珠江河口東四口門流場結構與渦流研究

熊宇知，包蕓，鄧俊杰

(1.中山大學力學系，廣東廣州510275；2.中山大學海洋科學學院，廣東廣州510275)

珠江三角洲地區是中國經濟較具活力的區域之一，人口稠密、經濟發達，伶仃洋內航運繁忙，世界級港口廣州港、深圳港貨輪川流不息。自20世紀起，國內已有眾多學者對珠江河口水動力進行研究。徐君亮等[1]對珠江口伶仃洋潮汐、潮流特性進行研究；唐兆民等[2]對虎門小尺度動力結構、鳧洲水道對虎門的動力及沉積影響作了討論。近年來國內對珠江河口徑潮作用的研究愈加深入[3-4]。鄧俊杰[5]指出伶仃洋岸線的向海擴張使得口門入海水道延長，漲潮流將越來越難以漲入口門。

伶仃洋三大河優型口門均在伶仃洋灣側，潮優型口門虎門在灣頂(圖1)。由于山潮比的不同，虎門與其他3個河優型口門會有明顯的漲、落潮不一致現象[6]。珠江東四口門流場相互影響，區別于單一河優型或潮優型口門流場。并且，珠江東四口門附近通常是徑流與漲潮流相遇區域。然而，目前對不同山潮比的口門相互影響下的流場結構及渦流研究較少。口門附近是淺灘發育主要區域，因此，分析伶仃洋流場結構有助于加深對伶仃洋水下地形發育演變動力過程的認識。

注：圖中紅線是2006年岸線圖1 內伶仃洋岸線變化(m)

1 研究區域

伶仃洋位于廣東省珠江口外，北起虎門，南至香港、澳門，寬約4 km，為一喇叭口型河口灣，潮差小于2 m，屬弱潮型河口[7]。東起深圳赤灣，經內伶仃島，西至珠海淇澳島一線以北稱為內伶仃洋，水域面積約1 041 km2 [8]。珠江八大口門的“東四口門”(自東向西分別是虎門、蕉門、洪奇瀝、橫門)連接伶仃洋河口灣，虎門多年平均山潮比為0.253，蕉門為1.664，洪奇瀝為2.071，橫門為2.664[6]。虎門為潮流優勢型河口，其他三大口門為徑流優勢型河口，且三大河優型口門都在內伶仃洋西岸。

圖1是1974—2006年內伶仃洋岸線變化，在近幾十年內伶仃洋岸線變化巨大，西岸變化尤為劇烈[5]。受人類活動和自然因素雙重影響，岸線向海擴張，岸線變化對航運和生態產生了深遠影響，且主要發生在西岸。例如，以龍穴島為中心形成雞抱沙、萬頃沙擴張，橫門島面積大幅增大。

2 伶仃洋整體模型

2.1 水動力模型

本文二維水流模型采用的是Telemac2d模型，這是一款基于有限單元法求解二維淺水方程的開源軟件。該模型可用于模擬河流、河口和海岸二維水動力，可廣泛應用于研究風暴潮、河流海岸動力學、潮波傳播、泥沙和污染物輸移等，采用的非結構化三角形網格對于重要區域可進行局部加密。童朝鋒等[9]應用Telemac2d模型建立長江口鹽水數值模型，計算不同徑流、潮汐條件下崇啟大橋橋墩區域的潮位和鹽度變化過程。

圖2 計算網格及水下地形(m)

本文應用Telemac2d模型對伶仃洋二維水動力進行模擬。模型上邊界為黃埔、南沙、馮馬廟、橫門，下邊界至約50 m水深處的陸架海，涵蓋珠江河口東四口門。外海邊界基于全球潮汐模型數據Topo8.2，Telemac2d模型自動將這些數據插值到伶仃洋外海東西兩側邊界。南沙邊界給定實測流量，黃埔、馮馬廟和橫門邊界給定水位邊界。圖2中，河道內網格沿河勢延伸，非結構網格數為86 462個，節點數為44 618個，網格疏密不一致，最大長度為1 350～1 400 m，處于網格右下方，最小網格長度為150～200 m，位于河道內。從外海至河口灣，網格變密，內伶仃洋網格最大長度為550～600 m，僅為外海的2/5。 時間步長為10 s。

2.2 模型驗證

本研究根據1978年伶仃洋水文調查數據，對模型水動力作了驗證。本文模型的洪季計算時段范圍為1978年7月5日19時至7月13日13時，共187 h。模型驗證的主要驗證站是虎門，選取大虎水文站作為虎門口門驗站，另外以赤灣為外海潮波傳入內伶仃洋的潮波驗證。圖3中，大虎站計算流量與實測流量誤差在10%以內；計算時段內最高潮位和最低潮位計算值與實測值之差絕對值基本在0.1 m以內，高低潮驗證良好，驗證結果符合要求且較為可信。

a) 赤灣湖汐水位

b) 大虎潮汐水位

c) 大虎流量

圖3模型驗證結果

3 流場結構與渦流

本研究在1978年實測數據基礎上進行了水動力模擬，得到潮汐典型時刻流場圖和渦度分布圖。計算時段內各口門山潮比差異較大，虎門-0.204(漲潮量大于落潮量)，蕉門2.369，洪奇瀝20.63，而橫門在該期間并未發生潮流上漲。因模型計算時段在洪季，故數值模擬徑流動力大于多年平均數據，尤其是洪奇瀝和橫門。結果分析表明，潮優型口門虎門與其他三大河優型口門存在明顯的漲、落潮不一致現象，且各口門間存在一定夾角，口門流場相互影響。流場分析發現局部區域存在渦流，而渦度分布進一步驗證了相應區域渦流的存在。以下是具體的結果分析。

3.1 內伶仃洋流場結構

以大虎站為漲落潮參考點，圖4為大、小潮各個典型時刻流場。虎門和蕉門漲、落潮流存在一定夾角，流場分析發現珠江口東四口門有明顯的漲落潮不一致現象。大潮漲急時刻，漲潮流由川鼻深槽漲入虎門口，流速較大，呈射流形態。部分川鼻水道漲潮流西偏經由鳧洲水道漲入蕉門，近西岸漲潮流繞過萬頃沙漲入蕉門。洪奇瀝由于徑流作用較強，漲急時流向仍指向伶仃洋。橫門島阻隔及較強徑流使得漲潮流不能漲入橫門，橫門口門內在漲急時刻流向始終指向伶仃洋。在漲平時刻，漲潮流從川鼻深槽漲入虎門，但流速相較于漲急時刻要小。蕉門、洪奇瀝和橫門在漲平時的流向均向海。

在落急時刻，從獅子洋處來的落潮流在虎門口呈射流形態進入川鼻深槽。蕉門部分落潮流沿鳧洲水道流入川鼻深槽，橫門北支落潮流與洪奇瀝落潮流匯合流入西槽(伶仃水道)。在落平時刻，虎門落潮流流入川鼻深槽，蕉門落潮流主要分兩支，分別由鳧洲水道和蕉門南水道流出。洪奇瀝落潮流流入西槽，橫門北支落潮流匯入洪奇瀝落潮流，南支部分落潮流沿東北方向與洪奇瀝落潮流相遇并匯入。落平時，內伶仃島附近已經開始漲潮，因此在口門落潮流與外海漲潮流相遇處流場較為復雜。

小潮漲落潮流向與大潮漲落潮基本一致，但洪奇瀝在小潮漲急時刻流向指向河道，而且小潮期間洪奇瀝的漲潮總量也相較于凈泄量要小。蕉門小潮漲急時也表現出更強的漲潮動力，這與本研究的實測數據(南沙斷面流量)是相吻合的。1978年洪季在虎門斷面以及赤灣—唐家灣斷面山潮比最小值也出現在小潮至中潮之間[5]。這些證據說明口門小潮的潮流動力強于大潮是可能且合理的。

a) 大潮漲急

b) 大潮漲平

c) 大潮落急

d) 大潮落平

e) 小潮漲急

f) 小潮漲平圖4 大、小潮漲落潮流場(m)

g) 小潮落急

h) 小潮落平續圖4 大、小潮漲落潮流場(m)

3.2 內伶仃洋渦度分布

渦度是流體的運動學特征，反映海水微團的自轉趨勢及速度矢量旋度[10]。渦度和渦流有一定的關系，旋轉角速度不全為零即為渦流。以大虎站為漲落潮參考點，圖5是內伶仃洋大、小潮各典型時刻渦度分布圖。逆時針渦流對應正渦度，順時針渦流對應負渦度。內伶仃洋渦度分布存在東西部差異和漲落潮差異。在漲潮時期，內伶仃洋東部區域以負渦度為主，靠近口門位置西部區域以正渦度為主。在落潮時期，內伶仃洋東部以正渦度為主，西部區域以負渦度為主，且落潮時期渦度絕對值較大。

以大潮為例。在漲急時刻，內伶仃洋西部區域以負渦度為主，東部區域以正渦度為主。龍穴島至蕉門之間淺灘區域正、負渦度相間，萬頃沙東部及前緣部分存在正渦度區域，沿洪奇瀝和橫門落潮流方向也存在正渦度區域。在漲平時刻，龍穴島至蕉門之間存在著正渦度區域，而在萬頃沙前緣卻存在負渦度區域。沿洪奇瀝落潮流方向存在正渦度區域，且渦度值較大，橫門外也有渦度值較大的正渦度區域。

a) 大潮漲急

b) 大潮漲平

c) 大潮落急圖5 大、小潮漲落潮渦度分布(m)

d) 大潮落平

e) 小潮漲急

f) 小潮漲平

g) 小潮落急

h) 小潮落平續圖5 大、小潮漲落潮渦度分布(m)

在落急時刻，內伶仃洋東部區域以正渦度為主，伶仃水道以西區域以負渦為主。龍穴島至蕉門淺灘區域存在正渦度區域，在沿洪奇瀝落潮流方向也有明顯正渦度區域，且渦度值較大，橫門外同樣存在渦度值較大的正渦度區域。在落平時刻，龍穴島至蕉門淺灘區域正、負渦度相間，在沿洪奇瀝和橫門落潮流方向同樣存在高值正渦度區域。小潮漲落潮渦度分布與大潮大致一致，只是小潮渦度絕對值較小。

內伶仃洋在西部口門附近局部區域存在與整體分布相異的渦度區域。在漲潮期間，由于洪奇瀝部分落潮流沿東偏南方向落潮，橫門落潮流也同樣沿東偏南方向落潮，故導致該局部區域出現與西部區域整體以正渦為主相異的負渦度。

3.3 內伶仃洋渦流

圖6a是龍穴島至蕉門之間區域在大虎漲平時刻流場。龍穴島至蕉門之間區域潮流動力主要受蕉門和虎門漲落潮流控制。由于蕉門比虎門更早進入落潮，且虎門和蕉門之間存在一定夾角，川鼻深槽漲潮流西偏漲入鳧洲水道與蕉門落潮流形成漲落潮流路分異。川鼻深槽漲潮流西偏漲入鳧洲水道，受蕉門落潮流擠壓在龍穴島北部形成逆時針渦流，部分蕉門落潮流在鳧洲水道西偏的漲潮流擠壓下向北漲潮，還有部分蕉門落潮流在漲落潮擠壓下向南順時針漲入蕉門。圖6b顯示，在龍穴島北部附近存在高值正渦度區域，在龍穴島西側存在負渦度區域。鳧洲水道落潮流受漲潮流擠壓向北逆時針漲入蕉門，這與渦度分布圖中該區域為正渦度相符合。

a) 高分辨率流場 b) 渦度分布圖6 大虎漲平流場和渦度分布(m)

a) 高分辨率流場 b) 渦度分布圖7 洪奇瀝漲急流場和渦度分布(m)

萬頃沙東南前緣部分渦流的發生主要受萬頃沙等地形邊界影響。圖7a是萬頃沙前緣部分在洪奇瀝漲急時刻流場，洪奇瀝潮流流向海。洪奇瀝落潮流和橫門北支落潮流在南北向漲潮流擠壓下漲入蕉門，在萬頃沙東南方向遭遇蕉門落潮流擠壓，沿萬頃沙岸線向南落潮，而在萬頃沙前緣又存在洪奇瀝東向落潮流，這使得該區域潮流易發生剪切形成逆時針渦流。圖7b顯示在萬頃沙前緣確實存在高值正渦度區域，萬頃沙前緣潮流有逆時針旋轉趨勢，這與流場圖是相互印證的。

3.4 內伶仃洋渦流動力沉積效應探討

在漲落潮流路分異和地形邊界限制下，渦流主要發生在口門附近。結合圖1中岸線變化發現，渦流發生主要區域同樣是岸線變化的劇烈區域。而渦流使得流速減小，這有利于懸浮泥沙沉降，有利于口門附近淺灘面積增大。圖1中，龍穴島附近淺灘經過近幾十年變化，現已和雞抱沙和孖沙連成一片，萬頃沙近幾十年也在沿前緣向前推進，這其中除了人工圍墾因素，渦流也起到了一定的積極作用。

4 結語

本文在1978年實測數據基礎上進行了水動力模擬，對模擬得到的流場圖和渦度分布圖進行分析，并將渦流發生重點區域與近40 a內伶仃洋岸線變化的主要區域進行對比，得出以下結論。

a) 與單獨口門流場不同，珠江河口東四口門流場相互影響，蕉門、洪奇瀝、橫門及虎門之間存在一定夾角，且珠江河口東四口門及外海漲落潮不同步，這些原因使得口門附近發生漲落潮流路分異。

b) 珠江河口東四口門附近漲落潮流路分異使得潮流易發生剪切，在岸線和地形邊界的共同作用下導致口門附近易發生渦流。

c) 渦流的存在有利于懸浮泥沙沉降，使得淺灘面積擴大，改變了伶仃洋的地形。渦流形成與地形密切相關，而渦流的存在反過來又會改變地形，這又增加了研究的復雜性。對于渦流與淺灘成陸等地形變化之間的規律還需要進一步研究。