一个小型热带河口羽流的季节性变化与洪水事件影响下的特征与动力分析

热带海洋学报 JOURNAL OF TROPICAL OCEANOGRAPHY2017年第36卷第4期: 67 76一个小型热带河口羽流的季节性变化与洪水事件影响下的特征与动力分析赵军鹏1, 李溢涵2, 龚文平11. 中山大学海洋学院, 广东广州 5102752. 中电科海洋信息技术研究院有限公司, 北京 100043摘要:小河口与大河口的羽流特征具有显著的不同, 其更多地受风、径流的变化所控制。

文章以海南博鳌万泉河口为例, 研究其河口羽流的季节性变化特征, 以及洪水对河口羽流的影响。

采用动量平衡方法, 分析了万泉河口羽流的动力特征。

结果表明, 万泉河口羽流具有显著的季节性变化, 羽流的扩展路径与范围主要受径流和风的控制, 夏季时以向外海与向上游方向(相对于开尔文波的传播方向)扩展为主, 而冬季时则向下游扩展。

夏季的羽流范围大于冬季。

一次近2天的洪水可极大地影响羽流的范围及盐度大小, 盐度减小1‰的范围可达300km2。

但洪水过后, 在风与潮汐的混合作用下, 河口近岸的盐度可较为快速地恢复到洪水前水平。

在羽流的远场区域, 流速切线方向主要为压强梯度力与摩擦力的平衡, 而在法线方向则为地转平衡; 在近场切线方向主要为平流项、压力梯度项与摩擦力项的平衡, 而法线方向则主要为压强梯度力与离心力之间的平衡, 科氏力项可忽略不计, 这与中纬度大河口的近场动力特征具有明显不同。

关键词:河口羽流; 小河口; 季节性变化; 洪水事件; 动量平衡; 海南中图分类号: P731; P732.6 文献标识码: A文章编号: 1009-5470(2017)04-0067-10The seasonal and sporadic variation of the spreading of a small tropical river plume and its associated dynamicsZHAO Junpeng1, LI Yihan2, GONG Wenping11. School of Marine Science, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China2. Zhongdianke Marine Information Technology Research Inc., Beijing 100043, ChinaAbstract: A small river plume is distinctly different from a large river plume, more controlled by the variation of river discharge and wind. Taking the Wanquan River plume in Hainan as an example, we focus on the seasonal variation of a small river plume and its response to a river flood event in this study. The dynamics of the plume is investigated through momentum balance analysis. The results indicate that the spreading of the Wanquan River plume features a conspicuously seasonal variability, with the spreading direction being mostly downstream during winter, and being offshore or upstream during summer. The spreading extent is the largest in August and the smallest in December and January. A two-day flood event can greatly increase the plume extent; however, the effect of this river flood quickly disappears, with a recovery time in the order of 3 days. The momentum balance shows the balance in the far-field region is mostly a geostrophic one in the normal direction, while it is dominated by pressure gradient and friction in the stream-wise direction. In the near-field region, the Coriolis force is negligible in the normal direction, which is greatly different from that in the mid-latitude river plume.收稿日期：2016-10-24; 修订日期: 2017-02-10。

卢冰编辑基金项目：国家自然科学基金项目(40976052、41576089)作者简介：赵军鹏(1987—), 男, 河南省安阳市人, 博士, 从事河口海岸动力学研究。

Email: zhaojunpeng1987@通信作者：龚文平。

Email: gongwp@Received date: 2016-10-24; Revised date: 2017-02-10. Editor: LU BingFoundation item: National Natural Science Foundation of China (40976052, 41576089)Corresponding author: GONG Wenping. Email: gongwp@68 热带海洋学报Vol. 36, No. 4 / Jul., 2017 Key words: small river plume; seasonal variation; flood event; momentum balance; Hainan河口羽流(River Plume)是河流淡水流出河口口门后在近岸区域形成的盐度较低的水体, 并发育特有的近岸流场。

一般在河口附近形成一个向海突出的凸出体(bulge), 在其下游(相对于开尔文波的传播方向)形成沿岸流(Chao et al, 1986)。

河口羽流对近海的流场, 营养盐、污染物及泥沙自陆向海的输运等都起着关键的作用, 因而也成为近几十年来的研究热点。

目前在河口羽流的分类, 外动力(径流、潮汐、风、海流)与地形因子(河口形状、海底地形)对羽流的影响, 羽流中的动量平衡, 凸出体(bulge)内外的淡水通量等方面都进行了大量的研究(Horner-Devine et al, 2015)。

总体而言, 国内外河口羽流的研究大多集中于中纬度地区较大的河口, 如长江、Hudson、Columbia、Delaware等(Whitney et al, 2006; Choi et al, 2007; Horner-Devine, 2009; Wu et al, 2011; 倪智慧等, 2012), 对热带小型河口的研究相对较少。

小河口与大河口的羽流有显著的不同。

一方面, 大河口的流域面积大, 径流的时间变化相对较小, 且汛期可以延续数月, 河口羽流的影响范围更大, 羽流的运动与归宿主要依赖于大尺度的外力条件, 如风、外海的沿岸流、科氏力等(Lentz et al, 1995; Geyer et al, 1996)。

而小型河口的径流相对较小, 受极端事件(如山洪、台风)的影响更大, 具有阵发性。

此外, 小河口羽流的扩展范围相对较小, 近场(near field)的动力更多地受到口门出流射流的影响, 科氏力的作用相对有限; 因此, 控制河口羽流发展的动力因子也与大河口不同。

本文以海南岛博鳌万泉河口为例, 研究热带小型河口羽流的扩展过程与动力特征。

1 研究区自然条件万泉河是海南岛的第三大河, 位于海南岛东部(图1)。

全长163km, 流域面积3693km2。

年平均径流量为163.9m3·s-1, 洪峰时流量可达О(104)m3·s-1。

由于海南岛位于亚热带北缘, 受东亚季风影响强烈, 洪枯季差异明显。

万泉河的降水呈现出显著的季节性变化, 80%的年降水量发生在每年的5月到11月, 其中大约一半的降水量集中在8—10月, 且主要以洪水的形式出现, 其特点是持续时间相对较短, 具有阵发性; 根据海南岛地方志记载, 博鳌港1948年的洪峰流量达到11700m3·s-1, 洪水和风暴潮持续时间为1天。

2000年万泉河的洪峰流量约为6000m3·s-1, 洪水和风暴潮历时达到5天(左浩等, 2005)。

相反, 冬季和春季的降水量只有全年的13%~16%。

根据万泉河口上游加积水位站1998—2007年的流量资料, 10月份径流量最大, 约为360m3·s-1, 3月份径流量最小, 约为58m3·s-1 (图2)。

万泉河口口门外潮汐类型为不规则全日潮, 日不等现象明显。

潮差较小, 属于弱潮河口, 月平均潮差为0.7~0.8m, 月最大潮差为1.32~1.57m, 观测到的历史最大潮差为 1.89m; 研究区的风场也有明显的季节变化(图3), 9月至次年3月盛行东北风、东风, 4—5月份为东南风, 6—8月份为南风和西南风。

东北风和偏南风风速大, 其他方向风速较小。

夏秋季节更多地受到热带风暴和台风的侵袭, 风速会达到25m·s-1, 超强台风时, 可达到30~60m·s-1。

图1 研究区位置、模型网格及地形Fig. 1The study area, model domain and bathymetry图 2 (a)加积水位站1998—2007年期间的月流量序列;(b)加积水文站的月平均流量Fig. 2 (a) The monthly discharge from 1998 to 2007 measured and (b) the monthly averaged discharge at the Jiaji hydrologic station赵军鹏等: 一个小型热带河口羽流的季节性变化与洪水事件影响下的特征与动力分析 69图3 博鳌地区的月平均风速风向Fig. 3 Monthly averaged wind data at Boao station可见, 万泉河口的自然条件具有一定的独特性, 使其成为研究小型河口羽流的理想场所: 1)河口的潮差较小, 河口羽流属于表层平流型(surface- advected), 因此其对风的响应非常敏感; 2)连接河口与近岸海洋的口门很窄, 产生的出流射流能够很大程度上影响羽流的扩展。