（环境科学专业论文）西江磨刀门水道咸潮上溯研究.pdf

s t u d y o nt h es a l ti n t r u s i o no f m o d a o m e n e s t u a r y o ft h ew e s tr i v e r m a j o r ：e n v i r o n m e n ts c i e n c e n a m e ：t a nq i m i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f y a n gq i n g s h u a b s t r a c t t h ew e s tr i v e r , w h o s em a i no u t l e ti sm o d a o m e n ，i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p a r t so ft h ep e a r lr i v e r m o d a o m e nl o c a t e sn e a rt h ez h o n g s h a n ，j i a n g m e na n d z h u h a lw h i c hi st h eo n eo ff a s t e s te c o n o m i cg r o w t ha r e a si nc h i n a i nr e c e n ty e a r s ， t h ed e g r e eo ft h es a l tw a t e ri n t r u s i o ng r o w sh i g h e ri nt h i sa r e a ，e v e nt h ew h o l ed e l t a o ft h ep e a r lr i v e r i ti n f l u e n c e st h el o c a lp e o p l e sl i v i n ga n dw o r k i n gs e v e r e l y t h e r e f o r e ，s a l ti n t r u s i o ni sap r o b l e mt h a ts h o u l db er e s e a r c h e di m m i n e n t l y b a s e do nt h ed a t a o ft h ed i s c h a r g eo fm a k o ua n ds a n s h u i ( 1 9 5 9 - 2 0 0 3 ) ，t h e c h l o r i n ei o nc o n c e n t r a t i o no fd e n g l o n g s h a n ( 1 9 6 1 1 9 8 8 ) a n dd a h e n g q i n ( 1 9 7 6 1 9 8 8 ) ， s p e c t r a la n a l y s i s ，r e g r e s s i o na n a l y s i sa n dl o wp a s sf i l t e r i n gi su s e di nt h et h e s i st o a n a l y z et h ep e r i o d i cc h a n g ea n dt h ev a r i a t i o nt e n d e n c yo ft h ed i s c h a r g ea n dt h e c h l o r i n ei o nc o n c e n t r a t i o n b a s e do nt h ed a t a o ft h ed i s c h a r g ea n dc h l o r i n ei o n c o n c e n t r a t i o nw h i c hi sm e a s u r e db yt h e c e r u t e r - o f - c o a s t a l o c e a n r e s e r c h ，i p p e n m o d e li sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h ed i s t a n c eo ft h es a l ti n t r u s i o n ，a n dt h ei n f l u e n c i n g f a c t o r so ft h eg r o w t ho ft h es a l ti n t r u s i o na r ea l s od i s c u s s e d t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s c h a r g eo fm a k o ua n ds a n s h u ih a sa n o b v i o u sp e r i o d i cc h a n g eb e t w e e nt h ef l o o da n dt h ed r o t ：i g h ts e a s o nd u r i n gt h ep a s t4 5 y e a r s ，a n d t h e i rl o n g t e r mv a r i a t i o nt r e n di n c r e a s e d c h l o r i n ei o nc o n c e n t r a t i o n d e c r e a s e di nt h e1 9 8 0 sb e c a u s eo ft h er e n o v a t eo ft h em a o d a o m e ne s t u a r y ；b u ti n r e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo ft h es a l ti n t r u s i o ns t r e n g t h e na n dt h eh u m a na c t i v i t i e s ， i i c h l o r i n ei o nc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d b a s e do nt h er e s u l to ft h ei p p e nm o d e l ，t h el i m i t o fs a l li n t r u s i o nl i e si 玎t h es t f e a ms e g m e n tw h i c hi s3 jt o3 4 k r au p r n e rf r o mt h e d a j i n g j i a o ，a n di nt h es t r e a ms e g m e n tb e t w e e nz h u z h o u t o ua n db a i q i n g t o ua tm o s t i n t h ed r o u g h ts e a s o n t h er e s u l to fo n ed i m e n s i o nn u m e r i c a lm o d e li st a l l yw i t ht h a to f t h ei p p e nm o d e l t h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h eg r o w t ho fs a l ti n t r u s i o na r et h e d e c r e a s eo fd i s c h a r g ea n dt h ec h a n g eo fl a n d f o r m k e y w o r d s a l ti n t r u s i o n ，c h l o r i n ei o nc o n c e n t r a t i o n ，d i s c h a r g e ，m o d a o m e ne s t u a r y i p p e nm o d e l i i i 中山大学硕士学位论文 第1 章引言 第1 章引言 河口是河流与海洋的交汇地带，同时也是人口最为密集、经济最为发达的地 区之一。在我国，人口密集区域集中在黄河三角洲、长江三角洲和珠江三角洲这 三个大的三角洲，国内一些大城市如上海、天滓、广州、深圳、珠海、以及香港 澳门地区都在这些区域，随着三角洲经济的不断发展，工农业及城市生活用水需 求量越来越大，该地区成为沿岸淡水需求量最大的区域，同时又是受咸潮上溯影 响最敏感的区域。 近年来，咸潮上溯已成为河口区主要的环境问题之一。根据生活饮用水水 源水质标准( c j 3 0 2 0 9 3 ) ，无论一级或二级，氯化物含量均应小于2 5 0m g l 。 当河道水体氯度超过2 5 0 m g l ，就不能满足供水水质标准，影响城镇生活用水、 工业供水及农业灌溉。电厂锅炉用水要求氯化物含量是3 0 0 m g l 以下，一些工业 如味精、钢铁工业要求更高，氯度不能超过2 0m g l ；农业灌溉用水要求氯化物 含量低于11 0 0m g l ，水稻育秧期则要求氯化物含量低于6 0 0m g l ：现有制水工 艺还不能消除氯离子，长期饮用台氯化物超标的水对人体健康影响较大，易患高 血压和肾脏病m 。 水利局提供的资料表明，近几年西江磨刀门水道枯水期咸潮活动增强，氯化 物( 含氯度) 出现超过供水水质标准的情况时有发生，使沿岸城镇工农业用水因 含氯度过高造成水质性缺水。根据有关资料统计，珠海市从1 9 8 5 年到1 9 9 8 年， 城市供水增加l o 倍，在枯水期可使用水量却逐年减少。在1 9 9 8 年l o 月1 9 9 9 年4 月的1 9 4 天中，由于咸潮上溯，担负着对澳门及珠海市区供水的挂定角、广 昌取水点，分别出现1 8 0 天、1 5 8 8 天的含氯度超标，超标率为9 2 8 、8 1 9 。1 。 本文研究的珠江三角洲地区是中国经济发展最快的地区之一，加上磨刀门 地区濒临中山、珠海特区和澳门特别行政区，咸潮上溯严重影响了该地区的经济 发展。虽然磨刀门是珠江八大口门中水量最丰富的，但是每当枯水季节咸潮上溯 仍然严重，中山珠海的一些水厂在枯水季节都要停止抽水，严重影响了生活和工 业供水。另一方面，随着经济发展，人们生活用水、工业用水量也日益增大，需 求矛盾日益严峻。所以说，水质性缺水将是2 l 世纪面临的新问题。 中山大学硕士学位论文第1 章引言 1 1 研究意义 河口的咸潮上溯，从动力的角度来看是径流动力与潮汐动力的相互作用的结 果，因而是陆海相互作用研究的重要内容之一：而陆海相互作用( l o i c z ) 是国 际地圈一生物圈计划( i g b p ) 的两个重要核心项目之一，这是i g b p 的研究任务 和海岸带在全球变化中的特殊地位和作用所决定的。3 。 由于陆海相互作用研究与经济发展和人类生存休戚相关，因而l o i c z 的提出 得到世界各国的迅速回应。本文所研究的成潮上溯正是陆地河流与海洋相互作用 的结果。 因此，就目前珠江三角洲枯季咸潮卜- 溯不断加强，工农业生产及生活收到严 重影响来看，在现实中它已经成为人们关注的问题。因此，深入研究咸潮上溯问 题，已经刻不容缓，其对于珠江河口区进一步的开发整治，了解成潮上溯的原因 和规律，探索咸潮上溯的距离，指导有关部门采取相关措施压咸，对珠江三角洲 地区居民的生活，工农业生产和社会发展将具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 国外研究进展 对于咸潮上溯，国外起步较早，早在二十世纪五十年代，外国学者在做河口 水力模型试验的时候发现只有用加入适当盐量的水才可以成功，从此引发了其他 专家学者的兴趣。p r i t c h a r d “、b o w d e n 8 ”3 、和h a n s e n 9 1 进行了盐水入侵范 围、盐淡水混合、水体盐度分布以及其对水流和泥沙运动影响的研究“。 二十世纪六十年代中后期，h a n s e n “”和s i m m o n s “2 1 根据径流和潮流动力互相 的强弱比较将河口划分为弱混合、部分混合和强混合三种类型，b o w d e n “”“”和 p r i t c h a r d “则从河口环流形式差异出发将河口盐淡水混合分为盐水楔型、两层 水流型和垂直均匀型。 此后，国外多位专家学者对盐水入侵及其相关现象进行了研究。m e a d e “、 s h o l k o v i t z “”和k r a n c k “7 ”1 研究了关于盐水的电性对泥沙絮凝沉降的影响：继 而引发出了对河口最大浑浊带的研究，d y e r “”和o f f i c e 。3 在前人的基础上进一 2 中山大学硕士学位论文第l 章引言 步论述了各类型河口的盐淡水混合过程、环流的运动形式、最大浑浊带形成与盐 水入侵和环流的关系，以及泥沙的搬运、分布和沉积规律。 另外，近年来，x i n s h a nq 一1 ，m e m u l r e n n a n 。2 1 对其所研究河口咸潮上 溯进行了全面的研究，t a i ns h i n gm a “33 用模型模拟了k a n s a s 中南部的河口咸潮 上溯，d p r a n d l e 1 ，r h t h a i n 4 ”对部分混合型河口进行了详细的研究。 1 2 2 国内研究进展 在国内，咸潮上溯的研究起步于二十世纪六十年代，八十年代才开始有系统 的研究，主要集中在我国三大河流长江，黄河和珠江，取得一些成就，发表 了很多有关咸潮上溯的文章。 刘杜娟。，丁玲”7 1 等人从我国整个沿海来研究成潮上溯；朱建荣”1 研究了河 口环流对咸潮上溯的影响；韩曾萃”探讨了人类活动对河口咸潮上溯的影响。 在长江河口盐水入侵方面，以沈焕庭为首的多位专家学者对这个区域进行了 长期的深入的研究，其中沈焕庭对长江口多年的研究著了一本长江河口盐水入 侵。“，该书不仅对长江口盐水入侵的来源、盐淡水混合类型以及盐度的时空变 化规律进行了较为全面、深入的研究，还对重大工程对盐水入侵的影响以及减轻 盐水入侵的对策进行了深入的研究，取得的研究成果既有理论意义，又有实用价 值：茅志昌，沈焕庭，徐彭令“研究了咸潮入侵规律并指导其淡水利用；孔亚珍” 等通过对长江口4 条入海汉道进行洪枯季大规模综合水文测验，探讨了长江口盐 度的时空变化等等。 珠江河口方面，田向平“”概括了近几十年来国内外对咸潮上溯的研究情况； 方畴军“1 、周文浩m 1 、李素琼懈1 分别在1 9 9 2 年、1 9 9 8 年和2 0 0 0 年分别探讨了海 平面上升对成潮上溯的影响，并且计算了成潮上溯的距离；李春初。”研究了高盐 陆架水入侵影响我国河口的概况；包万友。6 1 探讨了盐度和氯度的定义的异同；俞 鸣同。”、谭维炎m 1 对盐水楔进行了一定的研究；徐君亮m 3 探讨了盐水楔的活动规 律等等。 自上世纪八十年代开始，特别是九十年代以来珠江三角洲网河河道的大规模 采沙活动，及河口治理工程，河床大幅度加深，潮汐动力加强，加之连续数年出 现桔水年，从而引发了咸潮上溯得日益加强，对珠江三角洲工农业生产及生活用 3 中山人学硕士学位论义第l 章引言 水造成严重的影响，在地形、动力条件发生较大变化的背景下咸潮上溯的研究及 其原因的探讨研究是落弱环节，本文针对当前情况下成潮上溯加剧的状况对其加 剧的原因进行了初步的探讨和研究。 i 3 研究方法及资料收集 1 3 i 研究方法 本文应用谱分析方法，分析马口站流量和灯笼山氯度的周期变化；采用一元 回归分析以及低通数字滤波探讨其长期变化趋势；应用相关分析探讨流量与氯度 的相关关系；运用伊本( i p p e n ) 一维准扩散模型( 落憩模型) 计算咸潮上溯的 距离；应用一维数学模型计算不同断面的氯度。 i 3 2 资料收集 本文收集的资料如下： ( 1 ) 高要、马口、三水( 二) 站流量资料：其中1 9 5 7 年到1 9 8 8 年的资料 来自中华人民共和国水文年鉴第八卷，1 9 8 9 年到2 0 0 3 年的资料来自广东省 水文局。 ( 2 ) 灯笼山( 1 9 6 1 1 9 8 8 年) 、大横琴站( 1 9 7 6 1 9 8 8 年) 氯度资料来自中 华人民共和国水文年鉴第八卷。 ( 3 ) 2 0 0 3 年1 2 月中山大学近岸海洋研究中心与佛山水文分局联合对磨刀 门冬季水文测验，对流速、泥沙、水温、盐度及浅表层沉积物等进行观测。本次 观测共6 条垂线，其分布如图i - i 和图卜2 。 ( 4 ) 马口2 0 0 3 年1 2 月9 一1 5 日日均径流量，以及2 0 0 4 年7 月3 0 、3 1 日曰 均径流量，大横琴站2 0 0 3 年1 2 月潮水位月报表，均取自佛山水文局。 ( 5 ) 西、北江下游及其三角洲网河河道同步水文测验与水质监测成果报告， 水利部珠江水利委员会水文局、广东省水文局等，2 0 0 1 年2 月 4 中山人学硕士学位论文第l 章引言 2 2 2 5 2 2 2 2 2 1 5 2 2 1 2 2 0 5 1 1 3 3 51 1 3 41 1 3 4 51 1 3 51 1 3 5 5 图l 一1 水文测验垂线位置分布图( 枯季大潮) 2 2 2 5 2 2 2 2 2 1 5 2 2 1 2 2 0 5 1 1 3 3 51 1 3 41 1 3 4 5 1 1 3 51 1 3 5 5 图卜2 水文测验垂线位置分布图( 枯季中潮) 中山人学碗l j 学位论文 第2 章研究区域概况 第2 章研究区域概况 本文的研究区域是西江马口站以下干流，主要集中在磨刀门水道以及磨刀门 河口，磨刀门水道从百顷头到大横琴，全长4 4 k i n ，磨刀门是珠江八大出海口门 之一，是珠江一大泄洪通道。 2 1 珠江三角洲概况 据珠江水利委员会网站介绍，珠江由西江、北江、东江及珠江三角洲诸河四 个水系组成，分布于中国的云南、贵州、广西、广东、湖南、江西六个省( 自治 区) 及越南东北部。珠江的主流是西江，发源于云南省境内的马雄山，在广东省 珠海市的磨刀门注入南海，全长2 2 1 4 k m 。全流域面积4 5 3 7 万k m 2 ，其中中国境 内面积4 4 2 1 万k m 2 。 珠江三角洲在东经1 1 2 。3 8 1 1 4 。1 8 ，北纬2 1 。3 6 2 2 。4 5 之间，地处亚热带， 气候温和，水资源丰富，多年平均年径流量3 3 6 0 亿m 3 ，仅次于长江，居中国第 二位。多年平均年降水量为1 4 7 7 m m 。 珠江三角洲是沿海经济开发区，目前已形成以广州为中心，包括深圳、珠海、 佛山、江门及周围几十个中小城镇及香港、澳门特别行政区在内的珠江三角洲城 市群，成为全国城镇化水平最高的地区之一。珠江三角洲是广东省经济发展的龙 头和主体。珠江三角洲2 0 0 2 年国内生产总值( g d p ) 9 3 7 1 亿元，是中国的五大 经济带之一，区域经济发达，并具良好的发展前景”。 珠江三角洲是由西、北江三角洲和东江三角洲组成的三角洲。西、北江思贤 浯以下，东江石龙以下为三角洲网河区，珠江三角洲河网区面积9 7 5 0 k m 2 ，其中 西、北江三角洲占9 3 4 ，东江三角洲占6 6 ，是一个形状不对称的三角洲“， 其范围如图2 1 。 6 中山大学硕士学位论文第2 章研究区域概况 图2 - ! 珠江三角洲图 珠江三角洲三江汇合，八i ：i a 海。三江分别就是上述的东江、西江和北江。 八大i ：i 门分别由东向西分别是虎门、焦门、洪奇沥、横门、磨刀门、鸡啼门、虎 跳门和崖门。其中前l 匹i f l 称为东四门，注入伶仃洋，后四门称为西四门，磨刀门 注入三灶岛和横琴岛之间的海域，鸡啼门注入三灶岛和高栏岛之间的海域，虎跳 门和崖门注入黄茅海。如图2 2 所示。 7 中山人学硕1 学位论文第2 章硎究区域概况 2 3 4 2 32 2 2 8 2 2 6 2 2 4 2 2 2 2 1 8 2 1 6 1 1 2 61 1 2 81 1 31 1 3 21 1 3 41 1 3 6 1 1 3 81 1 4 图22 珠江三角洲八大口门示意图 珠江具有水量丰富，含沙量少，水质较好，分支众多等特征，珠江三角洲受 潮汐影响大也是一大特色“。 ( 一) 水量丰富，珠江三角洲年径流量达3 3 1 9 亿m 3 ，从径流量来讲为我国第 二大河。西、北、东江流入珠江三角洲的流量达9 5 8 4 m 3 s ，珠江三角洲年入海流 量1 0 5 2 9 m 3 s 。“”但是径流量年内分配却不均匀，4 9 月为汛期，占年径流量 7 2 8 4 不等。最高值西江在7 月，其他河在6 月，因西江流程远，雨期迟，而 8 中山大学硕i j 学位论文第2 章研究区域概况 北江、东江4 5 月已为雨季。年变幅不大，西江最大和最小年径流之比约为3 ， 北江为4 ，东江则为6 。 ( 二) 含沙量小，输沙量大。珠江含沙量小，多年平均值为0 1 - - 0 3 k g m 1 ， 西江马口站最大也只0 3 2 k m m 3 。西、北、东江每年输入三角洲泥沙共达8 7 4 5 万吨。其中以汛期为主，占9 1 以上，因此，三角洲的淤积也是以汛期为主。 ( 三) 网河分汉，珠江三角洲地势低，地形复杂，西、北、东江都有多级分 汉，西、北江各分汉之间又相互沟通，形成复杂的珠江三角洲网河区。 ( 四) 受潮汐影响大。珠江河口潮汐主要受太平洋潮波传播的影响。珠江三 角洲潮汐为不正规半同潮，每天有两次高潮，两次低潮。潮差不大( 平均约1 米，不同口门的潮差不一样) ，为弱潮河口。 珠江三角洲八大口门，各口门虽有汊道互相沟通，但各个口门的河流动力差 异很大。西江多年平均径流量2 3 8 0 亿矿，占进入河口区径流总量7 6 2 ，北江 多年平均径流量3 9 5 亿m 3 ，占1 2 6 ，东江多年平均径流量2 2 9 亿m 3 ，占7 3 ，潭江等小河径流量更小，只占3 9 。进入网河区的悬移质泥沙估算约有2 0 在区内落淤，而径流量在进入网河区后则有所增加。总计珠江八口门出海径流总 量3 2 6 0 亿3 ，悬沙约7 0 9 8 万吨，各口门的径流水、沙量分配见表2 1 。 表2 1 珠江八大口门入海水、沙量 径流量( 亿m 3 ) ，输沙量( 万吨) 东四门西四门 八门总 口门 虎门焦门 洪奇沥横门磨刀门鸡啼门虎跳门崖门 量 年径流量 6 0 35 6 52 0 93 6 59 2 31 9 72 0 21 9 63 2 6 0 占总量( ) 1 8 51 7 36 4儿22 8 36 16 26 01 0 0 年径流量 1 7 4 21 5 1 83 2 6 0 占总量( )5 3 4 4 6 61 0 0 年输沙量 6 5 81 2 8 9 5 1 7 9 2 52 3 4 l 4 9 65 0 93 6 37 0 9 8 占总量( 劝 9 31 8 17 31 33 377 25 11 0 0 年输沙量 3 3 8 93 7 0 97 0 9 8 占总量( )4 7 7 5 2 81 0 0 赤资料来源：文献 4 1 9 中山人学颀 学位论_ _ ：c =第2 章研究区域概况 从表中看出，磨刀门的径流量和输沙量在八大口门中的百分比都最大，是个 典型的河优型河u 。 2 2 磨刀门概况 2 2 1 自然地理概况 磨刀门水道是从百顷头为起点，到大井角的一段出海水道，全长4 4 公里“。 磨刀门是西江的主要出海口，磨刀f t g 是珠江入海的八大口门之一，是典型的河 优型河口。磨刀f - z k 道流经行政区域属江门市、中山市、珠海市。磨刀门出海口 地形如图2 3 所示。 2 2 2 水文特征 磨刀门洪季以径流作用为主，枯季潮汐与波浪动力明显加强，口外拦门沙 部位也受到波浪作用的显著影响，可见磨刀门水道的动力条件非常复杂，不同时 间不同的动力要素的强弱也不一致。汛期( 4 - 9 月) ，径流量占全年总量的7 0 以上，且磨刀门径流分配量居三角洲八大口门之首，占上游西、北江来水量的 3 0 以上。 磨刀门水道径流强潮流弱，受洪潮混合影响，山潮比为5 7 7 ，当马口站流 量大于1 0 0 0 0 m 3 s 时，径流影响明显加强；当马口站流量小于6 0 0 0 m 3 s 时，以潮 流作用为主”1 。 西江干流通往磨刀门方向的河道比较顺直，河面较宽广，至灯笼山处有深槽 延续，水深一般大于5 m ，但自灯笼山以下水深明显变浅，由于上游来水来沙丰 富，在河口区域形成大规模的拦门浅滩，影响排洪纳潮，枯季又受波浪的影响。 洪湾水道是磨刀门水道的东支汉，其分洪量在整治前约占灯笼山泄洪量的1 7 ， 通过洪湾水道进入澳门水域的径流量和悬沙量分别为1 5 7 亿莳和3 9 8 万吨，磨 刀门整治前由于洪湾水道水域宽阔，又处于相邻海区不同潮流的汇流区，潮流互 相顶托，流速减缓，所以本水域泥沙沉积比较快“1 。 中山大学硬士学位论文 第2 章研究区域概况 图2 - 3 磨刀门出海口卫片图 磨刀门水道进入宽阔的浅海区之后，由于流速迅速降低，大量泥沙落淤，河 口每年以约1 0 0 多米的速度向外海自然延伸。主槽横洲口拦门沙发育，河床纵剖 面呈倒比降。据估计，磨刀门浅海区珠江基面0 o o m 以下河床，从1 9 6 4 年到1 9 8 4 年2 0 年间，平均每年淤高3 3 9 c m ，低潮位以下的滩地面积平均每年增加2 5 0 h m 2 。 主干道右侧的灯笼沙是珠江口淤积速度最快的区域之一。由于口门的不断淤积和 延伸、侵蚀，基准面也相对提高，其溯源淤积也不断发展嘲。 磨刀门水道的潮汐类型属不规则半日混合潮，日潮不等现象显著，潮位和涨 落潮历时均不相等，一个日周期内发生两次高潮、两次低潮，历时约2 4 小时5 0 中山人学坝i j 学位论文第2 章研究区域概m 分，日冬春之间高高潮多出现在夜间，低低潮多出现在白大，夏秋之间则相反。 磨刀门属弱潮型河口，潮差较小，一般为l i n 左右，且潮差年际变化不大，年内 变化相对较大，枯水期潮差大f 汛期潮差。 磨刀门水道洪水期的含氯度很小，般在2 0m g l 以下，枯水期和台风暴 潮期间含氯度增大。灯笼山历史最大含氯度为1 9 7 4 年2 月的1 0 4 9 o o ，竹银历 史最大含氯度为2 0 0 4 年2 月6 同的2 4 9 o ，且含氯度的沿程变化是从口门向内 河递减，而垂直分布是从河底向水面递减。 2 2 3 口门整治情况 磨刀门年输沙量2 3 4 1 万吨，如此大的来水来沙量，使得内海区的淤积以及 拦门沙不断发展，出海水道水位抬高，对泄洪与农田排洪带来不利影响；河口近 u 段江心洲连迭，河道分汉，增加了泄洪阻力。 为了控制口门的冲淤演变趋势，改善口门防洪、排灌和航运条件，有计划地 开发滩涂资源，水利部珠江水利委员会和广东省水利厅经过2 0 多年对珠江口门 的勘探、测量，经过设计、计算和河工潮汐模型试验，提出了磨刀门口门的治理 与开发的规划报告。规划遵循兴利除弊，统筹兼顾，综合治理和充分利用滩涂资 源的原则，对磨刀门口外1 7 3 k m 2 的浅海湾采用一干一支的规划，理顺主干深槽， 以利泄洪纳潮；束导洪湾汊道，主要发展航运，千支治导线以内三灶湾、鹤洲北、 鹤洲南、洪湾北、洪湾南和白龙河西等六片开发滩涂资源”1 。 二十世纪五十年代之前，磨刀门及近邻的泥湾门、鸡啼门，都处于天然状态， 人类活动对上述口门的水文特征影响较小，磨刀门成潮活动基本处于自然状念。 1 9 5 8 年白藤湖堵海后，泥湾门的咸潮被堵截，淡水集中向鸡啼门排出。堵海以 后，泥湾门减少5 7 0 0 多米排水口，迫使原泥湾门水道的来水全部改由鸡啼门出 海，延长了1 6 k m 流程，减少了泥湾门的潮汐吞吐量，改变了与之相连河道的水 情，使西江天河以下西江三角洲地带的水文情况都起了变化，洪潮的下泄及上涨， 都要经过容蓄量4 0 0 0 多万立方米的白藤湖“水袋”。为了彻底解决白藤湖堵海遗 留问题，1 9 7 1 年2 月开始进行白腾湖综合治理，修筑5 8 k m 长的白藤湖西堤， 在白藤湖东堤兴建浮运水闸排水，疏挖湖内4 4 k m 长的幸福河。工程于1 9 7 5 年 3 月完成，实现了河湖分家。白藤堵海工程的实施，使磨刀门及近邻的泥湾门、 1 2 中山大学硕士学位论文第2 章研究区域概况 鸡啼门相邻口门之间的潮流的天然联系被截断。因此，1 9 7 5 年之前磨刀门水文 情况有一个大的变化嘲。 二十世纪八十年代以后，磨刀门口门治理开发工程开始实施，该工程是珠江 流域“以泄为主，泄蓄兼施”治水方针的一项大型河口综合治理工程。工程于 1 9 8 4 年3 月开始动工实旋，到1 9 9 5 年先后完成了磨刀门水道出海段的东西整治 岸线、洪湾水道整治岸线；围垦开发了鹤洲北、洪湾北、洪湾西、三灶湾和洪湾 南等五片垦区。磨刀门河口浅海区经整治后，已基本形成三大通一一通畅的磨刀 门主干排洪通道，5 0 0 t 级的洪湾航运通道和白龙河排水通道“。 磨刀门出海口的地形变化可见下图。 图2 - 3磨刀门1 9 8 8 和1 9 9 9 年地形对比图 根据磨刀门口门的实际边界条件和治理与开发相结合的原则，磨刀门口门治 理开发工程的洪水治导线也就是围垦的堤线，也可以说磨刀门的治理是通过开发 来实现的，开发工程本身就是治河工程措旌的重要部分。 磨刀门治理开发工程的实施是从1 9 8 2 年4 月经水利电力部批准的，以洪湾 北、鹤洲北作为试验工程后开始的。鹤洲北片围垦面积1 2 0 0 h m 2 ，工程于1 9 8 3 年动工，当年就部分投产，整个工程于1 9 8 5 年基本建成。三灶湾片、洪湾北片 的4 6 6 7 h m 2 的围垦也分别于1 9 8 4 、1 9 8 5 年动工，并于1 9 8 7 年相继成围投产。鹤 洲南、洪湾南和白龙河西片共6 9 3 3 h 皿2 的围垦工程，分别于1 9 8 9 、1 9 9 0 和1 9 9 3 年动工。到1 9 9 4 年，磨刀门口门主干的东、西治导堤线和洪湾支叉的南北治导 堤线已基本形成，巩固达标工作正在进行，各片围内的配套整治工程也在逐步实 施当中“”。 该治导堤线从1 7 0 0 m 、2 3 0 0 m 、2 5 0 0 m 宽三个方案中经过研究最后选择了以 1 3 中山人学砸 学位论文第2 章研究区域概况 2 3 0 0 m 作为泄洪纳潮十道宽度为方案，_ l 程后，横洲水道的深槽上段冲刷，下段 淤积，但是，淤积的程度较工程前大为减轻，水道深槽基本稳定，洪湾水道工程 后深槽刷深。工程后由于横洲水道缩至2 3 0 0 m ，下泄径流动力相对集中，下泄水 流在小香洲与沿岸流相汇，其动力较工程前有所提高”“。 治理以后，根据珠江水利委员会的何焯霞”。指出，在防洪防潮方面：由于磨 刀门丰支治导堤的形成，规定了行洪范围，使治理后的河道变得顺直通畅；在灌 溉、压咸、供水方面：工程后口门延伸1 5 k m ，咸界f 移，受益良田达1 1 3 3 3 k m 2 ， 今年来经治理后挂定角抽水站含氯一般在0 1 5 以下，这不仅利于灌溉，还为 对澳供水工程供应原水提供了水质保证。 磨刀门整治工程实施后，磨刀门水道沿程洪水水面线略有抬高，提高了抵御 风暴潮的能力，1 0 0 年一遇暴潮水位降低了0 1 9 m ，表明工程对提高灯笼山附近 的防潮能力是有作用的。马骝洲站占灯笼山站流量的分流比，工程后比工程前减 少了4 左右，结果基本符合制定洪湾水道治导线时的规划预期。另外，磨刀门 u 门的治理使灯笼山站的氯度有了大幅度下降“。 2 3 咸潮上溯概况 咸潮上溯属于河口一种特有的自然现象，多发于枯水季节。咸潮上溯意味着 位于江河下游的水厂在咸潮上溯期间抽上来的水不符合水质标准，亦不满足灌溉 的淡水要求。 从动力角度来看，河口咸潮上溯是径流动力和潮流动力相互作用，相互消长 的结果。径流动力强，咸潮被挡在口门之外，一旦径流动力减弱，潮流动力相对 加强，咸潮上溯就会加剧。 一般山潮比小的口门咸潮上溯严重，就磨刀门来说，其多年山潮比为5 5 7 ， 而虎门、崖门的山潮比是0 2 5 3 和0 2 9 5 。在年内山潮比少于0 5 的月份，虎 门和崖门都是1 2 个月，焦门7 个月，洪奇沥6 个月，鸡啼门和横门5 个月，虎 跳门4 个月，而磨刀门仅为1 个月。成潮一般都出现在每年的1 l 、1 2 月和翌年 的1 、2 月，这个时候是河流的枯季，径流动力弱，咸潮上溯距离就长。 在广东，2 0 0 4 年1 3 季度持续少雨干旱的前提下，第四季度又遭遇干旱。 根据2 0 0 4 年1 0 月1 3 同广东省水文局发布的最新水雨情，十月上旬全流域平均 1 4 叶j 山人学硕f 学位论义第2 章研究l x 域概批 降雨仅仪为3 m m ，比多年同期减少近9 0 ；2 0 0 4 年1 0 月上旬全省最重要的四大 江河平均流量均创历史新低，其中：北江流域月平均流量仪为1 0 1 m 。s ，比多年 同期平均流量1 0 0 0 m 1 s 减少8 6 4 ；西江流域月平均流量为4 6 0 0 m 。s ，比多年 同期平均流量5 5 0 0 m s 减少1 6 4 ；东江流域月平均流量仅为1 6 9 m 。s ，比多年 同期平均流量5 1 7 m 3 s 减少6 7 3 。与此同时，四大江河月平均水位除西江接近 历史最低值之外，北江、东江均跌至历史同期最低值。 2 0 0 4 年9 月，马口测得的最低水位是一0 1 3 m ，比1 9 9 8 年历史同期最低水 位一0 0 6 m 还要低。就在2 0 0 4 年，秋季历史罕见早歹 乏的成潮先后在9 月中旬袭 击珠海、1 0 月初袭击中山后，已经活跃上溯到了东莞、深圳、广州等地，2 0 0 4 年入秋以来，珠江流域旱情比2 0 0 3 年更为严重，河口地区戚潮比2 0 0 3 年同期提 前1 5 天出现。还有，2 0 0 4 年1 2 月7 日，强咸潮已经开始入侵中山市南镇水厂 并上溯至西江下游磨刀门水道的全禄水厂，中山市水利局的咸潮情况通报显示， 从2 0 0 4 年1 2 月1 0 日以来咸度都下降。南镇水厂1 3 同凌晨测得的氯度为 3 7 1 m g l ，九点回落到1 1 8m g l ，达到2 5 0m g 以下的萨常饮水标准。 图2 4 是2 0 0 4 2 0 0 5 年枯季咸潮影响可能最大范围示意图。 自2 0 0 3 年以来，珠江流域持续干旱，2 0 0 4 年秋未至今，旱情更为严重，珠 江三角洲成潮提早出现，澳门、珠海、中山、广州等地的供水安全受到严重威胁。 国家防汛抗旱总指挥部应广东省政府请求，国家防总于2 0 0 5 年1 月7r 正式批 准实施珠江压咸补淡应急调水，这是珠江流域有史以来首次远距离应急调水压成 方案。随着2 0 0 5 年1 月1 7 日远在千里之外的贵州天生桥一级电站开始加大下泄 量，源源不断的淡水跨越贵州、广西和广东三省区，并经过15 天的长途跋涉抵 达珠三角河口地区。缓解咸潮压力，为澳门、珠海、中山、。州等地供水提供安 全保障。 1 5 中山大学硕士学位论文第2 章研究区域概况 图2 - 4 珠江三角洲2 0 0 4 - - 2 0 0 5 枯季咸潮影响可能最大范围示意图 ( 图中红线表示咸潮上溯可能最大范围，0 5 标准) ( 摘自珠江水利委员会网站) 中山人学硕士学位论义第3 章西江流量、氯度的变化特征 第3 章西江流量、氯度的变化特征 3 1 马口流量与灯笼山氯度周期变化 3 1 1 谱分析介绍 谱分析是指从一个给定的时间序列估计其谱密度函数或谱的方法，即把时间 序列通过傅立叶变换或者傅立叶积分变换使它成为在频率域描述的函数，或者说 把时间序列在频率域上进行分解。因为看似复杂的水文现象都存在着简单的谐振 因子，都可以相当好的作为谐振变化处理。 通常时问序列反映了水文现象随时间的变化情况，它是时间域的描述，但对 于复杂的水文现象，时间域的描述往往不够全面深刻的反映其内部振动结构的特 点，例如，不易识别有哪些频率成分，何种频率成分占优势，各种频率的振动能 量分别是多少等等。谱分析方法正是从这方面入手，从本质上对水文现象进行分 析，从而使人们的认识更加深入。 功率谱是分析时间序列的频域关系的一种常用方法，在分析水文现象中一般 用来分析数据结构的物理属性，识别周期成分和噪声等1 。 功率谱 时间序列f ( t ) 的功率谱e 沏) 为 e ( m ) = 五( m ) 曩( ) ，( f ) 与f ( m ) 互为傅立叶变换对，e + ( m ) 是f ( r o ) 的共轭函数。 交叉谱 对于两个不同的时间序列 o ) 和f a t ) ，其交叉谱可表示为 臣：( 甜) = e ( c o ) e ( m ) ， f , ( c o ) 与，1 ( t ) ，与f a t ) 互为傅立叶变换对，对于离散的时间序列x 。和x z ， 互相关函数r ：( r ) 为 n r r z o ) ；1 ( n r ) 艺x ，x z + ， 1 7 中山大学硕十学位论文第3 章西江流量、氯度的变化特缸 号： ) = 1 m r 1 z ( o ) + 荟限z p ) + r ，扣) 】c o s ( 七舸历) + r t ) c 。s ( 缸盯删) o x ： ) = i m e r 1 ：p ) 一r 2 ，扛) 】s i n ( k v r r i m ) ， 式中，k = 0 ，1 ，2 ，r n ，m 为最大时延，取m = n 3 ，n 为实测数据数；# ： ) 为协谱；q 1 ： ) 为正交谱，有两者可求出振幅谱和位相谱。 频率相应系数 对于二位相互作用的时间序列，其关系由“系统”连 接。如果把一列作为输入，另- - n 作为输出，通过输入与输出之间的关系来推断 系统的性质，系统的描述方法可利用频率响应函数，对于没有噪声污染的线性系 统，频率响应函数的估计可表示为 h 。：( 珊) = ih ，。( ) i 已= 最( ) e ( ) 曩( ) = i 巧( ) i e e ) = i v 2 ( , o ) i e 叫 对于附加有噪声的线性系统，频率响应函数的估计可表示为 h 1 2 ( ) = e 1 2 ( ) e 1 ( ) h ( o j 、= g ( w ) e 一2 4 ：。1 g ) = i t t l ：扣) i g ( ) = c l ：( ) e 。( ) 删咖糍 3 1 2 马口流量谱分析 对马口站1 9 5 9 年到2 0 0 3 年月平均流量进行谱分析，分析方法参照文献4 6 用m a tl a b 软件分析，结果如图3 - 1 。 1 8 中山大学硕士学位论文第3 章西江流量、氯度的变化特 i i = f l3 o2 5 0 2 谱 0 1 5 密 度0 1 o0 5 4o 髫 波数( k ) 图3 一l 马口1 9 5 9 2 0 0 3 年月均流量原序列谱分析图 从谱结构上看，该序列表现出单波形，可以看出峰值对应的周期为1 a 峰值 且通过显著性检验，其余的周期成分均未通过显著性检验，可见西江马口站流量 的变化周期是以1 a 周期变化最为显著。 由于年周期的振动最显著，可能掩盖更长的周期波动，应用低通滤波器对月 均序列进行低通数字滤波处理，可分离出低频成分，由低通序列再进行谱分析， 滤掉1 a 周期以下的低通序列的谱分析的结果如图3 2 。 谱 密 度 图3 2 马口站1 9 5 9 2 0 0 3 年流量低通序列谱分析图 1 9 中山大学硕士学位论文第3 章西江流量、氯度的变化特征 可以看出，其低通序列同样表现为单波形，其他峰值包括l a 周期峰值也表 现不明显，最大峰值对应周期为4 5 a 左右。4 5 a 与典型的厄尔尼诺现象3 a 到 5 a 的变化平均周期比较接近。 为了探讨更长周期的波动，应用低通数字滤波的方法，滤掉6 a 周期以下的 低通序列的谱分析的结果如图3 3 。 图3 3 马口站1 9 5 9 2 0 0 3 年流量低通序列谱分析图 从图3 3 可以看出，同样是单波形，不同的是峰值，马口流量表现出了i l a 左右的周期，与太阳黑子的活动周期接近。 3 1 3 灯笼山氯度谱分析 用上述同样的方法，对灯笼山1 9 6 1 1 9 8 8 年2 8 年来氯度月均序列进行谱分 析，结果如图3 4 。 从图3 4 的谱结构图看，灯笼山氯度变化周期主要表现为三个，分别是0 5 a 、 1 a 、5 a 的周期，且均通过显著性检验，且以l a 周期的峰值尤其突出，与流量相 似，盐度的振动主要是年周期变化，其振动分量的方差贡献远大于其他频带的振 动，说明氯度的年变化也是最明显的，表明氯度的变化可能受流量年变化的影响， 但与流量谱不同的是，氯度谱的0 5 a 周期也通过了显著性检验。 2 0 中山大学硕l 学位论文第3 章西江流量、氯度的变化特征 0 2 5 o 2 谱0 1 s 密 度 0 0 0 5 波数( k ) 图3 4 灯笼山氯度1 9 6 1 1 9 8 8 年月均序列谱分析图 由于年周期的振动最显著，可能掩盖更长的周期波动，应用低通滤波器对灯 笼山氯度月均序列进行低通数字滤波处理，可分离出低频成分，由低通序列再进 行谱分析。滤掉1 a 周期以下的低通序列的谱分析的结果如图3 5 。 。2 0 1 e 0 6 0 t 4 谱0 1 2 密0 1 廑o a 8 0 , 0 5 0 0 4 00 2 0，02 03 0 4 0 5 0 7 0f l o 9 0 艘数( k ) 图3 - 5 灯笼山氯度低通序列谱分析图 从谱结构图看，经过过滤掉1 a 以下周期的谱分析图可以看出，其中3 a 以上 的周期较为明显，还有一个大约1 5 a 左右的周期附近也有一个峰值，也通过了 显著性检验。表明灯笼山氯度存在3 a ，1 5 a 的周期波动。 2 1