[科普中國]-鹽水楔

在河口區(qū)，從上游來的淡水通過河口區(qū)泄入海中，而含有一定鹽分的海水則隨潮上溯，于是便發(fā)生了鹽水與淡水的混合和鹽水入侵問題。當(dāng)河道中徑流來勢較強而潮汐勢力較弱時，淡水因重力密度較小居于上層而向海中泄出，重力密度較大的鹽水位于底層并隨潮上溯而形成鹽水楔。

概述河口區(qū)鹽淡水的混合類型多樣，以鹽度分層的強弱為依據(jù)可將河口分類為:高度分層型、緩混合型以及強混合型。當(dāng)注入弱潮河口時，由于海水密度較淡水密度大，淡水將從表層泄入海中，海水從底部侵入，呈“楔狀”，故稱為鹽水楔。鹽水楔現(xiàn)象在多數(shù)河口出現(xiàn)，如美國的密西西比河、越南的湄公河以及珠江的磨刀門河口。鹽水楔的交界面處，鹽水被下泄淡水“卷吸”而帶走，而在鹽水楔中有少量向內(nèi)陸方向流動的補償流，在一定條件下，鹽水楔會處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。國外在20世紀(jì)80年代，基于室內(nèi)試驗和原型實測的數(shù)據(jù)，對鹽水楔長度、形態(tài)界面穩(wěn)定及混合進行了較多的研究。鹽水楔動態(tài)穩(wěn)定時的形狀特征受徑流量、潮汐強度以及平均水深等因素影響，通過水槽物理模型試驗，分析徑流量、潮汐強度以及平均水深等單一因素影響下鹽水楔形態(tài)的變化規(guī)律，并研究在無潮條件下鹽水楔長度的相關(guān)影響因子，初步擬定在恒定水流條件下鹽水楔入侵距離公式。1

鹽水楔運動一般特點鹽水楔沿長度方向可分為3個部份：鹽水與淡水交界的前鋒“楔尖”，淡水流與鹽水源交界的“楔尾”，以及鹽水楔的過渡中段部分。其中楔尖和楔尾的長度都較短，一般只為水深的若干倍，對鹽水楔運動起關(guān)鍵作用的部分為中段。在鹽水楔中段，垂向流速和鹽度的分布規(guī)律見右圖1，在A點處存在一個密度梯度最大點，A點以下密度大小基本接近，流速則在交界面附近存在一個流速零點B，一般B點位置會低于A點。在鹽水楔中存在一個鹽水環(huán)流，在靠近河底處，鹽水向上游方向流動，而在靠近交界面的部分，鹽水則向下游方向流動，當(dāng)鹽水楔處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)時，兩個方向的流量是平衡的。在鹽水楔本身的上下兩層之間也存在一個薄層，鹽水穿過這個薄層不斷與淡水混合而被推向下游，就使得流向上游方向的鹽量沿程逐漸減少，到達(dá)鹽水楔尖時減少至零：而在鹽水楔上層，向下游方向的流量Qs則沿程逐漸增加，于是就形成一水流循環(huán)（見右圖2）。2

鹽水楔運動的基本流體力學(xué)特征鹽水楔運動規(guī)律研究屬水動力學(xué)的一個分支。它是一種單相流（液相），后者可分兩類：

（1）密度均勻流，也包括水中所含物質(zhì)不影響水流運動的情況。這是經(jīng)典水力學(xué)的內(nèi)容，水流運動和物質(zhì)分布主要受對流、剪切應(yīng)力及擴散所控制。

（2）密度分層流，也常簡稱密度流或分層流。密度差異主要由熱和鹽（或其他溶質(zhì)）單一的或雙重的（包括含兩種不同的溶質(zhì)）因素引起。不同密度的流體可以互相混和?？刂破溥\動的機制除對流、剪切和擴散（熱、鹽同時存在時為雙擴散）外，最重要的特征是還有浮力?？蛇M一步劃分為密度分布連續(xù)及間斷兩類。前者稱部份分層流，有時也稱為分層流。后者在我國稱為異重流，而在國外則稱為分層流（尤其指兩種不可混和的流體）、密度流（有時只把其中重流體的流動稱為密度流，或多層流。

為避免混淆起見，稱鹽水楔為單相二層分層流。鹽水楔和泥沙及溫度異重流的運動在數(shù)學(xué)提法上很相似。后兩者的許多模型試驗是用鹽水進行的，而它們在研究思路與數(shù)學(xué)處理上也有許多可供相互借鑒之處。當(dāng)然，由于擴散率相差較大，渾水更是二相流，且多了泥沙級配的影響，不可不注意它們之間的差別。

使密度分層流區(qū)別于其他流動的二個基本要素是：密度不均勻和重力場。其主要特征是：

（1）密度不均勻?qū)α鲃拥挠绊懕憩F(xiàn)為，垂直密度梯度產(chǎn)生浮力，且使流體有穩(wěn)定分層與不穩(wěn)定分層之區(qū)分。

（2）密度不均勻?qū)T性力產(chǎn)生影響，即使是均勻的壓力梯度所產(chǎn)生的加速度在空間也不均勻。

（3）在浮力、慣性力和剪切力的平衡下，水壓不再是靜壓分布，而形成斜壓梯度，等密度面與等壓面不重合。

（4）密度梯度會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，影響到流動的穩(wěn)定性和紊動的產(chǎn)生，在無粘情況下，且從靜止開始運動時，正壓流場中保持無旋性的性質(zhì)不再存在，但因渦線嵌在等密度面內(nèi)，使后者保持無旋（稱為密度分層無旋）。

（5）垂直混合造成質(zhì)量、動量與能量的交換，包括勢能和動能之間的轉(zhuǎn)化，而穩(wěn)定的分層能有效地抑制垂向紊動擴散，使之不同于均勻流體的情況，不穩(wěn)定分層則起相反的作用。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

郭亮 - 副教授 - 中國海洋大學(xué)