珠江蕓程序開(kāi)發(fā)余流的垂向分布

珠江蕓程序開(kāi)發(fā)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(shì)的影響，水動(dòng)力條件復(fù)雜。伶仃洋是一個(gè)寬而淺的喇叭狀海灣,它匯集了珠江八大口門(mén)中的東部4個(gè)口門(mén)的來(lái)水來(lái)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(mén)剖面,南抵香港大嶼山與澳門(mén)之間寬約30km的水域,由灣頂虎門(mén)至大嶼山-澳門(mén)剖面的縱向長(zhǎng)度約60km,河口灣內(nèi)面積約為2000km2。影響珠江河口余流的因素主要包括內(nèi)陸來(lái)的淡水徑流、由于咸淡水密度差所產(chǎn)生的河口區(qū)的異重流、地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的柯氏力,此外風(fēng)力和波浪作用對(duì)余流也會(huì)產(chǎn)生影響。河口余流的流向一般具有一定的指向性,與長(zhǎng)期物質(zhì)輸運(yùn)關(guān)系密切。分析珠江口余流的分布和變化規(guī)律對(duì)于研究河口泥沙、營(yíng)養(yǎng)鹽、污染物等輸運(yùn)有著十分重要的意義。國(guó)內(nèi)對(duì)伶仃洋海區(qū)的動(dòng)力及演變進(jìn)行了較多研究,主要利用觀測(cè)資料分析及數(shù)值模擬方法揭示口門(mén)的動(dòng)力特點(diǎn),獲得了定性與定量分析結(jié)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(tài)和季節(jié)變化特征,指出由河口灣表、中層沖淡水和內(nèi)陸架底層上溯的高鹽補(bǔ)償流構(gòu)成了河口灣和內(nèi)陸架之間的凈環(huán)流;林祖亨等根據(jù)同步觀測(cè)資料對(duì)珠江口水域余流的流速、流向分布進(jìn)行了分析,認(rèn)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(shí)得出珠江口水域余流較弱的結(jié)論;任杰等曾在研究伶仃洋的縱向水沙輸移特征時(shí)討論了伶仃洋河口灣余流垂向分布特征,認(rèn)為伶仃洋的最大混濁帶水沙輸運(yùn)機(jī)制可分解成8項(xiàng),觀測(cè)點(diǎn)所在的垂向斷面凈環(huán)流主要由河口灣表層下泄流和底層上溯的高鹽補(bǔ)償流構(gòu)成。這些研究多為針對(duì)某季節(jié)或某漲落潮過(guò)程的資料分析,對(duì)于珠江口余流垂向分布年內(nèi)變化研究尚不多見(jiàn)。本文對(duì)珠江伶仃洋出口處某觀測(cè)地所在垂向斷面一整年海流及其他觀測(cè)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,分析了余流垂向分布的年內(nèi)變化及其與徑流的關(guān)系,旨在填補(bǔ)這方面研究的一些空白。1數(shù)據(jù)來(lái)源和處理1.1海流、潮位的觀測(cè)位置珠江口伶仃洋面向外海,邊界有眾多島嶼包圍。根據(jù)研究區(qū)域的水文特征,并考慮航道等因素,海流、潮位的觀測(cè)位置設(shè)在如圖1所示位置,處在伶仃西航道的西側(cè)。測(cè)點(diǎn)年平均水深約為10.3m。1.2海流剖面觀測(cè)所有數(shù)據(jù)觀測(cè)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(cè)利用AWAC波浪海流剖面儀進(jìn)行定點(diǎn)的水流全剖面連續(xù)長(zhǎng)期觀測(cè),測(cè)流層數(shù)不少于6層,每天24h連續(xù)觀測(cè),每隔60min記錄一次,每次記錄時(shí)間不小于100s。海流觀測(cè)資料的完整率為96%,滿足計(jì)算使用要求。珠江徑流數(shù)據(jù)來(lái)源于廣東省水文局提供的高要、石角及博羅3個(gè)水文站的同期旬平均水文資料,并按洪枯季分別計(jì)算伶仃洋4口門(mén)流量。1.3行業(yè)平均海流值與流利用觀測(cè)點(diǎn)6個(gè)水層(表層、0.2H層、0.4H層、0.6H層、0.8H層和底層)一年整點(diǎn)觀測(cè)的海流資料,運(yùn)用插值方法求取整點(diǎn)時(shí)刻6個(gè)水層的海流值。分別對(duì)這6個(gè)水層一年的整點(diǎn)海流值利用最小二乘法的調(diào)和分析方法進(jìn)行潮流調(diào)和分析,從而得到觀測(cè)點(diǎn)垂向斷面各層余流的流速與流向。將坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)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(gè)口門(mén)中4個(gè)在伶仃洋,分別是虎門(mén)、蕉門(mén)、洪奇瀝和橫門(mén)。進(jìn)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(lái)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?jī)H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(gè)月占年徑流量的50%以上;而從10月開(kāi)始到次年3月則為枯季。根據(jù)廣東省水文局的資料,觀測(cè)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?jiàn),觀測(cè)年珠江徑流量較多年同期平均徑流量偏低。2.1.2季節(jié)動(dòng)態(tài)風(fēng)速指標(biāo)伶仃洋地處東亞季風(fēng)區(qū),受臺(tái)風(fēng)、季風(fēng)、副熱帶高壓等天氣系統(tǒng)的影響,具有典型的季風(fēng)特征:每年5—8月為夏季西南季風(fēng)時(shí)期,低空為西南季風(fēng);10月至次年3月為冬季東北季風(fēng)時(shí)期,低空為東北季風(fēng);而4月和9月為轉(zhuǎn)換月份,從冬季到夏季的轉(zhuǎn)換過(guò)程比較迅速,而由夏季到冬季的過(guò)渡比較緩慢。珠海氣象站1978—2007年30年平均風(fēng)速為2.9m·s-1,觀測(cè)年度2007-04—2008-03珠海氣象站年平均風(fēng)速為2.5m·s-1,小于多年平均風(fēng)速,屬于小風(fēng)年。觀測(cè)點(diǎn)在本年8—9月受到熱帶氣旋影響較大,包括強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“帕奇”、熱帶風(fēng)暴“蝴蝶”、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“圣帕”以及熱帶風(fēng)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(qū)動(dòng)的垂向環(huán)流已成為共識(shí),其咸淡水分布及混合狀態(tài)主要受上游徑流量和潮汐強(qiáng)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(cè)點(diǎn)6個(gè)水層潮流性質(zhì)比值F=(WK1+WO1)/WM2介于0.68—0.82之間,該點(diǎn)潮流屬于不規(guī)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(lái)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?yàn)?75°—180°,呈南偏東流向;底層流向?yàn)?48°—4°,呈正北流向。在枯季,表層流向?yàn)?76°—241°,呈西南流向;底層流向?yàn)?20°—351°,呈北偏西流向。與邱章等的華南海岸水文調(diào)查結(jié)果相近。由圖2可以看到,在所觀測(cè)的海域,余流垂向分布的年際變化存在以下特點(diǎn):(1)余流的垂向分布具有明顯的上溯流和下泄流分層現(xiàn)象,下泄流厚度從洪季的上4層變薄到枯季的表層,同時(shí)上溯流厚度從洪季的底下2層變厚到底下4層,呈現(xiàn)出明顯的月不等現(xiàn)象,這與徑流流量的控制作用有很大的關(guān)系。(2)各月余流最大流速均出現(xiàn)在表層。從春季到仲秋,表層平均余流流速比其余季節(jié)的大,流速在10cm·s-1以上,流向基本為S向,只有個(gè)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(xiàn)為下泄流,但冬季的11月—2月表現(xiàn)為上溯流。(3)靠底2層的流態(tài)相對(duì)穩(wěn)定,余流速度維持在10cm·s-1以下,同時(shí)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(tài);同時(shí),靠近底面2層的年內(nèi)變化呈現(xiàn)出明顯的雙周期現(xiàn)象,即在洪季和枯季流速均比較小,而在轉(zhuǎn)季的時(shí)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(shí)當(dāng)?shù)佧}水楔斜壓梯度力與水面坡度梯度力的動(dòng)態(tài)平衡充分發(fā)展,產(chǎn)生的原因有待進(jìn)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(wěn)定性相對(duì)較差,流速分層的界限也不明顯。流向從年初到年末呈順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),從洪季的下泄流狀態(tài)轉(zhuǎn)變成枯季的上溯流狀態(tài),這是由于徑流減少而導(dǎo)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(gè)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(lái)水有很大關(guān)系,其中6月進(jìn)入伶仃洋的徑流量超過(guò)12000m3·s-1;此外6—7月此海域頻繁出現(xiàn)雷雨大風(fēng)天氣,由此造成觀測(cè)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(cè)點(diǎn)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(guān)系。就所觀測(cè)年全年來(lái)說(shuō),當(dāng)?shù)氐挠嗔髁鲃?dòng)是呈上溯趨勢(shì)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(cè)點(diǎn)垂向平均縱向余流流速,h0為觀測(cè)點(diǎn)垂向平均水深。計(jì)算得各月平均縱向水量輸移如表1所示。可以看到,在所觀測(cè)的位置歐拉余流在一年大部分月份里是向上游輸運(yùn)水量的,只有在6、7兩月徑流較大時(shí)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(tài)。由此可見(jiàn),在伶仃洋河口灣存在余環(huán)流,并不是單純下泄?fàn)顟B(tài),同時(shí)在一年的不同月份其縱向水量輸移大小是不同的,這對(duì)該海區(qū)的水沙及物質(zhì)輸運(yùn)會(huì)產(chǎn)生較深遠(yuǎn)的影響。3在分析剩余流與徑向流的影響因素關(guān)系時(shí)3.1回歸方程結(jié)果實(shí)測(cè)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(xiàn)為下泄流,底下3層主要表現(xiàn)為上溯流,0.4H層表現(xiàn)為過(guò)渡層。分別取進(jìn)入伶仃洋徑流的平均流量資料和測(cè)點(diǎn)處各層的實(shí)測(cè)余流流速資料進(jìn)行線性相關(guān)分析,同時(shí)用統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)的顯著性。作原假設(shè)H0β=0,構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量F:R為線性相關(guān)系數(shù)。在顯著性水平α下有1-α分位數(shù)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(guān)系是明顯的。得到測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)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(jié)果可以看到,進(jìn)入伶仃洋的徑流與余流表層下泄流有良好的線性相關(guān)性,與珠江河口為徑流控制型河口相吻合,其徑流在內(nèi)伶仃洋口外對(duì)余流仍有控制性的作用。同時(shí),徑流對(duì)余流的影響在水深增加后有所減小。處于下泄流和上溯補(bǔ)償流之間的過(guò)渡層水體流動(dòng)與徑流相關(guān)性也比較差,結(jié)合圖2也可以印證,過(guò)渡層流速的穩(wěn)定性較差,與季節(jié)、鹽水楔上溯距離等有較大的關(guān)系?？康讕讓拥纳纤萘髋c徑流量大小的線性相關(guān)性不明顯,特別是越到下層其線性相關(guān)性越差,到了底層則完全為線性無(wú)關(guān),其原因是觀測(cè)點(diǎn)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(diào)查問(wèn)卷的指數(shù)關(guān)系分析考慮2.2節(jié)余流年內(nèi)變化特征(3),靠近底面2層余流的年內(nèi)變化呈現(xiàn)出明顯的周期性,洪季和枯季流速均比較小,而在轉(zhuǎn)季的時(shí)候流速反而變大。取進(jìn)入伶仃洋的徑流平均流量資料和測(cè)點(diǎn)處的靠底2層實(shí)測(cè)余流流速資料進(jìn)行指數(shù)關(guān)系相關(guān)分析,同時(shí)用統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)的顯著性,F1-α同上。構(gòu)造以下指數(shù)擬合關(guān)系式:得到測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)靠底2層余流流速與徑流量的指數(shù)關(guān)系回歸方程如表3所示。由以上結(jié)果可以看到,進(jìn)入伶仃洋的徑流與余流靠底兩層的上溯流有良好的指數(shù)相關(guān)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(zhuǎn)換季節(jié)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(shí)當(dāng)?shù)佧}水楔斜壓梯度力與水面坡度梯度力的動(dòng)態(tài)平衡充分發(fā)展產(chǎn)生的原因有待進(jìn)一步理論分析。4調(diào)查數(shù)據(jù)分析根據(jù)本次一整年度的觀測(cè)資料分析,可以得到以下結(jié)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?yàn)?75°—180°(以正北為0°),呈南偏東流向;底層流向?yàn)?48°—4°,呈正北流向。在枯季,表層流向?yàn)?76°—241°,呈西南流向;底層流向?yàn)?20°—351°,呈北偏西流向。2)伶仃洋口觀測(cè)點(diǎn)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(xiàn)象,下泄流厚度從洪季的上4層變薄到枯季的表層,同時(shí)上