紅樹林海灣潮汐潮流特征數(shù)值模擬研究

李誼純，劉世通

(北部灣大學(xué)建筑工程學(xué)院，廣西 欽州 535011)

紅樹林海岸是生物海岸的一種，在中國廣泛分布于低緯度的廣西、廣東、海南及福建等沿海地區(qū)。紅樹植物密集生長于潮間帶上，形成的紅樹林對于防護(hù)海岸、保養(yǎng)潮灘乃至水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)具有重要的意義。鑒于紅樹林系統(tǒng)在近岸區(qū)域的重要角色，相關(guān)研究頗為豐富。然而相對而言，紅樹林水動(dòng)力學(xué)的研究相對于紅樹林研究領(lǐng)域中的其他分支，進(jìn)展較為緩慢。究其原因，主要有：紅樹林海岸中的水文泥沙等相關(guān)實(shí)測資料準(zhǔn)確獲取的難度大；相對而言，紅樹林是空間尺度較小的研究對象，地形、地貌、水文、生物等要素的空間差異較大，不利于形成較為普適的統(tǒng)一結(jié)論；部分關(guān)鍵物理量難以參數(shù)化，尤其難以在水動(dòng)力計(jì)算中予以概化。Wolanski是紅樹林水動(dòng)力學(xué)研究的先驅(qū)，也較早地應(yīng)用數(shù)學(xué)模型開展了天然紅樹林水動(dòng)力過程的模擬研究[1-2]。此后，Kjerfve、Golbuu、Furukawa等學(xué)者在此領(lǐng)域做了一些探索性研究[3-6]。其中，Mazda等[7]建立了理想紅樹林海灣的數(shù)值模擬研究，闡釋了潮流過程的“雙峰”現(xiàn)象。Wolanski等[8]利用二維數(shù)學(xué)模型模擬了Hinchinbrook灣的水動(dòng)力過程，然而其網(wǎng)格尺度較大(344 m)，導(dǎo)致在數(shù)值模擬中，岸邊的紅樹林僅對水體的連續(xù)性起作用，而對紅樹林水動(dòng)力的特征刻畫不顯著。近年來，亦有利用三維數(shù)學(xué)模型的類似應(yīng)用，但結(jié)論較為初步[9]。另一方面，河口海岸學(xué)中的潮汐/潮流不對稱理論可為紅樹林海灣水動(dòng)力研究提供重要參考，如：在寬而淺、潮灘廣闊的河口，潮汐可呈現(xiàn)落潮主導(dǎo)型；在窄而深的河口，潮汐多呈現(xiàn)漲潮主導(dǎo)型。為了探討小尺度紅樹林海灣的水動(dòng)力特征，建立了二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，在理想地形上進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。就分布位置而言，紅樹林可分為凹地型、河岸邊緣型、海岸邊緣型[10]。在此，本文僅對河岸邊緣型紅樹林展開研究，以期對河口防護(hù)及環(huán)境安全提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型簡介

1.1 模型方程

紅樹林海灣的水深一般很淺，平面尺度亦不大。因此，選擇平面二維水動(dòng)力學(xué)模型對紅樹林海灣進(jìn)行模擬，暫不考慮近岸鹽度變化導(dǎo)致的斜壓效應(yīng)以及水動(dòng)力要素的垂向變化特征。平面二維水動(dòng)力學(xué)控制方程可寫為：

(1)

(2)

(3)

式中η、u、v、H——水位、x和y方向的流速、總水深；f——柯氏力系數(shù)；n——曼寧系數(shù)。

在數(shù)值模擬中，x和y方向分別設(shè)置為海灣的縱向和橫向，正方向分別指向東向和北向。海灣不考慮橫向變化，因此在數(shù)值模擬中柯氏力系數(shù)f取零。

1.2 方程的離散

水動(dòng)力控制方程的數(shù)值離散格式關(guān)乎求解的精度。在此，動(dòng)量方程的對流項(xiàng)采用Van Leer 限制器處理以使其數(shù)值精度在理論上達(dá)到二階，連續(xù)方程采用顯格式求解。紅樹林水動(dòng)力的數(shù)值模擬中，底摩阻是關(guān)鍵的作用力。紅樹林的曼寧系數(shù)約為0.1～0.7，一般約為0.3～0.4，這高于正常底床糙率一個(gè)量級[8]。因此，離散方程中底摩阻項(xiàng)的處理尤為關(guān)鍵。在此，動(dòng)量方程的時(shí)間積分采用時(shí)間分裂兩步格式處理：第一步僅隱式求解底摩阻項(xiàng)，可保證當(dāng)?shù)啄ψ韬艽髸r(shí)，流速只相應(yīng)變小而不產(chǎn)生虛假流動(dòng)；第二步則對動(dòng)量方程中的其他諸項(xiàng)采用顯格式求解。離散方程可表示如下，第一步求解：

(4)

(5)

第二步求解：

(6)

(7)

式中 Δt——時(shí)間步長；m——時(shí)間層。

為與式(2)(3)保持一致，式(6)(7)中保留了柯氏力項(xiàng)，具體計(jì)算中f取零。

1.3 動(dòng)邊界處理

紅樹林生長于潮間帶之上，加之潮灘坡度較緩，因此岸邊界隨著潮位漲落變動(dòng)顯著。動(dòng)邊界的處理方法有很多種，如虛擬水深法、凍結(jié)法、水位平鋪法、滲透介質(zhì)法等[11]。綜合而言，基本可以分為兩類：干濕網(wǎng)格法和窄縫法。干濕網(wǎng)格法是在計(jì)算過程中判斷計(jì)算點(diǎn)(網(wǎng)格)的總水深，進(jìn)而確定該點(diǎn)(網(wǎng)格)是否參與計(jì)算以實(shí)現(xiàn)對岸邊界變動(dòng)的處理。干濕網(wǎng)格法在計(jì)算中對水位點(diǎn)或流速點(diǎn)進(jìn)行判斷，有多種實(shí)現(xiàn)形式，因此可認(rèn)為干濕網(wǎng)格法是一類方法。這類方法具有實(shí)現(xiàn)靈活，移植性強(qiáng)的特點(diǎn)。然而，由于具體判斷方法和判斷準(zhǔn)則的原因，干濕網(wǎng)格法對岸線移動(dòng)速度的控制可能存在較為明顯差異[12]。干濕網(wǎng)格類方法本質(zhì)上是“間斷”的方法，岸邊界的移動(dòng)依賴于計(jì)算點(diǎn)的干濕判斷。窄縫法是在岸灘上人為設(shè)置窄縫，將水引入窄縫模擬岸邊線變動(dòng)的一種方法。窄縫法通過“化引水深”實(shí)現(xiàn)方程在固定范圍內(nèi)模擬計(jì)算并實(shí)現(xiàn)岸邊界變動(dòng)，本質(zhì)上是一種“連續(xù)”的方法。陶建華等[13]最早將其應(yīng)用于波浪爬坡的計(jì)算，何少苓等[14]將其應(yīng)用于近岸潮流模擬研究，孫琪等[15]將窄縫法應(yīng)用于近岸泥沙輸運(yùn)的研究中，均取得了較好的效果。Shi等[16-17]應(yīng)用窄縫法于近岸的波浪計(jì)算取得了一定的效果，但發(fā)現(xiàn)窄縫的選取是需要注意的問題。圖1為窄縫法的示意，式(8)為窄縫寬度系數(shù)的計(jì)算公式。“化引水深”是考慮了窄縫后的等效水深，具體計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[13-16]。

(8)

式中f(z)——窄縫寬度系數(shù)；z、zb——水面高度和河床高度(圖1)；ε——窄縫參數(shù)，代表窄縫最低處的寬度；α——常數(shù)，控制窄縫縮窄的速度。

圖1 窄縫法示意(z0為人為設(shè)置的窄縫最低點(diǎn)，應(yīng)低于最低水位)

窄縫法允許水在窄縫內(nèi)流動(dòng)，利用“化引水深”代替總水深，實(shí)現(xiàn)岸邊界的自動(dòng)判別。Shi等[16-17]認(rèn)為窄縫參數(shù)確定不當(dāng)可能導(dǎo)致計(jì)算失穩(wěn)，此外也可能導(dǎo)致“化引水深”與總水深出現(xiàn)較大差異。在此，通過調(diào)整ε和α的值將最小“化引水深”控制為約0.01 m。此外，由于紅樹林根系及生物活動(dòng)(如蟹孔)的存在，潮灘在漲落潮過程中較一般的潮灘存在更多的水的滲入和排出。窄縫法中“化引水深”的引入，在一定程度上模擬了紅樹林潮灘上水的滲入和排出。

2 計(jì)算區(qū)域及計(jì)算方案

2.1 計(jì)算區(qū)域

圖2為計(jì)算區(qū)域的示意，紅樹林海灣長度約5 km，中間深槽深度為5 m，深槽兩側(cè)紅樹林潮灘寬度約為600～800 m，海灣頂部紅樹林寬度150 m。灣口外水域約為27 km×19 km，開邊界僅在東側(cè)設(shè)置，給定潮位過程。圖2中S1—S3為采樣斷面，分別代表灣口、中部及灣頂。圖3為紅樹林海灣的橫斷面示意。圖中h為深槽水深，b為深槽寬度，α為潮灘自灘肩向兩側(cè)的坡度。L1—L3為圖2中所示斷面上的采樣點(diǎn)位置，分別位于深槽中部、灘肩及潮灘內(nèi)部。假設(shè)海灣深槽及潮灘的水深自灣口向?yàn)稠敳淮嬖诳v向變化，灣口外水深自灣口向外海線性變化(坡降為0.000 5)。

圖2 計(jì)算區(qū)域及水深示意(m)

圖3 海灣橫斷面示意

2.2 計(jì)算條件及計(jì)算方案

為研究不同因素對紅樹林海灣水動(dòng)力特征的影響，將考慮深槽寬度、潮灘坡度以及曼寧系數(shù)的作用。深槽寬度反映槽灘體積比，是潮汐不對稱的重要指示性參數(shù)；潮灘坡度對海灣槽灘的漲落潮過程具有重要影響；曼寧系數(shù)是量化紅樹林及其密度的直接參數(shù)。為此，根據(jù)廣西欽州灣紅樹林潮汐水道情況及參考前人文獻(xiàn)[7],設(shè)置紅樹林灣內(nèi)的深槽寬度、潮灘坡度和曼寧系數(shù)的取值見表1，共計(jì)180組模擬計(jì)算。計(jì)算網(wǎng)格全域?yàn)榫匦尉W(wǎng)格。在紅樹林海灣內(nèi)深槽橫向設(shè)置10個(gè)網(wǎng)格，相應(yīng)的空間步長最小為5 m、最大為40 m。海灣內(nèi)潮灘上的空間步長為50 m，海灣外水域空間步長逐漸增大，外海開邊界處為500 m。開邊界只在東側(cè)開邊界取潮位過程控制，不考慮上游徑流注入。開邊界潮差取1.6 m，中潮位位于灘肩下0.4 m。計(jì)算基面置于灘肩所處平面。為數(shù)據(jù)處理的簡便，潮周期取24 h。

表1 計(jì)算條件及計(jì)算方案

3 結(jié)果與討論

3.1 潮流基本特征及紅樹林的影響

紅樹林的存在對潮灘上及深槽的水流過程會(huì)導(dǎo)致明顯的改變。一般的，對于潮灘寬闊的河口海岸，由于潮灘在水位較高時(shí)能容納較多的水體，可能導(dǎo)致潮汐呈落潮主導(dǎo)型，即落潮歷時(shí)小于漲潮歷時(shí)、落潮最大流速大于漲潮最大流速。在深且窄、潮灘不發(fā)育的河口海岸，潮汐一般呈現(xiàn)漲潮主導(dǎo)型。對于小尺度的紅樹林海灣，潮灘分布寬闊(圖3)，具備產(chǎn)生落潮不對稱型潮汐的潛在條件。在此給出并對比了紅樹林小尺度海灣的潮汐潮流過程的基本特征及其變化。

圖4、5分別給出了潮灘坡度為0.001 5情況的采樣點(diǎn)上(圖1、2)的潮位和流速過程。由于深槽處橫向流速很小，圖中未給出。對于潮位過程，可以看出紅樹林無明顯影響。另一方面，對于流速，紅樹林產(chǎn)生了非常明顯的影響。首先，對于灘肩(L2)和灘面上(L1)的采樣點(diǎn)，在沒有紅樹林的情況下，縱向流速u可超過0.1 m/s，最大可近 0.5 m/s (圖4)；而在紅樹林的影響下，縱向流速減弱至小于0.05 m/s(圖5)。對于橫向流速v，紅樹林的存在與否并無明顯量值的變化，一般小于0.05 m/s。由此可以認(rèn)為，紅樹林對潮灘上流速的影響主要表現(xiàn)為：縱向流速明顯減弱，橫向流速變化很小；潮灘上水體由縱向輸運(yùn)為主變?yōu)闄M向和縱向輸運(yùn)并重。對于深槽中(L1)的流速，紅樹林的存在導(dǎo)致縱向流速有所增加。需要注意的是，在灣口斷面(S1)的深槽處，流速雖在量值上相差不大，但卻呈現(xiàn)不同的漲落潮不對稱性質(zhì)。在無紅樹林情況下(圖4)，最大漲落潮流速分別為-0.64、0.74 m/s，最大落潮流速大于最大漲潮流速，呈現(xiàn)落潮流主導(dǎo)的不對稱型式。而在有紅樹林存在的情況下(圖5)，最大漲落潮流速分別為-0.91、0.87 m/s，最大漲潮流速大于最大落潮流速，呈現(xiàn)弱的漲潮流主導(dǎo)的不對稱型式。潮流不對稱型式的變化對于水體及物質(zhì)輸運(yùn)具有重要的指示意義，對于紅樹林尤其重要。在此處的模擬中，外海邊界為對稱型的潮位過程，在潮波向近岸傳播的過程中，由于水深變淺、底摩阻等因素的影響，會(huì)逐漸向漲潮主導(dǎo)型發(fā)展。在海灣口門處應(yīng)表現(xiàn)為漲潮主導(dǎo)型。有紅樹林存在的情況下的結(jié)果符合這一特征。在無紅樹林的情況下，灣口處的潮流為落潮主導(dǎo)型。如前所述，寬闊的潮灘可促使落潮主導(dǎo)型產(chǎn)生，灣口處的流速表現(xiàn)為此特征。但在海灣內(nèi)部的潮流仍呈漲潮主導(dǎo)型，這種不對稱型式的變化可能是由于縱向變化隱含著更為復(fù)雜的機(jī)制。

圖4 潮灘無紅樹林時(shí)(n=0.025)采樣點(diǎn)的潮位和流速過程

圖5 潮灘有紅樹林時(shí)(n=0.3)采樣點(diǎn)的潮位和流速過程

圖6、7分別給出了有無紅樹林情況下海灣水量輸運(yùn)情況。對比可以發(fā)現(xiàn)在無紅樹林的情況下，平均水體輸運(yùn)在潮灘上有明顯的向上游的凈輸運(yùn)，在深槽則為向下游的凈輸運(yùn)。這一特征符合河口海灣正壓流的基本特征[18]。而在有紅樹林的情況下，此特征顯著減弱。這種現(xiàn)象應(yīng)是前述深槽處潮流不對稱型式變化的直接原因。此外，由圖6、7還可看出，在漲潮時(shí)，無紅樹林潮灘存在較強(qiáng)的縱向輸運(yùn)，橫向輸運(yùn)相對較弱。紅樹林潮灘則基本表現(xiàn)為相反的特征。落潮時(shí)，無紅樹林的情況下，縱向輸運(yùn)則主要集中于深槽處，而灘面上的橫向輸運(yùn)則在有紅樹林時(shí)更為突出，且分布面積更大。

a)縱向輸運(yùn) b)橫向輸運(yùn)

a)縱向輸運(yùn) b)橫向輸運(yùn)

圖8、9分別為潮灘是否存在紅樹林情況下的潮位-流速，其中流速僅給出縱向流速。從圖中可以得出潮流在漲落潮過程中的變化。可以看出，紅樹林的存在導(dǎo)致深槽縱向流速的增大及潮灘流速的大幅減小。此外，最大流速出現(xiàn)于中潮位和高潮位之間，表明潮波既非駐波亦非行進(jìn)波，而是處于二者之間的混合型。由于潮灘的存在，最大漲落潮流速出現(xiàn)在較高水位，這符合一般情況下的河口近岸水域的潮波特征[19]。圖8、9還顯示漲潮最大流速一般出現(xiàn)在潮位為0.5～1.0 m，落潮最大流速則多出現(xiàn)在潮位0.0 ～0.3 m。

圖8 無紅樹林情況下(n=0.025)的潮位-流速

圖9 有紅樹林情況下(n=0.3)的潮位-流速

為進(jìn)一步研究最大流速與潮位的關(guān)系，從水量平衡出發(fā)建立一個(gè)簡單的理論模型，研究了最大流速出現(xiàn)時(shí)的潮位情況。對于此類地形，灣口的斷面平均流速可表示為[19]：

(9)

式中η——潮位；ua——斷面平均流速；As、Ac——海灣的表面積和橫斷面面積。

對于圖3所示的斷面可有:

(10)

其中，T=η-h，L為河(灣)長。符號見圖3。上式右端對時(shí)間求導(dǎo)并令其為零，可得最大流速出現(xiàn)的時(shí)刻以及最大流速的值，但式(10)較難求得此解析解。在此，考慮到河口潮波多為半駐波半行進(jìn)波的混合型式，最大流速一般出現(xiàn)在中潮位前后的時(shí)刻，所以假設(shè)在此時(shí)段內(nèi)η隨時(shí)間t線性變化。因此，求解：

(11)

(12)

(13)

(14)

因?yàn)樵谝话闱闆r下有：tanβ>>tanα

(15)

(16)

由此可以看出，最大流速出現(xiàn)的潮位與深槽形態(tài)(深寬比tanβ)、潮灘坡度(tanα)以及深槽尺度(h或b)相關(guān)。此外，式(11)—(16)中假設(shè)了潮位是隨時(shí)間線性變化的，然而對于不同的漲落潮過程，此變化的速率存在差異，如漲落潮不對稱導(dǎo)致的水位變化的快慢、半日潮海區(qū)和全日潮海區(qū)的差異等。同時(shí)，式(9)假設(shè)了整個(gè)河口(海灣)的水位是同步漲落且沒有水面坡度。因此，式(16)僅是從水體連續(xù)性出發(fā)得出的最大流速出現(xiàn)時(shí)刻的一個(gè)簡單估計(jì)，更細(xì)節(jié)性的關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。對上述所數(shù)值模擬的情況：tanβ=0.1，tanα=0.001 5，b=50 m，可得T≈0.57 m。此數(shù)值與圖8或圖9所示情況呈現(xiàn)較好的一致性。但是式(16)未考慮漲落潮不對稱的變化，所以其估計(jì)未能表現(xiàn)圖中所示的漲落潮過程中最大流速出現(xiàn)的水位存在差異的現(xiàn)象。

為進(jìn)一步探討流速和潮位的橫向變化，圖10、11給出了S2 斷面的流速情況，因?yàn)椴捎昧藢ΨQ地形，所以圖中僅給出了自深槽中心向北的半個(gè)斷面的流速情況。首先，定義潮流不對稱指標(biāo)為：

(17)

式中Uem、Ufm——最大落潮流速和最大漲潮流速；U——既可以代表縱向流速也可代表橫向流速；TA——潮流不對稱指標(biāo)，當(dāng)其大于1時(shí)，代表落潮流主導(dǎo)，反之則為漲潮流主導(dǎo)。

S2斷面位于紅樹林海灣中部，圖10、11均顯示在此斷面，縱向漲落潮流速均自灘肩向潮灘內(nèi)部逐漸減小。潮流不對稱均表現(xiàn)為漲潮不對稱型，這有利于物質(zhì)向上游輸運(yùn)。對于橫向流速，在無紅樹林時(shí)，橫向流速在斷面上無明顯變化趨勢，但紅樹林會(huì)導(dǎo)致橫向流速自灘肩向潮灘內(nèi)部緩慢減小。潮流不對稱則表現(xiàn)為在鄰近深槽部分為落潮主導(dǎo)型，而在潮灘的上部則為漲潮主導(dǎo)型。這表明在潮灘的中上部有利于物質(zhì)的向岸輸運(yùn)，但在灘肩及其鄰近部位則可能向深槽凈輸運(yùn)。紅樹林的存在使此轉(zhuǎn)折點(diǎn)明顯向深槽移動(dòng)，表明紅樹林的存在有利于潮灘的發(fā)育。但是，需要注意的是，橫向流速一般很小，不足以起動(dòng)潮灘灘面上的泥沙，因此，上述的潮流不對稱應(yīng)主要作用于水體中已存在的懸沙及其他物質(zhì)。

圖10 無紅樹林情況下(n=0.025)的斷面最大流速分布

圖11 有紅樹林情況下(n=0.3)的斷面最大流速分布

在紅樹林潮灘上，水流緩慢，可以預(yù)計(jì)壓強(qiáng)梯度力是流速的決定性動(dòng)力之一。圖12給出了S2斷面上L2點(diǎn)的漲落潮過程中的水面比降的變化。可以看出，在無紅樹林時(shí)，漲潮過程中縱比降一般大于橫比降。在有紅樹林時(shí)，縱比降無明顯變化，但橫比降顯著增大，超過縱比降。這與前述的無紅樹林時(shí)縱向流速主導(dǎo)輸運(yùn)一致。總體而言，紅樹林的存在增強(qiáng)了橫向流動(dòng)的作用。

圖12 水面比降的時(shí)間變化

3.2 潮灘坡度和紅樹林密度的影響

圖13給出了S2斷面L1 點(diǎn)的潮位和縱向流速隨潮灘坡度的變化。可以看出，隨著坡度的增加，潮差逐漸增大，高潮位的增幅小于低潮位的降幅。在坡度為0.000 5時(shí)漲潮歷時(shí)較小，其他情況變化不大。但是落潮過程中具有明顯的差異。坡度越大，潮位下降越快，落潮歷時(shí)越短。落潮最大流速小幅增大，但漲潮最大流速增加明顯。落潮過程中落潮流速隨坡度的減小而顯著增大。這應(yīng)源于坡度小的情況下，紅樹林海灣內(nèi)潮棱體的體積顯著地增大。相應(yīng)的漲潮過程中的流速亦表現(xiàn)為隨坡度減小而增大。但漲潮過程中的變化較落潮過程小。因此，可以認(rèn)為，對于此類小尺度的海灣，漲潮過程主要受海灣灣口處潮位控制，而落潮過程則主要是灣內(nèi)的水體體積的影響。灣口處的過水面積是另一個(gè)關(guān)鍵的要素。圖13中，并未表現(xiàn)出來一般意義上的落潮主導(dǎo)型。原因可能由于灣口處入射潮波為漲潮主導(dǎo)型的影響以外，灣口處過水?dāng)嗝娴拿娣e應(yīng)為一個(gè)控制因素。有紅樹林存在情況下，潮灘上的縱向水體輸運(yùn)大幅減小；雖然隨著水位的增高，灣口斷面寬度增大，但主要的過水?dāng)嗝嫒詾樯畈鄣膶挾取Ｋ援?dāng)灣內(nèi)的體積增大時(shí)，灣口處的漲潮流速亦增大。而落潮過程與之類似，灣口過水?dāng)嗝娴挠行挾然静皇艹睘┢露鹊挠绊懀鵀硟?nèi)水體體積的增大導(dǎo)致落潮歷時(shí)的延長和落潮流的增大。圖14為灘肩和灘面上的橫向流速變化，均表現(xiàn)為隨坡度減小而逐漸增大的趨勢。其原因亦可歸于灣內(nèi)水體體積的變化。

此外，據(jù)前人研究，紅樹林密度不同，其導(dǎo)致的阻力亦不同，若以曼寧系數(shù)表達(dá)，則約為0.1～0.7。但是，對于S2斷面上的采樣點(diǎn)的比對顯示，在n=0.1～0.5的區(qū)間內(nèi)，潮位和流速過程變化很小(圖未列出)。結(jié)合前述，紅樹林的有無對水流影響顯著，但紅樹林的密度影響相對較小。此外，紅樹林對水流實(shí)際的阻力作用于整個(gè)水體(水柱)，而曼寧系數(shù)僅是將其概化為底摩阻。雖然所采用的模型為垂向平均的二維模型，但是這種阻力的不同作用方式亦可能存在潛在的差異，尚需進(jìn)一步研究。

圖13 S2斷面L1 點(diǎn)的潮位和縱向流速隨潮灘坡度的變化

圖14 S2斷面L2和L3 點(diǎn)橫向流速隨潮灘坡度的變化

3.3 深槽寬度的影響

圖15 給出了S2斷面L1 點(diǎn)的潮位和縱向流速隨深槽寬度的變化。可以看出，隨著寬度的增大，潮差逐漸增大，但主要表現(xiàn)為高潮位的抬高。從漲落潮歷時(shí)來看，隨著寬度增加，漲潮歷時(shí)略有減小，潮汐過程向漲潮主導(dǎo)型發(fā)展。這時(shí)由于深槽寬度增大，減小了灘槽體積比。流速則表現(xiàn)為顯著的減小，從趨勢上亦表現(xiàn)出漲潮最大流速逐漸大于落潮流速的變化。圖16給出的灘肩上(L2)和潮灘上(L3)的橫向流速過程隨深槽寬度的變化。灘肩流速總體而言變幅不大且無明顯規(guī)律，潮灘灘面上流速隨著寬度的增大而逐漸增大，這可能與深槽中的潮差增大導(dǎo)致的漲落潮過程中橫向比降增大有關(guān)。此外，在潮灘上，水位受灘面地形的影響，其變幅不如深槽中顯著。

圖15 S2斷面L1 點(diǎn)的潮位與縱向流速隨深槽寬度的變化

圖16 S2斷面L2、L3 點(diǎn)的橫向流速隨深槽寬度的變化

4 結(jié)語

綜合高分辨率格式和窄縫法建立了平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對小尺度紅樹林海灣的水動(dòng)力過程的基本特征開展了初步研究。同時(shí)，基于水量平衡原理對最大流速與潮位的關(guān)系做了初步探討。研究得出如下結(jié)論。

a)紅樹林海灣內(nèi)的潮流不對稱主要是入射潮波影響，灣內(nèi)地形雖有利于落潮主導(dǎo)型產(chǎn)生，但不足以導(dǎo)致不對稱性質(zhì)的改變。在無紅樹林的情況下，灣口處出現(xiàn)的落潮主導(dǎo)型主要是因?yàn)槌睘┫蛏嫌屋斶\(yùn)的水體通過深槽下泄導(dǎo)致的。

b)縱向流速對潮灘的糙率響應(yīng)明顯，橫向水流則無明顯變化。灘肩處橫向水流有利于灘槽交換，在潮灘中上部則有利于潮灘的保持。紅樹林的存在，導(dǎo)致灣內(nèi)的橫向壓強(qiáng)梯度可能大于縱向壓強(qiáng)梯度，是產(chǎn)生橫向流動(dòng)的主要?jiǎng)恿Α?/p>

c)最大流速出現(xiàn)時(shí)的潮位與深槽的深寬比、潮灘坡度及深槽尺度相關(guān)，同時(shí)受到漲落潮不對稱的影響。在有紅樹林的情況下，潮灘坡度的影響主要源于灣內(nèi)潮棱體體積的變化，漲潮過程主要受灣口處入射潮波控制，落潮過程則主要受灣內(nèi)潮棱體體積影響。

d)有無紅樹林對潮灘的流速具有本質(zhì)上的影響。一般情況下，紅樹林導(dǎo)致的曼寧系數(shù)約為0.1～0.7。在此區(qū)間內(nèi)，紅樹林的密度對灣內(nèi)的潮位和流速影響不顯著。對于紅樹林特別稀疏的情況，文中未涉及。深槽寬度增加會(huì)導(dǎo)致灣內(nèi)流速向漲潮主導(dǎo)型發(fā)展，并導(dǎo)致潮灘上橫向水流增大。

e)研究基于平面二維數(shù)學(xué)模型，結(jié)論可適用于近岸濕地水域。但是，研究未考慮水流的三維結(jié)構(gòu)，亦未考慮鹽度導(dǎo)致的斜壓流的影響；此外，將紅樹林概化為底摩阻，未考慮紅樹林在中上部水體的阻力。諸多問題尚需進(jìn)一步研究。