南渡江河口洪、枯季節水文泥沙變化特征及臺風“海鷗”對入海水沙的影響＊

陳 斌 高 飛 印 萍 劉金慶,

(1.國土資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室 青島 266071;2.青島海洋地質研究所 青島 266071;3.中國海洋大學 青島 266100)

近幾年來,LOICZ、MARGINS等研究表明,中小河流的入海物質在陸-海相互作用、世界邊緣海沉積、全球海洋生物地球化學循環中扮演重要角色。一方面它的豐枯變化直接影響河口環境、流域經濟的發展,另一方面河流的入海物質是沿途風化產物和污染物質的重要載體,直接影響近海生態環境(Hilton et al,2011)。尤其是在較強的季風、臺風天氣及大量降水等綜合影響下,中小河流的入海物質會在幾天內快速入海(Kao et al,2008;Liu et al,2009),河口地區接收的物質通量將瞬間增大。入海物質通量的快速變化對流域-河口的環境響應已經成為近幾年國際地球科學界的研究熱點(Milliman et al,2011)。目前來說,我國對入海中小河流的基礎研究還很弱;與長江、黃河、珠江等大江大河相比,對于中小河流入海物質的通量變化及其對流域-河口環境響應,以及自然與人類活動雙重因素驅動下陸源物質從流域到河口的源-匯過程的研究不足。

南渡江發源于海南白沙縣南峰山,是海南第一大河,斜貫海南島中北部,向北流經?？谑袇R入瓊州海峽,全長334km,流域面積7033km2(海南省地方辦公室,2005)。據龍塘站水文資料(1957—1988年;2006—2008 年)統計,年均徑流量為 4.728×108m3,年均輸沙量為3.231×104t。南渡江的水沙特征表現出季節性變化特征,臺風季節(7—10月)的徑流量占全年的 62.3%,輸沙量占全年輸沙量的 74.4%(楊志宏等,2013)。

南渡江河口海域屬于熱帶季風氣候,盛行季風,冬季多偏北風,平均風速超過3.5m/s,夏季多偏南風,平均風速在3.0m/s以下。每年的7—10月為臺風頻發季節。波浪以風浪為主,5—8月以偏南向浪為主,9月至翌年 4月以東北向浪為主(柯佩輝,1983)。該海域潮汐類型為日潮,潮汐作用弱于風浪作用,平均潮差1.0m左右,為弱潮河口。瓊州海峽海域以往復流為主,有漲潮東流、西流和落潮東流、西流4種流動形式。南渡江口近岸海域以漲潮東流和落潮西流為主,轉流一般發生在平均水位附近,平均水位以上以東流為主,平均水位以下以西流為主(龔文平等,2012)。

關于南渡江河口的研究多集中在鹽水入侵(龔文平等,2012;趙軍鵬等,2013)、三角洲及岸灘演變(王文介等,1986;龔文平等,1998;戴志軍等,2000)、泥沙運移(李春初等,1997;陳沈良等,1998)等方面。近幾年關于南渡江河口水文泥沙季節性變化的調查研究相對較少,尤其是在臺風天氣狀況下對南渡江入海水沙通量的變化研究,由于觀測極為困難所以幾乎未見。本文通過2014年洪、枯季兩個航次的調查數據,以及臺風“海鷗”過境的監測資料,分析研究了南渡江河口近岸海域的水文泥沙洪、枯季時空變化特征,并探討河口水文泥沙要素與動力因子之間的響應關系。根據臺風過境的監測數據,揭示了南渡江入海物質通量瞬時變化趨勢,為河口近岸海域環境及流域水資源的時空分布相關研究提供了依據。

1 資料與方法

2014年的枯季和洪季在南渡江河口海域及流域開展了兩個航次的水文泥沙調查(圖1)。南渡江河口潮汐為周日內一漲一落。4月 1日(枯季),選取大潮時期的漲潮階段,利用走航觀測在河口海域完成了 5條主要調查斷面共計 20個站位的觀測,每個斷面觀測大約用時1.5h,觀測的主要參數為溫度、鹽度、濁度等;在南渡江河道完成 15站水文泥沙觀測,其中干流12站,支流3站。根據龍塘水文站歷史資料,此季節的徑流量約為43.36m3/s。9月25日(洪季),選取大潮時期的落潮階段,利用走航觀測對海域5條調查斷面和河道 15站進行了重復觀測,此季節的徑流量約為446.62m3/s。9月15—23日,在南渡江中游潮流界以上河道(新大洲大橋附近)布設河床基監測站,全程監測了臺風“海鷗”登陸期間的水沙通量。此外,兩個航次完成了3個錨系站位連續25h海流、溫度、鹽度、濁度等參數的觀測。

在兩個海域調查航次期間,天氣狀況良好,無明顯風浪。其中測站剖面的參數采集使用美國 Seabird公司生產的SBE19 Plus多參數CTD;錨系站位的海流觀測使用美國TRDI公司生產的ADCP(600 kHz)聲學多普勒流速剖面儀;河道水文泥沙觀測使用日本JFE公司生產的ASTD 152自容式CTD。

圖1 南渡江調查站位Fig.1 The investigation sites along the Nandu River

2 洪、枯季節溫度、鹽度、濁度的變化特征

2.1 洪、枯季節溫度、鹽度、濁度的平面分布特征

南渡江位于海南省最北部,屬于亞熱帶地區,根據龍塘水文站歷史資料,從圖2可以看出南渡江的多年平均月入海徑流量和輸沙量均為典型的單峰型,徑流量的峰值出現在 10月份,占河流年徑流量總量的34.1%;輸沙量的峰值出現在9月份,占全年總量的25.5%。一般來說,1—4月為海南河流的枯水季節,7—10月為洪水季節(楊志宏等,2013)。

圖2 南渡江龍塘站多年平均月徑流量及輸沙量分布Fig.2 Average monthly runoff and sediment discharge of Nandu River

枯季,表、底層的水溫均呈現向海遞減的趨勢,變化范圍在20—25°C之間,表層溫度略高于底層(圖3a,b)。河口以東水體溫度明顯高于西部,站位資料均在漲潮期間獲取,漲潮流以偏西向為主,推測南海溫度相對較高的水體在漲潮流的攜帶下向瓊州海峽輸運,另外在4月份以偏東風為主,表層水體基本上由東南往西北流動(柯佩輝,1983),與圖3中表層溫度的分布特征一致。根據資料顯示4月份瓊州海峽東部水體溫度在23—24.73°C之間(楊士瑛等,2006),也與本文中河口以東水體溫度值吻合。

洪季水溫明顯高于枯季,河口附近海域水溫略高于離岸海域,變化范圍在 28—29.5°C之間,表、底層的溫度差異更小(圖3c,d)。洪季觀測數據是在臺風“海鷗”登陸后第七天的落潮期間采集,在這幾天中大量的河流淡水入海,又加之臺風作用,使得河口近海水體混合增強,造成水溫的空間分布特征較為一致。河口以西表層水體溫度略高,河口海域底層水溫略高。

圖3 枯、洪季節溫度的表、底層分布Fig.3 Temperature at the surface and bottom layers in dry and flood seasons

枯季,表、底層的鹽度分布較為一致,空間上差異不大(圖4a,b);但在河口東側入海岔道的外海域,水深大約 15m的表層水體,出現一個低鹽度的區域,表現出異常低的鹽度值(小于16),同時也出現在底層水體,但其鹽度值高于表層。除去該低鹽區,其它區域的鹽度基本在33左右。

洪季,研究海域的鹽度明顯低于枯季,在臺風作用下,洪季的鹽度分布也較為平均(圖4c,d)。洪水季節降雨較多,本次觀測又恰逢臺風過后,故整個河口海域表現出較低的鹽度值,在 28—30之間;但河口東側的低鹽區在表層水體依舊存在,鹽度值小于 21,其位置與枯季數據一致。在后面章節對可能導致這種現象的原因進行討論。

濁度主要反映水體懸浮體的特征。南渡江河口的懸浮泥沙,其空間分布,近岸大于遠岸、底層大于表層;其時間分布,洪季高于枯季(圖5)?？菁?河口處濁度的垂向梯度較大,表層的濁度高值區位于河口東岸(圖5a),推測為南渡江三角洲東側廢棄岸段的再懸浮泥沙在潮流和東南季風的作用下向西輸運;前人計算該岸段的向西年輸沙量約為 73.969m3(陳沈良等,1998)。底層的高值區位于南渡江東岸和橫溝河岔道入?？谖鱾?濁度值為20 ftu左右(圖5b),河口東岸的泥沙主要來自于東側廢棄岸段的再懸浮泥沙,而橫溝河岔道入?？谖鱾鹊哪嗌硠t主要由在河口底床沉積的入海泥沙在動力作用下再懸浮進入水體而后再向西輸運所致?？傮w來講,在枯季,由南渡江直接入海的泥沙不多,在干流入?？跊]有發現高濁度區域,大多是底床的再懸浮泥沙沿岸輸運,大致保持沿岸向西運移的趨勢,而本研究所涉及的兩個岸段即南渡江干流入?？谝詵|岸段、南渡江干流入?？谝晕髦翙M溝河岔道入?？谖鱾确謩e為廢棄侵蝕岸段和泥沙轉運岸段(李春初等,1997),符合本文的泥沙運動趨勢。

圖4 枯、洪季節鹽度的表、底層分布Fig.4 Salinity at the surface and bottom layers in dry and flood seasons

圖5 枯、洪季節的濁度表、底層分布Fig.5 Turbidity at the surface and bottom layers in dry and flood seasons

洪季的懸浮泥沙分布非常有特點,以臺風過后 7天的觀測結果為例,水體的濁度值明顯高于枯季,大量的河口沉積物被徑流攜帶入海,泥沙入海后迅速沉積,底層水體的濁度明顯高于表層(圖5c,d),最大值超過60 ftu。入?？诤沉棵黠@高于其它海域,呈現出典型的河口輸沙入海的特點。此外,泥沙在洪季也表現為向西輸運的特征。表層水體易于流動,已經表現出向西運動的態勢;而底層水體的泥沙除了徑流攜帶的泥沙入海,還有部分在臺風攪動下沒有落淤的再懸浮泥沙,由于底床水體相對穩定性較強、流速較小,還有沒有形成向西運動的趨勢。

2.2 洪、枯季溫度、鹽度、濁度的斷面分布特征

由于南渡江河口地理位置的原因,溫度、鹽度、濁度不具備其它一般河流河口“夏儲冬輸”的季節性特征,但具備低緯度、熱帶季風氣候控制下的河流特征。為討論溫度、鹽度、濁度在洪、枯季的變化特征,選擇由岸到海不同位置的斷面: 斷面 1(圖6)位于河口以西,正對南渡江支流分叉入?？?斷面3(圖7)正對南渡江入?？?斷面5(圖8)位于河口以東。

斷面 1的枯季溫度變化范圍為 20—21°C,洪季溫度的變化范圍為28.3—30°C,明顯低于洪季;但在兩個季節溫躍層均不明顯,表、底層的溫度差異在1—2°C,洪季的溫度分布更為平均。由于洪季降雨量較大,故鹽度(約為 31.5)低于枯季(約為 33);鹽度在垂向上差異不大,說明該區域混合作用很強,沒有明顯的水體層化現象?？菁?斷面1的水體較清,雖然呈現由岸到海逐漸降低的趨勢,但總體上濁度值小于5 ftu,表明該岔道入海泥沙量不多;洪季濁度值高于枯季,近岸海域濁度值高于20 ftu,垂向梯度增大,依然表現為向海遞減之趨勢。

圖6 斷面1溫度、鹽度、濁度枯、洪季分布Fig.6 Temperature,salinity,and turbidity across Section 1 in dry and flood seasons

在潮流、徑流的相互作用下,斷面3的水體混合程度要高于河口西部(斷面 1),洪、枯季溫度均高于西部?？菁?由岸向海溫度呈現降低,而洪季由岸向海則呈現先降低再升高的特征,這是由于河口東部溫度較高的水體隨漲潮流到達此處?？菁镜柠}度(約33)高于洪季(約31—31.5),兩個季節斷面中出現的低鹽區可能是淡水排放或羽狀流攜帶淡水所致。斷面3的濁度最高,尤其在洪季河口區超過50 ftu。從斷面分布特征來看,枯季入海泥沙較少,口門底床堆積的泥沙也較少,且顆粒較細的底床泥沙在動力作用下再懸浮進入水體,易于在季風的作用下向海擴散;而在洪季大量的徑流攜沙入海,大部分細顆粒的泥沙入海后已經向瓊州海峽或沿岸輸運,顆粒較粗的泥沙沉降在口門底床上,大部分泥沙在動力作用下進入水體后,在底層水體中沿下層水體向外輸運,細顆粒的泥沙則進入上層水體向外擴散。

圖7 斷面3溫度、鹽度、濁度枯、洪季分布Fig.7 Temperature,salinity,and turbidity across Section 3 in dry and flood seasons

與其它斷面相比,斷面5的枯季溫度在近岸最高,向海逐漸降低,且混合較強,垂向梯度較小;洪季在表層有一層較薄的高溫水,為潮流攜來的河口東部高溫水?？菁镜柠}度分布非常均勻,由于斷面5所處海域沒有正對河流入?？?故鹽度高于正對入?？诘臄嗝?和正對分叉支流入?？诘臄嗝?;而在洪季此斷面鹽度卻為最低,目前尚無理想的解釋。斷面 5正處于河口東部的侵蝕岸段,故在枯季表現出相對高的濁度向海擴散,且輸運范圍較大,而洪季更顯示出明顯的底床泥沙再懸浮,垂向梯度較大,表層水體濁度近于0,而底層水體的濁度可達20 ftu,表現出一定的侵蝕特性。

3 河口海域水文泥沙與潮流動力的響應

3.1 潮流

根據所觀測的3個錨系站位連續25h的實測流速資料,通過引入差比關系,對垂向平均流速進行潮流的準調和分析(方國洪等,1986;吳德安等,2008),獲取3站位的O1,K1,M2,S2這4個主要分潮潮流調和常數(表1)。獲得的潮流調和常數列于表1中。南渡江河口海域全日潮流振幅的東、北分量的均大于半日潮流的東、北分量,體現出該海域全日潮流占主要地位,呈現全日潮流的性質。對于O1,K1,M2,S2這4個主要分潮流,東分量明顯大于北分量,表現出潮流的主流向為東西向。

圖8 斷面5溫度、鹽度、濁度枯季和洪季的分布Fig.8 Temperature,salinity,and turbidity across Section 5 in dry and flood seasons

表1 CL01、CL02、CL03三站潮流調和常數Tab.1 Tidal harmonic constants at Stations CL01,CL02,and CL03

為進一步分析潮流特征,分別計算4個主要分潮的潮流橢圓要素,列于表2中。下面對計算所得各站的潮流橢圓要素結果進行進一步比較和分析。根據各分潮潮流振幅(WK1、WO1、WM2),計算 3測站的潮流性質F=(WK1+WO1)WM2可得到: CL01、CL02和CL03站分別為5.6,2.8和3.6,均大于2,因此該海域屬于不正規全日潮流區,3測站均以全日分潮 K1潮流占優。計算所得三站的M2潮流橢圓率基本為0,說明南渡江河口區潮流為東西向的往復流。

3.2 水文泥沙要素與潮流動力的響應關系

本文以CL01和CL02站來闡明南渡江口海域水文環境要素在潮周期內的變化特征及其對潮流動力的響應(圖9)。

CL01站位于白沙淺灘以東,水深大約 18m,于枯季進行觀測。從溫度的變化過程來看,溫度較高的水體沿表層隨著西向的漲潮流經過CL01站,使得該站在整個漲潮過程中表層水體溫度較高,而后在較大的東向落潮流的驅動下,高溫水迅速東流,因此在落急時刻后溫度較低。4月份瓊州海峽的東部水體溫度要高于西部,相對高溫的東部水體隨著漲潮被攜帶至此,而又隨著落潮流流向東部,這也與前面所述的河口海域溫度東高西低的分布特征相吻合。從鹽度的變化過程來看,東部高鹽水在漲潮時入侵,且垂向

混合較好,最大鹽度出現于漲憩時,而最小鹽度出現在落憩時。濁度反映了水體中懸浮物的含量,從濁度變化過程來看,濁度與流速變化密切相關。流速超過一定程度時,可使部分底床泥沙懸浮,增加水體的含沙量;距離底床越近,懸浮作用對含沙量的影響越明顯,表現為漲急和落急時含沙量明顯增大,而漲憩和落憩時含沙量迅速降低,表明一方面再懸浮過程占主導,另一方面泥沙的沉降速度較大,在流速降低后迅速落淤。該海域在一個太陰日內發生一次漲落潮過程,漲潮歷時14h,落潮歷時10h,經垂向平均的漲潮流速為 0.41m/s,落潮平均流速為 0.52m/s,顯示出漲落潮的不對稱性。從含沙量的垂向分布來看,底層含沙量明顯高于表層,漲潮時水體含沙量的垂向梯度明顯小于落潮時。漲落潮期間的含沙量總體相差不大,運動形式以當地底床泥沙懸浮-沉降-再懸浮為主。

表2 CL01、CL02、CL03三站潮流橢圓要素Tab.2 Ellipse elements of tidal current at Stations CL01,CL02,and CL03

圖9 CL01和CL02站潮流與溫度、鹽度、濁度之間的響應關系Fig.9 The corresponding relationship between tidal current and temperature,salinity,turbidity at CL01 and L02 stations

CL02站位于橫溝河入?？谝詵|,水深大約12m,于洪季進行觀測。該站的漲潮流速大于落潮流速,漲潮歷時也大于落潮歷時。由于該站距離河口較近,受到入海淡水影響較大,溫度的變化規律不明顯,在整個漲落潮期間溫度變化不大,在漲潮流平流輸運和入海徑流混合作用下,最大值出現在第一個漲潮期間,最小值出現在落憩時。鹽度變化具備河口特點,在漲潮時鹽度增大,落潮時入海徑流沿表層向外海輸運,并在落憩時達到最小值。含沙量的變化過程與CL01站類似,但其垂向梯度要大于CL01站。在瓊州海峽較強潮流的影響下,南渡江河口的環境因子具有較強的潮汐性變化特點。

4 南渡江河道水文泥沙特征

4.1 枯季南渡江河道斷面水文泥沙特征

利用枯季調查的河道垂向剖面資料繪制河道斷面圖(圖10)。海南地處亞熱地地區,即使在4月份,陸源效應也非常明顯,受其影響,河道水溫呈現由中下游向入?？谶f減之趨勢,中游水溫與入?？谙嗖?4°C之多,由于觀測在漲潮期間進行,可以看到河口處低溫水體已經向河道入侵。從鹽度的斷面圖可以看到河道內出現了明顯的鹽水楔,但是受到中上游徑流的頂托作用,鹽水楔的前緣被強烈壓縮,鋒面處的垂向梯度很大。在河道布設站位,距離河口15km處的監測斷面鹽度值為 0,而相距最近(3km)的下游站位的鹽度值,從表層到底層變化范圍為 2—11,由此推算南渡江的潮流界線在此兩站之間,也就是距入?？?2—15km處,此結果與之前的研究(趙軍鵬等,2013)認為最大的潮流界為13km相吻合。從溫度的剖面圖也能看到海水對河流的影響區域也大體與鹽度一致。濁度的剖面圖展示了南渡江在枯季向海輸沙的情況,在漲潮期間僅有少量泥沙入海,大量泥沙聚集在河流的中游地區: 一是由于中游河道較深,上游的來沙需要在較強的攜沙力的帶動下才能向河流的下游輸運,而在枯季降雨量較小,徑流沒有足夠的流速來攜帶泥沙向海輸運;二是南渡江是海南省的第一大河,上游建造了多項水壩、水庫等設施,也降低徑流的流速;再加上漲潮的消能和鹽水入侵等因素,大部分懸沙由于自重或絮凝作用落淤,沉降在中游河段底床之上。對于落潮期間的泥沙入海情況還有待于后續航次的調查,以期與現在的研究進行比對。

圖10 枯季溫度、鹽度、濁度河道斷面分布圖Fig.10 Temperature,salinity,turbidity,in dry season

4.2 洪季南渡江河道平面水文泥沙特征

圖11是根據臺風登陸后第七天的落潮期間采集的數據繪制,在臺風作用下,河道的表、底層水體進行了充分混合,水體垂向差異不大,故此處僅采用平面圖來闡述。此時仍然有明顯的淡水入海,仍然受陸地熱源效應影響。南渡江中下游溫度較高的水入海后,與漲潮流在河口處混合,并在河口近岸海域形成溫度較高的區域。對于鹽度,受臺風洪水的影響,降水迫使潮流界向河口前移,鹽水入侵的強度減弱,上游河道鹽度接近 0,在入?？陂T處,漲潮流攜帶鹽水與淡水混合形成咸淡水鋒面。與枯季相比,臺風帶來降雨引發的洪水期間,水體湍動強烈,徑流較大,大部分的泥沙向口外沖瀉,河道大部分的細顆粒物質被沖刷入海,下游部分推移質也以滾動或躍移的形式被輸運至口門。臺風過后,由于大部分細顆粒的物質在短時間內被沖刷入海,河道內水體的含沙量不高,濁度在20—40 ftu之間,仍然在較大徑流的攜帶下向海輸運,并在入?？陂T處形成高值區。同時徑流經過沿途的底部摩擦入海后流速銳減,泥沙顆粒出現明顯的分選,其中顆粒較粗的物質堆積在口門附近,較細的泥沙則進入海域,或進入瓊州海峽沿岸向西輸運?？梢姳韺铀w的泥沙已經運移,而底床泥沙在動力作用下再懸浮進入底層水體,形成含沙濃度較高的水體。

圖11 洪季溫度、鹽度、濁度河道及河口平面分布圖Fig.11 The temperature,salinity,turbidity in flood season

5 討論

5.1 河口海域低鹽區形成的可能原因

前面章節已經論述過,在洪季和枯季河口東側入海岔道的外海域水深大約 15m的表層水體存在低鹽區,表現出異常低的鹽度值;同時底層水體也存在類似低鹽區但其鹽度值高于表層。在兩個航次的調查中均出現這一現象,且位置一致,表明該現象不是觀測誤差所致。有兩種可能性,一種可能是由于該區域附近存在淡水排放點或者深海海底排水管道,低鹽水體在海底排放后上升至表層,在潮流的作用下運移到該位置;亦有可能是河流淡水進入海域后,徑流和海水之間的混合使水體在垂向上產生密度層化．從而擴展形成羽狀流,將由河口向外流出的低鹽水輸運至此。經進一步查閱相關資料,發現?？谖鬯？谖鬯幚韽S深海排污口位于在橫溝河以東海域,而低鹽區中心站位的垂向流速為0.55m/s,方向為265°,說明在調查時刻潮流為西向,應該不是該排污口所致。為了進一步確認在低鹽區周邊是否存在排污口,對低鹽區中心站位 H07站周圍4個站位的垂向剖面鹽度值進行檢查,距離 H07站最近的距離為1.4km,最遠為4.2km,發現除了最近岸的H08站表層鹽度略低之外,其它站位的鹽度無明顯的低值。這個現象至少說明,如果是深海排水管道所致,那該排污口距離H07站的距離應該小于4.2km,但目前尚未查明排污口的位置。另外H08站距離橫溝河入?？诖蠹s1.9km,且表層也出現一個次低值,說明也可能是橫溝河徑流入海后,在河口混合作用下形成羽狀流將淡水輸運至此所致,計算H07和H08站的Richardson數,雖不能直接證明羽狀流輸運影響,但可藉此來判定由潮流導致的混合程度,推斷羽狀流影響的可能性。通常以Ri值來衡量水體的穩定性;Ri越小,說明湍流運動逐漸加強,層化減弱,混合程度加強。通過圖12發現,這兩站的 Ri值都小于臨界值0.25,潮致混合都較充分,尤其是下層水體;由于距離河口更近,H08站的混合程度高于H07站;H07站的表層低鹽水體恰巧也為 Ri最大值區域,也證明了羽狀流輸運淡水的可能性。但低鹽區成何目前僅停留在推測階段,尚無直接證據,期望通過今后的補充航次找到解釋。

圖12 H07、H08站鹽度和Richardson數垂向剖面圖Fig.12 Profiles of salinity and the Richardson Number in H07 and H08

5.2 臺風“海鷗”過境對南渡江水沙通量的影響

強臺風“海鷗”9月16日9: 40在海南省文昌市登陸(圖13),中心附近最大風力有 13級(40m/s),當日11: 00自?？谑须x開海南。期間大約在10: 20臺風中心橫穿過監測斷面,臺風期間降雨量達到354mm。

圖13 臺風“海鷗”路徑圖Fig.13 The trajectory of typhoon “Kalmaegi”

整個監測過程自9月15日15: 00開始,至9月23日10: 00監測結束,涵蓋了臺風登陸前到臺風的影響消退整個時段,共計約8天。從圖14中可以看到,在9月16日9: 40臺風登陸到當日11: 00離開海南島期間(圖14紅框),水位開始上升,徑流量也開始增大,但含沙量和輸沙量上升緩慢,顯示出一定的滯后性;直到9月16日18: 00,輸沙量開始急劇增大,在9月17日15: 00到達峰值,此時中游河道水位上漲3.3m,含沙量約為500mg/L,徑流量達到8000m3/s以上,瞬時輸沙量為3821kg/s;此后水位緩慢下降,大約5天后,臺風帶來的洪水事件消退。

臺風過境引發的洪峰過程從9月16日18: 00到18日10: 00(圖14黑框),歷時約40h。根據監測斷面獲取的流速、濁度、含沙量及河道斷面面積,估算得出洪峰時段南渡江入海徑流量、輸沙量及含沙量,并將其與龍塘水文站資料進行對比。多年平均的水沙資料顯示,年均徑流量為 182m3/s,年均輸沙量為3.2×105t,年均含沙量為 50mg/L;而計算得到臺風洪峰期間的徑流量、輸沙量及含沙量分別為6830m3/s、2.3×105t、362mg/L,其中,徑流量和含沙量均遠遠超過多年平均數值,而洪峰過程內的輸沙量竟然達到了年均輸沙量的70%以上,可見臺風“海鷗”對南渡江入海水沙影響之大,同時也說明南渡江河口地區具有“臺風季節”特點。

圖14 臺風期間水位、徑流量、含沙量及輸沙量的變化過程線Fig.14 Elevation,runoff,suspended sediment concentration and sediment discharge during typhoon “Kalmaegi”

此外,河道的濁度與水流速度表現出正相關(圖15),這里的濁度和流速為儀器直接觀測的參數。根據中國氣象科學數據共享網提供的臺風前后的降雨量數據,降雨量在臺風過境前開始增加,9月15日1: 00左右降雨量為2.8mm/h,此時南渡江河道徑流量也開始增大,河道內水量整體上漲,故而在9月16日凌晨濁度下降。隨著臺風迫近海南,降雨量急劇增大,在9月16日10: 00—11: 00降雨量到達峰值,此后水流速度增大,攜帶上游泥沙的能力也增強,從而使得水體濁度增大。另外在較大流速的條件下,河道底床泥沙的再懸浮作用增強,大量細顆粒物質進入水體,也導致水體濁度增大。9月16日11: 00臺風過境后降雨量迅速減少,而流速和濁度卻表現出滯后性。9月17日0: 00流速達到峰值,而濁度在9月17日10: 00達到最大值。在流速到達峰值后,隨著降雨量的減少或增大,流速出現減小—增大—再減小—再增大的過程,從9月 18日開始流速總體上持續減小。而水體濁度自峰值后持續減小,至 9月22日后水體濁度處于穩定狀態,在大量的降雨沖淡作用及徑流攜帶大部分底床的細顆粒泥沙入海的條件下,臺風過后的河道水體濁度低于臺風前。同時,洪水過程導致了水體溫度急降,臺風前約 31°C,在洪水過程中降到了 26°C,洪峰過后緩慢回升到 29°C。這是由于在降雨過程中風力較大、氣溫較低、太陽輻射減少,同時大量雨水的注入致使溫度急劇降低;洪峰過后,天氣轉晴、輻射增強、氣溫回升,河水溫度緩慢回升。鹽度自然也出現一個降低—再回升的過程,但該監測斷面位于潮流界以上,基本不受潮汐影響,鹽度基本為0,其變化可以忽略。

圖15 臺風期間水流、濁度、溫度及鹽度的變化Fig.15 Current speed,turbidity,temperature,and salinity during typhoon “Kalmaegi”

6 結論

(1)南渡江流域屬于熱帶季風氣候,具有獨特的臺風季節特征。洪、枯季節的水體層化作用不強,洪季的水溫高于枯季,鹽度低于枯季。由于亞熱帶地區的陸源效應,水溫呈現向海遞減的趨勢,而鹽度整體分布較為均勻。河口水體含沙量近岸大于離岸,底層大于表層?？菁镜暮涌谔帩岫鹊拇瓜蛱荻容^大,但輸沙入海量不多。洪季含沙量明顯高于枯季。

(2)枯季河口三角洲東側廢棄侵蝕岸段的泥沙在漲潮流和東南季風的作用下向西輸運,主要以底床再懸浮泥沙為主;洪季的河流泥沙入海量遠大于枯季,大量的泥沙入海后,粗顆粒的物質在口門沉積,細顆粒的泥沙依然沿岸向西輸運或向瓊州海峽輸運,輸運的物質通量也遠大于枯季。因此,南渡江河口不具備“夏儲冬輸”的泥沙特征,而是明顯的臺風季節特征,尤其強臺風帶來的急劇降雨是南渡江河流在“源-匯機制”中的主要驅動力。

(3)河口海域潮汐類型為不規則全日潮,潮流為東西向往復流特。河口溫度、鹽度和濁度均呈現較強的潮汐性特點,而濁度的峰值與流速的峰值與潮汐的相關性更加明顯,本地含沙量主要來自于底床泥沙的再懸浮。

(4)枯季河道內存在明顯的鹽水楔,受到中上游徑流的頂托作用鹽水楔的前緣被強烈壓縮,鋒面處的垂向梯度很大,在口門向陸大約12—15km以上的河道水體不再受潮汐影響。河道水溫由中下游向入?？谶f減,中游水溫與入?？谙嗖?4°C。漲潮期間僅有少量泥沙入海,大量的泥沙聚集在河流的中游地區。

(5)臺風期間的監測數據顯示入海通量的峰值具有一定的延時性和瞬時性,一般在臺風過境大量降水后,入海通量的峰值才會出現,內徑流量、輸沙量及含沙量分別為 6830m3/s、2.3×105t、362mg/L,其中徑流量和含沙量均遠遠超過多年平均數值,可見臺風對該地區的超強驅動力,充分證實了“臺風季節”的特點。此外臺風天氣也使得水溫隨洪峰急劇降低,洪峰后緩慢回升。

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