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磨刀门水道是珠江三角洲重要的入海通道之一,也是近年来珠江三角洲咸潮入侵最严重的口门,咸潮入侵的时间从每年的九、十月份开始,到第二年的三月份左右结束。咸潮入侵已严重影响磨刀门水道所处行政区域的中山、珠海、澳门等地区的农业、工业及生活用水安全,成为磨刀门一个重要的环境问题。
本文利用SELFE模型建立一个磨刀门水道的三维斜压模型,考虑环流、潮汐、风及盐度的影响。水平方向采用非结构三角形网格,能较好地贴合实际岸线;垂向采用混合坐标系,水深小于45m的采用具有地形跟踪功能的S坐标,保证较浅的区域也有足够多的垂向分层。模拟结果表明磨刀门水道盐度层化具有明显的空间差异:挂定角到口门一段,涨潮时表底盐度差较小,垂向混合较好,主要为潮汐动力所控制;落潮时表底盐度差较大,垂向趋于层化,径流效应明显。盐度的混合过程在一个潮周期内呈现明显的层化-反层化现象。挂定角到竹排沙一段,在涨落潮时,层化发育都较好。
利用Simpson提出的势能异常指标分析环流、潮汐及风对层化-反层化过程的影响,结果表明:环流驱动的层化在磨刀门水道占主导地位,风的扰动在某些区域可与环流驱动的层化达到同一量级,潮汐扰动的作用最小。对不同地形条件进行分析表明:磨刀门深槽区域环流驱动的层化为浅滩区域的10倍,风的扰动在浅滩区域某些时刻可与环流驱动的层化达到同一量级,潮汐扰动在两个区域均比其他两个因素小一个量级以上。因此,深槽层化发育主要受环流的影响,浅滩混合显著主要为风的扰动所致。涨潮时江心洲顶部受江心洲屏蔽作用,潮汐扰动比两边小。
对磨刀门水道纵向盐度输运通量进行分析,结果表明:挂定角以下5.5km处的断面,左岸为深槽,右岸为浅滩,横向地形变化大,横向剪切通量超过垂向剪切通量,与平流通量相近。挂定角断面横向地形变化不明显,垂向剪切通量超过横向剪切通量。总盐度通量在大潮期向海输运,小潮期向陆输运,因此,小潮期咸潮入侵严重。这主要是因为小潮期平流通量转变为由海向陆输运。从断面潮周期平均流速分布可以看出,挂定角以下5.5km处的断面大潮期断面流速分布均为向海,小潮期表层流速向海,底层流速向陆,底层存在向陆输运的盐度通量。
本文基于实测资料分析与数值模拟结果讨论,分析了磨刀门咸淡水混合特征及不同地貌单元的咸淡水混合差异,根据盐度纵向输运通量分解,讨论了各驱动因素的盐分输运贡献,为磨刀门盐水入侵在小潮期末上溯最远的现象给出了动力学机理上的解释。论文对其中某些因素对盐水入侵的影响,如潮汐振动剪切引起的盐度输运通量还可做进一步的研究。