阮波+包芸

摘要： 磨刀门水道观测结果发现，在盐水上溯过程中盐水楔存在与流动相关的典型内部结构.模拟盐水楔结构对盐水运动的作用，针对盐水楔结构及其运动和变化特点，提出河口盐水运动的精细模拟计算方法.盐度垂向分布计算结果与实测结果较为接近，速度垂向分布计算误差较大.在连续24 h大潮中盐水楔垂向二维运动的模拟计算结果显示，涨潮阶段盐水楔间断结构保持稳定并向上游运动，最大流速出现在河道中部间断面附近；落潮阶段盐水楔的间断面结构溃灭并向下游移动，垂向最大流速出现在水道表层.

关键词： 磨刀门水道； 盐水上溯； 盐水楔； 精细模拟； 间断结构

中图分类号： O352文献标志码： B

Abstract： It is found that a typical interior structure of saline water wedge is related to the flow from the measurement results during the saline water intrusion of Modaomen waterway. The effect of saline water wedge structure on saline water motion is simulated； as to the saline water wedge structure and its motion and change characteristics， a refined simulation and calculation method on saline water motion at estuary is proposed. The calculation results of the vertical distribution of salinity are closer to the measurement data， but the calculation error on the vertical distribution of velocity is bigger. Assuming the big tide continues for 24 h， the simulation and calculation results on the vertical 2D motion of saline water wedge show that， the discontinuous structure of saline water wedge moves steadily to the upstream during the rising tide， and the maximum velocity locates around the discontinuity surface of middle waterway； the discontinuous structure of saline water wedge is collapsed and moves downstream during the ebb tide， and the maximum flow velocity appears at the surface layer of the waterway.

Key words： Modaomen waterway； saline water intrusion； saline water wedge； refined simulation； discontinuous structure

0引言

近十年来，磨刀门水道长时间、长距离盐水入侵现象频繁出现，形成严重的咸潮灾害，严重影响该地区人们的生产和生活.因此，探索磨刀门水道咸潮入侵的规律及其动力原因成为迫在眉睫的问题，研究磨刀门水道中盐水的运动机制具有十分重要的现实意义.[16]

为研究盐水运动在河口中的作用，在珠江磨刀门水道进行盐度和流速的垂向精细观测.观测结果发现，磨刀门水道盐水楔存在与流动相关的典型内部结构.[7]盐水都是高度成层的，但有垂向间断结构和垂向连续结构，其对应的流速垂向分布也不同.大潮期间盐水楔有明显的进退：在涨潮时盐水楔盐度呈现垂向有间断面的结构，下层高盐水区涨潮流速大于上层流速；在落潮流出现时盐度的垂向间断面溃灭，盐水楔盐度呈现垂向连续变化结构，对应落潮流速为表层流速大、底层流速小.盐水楔结构对河口流动产生的影响只有通过流场的分析比较才能得知.观测只能得到一个站点的盐度和速度随时间推移的变化情况，数值模拟计算可以很好地描述所研究问题的整个流场和流动参数.通过数值模拟方法模拟计算整个区域的盐水楔结构分布和运动规律及其对整个河道垂向流动的影响，对盐水上溯运动的研究提供极大方便，有助于探讨导致这些现象出现的力学原因.

针对盐水楔结构及其运动和变化特点，构建河口盐水运动的精细模拟计算方法.

1精细模拟计算模型的建立

根据实测资料分析，得到大潮盐度和速度垂向分布时间历程见图1，由图1（b）可明显看到盐度的间断结构.[7]在大潮涨潮时的盐水楔间断面十分薄，现有模型无法对其结构精细模拟.因此，有必要提出一种新的模拟垂向盐水楔结构的方法.该方法应可以精细模拟盐水楔结构，追踪自由水面的变化，模拟计算整个区域的盐度和流速分布.

由于采用垂向精细网格反映盐水楔的间断面，计算中自由面水位的变化将在不同的网格中变化，大多数河口模型只用一个网格计算河口表面水位变化的方法不再适用.本文引入VOF函数，根据河口水流的特点对其进行垂向积分简化.用h表示某个截面的水深，用FV表示通过河道截面的总单宽流量，则VOF函数方程简化为ht+FVx=0（6）利用式（6）进行简单的求和计算能得出水深，进而计算出该截面上的不同网格的VOF函数值，方便整个方程组的数值求解.

在流动区域底部，流速边界条件为u=0， w=0， z=-h0（7）式中：h0为计算区域平均水深.

在计算区域上下游，边界条件取为潮位边界条件.根据实测数据给定计算时段每个小时的上下游水位.初始条件取初始时刻速度分量u和v为0.盐度分布边界条件按照给定实测值计算下游段每个小时的盐度值.

按上述计算要求编写程序进行计算.

2数值模拟结果与实测值的对比

以实测对应的大潮一天的参数为目标，计算时间共24 h，其中包括为建立初始盐度分布的5 h初场计算，7 h涨潮阶段，2 h涨平阶段，8 h落潮阶段和2 h转流阶段.

下游边界以在磨刀门水道挂定角站的实测值作为计算边界条件.虽然地形变化等影响会改变盐水楔上溯的运动细节，但该计算结果能宏观反映盐水楔在磨刀门水道中的运动情况及其对流动的影响.避开计算边界条件的影响，取距下游边界3 km位置处的垂向盐度和流速与实测结果进行对比.

涨潮时的垂向盐度和速度计算值与实测值对比见图3.由图3（a）可知，计算盐度值在表层比实测值略大，在底层略小，相差不大，吻合得较好.计算盐水楔的间断面与实际间断面位置基本一致，都在水深4.5 m左右处，只是计算盐水楔在间断面处的变化比实测值略慢，即计算盐水楔间断面比实际略厚.由图3（b）可知，实测值比计算值大，尤其是表层和中部.在中部实测最大速度为1.0 m/s左右，而计算速度最大值不到0.5 m/s，相差比较大.计算结果体现出涨潮阶段在盐水上溯产生斜压力作用下，速度垂向分布底部大于表层的宏观特点，但计算速度最大值出现的位置相对于实测速度最大值出现的位置偏低，实测速度最大值出现在水深4.5 m左右，也就是对应盐水楔间断面的位置，而计算速度最大值在水深2.5 m左右出现.

在有盐水楔的河道中，不论涨潮阶段还是落潮阶段，计算垂向速度分布虽然受到盐水上溯斜压力的作用，宏观特征变化与实测垂向速度分布变化相一致但差别仍很大.以涨潮阶段为例，实测速度最大值总是出现在盐水楔间断面附近，表明在间断面处水体应该受到较大加速度的作用，也就是说盐水楔间断面处产生最大的斜压力.

什么造成可维持数小时的盐水垂向间断面快速运动现象产生？在盐水楔间断面处实测速度垂向分布流速增大的力学原因是什么？在数值模拟计算的假设中到底丢掉了什么？由实测速度垂向分布在盐水楔间断面处有最大值这一观测结果说明，当磨刀门水道大潮涨潮时盐水楔间断面处会产生一个间断面附加斜压力.

关于造成盐水楔间断面快速运动的附加斜压力的问题有待更深层次的研究.

4结束语

建立河口垂向二维盐水上溯的精细模拟方法，针对磨刀门水道对应大潮一天的流动情况进行数值模拟计算，得到在整个河道中盐水楔的运动情况.计算结果表明，本文方法能够在涨潮阶段很好保持盐水楔间断面的结构，与实测结构基本吻合；而落潮阶段盐水楔间断面结构溃灭，盐水垂向连续分布，与实测情况基本一致.涨潮时计算速度垂向分布可以反映出盐水楔产生的斜压力影响，在盐水楔中底层流速较大、表层流速较小，但最大流速值偏小，位置比实测偏低.落潮计算速度在表层达到最大值，与实测流速分布基本一致，但底部流速比实测流速大，也就是说落潮时的流速垂向分布计算值没有实测值变化率大.在实测中涨潮时的最大流速位置在盐水楔间断面处，说明盐水楔强间断面处有较大的加速度，可能在盐水楔强间断面处有附加斜压力作用.

参考文献：

[1]尹小玲， 张红武， 方红卫. 枯季磨刀门水道咸潮活动与压咸控制分析[J]. 水动力学研究与进展： A辑， 2008， 23（5）： 554559.

[2]闻平， 陈晓宏， 刘斌， 等. 磨刀门水道咸潮入侵及其变异分析[J]. 水文， 2007， 27（3）： 6567.

[3]陈水森， 方立刚， 李宏丽， 等. 珠江口咸潮入侵分析与经验模型——以磨刀门水道为例[J]. 水科学进展， 2007， 18（5）： 751755.

[4]包芸， 刘杰斌， 任杰， 等. 磨刀门水道盐水强烈上溯规律和动力机制研究[J]. 中国科学： G辑： 物理学 力学 天文学， 2009， 39（10）： 15271534.

[5]刘杰斌， 包芸， 黄宇铭. 丰、枯水年径流对磨刀门水道盐水上溯运动规律的影响[J]. 力学学报， 2010， 42（6）： 10981103.

[6]包芸， 黄宇铭， 林娟. 三分法研究丰水年和枯水年磨刀门水道咸界运动典型规律[J]. 水动力学研究与进展： A辑， 2012， 27（5）： 127133.

[7]包芸， 黄宇铭， 阮波. 磨刀门水道具有垂向间断和连续结构的盐水楔[J]. 中国科学： G辑： 物理学 力学 天文学， 2011， 41（6）： 18.

在流动区域底部，流速边界条件为u=0， w=0， z=-h0（7）式中：h0为计算区域平均水深.

在计算区域上下游，边界条件取为潮位边界条件.根据实测数据给定计算时段每个小时的上下游水位.初始条件取初始时刻速度分量u和v为0.盐度分布边界条件按照给定实测值计算下游段每个小时的盐度值.

按上述计算要求编写程序进行计算.

2数值模拟结果与实测值的对比

以实测对应的大潮一天的参数为目标，计算时间共24 h，其中包括为建立初始盐度分布的5 h初场计算，7 h涨潮阶段，2 h涨平阶段，8 h落潮阶段和2 h转流阶段.

下游边界以在磨刀门水道挂定角站的实测值作为计算边界条件.虽然地形变化等影响会改变盐水楔上溯的运动细节，但该计算结果能宏观反映盐水楔在磨刀门水道中的运动情况及其对流动的影响.避开计算边界条件的影响，取距下游边界3 km位置处的垂向盐度和流速与实测结果进行对比.

涨潮时的垂向盐度和速度计算值与实测值对比见图3.由图3（a）可知，计算盐度值在表层比实测值略大，在底层略小，相差不大，吻合得较好.计算盐水楔的间断面与实际间断面位置基本一致，都在水深4.5 m左右处，只是计算盐水楔在间断面处的变化比实测值略慢，即计算盐水楔间断面比实际略厚.由图3（b）可知，实测值比计算值大，尤其是表层和中部.在中部实测最大速度为1.0 m/s左右，而计算速度最大值不到0.5 m/s，相差比较大.计算结果体现出涨潮阶段在盐水上溯产生斜压力作用下，速度垂向分布底部大于表层的宏观特点，但计算速度最大值出现的位置相对于实测速度最大值出现的位置偏低，实测速度最大值出现在水深4.5 m左右，也就是对应盐水楔间断面的位置，而计算速度最大值在水深2.5 m左右出现.

在有盐水楔的河道中，不论涨潮阶段还是落潮阶段，计算垂向速度分布虽然受到盐水上溯斜压力的作用，宏观特征变化与实测垂向速度分布变化相一致但差别仍很大.以涨潮阶段为例，实测速度最大值总是出现在盐水楔间断面附近，表明在间断面处水体应该受到较大加速度的作用，也就是说盐水楔间断面处产生最大的斜压力.

什么造成可维持数小时的盐水垂向间断面快速运动现象产生？在盐水楔间断面处实测速度垂向分布流速增大的力学原因是什么？在数值模拟计算的假设中到底丢掉了什么？由实测速度垂向分布在盐水楔间断面处有最大值这一观测结果说明，当磨刀门水道大潮涨潮时盐水楔间断面处会产生一个间断面附加斜压力.

关于造成盐水楔间断面快速运动的附加斜压力的问题有待更深层次的研究.

4结束语

建立河口垂向二维盐水上溯的精细模拟方法，针对磨刀门水道对应大潮一天的流动情况进行数值模拟计算，得到在整个河道中盐水楔的运动情况.计算结果表明，本文方法能够在涨潮阶段很好保持盐水楔间断面的结构，与实测结构基本吻合；而落潮阶段盐水楔间断面结构溃灭，盐水垂向连续分布，与实测情况基本一致.涨潮时计算速度垂向分布可以反映出盐水楔产生的斜压力影响，在盐水楔中底层流速较大、表层流速较小，但最大流速值偏小，位置比实测偏低.落潮计算速度在表层达到最大值，与实测流速分布基本一致，但底部流速比实测流速大，也就是说落潮时的流速垂向分布计算值没有实测值变化率大.在实测中涨潮时的最大流速位置在盐水楔间断面处，说明盐水楔强间断面处有较大的加速度，可能在盐水楔强间断面处有附加斜压力作用.

参考文献：

[1]尹小玲， 张红武， 方红卫. 枯季磨刀门水道咸潮活动与压咸控制分析[J]. 水动力学研究与进展： A辑， 2008， 23（5）： 554559.

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[4]包芸， 刘杰斌， 任杰， 等. 磨刀门水道盐水强烈上溯规律和动力机制研究[J]. 中国科学： G辑： 物理学 力学 天文学， 2009， 39（10）： 15271534.

[5]刘杰斌， 包芸， 黄宇铭. 丰、枯水年径流对磨刀门水道盐水上溯运动规律的影响[J]. 力学学报， 2010， 42（6）： 10981103.

[6]包芸， 黄宇铭， 林娟. 三分法研究丰水年和枯水年磨刀门水道咸界运动典型规律[J]. 水动力学研究与进展： A辑， 2012， 27（5）： 127133.

[7]包芸， 黄宇铭， 阮波. 磨刀门水道具有垂向间断和连续结构的盐水楔[J]. 中国科学： G辑： 物理学 力学 天文学， 2011， 41（6）： 18.

在流动区域底部，流速边界条件为u=0， w=0， z=-h0（7）式中：h0为计算区域平均水深.

在计算区域上下游，边界条件取为潮位边界条件.根据实测数据给定计算时段每个小时的上下游水位.初始条件取初始时刻速度分量u和v为0.盐度分布边界条件按照给定实测值计算下游段每个小时的盐度值.

按上述计算要求编写程序进行计算.

2数值模拟结果与实测值的对比

以实测对应的大潮一天的参数为目标，计算时间共24 h，其中包括为建立初始盐度分布的5 h初场计算，7 h涨潮阶段，2 h涨平阶段，8 h落潮阶段和2 h转流阶段.

下游边界以在磨刀门水道挂定角站的实测值作为计算边界条件.虽然地形变化等影响会改变盐水楔上溯的运动细节，但该计算结果能宏观反映盐水楔在磨刀门水道中的运动情况及其对流动的影响.避开计算边界条件的影响，取距下游边界3 km位置处的垂向盐度和流速与实测结果进行对比.

涨潮时的垂向盐度和速度计算值与实测值对比见图3.由图3（a）可知，计算盐度值在表层比实测值略大，在底层略小，相差不大，吻合得较好.计算盐水楔的间断面与实际间断面位置基本一致，都在水深4.5 m左右处，只是计算盐水楔在间断面处的变化比实测值略慢，即计算盐水楔间断面比实际略厚.由图3（b）可知，实测值比计算值大，尤其是表层和中部.在中部实测最大速度为1.0 m/s左右，而计算速度最大值不到0.5 m/s，相差比较大.计算结果体现出涨潮阶段在盐水上溯产生斜压力作用下，速度垂向分布底部大于表层的宏观特点，但计算速度最大值出现的位置相对于实测速度最大值出现的位置偏低，实测速度最大值出现在水深4.5 m左右，也就是对应盐水楔间断面的位置，而计算速度最大值在水深2.5 m左右出现.

在有盐水楔的河道中，不论涨潮阶段还是落潮阶段，计算垂向速度分布虽然受到盐水上溯斜压力的作用，宏观特征变化与实测垂向速度分布变化相一致但差别仍很大.以涨潮阶段为例，实测速度最大值总是出现在盐水楔间断面附近，表明在间断面处水体应该受到较大加速度的作用，也就是说盐水楔间断面处产生最大的斜压力.

什么造成可维持数小时的盐水垂向间断面快速运动现象产生？在盐水楔间断面处实测速度垂向分布流速增大的力学原因是什么？在数值模拟计算的假设中到底丢掉了什么？由实测速度垂向分布在盐水楔间断面处有最大值这一观测结果说明，当磨刀门水道大潮涨潮时盐水楔间断面处会产生一个间断面附加斜压力.

关于造成盐水楔间断面快速运动的附加斜压力的问题有待更深层次的研究.

4结束语

建立河口垂向二维盐水上溯的精细模拟方法，针对磨刀门水道对应大潮一天的流动情况进行数值模拟计算，得到在整个河道中盐水楔的运动情况.计算结果表明，本文方法能够在涨潮阶段很好保持盐水楔间断面的结构，与实测结构基本吻合；而落潮阶段盐水楔间断面结构溃灭，盐水垂向连续分布，与实测情况基本一致.涨潮时计算速度垂向分布可以反映出盐水楔产生的斜压力影响，在盐水楔中底层流速较大、表层流速较小，但最大流速值偏小，位置比实测偏低.落潮计算速度在表层达到最大值，与实测流速分布基本一致，但底部流速比实测流速大，也就是说落潮时的流速垂向分布计算值没有实测值变化率大.在实测中涨潮时的最大流速位置在盐水楔间断面处，说明盐水楔强间断面处有较大的加速度，可能在盐水楔强间断面处有附加斜压力作用.

参考文献：

[1]尹小玲， 张红武， 方红卫. 枯季磨刀门水道咸潮活动与压咸控制分析[J]. 水动力学研究与进展： A辑， 2008， 23（5）： 554559.

[2]闻平， 陈晓宏， 刘斌， 等. 磨刀门水道咸潮入侵及其变异分析[J]. 水文， 2007， 27（3）： 6567.

[3]陈水森， 方立刚， 李宏丽， 等. 珠江口咸潮入侵分析与经验模型——以磨刀门水道为例[J]. 水科学进展， 2007， 18（5）： 751755.

[4]包芸， 刘杰斌， 任杰， 等. 磨刀门水道盐水强烈上溯规律和动力机制研究[J]. 中国科学： G辑： 物理学 力学 天文学， 2009， 39（10）： 15271534.

[5]刘杰斌， 包芸， 黄宇铭. 丰、枯水年径流对磨刀门水道盐水上溯运动规律的影响[J]. 力学学报， 2010， 42（6）： 10981103.

[6]包芸， 黄宇铭， 林娟. 三分法研究丰水年和枯水年磨刀门水道咸界运动典型规律[J]. 水动力学研究与进展： A辑， 2012， 27（5）： 127133.

[7]包芸， 黄宇铭， 阮波. 磨刀门水道具有垂向间断和连续结构的盐水楔[J]. 中国科学： G辑： 物理学 力学 天文学， 2011， 41（6）： 18.