珠江河口水質模擬的二維水流鹽度場分析

珠江河口水質模擬的二維水流鹽度場分析

近年來，隨著河口地區(qū)經濟的快速發(fā)展，河口淡水資源開發(fā)利用的不斷發(fā)展，世界各國的一體化、海拔高度、降水時間和空間變化、流域建設等自然因素的綜合影響，河口淡水資源的入侵呈現(xiàn)出普遍加劇的趨勢。由于鹽水入侵對社會生產和生活帶來的影響和經濟損失愈顯嚴重,其已經成為河口進一步發(fā)展的主要障礙。鹽水入侵還對河口地區(qū)泥沙絮凝沉降和最大渾濁帶具有極其重要的影響,影響航道的正常營運和維護。因此,面對這種愈演愈烈的鹽水入侵現(xiàn)象,全面深入了解其變化規(guī)律以探討影響其變化的主要動力因素具有重要的理論和實際意義。鹽水入侵是潮汐河口特有的自然現(xiàn)象。國外早在20世紀50年代就開始了關于河口鹽水入侵問題的研究,相關研究在早期多應用河口環(huán)流和鹽淡水混合機制分析,隨后在此基礎上逐步發(fā)展采用數(shù)值模擬方法和其他較先進的方法。國內對于鹽水入侵的研究始于20世紀80年代初對南水北調工程的影響論證,以及上海市飲用水和工業(yè)用水的需要,因此相關研究主要集中在長江口。事實上,在珠江三角洲地區(qū),由于近年來頻繁的河道挖沙等人類活動的影響,鹽水入侵已日趨嚴重,尤其是近10年來,珠江河口咸潮更顯其高頻度、長時間和遠距離上溯的特點,對珠江流域地區(qū)的社會、經濟和環(huán)境的發(fā)展產生了極大影響。另外,由于珠江河網縱橫交錯,水源地密布,咸潮侵襲顯得尤為復雜。鹽通量是構成地球系統(tǒng)中物質循環(huán)的重要環(huán)節(jié),也是陸海交互作用過程的重要影響因子。對于“通量”的概念,沈煥庭將其定義為:在一定時間內通過某一面積的某種物質的質量或者體積,其中物質可以是水、泥沙或化學元素等。隨著水庫攔沙的作用日益顯著,許多學者對珠江的水沙通量進行了不少重要研究,而對于珠江口鹽通量的研究并不多見。珠江三角洲水系錯綜復雜,動力因子眾多,為全面掌握鹽水入侵的具體過程及鹽通量的大小,需借助于數(shù)學模型,其不但可彌補統(tǒng)計上的不足,而且能夠提高通量估算的精度。近年來,珠江三角洲鹽水入侵的機理分析和規(guī)律研究工作已經展開了不少,其多數(shù)側重于動力條件與咸潮上溯特征的分析,而對鹽水入侵的數(shù)值模擬計算極其少見;再者,研究多偏重于珠江口的部分河口區(qū)(磨刀門水道),而面向整個珠江河口區(qū),尤其是將珠江河網區(qū)與河口區(qū)視作整體的鹽水入侵模擬研究則極少。實際上,珠江河口河道密布,八大出?？陂T的鹽水運動規(guī)律各不相同。河網區(qū)、河口區(qū)與近岸海域之間水流相互貫通,多種動力交互作用劇烈,難以將其截然分開;此外,河網區(qū)的物質輸送形式非常獨特,其對物質的滯留、積蓄作用對于通量的確定以及對河口海岸環(huán)境的影響至關重要。因此,準確描述與預測鹽分在河口中的輸移及其通量過程是全面認識河口動力學過程、污染物遷移轉化以及河口生態(tài)環(huán)境問題的前提與基礎。龔政指出,對于不需要深入了解流場和鹽度場垂向結構情況下的數(shù)值模擬,可采用平面二維模型。本文旨在模擬計算珠江口的鹽通量變化特征,不需要深入研究其垂向變化,因此采用珠江整體平面二維模型對珠江口鹽水入侵的鹽通量進行計算與分析,并展示咸潮在不同時刻對珠江流域的影響程度。具體地,利用二維數(shù)學模型模擬珠江三角洲河口及網河區(qū)的枯季咸潮上溯過程,主要計算珠江八大口門鹽通量的大小及分配情況,并以獅子洋為例初步探討鹽通量的沿程變化,分析大、小潮期間不同咸潮對3種不同類型用水在珠江三角洲可用范圍的影響。希望該成果能為珠江枯季河口區(qū)的咸潮防治工作、珠江河口區(qū)的水資源規(guī)劃與利用提供參考。1數(shù)值模型1.1平均水流速度、平均流速笛卡爾坐標系下的平面二維水流運動方程包括連續(xù)方程和動量方程。水流連續(xù)方程:水流運動方程:鹽度擴散方程:(1)―(4)式中,t為時間;x、y為右手Cartesian坐標系;η為水面相對于計算基面的水位;h為計算平面下的總水深;u、v分別是x、y方向的垂線平均流速;Pa為當?shù)卮髿鈮?ρ為水密度,ρ0為水密度;f=2?sinφ為Coriolis參量(其中?=0.729×10-4rad/s,為地球自轉角速率,φ為地理緯度);為地球自轉引起的加速度;S為源匯項,(us,vs)源匯項水流流速,為平均水深鹽度;Fs水平擴散項。1.2模型的計算范圍與網格基于目前所收集的珠江三角洲網河區(qū)及口門區(qū)水文基礎資料,將模型上游控制邊界分別取在石咀(潭江)、高要(西江)、石角(北江)、老鴨崗(廣州上游)和博羅(東江),同時考慮到洪枯季節(jié)外海潮汐作用的影響,模型外海開邊界設定在珠江口外南海-30m等深線附近,將珠江八大口門、整個伶仃洋及黃茅海包括在內,八大口門分別為虎門、蕉門、洪奇瀝、橫門、磨刀門、雞啼門、虎跳門和崖門,前4個口門統(tǒng)稱為東四口門,后4個口門統(tǒng)稱為西四口門。模型的計算范圍與網格見圖1。網格采用三角形與四邊形相結合的混合形式,網格步長為50～2000m不等,網格數(shù)共計56911個,節(jié)點數(shù)共計55454個。1.2.1模型的計算方法模型驅動力主要包括上游流量、外海潮波和風應力,還應綜合考慮徑流、潮流以及季風等因素對鹽水入侵過程的作用。其中徑、潮流是最主要的控制因子,而季風雖然對鹽通量的計算有一定影響,但由于缺少風速、風向資料,而且本文的計算時段并非在夏季,出現(xiàn)對咸潮上溯影響較大的臺風暴的可能性很小。因此,本文的計算過程未考慮風的影響,只考慮上游徑流和外海潮波的驅動作用。該模型計算時間步長取10s,初始條件水位取為0;鹽度初始條件的給定對鹽度模型的計算結果影響很大,一般情況下鹽度擴散在3個月以后基本達到穩(wěn)定,因此本模型中的鹽度初始場采用根據(jù)循環(huán)計算3個月所得的鹽度結果,以保證計算結果具有一個較為可靠的依據(jù)。圖1-a顯示了虎門處某點在計算過程中最后1169h的鹽度變化情況,可見經過3個月的模擬計算,鹽度擴散已經趨于穩(wěn)定。圖1-b為計算所得鹽度初始場。模型上邊界條件為給定實測水位,外海開邊界潮位由南中國海潮波模型提供。模型上游邊界鹽度取為0;根據(jù)外海觀測的統(tǒng)計資料,模型在西南開邊界從陸地到外海的鹽度值為20‰～33‰,東北開邊界為25‰～33‰,東南開邊界為30‰～33‰。由于模型較大,需考慮柯氏力影響,為了便于計算,模型中緯度統(tǒng)一取為23°N。曼寧系數(shù)是主要體現(xiàn)河床阻力的參數(shù),由于網河區(qū)與口門處地形相差較大,所以曼寧系數(shù)也需分區(qū)給定。本模型中曼寧系數(shù)取值范圍是0.015～0.030,從上游到口門逐漸增大,口外最大;伶仃洋內平均為0.016,網河區(qū)上游馬口段為0.028,北江上游三水段為0.030,網河區(qū)中段平均為0.025。等鹽度擴散均采用水流渦黏方程乘以尺度參數(shù)的形式,比例參數(shù)取為1.1。經調試,渦黏系數(shù)取為0.28。1.2.21年枯季補充驗證考慮到鹽水入侵主要發(fā)生在枯季,因此模型主要對枯季情況進行率定和驗證,外海流速流向采用2007年中水進行補充驗證。(1)2001年枯季:2001-02-07T14:00―02-16T10:00;(2)2007年中水:2007-08-16T10:00―08-17T16:00。驗證站點包括網河區(qū)及口門區(qū)共34個站點(圖2),部分驗證結果見圖3。該數(shù)值模式驗證良好,能較好地反應鹽水入侵的時空分布規(guī)律。2計算2.1小潮期間的鹽通量在該數(shù)值模式驗證良好的基礎上,可計算得到指定斷面連續(xù)潮周期內的鹽通量。其斷面鹽通量情況能較好地反映珠江口的鹽量變化情況,能為以后在珠江流域擬實施的“擋咸蓄淡”工程或運用水庫調度“以淡壓咸”等方案提供重要的科學依據(jù)。本文模擬2001-02-07―16河網與河口區(qū)的水流鹽度輸移過程,統(tǒng)計分析了大潮(02-08)與小潮(02-14)期間珠江各口門的鹽通量。鹽通量的計算公式為:式中,Fs為鹽通量,Q為斷面流量(m3/s),S為斷面平均鹽度,t1為漲(落)潮流起始時刻,t2為漲(落)潮流終止時刻,ρ為水體體積與重量的換算系數(shù)(kg/m3)。本文以某斷面漲潮起止時刻來計算,因此,下文所述鹽通量是指從某斷面某次漲潮起始時刻到該次漲潮終止時刻通過該斷面的鹽分總量。雖然珠江各口門漲潮起止時刻不一致,但為了更直白地展示咸潮對整個珠江口的影響,本文將八大口門的鹽通量相加近似得到珠江口的總鹽通量。各口門的鹽通量計算結果見表1,從表中可以看出,虎門和崖門為最主要的鹽分輸入通道。大潮間,珠江三角洲的八大口門總鹽通量為1954×104t,其中大虎和官沖的鹽通量最大,分別為811×104t和577×104t,各占到進入珠江口總鹽通量的41.53%和29.51%。而在小潮期間珠江口總鹽通量為512×104t,僅為大潮期間的26.2%,充分說明鹽水入侵主要發(fā)生在大潮期間。小潮期間各口門的鹽通量相對于大潮期間都顯著減小,各口門的鹽通量所占比例也發(fā)生了變化,其中虎門與崖門的鹽通量之和占同時段總鹽通量的94.97%,而磨刀門的鹽通量幾乎為零。可見,在小潮期間,虎門和崖門輸入鹽分的主導性仍然非常明顯。這是因為鹽水入侵主要是由于外海海水鹽度大,內河徑流鹽度小,當潮波向里推進時,鹽分隨著水流向內陸擴散。由于不同口門水道的徑流量與漲潮流量的相對大小不同,即山潮比不同,導致鹽水入侵程度不一。山潮比越小,表明徑流作用相對越小,潮流量相對作用則越大,鹽通量也就越大;反之,山潮比越大,表明徑流的影響相對越大,潮波作用被徑流所壓制,鹽通量自然就越小。根據(jù)趙煥庭對珠江八大口門的特征分析可知,虎門和崖門皆以潮流動力為主,是八大口門中山潮比最小的兩個口門,全年各月平均山潮比均小于1,其鹽通量相對最大。而磨刀門作為西江最主要的泄洪輸沙出口,山潮比最大,各月均大于1,多年平均為5.5,其中8月高達21.33,說明磨刀門以徑流動力為主導,潮流動力很弱,故其對應的鹽通量所占比例極小。2.2虎的鹽通量隨咸潮增長情況為了了解鹽分從外海進入口門后在網河沿程的變化情況,本文對比分析了獅子洋沿程的7個斷面(圖4)的鹽通量情況。從各斷面鹽通量變化數(shù)據(jù)(表2)可知,鹽水從虎門進入獅子洋后,在一個連續(xù)潮周期內通過斷面的鹽通量沿程持續(xù)降低:一號斷面取在和大虎平行的位置,其鹽通量等于大虎的鹽通量;二號斷面在大虎上游5.89km處,其鹽通量為大虎的94.78%;而當上溯至離大虎上游29.75km處的七號斷面時,其鹽通量減少至大虎的7.88%?？梢婝}通量沿程的減小趨勢非常迅速而明顯。鹽通量隨咸潮上溯距離的變化情況見圖5-a。鹽通量的沿程減少部分是由于珠江網河的分岔,使得部分鹽分隨水體進入支流,從而減少了獅子洋主要通道斷面的鹽通量(圖5-a)。在漲潮期間,從大虎往上游方向,支流的分水作用使得水通量出現(xiàn)沿程減少的趨勢,七號斷面的水通量僅為大虎斷面的16.26%。除此之外,鹽通量沿程急劇減少也是斷面鹽度沿程降低所致。潮流在從河口上溯過程中,由于河床阻力的作用,其漲潮量會越來越小,混合結果使得鹽度越來越低。圖5-b是大潮和小潮期間各斷面中心點鹽度值的沿程變化,可知在任意斷面大潮鹽度都要高于小潮鹽度,而且不論大潮還是小潮,鹽度都隨著離口門距離的增加而明顯減少。2.3生活飲用水鹽度限值及鹽度分布根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHD)標準和國家生活飲用水標準,結合國內水資源和用水狀況,居民飲用水的氯化物含量不得高于250mg/L。鹽度(S)與含氯度(cl)有如下關系:S‰=1.80655cl‰,換算可知生活飲用水的鹽度限值為0.45‰。同理,由于灌溉用水和生態(tài)用水的含氯度分別不得高于1100mg/L和3150mg/L,因此,這兩種類型的用水鹽度限值分別為1.99‰和5.69‰。圖6是大、小潮期間0.45‰、1.99‰、5.69‰3條鹽度等值線的分布情況,說明鹽水入侵已經嚴重影響到了澳門、珠海、中山、廣州、香港、深圳和東莞等地的正常供水。對比圖6-a、b可以發(fā)現(xiàn)大潮期間鹽水入侵明顯比小潮期間嚴重,3條鹽度等值線都較小潮期間有明顯上移。大潮期間,相應鹽度限制等值線上溯至番禺、廣州境內,而在小潮期間,鹽度等值線則明顯后退。3鹽水入侵主要發(fā)生在枯季、潮涌、鹽液、用水、生態(tài)用水等區(qū)域的通道綜上所述,在枯季大潮期間,由于珠江入海徑流量較小,使得鹽水入侵較小潮期間明顯嚴重。珠江河口枯季大潮時的總鹽通量為1954×104t,而小潮時的總鹽通量為512×104t,僅為大潮時的26.2%。無論是在大潮還是小潮期間,大虎和官沖的鹽通量所占比例最大,說明鹽水入侵主要是通過虎門與崖門這兩個通道進入的。這是由于在珠江八大口門中,虎門和崖門的山潮比最小,潮波影響相對最大,