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近年珠江三角洲潮流特征变化分析
申其国;谢凌峰;王亚妮
【摘要】针对河道取砂等因素的影响,基于实测资料,建立珠江口潮流数学模型,通过模型计算,从潮位、潮波传播速度、潮区界与潮流界位置、潮量与历时等方面,分析了近年珠三角潮流特征的变化情况.结果表明:网河区潮位总体下降明显而口门区潮位变幅较小,潮波传播速度变快,潮区界、潮流界往上游移动,潮流动力增强、径流动力相对减弱,涨潮通量增加、历时延长.成果供航道整治与港口建设等参考.【期刊名称】《人民珠江》【年(卷,期】2017(038007【总页数】5页(P13-17
【关键词】潮流特征;河道取砂;潮位;潮区界;潮流界;潮量;珠江三角洲【作者】申其国;谢凌峰;王亚妮
【作者单位】广东省交通运输规划研究中心,广东广州510101;广东省交通运输规划研究中心,广东广州510101;鼎湖中学,广东肇庆526070【正文语种】中文【中图分类】TV148
珠江口由西、北江和东江以及注入珠江三角洲的诸小河流的河口组成，构成“五江汇流，八口出海”水系格局[1]，其中“五江汇流”为西江、东江、北江、流溪河及潭江的径流汇入珠江三角洲，“八口入海”指从西向东的崖门、虎跳门、鸡啼门、磨刀门、横门、洪奇沥、蕉门以及虎门等珠江河口的八大入海口门。珠江口的潮流
属于不规则半日混合潮流类型[2]，其潮差虽然不大，但受喇叭状辐聚地形和上游巨大纳潮容积的影响，潮流动力较强劲。在口门外的三灶、赤湾等站，涨、落潮历时几乎相等，潮水过程对称[3]。往口门内，由于浅海分潮高阶调和项的作用，涨潮历时和落潮历时不等，落潮平均历时向外海逐渐递减，涨潮历时则刚好相反，由近岸向外海方向递增。
自20世纪80年代以来，河道的大规模取砂导致了珠江三角洲网河区的水动力条件和河势特征发生较大变化[4-6]，进而引起珠江口潮流特征的改变，形成新的河网及河口潮流特征。欧素英等[7-8]研究认为，珠三角潮差及各分潮波振幅与径流量大小呈反相关关系，即径流量越大、潮差越小；通过虎门进入珠江三角洲的潮波能量约占51.2%，而通过崖门、蕉门、磨刀门传入三角洲的潮能约占37%。张蔚等[9-10]经研究认为，珠三角潮差在20世纪80年代发生了突变，网河区内中、上游河段潮差明显增大，且变异主导因素为挖沙，而下游口门区受围垦等影响，大部分站点潮差呈下降趋势，同时也表明网河区的潮流动力明显增强；珠三角河床的下切，导致同流量下水位下降明显，河道断面面积的剧烈变化，引起了河道网内部及口门处水量的重新分配，其中洪奇门和磨刀门流量增加显著，其余6个口门均有不同程度的减少。杨明远等[11]对珠三角径潮动力进行了数值模拟，认为网河中高水位河道主要集中在西、北江网河干流的中上段，枯水期三角洲网河全域感潮，各主要汊口的分流比在各水期中均有相对稳定的分配关系、一般变化值小于5%，网河区上段泄洪区有较大的能流率，下段则具有相对较高的潮能通量。孙世伟等[12]利用数模研究了珠三角的盐水入侵问题，计算结果表明，受河道地形下切严重影响，2005年珠三角咸潮上溯程度明显加剧。蒋陈娟[13]利用1999年洪季和2001年枯季的实测潮位资料，分析了珠三角网河的潮汐空间特征，包括洪枯季平均潮位的空间变化、潮汐调和常数的空间分布特征及沿程变化等。
本文在收集了大量的实测资料的基础上，建立了珠江口潮流数学模型，通过数模的
计算结果，对20世纪80年代以来珠江三角洲的潮位、潮波速度、潮区界与潮流界等潮流特征的变化进行了较详细分析。
潮位的变化主要取决于上游的来水变化、下游口门潮位变化和河槽自身的变化。近几十年来，虽然珠江流域上游建了很多水利工程，但尚未有控制工程足以改变流域的来水的量值及过程，径流量值及过程在时间上和空间上没有发生太大的调整[3]。另外，全球变暖会造成海平面的上升，但短时间内影响不明显。
选取20世纪90年代末与2005年前后的河道地形资料，其中20世纪90年代末的河道地形主要反映以北江河系取砂为主的地形、2005年河道地形主要反映以西江河系取砂为主的地形。研究建立了覆盖珠江口及网河区域的二维水流泥沙数学模型[3]，通过数模计算，得到不同地形下，西、北江网河与珠三角口门区主要测站多年平均流量(表1下最高与最低潮位的变化情况(表2、3，可知。
a20世纪90年代末至2005年，西江、北江网河区的最高、最低潮位均呈下降，仅靠近口门的测站竹银与大陇滘的最低潮位有所上升。
b网河区内越往上游潮位降幅越大，其中西江高要的最高、最低潮位分别下降了0.23、0.5m，北江三水则为0.14、0.39m。
c口门区各测站的最高潮位以降低为主、最低潮位以上升为主，潮差略有减小，但变化相对较小，变幅基本在0.05m以内。
整体上，珠江三角洲网河区潮位下降明显，而口门区潮位变幅较小，说明大规模的人为采砂造成的河床下切与河槽容积增加[14]，对网河潮位的影响较大，而对口门潮位影响较小。另外，潮位的下降与河槽容积的增大，使得珠江三角洲网河的纳潮能力大幅提升，纳潮量的增加又使与潮汐动力相一致的海湾区航槽的潮流动力大幅增加。
根据航道整治工程中的横断面沿程河相关系[15]，其经验关系式为：=ζ

式中B——平河漫滩水位下的河宽；H——平河漫滩水位下的平均水深；ζ——断面河相系数，一般情况下，与河床稳定性成反比，ζ值越大，越不稳定，从表4中看出。
a无论在1990年地形和2005年地形下，河相系数沿程都有增大的趋势，主要是因为下游河道比上游河道更为宽深。
b河相系数的沿程的变化幅度较大，最小为1.66，最大为10.16。
c2005年的河相系数明显较1990年的小，这是由于人为采砂等造成河床下切严重，而河宽基本不变，故河相系数变小。
河流的横断面要素与水力要素有关[15]，利用所计算的数据，对西江下游的磨刀门水道和虎跳门水道进行分析，得到水深、河宽和流速之间存在简单的指数关系，如式(2。
H=α1Qβi,B=α2Qβ2,U=α3Qβ3
式中H——平均水深；B——河宽；U——平均流速；Q——流量；αi、βi——乘数与指数系数，其中αi、βi满足条件α1α2α3=1、β1+β2+β3=1，其取值可参考我国游荡型河流的取值α1=0.09、α2=23.7、α3=0.469、β1=0.332、β2=0.482、β3=0.186。
珠江三角洲河网内由于有潮水的填充和潮汐的顶托，在洪、枯季水道内水深都有所变化。在计算的洪水情况下，西江的沿程平均水深增大了1.80m，从而引起潮波传播速度增加了0.69m/s，在枯季水道平均水深的增加更为明显，西江沿程平均水深增加了3.75m，潮波传播速度相应增加了2.11m/s。潮波传播速度的增大直接导致了潮流上溯距离的增加，同时伴随着涨潮流量的增大(表5。
图1—3给出了洪水流量、多年平均流量和枯水流量下珠江三角洲的潮区界和潮流界。
a洪水时除虎门和崖门有涨潮流外，其他口门基本没有涨潮流，因而没有给出潮
流界。
b从20世纪60年代至90年代末、再至2005年，各流量下潮区界、潮流界均往上游移动。如多年平均流量时60年代潮区界在德庆、芦苞附近，潮流界在天河、西樵附近；90年代末潮区界上移至罗旁镇、大塘附近，分别上移约26、8km，潮流界则在紫洞、太平洲头附近，分别上移约58、10km；2005年潮区界又移至长岗镇，较90年代末上移约14km，潮流界至马口附近、上移约23km，但北江潮区界和潮流界变化较小。
c随着上游流量的减小，潮流和潮区界不断上移，枯水流量时潮区界到西江梧州附近，潮流界在德庆下游和绥江口附近。
由于高强度的人类活动，网河区的河槽形态和河槽容积发生了较大的变化，这种变化在时间和空间上都很不均匀，在进入网河区上游径流量一定的情况下，由于河槽容积变化空间分布的不均匀性，必然使得网河区各个汊道的分流发生变化，其中河道容积增加较大的河道分流必然增加，同时也会使得其它平行输水河道的流量出现不同程度的减小。同时，河床下切、河槽容积增大，增加了河道的纳潮能力，减小了河道阻力，使得潮流更加畅通，增加了网河区的潮流动力。
表6、7分别给出了外海大潮、上游对应多年平均流量下西江和北江沿程断面上的涨落潮平均流量与历时，图4—7分别为多年平均流量时西江、北江涨落潮流量与历时的沿程变化对比图；表8、9给出了多年平均流量与枯水流量下西江和北江的涨潮通量，其沿程变化对比见图8、9。从图、表中可以得出如下结论。a西江和北江沿程断面平均落潮量完全取决于上游径流和分流比变化。20世纪90年代末至2005年，西江干流由于大规模人工挖沙和航道整治等人类活动，西江的河床大幅度下切，河槽容积增大，造成西江分流比增大，北江分流比减小，进而导致西江马口至灯笼山落潮量增大，北江三水落潮量减小；西江沿程各断面涨落潮流量均有所增加，但北江下游河段各汊道由于分流比发生变化[3]，故北江沿程
断面的涨落潮流量变化不一、总体变化较西江沿程小。
b多年平均流量西江上游高要至下游口门灯笼山，落潮历时逐渐减少、涨潮历时逐渐增加，说明潮流动力逐渐增强，径流作用相对减弱；比较不同年代地形涨落潮历时可以看出落潮历时逐渐减少，涨潮历时逐渐增长，潮流动力逐渐增强；不过，多年平均流量下，灯笼山的落潮历时远大于涨潮历时，说明西江干流仍以径流为主。c涨潮时受到河槽容积增大、水位下降[14]的影响，平均涨潮流量从20世纪90年代末至2005年在增加，受分流和河槽容积变化的影响，涨潮流量增加较多。北江干流90年代末至2005年，受北江(三水分流比减小的影响，落潮流略有减小，但受河槽容积增大影响，涨潮流有所增大。
d受河床下切、河槽容积增大的影响，西江和北江涨潮通量从20世纪90年代末至2005年均增加，其中西江沿程的增加总体上较北江沿程的明显；西江沿程在枯