Page 67 - 水利学报2025年第56卷第4期

( ) （6）
ρ w = ρ 0 (1 + βS 0 )

ρ c = ρ w + 1 - ρ w C
ρ s
式中：ρ 为淡水密度；ρ 为考虑了盐度的水体密度；β 为海水的盐度收缩率；S 为海水盐度；ρ c 为考虑
0 w 0
了盐度和悬沙浓度的水体密度；ρ 为泥沙密度；C 为水体中悬沙浓度。对于伶仃洋河口的测点，盐度
s
垂向变化在大潮会导致 4.6 kg/m 的密度差异；悬沙浓度垂向差异会导致 0.3 kg/m 的密度差异。小潮垂
3
3
向盐度差会导致 9.2 kg/m 的密度差，而悬沙浓度垂向差异会导致 0.15 kg/m 的密度差。因此，伶仃洋
3
3
河口的水体层化主要由表底层盐度差异引起，泥沙的垂向差异对水体层化贡献较小。
5.2.1 层化对水体扩散的影响 伶仃洋河口在水体层化时悬沙浓度在垂向呈 L 型分布，水体层化对悬
沙的有明显的捕集效应。河口水体层化对湍流和悬沙垂向分布有显著影响。河口水体层化参数与水体
涡动扩散系数 Kz 的关系为：
-β
Kz = κ (1 + α ⋅ R i ) （7）
式中：卡门常数 κ=0.4；α=3.5；β=1。水体涡动扩散系
数 Kz 体现了水体的垂向扩散强度，其与表征水体层化
稳定性的 R 数成负相关。水体层化的增强会抑制物质
i
的垂向扩散。对比伶仃洋河口虎门站标准化分层系数
Sr 和水体涡动扩散系数 Kz 的关系，发现二者也存在负
相关关系（图 11）。
虎门站 Kz 随标准化分层系数 Sr 增大而减小，说明
在伶仃洋河口逐渐转变为强层化类型后，悬沙的垂向
图 11 虎门站小潮标准化分层系数 Sr 与
扩散进一步被抑制。水体层化程度越高，水流扩散强
垂向扩散系数 Kz 线性拟合关系
度减弱，悬沙在层结处出现聚集效应，从而在水体底
部出现高悬沙浓度的区域，高悬沙浓度的区域对河口最大浊度带的生成有深远的影响。
5.2.2 层化对湍动能的影响 对于河口潮汐分层流，湍动能平衡方程中的做功量（P 即湍动能产生项）、
浮力（B）和耗散（D）项可局部假设平衡：P=B+D，通量 Richardson 数 R =B/P，表示通过逆密度梯度混合而
f
转化为势能的湍动能占比。根据三维水沙模型计算结果，不同时刻 B 和 P 的散点图如图 12 所示，人类活

动前小潮期间的 D=0.35P，在人类活动影响后，河口层化作用增强，在强层化作用下，泥沙滞留时的 D=
0.29P。因此，1970年代工况小潮时的 R 值为 0.65，2010年代工况小潮时的 R 值为 0.71。伶仃洋河口属于
f f
［29］
部分混合河口，人类活动影响前后的通量 Richardson数均大于珠江口混合良好条件下的值（R =0.47） 。
f

图 12 小潮期间人类活动影响前后湍动能产生项与消散项关系
在 Rouse 扩散理论中，沉积物悬浮被认为是由梯度扩散引起的。湍动能平衡的分析表明浮力通量
应该是沉积物悬浮的另一个重要来源，浮力通量的变化可以解释盐跃层沉积物的滞留，维持盐跃层的

— 485 —