珠江河口枯季咸潮上溯特征與機制分析

張敏，陳鈺祥，羅軍，曾學智

（1.國家海洋局南海預報中心，廣東廣州510310；2.自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室，廣東廣州510310；3.中國水產科學研究院南海水產研究所，廣東廣州510310）

1 引言

珠江三角洲地區位于廣東省南部，涉及粵、港、澳三地，是西江、北江和東江下游的沖積平原，流域積雨面積共26 820 km2。珠江上游來水經三角洲河網區后，由8個主要口門匯入南海。珠江河口枯水期咸潮上溯問題比較嚴重，近年來珠江三角洲常常受到嚴重的“咸災”。頻繁出現的咸潮上溯活動已經成為珠江三角洲面臨的環境問題之一，不僅會造成嚴重的生態危害，還會直接影響人民的生活用水、農作物灌溉以及工業用水，制約珠江三角洲的經濟發展。據統計，1980—2000年珠三角地區城鎮年用水量增加了10倍；2003年珠江流域城鎮總用水量達到了6.20×1010m3（含港、澳地區），相當于該流域多年平均徑流量的18.5%，淡水資源嚴重不足。咸潮上溯是導致珠三角地區淡水資源缺乏的主要因素之一，再加上河口治理和航道整治工程不同程度地改變了該區域的水動力環境，使得咸潮上溯危害加劇，因此，研究珠江河口咸潮上溯規律與機制具有重要的理論和現實意義。

咸潮上溯是指海洋大陸架的高鹽度水團隨著潮汐漲潮流沿著河口的潮汐通道向上游推進，咸水擴散和咸淡水混合造成上游河道水體變咸的現象。咸潮上溯是入海河流在河口區存在的最主要的潮汐動力過程之一，也是河口特有的一種自然現象和本質屬性，多發于枯水期和干旱時期[1-2]。眾多專家學者對長江口和珠江口咸潮上溯規律進行了探討和研究[3-9]。沈煥庭等[5]在多年研究的基礎上，從多個方面對長江河口的咸潮上溯進行了論述。河口咸潮上溯主要受上游徑流量和潮汐過程的控制，同時還受到風應力以及河口外陸架環流的影響[10-12]。宋曉飛等[13]利用多種基礎資料統計分析了磨刀門咸潮上溯的現狀及成因?？滋m等[14]基于實測資料，采用集對分析和非參相關分析法研究了珠江口咸潮的影響因素。高時友等[15]以磨刀門鹽度和流速觀測資料為基礎，采用鹽度輸運分解的計算方法對磨刀門鹽度輸運特征進行了分析。河口咸潮入侵研究以往多基于觀測資料，近年來，數值模擬方法開始加以應用。劉祖發等[16]利用MIKE3對磨刀門水道咸潮上溯進行數值模擬，認為鹽度的層化受地形、分流以及潮汐漲落變化等因素的影響；文章還針對徑流變化設置了敏感性試驗，分析了徑流變化對咸潮上溯的影響[17]。陳文龍等[18]構建了覆蓋珠江河口及其上游河網區的高分辨率三維斜壓數值模型，開展了咸潮上溯的數值模擬計算，探討了磨刀門水道咸潮上溯強度時空分布差異的原因。林若蘭等[19]構建了珠江東四口門三維水動力數值模型，對枯水期各風向下珠江口的水動力進行模擬，分析了各風向下對河口漲落潮流速、鹽度分布和潮通量的影響。

以往研究大多數是針對磨刀門水道咸潮上溯的規律特征，對伶仃洋上游水道的咸潮上溯規律研究較少。本文將珠江河口、河網地區以及外海整個海域作為研究對象，以磨刀門和伶仃洋作為重點研究區域，通過實測資料分析和數值模擬相結合的方法對珠江河口枯季咸潮上溯特征和機制進行了系統的研究分析。這對磨刀門和伶仃洋上游取水安全、掌握整個珠江河口枯季咸潮上溯規律、優化淡水資源利用以及改善水環境等具有重要的意義。

2 模型設置及驗證

本文使用非結構有限體積海洋模式（Finite Volume Community Ocean Model，FVCOM）[20]，構建了珠江河口三維斜壓數值模型，對珠江口的咸潮上溯過程進行了研究分析。FVCOM模式是美國麻省大學陳長勝及其團隊開發的近岸海洋數值模式，模式采用無結構三角網格，可以很好地擬合復雜岸線，引入潮灘動邊界處理，在河口及潮灘區域更為適用，目前已經被越來越多的學者用于近岸海洋數值模擬研究[21]。

本文中模型的計算范圍包括整個珠江口海域。網格上游到達西江的馬口、北江的三水、東江的博羅、增江的麒麟咀、潭江的石咀和流溪河的老鴉崗，下游至20°N線。計算網格共包含了346 213個三角形單元，193 292個網格節點。本文對重點研究區域磨刀門和伶仃洋航道進行了加密，網河區最高分辨率可達40 m，外海開邊界處分辨率約為10 km。珠江河網的水下地形大部分由廣東省水文局1999年大規模觀測所得，部分地形采用了2004年的重測值；珠江河口口門外的水下地形來自珠江水利科學研究院提供的實測數據和海圖數據；外海水深來自于ETOPO1資料（網址：https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html）。我們對多套數據進行處理、轉換和整合后，最終得到分辨率較高且覆蓋較為全面的地形數據，滿足了模式建立需要。本文的研究區域磨刀門和伶仃洋海域水深總體較淺，在5～6 m之間，模式在垂向分層上設置為均勻的10層，外模計算時間步長取為0.1 s，內模取為1 s，采用斜壓模式計算。

模式的上游開邊界設置了6條河流，分別是西江（馬口）、東江（博羅）、北江（三水）、潭江（石咀）、流溪河（老鴉崗）和增江（麒麟咀）。這6條主要河流的徑流流量數據為6 h一次的實測值，圖1為2006年整年的流量時間序列。模式外海開邊界采用了水位驅動，使用8個主要分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1）的調和常數計算得到水位，調和常數來源于李培良等[22]在南海的研究結果。

圖1 2006年上游邊界處6 h一次實測徑流流量曲線

本文主要模擬咸潮上溯和沖淡水，所以溫度場設為統一的常數。模式中外海海域的初始鹽度場來源于南海海洋圖集的多年月均資料[23]，珠江口海域采用遙感反演得到的大面鹽度資料[24]，近岸海域的鹽度使用站點觀測資料進行修訂。垂向其他各層的鹽度場根據實測資料中垂向鹽度分布比例插值得到?？傮w上來說，初始鹽度場較好地體現出伶仃洋海域東高西低的鹽度分布特征，以及表層低底層高的垂向梯度特征。

風在直接改變河口表層流場的同時，也會對河口鹽度和泥沙等物質的垂向混合造成影響。珠江河口素來有“北風刮，咸水來”的說法，因此，風是影響珠江河口的一個重要的動力因子。本文的風場采用美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）的全球月均風場。

模式驗證詳見Chen等[25]，水位模擬值與實測值的均方根誤差為0.07 cm，流速模擬值與實測值的均方根誤差為0.15 m/s，鹽度模擬值與實測值的均方根誤差為1.62 PSU。本文所建立的珠江河口高精度三維數值模式對水位、流速、流量和鹽度等都有較高的模擬精度。

3 珠江河口枯季咸潮上溯特征

本文選取2005年枯季（“051”）這個較為典型的時期，對該時間內珠江河口的咸潮上溯過程進行模擬，通過實測資料和模擬結果分析磨刀門和伶仃洋咸潮上溯的特征。本文模擬的時間段為2005年1月18日9時（北京時，下同）—2005年2月3日23時，共計16 d。

3.1 磨刀門海域咸潮上溯特征

3.1.1 磨刀門海域鹽度時間分布特征

圖2為磨刀門區域掛定角和竹排沙測站表底層鹽度以及水位的時間序列過程。從圖2a可以看出，在觀測期間，掛定角測站表層最大鹽度值出現在小潮之后的中潮期間，中潮到大潮鹽度逐步降低，大潮后1～2 d鹽度又出現了較大的值，從峰值到中潮期鹽度逐步降低，而中潮到小潮期間鹽度逐步增大。掛定角底層鹽度和表層有著相似規律，鹽度最大值也出現在小潮之后的中潮期間，出現時間比表層提前1 d左右，之后鹽度逐步降低，大潮期間鹽度開始增大，大潮后約2 d鹽度達到第二高的峰值，之后鹽度迅速降低，中潮后鹽度又開始增大。從掛定角水位時間序列可以看出（見圖2b），小潮至中潮期間出現了幾乎連續的16 h的漲潮歷時，而落潮歷時9 h左右，連續的漲潮完成了小潮蓄咸的過程，中潮潮汐動力加強、徑流量減小再加上異重流的共同作用，推動了蓄積的咸水上溯。隨著潮汐動力進一步加強，咸淡水混合加強，大潮后鹽度隨著落潮流排出河道。在竹排沙測站，也可以發現相同的規律。從鹽度與水位曲線可以看出，兩者存在一定的正相關關系，漲潮時鹽度增加，落潮時鹽度減小。李春初[26]把咸潮活動歸納為3個循環，大循環：枯水期蓄咸，豐水期排咸；中循環：小潮蓄咸，大潮排咸；小循環：漲潮蓄咸，落潮排咸，上述分析反映出了中循環和小循環的鹽度變化規律。

圖2 掛定角和竹排沙測站鹽度和水位時間序列

兩個測站的資料表明，磨刀門水道的鹽度大部分為不規則半日周期變化，小潮后的中潮期出現不規則全日周期變化，此時鹽度出現了半月周期中的最大值。鹽度在1 d的潮周期內會發生較大變化，掛定角表層鹽度能在7 h內從2 PSU上升到15 PSU，底層鹽度在24 h內從21 PSU下降到1 PSU后再增長到23 PSU。

3.1.2 磨刀門海域鹽度空間分布特征

為了分析磨刀門鹽度的空間分布特征，本文計算了大中小潮期間磨刀門漲落憩時刻的表底層鹽度場，篇幅所限，文中僅列出中潮期間表底層鹽度場分布圖（見圖3）。

小潮期間（圖略），從表層來看，漲憩時刻磨刀門外等值線比較密集，在攔門沙附近有一個30 PSU的高鹽度區，口門處鹽度達到24 PSU，水道內鹽度整體較高，口門處向上游逐步減小，10 PSU等鹽度線的前端到達燈籠山附近。洪灣水道整體鹽度也比較高，與磨刀門水道匯合處達到16 PSU。雞啼門附近鹽度呈東高西低分布，鹽度梯度較大。表層落憩時刻，磨刀門和雞啼門外鹽度有所降低且等值線變稀疏，磨刀門外攔門沙附近存在一個高鹽區，但鹽度低于漲憩時刻?？陂T處鹽度約為26 PSU，向上游方向遞減。底層漲憩時刻，口門外的沖淡水基本被高鹽水代替，整體鹽度較高，形成細長的上溯鋒，口門處鹽度接近30 PSU，等值線密集，25 PSU等鹽度線可以深入到磨刀門水道內，10 PSU等值線的前端到達竹排沙測站附近。落憩時刻，高鹽水有所回落，口門處鹽度為26 PSU。從表底層鹽度對比可以發現，磨刀門水道表底層鹽度差異較大，說明鹽度的垂向分層很明顯。

中潮期間，從表層來看，漲憩時刻口外鹽度等值線密集（見圖3a），攔門沙附近存在一個較高的鹽度區域，東西兩叉鹽度較低，口門處鹽度在16 PSU附近，越往上游越低，磨刀門水道整體鹽度不高。表層落憩時刻（見圖3b），口門外等鹽度線整體向外推移，攔門沙附近鹽度依然較高，上游來水主要從東西兩叉流出磨刀門進入外海，磨刀門水道內可以看到明顯的向下游方向的細長鹽度等值線。底層漲憩時刻（見圖3c），口門處鹽度為30 PSU左右，以楔狀向上游入侵，6 PSU等鹽度線到達竹排沙附近，同時在掛定角附近可以發現兩個舌狀的等值線，其中一個來自于磨刀門下游咸水的入侵，另一個來自于洪灣水道的高鹽度水[27]。底層落憩時刻（見圖3d），在口門外東西兩叉可以看到明顯的沖淡水被攔門沙分為東西兩團。掛定角處依然存在兩個舌狀的鹽度等值線，這與洪灣水道鹽度增大有關。表底層鹽度差異較大，漲憩時刻的差異大于落憩時刻。

圖3 磨刀門中潮表層和底層漲憩落憩鹽度場

大潮期間表層漲落憩時刻的鹽度分布與中潮類似，只是沖淡水向外海擴散的范圍更大，但是在攔門沙附近依然存在著一個高鹽度區且等值線密集?？陂T處鹽度在16～18 PSU之間，2 PSU等值線能到達竹排沙，洪灣水道鹽度依然較高，落憩時刻部分鹽水進入磨刀門水道。底層漲憩時刻，口門外沖淡水被高鹽水取代，口門處鹽度達到30 PSU，往上游方向減小且等值線密集，4 PSU等鹽度線可達竹排沙附近。落憩時刻，磨刀門沖淡水通過東西兩叉流出磨刀門，其中西叉沖出的較多，這是因為潮汐從東南方向傳來的緣故，攔門沙處依然維持較高鹽度且等值線密集。洪灣水道落憩鹽度小于漲憩，在掛定角處沒有出現向上游的舌狀等鹽度線，沒有多少鹽水進入磨刀門。

3.2 伶仃洋海域咸潮上溯特征

3.2.1 伶仃洋海域鹽度時間分布特征

圖4為伶仃洋區域北端大虎測站和西側橫門測站的表底層鹽度及水位時間序列。從圖中可以看出，大虎測站和橫門測站鹽度的變化趨勢與磨刀門基本一致，但也有自身的特點。大虎測站鹽度最大值出現在小潮后的中潮期間，這與磨刀門一致。不一致的是，鹽度值達到最大后開始降低，在下一個小潮時才重新開始增大，沒有在大潮出現增大現象。橫門測站的結果與磨刀門極為接近，鹽度最大值出現在小潮后的中潮，之后鹽度降低，大潮之后鹽度又有所增大。這說明伶仃洋不同區域的鹽度時間變化規律是不一致的，空間分布存在差異。

圖4 大虎和橫門測站表底層鹽度和水位時間序列

3.2.2 伶仃洋海域鹽度空間分布特征

為了分析伶仃洋海域的鹽度空間分布特征，本文計算了大潮（圖略）、中潮（見圖5）和小潮（圖略）期間伶仃洋漲落憩時刻的表底層鹽度場，本模型很好地刻畫了伶仃洋海域東高西低的整體鹽度分布特征。

小潮期間，表層漲憩時刻，30 PSU等鹽度線可到達赤灣測站以北區域，主要沿著東部深槽上溯，洪奇門沖下來的淡水使得淇澳島東側的等鹽度線發生向南的突變，整體上右側等值線稀疏，左側等值線密集。表層落憩時刻，等鹽度線整體下移，淇澳島東側的等值線向下游擴展明顯。底層鹽度整體還是東高西低的分布，不同于表層的是，底層西側深槽和淇澳島東側海域出現了向上游方向的尖狀細長入侵鋒，這說明伶仃洋海域的咸水大部分是從底層沿著西側深槽向上游方向入侵的，淡水從表層流出。

中潮漲憩時刻，表層鹽度分布與小潮類似（見圖5a），只是淇澳島附近鹽度等值線較為平滑。表層落憩時刻（見圖5b），整體鹽度等值線下移的同時，淇澳島附近26～28 PSU的鹽度等值線出現明顯的南擴，到達了香港西側海域。底層漲落憩鹽度場與小潮基本相同（見圖5c—d），鹽水主要通過西側深槽入侵，鹽度等值線較小潮期有所南移，高鹽度水團主要分布在東西兩側的深槽。

圖5 伶仃洋中潮表層和底層漲憩落憩鹽度場

大潮期間，表底層漲落憩鹽度場分布與中潮期類似，但是表層等鹽度線比中潮期偏北，底層等鹽度線比中潮期偏南，伶仃洋區域大潮期間表底層鹽度差異大于中潮期間。

4 動力機制分析

本文把珠江河口以及河網地區作為整體進行數值模擬，能夠更真實地反應各個河口區域的咸潮上溯情況。我們重點研究磨刀門和伶仃洋的咸潮上溯特征，并針對這兩個海域分別選取一個斷面進行分析。圖6為磨刀門和伶仃洋斷面余流分布圖。從圖6a可以發現，磨刀門斷面大部分區域的余流都是指向外海方向，尤其是在上游河道內，表底層余流都是往外海方向，這是因為磨刀門水道徑流量較大，為徑優型河口。但是在磨刀門斷面攔門沙（見圖6a中箭頭位置）處，兩側底層的余流是往河道上游方向，這是因為海水在潮汐漲潮作用下進入攔門沙內側后，在落潮時受到攔門沙影響，向外海的流動受阻，海水蓄積在攔門沙內側，這也是攔門沙附近鹽度較高的原因。圖6b為伶仃洋斷面余流分布圖，從圖中可以看出，表層余流基本指向外海方向，底層余流基本指向上游河道方向，只是在伶仃洋的頂端（虎門口的位置）表底層余流指向外海方向。伶仃洋區域的余流存在著一個明顯的表層向海底層向陸的河口環流模式。在珠江河口，咸潮上溯主要通過底層入侵河道，而淡水主要通過表層流出外海。

圖6 12月份斷面余流圖（左側為外海方向，負值指向外海，正值指向上游）

通過磨刀門海域大中小潮期間鹽度分布分析結果可知，磨刀門水道表底層鹽度差異較大，鹽度分層明顯?！?51”小潮到大潮期間，磨刀門水道咸潮上溯最強烈的時間是小潮后的中潮期間，造成這種現象的原因有兩個：一是在中潮期間，底層洪灣水道高鹽度水進入磨刀門，使得磨刀門掛定角測站附近出現了兩個向上游方向凸起的鹽度等值線；二是漲落潮歷時的變化，小潮期間漲潮和落潮平均歷時分別為13 h和11 h；中潮期間漲潮和落潮平均歷時分別為15 h和10 h；大潮期間漲潮和落潮平均歷時分別為11 h和13 h。珠江河口是不正規半日潮河口，日不等現象顯著，大潮至小潮期一天兩漲兩落現象逐漸明顯，而小潮至大潮之間的中潮期是日不等現象最顯著的時候，小潮后的中潮期間出現了漲潮歷時明顯大于落潮歷時的現象，從而導致中潮期咸潮上溯距離增加。

從伶仃洋海域大中小潮鹽度分布結果可知，伶仃洋整體鹽度呈現東高西低的分布特征，30 PSU等鹽度線可到赤灣測站以北的區域，主要沿著東部深槽上溯，鹽度分層現象也較為明顯。高鹽度區域主要位于伶仃洋東部的深水區域，高鹽度鋒面由南指向北；低鹽度水團主要位于伶仃洋西側淺灘區域，低鹽度鋒面由北指向南，這與鄒華志[28]的研究結論一致。這一分布特征主要受到4個因素影響：（1）伶仃洋區域的水下地形東深西淺，高鹽度水團在潮汐動力的作用下更容易從東側的深水區域上溯；（2）向伶仃洋注入淡水的口門都分布在伶仃洋西側；（3）表層低鹽水海水受到科氏力的作用，存在著向西偏的趨勢；（4）在枯水期北風的作用下，表層低鹽度水也存在著向西輸移的趨勢。

5 小結

本文以珠江河口磨刀門和伶仃洋為代表，通過實測資料分析和數值模擬相結合的方法，對珠江河口枯季咸潮上溯特征和機制進行系統的研究分析，得到的主要結論如下：

（1）在整個珠江河口，咸潮上溯主要通過底層入侵河道，而淡水主要通過表層流出外海。

（2）磨刀門水道口門處，由于攔門沙的存在，附近海域往往鹽度較高。小潮之后的中潮期間磨刀門出現咸潮上溯最大值，這是因為在中潮期間，底層洪灣水道有高鹽度水進入磨刀門，而且出現了漲潮歷時明顯大于落潮歷時的現象。

（3）伶仃洋整體鹽度呈現東高西低的分布特征，鹽度分層現象較為明顯，這主要與伶仃洋水下地形東深西淺以及注入淡水的口門分布在西側有關，同時，表層的低鹽度水在科氏力和北風的作用下有西偏趨勢，所以高鹽度區域主要位于伶仃洋東部的深水區域，高鹽度鋒面由南指向北，低鹽度水團主要位于伶仃洋西側淺灘區域，低鹽度鋒面由北至向南。