[科普中国]-盐水楔

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。

概述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。1

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右图1，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（见右图2）。2

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。3

本词条内容贡献者为:

郭亮 - 副教授 - 中国海洋大学