澳门东侧水域夏季潮流动力时空变化特征

方神光,黄春华,喻丰华,王世俊,何 用

(1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州 510611;2.水利部珠江河口治理与保护重点实验室,广东 广州 510611)

伶仃洋河口湾是大湾区的核心地带,近些年在强人类活动的影响下,河口湾地貌发生巨大变化,水域面积较历史上减少约35%[1],珠江三角洲网河区河床要恢复至20世纪90年代水平至少需要127～180 a左右[2],中滩从2008年以来则形成了容积达7亿m3的巨大采砂坑[3],围垦导致河口岸线边界急剧变化致使潮汐不对称现象加剧,浅水分潮M4振幅总体呈增大趋势,涨潮动力占优趋势增强[4]。以1999年为时间节点,前期来水较20世纪80年代增大15.9%及河口区高强度采砂致使伶仃洋东四口门径流动力增强,后期来水减少12.2%则导致虎门、蕉门径流动力减弱而洪奇门和蕉门径流动力增强[5]。伶仃洋河口湾属于典型径潮交汇区,洪季径流动力强,河口锋尤为活跃[6],河口羽状锋有关的锋动力控制着珠江口的环流[7],在弱、缓混合型河口容易在纵向上出现上层净流向海、下层净流向陆的垂向余环流[8]。澳门东侧水域位于伶仃洋口门西侧,是洪湾水道和伶仃洋上游西滩水沙的重要通道[9],随着澳门机场扩建、珠澳人工口岸及填海A区等工程建成,对该通道水流动力造成显著影响。因此,本文基于澳门东侧水域洪季连续观测数据,探讨了该水域半月时段内的潮流动力结构特征及主控动力因子,为河口湾治理和保护提供基础支撑。

1 研究区域及数据收集

1.1 研究水域概况

珠江河口澳门附近水域位于珠江口西侧,地处澳门特别行政区与广东省珠海市之间,北纬22°06′39″～22°13′06″、东经113°31′33″～113°35′43″,西与磨刀门水道相连,东与伶仃洋相通、南与南海毗连。受岛屿分隔,水域内形成东、西向的澳门水道,该水道西接洪湾水道,东连伶仃洋,南北方向有湾仔水道和十字门水道,各水道互相贯通,呈十字形交汇,见图1。澳门水道是澳门附近水域泄洪、输沙和潮流的主要通道,其径流和泥沙主要来自洪湾水道[10],分洪量约占磨刀门径流量的 12%～18%[11]。澳门机场以东水域即伶仃洋西滩南部水域,本区域水面宽阔,近岸水深在3～5 m,离岸水深在5～7 m,是伶仃洋及澳门水道下泄水沙的过境通道。澳门附近水域位于不规则半日潮的弱潮河口,多年平均潮差1.03 m,日潮不等显著,洪季涨潮流以N—NNE向为主,枯季以NNW—WNW向为主,落潮流为S—SW向[12]。

图1 澳门水域

1.2 资料来源

本文采用的数据来自珠江河口A6(22.18°N,113.61°E)和A7(22.1°N,113.61°E)浮标站(图1),两站分别位于澳门东侧水域的北端和南端,很好代表控制澳门水域的潮汐和径流的动力特征;两站点相距约11.2 km,分别位于-5、-6 m等深线附近(珠江基面);都使用声学多普勒波浪剖面流速仪(浪龙1 MHz)采集流向、流速、水深等数据,数据垂向分辨率为0.3～0.5 m/层,垂向测量范围为0.4～25.0 m,采样间隔为20 min。本次分析选取时段为2020年6月21日至7月5日共15 d,对应农历2020年5月初一至十五,潮型变化过程为:大潮→中潮→小潮→中潮→大潮,期间西北江上游主要控制站马口站和三水站从6月26日—7月3日观测到一次典型洪水过程,见图2,持续时间约8 d,马口站最大洪峰流量15 800 m3/s,三水(二)站洪峰值5 340 m3/s,出现时间都在6月29日,属于珠江河口常遇洪水量级。

图2 马口站和三水站洪水过程线

1.3 研究方法

河口潮流受潮汐、径流、风及地形等因素影响,流态较为复杂,潮周期内的主流向呈现随季节和时间变化的趋势。但潮流的涨潮和落潮特性判断尤为重要,是开展河口动力特征分析的基础,以往习惯采用潮周期内涨急和落急方向进行区分,存在较多的误差和经验因素;徐志扬等[13]通过寻找实测潮流矢量在某一方向流速分量绝对值之和的最大值方法来区分涨潮和落潮,更为科学和适用,但从动量定律的物理意义上略有不足。为更准确探讨分析时段内海流的流动特征,避免潮汐涨落与潮流涨落部分时段不对应造成的误差,此处引入主潮通量断面的概念,该断面对应潮流椭圆短轴,物理机制为通过该断面的单宽潮通量最大(包括涨潮通量和落潮通量),该断面两侧潮流矢量定义为涨潮或落潮时段。为探寻分析时长tm内的主潮通量断面位置,任选一断面,与N向夹角为θ1,通过该断面的单宽总潮量为:

(1)

式中Fnθ1、Fj——单宽总通量和潮段通量;m——涨落潮时段的总和数量;Qin、Vin、hi——i时刻的单宽流量、流速和水深;tj、tj-1——涨落潮段起止时刻。

将该断面按顺(逆)时针旋转,旋转范围为(θ1,θ1+180°),即可计算出通过不同短轴断面的单宽总潮通量{Fnθ1,Fnθ2,…,Fnθk,…,Fn(θ1+180°)},则主潮通量断面位置夹角为式(2):

θk=θkr,max{Fnθ1,Fnθ2,…,Fnθk,…,Fn(θ1+180°)}

(2)

获得主潮通量断面位置后,即可区分涨落潮矢量,将其分解到N方向和E方向,采用沿时间轴积分的方法即可求出潮周期内的时段涨(落)平均流速和余流流速。此处余流为沿水深和时间的平均,其计算模式概化为式(3):

(3)

根据定义[14]可知,此处主要给出欧拉余流,反应观测点位置的净输运。

2 潮汐及潮流特征

2.1 潮汐组分

图3给出了A6和A7站半个月时间内的海面高度变化,两站半月平均潮差分别为0.4、0.6 m,最大潮差均出现在大潮期,A6站为2.18 m,A7站为2.42 m;A7站潮汐峰值出现时间较A6提前约1 h。采用Pan等[15]提供的MATLAB程序包S_TIDE对A6和A7站海面高度资料进行调和分析,调和常数结果见表1。两站主导分潮相同,以M2和K1分潮振幅最大,为0.35～0.50 m;浅水分潮中,A6站M4浅水分潮振幅显著大于A7站,主要原因是A6站水深浅且受岸线影响显著所致。从澳门东侧水域分潮振幅梯度[16]可见,O1分潮和M2分潮振幅由南向北传播过程中呈显著衰减趋势,M4浅水分潮振幅呈显著增强趋势。显然,A6站紧邻澳门水道出口,水深较浅,受洪水径流及浅水分潮影响更明显。A7站迟角总体小于A6站,显示潮波抵达A7站时间略早于A6。两站潮汐类型计算(Hk1+Ho1)/HM2值[17]分别是2.07和1.68,为不规则半日潮型。

图3 海面高度变化

表1 潮汐调和常数

2.2 流速及历时特征

计算2020年所选时段洪季共15 d时段内的涨潮垂向平均流速、落潮垂向平均流速及垂向平均余流见图4,口外侧A7站整体涨落潮流速大于口内A6站;A6和A7站涨潮流向分别为N和NNE向,落潮流向都为S向,外海侧A7站涨潮流态略东偏。两站余流流速分别为2、6 cm/s,流向分别为NW和SSE向,外海侧A7站余流流速明显大于内侧A6站。图5显示A6站涨潮流历时比落潮流历时略大2%,单宽涨潮量比落潮量大8%;A7站落潮历时比涨潮历时大6%,单宽落潮量比涨潮量大10%;显示洪季半月潮内澳门东北侧和东南侧水域潮流特性存在明显差异,东北侧呈现涨潮流略占优,东南侧水域为落潮优势流,北、南侧的岸线走向及水深地形差异是造成该现象的主要原因。A6站位于澳门水道出口外侧约3 km,水深较浅且离岸很近,该位置M4浅水分潮影响比A7站大一个数量级,引起的潮汐和潮流不对称作用是南、北侧水域潮流特征显著差异的重要原因之一。

图4 涨落潮平均流速及余流

图5 历时及单宽潮量占比

3 动力结构时空变化特征分析

3.1 潮周期平均动力变化特征

珠江河口水域为不规则半日潮,以24.8 h为时间单位(天文潮周期),统计洪季连续14个完整潮周期的平均涨落潮矢量见图6。A6和A7站潮周期涨潮平均流速时间变化线呈“V”字型,潮动力越强,涨潮流速越大,涨潮流速最小值出现在6月29日小潮期,叠加上游洪水径流抵达口门影响,两站分别仅为13、17 cm/s;A6站和A7站落潮流速主要取决于潮型,洪水径流对其影响较小。A7站所在澳门东南侧水域落潮流速整体大于涨潮流速,洪水期(6月27日至30日)最为明显;A6站洪水期(6月28日—7月1日)落潮流速略大于涨潮流速,其他时段都为涨潮流速大于落潮平均流速。两站潮周期内涨潮和落潮垂向平均流向较为稳定,随时间变化幅度较小。

图6 潮周期涨落潮垂向平均流速矢量

潮周期垂向平均余流矢量见图7,A7站潮周期垂向平均余流流速变化范围为4～16 cm/s,总体大于A6站的0～6 cm/s。上游洪水从6月26日起涨,过程持续时间约8 d,洪水抵达口门约1 d时间,A6站余流流速在洪水抵达的6月27日—7月1日小潮至中潮期基本为0,其他时段余流以西北向为主;6月27日—7月3日小潮至中潮期,A7站余流流速则显著增大,7月1日达到最大15.4 cm/s,余流以南向为主,其他时段则以东向为主。因此,非洪水期,澳门东北侧水域净通量指向西北,东南侧水域指向东侧;洪水期,澳门东北侧水域余流接近0,处于稳定静止状态,有利于悬沙沉降,东南侧水域朝南侧外海净输出为主。

图7 潮周期垂向平均余流矢量

图8为潮周期涨落潮流历时变化,涨潮历时和落潮历时占比随洪水期和非洪水期呈规律性变化,洪水期,A6站潮周期落潮历时略长于涨潮历时,其他时段都为涨潮历时长于落潮;A7站潮周期落潮历时显著长于涨潮,其他时段为涨潮历时长于落潮历时。非洪水期,澳门东侧水域为涨潮历时长于落潮历时,南、北侧水域涨潮历时和落潮历时基本相近;洪水期,东南侧水域落潮历时显著延长,东北侧涨潮历时和落潮历时基本相等,因此部分时段澳门东侧水域会形成潮流的辐散流态,容易导致东南侧高盐咸水的入侵。

图8 潮周期潮流垂向平均历时变化

3.2 垂向动力结构特征

3.2.1分层余流时空特征

图9给出了A6和A7站潮周期内分层余流矢量,垂向为相对水深,0代表近水面层,1代表近河床底层。选取A7站海面以上2 m处实测风速,统计平均风速为4.75 m/s,以西南偏南风为主,最大风速近10 m/s,为正南风,日均风速为3.0～6.0 m/s;7月1日风向为东南风,日均风速2.7 m/s,为半月时段内最小日均风速。

图9 余流垂向分层时空变化

6月29日—7月1日洪峰抵达口门前后,A6站水域分层余流流速很小,处于滞流状态;其他时段,受海面西南风影响,表层(0.0)余流流速为10～20 cm/s,流向变化范围为NE—N;0.1～0.4层范围属于过渡层,余流流态在时空范围内呈顺时针旋转,由表层东北向过渡到0.5层的西向,余流流速在20 cm/s以内,呈典型余环流特征[8,19],极易导致悬沙的聚集和沉积[20];0.5～1.0层水深范围余流流速为0～10 cm/s,以W—NNW向为主。东北侧水域表层净向东、底层净向西的垂向余环流结构与洪季伶仃洋西侧南北走向的河口锋带密切相关[21]。

受海面西南风影响,A7站半月时段内0～0.1近表层余流指向东北,余流流速在60 cm/s以内,7月1日受东南风及洪水影响,近表层余流转为西向。A7站所在东南侧水域近表层水体受西南风影响显著,净通量指向伶仃洋口门内侧,中、底层仍朝口门外净输出,洪水期会加强径潮流朝口外净输出的趋势,余流垂向呈现典型河口风作用下的两层流结构[22]。

比较风向与垂向分层余流流向,表层约10%水深范围余流流向与海面风向具有较好的跟随性,且影响可达水面以下40%的水深范围;受其影响,澳门东侧水域表、底层潮量净输运方向呈反向结构,南、北侧水域在中、底层余流流向的分离态势是海面风、岸线及地形影响共同作用的结果,会导致外海高盐水体由中、底层向澳门近岸入侵。比较海面风向与潮周期垂向平均输移方向(图7),整体净通量方向受海面风影响不明显,受洪水影响显著。因此,澳门东侧水域海面风对近表层潮量净通量影响显著,但对河口潮流整体净输运影响不明显[23]。

3.2.2流速垂向梯度及含沙量时空特征

图10给出了A6和A7站垂向流速剪切梯度的时空分布。海面风影响下,近表层流速剪切梯度峰值一般出现在潮周期中的第二次涨憩(最高潮位)至落憩时段(最低潮位),其中涨急至涨憩时段内,海面风形成的流速剪切梯度主要局限在表层范围内,落憩阶段,其影响水深可直达水体底层,其原因主要是由于洪季盛行西南风,涨潮流向与风向接近一致,而落潮阶段,风向与落潮流向相反所致。A6站所在澳门东北侧水域垂向流速剪切梯度大多在0.5 m/(s·m)以内,由于水深较浅,海面风造成的垂向流速剪切梯度很容易影响到水体底层,导致部分时段河床底层流速剪切梯度较大。A7站水深相对较深,海面风影响主要局限在表层3 m水深范围内,最大值流速剪切梯度也出现在洪水期6月30日落憩时段近表层1.5 m左右的水深位置,达到1.06 m/(s·m),大部分时段不超过0.10 m/(s·m)。比较可见,A7站位于澳门东南侧外海,受海面风影响更明显,最大垂向流速剪切梯度显著大于东北侧水域A6站,但由于水深较深,其影响主要局限在近表层水深范围,最大流速梯度剪切力也出现在近表层;A6站位于澳门东北侧水域,尽管海面风引起的流速梯度整体小于A7站,但由于水深较浅,其影响直达底层,在床面摩阻力的共同作用下,引起底层剪切应力显著增强,整体大于A7站所在东南侧水域床面剪切应力,且最大剪切应力也出现在近底层水域。

图10 垂向流速梯度时空变化

水体垂向流速梯度与河口分层水体之间的剪切作用和紊动密切相关,流速梯度越大,剪切作用力越强,分层水体间混合作用也越强[24],紊动也更剧烈,水深较浅时,海面风引起的垂向剪切直达海床,与床面边界层共同作用,容易造成床面泥沙的启动和悬浮[25]。图11给出了本次半月时段内A6和A7站在0.2层水深位置观测的含沙量随时间的变化过程线,该水深层内A6站和A7站平均含沙量分别为0.065、0.036 kg/m3。14个潮周期内含沙量峰值出现时间与低低潮位出现的落憩时段具有很好的对应关系,如A6站最大含沙量近0.16 kg/m3,出现在第14个潮周期的7月4日15至18点,对应该潮周期内17点左右出现的最低海面高度-0.78 m;A7站含沙量整体很小,峰值主要出现在潮周期内的第二次落潮及落憩阶段,观测到最大含沙量仅0.12 kg/m3,出现在第5个潮周期第二次落急阶段,该站其他潮周期内的最大含沙量也总体出现在落憩时段。洪水期(6月27日—7月3日),A6站和A7站在0.2层水深范围内平均含沙量为0.05、0.03 kg/m3,小于非洪水期的平均含沙量0.072、0.040 kg/m3,显示洪季澳门东侧水域海面风作用下的流速梯度剪切力增强引起的床沙再悬浮对水体含沙量影响更为显著,而洪水期大量淡水径流下泄在伶仃洋口门区形成的密度分层则抑制了底层泥沙向表层的输运,可能是导致洪水期近表层含沙量低于非洪水期的原因。

a)A6站图11 含沙量随潮汐时空变化

b)A7站续图11 含沙量随潮汐时空变化

3.2.3垂向涨落潮历时特征

图12给出了半月时段内A6站和A7站涨落潮流历时占比之差(涨潮流历时占比-落潮流历时占比)及两站涨潮流历时差的时空分布。A6站半月时段内表、中、底层沿水深方向涨潮历时和落潮历时总体相差不大,涨潮流历时略大于落潮流,洪水期落潮流历时长于涨潮流。A7站半月时段内表层大部分时间为涨潮流,中、底层则由补偿流及洪水径流影响等原因,落潮流历时占优;洪水期间,主要是中层涨潮流历时受到明显影响,0.3～0.7层水深位置落潮流历时显著延长。

图12 潮周期内的涨潮流历时变化

由于A6和A7站距离较近,天文潮以M2分潮为主,涨潮和落潮流态基本相似,但两站涨潮和落潮垂向历时存在显著差异。从图12c可见(A7站涨潮流历时占比-A6站涨潮流历时占比),近表层为A7站涨潮流历时显著大于A6站,潮周期内平均差值约23%,中、底层为A7站涨潮流历时小于A6站,尤其以6月27日—7月3日洪水期中层最为显著,A7站涨潮流历时比A6站平均小28%左右。因此,洪季澳门东南侧水域表层涨潮流历时显著长于东北侧表层水体、而中底层则小于东北侧,导致澳门东侧水域出现“表层汇、中底层散”的流态结构,洪水期该趋势显著加强,受西侧岸线制约,形成的垂向动力结构会加剧表层冲淡水向东侧漂移、底层高盐水向近岸入侵。因此,澳门东侧水域潮流特征的主导动力因子除潮汐外,海面风和洪水径流影响也较为显著;造成澳门东北侧水域和东南侧水域潮流动力差异的原因主要是A6站M4浅水分潮影响更为显著,岸线和浅滩摩阻应力造成的潮汐捕集效应[26]影响到潮流历时及相位差是造成南北动力差异的主要原因。

4 结论

基于澳门水域东侧水域洪季实测数据分析,探讨了澳门东侧水文动力的时空变化特征。研究显示:澳门东侧水域主要由半日潮M2分潮和全日潮K1分潮主导,为典型不规则半日潮型。涨潮流态为N—NNW向、落潮流态为S向,涨潮垂向平均流速21～23 cm/s,落潮垂向平均流速18～29 cm/s,南侧靠外海潮流动力更强。东南侧水域落潮流占优,余流为东南偏南向;东北侧水域则正好相反,涨潮流略占优,余流为西北向。潮周期平均流速和流向主要取决于潮型,洪水径流作用主要对余流及历时有明显影响。洪水期,澳门东北侧水域形成余流为0的滞流区,东南侧水域净潮通量指向外海方向。

水域垂向余流结构受海面风影响明显,近海面10%水深范围内余流流向与海面风向具有较好的跟随性,并对近海面40%水深范围内的垂向余流结构产生显著影响;北侧水域表层余流指向东北侧伶仃洋,中、底层指向澳门水道方向;南侧水域表层指向东北侧伶仃洋口门内,中、底层指向西南侧外海方向。洪季西南风作用下,水域最大流速剪切梯度出现在潮周期内落憩时段,东北侧水域水深浅,影响直达床面底层,床面整体剪切应力显著大于东南侧;潮周期内最大含沙量出现在落憩时段,与流速梯度剪切作用具有很好的对应关系;由于洪季南、北侧水域在垂向分层涨落潮历时的显著差异,部分时段形成“表层汇、中底层散”的垂向动力结构特征,加剧了表层冲淡水朝东侧漂移、底层高盐水向近岸入侵。