在河口区,从上游来的淡水通过河口区泄入海中,而含有一定盐分的海水则随潮上溯,于是便发生了盐水与淡水的混合和盐水入侵问题。当河道中径流来势较强而潮汐势力较弱时,淡水因重力密度较小居于上层而向海中泄出,重力密度较大的盐水位于底层并随潮上溯而形成盐水楔。
内容简介
河口区盐淡水的混合类型多样,以盐度分层的强弱为依据可将河口分类为:高度分层型、缓混合型以及强混合型。当注入弱潮河口时,由于海水密度较淡水密度大,淡水将从表层泄入海中,海水从底部侵入,呈“楔状”,故称为盐水楔。盐水楔现象在多数河口出现,如美国的密西西比河、越南的湄公河以及珠江的磨刀门河口。盐水楔的交界面处,盐水被下泄淡水“卷吸”而带走,而在盐水楔中有少量向内陆方向流动的补偿流,在一定条件下,盐水楔会处于相对稳定的状态。国外在20世纪80年代,基于室内试验和原型实测的数据,对盐水楔长度、形态界面稳定及混合进行了较多的研究。盐水楔动态稳定时的形状特征受径流量、潮汐强度以及平均水深等因素影响,通过水槽物理模型试验,分析径流量、潮汐强度以及平均水深等单一因素影响下盐水楔形态的变化规律,并研究在无潮条件下盐水楔长度的相关影响因子,初步拟定在恒定水流条件下盐水楔入侵距离公式。
盐水楔运动一般特点
盐水楔沿长度方向可分为3个部份:盐水与淡水交界的前锋“楔尖”,淡水流与盐水源交界的“楔尾”,以及盐水楔的过渡中段部分。其中楔尖和楔尾的长度都较短,一般只为水深的若干倍,对盐水楔运动起关键作用的部分为中段。在盐水楔中段,垂向流速和盐度的分布规律见图一上图,在A点处存在一个密度梯度最大点,A点以下密度大小基本接近,流速则在交界面附近存在一个流速零点B,一般B点位置会低于A点。在盐水楔中存在一个盐水环流,在靠近河底处,盐水向上游方向流动,而在靠近交界面的部分,盐水则向下游方向流动,当盐水楔处于动态稳定状态时,两个方向的流量是平衡的。在盐水楔本身的上下两层之间也存在一个薄层,盐水穿过这个薄层不断与淡水混合而被推向下游,就使得流向上游方向的盐量沿程逐渐减少,到达盐水楔尖时减少至零:而在盐水楔上层,向下游方向的流量Qs则沿程逐渐增加,于是就形成一水流循环(见图一下图)。
盐水楔运动的基本流体力学特征
盐水楔运动规律研究属水动力学的一个分支。它是一种单相流(液相),后者可分两类:
(1)密度均匀流,也包括水中所含物质不影响水流运动的情况。这是经典水力学的内容,水流运动和物质分布主要受对流、剪切应力及扩散所控制。
(2)密度分层流,也常简称密度流或分层流。密度差异主要由热和盐(或其他溶质)单一的或双重的(包括含两种不同的溶质)因素引起。不同密度的流体可以互相混和。控制其运动的机制除对流、剪切和扩散(热、盐同时存在时为双扩散)外,最重要的特征是还有浮力。可进一步划分为密度分布连续及间断两类。前者称部份分层流,有时也称为分层流。后者在我国称为异重流,而在国外则称为分层流(尤其指两种不可混和的流体)、密度流(有时只把其中重流体的流动称为密度流,或多层流。
为避免混淆起见,称盐水楔为单相二层分层流。盐水楔和泥沙及温度异重流的运动在数学提法上很相似。后两者的许多模型试验是用盐水进行的,而它们在研究思路与数学处理上也有许多可供相互借鉴之处。当然,由于扩散率相差较大,浑水更是二相流,且多了泥沙级配的影响,不可不注意它们之间的差别。
使密度分层流区别于其他流动的二个基本要素是:密度不均匀和重力场。其主要特征是:
(1)密度不均匀对流动的影响表现为,垂直密度梯度产生浮力,且使流体有稳定分层与不稳定分层之区分。
(2)密度不均匀对惯性力产生影响,即使是均匀的压力梯度所产生的加速度在空间也不均匀。
(3)在浮力、惯性力和剪切力的平衡下,水压不再是静压分布,而形成斜压梯度,等密度面与等压面不重合。
(4)密度梯度会产生旋转,影响到流动的稳定性和紊动的产生,在无粘情况下,且从静止开始运动时,正压流场中保持无旋性的性质不再存在,但因涡线嵌在等密度面内,使后者保持无旋(称为密度分层无旋)。
(5)垂直混合造成质量、动量与能量的交换,包括势能和动能之间的转化,而稳定的分层能有效地抑制垂向紊动扩散,使之不同于均匀流体的情况,不稳定分层则起相反的作用。