磨刀門海域洪枯季節(jié)水動力場分析

采用現(xiàn)代數(shù)值計算方法和數(shù)值計算方法，對小群體影響因素進行了簡化，幾乎可以真實地再現(xiàn)區(qū)域環(huán)境的動力現(xiàn)象。這在海岸工程、水運工程和機械工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。ECOMSED模型是一個較完善的數(shù)值模擬系統(tǒng)，能真實地模擬出海洋動力因素的變化規(guī)律及其作用下的動力-地貌過程。該模型在河口海岸地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。磨刀門河口區(qū)從20世紀80年代的大規(guī)模整治工程后，河床形態(tài)變化很大。地貌的改變必然引起水動力的變化，作者將探討這種必然變化前后的差異性。圖1是1977年和2003年的河床地形圖。1流速場及狀態(tài)ECOMSED模型在海洋、近岸和河口區(qū)都已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。水動力模塊是Blumberg和Mellor1987年發(fā)展的基于靜力和BOUSNESSQ假設(shè)下的原始海洋方程——三維的近岸海洋模型。假設(shè)右手笛卡兒坐標系(x,y,z)建立在靜止的海面上，向東為X軸方向，向北為Y軸方向，垂直向上為Z軸方向。海水的自由表面定義在Z=η(x,y,t)，而海洋的底部定義在Z=-H(x,y)。假設(shè)(U,V)為水平流速矢量，?為水平梯度運算符，連續(xù)方程可寫成：雷諾動力方程為：其中，U、V、W分別為流速在坐標軸x,y,z上的分量，t為時間，ρ0為海水密度常數(shù)，ρ是實際密度，g是重力加速度，P是壓力，KM是垂向湍動能混合的渦粘系數(shù)，f是隨緯度變化的科氏力參數(shù),F為湍流粘滯力。任一水深z處的壓力是通過把方程（4）沿垂向從z積分至自由表面η得：式中大氣壓力Pam視為常數(shù)。2模擬的水位時間運用ECOMSED二維水動力模塊，對磨刀門河口水域二維流場進行了數(shù)值模擬，用相應(yīng)時間的實測潮位為上游開邊界控制水位，下游外海邊界控制水位由三灶站的實測水位外推得到，為了便于洪、枯季比較，分別選取了1977年6月27日～1977年7月4日，1977年12月10日～1977年12月18日，2003年12月9日～2003年12月16日，2004年7月30日～2004年8月6日的時間段進行了模擬；用實測潮位和實測流速的垂向平均值來驗證，擬合效果非常好（圖2，圖3）。3結(jié)果分析3.1現(xiàn)代流場模擬磨刀門屬于徑強潮弱型河口，攔門沙處于河口外。汛期洪水分別從龍屎窟、洪灣水道和磨刀門水道排出，洪季小潮或大潮中水位以下時，磨刀門河口段由徑流控制。由于受西南向沿岸流的影響，磨刀門入海徑流向偏西方向擴散。潮流向、流速隨時間和空間變化而變化。由外海向陸，潮流橢圓沿程按照旋轉(zhuǎn)流、半旋轉(zhuǎn)流、往復(fù)流的規(guī)律變化，越往河道上游，潮流流向受徑流、河槽地形作用越強，潮流表現(xiàn)為往復(fù)流的特點。該分析利用了數(shù)值模擬技術(shù)模擬的20世紀70年代和現(xiàn)代地形下的潮流場。洪季大潮期間，漲急時刻（圖4，圖5）,70年代，來自掛定角的徑流量大，流速很大，徑流與橫州水道的漲潮流在大井角附近相遇，落潮流向西偏向內(nèi)海區(qū)，向東分別由大杧州南北汊道進入馬騮州水道，分別在馬騮州水道中部、大井角西、大二門島北形成匯潮點；現(xiàn)代地形下，橫州水道的漲潮流很強，洪灣水道被來自澳門方向的和夾馬口水道的漲潮流控制，無匯潮點。白龍河內(nèi)部區(qū)漲潮流較強，經(jīng)過橫州島南汊道進入橫州水道的潮流比較強，夾馬口水道的漲潮流加強。三灶站落急時刻（圖6，圖7）,70年代，來自燈籠山的強大徑流在出口處幅散開來，一支進入上溝，一支沿橫州水道深槽南下，剩下的在地轉(zhuǎn)偏向力地作用下，進入西部內(nèi)海區(qū)，流速逐漸減小，在大二門水道、龍屎窟水道由于河道斷面縮窄，水流輻聚，流速加大，噴射而出，整個內(nèi)海區(qū)被落潮流控制?，F(xiàn)在洪灣水道、磨刀門水道、十字門水道、鶴州水道的落潮動力很強，白龍河內(nèi)部落潮流速相對較低，近年來，泥沙落淤嚴重。枯季大潮期間，與洪季大潮期間對應(yīng)潮時的相應(yīng)流場類似。3.2沙源應(yīng)對作用余流是指扣除周期性的潮流之后剩下的非周期性流的總稱，它是細顆粒物質(zhì)遠距離搬運的主動力。磨刀門口的余流主要來源于徑流、風及密度環(huán)流等，一般是徑流愈豐富，余流強度愈大，因此余流總的來說是洪季大于枯季。模擬了20世紀70年代與現(xiàn)代地形下洪、枯季中潮一個全潮周期（25h）平均的余流場。70年代無論是洪季還是枯季，整個研究區(qū)域余流場基本類似（圖8，圖9）。上游來水來沙流出掛定角后，在科氏力的作用下，向西部內(nèi)海區(qū)偏轉(zhuǎn)，給內(nèi)海區(qū)帶來了豐富的沙源。20世紀50年代末60年代初白藤堵海后，內(nèi)海區(qū)西灘水動力強度減弱，泥沙淤積加快。余流場在速率上灘槽變化明顯，深槽處更有利于泥沙輸運。在大杧州島附近余流強度較弱，利于泥沙的落淤。在大二門水道、龍屎窟水道、橫洲水道、馬騮洲水道四個出口處，余流強度變大，再向外海，余流速度逐漸變小，余流場流向始終指向外海，徑流作用大于潮流作用?，F(xiàn)代地形下，洪、枯季余流場均是由陸向海的，但速率變化較大（圖10，圖11），洪季（2004年7月）余流速率大于枯季（2003年12月）。上游來水流出大井角口門后，在科氏力作用下，向西南方向輸運。無論洪季還是枯季，白龍河內(nèi)海區(qū)余流強度較弱，泥沙落淤嚴重。目前地形主要是在人類活動（如挖沙、疏浚等）的影響下，無論橫洲水道還是洪灣水道河床深槽都經(jīng)過加深，說明深槽的水動力強度加大，泥沙輸運能力加強。在橫洲水道內(nèi)余流在科氏力作用下右偏，泥沙在西部淺灘上落淤，近年來有加劇之勢。3.3任杰、方國洪的研究潮能通量，是單位時間通過自海底至海面單位密度寬度斷面的潮能。關(guān)于潮能通量的計算，國內(nèi)外許多學者多是利用天文潮資料進行調(diào)和分析做出的，通過研究主要分潮如M2,S2,K2,N2,K1,P1,O1來計算潮能，例如NoelCARBAJAL和JanO.BACKHAUS對加利福尼亞灣的潮能進行過計算,CartwrightandRay和LeProvostandLyard研究了M2分潮潮能在全球范圍內(nèi)分布情況。方國洪、任杰等都對其進行過研究。其計算公式為:式中，v和φ分別為流速和能通強度向量，η為未擾動海面上的潮高，h為未擾動水深，T為潮波周期（25h），ρs為海水密度，在標準大氣壓下海水密度變化范圍較?。?000～1028kg/m3），因此在計算潮能通量時間可以忽略海水密度的空間差異，g為重力加速度，t為模型外模塊的時間步長。模型在保證上游徑流來水和外海潮波能量相同的前提下，利用不同年代海圖和水文（水位）站的實測資料進行數(shù)值模擬，進而比較潮能通量密度由于地形改變而發(fā)生的空間分布上的變化。磨刀門河口區(qū)兩個年代中潮期間一個全潮周期平均的潮能通量（圖12，圖13）所示，等值線標記單位是kW/m，從圖12中可以看出，島嶼的空間組合類型對潮能通量的影響較明顯，大杧州島在內(nèi)海區(qū)水域中起到沉積載體的作用，其附近水深較淺，在該處潮能通量強度弱，低能區(qū)遍布整個洪灣水道。而深槽區(qū)，潮能通量相對較大。在龍屎窟峽口，由于地形縮窄，與潮流進退方向相同的地方潮能相對集中，自縮窄處地形向兩側(cè)放寬后，能量發(fā)生分散，潮能通量減弱。從圖13可知，磨刀門水道東部深槽處的潮強比淺灘處的大一個數(shù)量級，深槽處最大可以達到15000W/m，淺灘最低在1000W/m左右，灘槽水動力強度相差懸殊，深槽處河道沖刷強烈，淺灘處的潮能通量密度較低，容易造成泥沙的落淤。近年來，磨刀門西灘淤積加劇，同一位置隨著泥沙淤積河床變淺，潮能通量也減小。4灘槽分異明顯由于人類活動的影響，現(xiàn)在的磨刀門河口與20世紀70年