（物理海洋学专业论文）珠江磨刀门河口十年尺度地形演变数值模拟.pdf

中山大学硕士论文 珠江磨刀门河口十年尺度地形演变数值模拟 物理海洋 硕士生：刘斌 指导教师：吴超羽 摘要 磨刀门为珠江流域西江干流的入海口，在珠江八大口门中，输水输沙量最大， 向海延伸速率相对较快：同时，因近几十年来本地区的经济发展很快，人类活动 ( 如围垦滩涂、港口和深水航道的建设等) 对河口的演变产生了极其深远的影响。 本文创新性的使用长周期动力地貌模型( l o n g t e r mm o r p h o d y n a m i cm o d e l ) 通过 选取代表性输入条件( 如代表潮，再现了磨刀门河口1 9 6 4 年1 9 7 7 年的演变过 程，并对水动力、地形演变规律以及人类活动对河口动力地貌演变的长周期影响 进行了系统的分析。长周期模型由二维水动力模块、二维泥沙输运模块、底床变 形模块、总量控制模块和动边界构造而成，其中二维水动力模块采用的是由海洋 p o m 模式发展而来的浅海e c o m 模式。 本文对长周期模型计算所得的年均输沙总量、沉积总量和沉积速率、1 5 米 以上浅滩面积和6 个剖面进行了定量的验证。模拟结果显示：1 9 6 4 年1 9 7 7 年 间，磨刀门内海区的鹤州交杯沙浅滩和上沟快速淤积，1 3 年的平均淤积厚度 都在4 0 厘米以上，与之相反，横洲水道的丰亡州大井角段和上沟东部深槽冲深 扩宽。洪季和枯季磨刀门河口呈现了截然不同的演变趋势。洪季，浅滩淤积，沉 槽冲深；而枯季，滩槽都处于淤积状态。磨刀门演变过程是自然因素和人类活动 因素共同作用的结果，各种基岩岛屿使动力结构和演变规律呈现多元化，人类活 动对整个区域的演变起到了重要的作用。 总而言之，长周期模型已经基本能够较为真实的模拟磨刀门1 9 6 4 年1 9 7 7 年地形演变的全过程，并显示出了广阔的发展前景。 关键词：磨刀门河口长周期模型地形演变 中山太学硕士论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h et e n y e a rs c a l et o p o g r a p h i c e v o l v e m e n to f m o d a o g a t eo fp e a r lr i v e r p h y s i c a lo c e a n o g r a p h y l i u b i n s u p e r v i s o r ：w uc h a o y u a b s 积a c t m o d a o g a t ei so n eo ft h ee i g h tg a t e so fp e a r lr i v e r ，w h i c hh a sm o s tw a t e ra n d s a n d se x p o r t i n gt os o u t hs e a w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，h u m a n a c t i v i t i e s , s u c ha sb a n ki n n i n g ，c o n s t r u c t i o no fp o r t sa n dc h a n n e l s ，h a v eb e i n gm o r e a n dm o r ei m p a c t so nt h ee s t u a r ye v o l v e m e n t i ti sc r e a t i v eo ft h i st h e s i st ou s el o n g - t e r mm o r p h o d y n a m i cm o d e lt os i m u l a t e t h ee v o l v e m e n tc o u r s eo f “m o d a o ”g a t eb e t w e e n1 9 6 4a n d1 9 7 7 b yc h o o s i n g r e p r e s e n t a t i v ec o n d i t i o ns u c ha sr e p r e s e n t a t i v et i d e l o n g - t e r mm o r p h o d y n a m i c m o d e lh a sf i v ep a r t s ，w h i c ha r e2 - i ) h y d r o d y n a m i cm o d u l e , 2 - ds e d i m e n tt r a n s p o r t m o d u l e ，r i v e rb e du p g r a d i n gm o d u l e ，g r o s sc o n t r o lm o d u l ea n dc h a n g i n gb o u n d a r y t h e2 - dh y d r o d y n a m i cm o d u l eo ft h em o d e li sap a r to ft h ee o m s e dm o d ew h i c h e v o l v e df r o mt h eo c e a np o mm o d e t h er e s u l t so fl o n g - t e r mm o d e lh a sb e e nv a l i d a t e dt h r o u g ht h ec o n t r a s to f a n n u a l s e d i m e n tt r a n s p o r tq u a n t i t y , d e p o s i t i o nq u a n t i t ya n da n n u a ld e p o s i t i o nf a t e ，a r e ao f b a l l l 【u p1 5 m , a n d6s e c t i o np l a n e t h er e s u l t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w st h a t ： “h e z h o u - j i a o b e i s h a b a n ka n d “s h a n g g o u ”h a v eb e e nf a s t s l i n g - u p t h ed e p o s i t i o n t h i c k n e s s e so ft h et w oa r e a sb o t he x c e e d4 0c e n t i m e t e r si n1 3y e a r s b yc o n t r a s tw i t h t h eb a n k s ，t h e “i n a n g z h o u ”- d a j i n g j i d a o ”p a r to fh e n g z h o u - t r o u g ha n dt h e e a s t t r o u g ho f “s h a n g g o u ”a r ee r o d e da n de n l a r g e d t h ee v o l v e m e n tc o u r s e so fr a i n y 中山大学硕士论文 s e a s o na n dd r ys e a s o na r eu l t i m a t e l yd i f f e r e n t i nr a i n ys e a s o n , b a n k sa r ef i l l e du pa n d t r o u g h sa r ee r o d e d ；b u ti nd r ys e a s o nb a n k sa n dt r o u g h sa r eb o t hf i l l e du p t h e e v o l u t i o no f “m o d a o ”g a t ei sa f f e c t e db o t hb yn a t u r ef a c t o r sa n dh u m a nf a c t o r s v a r i o u sr o c k yi s l a n d sm a d et h ee v o l u t i o nc o u r s ep l u r a l i s t i c h u m a na c t i v i t i e sh a v e p l a y e di m p o r tr o l e si nt h ee v o l u t i o no f “m o d a o g a t e t h e t e n - y e a r s c a l e m o r p h o d y n a m i cm o d e lc a ns u c c e s s f u l l y s i m u l a t et h e e v o l v e m e n tc o u r s eo ft h e “m o d a o ”g a t e ，a n ds h o w s p o t e n t i a ld e v e l o p m e n t f o r e g r o u n d k e yw o r d s ：“m o d a o g a t e l o n g t e r mm o d e le v o l v e m e n t 1 中山大学硕士论文第1 章引言 第1 章引言 河口、海岸地区是人类生产生活的主要聚集地，河口、海岸地貌的发育和 演变直接影响着经济和社会的发展。这就要求科学工作者和工程j j o i f l 能够比较 准确地模拟地形演变的过程并对未来地形的演变趋势做出预测，但传统的类比 和统计的分析方法很难满足这种要求。长时间尺度动力沉积地貌模型 作为一种新兴的数值模拟方法，为人们研究近岸河口的动力沉积过程，反演其 地形演变的历史，探讨人类活动对其动力机制的影响以及河口动力形态之间为 达到新的平衡所作出的响应，寻求其演变的规律，为人类与河口环境之间的可 持续发展，提供了科学的依据。随着数据采集仪器和方法的不断改进和数值模 拟技术的不断发展，长周期数学模型必将越来越受到人们的青睐。 1 1 问题的提出及其研究意义 一定空间尺度地貌过程的演迸是与一定的时间尺度联系的“1 。当研究对象是 底床泥沙的启动和沉积时，相关的时间尺度就只能是秒分以及与这一时间尺 度有关的动力因素如湍流、边界层运动等；当研究对象是拦门沙的季节性迁移 时，如果仍然以秒或分为时问尺度则很难把握其演变规律，在研究过程中应该 略去小时间尺度的干扰因素，以天年为研究的时间尺度；当研究对象是大规 模的河口海岸系统变迁时，则至少要以十到百年为时间尺度去研究才具有意义 ( 图1 - 1 ) 。 影响河口海岸系统地形演变的因素有很多，如地质运动、动力、沉积，人 类活动等，由于时间尺度不同，同一因素在整个系统的演变中可能扮演者不同 的角色，这些角色可能是外部条件、动力因素或仅仅是扰动而已”1 ( 图卜2 ) 。 以潮汐为例，当研究对象的时间尺度为几秒或是几分钟时( 如紊动，单颗粒泥 沙的运动等) ，我们只把潮汐当成边界条件，可以认为它对水流动力和地形改变 的影响t i e d , ：当研究对象的时间尺度为几小时或是几天时( 如沙波的周期变化 等) ，潮汐就成为影响水流动力和地形改变的重要动力因素，并表现出很强的波 动特征；当研究对象的时间尺度为年或更长时( 如河口的形成、发展演变) ，潮 汐的周期变化对总体水流动力条件的改变和地形演变的影响就只能被看作称一 种“扰动”了。 中山大学硕士论文第1 章引言 影响因素的复杂性以及各种因素间关系的不确定性加大了分析河口海岸系 统演变规律的难度，所以长期以来，大尺度河口海岸行为一直只是地质学和现 象学的研究范畴，与数学物理学并没有太大关系，所用的方法有线性回归分析。1 、 特征函数分析“1 、数据同化数学模型5 1 等。这些方法都是分析地形演变过程的有 力工具，也能从宏观上分析地形演变的过程和规律，但要详细、系统的说明演 变的过程，这些方法就显得有些缺乏说服力了。近年来，人们对河口海岸系统 中各种动力、地貌过程物理背景研究的逐渐深入和数值模拟技术的不断进步， 以长周期数学模型为代表的过程模型被引入到这个领域，它不仅能从宏观上分 析演变过程和规律，更能够详细、系统的模拟、反演地形演变的全过程，从根 本上系统、详细的探讨河口海岸系统演变的特点。 1 2 长时间尺度数学模型的分类及研究进展 长时间尺度数学模型按时间尺度长短可分为以研究“工程”时间尺度内地 形演变为代表的十到百年尺度数学模型；以研究现代河口发展演变为代表 的百到千年尺度数学模型；以研究地质年代内地形演变为代表的极长时间尺度 数学模型“。由于时间尺度不同，上述三类模型关注的影响因素也不同，如百 到千年尺度数学模型需要考虑压实率、海平面上升等因素，但十年尺度数学模 型则不需要考虑这些。十年尺度数学模型必须根据自身研究特点从诸多影响因 素中找出影响地形演变的控制性因素并在模型中采用适当的处理方式，抓住主 要矛盾，简化模型输入，从而得到理想的模拟效果。 按研究对象的不同长时间尺度数学模型可分为海岸长时间尺度数学模型 “”“、泻湖长时间尺度数学模型m 、河口长时间尺度数学模型侧，等。研究对象 不同，上述三类模型关注的影响因素也不同：海岸长时间尺度数学模型主要考 虑的影响因素是沿岸流、波浪、潮汐和灾害性气候等，其中灾害性气候对其季 节性她形的演变起到重要的作用：泻湖长时间尺度数学模型主要考虑的影响因 素有潮汐、波浪和沿岸流等，不同的泻湖，维持其存在的主要控制性因素不同； 河口长时间尺度数学模型是这三种数学模型中影响因素最复杂的一种，河口环 境中不但有潮汐、波浪和沿岸流，还有径流和人类活动等，在建模过程中必须 事先对这些因素加以分析，略去一些对河口地形演变影响很小的因素。 按建模方法的不同长时间尺度数学模型可分为一维模型“”、二维模型 c 9 c 1 4 c t s 、三维模型“和多维混合模型0 7 ”1 。一般研究河网区的长周期地形演变时 多选用一维模型；研究河口、泻湖的长周期地形演变时多选用平面二维模型和 一、二维混合模型；研究海岸的长周期地形演变时多选用切向海岸的二维模型 2 中山大学硕士论文 第1 章引言 并假设沿海岸方向具有相同的演变过程；因为长周期模型的计算量非常大，目 前还很少有三维长周期数学模型的应用实例。在研究过程中应根据研究区域的 不同特点应当选取不同的建模方法。 按物理背景的不同长时间尺度数学模型可分为单尺度动力地貌因素数学模 型“”协儿2 ”和多尺度动力地貌因素复合数学模型”。”。单时间尺度数学模型一般 只考虑与研究对象具有相同空间尺度的物理过程，比研究对象空间尺度和时间 尺度小的影响因素只有被积分到与研究对象相同的空间和时间尺度才能加以考 虑。影响因素和地形演变之间的经验关系是单时间尺度数学模型的精髓，其中 一个的典型例子就是利用0 b r i e n 提出的受水面积和潮棱体的线性关系推算潮 汐通道或泻湖演变的长时间尺度地形演变”3 ；多时间尺度数学模型一般包括多种 尺度的影响因素并通过一定的联接方法把不同尺度的因素联系在一起。目前的 短时间尺度数学模型已经能够成功的模拟波浪、潮汐、水流和泥沙输运。这些 模型可以用来分析低频水流、流速的垂直分布、波流混合环境中的泥沙输运量、 泥沙净输运等，其中的一些混合模型也已经可以计算短期的地形冲淤变化。1 。这 些都是多时间尺度复合期数学模型的初始泥沙沉积冲刷( i s e ) 模块的重要组 成部分。典型的多尺度复合模型包括：( 1 ) “初始泥沙沉积冲刷”( i n i t i a l s e d i m e n t a t i o n e r o s i o n ，i s e ) 模块，它由一系列基本模型组成，包括二维水 动力、二维泥沙、底床变形；( 2 ) “中尺度动力形态”( m e d i u m - t e r mm o r p h o d y n a m i c ， m t m ) 模块，在这个阶段，新的底床形态被应用于水动力和泥沙输运的计算，这 是一个用于描述底床随时间变化的一个嵌套过程。( 3 ) “长时间尺度动力形态” ( 1 0 n g = t e r mm o r p h o l o g i c a l ，l t m ) 模块，这时的方程已经不是用来描述单个 物理过程了，而是在一个很高层次上的过程集合。 由于本文研究对象是磨刀门河口区，其横向和纵向上河口的演变模式都是 不同性的，在研究对象和建模方法上本长周期模型属于二维河口长时间尺度数 学模型，同时模型考虑了多尺度影响因素的作用，模拟时间是十到百年尺度， 所以本长周期模型又属于十到百年包含多尺度影响因素的长时间尺度数学模 型。 i 3 磨刀门河口研究现状 磨刀门为珠江流域西江干流的入海口，在珠江八大口门中，输水输沙量最 大，向海延伸速率相对较快：同时，因近几十年来本地区的经济发展很快，磨刀 门逐渐成为了河口科学工作者以及水利学工程师们研究的热点地区，其中赵焕 庭，欧兴进，宋朝景等通过分析沉积物的特征，研究了磨刀门拦门沙的发展、 中山大学硕士论文 第1 章引言 演变。1 ；曾昭璇从磨刀门历史地貌学的观点分析了口门整治的问题。“；江沛霖， 宾放对磨刀门1 9 6 2 年1 9 8 1 年二十年间的水位、地貌的演变发展进行了研究， 得出了河口各条深槽的演变及滩地的淤积发展趋势，并阐述了人类围垦对河口 演变的影响“。这些研究加深了人们对磨刀门的发展、演变规律的认识，并为 磨刀门河口的综合整治提供了科学依据。但从动力一沉积一地貌的角度进行 多学科，着重过程、机制的量化与模型化的研究基本是空白。 1 4 本文的研究方法 磨刀门这样一个以径流为主多种动力因素共同作用的河口，其演变规律是 怎样的呢? 动力因素，地质因素、人类活动因素、海平面上升等因素对河口的 发展、演变又起到什么作用呢? 在9 7 3 课题( 2 0 0 2 c b 4 1 2 4 0 0 7 ) 的资助下，本文 以长时闻尺度动力地貌模型为手段定量化探讨磨刀门河口在1 9 6 4 年1 9 7 7 年这1 3 年时间里，在自然因素及其人类活动的作用下的滩槽演变的趋势和规律。 拟开展的研究内容有： l - 调查磨刀门河口的水文、泥沙、气候、气象和地质特性的现状及近几十年来 变化情况。 2 调查磨刀门河口在六十年代七十年代的地形演变情况和人类活动。 3 分析各种影响因素对河口动力地貌演变过程的影响并进行尺度分析，从而找 出影响磨刀门河口演变的主要因素。 4 建立长周期动力地貌数学模型( 曲线网格) 。并对磨刀门河口的演变过程 进行模拟。 5 利用数值模拟结果和其它研究方法对磨刀门河口的演变规律进行分析、论 述。 其中前三个研究内容属于物理过程的研究，第四个研究内容属于建模方法 研究。第五个研究内容属于结果的分析与讨论。 1 5 资料的收集与整理 1 5 1 地形数据的收集与整理 地形数据主要来源于1 9 6 4 年和1 9 7 7 年两张海图( 表1 - 1 ) ，地形读取方法 是直接在海图上打正方形网格，并假设单个网格内具有同一水深，然后根据海 图水深数据利用平面二维线性插值的方法读取每一个网格的水深，最后，根据 4 中山大学硕士论文第1 章引言 水深基准面把原始水深数据转化成珠江基面下的水深数据。 两张海图的水深基准面均为理论深度基准面，在磨刀门河口的不同区域理 论深度基准面和珠江基面的转化关系不同，如1 9 6 4 年大横琴站处理论基准面与 珠江基面的转化关系是：理论基准面下深度+ 1 5 2 米= 珠江基面下深度；而灯 笼山处的转化关系是：理论基准面下深度+ 1 0 2 米= 珠江基面下深度。本文的 处理方法是通过有限的校正点，利用平面二维线性插值的方法求出每一个网格 点的转化关系，然后再转换珠江基面。 表卜11 9 6 4 、1 9 7 7 年海图基本情况 海图名称 分辨率 高程基准面水深基准面 网格大小 磨刀门及三灶岛附近 1 ：5 0 0 0 0 黄海平均海面理论深度基准面 2 5 0x2 5 0 ( 米) ( 1 9 6 4 年测量) 小蒲台至小襟岛1 号区 1 ：7 5 0 0 0 黄海平均海面理论深度基准面3 7 5 3 7 5 ( 米) ( 1 9 7 7 年测量) 1 5 2 水文泥沙资料收集 本文第二章所述的气象、径流、潮汐和泥沙的测量和分析数据来源于珠江 水利委员会的珠江河口水文分析报告“1 和珠江口咸潮研究专题报告啊1 。 潮流、波浪和余流的数据来源于中山大学梁娟的硕士毕业论文嘲1 。 1 5 3 其它资料收集 珠江三角洲的发展历史和长时间尺度数学模型建立的基本方法来源于由吴 超羽教授为首的国家自然科学基金重点项目课题组( 4 0 3 3 1 0 0 7 ) 的部分研究成 果”“、中山大学任杰的博士论文末次海进盛期以来珠江三角洲演变的长周期 动力地形模型及应用“”和中山大学韩玉梅的硕士论文人类活动下伶仃洋十 年尺度滩槽演变的数值模拟及演变规律探讨“。 5 中山大学硕士论文第2 章磨刀| j 河口的水文泥沙条件 第2 章磨刀门河口的水文泥沙特性 河流的水动力状况是由径流、潮流、波浪和河口地貌等因素决定的。河流为 河口的形成演变提供了源源不断的沉积物来源，潮流、波浪对河口沉积物起到了 再搬运的作用，而河口地貌则决定了河口动力因素起作用的方式和河口的动力特 性。水文泥沙特性的分析是研究磨刀门河口区动力、地貌系统相互作用以及演变 规律的前提。 2 1 磨刀门的地理位置及研究区域 珠江由西江、北江和东江组成，其中西江是珠江的主流。西江干流进入珠江 三角洲网河后在天河以下称为西海水道，百顷头以下则称为磨刀门水道。( 图2 一1 ) “磨刀门河口综合整治”( 1 9 8 4 ) 前，磨刀门水道灯笼山以下存在着广阔的浅海 区，它分四个口与外海相通，分别是洪湾口、横州口、龙屎窟和大门口，浅海中 分布着一些列山丘、小岛，自东而西为杜洲、横琴岛、石栏洲、鹤洲、横洲、马 鬃岛、大、小冈岛和三灶岛等，这些岛屿环抱着的水域长1 5 k m ，横宽2 3 k m ，面 积1 7 3 0 8 k m 2 。在这片水域中由“两槽三滩”组成，分别是磨刀门水道深槽、龙 屎窟水道深槽、鹤州浅滩、上沟浅滩、中心沟浅滩。( 图2 2 ) 2 2 气象特征 磨刀门地处珠江三角洲滨海地区，南临南海，处于亚热带季风气候区域、夏 季受东南海洋季风的影响，高温湿热多雨，并受热带气旋的侵袭，往往带来暴雨 和台风暴潮，较易造成洪涝灾害；冬季气候温和，雨量明显少于夏季，气候宜人。 热带气旋是滨海地区的主要灾害性天气，强热带风暴和台风形成的风暴潮是 本地区最大的自然灾害。据1 9 4 9 年- - 1 9 9 9 年资料统计，风力在8 级以上，直接 在珠江口登陆的约有5 0 次，年均约一次。每年7 月9 月为热带气旋盛行期， 平均占年总次数的6 5 左右，8 月份尤甚，约占年总次数的2 3 以上。 根据珠海气象站的资料统计，气温、降水量、相对湿度、风向、风速等主要 气象信息如下： 1 气温 6 中山大学硕士论文第2 章磨刀门河口的水文泥沙条件 多年平均气温为2 2 4 ，夏季气温一般在2 5 c 以上，最高可以达3 8 c ；冬 季气温通常在1 5 。c 2 5 之间，最低气温为2 5 。c 。 2 降水量 多年平均降水量为1 9 6 3 4 m m ，雨量充沛，降水量的年际、年内变化较大， 最大年降水量为2 8 7 3 9 m m ，最小年降水量为12 0 0 9 m m ，汛期4 月9 月降水量 占年总量的8 0 以上。2 4 小时最大降水量为4 3 0 8 m m 。 3 相对湿度 空气湿度较大，多年平均相对湿度为7 0 。春、夏两季相对湿度均在8 0 以上，月最大达8 9 ；秋、冬两季相对湿度在7 0 8 0 之问。 4 风向、风速 历年出现最多的是东北风，东南风次之。夏季多吹东南风，冬季多吹东北风。 东风最大风速达2 5 m s ，北风达3 0 m s 。风力和风浪都不大，但其中由台风和 寒潮引起的偏东风产生的波浪较大，会破坏水流结构，加强咸淡水的混合，搅动 海底泥沙。平均每年由1 2 次台风登陆，造成增减水现象，增水值最大可达1 4 5 米，潮差加大，动力作用增强。磨刀门地区各月主要风力和风向见表2 一l 。 表2 - 1 磨刀门各月主要风力和风向表 月份 12345678910 1 11 2 风向北北 北 东东西南南东 北北北北 风级3 43 43 4 2 32 3 33 23 43 43 43 4 2 3 三角洲河网区及河口概况 珠江三角洲是一个广阔平原交错的网河区，东、西、北三面都被山地围绕， 南临大海，众多的海岛是沿海的屏障。网河区内河网密布，河网密度达0 8 1 k m k m 2 。西北两江在思贤浯自然沟通流入西北江三角洲，而东江网河则自成一体进 入狮子洋。 珠江三角洲河网虽然十分复杂，但仍可以明显看出以纵向大汉河为主干，横 向小支汊为支流的网状结构。主干河宽由几百米至两千米左右，而支流则相对较 窄狭。据统计珠江三角洲的河道属较窄深类型。河道的纵坡降西江平均为0 0 2 3 ，东江为0 2 6 。 珠江三角洲网河水系把西江、北江、东江的下游纳于一体，其主流下泄通道 各自成体系：西江主流在三角洲内的河口段为三水市思贤浯西滔口至珠海市企人 7 中山大学硕士论文第2 章磨刀门河口的水文泥沙条件 石河段，1 9 8 4 1 9 9 1 年的磨刀门整治工程把主干流延伸至横洲口，从上游至下游 各段分别称为西江干流、西海水道、磨刀门水道，最后经磨刀门出海。北江在三 角洲内的河口段自思贤浯北沼口起，从上游至下游各段分别称北江干流、顺德水 道、沙湾水道，最后经狮子洋出虎门入伶仃洋。东江在珠江三角洲的河口段是经 石龙以下的东江北干流、东江南支流流入狮子洋经虎门出海。进入珠江三角洲网 河水道的来水，经虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门、崖门 八大口门流入浅海区。东部的虎门、蕉门、洪奇门、横门的径流流入伶仃洋浅海 区。西部的磨刀门、鸡啼门的径流直接汇入南海，虎跳门、崖门的径流流入黄茅 海区。 2 4 测站分布及观测概况 珠江三角洲网河区有连续观测资料的水文、水( 潮) 位站5 8 个，还辅有一 批巡回站及专用站，以潮水位站居多。本文分析磨刀f q i _ - i 口水文泥沙条件的数据 主要来源有西江高要、三水、马口站及天河站以下西海水道的竹银、灯笼山、三 灶等站，其具体情况见表2 2 。 2 5 径流 磨刀门河口径流量与进潮量比值为5 7 8 ，径流占主导地位。据资料分析除龙 屎窟外，各口断面的径流始终占主导地位。不过，虽然磨刀门河口的径流占优势， 但由于潮汐的作用，使得我们很难直接通过磨刀门河口附近的水( 潮) 位站( 如 灯笼山站、竹银站) 的实测数据来分析其径流的情况，本文主要通过对磨刀门上 游水文站、水( 潮) 位站的径流情况的分析和八大口门的分流比来分析磨刀门河 口的径流情况。 2 5 1 年际变化 根据1 9 5 9 年2 0 0 0 年珠江水利委员会实测资料统计，西江高要站年径流最 大为1 9 9 4 年，年径流量3 2 3 5 亿3 。北江石角站年径流最大为1 9 7 3 年，年径流量7 2 1 7 亿寸。西、北江来水经思贤浯沟通调节后，马口站年径流最大为1 9 7 3 年，年径流量 3 1 5 4 亿m 3 ，年平均流量1 0 0 0 0 击y s 。三水站年径流最大为1 9 9 7 年，年径流量9 3 2 7 亿 m 3 ，年平均流量2 9 6 0m 3 s 。马口、三水站年径流最小同为1 9 6 3 年，其中马口站年径流 量1 2 1 0 亿m 3 年平均流量3 8 4 0d s ：三水站年径流9 4 7 0 亿m 3 年平均流量3 0 0m 3 s 。 8 中山大学硕士论文第2 章磨刀门河口的水文泥沙条件 马口站的丰枯比为2 6 0 ：三水站的丰枯比为9 8 7 。思贤沼( 马+ 三) 年径流最大为1 9 9 4 年，年径流量为3 9 1 6 亿m 3 ，年平均流量1 2 4 0 0 m 3 s ；最小年径流量为1 9 6 3 年，年径流 量仅为1 3 0 5 亿m 3 ，年平均流量4 1 4 0 m 。最丰年与最枯年的比为3 o o 。 表2 2 提供本文数据来源的水文、水( 潮) 位 站名设立日期所在河道主要观测项目及测验情况 1 9 3 1 年7 11 日设为水位站，1 9 4 3 年1 月改为水文站1 9 4 4 年复改为水位站，l 9 4 6 年1 0 月6 日改为水文站。测验项目 高要 1 9 3 1 7西江 为水位潮位、流量、泥沙、降水量，拳站是西江来水 进入三角洲前最后的控制站 l9 4 6 年1 】月将原三水站断面上移3 0 0 m 改称三水( = ) 站， 1 9 4 9 年1 1 月改为水位站，1 9 5 1 年又改为基本水文站，观 三水 19 0 01北江 测项目有水位、流量、潮量、泥沙、雨量等谊站上游 约1 5 k m 是沟通西北江的思贤沼 1 9 1 5 年6 月设立为基本水文站，观测项目有水位、流量、 潮量，泥沙、蒸发量雨量等1 9 2 2 年9 , q 停测，1 9 4 6 年1 2 月恢复为水位站，1 9 4 7 年8 月停测1 9 5 0 年1 2 月恢复 马口1 9 1 5 0西江 1 9 5 1 年改为基表水文站，1 9 9 4 年因在原测流断面修筑桥 梁，测流斯面下迁2 0 7 m 谊站上游约4 7 k m 是沟通西北江 的思贤活 1 9 15 年6 月设立为基本水位站，只作潮位观测1 9 2 7 年1 2 甘竹( 一) 1 9 1 5 6 西江 月停测1 9 5 1 年1 0 ：2 恢复为基本潮水住站，水足位置向 下游秽6 0 岫，1 9 5 2 年7 月向上游l o o m 处迁耪 基本潮水位站，观测项目有雨量，潮水位测验河段基 天河( 二)1 9 5 9 5西江 本顺直，断面上游约4 公里为东海水道分沆口 基本潮水位站，1 9 5 9 年3 月2 5 日水尺断面向上游约6 0 m 处 竹银1 9 5 8 7西江 迁移 1 9 5 8 年9 月3 0 日设为基本潮水位站，1 9 6 6 年9 月改为水文 站，进行潮位、潮量，舍氯度观测，1 9 7 4 年后改为基拳 灯茏山 1 9 5 8 1 0 磨刀门水道 潮水位站，舍氯度观测到1 9 8 8 年止谊站是八大口门主 要观测站之一 1 9 6 4 年1 1 月设立为基本潮水位，1 9 8 0 年1 月1 日停止含氯 三灶1 9 6 4 1 1 磨刀门水道 度测验 大横琴 1 9 7 5 1 磨刀门水道 基本潮水住站，观测项目有湖水位、含氯度、雨量等 1 9 6 4 年1 0 月1 日设为基本水文站，1 9 6 6 年1 2 月停测悬移质 黄金 1 9 6 4 10 鸡啼门水道泥；少，1 9 6 7 年3 月停测流量，谊站是八大口门主要测站之 一 2 5 2 季节变化 珠江流域的径流不但年际变化较大，由于降雨的影响，径流年内分配也不均匀， 思贤活( 马+ 三) 年径流，洪季( 4 月 9 月) 径流量为2 1 6 8 亿心，占全年径流量的7 8 2 ， 枯季( 1 月3 月、l o 月1 2 月) 径流量为6 0 4 6 亿m 3 ，占年径流总量的2 1 8 。西江 马口站洪季径流量为1 7 8 7 亿甜，占全年的7 6 9 9 6 ，枯季径流量为5 3 6 4 亿m 3 ，占年径流 总量的2 3 1 。北江三水站洪季径流量3 8 2 5 m ，占全年的8 4 9 9 6 ，枯季径流量为6 8 1 9 亿m 3 ，占年径流总量的1 5 1 。 9 中山大学硕士论文第2 章磨刀门河口的水文泥沙条件 2 5 3 洪、枯水特性 西江洪水的特点是峰高量大、历时长、涨落较缓慢，洪水过程呈多峰或肥胖 单峰型。如1 9 9 8 年洪水，高要站于6 月1 8 日7 时从水位2 3 9 m 开始起涨，6 月 2 8 日l 时出现洪峰水位1 3 3 3 m ，并在2 8 日6 时至2 9 日2 时洪峰流量5 2 6 0 0 m 3 s 持续了2 0 小时，到7 月2 5 日0 时水位退至3 6 6 m ，历时共3 7 天。据高要站资 料统计，一次洪水历时一般为3 0 4 0 天，最长6 8 天，最短为1 0 天。高要站实 测最大洪峰流量为5 2 6 0 0 m 3 s ( 1 9 9 8 年6 月2 6 日) ，接近天然情况下的1 0 0 年一 遇洪峰流量，多年洪峰均值为3 2 3 0 0 m 3 s 。 西、北江洪水通过思贤滔沟通调节重新组合经马口、三水进入西北江三角洲 网河区，洪峰呈平缓肥胖型，相似于西江而略带北江的特征。由于汛期洪水主要 是以西江经思贤活过北江为主，因此，洪峰流量通常是马口略小于高要，三水略 大于石角。实测最大洪峰流量，马口为4 7 0 0 0 m 3 s ( 1 9 9 4 年6 月2 0 日) ，三水为 1 6 2 0 0 m 3 s ( 1 9 9 4 年6 月1 9 日和1 9 9 8 年6 月2 6 日) 。 珠江三角洲l o 月至翌年3 月为枯水期，根据1 9 5 9 年2 0 0 0 年资料统计，珠 江三角洲网河区上边界的马口、三水、博罗、麒麟咀的多年平均枯水期径流总量 为6 8 0 5 亿m 3 。其中西北江( 马十三) 枯水期多年平均径流量为6 0 4 6 亿m 3 ，占 年径流总量的2 1 8 ，占枯水期进入三角洲网河区多年平均径流总量的8 8 8 。 1 9 6 3 年是珠江流域最枯水年，该年西北江( 马+ 三) 年径流为1 3 0 5 亿m 3 ，只 占多年平均年径流总量的4 7 1 。当年马口站最枯月1 月份平均流量仅为1 3 8 0 m 3 s ，三水站最枯月1 月份平均流量仅为2 9 5m 3 s 。 2 0 世纪9 0 年代是丰水年代，枯水期径流量也相应有所增加。1 9 9 2 年( 含 1 9 9 2 年) 前思贤浯( 马+ 三) 枯水期平均径流量为5 9 2 8 亿i l l ，占多年平均径流 总量的2 1 4 ，1 9 9 3 年( 含1 9 9 3 年) 后思贤滔( 马十三) 枯水期径流总量为6 5 4 6 亿i l l ，占多年平均径流总量的2 3 6 。随着年径流在三水、马口分流比例的变化， 1 9 9 3 年后，三水、马口枯水期径流量占思贤沼( 马+ 三) 的枯水期径流量比例也 发生变化，三水站枯水期径流量从9 2 年前占思贤滔( 马+ 三) 枯水期多年平均径 流量的9 4 ，转为9 3 年后占培5 。马口随之从9 2 年前占有的9 0 6 ，转为9 3 年后占有8 1 5 。 每年的1 1 月次年2 月，西北江的马口、三水站瞬时流量过程常出现负流， 即发生涨潮流，越枯的年份出现的负流机会就越多，如最枯年1 9 6 3 年，全年除 7 、8 两个月外，每月均有若干次或若干天连续出现负流。 1 0 中山大学硕士论文第2 章磨刀门河口的水文泥沙条件 2 5 4 实测出海口门径流分配 根据1 9 9 9 年7 月1 5 日7 月2 4 日汛期同步水文测验资料和2 0 0 1 年2 月7 日2 月1 5 日枯水期同步水文测验资料( 见表2 3 ) ，汛期东四口门的径流分配 比大于枯水期径流分配比约1 4 左右，西四门也随之减少1 4 左右；汛期的径流 量是东四门大于西四门，而枯水期是西四门大于东四门。与1 9 8 8 年完成的珠江 水利委员会珠江流域三角洲综合利用规划报告成果比较，东四口门有所增大而西 四口门略有减少，变化幅度为7 左右，磨刀门水道仍是径流出海的主要通道， 其次为蕉门、虎门、横门、洪奇门、崖门、鸡啼门和虎跳门。出海口门的径流分 配，在不同的时间受上游不同的径流来量及潮汐的变化等因素影响，这两次大同 步水文测验，是近年来测验范围较广，资料精度较高的一次水文测验，具有较好 的代表性，能够客观地反映八大口门不同时期的径流分配情况。 表2 - 3 实测八大口门径流分配表 口门项目东四门西四n 合计 虎门蕉门洪奇横门 磨刀 鸡啼虎跳 崖门 面 径流量( 亿m 3 8 54 2 92 l _ 73 0 5 65 8 6 98 6 2 87 6 2 3 1 0 2 2 2 1 8 8 一 时 占 大口门比1 7 61 9 69 9 4】4 o2 6 33 9 43 4 34 6 7lo o 卜 l 皿 径漶量( 亿m ) 13 3 68 5 1 52 1 8 8 一 鼋 卜 占总量喁) 6 1 13 8 91 0 0 叮径流量( 亿m 3 ) 一o 2 2 41 1 3 02 6 0 01 8 1 92 7 0 20 2 6 31 0 6 21 9 9 01 1 ，3 9 h 占八大口门比 一1 9 7l o 42 2 8l6 02 3 72 3 19 3 3”51 0 0 h i 缸 径流量( 亿m 3 ) 5 3 7 66 0 1 81 1 3 9 卜 贮 一 占总量( * ) 4 7 25 2 81o o 1 l 中山大学硕十论文第2 章磨刀门河口的水文泥沙条件 表2 - 4 八大口门径流分配表 东四1西四门 口门合计 虎门蕉门 洪奇门 横门 磨刀门 鸡啼门虎珧门 崖门 年径流量( 亿m ， 6 0 35 6 52 0 93 6 59 2 31 9 72 0 2l9 63 2 6 0 占总量嘞1 9 5 1 7 3 6 4 1 1 22 b 36 16 26 01 0 0 年径流量“6 m ) 1 7 4 21 5 1 8 3 2 6 0 占总量( ) 5 3 44 6 61 0 0 表2 - 5 珠江口八大口门水沙分配的变化 东四门 西四门 年代 蕉 洪奇横小磨刀鸡啼虎珧崖小 虎门 门 门门 计 门门门门 计 2 0 世纪6 0 7 0 1 6 01 7 11 5 91 2 46 1 42 4 74 73 65 63 8 6 年代分流比( ) 径流量 6 0 35 6 52 0 93 6 5l7 4 29 2 31 9 72 0 21 9 61 5 1 8 ( 亿m 1 ) 2 0 世纪 分流比惜) 1 e 51 7 36 41 1 25 3 42 8 36 16 26 04 6 6 8 0 年代 输沙量 6 5 8 1 2 8 9 5 1 79 2 53 3 8 92 3 4 14 9 65 0 93 6 33 7 0 9 ( 万t ) 分沙比( * ) 9 31 8 17 31 3 04 7 73 3 07 07 25 15 2 3 1 9 9 9 年7 月 ”61 9 6 9 9 1 4 0 6 1 12 6 83 9 3 5 4 73 8 9 洪水期分流比 径流量 8 2 34 1 33 7 24 7 7 2 0 8 5 8 l79 31 2 9 1 5 71 1 9 6 ( 亿m 】) 现状( 2 0 0 2 分流比( )2 5 11 2 61 1 31 4 56 3 52 4 92 83 94 83 6 5 年) 输沙量 8 4 1 9 5 68 5 913 3 23 9 8 92 0 6 03 0 6 3 2 7 3 433 0 3 6 ( 万t ) 分沙比 1 2 01 3 61 2 21 9 05 6 82 9 34 44 74 94 3 2 注：现状瓷料来源于珠江水利委员会珠江河口整治近期实旅工程可行性研 究报告，2 0 0 2 ，据代表平均情况的特定水文条件计算而得，其值谨供参考。 中山大学硕士论文第2 章磨刀门河口的水文泥沙条件 2 6 潮汐 珠江三角洲的潮汐类型属于不正规半日潮，每一太阴日内发生两次高潮和两 次低潮，潮汐日不等现象显著。 2 6 1 潮位 本区潮位一天内出现的两次高潮和两次低潮的潮位均不相等。月内有朔、望 大潮和上下弦小潮，约十五天为一周期。根据5 0 年代至今的资料统计分析，年 平均高、低潮位年际变化不大，但由于径流和台风对潮位的影响，年内的潮位变 化较大，汛期平均潮位高于枯水期平均潮位l o c m 2 0 c m 左右。各站最高潮位一般 出现在汛期的6 、7 月份，最低潮位多出现在枯水期的l 、2 月份，汛期潮位年际 变化较大。 磨刀门附近各主要观测站5 0 年代以来都有逐年抬升趋势。研究范围内各站 潮位参数统计及年代变化统计见表2 - 6 、表2 7 、表2 - 8 。 表2 - 6 研究范围内主要站潮位特征值统计表 高潮位( )低潮拄( m )溶潮差( - )落潮差( i 1 1 ) 站名 历年t 高历年t 低 多年 历车矗太历年最大资抖年份 多年平均 多年平均多年平均 出现年月出现年月 平均 出现年月出现年月 22 81 572 9 02 7 l 黄空 04 一o6 01 0 31 0 3 1 9 6 5 2 0 0 0 1 9 9 3 9 171 9 7 9 13 11 9 93 9 17 1 9 7 6 12 2 2 26 5一11229 827 4 灯茏山 0 4 4- o 4 l0s 50 8 51 9 5 9 2 0 0 0 1 9 9 39 ”1 9 6 5 3 161 9 9 39 17i 9 9 39 17 25 919 73 2 63 18 三灶0 3 61 9 8 9 7 1 8- 07 41 9 6 81 2 2 21l0199 39 1 7 1 1 0 1