水東灣近岸海域雙向射流系統初步研究*

楊留柱，劉宏坤，任 杰，喻豐華

(1.中山大學近岸海洋研究中心，廣東 廣州 510275；2.珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611)

自19世紀20年代根據混合長度理論求出紊流射流的解以來，射流的成果日益豐富。經典的射流理論認為，河口出流水體和泥沙通常以軸向射流或平面射流形式擴散，其擴散形式受慣性力、摩擦力和浮力之間的相互關系制約[1]。文獻[2-3]對河口射流理論有了進一步的發展和完善，提出了河口漂浮輸出水流擴展和變薄模式，并用浮力射流的相關理論研究了密西西比河的河口過程。近年，文獻[4-6]用衛星跟蹤漂浮器的方法發現并對愛爾蘭海的非等密度射流進行了研究。上述研究成果多針對單向射流體。

水東灣位于廣東省西部電白縣境內，是一個大型沙壩圍抱的半封閉澙湖灣(圖1)。海灣通過一條長7 km、寬500～800 m、深5～15 m的潮汐水道與外海相通，水道兩端發育有漲、落潮三角洲堆積體。由于口門較窄，澙湖灣內主要受潮汐動力的影響，潮汐通道內、外側出口岸線放寬，漲、落潮流皆具明顯的射流特征，并且因其距博賀灣較近，漲、落潮流皆會受到博賀灣潮流一定程度的影響。過去對水東灣的研究主要集中在自然環境與動力條件[7-8]，潮汐通道流速的不對稱分布持性及射流擴散模式[9-10]；本文從一個新的視角—雙向射流體發育特征，重新審視沙壩-澙湖型潮汐汊道這種地貌結構的動力過程，研究有一定的新意，理論成果對于豐富潮汐汊道的研究以及射流理論具有一定的參考意義。

1 資料及方法

1.1 資料收集

中山大學河口海岸研究所于1982-1987年在水東灣及其周圍海域5次同步水文觀測(含夏、秋和冬季)及多年潮位與波浪觀測資料；2000-2001年水東港單點系泊的風與波浪觀測以及周圍海區同步水文觀測資料。

1.2 研究方法

觀測資料僅局限在有限的空間點上，難以反映場的動力特征，本文采用具有動邊界處理技術的EFDC數學模型為工具，來揭示沙壩-澙湖海岸雙向射流體的結構。EFDC模型在國內外已有許多成功應用，與POM，ECOM模型相比，EFDC模型優勢為：靈活的變邊界處理技術，通用的文件輸入格式，能快速的耦合水動力、泥沙和水質模塊。變邊界模型采用設置干濕臨界水深進行判斷的方法來模擬潮流的漫灘過程。在執行干濕判斷過程中，全部遵循質量守恒定律[11]。本次計算設定干濕臨界水深為0.1 m。

模型研究區域北面包括水東和博賀2個澙湖灣，南至小放雞島一線，南北寬約12 km，西起宴鏡嶺，東至蓮頭嶺，東西長約30 km，研究范圍見圖1。

圖1 研究范圍及EFDC模型計算網格

模型網格采用正交曲線網格，運用網格局部加密技術，在水東澙湖灣和潮汐通道內進行了加密。網格數為239(列)×198(行)，網格在ξ1方向平均空間步長130 m，外海最大長度達480 m，通道、澙湖灣內步長最小為18 m，在ξ2方向平均空間步長120 m，最大280 m，通道附近最小空間步長27 m，計算網格如圖1所示。

水東澙湖灣內無徑流注入，不考慮河流入流邊界；外海邊界控制水位由廣東省沿海大范圍模型計算給出。根據觀測資料，本文對模型計算成果與實測值進行了驗證，水東港潮位站的水位平均絕對誤差在0.09 m，流速也與觀測資料吻合較好。

2 結果與討論

2.1 落急射流體

圖2a為落急射流體分布示意圖，可以看出，受到射流口地形的不對稱的影響(東側沙壩向海凸出)，落潮噴射流的擴散也是不對稱的：在通道口附近，落潮流由于在西岸率先脫離岸線的約束，落潮噴射流在西岸得以較充分的擴展；而在東岸落潮流出通道口后繼續受到東側沿岸沙壩的制約，流速沿程基本上沒有太大變化，直至脫離東岸沙壩的約束之后才得以擴展。

射流體在脫離兩岸約束向海擴展的過程中，其方向是逐漸偏向WS向的，可能由以下原因造成：射流體在流動過程中受到科氏力的作用而向右偏；受到潮汐通道深槽偏WS走向的影響；射流口地形不對稱的作用；博賀灣落潮流的影響，由圖2a可以看到博賀灣近岸的落潮流由東向西發育成為強勁的沿岸流使得水東灣射流體偏向WS。

2.2 漲急射流體

圖2b為漲急射流體分布示意圖，可以看出，漲潮時潮流分別由大放雞島的東、西兩側向西北方進入灣外海域。其中西支由北、西北向流至宴鏡嶺附近海域，東支自小放雞島附近海域流至攔門沙以東、尖崗嶺以南的海域折轉東北進入博賀灣，從落急流場可以看到博賀灣落潮流主要經灣的南側于小放雞島附近流出外海(圖2a)，所以水東灣外攔門沙以東至博賀區域有一順時針運動的旋轉流存在。而在水東灣口兩側存在著由于漲落潮流流路的差異引起的兩個方向相反的環流。在通道內由于過水斷面急劇縮小，漲潮流速明顯比灣內及灣外海域大；另外還可以發現漲潮射流體西側流速梯度較大，使斷面流速分布呈現明顯的不對稱，主要由于西側的大洲島作為射流體的側邊界對射流的側向摩擦作用較強，發育附壁射流，而射流體東側邊界基本不受地形影響，為自由射流。

2.3 射流區余流結構

潮余流是潮波運動過程中因非線性作用所引起的持久性余流，只有在岸邊近海區和地形復雜的海灣或河口區潮余流才比較明顯。圖2c為余流場分布示意圖，圖中可以看出水東灣附近海域的余流是很顯著的。

在水東灣攔門沙以外海域由于粵西沿岸流的作用其余流方向基本以西向為主。在落潮三角洲的深槽區余流指向外海，表明落潮流占優勢；在潮汐通道口東、西兩側余流方向皆指向通道口，說明此區域以漲潮流占優，這與Oertel[13]提出的理想潮汐通道口外的“凈落潮三角洲流場”相符，即由輻聚的漲潮流場與自由射流的落潮流場而產生，流場有一個軸向落潮流優勢帶，兩側各有一個漲潮流優勢帶。在澙湖灣及通道內余流以指向外海為主，表明在澙湖灣及通道也是落潮流占優勢，但在通道內的部分區域由于地形的作用余流指向澙湖，即以漲潮流占優。

由余流場示意圖還可明顯看出存在的環流現象。在落潮三角洲的通道深槽西側存在著順時針的環流，這是該區域處于落潮射流體的影流區，在強勁落潮流射流體卷吸作用下的結果。從理論分析來看，在與深槽西側對應的東側區域應該發育方向相反的逆時針的環流，但由于自東向西的沿岸流的影響該逆時針環流并不明顯。另外在尖崗嶺以西的博賀灣水域存在著一順時針的環流，與上述漲、落急流場分析結果一致；在水東澙湖灣大洲島東側水域存在著順時針環流，這可能是漲潮流受到大洲島的阻隔而向東發育反向補償流的結果。

3 結 論

基于EFDC數值模型模擬了水東灣動力場，探討了沙壩-澙湖型潮汐汊道這種地貌結構下的雙向射流體的特征。研究表明，水東灣漲、落潮射流表現出如下特征：

1)受射流口不對稱地形的影響，落潮噴射流的擴散呈現不對稱性，在西岸得以較充分的擴展，而在東岸落潮流出通道口后繼續受到東側沿岸沙壩的制約，射流體在脫離兩岸約束向海擴展的過程中，其方向是逐漸偏向WS向的；

2)漲潮射流體西側由于大洲島對射流體的側向摩擦作用較強，發育附壁射流，而射流體東側邊界基本不受地形影響，為自由射流。

3)水東灣附近海域的余流作用顯著，在水東灣攔門沙以外海域余流方向基本以W向為主；在落潮三角洲的深槽區余流指向外海，表明落潮流占優勢；在潮汐通道口東、西兩側余流方向皆指向通道口，說明此區域以漲潮流占優，在澙湖灣及通道內余流以指向外海為主，表明落潮流占優。

4)落潮三角洲的通道深槽西側由于處于落潮射流體的卷吸作用發育順時針的環流，深槽東側由于受到自東向西的沿岸流的作用，在此發育的逆時針環流并不明顯；在尖崗嶺以西的博賀灣水域存在順時針的環流。

參考文獻：

[1]BATES C C.Rational theory of delta formation. Am Assoc Petrol Geol Bull,1953,37:2119-2162.

[2]WRIGHT L D,COLEMAN J M. Effluent expansion and interfacial mixing in the presence of a salt wedge, Mississippi River Delta[J]. Geoph Res, 1971,76:8649-8661.

[3]WRIGHT L D,COLEMAN J M. Mississippi River mouth processes: efflueny dunamics and morphological development[J]. Geol, 1974,82:751-778.

[4]HILL A E, HORSBURGH K J, Garvine R W, et al.Observations of a density-driven recirculation of the Scottish coastal current in the Minch[J].Estuarine, Coastal, and Shelf Science, 1997,45:473-484.

[5]HORSBURGH K J, Hill A E, Brown J. A summer jet in St George’s channel of the Irish Sea[J].Estuarine, Coastal, and Shelf Science, 1998,47:285-294.

[6]BROWN J, HILL A E,FERLAND L, et al. Observations of a seasonal jet-like circulation at the central North Sea cold pool margin[J]. Estuarine, Coastal, and Shelf Science, 1999,48:343-355.

[7]彭炳健.粵西水東潮汐通道流速不對稱性及流速模擬分析[J].海洋科學,1987,6:17-22.

[8]田向平.潮汐通道外泄水流噴射擴散對攔門沙形成的作用[J].中山大學學報:自然科學版,1990,29(3):177-182.

[9]應秩甫.水東潮汐通道和沿岸泥沙輸移[J].熱帶海洋,1988,7(4):55-61.

[10]李春初,應秩甫,楊干然，等.粵西水東灣潮汐通道-落潮三角洲的動力地貌過程[J].海洋工程,1990,8(5):78-87.

[11]HAMRICK J M. Application of the EFDC,environmental fluid dynamics computer code to SFWMD Water Conserbation Area 2A[R]. The College of William and Mary, Virginia Institute of Marine Science, Williamsburg,Virginia,1994.

[12]中山大學近岸海洋中心.廣東省沿海航道設計水位分析計算總報告[R].廣州：廣東省航道局，2008.

[13]OERTEL G F. Processes of sediment exchange between tidal inlets,ebb deltas and barrier islands[M]∥Aubrey D G，Weisher L eds. Hydrodynamics and sediment Dynamics of Tidal Inlets. New York :Springer-verlag,1988:297-318.