強風作用下珠江伶仃洋河口灣能量耗散分析

倪培桐,韋 惺

(1.廣東省水利水電科學研究院,廣東 廣州 510630; 2.中國科學院南海海洋研究所,廣東 廣州 510301)

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強風作用下珠江伶仃洋河口灣能量耗散分析

倪培桐1,韋 惺2

(1.廣東省水利水電科學研究院,廣東 廣州 510630; 2.中國科學院南海海洋研究所,廣東 廣州 510301)

基于珠江河網-河口灣的三維數值模型,通過區域能量耗散項積分方法分析了風作用下的伶仃洋河口灣能量耗散。結果表明,潮能沿深槽向河口與三角洲傳播,風的作用改變了伶仃洋河口灣能量通量的振幅和相位,但對各斷面多潮平均能量通量影響不大;強風的作用使伶仃洋河口灣區域的單位面積能耗增加,垂向渦動能耗增強1～2倍,摩擦能耗變幅不大,且不會改變地貌形態阻力作用下的能耗空間分布性質。

珠江河口;能量通量;能量耗散;風;小尺度;動力結構;高能耗區

潮汐是珠江河口的重要能量來源,這些能量最終在河口灣、網河區水道中傳輸、并耗散。除了潮汐外,風、徑流等也是河口重要能量來源,據Zhong等[1]對切薩皮克灣(Chesapeake Bay)的研究發現,風能的輸入與耗散在該河口灣的動力過程中有重要作用。風對河口環流有重要的影響,根據混合河口在簡化條件下的理論解,當風吹向海時,風的作用加強了河口的兩層流結構,形成表層向海流、底層向陸的垂向環流;風向河口上游吹時,則抑制了環流的發育[2]。Weisberg等[3-4]觀測到河口風作用下的兩層流結構,表層順風流動、底層逆風流動。劉歡等[5]研究了冬季風對河口垂向環流形成的影響。包蕓等[6]研究了珠江河口西南風對珠江河口的動力及對地貌沉積的影響。葉榮輝等[7]開發了珠江河口風暴潮模型,并研究了河口風暴潮對水流的影響。

目前珠江河口動力過程研究文獻中,風作用下的能量耗散論述尚不多見。本文基于珠江河網-河口灣的SELFE三維數學模型,探討了風作用下的河口能量通量與耗散問題。

1 研究區域

珠江主要由西江、北江和東江三大河流組成,珠江河口三角洲由獨特的網河區和河口灣區構成。伶仃洋河口灣是珠江河口面積最大的組成部分,平面上為西北走向的喇叭型河口灣,虎門位于伶仃洋灣頂,由虎門口門往南,水深和水面寬度都發生變化。沿深槽從灣頂到淇澳島、內伶仃島一線長約40 km,灣頂最窄僅為3.2 km,灣口水面最寬處在淇澳島南,寬約32 km;由伶仃洋灣口一直到黃埔,水面寬度基本上呈指數遞減。如圖1所示,伶仃洋為弱潮河口灣,水下地形呈三灘兩槽的格局。東、西灘水深普遍小于5 m,中灘稍深,在5～10 m之間。

圖1 伶仃洋河口地形(單位：m)

珠江河口三角洲位于南亞熱帶海洋季風氣候區,季風氣候主要取決于蒙古高壓、太平洋副熱帶高壓、印度洋低壓等氣團的相對強弱進退的變化。根據華南沿海多年資料統計,珠江口附近海域季風主要為西南季風、東北季風兩種類型。

2 研究方法

2.1 數學模型

基于半隱式歐拉-拉格郎日有限元河口數學模型SELFE建立珠江河口三維并行數學模型,計算區域包括珠江河口區及河網區,模型采用三角形網格,網格約21萬個,節點約12萬個(圖2)。采用2001年2月枯季資料對模型進行了驗證,模擬的水位過程、流量過程與實測數據較為吻合,其中水位平均誤差在0.03～0.1 m之間,落潮流量相對誤差在0.03%～0.27%之間,漲潮流量相對誤差在0.01%～0.36%之間。模型詳細介紹及驗證結果參見文獻[8-10]。

圖2 模型計算網格

枯季水動力邊界條件采用2001年2月實測值。風動力條件考慮西南季風、東北季風兩種類型,根據上川島氣象資料,夏季6—8月西南季風的平均風速為3.9 m/s(相當于3級風),冬季12月至次年2月東北季風的平均風速為4.9 m/s(相當于3級風),分別取上述風速的2倍作為強風風速,即模型中強西南風風速為7.8 m/s(相當于4級風)、強東北風風速為9.8 m/s(相當于5級風)。需要說明的是強風是相對于珠江口夏季、冬季平均風速而言,出現的頻率也較高,如冬季強風在冬季出現的頻率可達50%。

2.2 潮能通量與能量耗散

潮能通量,又稱潮能通量密度,是單位時間通過自海底至海面單位寬度斷面的潮能[9-10]:

E=ρUD(U2/2+gη)

(1)

式中:ρ為水體密度；D為總水深；U為水流速度；η為水面圍繞靜止水面的波動值；g為重力加速度。

對自由表面S(其法線方向為n)包圍的控制體V，有河口能量平衡計算方程[11]:

(2)

式中:p為壓強；u、v為x、y方向流速；KV為垂向渦動黏性系數；角括號〈〉表示潮平均;Di為水平擴散引起的消能。方程(2)表示與控制體積表面正交的平均能量通量與平均能耗的平衡,僅考慮潮汐運動中正壓力做功所導致的能量通量,對流項(左邊第二項)通常比正壓通量小兩個數量級,可以忽略。

將能量方程(2)對自由表面S包圍的控制體積V積分,可以分析潮平均條件下控制體的能量耗散構成[1],包括水體表面能量耗散、床面底摩擦耗散、垂向渦動擴散有關的能耗和正壓潮能水平擴散:

?〈us·τs〉dS

(3)

?〈-ub·τb〉dS

(4)

(5)

(6)

式中:us、ub分別為表面和床面流速；τs、τb分別為表面和床面摩擦力；KH為水平渦動黏滯系數；H為水深。

3 結果與討論

3.1 風對河口灣潮能通量的影響

本文涉及的各采樣斷面位置如圖3所示。地形的局部變化對潮能通量的空間分布影響很大。伶仃洋-虎門水域潮能通量在東槽、西槽較大,西部灘地、中部、東部灘地潮能通量較小,潮能通量傳播方向沿伶仃洋河口的主槽傳播(圖4、圖5)。以2001年2月枯季無風條件為例,來自外海的潮能沿著伶仃洋的東槽和西槽往上游傳播,在虎門附近的川鼻水道匯聚,傳入獅子洋。潮能通量值在虎門位置處最大,往上游潮能通量開始緩慢降低(圖4)。

圖3 水域采樣斷面

圖4 能量通量矢量多潮平均分布

圖5 能量通量多潮平均分布

圖6 深槽單寬能量通量沿程變化

圖7 2001年2月10日伶仃洋灣口L01斷面能量通量隨潮變化

無論是能量通量的分布圖還是能量通量縱向剖面圖及斷面能量通量統計數據都顯示,珠江河口的能量通量在有風或無風等條件下變化很小(圖5、圖6)。來自外海能量通量為219.7 MW,西南、東北季風條件下,來自外海的能量通量分別為219.63 MW和218.42 MW(L01斷面);在強西南風、強東北風條件下,來自外海的能量通量分別為218.12 MW和205.77 MW,與無風條件比,河口灣能量通量變化不超過2%。因此無風、西南季風、東北季風作用條件下,各斷面能量通量變化不大;即使在強西南風、強東北風條件下,各斷面能量通量變化也不大。圖7為斷面能量通量隨潮變化,風的作用改變了河口灣能量通量的振幅和相位。從多潮平均的角度看,各斷面能量通量的多潮平均的統計量值變化不大。

圖8 單位面積能量耗散多潮平均分布

3.2 風對河口潮能耗散的影響

為便于分析,把水域分為4個子區域(圖3、表1),分別代表伶仃洋河口灣區(A1)、河口灣頂區(A2)、虎門射流區(A3)、獅子洋區(A4)。無論有無風的作用,總能耗分布總體上與潮能通量的分布一致,東槽、西槽能耗大,西灘、中部淺灘能耗相對小。高能耗區主要分布在地形變化較大區域,其中A4分區的高能耗區主要分布在東江三角洲北干流、倒運海水道與獅子洋交匯的汊口、西北江三角洲與獅子洋交匯的汊口(三江口);A3分區中高能耗區為虎門射流體;A2分區中高能耗區為蕉門、洪奇瀝、橫門等位置(圖8)。

表1 伶仃洋-虎門水域分區

與無風作用相比,在較低風速(如季風)作用下,總能耗變化不明顯;強西南風、強東北風作用下能耗變大,其中河口區能耗增大最明顯(圖8)。以A1分區為例,上述3種水文條件下分區能耗分別為86.73 MW、87.64 MW和87.15 MW(表2)。與無風條件相比,東北季風、西南季風對分區總能耗量值變化作用小于1%。A1分區在無風、強西南風、強東北風條件下總能耗分別為86.73 MW、92.72 MW和112.60 MW,強西南風、強東北風條件下總能耗增加分別為7%和30%。

表2 能耗分區統計

從能耗組成看,無風情況下,所有分區的底摩擦能耗項都是主要能耗項,底摩擦能耗占總能耗的70%～80%。垂向渦動耗散項是第二能耗散項,占總能耗的20%～30%。水平渦動能耗項與底摩擦、垂向渦動耗散項相比是小量,在總能耗中的比重小于1%(表3、圖9～11)。

表3 分區各項能耗統計

圖9 伶仃洋-虎門-獅子洋水域底摩擦能耗多潮平均分布

圖10 垂向渦動黏性能耗多潮平均分布

在強風條件下,風通過水面輸入水體中的能量增大,水體流速的垂向梯度變大,垂向渦動能耗增強,其中強東北風條件下,垂向渦動能耗為總能耗的35%～53%,底摩擦能耗占總能耗46%～64%。

東北季風條件下,風能輸入的能量占總能耗的6%～10%,西南季風條件下風能輸入量在總能耗中占3%～5%,強風條件下可達20%～30%,風能輸入增加了水體紊動強度。在風向與水流方向相同時,表層水體向下游的流動得到加強;在風向與水流方向相反時,風將減弱表層水體的流動速度。風的作用增大了流速垂向梯度,從而增大水域垂向渦動黏性能耗。

圖11 伶仃洋-虎門水域深槽分項能耗縱向分布(無風)

3.3 討 論

珠江河口是一個大尺度的地貌系統,河口地貌與動力過程密切相關,根據地貌特征、動力過程,可以分為伶仃洋-虎門-獅子洋水域、黃茅海-譚江水域、磨刀門河口水域、網河區水域[7]。伶仃洋-虎門-獅子洋水域是珠江河口最為重要的部分,仍然可以細分為小尺度的子區域[12]。基巖島嶼眾多、地形邊界復雜是珠江河口有別于世界其他河口的重要特征。從平面形態上看,伶仃洋由很多典型的地貌形態組成,包括:①峽口地貌單元，當地稱為“門”，這些門的地形是由基巖島嶼組成,如虎門、橫門等;②基巖島嶼或半島地形,如內伶仃島、橫門島、大虎島等;③半島或岬角,不同尺度的岬角地形遍布伶仃洋河口灣,大型的如深圳的南山、珠海的唐家等,小尺度如銅鼓角、銀坑角等;④弧形海岸,如唐家灣、泗東海灘等。這些地貌單元形成相應的平均流動力結構,如虎門雙向射流，橫門、蕉門的單向射流，島嶼分流與匯流，岬角分離流，大尺度環流等。

從計算的能量通量與耗散空間分布看,由于這些突變地貌單元往往伴隨形成小尺度動力結構,其典型特點是流速梯度大,出現局部高流速現象。由于底摩擦能耗量值是流速的立方,流速量值的較小變化可能導致底摩擦能耗出現幾個量級的變化。另外流速梯度變大會加大水流的摻混現象,水流的渦動黏性系數會增大[13-14],并進一步使渦動能耗增加。由于能量耗散以底摩擦和垂向渦動耗散為主,表現出能耗空間分布異常,即出現典型的高能耗區[9]。如虎門峽口射流高能耗區。高能耗區的典型特點是單位面積能耗高出附近水域數倍甚至數個量級,因此伶仃洋河口區的峽口等高能耗區消耗大量的傳入能量,在能量消耗過程中呈強湍流現象,促使能量消耗與轉化。

對珠江河口而言,即使在強風條件下,風的能量占總耗散能不到10%,但是強風作用下,改變了垂向能耗的量值(可達1～2倍),其中河口區能耗增大最明顯,如A1分區(灣口區)增加了30%。風能對河口能量輸入的響應包括兩部分:表面漂移、表面壓力做功。輸入珠江河口水域的風能是利用模型計算的風剪切力和水面速度計算風能輸入量。風能輸入可采用下式估算[1]:

(0.02-0.1)τw·Uwdxdy

(7)

式中:Tyear為時間；CD為拖曳系數;Uw為風速；Uwx、Uwy分別為東西、南北向風速；ρa為空氣密度；τw為風切應力，i、j為單位矢量。

用式(7)估算的珠江河口風能量輸入量如表4所示,同時在表中列出了基于本文模型得到的風剪切力與水面速度計算的風能輸入。兩種方法對風能輸入的估計都表明,雖然強風條件下的風速只是季風風速的2倍,但對水面能量的輸入卻高出1個數量級。表3比較了不同計算水域的能量通量，可以看出,即使是強風條件伶仃洋-虎門水域通量變化最大不超過2%,表明風輸入的能量全部耗散在河口區。強風作用改變了水體的垂向結構,增大了流速垂向梯度,從而增大水域垂向渦動黏性能耗。另一方面,強風作用下水體表層摻混劇烈,水體紊動強度,能量耗散加大。以A1分區為例,強東北風條件下底摩擦能耗為59.95 MW,較無風條件下能耗值降低2.96 MW,降幅為5%;垂向渦動能耗增加28.83 MW,消耗絕大部分風能輸入能量。

表4 不同條件下能量輸入統計 MW

風能輸入增大了水體垂向能量耗散,從能耗空間分布看,雖然強風作用加大了珠江伶仃洋河口的垂向渦動擴散,虎門射流等高能耗區仍然存在,表明地貌單元形態阻力形成的能耗空間分布格局不會改變。

4 結 論

潮汐、風、徑流是珠江河口重要的能量來源,這些能量最終都在河口、河網地區傳輸、消耗。本文基于三維河口海岸水動力學模型計算了珠江河口不同風況下的能量傳輸與耗散過程。結果表明,對珠江河口而言,潮汐是最重要能量來源,雖然季風作用對河口的能量通量耗散影響相對較小,但是強季風作用下的能量耗散不能忽略。潮汐輸入珠江河口巨大的能量沿伶仃洋東、西深槽向珠江河口與三角洲傳播,風能輸入改變了河口能量通量的振幅和相位,但對各斷面能量通量影響不大。風的作用使區域的單位面積能耗增加,而不會改變上述高能耗區的性質。強東北風作用可使河口區垂向渦動耗散項能耗增大1～2倍,底摩擦能耗項變幅不大。雖然強季風作用改變了能量耗散組成比例,但不會改變能量耗散的空間分布特征。

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Effects of strong wind on tidal energy flux and dissipation in Lingdingyang Bay of Pearl River//

NI Peitong1, WEI Xing2

(1.GuangdongResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Guangzhou510630,China; 2.SouthChinaSeaInstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510301,China)

Based on the three-dimensional numerical model for Lingdingyang Bay of the Pearl River network, the tidal energy flux and dissipation in Lingdingyang Bay under effects of strong wind were analyzed with the method of integration of regional energy dissipation. Results show that the tidal energy transfers into Lingdingyang Bay and the Pearl River Delta through the deep channel. The effects of wind lead to the changes in the amplitude and phase of the tidal energy flux in Lingdingyang Bay, while have insignificant influence on the average energy flux of multiple tides through each cross-section. Strong wind increases the tidal energy dissipation per unit area in Lingdingyang Bay, and the vertical eddy turbulence energy dissipation increases by 1～2 times; however, it does not produce a great change in friction-induced energy dissipation and does not change the spatial distribution of energy dissipation under the effects of landform’s resistances.

Pearl River Estuary; tidal energy flux; tidal energy dissipation; wind; small scale; dynamic structure; high energy dissipation region

廣東水利科技創新項目(2016-12);廣東省科技計劃(2010B03080004)

倪培桐(1971—),男,高級工程師,博士,主要從事河口海岸動力學數值模擬研究。E-mail:nipeitong@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.03.006

TV139.2

A

1006-7647(2017)03-0035-07

2016-06-26 編輯：鄭孝宇)