珠江口蕉门南水道枯季时局部高盐度区 形成与机理分析

刘永金，龚文平

(1. 湖北交通职业技术学院，湖北 武汉 430079；2. 中山大学 海洋学院，广东 广州 510275)

珠江口蕉门南水道枯季时局部高盐度区 形成与机理分析

刘永金1，龚文平2

(1. 湖北交通职业技术学院，湖北 武汉 430079；2. 中山大学 海洋学院，广东 广州 510275)

采用ROMS模型研究了珠江口蕉门南水道枯季时的局部高盐度现象。表明这一现象在大潮期发育显著，而小潮期则不明显。从动力机制上解释了这一现象的成因，揭示其形成原因为大潮期的平流输运强，涨潮时的潮程远大于凫洲水道的长度，以及大潮期径流相对较小，有利于虎门的高盐度水体输运至蕉门水道。此外，大潮期由于洪奇沥与横门来的淡水在涨潮期向北输运而导致蕉门南水道口门处盐度较低。并进一步分析了这一现象的存在对蕉门南水道水体分层、河口环流及物质输运的意义。

珠江口；逆盐度梯度；河口环流；水体分层与混合

Abstract: Utilizing ROMS model, this study investigates the formation of a local high-salinity zone in South Jiaomen Waterway, Lingdingyang Estuary in the dry season. The results show that this phenomenon occurs more obviously during spring tides, while in neap tides, the local high-salinity zone is not distinct. The mechanisms behind such a phenomenon are due to three reasons: 1) the tidal excursion during spring tides is significantly longer than that during neap tides, favoring the transport of high-salinity water from Humen Outlet to Jiaomen Outlet via Fozhou Waterway; 2) the runoff from upstream during spring tides is less than that during neap tides, and does not play a role in impeding the transport of high-salinity water from Humen to Jiaomen. 3) the salinity at the mouth of South Jiaomen Water way is relatively low due to the advection of fresher water from the Hongqili and Hengmen during flood tides. The existence of such a local high-salinity zone is significant in modulating the estuarine circulation, stratification in the water column, thus imposing an effect on oxygen and nutrient dynamics in the waterway.

Keywords: Pearl River Estuary; reversed salinity gradient; estuarine circulation; mixing and stratification

复杂河口中由于分汊水道之间或支汊水道与主水道之间(如珠江口磨刀门水道下游的洪湾水道与主水道)的相互作用，有时会产生上游盐度高于下游盐度的现象，形成逆盐度梯度。Hayward等[1]在美国Chesapeake湾的支流York River的下游报道了这一现象。长江口的南支由于北支的盐水倒灌，也存在局部盐度高于上下游盐度的区段[2]。逆盐度梯度会形成反的河口环流(表层向陆、底层向海)，并影响水体的垂向混合与分层，从而对河口中的营养盐、溶解氧等的输运产生重要影响。Hayward等[1]分析了York River下游逆盐度梯度造成的水体混合，并指出该现象对水体的氧气、营养盐输运具有一定意义。

伶仃洋是珠江口的最大河口湾，珠江的东四口门(虎门、蕉门、洪奇沥、横门)携带淡水与泥沙注入伶仃洋内。其中蕉门的下游又分两支进入湾内，分别为东侧的凫洲水道与南侧的蕉门南水道。目前蕉门的水沙主要通过凫洲水道进入虎门后再进入湾内，而蕉门南水道则呈不断萎缩的态势[3]。有现场观测表明，蕉门南水道内经常出现上游盐度高、下游盐度低的现象[4]。

蕉门南水道局部高盐度的时空变化如何？其影响因素是什么？动力机制是怎样的？它的形成对河口环流、水体的分层与混合及物质输运产生怎样的影响？这些问题对伶仃洋的水沙通量、水体环境、地貌演变等都具有重要意义，但至今并未得到较好的研究。本研究采用数值模拟方法，对上述问题进行探讨。

1 研究方法

本研究采用数值模拟的方法。采用的数值模型为ROMS(regional ocean modeling system)[5]。ROMS模型是目前国际上主流的海洋模型，平面上采用曲线正交网格，垂向上采用S或Sigma坐标。其方程为基于静压假定的Navier-Stokes方程，以及标量的输运方程。模型采用外模与内模分裂的方法，对于动量与输运方程中的平流项有多种数值格式可供选择。这里采用具有三阶精度的HSIMT格式[6]；模型中的湍混合系数采用GLS(general length scale)混合模块进行计算。ROMS模型已在河口、陆架等获得广泛应用。

图1 模型范围与水深Fig. 1 Model domain and bathymetry

图2 观测站位与蕉门水道的纵断面示意Fig. 2 The locations of observation stations and the longitudinal transect in the South Jiaomen Waterway

由于2005年11月有较好的观测数据，采用这一时期的资料对模型进行验证。观测站位如图2所示。观测时间为自2005年11月3日9:00至4日10:00，每小时观测一次流速、盐度与悬沙的垂向剖面。为充分考虑盐度对上下游边界的适应过程，模型的计算时段为2005年9月20日至11月5日。模型计算期间，梧州、石角与博罗站的平均流量分别为4 130、460和400 m3/s。这里给出模型计算值与实测值的对比情况，以均方根误差及模型技能(model skill)来表征模型与实测值的吻合情况。模型技能的计算公式为：

表1 模拟值与实测值的比较情况Tab. 1 Comparison between the model results and observations

可以看出，模拟的垂向平均流速均方根误差较小，模型技能值高(大于0.9)，而垂向平均盐度与表底盐度差的均方根误差小于1 ppt，模型技能值大于0.5，表明模型较好地模拟了实际的水动力与盐度变化过程。

同时，选取其中的几个站位，将模型计算结果与实测值的比较情况加以显示，如图3所示。

图3 几个站位模拟与实测的流速与盐度剖面对比(其中深色线为实测值，浅色线为模拟值)Fig. 3 Comparison of vertical profiles of axial velocity and salinity between model and observations in several stations (the black line depicts the observation, while the blue line is the modeled)

可以看出，模型较好地复演了伶仃洋的水位、流速与盐度变化过程。总体的模拟效果较好，模型计算结果可用于下面进一步的分析。

2 结果分析

2.1大小潮期的潮平均盐度与流速

由于珠江口为不正规半日潮区，在大小潮期分别采用50小时进行平均，得出平均的流速与盐度分布，如图4所示。

图4 大小潮期的平均盐度与流速分布Fig. 4 Tidally averaged velocity and salinity during spring and neap tides

研究表明，大潮期在蕉门南水道出现水道上段的盐度高于下段的现象，即存在逆盐度梯度，而在小潮期这一现象并不明显。为进一步分析造成这一现象的原因，下面对大小潮期的潮内过程进行阐述。

2.2大小潮期间蕉门南水道盐度的潮内变化过程

每2小时输出一次大潮期蕉门南水道附近的垂线平均流速与盐度分布图，如图5所示。

图5 大潮期垂线平均盐度与流速的潮内变化过程Fig. 5 Intratidal variation of vertically averaged velocity and salinity during spring tide

图5(a)为蕉门南落憩时，此时伶仃洋的下部已转为涨潮流，由于洪奇沥水道与横门水道输出的淡水较多，部分的冲淡水在涨潮流作用下带到蕉门南水道的口门处，使其口门处的盐度较小；而蕉门南水道的上段仍处于落潮期。图5(b)为潮急时，虎门水道的高盐水输入到凫洲水道内，并开始进入蕉门南水道的上游。图5(c)为涨憩时，此时已有大量盐度较高的水体通过凫洲水道进入蕉门南水道的上游；而水道的下游已转为落潮。图5(d)为落急时刻，蕉门南水道上游的相对较高的盐水在平流作用下向下游输运，在蕉门南水道的上段到中段形成局部盐度较高的水体。可见，蕉门南水道内局部较高盐度的水体形成需几方面的条件：1)涨潮时盐度较高的水从虎门通过凫洲水道进入蕉门南水道的上段；2)落潮时这一高盐水向中下段输运；3)涨潮时在蕉门南水道口门附近的盐度相对较低，不会在涨潮时在水道下段形成高盐水。

文中也分析了小潮期间蕉门南水道的盐度过程。涨憩时(图6(a))，水道的下游段盐度略高，要高于洪奇沥水道的出口段。凫洲水道内受虎门较高盐度的水所控制，而蕉门南水道盐度较低。落急时(图6(b))，凫洲水道由落潮流与淡水控制，蕉门南水道内有范围较小的高盐水。落憩时(图6(c))，在蕉门南水道的中段可出现局部的盐度较高的水体，但范围较小。涨急时(图6(d))，虎门水道内的高盐水输运到凫洲水道，但未进入蕉门内。

图6 小潮期垂线平均盐度与流速的潮内变化过程Fig. 6 Intratidal variation of vertically averaged velocity and salinity during neap tide

从上面的分析可以看出，大潮期蕉门南水道局部高盐水的范围与持续时间要远大于小潮期。其动力机制可归结为：1)小潮期虎门附近高盐水通过凫洲水道向蕉门水道内的输运量小，这与小潮期间流速较小，平流输运的距离短有关；以半日潮为例，一次涨潮过程小潮期的潮程(tidal excursion)为约6 km左右，刚好与凫洲水道的长度类似，而大潮期的潮程可达约11 km，即大潮期一次涨潮过程虎门附近的高盐水可轻易输运至蕉门水道中。2)小潮期间上游的径流向海输运量大于大潮期，这一现象已由Gong等[8]进行了详细分析。主要原因为大潮期潮平均的摩擦力大，在网河内水体的动量平衡中需维持一个较大的水位梯度以平衡这一摩擦力，而这一增大的水位梯度主要由更多的淡水被滞留在网河的上游来实现，因而在大潮期有更多的径流被留存在网河的上游，而这些淡水在小潮期大量释放到网河的下游。这一结果可在凫洲水道潮内与潮平均的流速中看出。由于小潮期的径流作用强，落潮历时与落潮流都较强，从而抑制了虎门附近较高盐度的水体通过凫洲水道向蕉门水道的输运。

3 讨 论

为研究蕉门南水道在大潮期局部高盐度的存在对河口动力的影响，选取沿着蕉门南水道深泓线的纵向断面(见图2)进行分析。

图7 大潮期蕉门南水道纵断面的潮平均流速与盐度剖面Fig. 7 The distribution of tidally averaged velocity and salinity along the longitudinal transect during the spring tide

大潮期间潮平均的流速与盐度如图7所示。

表明自纵断面的最南端，5～18 km段出现局部的高盐度值，其盐度要高于上下游。在局部盐度高值区，水体的分层较差。整个纵断面以向海余流为主，表明主要受径流作用所控制。

沿着局部盐度高值区选取四个站点(A、B、C、D)，分析其余流与潮平均盐度的垂向分布(图8)，表明以局部盐度高值区的核心为界(以点C为代表)，如果去掉垂线平均值(图中虚线所示)，其上游为典型的河口环流，余流底层向陆、表层向海(站C、D)，而在核心的下游则出现相反的格局，即底层向海、表层向陆(站B)。而再往下游，在蕉门南的口门段，则以经典的河口环流发育为主。而从水体分层的情况来看，站位B的分层最差，为充分混合状态，而其它站点的分层均强于B。

这一河口环流与水体分层的分布格局对物质输运具有重要意义。当径流量相对较小时，在局部高盐度核心的上游，底层以向陆输运为主，而在核心，则以向海输运为主，这样高盐度核心处成为近底层物质输运的辐散区，而在核心的下游至口门段，则成为近底层物质输运的辐聚区。在水体的上层，余流表现为相反的格局。因而悬浮在水体上部的物质易于在局部高盐度区的上层富集，而近底的物质则易于在局部高盐度区的下游富集。此外，局部高盐度区水体处于充分混合状态，有利于减轻水体的底部缺氧，增强营养物质自水体下部向上部的混合输运。

图8 选取的4个站点余流与平均盐度的垂向剖面Fig. 8 The vertical profiles of mean current and salinity at four selected sites

可见，局部盐度较高区域的存在在河口环流、水体的分层与混合中具有重要意义，将对水体中的溶解氧、营养盐、污染物等的输运产生一定的影响。

4 结 语

采用ROMS模型模拟了珠江口伶仃洋枯季时的水动力与盐度输运。表明在蕉门南水道存在局部盐度高于上下游的现象，这一现象在大潮期较为显著，而在小潮期则不明显。造成这一现象的主要原因为：1)大潮期涨潮时虎门水道的高盐度水体在平流作用下向蕉门水道内输运，而落潮时则自蕉门水道的上游向下游输运；2)与此同时，在蕉门南水道的口门附近的盐度相对不高，涨潮期其向上游的输运距离较短。而在小潮期，由于：1)潮流速度较小，潮程小于或与凫洲水道的长度接近，虎门附近的高盐度水体较难通过凫州水道输运至蕉门水道内；2)小潮期的上游径流来量要大于大潮期，凫洲水道的落潮历时与落潮流速要大于大潮期，从而抑制了虎门高盐度水体穿过凫洲水道进入蕉门水道，使小潮期蕉门南水道较难出现局部的盐度高值区。

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Formation of a local high-salinity zone in South Jiaomen Waterway of Lingdingyang Estuary and its associated mechanisms

LIU Yongjin1, GONG Wenping2

(1. Hubei Communications Technical College, Wuhan 430079, China; 2. School of Marine Science, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

TV148.4

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.03.014

1005-9865(2017)03-0105-07

2016-08-09

广东省重点基金(2014A030311046)

刘永金(1967-)，男，湖北武汉人，副教授，主要从事地貌学与工程岩土研究。E-mail: 652741375@qq.com

龚文平。E-mail: gongwp@mail.sysu.edu.cn