地其鹽分輸運(yùn)與鹽水入侵有其自身的特點(diǎn)。近幾十年來因河口段的人類活動(dòng)(主要為河道采砂)而產(chǎn)生鹽水入侵的加劇,對(duì)當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)和生活用水產(chǎn)生不利影響,有必要加強(qiáng)對(duì)南渡江鹽水入侵的研究。國際上對(duì)各種類型河口的水動(dòng)力與鹽分輸運(yùn)的過程與機(jī)理進(jìn)行了大量的研究(MacCready,2007;Lerczaketal,2006;Ralstonetal,2010),國內(nèi)對(duì)長江、珠江等大河口的鹽水入侵的研究也相當(dāng)深入(Wuetal,2010;Gongetal,2011)。但對(duì)小河口鹽水入侵的研究相對(duì)較少。南渡江河口為典型的小河口,潮汐作用弱,徑流作用相對(duì)較強(qiáng),其鹽分向陸輸運(yùn)的機(jī)理如何?鹽水入侵在枯季時(shí)大小潮期的變化怎樣?人類活動(dòng)對(duì)鹽水入侵的影響又如何?這些問題的解決將豐富國內(nèi)外關(guān)于河口動(dòng)力學(xué)的研究,同時(shí)對(duì)南渡江鹽水入侵的防控具有重要意義。南渡江發(fā)源于海南島中部山區(qū),向北注入瓊州海峽。全長334km,流域面積達(dá)7033km2。龍?zhí)翂沃芬韵聻楹涌诙?河段長26.5km)。南渡江在麻余村附近分為三汊,即干流(長4.2km),橫溝河(長5km)和海甸溪(長6km)。干流與橫溝河之間為新埠島,橫溝河與海甸溪之間為海甸島(圖1)。干流是南渡江主要的水沙排泄通道,橫溝河內(nèi)的漲落潮勢(shì)均力敵,而海甸溪?jiǎng)t主要受漲潮流控制。河口段徑流主要來自南渡江上游地區(qū),且洪枯季變化明顯,南渡江約80%的徑流量來自洪季的6-10月。據(jù)龍?zhí)琳径嗄晁馁Y料統(tǒng)計(jì),實(shí)測(cè)最大年平均流量為296m3/s(1973年),最小年平均流量為74.6m3/s(2004年)。2004-2007年期間,年平均流量為108.1m3/s,徑流量為34.7×108m3。其中干流河口輸水量占總徑流量的70%以上,而橫溝河占30%左右,海甸溪水沙則表現(xiàn)為凈進(jìn)。本區(qū)多年平均潮差為1.21m,最大潮差2.5m左右,為弱潮河口。潮汐系數(shù)為3.86,屬于不正規(guī)全日潮。瓊州海峽潮流為往復(fù)流性質(zhì),有漲潮東流、西流,落潮東流、西流4種流動(dòng)形式,以漲潮東流和落潮西流為主,轉(zhuǎn)流一般發(fā)生在平均水位附近,平均水位以上以東流為主,平均水位以下以西流為主。1文保觀測(cè)數(shù)據(jù)及方法本研究主要根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析。趙軍鵬(2011)采用FVCOM模型對(duì)南渡江河口的鹽水入侵過程及機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致的研究,但模型由于時(shí)空尺度的限制以及對(duì)物理過程的簡化,對(duì)一些細(xì)微的物理過程(如水躍(jump))尚不能完全反映,因此有必要對(duì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行更細(xì)致的分析。海南省海洋開發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院于2009年枯水期在南渡江河口進(jìn)行了兩航次的現(xiàn)場水文同步觀測(cè)(小潮期為2009年02月07日09:00至2009年02月08日10∶00;大潮期為2009年02月11日10∶00至2009年02月12日11∶00),觀測(cè)內(nèi)容有水位、水流、鹽度、懸沙含量等。觀測(cè)期間設(shè)定6個(gè)海流觀測(cè)站,多船同步作業(yè),大小潮期分別連續(xù)觀測(cè)26h,采樣的時(shí)間間隔為1h,測(cè)量儀器采用日本ALEC公司EM自容式海流計(jì)。根據(jù)水深的不同,垂向上采用不同的分層方法測(cè)量水流,當(dāng)水深≤5m采用三點(diǎn)法(表、0.6H、底層);1號(hào)站采用六點(diǎn)法(表層、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、底層),其中表層為距表面0.5m、底層為距底0.5m,H為瞬時(shí)水深。同時(shí)在2、3、4站采用RBRCTD進(jìn)行每小時(shí)1次的溫鹽剖面觀測(cè)。在近岸設(shè)立4個(gè)臨時(shí)水尺進(jìn)行26h的短期同步潮位觀測(cè),同時(shí)2號(hào)站隨船放置自動(dòng)潮位記錄儀進(jìn)行水位測(cè)量。觀測(cè)期間基本為靜風(fēng)條件,風(fēng)對(duì)水動(dòng)力的影響很小。觀測(cè)期間上游龍?zhí)了畨翁幍膹搅髁繛?0m3/s左右。此外,海南省海洋開發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院還于2009年11月20日至2009年12月28日在站位3附近利用漁民搭建的捕魚平臺(tái),采用自容式溫鹽儀進(jìn)行了連續(xù)38天的表層溫鹽觀測(cè)。通過分析上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),本文主要研究南渡江干流(包括2至4號(hào)站)在枯季大小潮期間的流速、鹽度、水體分層等的潮內(nèi)變化。對(duì)于流速數(shù)據(jù),根據(jù)一個(gè)潮周期內(nèi)垂向平均流速的變化確定主流向(Emeryetal,2001)。由于河道較窄,水流基本為往復(fù)流,本研究中的流速分析以主流向上的流速變化為主。水體分層采用分層系數(shù)(Sp=δs/s0,其中δs為表底層的鹽度差,s0為垂向平均鹽度)加以量化。結(jié)合38天的連續(xù)溫鹽觀測(cè),采用EFDC(EnvironmentalFluidDynamicsCode)(Hamricketal,1992)模型模擬了觀測(cè)期間觀測(cè)點(diǎn)的流速過程。該模型在南渡江河口已進(jìn)行過良好的水位與流速驗(yàn)證。2結(jié)果2.1漲潮過程水體分層這里給出干流水道口門站的水位過程?？梢?在小潮期一個(gè)太陰日內(nèi),南渡江河口的水位經(jīng)歷了一次大的落-漲-落潮過程,但在大的漲落潮過程中,又發(fā)育有次一級(jí)的漲落潮過程,如在圖中26小時(shí)附近,有一次一級(jí)的落-漲過程。從站2的水位與流速過程的對(duì)比來看,流速變化幾乎滯后于水位變化90°,顯示出河口以駐波為主的潮波特征。由于南渡江的河口長度較短,遠(yuǎn)小于主要分潮波(M2,S2,K1,O1)的1/4波長,駐波系統(tǒng)發(fā)育。從漲落潮歷時(shí)來看,漲潮歷時(shí)約7h,而落潮歷時(shí)長達(dá)18h,漲潮歷時(shí)遠(yuǎn)短于落潮歷時(shí),與此相對(duì)應(yīng),漲潮最大流速與平均流速都大于落潮流速,表現(xiàn)出漲潮優(yōu)勢(shì)的流速不對(duì)稱類型。與流速過程相對(duì)應(yīng),站2的鹽度表現(xiàn)出相應(yīng)的變化。整個(gè)觀測(cè)期內(nèi),水體的分層系數(shù)介于0至1之間,以部分混合的狀態(tài)為主(Prandleetal,1985)。落潮時(shí)鹽度不斷減小,最小鹽度出現(xiàn)在落憩時(shí)。與部分混合河口的一般規(guī)律不同(Dyeretal,1997),站2的水體分層系數(shù)在落急時(shí)較大,落憩時(shí)達(dá)到極小,符合鹽水楔河口的特征(Geyeretal,1989)。漲潮過程中,底部鹽度率先增大,水體分層增強(qiáng),水體中上層鹽度隨后增大,到漲急附近時(shí)水體混合充分,分層系數(shù)達(dá)到0。這種狀態(tài)一直持續(xù)到漲憩。在隨后的落潮過程中,表層鹽度先于底層鹽度減小,水體分層系數(shù)不斷增大?？傮w而言,由于站2位于河口口門,潮流流速大,水體呈現(xiàn)出部分混合到充分混合的狀態(tài),落潮時(shí)為部分混合,漲潮時(shí)變?yōu)槌浞只旌稀＿@是由于潮汐應(yīng)變(Tidalstraining)效應(yīng)(Simpsonetal,1990)的影響,落潮時(shí)層化加強(qiáng),漲潮時(shí)混合加強(qiáng)。與站2相比,站3的流速明顯減小,其表層自向海流轉(zhuǎn)為向陸流的轉(zhuǎn)流時(shí)刻延遲,而底層的轉(zhuǎn)流時(shí)刻提前。與站2不同,在次一級(jí)的落-漲過程中(28-30h),表層流仍為向海流,但中層與底層流則變?yōu)橄蜿懥?。可?站3在落潮期的垂向流速剪切要大于站2,而在漲潮期流速的垂向剪切較小。與流速較弱相對(duì)應(yīng),站3的水體分層系數(shù)在第一個(gè)落潮期內(nèi)幾乎都大于1,呈現(xiàn)出高度分層的狀態(tài)(Prandleetal,1985)。在落潮過程中,表層鹽度有所降低,而底層鹽度則未見減小,特別是在13-19h之間,底層鹽度基本未變,這與該時(shí)段內(nèi)的底層流速近乎為0相對(duì)應(yīng)。站3的水深約為6m,為人為挖沙形成的深坑(圖2),落潮時(shí)水體分層強(qiáng),抑制了表層與底層的動(dòng)量交換,流速的垂向剪切較大,底層幾乎為靜水。值得注意的是,在落潮后期,站3底層的鹽度大于站2,表明存在局部的底層鹽度逆梯度,這是由于挖沙坑對(duì)底部高鹽水的捕集作用所致。在漲潮期,站3的底層鹽度減小,表層鹽度增大,水體分層減弱,在漲急時(shí)水體的分層系數(shù)達(dá)到最小。我們推測(cè):漲急時(shí)刻在站3處可能發(fā)生了水躍(jump),產(chǎn)生類似于sill(檻)的動(dòng)力過程,垂向流速增大,水體中的動(dòng)能從上部傳到下部(Chaoetal,1991),導(dǎo)致垂向混合作用顯著加強(qiáng)。在隨后的漲潮階段,鹽度增加,而水體分層系數(shù)則經(jīng)歷了從增加到減小的過程,到漲憩附近分層系數(shù)達(dá)到極小。漲潮過程中鹽躍層(垂向鹽度梯度最大處)有不斷向上抬升的現(xiàn)象,表明漲潮過程中底邊界層不斷增厚,這與大多數(shù)河口的底邊界層發(fā)育規(guī)律一致(Ralstonetal,2010)。21-23h之間表層鹽度減小明顯,是由于局部短時(shí)降雨所致。在隨后的落潮過程中,水體鹽度減小,特別是表層鹽度。與此同時(shí),水體分層則不斷增強(qiáng),這與部分混合河口的典型過程一致。可見,由于站3位于河口的中段,水體呈現(xiàn)出部分混合到高度分層的狀態(tài),以部分混合的狀態(tài)為主。再向上游,到站4時(shí),流速進(jìn)一步減小,表、中、底層的流速相位不同步。值得注意的是,水體中的底層流在大多數(shù)時(shí)刻都表現(xiàn)為向陸流,表明在站4的底層,落潮期由鹽度梯度產(chǎn)生的斜壓力要大于由水位梯度產(chǎn)生的正壓力。站4也位于一深坑位置(圖2),在落潮期水體中上部的鹽度減小,而底層鹽度幾乎不變,表現(xiàn)在水體分層上,即分層系數(shù)不斷增大,到落憩時(shí)達(dá)到最大。漲潮時(shí)由于潮汐應(yīng)變效應(yīng)以及由于地形所產(chǎn)生的動(dòng)力過程,高鹽水覆蓋在低鹽水之上,導(dǎo)致水體不穩(wěn)定,垂向混合加強(qiáng)。該時(shí)刻底層鹽度減小,表層鹽度增大,水體的分層系數(shù)減小,到漲急時(shí)分層最小。在隨后的落潮過程中,表層鹽度減小,而底層鹽度則增大,與之相對(duì)應(yīng),水體的分層系數(shù)不斷增大。落潮時(shí)底層鹽度增大的原因在于該時(shí)刻底層流為向陸流,高鹽水自海向陸輸運(yùn)?？傮w來看,站4的水體分層系數(shù)大,處于高度分層狀態(tài)。2.2漲落潮時(shí)段的特征在大潮期,水位過程表現(xiàn)為兩漲兩落,其中后一次的落潮過程中水位變化的幅度較小。與小潮期不同,在大潮期的落潮流速要大于漲潮流速,流速不對(duì)稱表現(xiàn)為落潮優(yōu)勢(shì)型。河口區(qū)的流速不對(duì)稱受多種因素控制,Friedrichs與Madsen(1992)對(duì)美國河口的流速不對(duì)稱進(jìn)行了綜合研究,提出了判據(jù)其中b0為斷面的平均寬度,Δb為斷面高水位的寬度與低水位時(shí)的斷面寬度差。該判據(jù)反映的是潮波傳播過程中的底磨擦效應(yīng)與潮灘地形效應(yīng)的對(duì)比情況,當(dāng)r>0時(shí),底磨擦效應(yīng)強(qiáng),漲潮優(yōu)勢(shì)發(fā)育,反之則落潮優(yōu)勢(shì)發(fā)育。但在日潮為主的河口區(qū),Ranasinghe與Pattiaratchi(2000)研究發(fā)現(xiàn)其流速不對(duì)稱主要受外海潮波的漲落潮歷時(shí)不等所控制。對(duì)于南渡江河口,在大潮時(shí)r顯然要大于小潮時(shí),根據(jù)Friedrichs與Madsen(1992)的判據(jù)應(yīng)為漲潮優(yōu)勢(shì)更發(fā)育,而結(jié)果則為大潮時(shí)落潮優(yōu)勢(shì)更明顯,表明南渡江河口的流速不對(duì)稱主要受外海潮波的漲落潮歷時(shí)不等所控制。大潮時(shí)落潮歷時(shí)要短于漲潮歷時(shí),而小潮時(shí)落潮歷時(shí)長于漲潮歷時(shí)。與小潮時(shí)相比,大潮時(shí)站2的水體分層系數(shù)大大減小,水體分層系數(shù)在0-0.5之間變動(dòng),表明大潮期的混合作用更強(qiáng),這與世界上許多河口相類似(Haasetal,1977)。在落潮期表層鹽度減小,水體分層增強(qiáng),在落急時(shí)分層系數(shù)達(dá)到極大。表明落潮時(shí)潮流的混合作用小于由于潮汐應(yīng)變導(dǎo)致分層加強(qiáng)的效應(yīng)。在落潮后期,鹽度進(jìn)一步減小,分層系數(shù)也有所減小,但在落憩附近分層又增大。漲潮時(shí)鹽度增高,水體混合加強(qiáng),呈現(xiàn)為充分混合狀態(tài)。在隨后的落潮期鹽度又不斷減小,水體分層也隨之增強(qiáng)?？傮w來看,大潮期站2為部分混合至充分混合狀態(tài),潮汐應(yīng)變效應(yīng)顯著,水體分層落潮期遠(yuǎn)大于漲潮期。在站3,大潮期流速顯著增大,底層流的漲潮歷時(shí)要長于表層與中層。水體分層系數(shù)(0.2~1.5之間)比小潮期減小,混合作用加強(qiáng)。落潮時(shí)鹽度減小,水體分層增強(qiáng),鹽躍層在垂向上不斷下移,表明底邊界層受分層作用的抑制不斷變薄。這種現(xiàn)象在小潮期的落潮過程中不明顯。漲潮期水體垂向混合加強(qiáng),分層系數(shù)減小,在漲憩時(shí)鹽度達(dá)到最大,分層系數(shù)達(dá)到最小。在隨后的落潮過程中,鹽度減小,分層增強(qiáng),呈現(xiàn)出部分混合型河口的一般特征。大潮期站4的表層流以向海流動(dòng)為主,而底層流以向陸流動(dòng)為主。在小的落潮過程中(26h附近),底層出現(xiàn)向海流的時(shí)段很短。在漲潮期,中層流的流速大于表層(21-24h),呈現(xiàn)出典型的漲潮期河口垂向流速分布中次表層流速最大的特征(Unclesetal,2002)。在落潮期,水體上部的鹽度減小劇烈,且鹽躍層不斷下移,水體的分層系數(shù)在落潮期不斷增大。漲潮時(shí)底層鹽度減小,表層鹽度增大,水體混合加強(qiáng),分層減弱。在隨后的次一級(jí)的落-漲過程中,鹽度呈現(xiàn)出先減后增的過程,水體分層則先增大后減小。2.3潮周期內(nèi)的鹽度的變化連續(xù)38天觀測(cè)站觀測(cè)期只進(jìn)行了溫鹽觀測(cè),為分析觀測(cè)期鹽度隨大小潮的變化情況,采用EFDC模型模擬了觀測(cè)期間觀測(cè)點(diǎn)的水位與流速變化,將模型計(jì)算的流速(這里給出的是垂向平均流速)與觀測(cè)得到的鹽度進(jìn)行綜合分析。從圖中可以看出,觀測(cè)站在大潮期的鹽度變化大,高鹽度值基本出現(xiàn)于漲憩階段,而低鹽度值出現(xiàn)于漲急之前。從一個(gè)潮周期內(nèi)的鹽度變化幅度來看,觀測(cè)站大潮期的最大鹽度要大于小潮期,最小鹽度則要小于小潮期。從圖11b可以看出,大潮期落潮時(shí)鹽度減小緩慢,而在漲潮期的漲急后鹽度迅速增大,這與落潮期流速較小,而漲潮期流速較大有關(guān),另一方面,漲急時(shí)刻由于流速大,混合作用強(qiáng),也是表層鹽度迅速增大的原因。這與站3(圖9)在大潮期表層鹽度的變化相一致。在小潮期鹽度變化與流速的相關(guān)性不是很強(qiáng),但基本上呈現(xiàn)出漲潮時(shí)鹽度增大,落潮時(shí)鹽度減小,鹽度的極大值出現(xiàn)于漲急至漲憩期間的規(guī)律。3討論和結(jié)論3.1鹽分向陸輸運(yùn)的動(dòng)力機(jī)制趙軍鵬(2011)發(fā)現(xiàn):根據(jù)Lerczak等(2006)對(duì)鹽分通量的分解方法,將FVCOM模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行斷面鹽分輸運(yùn)通量分析,分解成平流項(xiàng)(Advection)、潮汐振蕩項(xiàng)(tidaloscillatory)及平均流剪切項(xiàng)(steadyshear)。平流項(xiàng)為由徑流作用及潮汐的Stokes效應(yīng)產(chǎn)生的鹽分輸運(yùn),以向海為主,平均流剪切項(xiàng)主要由河口環(huán)流產(chǎn)生,而潮汐振蕩項(xiàng)則由流速與鹽度的潮內(nèi)(intratidal)變化的相互作用產(chǎn)生,包括潮泵(tidalpumping)與潮汐捕集(tidaltrapping)效應(yīng)。平均流剪切與潮汐振蕩是鹽分向陸輸運(yùn)的主要?jiǎng)恿C(jī)制。在南渡江干流,自海向陸,隨著潮汐動(dòng)力的不斷減弱,徑流動(dòng)力的不斷增強(qiáng),鹽分向陸輸運(yùn)的貢獻(xiàn)項(xiàng)中,潮汐振蕩項(xiàng)不斷減小,而由重力環(huán)流所造成的平均流剪切項(xiàng)則不斷增大。在口門附近,鹽分向陸輸運(yùn)的主要貢獻(xiàn)項(xiàng)為潮汐振蕩項(xiàng),在站3附近(也為38天連續(xù)觀測(cè)點(diǎn)所在位置)的斷面上,鹽分向陸輸運(yùn)中潮汐振蕩項(xiàng)仍占相當(dāng)重要的地位。一般而言,潮汐振蕩項(xiàng)與潮流速度的大小成正相關(guān)(Lerczaketal,2006),潮流速度越大,由潮汐振蕩項(xiàng)所形成的鹽分向陸輸運(yùn)通量越大,這是造成38天連續(xù)觀測(cè)站中最大鹽度在大潮期要大于小潮期的動(dòng)力機(jī)制所在。再向陸,到站4所在的斷面時(shí),從圖10和圖6的對(duì)比可以看出,站4大潮期的鹽度要小于小潮期。這是由于在站4附近所在斷面,鹽分向陸輸運(yùn)主要通過平均流剪切項(xiàng)來完成,而平均流剪切項(xiàng)又主要由重力環(huán)流所造成,重力環(huán)流在小潮期要強(qiáng)于大潮期(Haasetal,1977)。如果以某一量值(如1ppt)的底層鹽度向陸延伸的距離作為鹽水入侵長度的定義,可以斷定,南渡江鹽水入侵長度在小潮時(shí)要大于大潮時(shí)。這與部分混合的河口(如珠江口磨刀門(Gongetal,2011);美國Hudson河口(Lerczaketal,2006))的規(guī)律相一致,但與充分混和河口(如長江口)的變化規(guī)律不同(Wuetal,2010)。對(duì)于充分混合的河口,鹽水入侵的長度與潮流流速振幅的一次方至二次方成正比(MacCreadyetal,2007)。3.2河口邊灘小灣對(duì)鹽分向陸輸運(yùn)的捕集效應(yīng)從對(duì)站3在小潮期鹽度變化的分析來看,挖沙形成的深坑對(duì)高鹽水具有捕集作用。漲潮時(shí)(特別是大潮期)通過Sill動(dòng)力過程進(jìn)入深坑的高鹽水,在落潮期由于水體分層,垂向混合作用小,再加上深坑處的水平流速近于0,不能被向海輸運(yùn)而富集于深坑處。這些富集的高鹽水在下一次的漲潮過程中被卷吸到水體上部隨漲潮流向陸輸運(yùn),從而在一次漲落潮過程中,深坑所在處落潮時(shí)鹽度低,漲潮時(shí)鹽度高,類似于潮泵(tidalpumpi