近海深槽水流特征与机理研究

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近海和河口区域是陆地与海洋交互的重要过渡区域,除了受到潮流作用,还受河口径流的作用,盐水和淡水相互作用相互掺混引起河口区域的盐度梯度变化剧烈,相比河流和外海海流,水流垂向结构更加复杂。随着经济发展,河口两岸交通需求日益增强,连接河口两岸的跨海交通枢纽建设越来越多,为了避免影响船舶航行和附近飞机起降,沉管隧道成为建设跨海枢纽工程的重要方式。已经建成通车的港珠澳大桥岛隧工程具有深水深槽特点,在同类工程中工程规模更大,水流环境更复杂。
  为了分析和应对港珠澳大桥岛隧工程建设过程中深水深槽复杂水流情况,在深槽内外不同位置和不同时间进行了大量温盐和水流现场观测,结合多年现场逐分钟潮位观测资料和逐日径流资料,通过资料分析发现港珠澳大桥沉管深槽水流呈现出独特的特征:落潮时流速随深度递减,大流速集中在上层,底层有弱的回流;而涨潮时大流速集中在下层,此时上层流速反而较小,而且在次表层通常存在反向的落潮流,即次级环流。从时间上看,这种现象多出现在涨潮前半段,涨潮后半段大流速移到中层。
  通过不同槽深位置、不同径流条件和不同潮差背景下现场观测的对比分析,发现上述深槽下层涨潮大流速与珠江径流、槽深和潮差都有直接关系:径流小的时候,落潮大流速在上层,涨潮大流速在下层,而当径流量较大时,涨、落潮大流速都在深槽上层;当水深较小(小于等于20m)时,没有明显的涨潮下层大流速现象,当水深超过20m后开始出现下层水流增强现象,而且越往深处该现象越明显;潮差小的情况下深槽下层水流增大很小或者几乎不增大,而当潮差大的时候深槽下层水流增大明显。
  深槽和南侧原泥面底部同步温盐观测表明,深槽下层涨潮大流速和南侧原泥面与深槽底部负的盐度梯度直接相关。即涨潮开始阶段负的盐度梯度和涨潮流、地形坡降共同作用形成了深槽下层涨潮大流速。
  为了进一步研究和分析,利用研究河口环流常用和成熟的区域海洋模式建立理想深槽垂向二维数值模型模拟深槽水流的形成与变化,结果表明:潮流、地形和盐度梯度三个因子在形成深槽下层涨潮大流速过程当中缺一不可,其中的关键机理在于涨潮时南侧原泥面与深槽下层负的盐度梯度叠加地形坡度和涨潮流,共同作用下形成了深槽下层的大流速。同时,多组敏感性试验反映出径流、槽深和大小潮对深槽水流的影响和机理,即是否能在涨潮时形成南侧原泥面与深槽底部之间负的盐度梯度。
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