（流体力学专业论文）三十年伶仃洋地形演变及其动力变化与潮波传播特性.pdf

中山人学硕+ 学位论文 三十年伶仃洋地形演变及其动力变化与潮波传播特性研究 专业：流体力学 硕士生：邓俊杰 指导教师：包芸教授 摘要 三十年来伶仃洋地形在自然条件和人类活动双重影响下不断地演变，而地形改变又 影响了水动力特性。伶仃洋沿岸区域是重要的人类生活和经济发展的区域，对伶仃洋的 地形演变规律及其环境效应的研究有重要的科学意义和现实意义。因此，本文通过处理 1 9 7 4 年、1 9 8 9 年、1 9 9 9 年和2 0 0 6 年海图数据，定量并全面分析了伶仃洋的岸线和水下 地形在三十多年来的演变规律。通过二维水动力、泥沙数值模型c c o s t 2 d 对四个年份 洪季从大潮到小潮的数值模拟结果，并结合流体力学、地貌动力学等多学科知识，分析 和研究了三十年地形和动力边界不同引起的流场、射流动力和潮量的变化。 伶仃洋潮波传播过程中会发生潮波变形，为研究其变形过程和传播特性，本论文通 过珠江三角洲整体模型的计算结果，以深槽水面线作为潮波形态研究其特点。研究结果 表明，由于伶仃洋从外海至湾顶过水面积指数衰减形成的沿程流量差，涨潮时会出现水 位梯度作逆压驱动的水位上涨现象，同时潮波发生变形，波峰水位并不是最高水位。 通过海图数据的后处理计算，三十年来伶仃洋在不断萎缩，表现在水域面积、水体 容积和过水面积的减少，沿程过水面积的辐聚程度也是不断减弱的。与围垦活动的示意 图的比较中发现，围垦活动的强弱决定着水域面积的减小幅度。通过对伶仃洋各水深面 积和水体容积演变规律的综合分析，5 m 以深深槽面积对水体容积的演变起着最重要的 作用，其次是2 m 以浅的浅滩面积。通过各水深面积的分析，2 m 以浅浅滩面积在不断 向外扩展，5 m 以深面积则在浅滩面积的扩张下不断萎缩。总的来说，淤积是伶仃洋自 然演变过程中不可避免的趋势。结合人类活动，1 0 m 以深深槽面积多是人工挖沙和航道 疏浚造成其面积增加。 通过对四个年份洪季从大潮到小潮的水动力数值模拟，研究了地形和动力边界改变 引起的伶仃洋动力特性的变化。围垦活动延长了伶仃洋的入海水道，改变了入海口附近 的流场，使涨潮流更多地涨向西槽。通过对深槽沿程最大流速动力的分析，虎门涨、落 三十年伶仃洋地形演变及其动力变化与潮波传播特性研究 潮射流动力区的最大流速动力在不断减弱，川鼻深槽区的涨急流速的局部高值有北移的 趋势。蕉门与大虎涨潮水位相对高低的变化影响着凫洲水道的潮流和涨急流速局部高值 的位置。1 9 9 9 年和2 0 0 8 年涨潮时蕉门水位高于大虎，蕉门至大虎的正向水位梯度压力 致使凫洲水道呈现落潮流以及涨急流速局部高值北移。虎门峡口附近地形和动力条件的 变化也引起了射流方向的变化。射流以1 9 7 8 年的射流方向为起点东西两侧摆动后在 2 0 0 8 年返回原来的角度。随着伶仃洋过水面积的不断减小和水深的总体淤浅，其涨、落 潮量和纳潮量也在不断减小，这说明河口湾内与外海的物质交换能力也在减弱。通过对 径潮比从大潮n d , 潮的变化过程分析，潮流相对径流最强不是在大潮，而是从中潮n d , 潮期间，反映径流大小的净泄量也有相同的规律。 总的来说，伴随着伶仃洋的不断萎缩和淤浅，其射流动力和纳潮量都在不断减小。 射流动力和射流方向的变化影响着川鼻深槽向外输沙的能力和方向。纳潮量的减小削弱 了伶仃洋的潮流输沙能力，加速伶仃洋的淤积。伶仃洋的地形演变改变着动力，而动力 条件的变化同样也会影响着地形的演变。因此，理清两者的具体作用机制对研究伶仃洋 的演变将有很大的帮助。 关键词：伶仃洋；潮波传播；地形演变；数值模拟；流场：射流；潮量 中山人学硕十学位论文 t i t l e ：m o r p h o l o g i ce v o l u t i o na n dd y n a m i c v a r i a t i o ni nt h el a s t3 0y e a r s a n dt i d a lw a v ep r o p a g a t i o nr e s e a r c hi nl i n g d i n gb a y m a j o r ：f l u i dm e c h a n i c n a m e ：j u n j i ed e n g s u p e r v i s o r ：p r o f y u nb a o a b s t r a c t t h es h o r e l i n ea n db a t h y m e t r yo fl i n g d i n g y a n gc o n t i n u et oe v o l v eu n d e rt h ed o u b l e i m p a c to fn a t u r a lc o n d i t i o na n dh u m a na c t i v i t i e s ，a n dt h ed y n a m i cp r o p e r t i e so ff l u i dw i l l c h a n g e ，t o o t h ec o a s t a la r e a so fl i n g d i n g y a n ga r ei m p o r t a n tt oh u m a nl i f ea n de c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，s ot h er e s e a r c ho fm o r p h o l o g i ce v o l u t i o na n di t se f f e c t so nt h ee n v i r o n m e n th a s i m p o r t a n ts c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h e r e f o r e ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h es e am a pd a t ao ft h ey e a ro f19 7 4 ，19 8 9 ，19 9 9a n d2 0 0 6 ，t h ee v o l u t i o nl a wo ft h es h o r e l i n e a n db a t h y m e t r yi sa n a l y z e dq u a n t i f i c a t i o n a u ya n dc o m p r e h e n s i v e l yi nt h el a s t3 0y e a r s t h e d y n a m i cv a r i a t i o no fl i n g d i n g y a n gi sr e s e a r c h e dt h r o u g hs i m u l a t i o nr e s u l t sf r o ms p r i n gt i d et o n e a pt i d ei nt h ew e ts e a s o no ff o u ry e a r s ，b yt h et w o d i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i c ，s e d i m e n t t r a n s p o r tn u m e r i c a lm o d e l ( c c o s t 一2 d ) c o m b i n e d 研t ht h ek n o w l e d g eo ff l u i dm e c h a n i c ， m o r p h o l o g i cd y n a m i c sa n do t h e rd i s c i p l i n e s ，v i a r i a t i o no ft h ef l o wf i e l d ，j e td y n a m i ca n dt i d a l v o l u m ec a u s e db yd i f f e r e n tt o p o g r a p h i cb o u n d a r ya n dd y n a m i cb o u n d a r ya r ea n a l y z e d i nl i n g d i n g y a n ge s t u a r y ，t h ed e f o r m a t i o no ft i d a lw a v eo c c u r sd u r i n gi t s p r o c e s so f p r o p a g a t i o n f o rt h ea i mo fr e s e a r c h i n gt h ed e f o r m a t i o np r o c e s so fp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， t h r o u g ht h ec a l c u l a t e dr e s u l t so ft h ew h o l en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp e a r lr i v e rd e l t a , t h e w a t e rl e v e ll i n eo ft i d a lc h a n n e li ss e ta st h es h a p eo ft i d a lw a v e t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w t h a t ，t i d a ll e v e lr i s e su n d e ra d v e r s ew a t e rl e v e ls l o p em o r et h a no n eh o u rb e f o r ei tr e a c h e s h i g ht i d a ll e v e l ，w h i c hf o r m st h eh i g ht i d a ll e v e li n c r e a s i n ga l o n gt h et i d a lc h a n n e l t h ec a u s e o ff o r m a t i o ni sf o u n df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fm a s sc o n s e r v a t i o n a r e ao fc r o s s s e c t i o n d e c r e a s e sr a p i d l yf r o mb a ym o u t ht ob a yh e a do ft h el i n g d i n g y a n gb a y s ot h a tt h e r ei s e n o r m o u sg a po ft h ef l o wr a t eo fc r o s s s e c t i o nb e t w e e nt h eb a ym o u t ha n db a yh e a d f r o mp o s tp r o c e s s i n go fs e am a pd a t a , i nt h el a s t3 0y e a r sl i n g d i n g y a n gi sc o n s t a n t l y s h r i n k i n g ，w h i c hi ss h o w nb yt h ef a c tt h a tt h ew a t e ra r e a ，w a t e rv o l u m ea n dc r o s s s e c t i o na r e a i s d e c r e a s i n ga n dt h ec o n v e r g e n c eo fc r o s s s e c t i o na r e ai sa l s od w i n d l i n g t h r o u g ht h e c o m p a r i s o no ft h ef i g u r eo fl a n dr e c l a m a t i o na c t i v i t i e s ，r e c l a m a t i o na c t i v i t i e sd e t e r m i n et h e d e c r e a s er a t eo fw a t e ra r e a t h r o u g ht h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fa r e ao fc o u n t o u rl i n eo f d e p t ha n dw a t e rv o l u m eu n d e rm e a ns e al e v e l t h ea r e ad e e p e rt h a n5 mp l a y sam o s t i i i 三十年伶仃洋地形演变及其动力变化与潮波传播特性研究 i m p o r t a n tr o l eo nt h ee v o t i o no fw a t e rv o l u m e f o l l o w e db ys h o a la r e as h a l l o w e rt h a n2 m u n d e rt h ea n a l y s i so fa r e a so fd i f f e r e n tr a n g eo fd e p t h a r e ao fs h o a ls h a l l o w e rt h a n2 mi s c o n s t a n t l ye x p a n d i n go u t w a r d ，m e a n w h i l e ，a r e a sd e e p e rt h a n5 mi ss h r i n k i n gu n d e rt h e e x p a n s i o no fs h a l l o ws h o a la r e a i naw o r d o v e r a l ls e d i m e n t a t i o ni si n e v i t a b l ei nt h ep r o c e s s o ft h en a t u r a le v o l u t i o no ft h el i n g d i n g y a n g c o m b i n e d w i t hh u m a na c t i v i t i e s ，t h ei n c r e a s eo f a r e ad e e p e rt h a n10 mi sm o s t l yc a u s e db ym a n u a ls a n de x c a v a t i o na n dc h a n n e ld r e d g i n g t h r o u g ht h eh y d r o d y n a m i cs i m u l a t i o nf r o ms p r i n gt i d et on e a pt i d ei nt h ew e ts e a s o no f f o u ry e a r s t h ev i a r i a t i o no fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si nd i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n si s r e s e a r c h e d r e c l a m a t i o na c t i v i t i e se x t e n dt h el e n g t ho fs e a - e n t e r e dw a t e r w a y ，s ot h a tt h ef l o w f i e l da r o u n dt h em o u t ho fw a t e r w a yh a sc h a n g e d ，a n dm o r ef l o wf l o o di n t ow e s t c h a n n e l t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em a x i m u mv e l o c i t ya l o n gt h et i d a lc h a n n e l ，t h em a x i m u mj e tf l o w v e l o c i t yo fh u m e n i sd e c l i n i n g t h el o c a lh i g h e s tv e l o c i t yv a l u e si nt h ec h u a n b id e 印t r o u g h h a v et h et e n d e n c yo fm o v i n gn o r t h w a r d t h er e l a t i v eh e i g h to ft i d a ll e v e lb e t w e e nj i a o m e n a n dh u m e na f f e c t st h et i d a lf l o wo ft h ef u z h o uc h a n n e la n dl o c a lh i g h e s t - v a l u ep o s i t i o n i n t h ey e a ro f19 9 9a n d2 0 0 8 d u r i n gf l o o dt i m et i d a ll e v e lo fj i a o m e ni sh i g h e rt h a nh u m e n ，5 0 t h a tt h e r ei sp o s i t i v ep r e s s u r eg r a d i e n tf r o mj i a o m e nt oh u m e n l e d w h i c hl e a d st h a tt h ef l o w o ff u z h o uw a t e r w a yi sc o n s t a n t l ye b b i n ga n dl o c a lh i g h e s t - v a l u ep o s i t i o nm o v e sn o r t h w a r d t h ev a r i a t i o no fs h o r e l i n e ，b a t h y m e t r ya n dd y n a m i cc o n d i t i o n sa l s ol e a dt oc h a n g e si ni e t f l o wd i r e c t i o n t h ei e tf l o wd i r e c t i o no f19 7 8i ss e ta so r i g i na n dt h e ns w a yf r o me a s tt ow e s t ， i n2 0 0 8 i ta l m o s tr e t u r n st ot h eo r i g i n a la n g l e w i t ht h ed e c r e a s i n go fw a t e ra r e aa n dt h e o v e r a l ls h o a l i n go fb a t h y m e t r y ，t i d a lv o l u m ea n dt i d a lp r i s ma r ea l s oc o n s t a n t l yd e c r e a s i n g , w h i c h s h o w st h a tt h ee x c h a n g ec a p a c i t yo ft h em a t e r i a lb e t w e e nt h ee s t u a r ya n dt h eo p e ns e a i sa l s or e d u c e d t h r o u g ha n a l y z i n gv a r i a t i o no ft h er a t i oo fn e td i s c h a r g et of l o o da m o u n t f r o mt h es p r i n gt i d et on e a pt i d e ，t h er a t i or e a c h e sm i n i m u mv a l u ed u r i n gt h ep e r i o df r o m m i d d l et i d et on e a pt i d e a n dt h en e td i s c h a r g eh a st h es a m el a w i ng e n e r a l ，诵t ht h es h r i n k a g ea n ds h o a l i n go fl i n g d i n g y a n g , t h ej e td y n a m i ca n dt i d a l v o l u m ea r ec o n s t a n t l yd e c r e a s i n g j e tp o w e ra n dd i r e c t i o ni n f l u e n c et h ed i r e c t i o no fs e d i m e n t t r a n s p o r tc a p a c i t ya n do u t w a r dd i r e c t i o no fc h u a n b id e 印t r o u g h md e c r e a s eo f t i d a lp r i s m r e d u c e ss e d i m e n tt r a n s p o r tc a p a c i t yo ft i d a lf l o w ，w h i c ha c c e l e r a t e st h eo v e r a l ls h o a l i n go f l i n g d i n g y a n g t h em o r p h o l o g i ce v o l u t i o no fl i n g d i n g y a n gc h a n g e st h ed y n a m i c ，w h i l et h e d y n a m i cv a r i a t i o na l s oa f f e c t st h em o r p h o l o g i ce v o l u t i o n t h e r e f o r e ，t ou n d e r s t a n dt h e i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo ft o p o g r a p h ya n dd y n a m i cw i l lb eo fg r e a th e l pf o rr e s e a r c h i n g l i n g d i n g y a n g k e yw o r d s ：l i n g d i n g y a n g ；t i d a lw a v ep r o p a g a t i o n ：m o r p h o l o g i ee v o l u t i o n ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；f l o wf i e l d ；j e tf l o w ；t i d a lv o l u m e i v 论文原创性声明内容 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：卵彳参褒， 日期：纠口年6 月7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他 方法保存学位论文。 ，、： 学位论文作者签名：唰分殳导师签名：对 日期：纠。年石月7 日日期：纠护年月7 日 三十年伶仃洋地形演变及其动力变化与潮波传播特十牛 1 1 问题提出及研究意义 第一章绪论 按p r i c h a r d 的定义，河口是个半封闭的海岸水体有一条或多条河流从内陆流入， 并町自由的连接于外海。珠江河口是世界上水沙运动最复杂的河口之一。河口受径流 和外海潮波的双向作用具有复杂的动力机制。河口既有河流的部分特征，如洪、枯季 的变化，又有外海潮波的特征，如潮位和潮流的j 爿期性变化特征。同时，河口还受本身 形状、水下地形的摩阻等作用，具有很强的非线性作用”】，岸线和地形对河口动力有重 要的影响。河流带来的淡水与外海随潮流而来的盐水混台，致使河口水流的驱动力不仅 是由重力作用形成的正压力，还有由于密度梯度形成的斜压力口】河门区的动力更加复 杂。在河口湾湾口，横向尺度增大，科氏力作用和底摩擦作用一样不容忽视【4 】。随着珠 江三角洲经济和社会的发展，人类活动对珠江河口区的影响越来越大口】，改变了河u 区 的动力环境，使动力变化更加复杂。珠江河口地区是一个有多种力作用下的具有复杂流 动的流体控制体，它的流动是时间和空间的函数。 k ：誓了 日 l 十￥r n ”# b h 目 ：。， 霾 ：，芦1 受如：蓼 。- 一一 一一l m # n jh 。， 闰i - 1 鸡抱沙隔早前后伶仃洋虎门口附近区域甲星图片 f i g l - 1s a t e l l i t e i m a g e o f l i n g d i n g y a n g b e f o ma n da f 【盯t h er e d a 叫t i 呻o f j i b a o s h a 馘 中山大学硕士研究生学位论文 伶仃洋是珠江河口最大的河口湾。图1 1 给出了上世纪9 0 年代与7 0 年代伶仃洋的 卫星图。可以看到，8 0 年代鸡抱沙围垦将蕉门入海水道分成两支，延长了三大口门的入 海水道，伶仃洋水域面积明显减小。从图中水下地形的等值线可以看出，9 0 年代与7 0 年代的水下地形同样发生了很大的变化。同时，围垦、航道疏浚和人工挖沙等人类活动 对伶仃洋的水下地形同样有重要的影响，并且在不同阶段人类活动的强度不一样【5 1 。进 入2 l 世纪后，伶仃洋岸线和水下地形仍在发生不断的变化。 伶仃洋沿岸区域是重要的人类生活和经济发展的区域，岸线和地形变化会造成一定 的环境效应。由于河口延伸，其邻近上游水位必然按河口水位比降相应升高，上游水位 因此受到影响1 6 】。如果外海潮波变化相对口门小，那口门入海口附近流场则会因此发生 变化。围垦活动缩小了伶仃洋的纳潮面积，其主要环境效应是造成上游排洪不畅川深 槽面积萎缩和纳潮面积减, j , i l j 弱了潮流动力，同时也使伶仃洋潮流量减少，潮汐通道的 尾部向珠江口方向退缩，广州港和黄埔港的水位会增高【s 】。 虎门射流动力是研究伶仃洋的一个重要的科学问题。虎门口由于上、下游纳潮面积 的增大，发育了双向不对称的涨、落潮射流【9 】。虎门潮流动力较强，纳潮量居八大口门 之首【l o 】，伶仃洋一虎门狮子洋是重要的纳潮、泄洪通道，也是主要的潮汐通道。蕉门水 道和虎门水道是两条近乎平行的水道。蕉门是径流主导型口门，而且鸡抱沙围垦将蕉门 入海水道分成凫洲水道和龙穴南水道两支，潮波无法通过浅滩传入蕉门，而必须通过这 两条水道。因此，对于传入伶仃洋的同一潮波，蕉门相对虎门的潮波变化会更大。另外， 虎门射流动力主要是正压力驱动1 9 】，而鸡抱沙围垦后凫洲水道逐渐成为蕉门的主要出海 口，因此蕉门和虎门的潮波对比特性对虎门射流动力特性会有重要的影响。 因此，伶仃洋岸线和水下地形的演变对滩涂资源开发、港湾建设和上游防洪、泄洪 都有重要的影响，对伶仃洋沿岸的发展规划和治理以及口门导治等将有重大的意义。地 形演变过程中的环境效应尤其是动力变化的研究也具有重要的科学意义和现实意义。 数学模型是研究河口的重要手段之一对于某一流体控制体，边界条件和内部流体 性质等决定着其内部水动力特性，而对于流体性质相对稳定的流体，其边界改变对动力 起着决定性的影响。伶仃洋作为一个流体控制体，其岸线和水下地形作为侧边界和地形 边界，东四口门和湾口潮波则分别是上游动力边界和下游动力边界。三十年伶仃洋岸线 和水下地形会发生改变，其上、下游动力边界也不会是恒定不变的。由图1 1 所示，伶 仃洋的岸线和地形边界发生了很大变化，其动力边界也会随着岸线和地形边界的改变而 改变。数学模型在参数和网格一致的情况下，边界对它的计算结果有着最主要且最直接 的影响。数学模型还有重要的优势，它可以得到整个场的水位和流速数据。因此，本论 三十年伶仃洋地形演变及其动力变化与潮波传播特性 文通过数学模型计算结果将潮流动力和潮量的变化定量地展现出来，并从流体力学场的 角度从这些变化中研究伶仃洋的动力特性。 基于以上认识，本论文通过处理1 9 7 4 年、1 9 8 9 年、1 9 9 9 年和2 0 0 6 年海图数据， 定量并全面分析了伶仃洋的岸线和水下地形在三十多年来的演变规律。通过二维水动 力、泥沙数值模型c c o s t 2 d 对四个年份洪季从大潮n d , 潮的数值模拟结果，分析和研 究了三十年地形和动力边界不同引起的流场、射流动力和潮量的变化。并且通过研究以 下几个具体问题探讨伶仃洋的动力特性： ( 1 )本论文从自然条件和人类活动两个角度分析了过去三十多年岸线和水下地形 的变化，以及在岸线、地形和动力边界改变下伶仃洋的整体涨、落潮流场的 变化。 ( 2 )探讨在伶仃洋的萎缩和虎门局部地形、动力条件的改变下，虎门涨、落潮射 流动力特性和射流方向的变化。并且，通过分析蕉门潮位相对虎门潮位三十 年来的变化，探讨它对入海水道延长后口门入海口附近流场的变化和对虎门 动力的影响。 ( 3 )随着伶仃洋的纳潮面积和过水面积的改变，其涨、落潮量、径潮比和纳潮量 在三十年来的变化，以及从大潮n d , 潮展现出的特点。 伶仃洋河口湾内与靠近外海处的潮差、历时都有明显的不同，由于径流的作用，从 外海到河口湾顶涨潮历时缩短，落潮历时增加，而平均潮差随着河口湾的变窄、变浅， 潮能辐聚，潮差增大【1 1 】。伶仃洋潮波传播的波形变化，以及传播过程中潮差的具体放大 过程也是本文对研究伶仃洋的潮波传播特性所要认真探讨的问题。 1 2 伶仃洋概况 ( 1 ) 地理位置 珠江是西江、北江、东江以及珠江三角洲其他诸河四个水系的总称，八个口门中包 括了径流型和潮流型河口，是世界上水沙运动最复杂的河口之一。八大口门将世界上最 复杂的网河体系与独特的河口湾区连接了起来n 利。伶仃洋位于珠江三角洲的东南部，是 珠江最大的河口湾，东四口门虎门、蕉门、洪奇沥和横门的水沙注入，其中虎门为潮流 优势型口门，其余三大口门均为径流优势型口门。伶仃洋大致呈南北走向，从湾头虎门 沙角至湾口桂山岛，长7 0 公里，湾头沙角处宽4 公旱，中部唐家至赤湾约2 7 公罩，湾 口澳门至香港间宽达5 8 公里，形似漏斗。全域面积2 1 0 0 k m 2 ，内伶仃洋水域面积 1 0 4 1 k m 趾1 3 。内伶仃岛以北区域称为内伶仃洋，如图1 - 2 所示。 中j l 】人学硕l 研究生学何论文 ( 2 ) 地形格局 伶仃洋整体地形格局为“三滩两槽”三濉是指东滩、中滩和西滩，如图1 2 所小， 来滩由变椅沙、公沙等东音l f 浅滩组成，中潍主要山伶仃拦江沙、矾右浅滩组成，两滩面 积最大，由进口浅滩、沙仙尾滩、抒沙等西部浅滩组成；晦槽指的是东、两两槽，东槽 主要是矾石水道西槽是伶仃水道，两槽汇合处是虎门口j i i 鼻水道【l q 。“三滩两槽”的 格局跟伶仃洋四大i j 门的径流动力以及潮流动力的作用密切相关。 1 3st 1 36t ，37 t b ”39 1 幽卜2 伶仃洋r 域何踅及2 0 0 6 年地形略蚓 f i g i 一2p o s i t i o na n d t o p o g r a p h y o f l i n g d i n e c a n g ( 3 ) 径流量和输沙量概况 珠汀年径流总量3 2 6 0 1 0 8 m 3 ，年平均输沙总量9 3 3 4 10 4 吨，其中有约7 5 的泥沙 输出口门【6 i 。如表i 1 所示，从年径流量对比上看，东四口门分流比均比西四口门大， 其中1 9 9 9 年比1 9 8 7 年多了1 0 个百分点的分流比。伶仃洋是珠江径流量的主要输出 1 ， 其中虎门分流比在东四口门中培大。另外，从表l l 町以看出年输沙量的对比，东四口 门输沙比从上世纪六、七十年代到1 9 9 9 年逐渐增大至5 68 ，东四口门中仅有虎门分 沙比小于分流比，虎门虽然径流量大，但输沙量却小很多。据1 9 7 8 1 9 7 9 年伶仃洋6 8 三十年伶仃洋地形演变及其动力变化与潮波传播特性 个潮全潮观测，伶仃洋平均每潮上边界净输入伶仃洋的泥沙量为3 9 1 3 4 万吨，下边界仅 为1 3 8 万吨，这说明伶仃洋主要是河流输沙为主且输沙量大。【1 5 】 表卜1 珠江三角洲各口门年径流鼍和输沙量的分配【1 0 1 t a b 1 - ir a t i oo f a n n u a ld i s c h a r g ea n ds t r e a ml o a do f t h ee s t u a r i e si nt h ez h u j i a n gd e l t a ( 4 ) 潮波性质 伶仃洋潮波是由从巴士海峡传入的太平洋潮波，经过南海东北部，到达珠江的。根 据潮汐系数f ，介于0 5 至2 0 之间，珠江河口属于不正规混合半同潮，具有涨、落潮 差不对称和涨、落历时的不对称，由于径流的作用，落潮历时和落潮潮差较大l i3 1 。伶仃 洋的平均潮差在1 0 8 米( 横门) 一1 6 9 米( 大虎) 之间，按j l 戴维斯河口分类标 准，小于2 米为弱潮河口。潮波在伶仃洋传播过程中，受喇叭口形状影响，潮差从赤湾 到大虎沿程不断递增。i l 5 j ( 5 ) 潮量特征 虎门多年平均涨潮量占八大口门总涨潮量的6 0 8 2 2 ，落潮量占4 1 6 2 4 ，据 1 9 7 8 1 9 7 9 年7 2 个潮期的实测资料，伶仃洋湾中唐家湾内伶仃岛赤湾断面，平均一个 潮期涨潮量为1 4 7 x1 0 8 m 3 ，最大为2 3 1 3x1 0 8 m 3 。湾头四大1 2 1 门平均一个潮期涨潮量 为4 2 6 1 0 8 m 3 ，最大7 5 6 1 0 8 m 3 。由此可知涨潮时有大量的潮量停滞在伶仃洋内造成 潮位的抬高。作为衡量径流与潮流强弱的一个参数，山潮比多年平均值虎门为0 2 5 3 ， 中山火学硕+ 研究生学位论文 蕉门为1 6 6 4 ，洪奇门为2 0 7 1 ，横门为2 6 4 4 。1 1 3 1 因此，虎门属于强潮流和具有较大纳 潮量的口门，是伶仃洋重要的潮流通道。 ( 6 ) 盐水混合概况 表1 - 2 伶仃洋湾头混合指数【1 6 l t a b 1 - 2m i x i n gi n d e xo fl i n g d i n g y a n g 上世经七十年代，汛期伶仃洋盐水楔的前锋活动于拦江沙头与内伶仃岛附近之间的 水域，涨憩时可到达交椅沙西侧的川鼻深槽。一般东槽呈层型，落憩时成高度成层型； 西槽受西部冲淡水影响较大，呈缓混合型。【1 3 】1 9 9 9 年7 月的观测资料显示，距虎门口 约1 5 公罩处的川鼻深槽处出现了较高的盐度跃层梯度，盐度变化率为1 0 8 o m ，底层 盐度高达2 6 ，盐度高度成层，底层盐水上溯强度增强。 1 7 l 表1 2 所示伶仃洋湾头混合 指数均在1 0 。1 附近，为缓混合型。 ( 7 ) 人类活动概况p j 珠江三角洲还是我国经济最发达的地区之一，人类活动在这个区域的影响巨大。河 口湾区的人类活动主要是围垦滩涂、航道疏竣和人为采沙。1 9 4 9 1 9 8 7 年间，围垦规模 小，平均每年为6 k m 2 ；1 9 8 8 1 9 9 7 年间，围垦失控，平均每年为3 5 6 1 0 n 2 | 5 1 。1 9 9 7 年后， 基本停止了围垦造地，从卫星图片( 图1 1 ) 上看，近年来珠江口西岸的围垦填海运动 的规模要强于珠江口东岸。围垦造地改变了伶仃洋的纳潮面积，并且在7 0 年代、8 0 年 代、9 0 年代和本世纪初呈现不同的规模。航道疏浚是为了提高广州港的出海航道的吃水 能力，航道疏浚增大了伶仃航道的水深，1 9 7 4 年水深为6 8 8 5 米，1 9 8 9 年维持在约9 1 米，1 9 9 8 年约9 8 1 2 0 米。2 0 1 0 年计划将广州出海航道浚深至1 5 0 米。航道疏浚改变 了泥沙的空间位置，航道回淤提高了伶仃水道的淤积量，加大了东、西槽的沉积差异。 伶仃洋的采沙工程主要在其东部水域。上世纪9 0 年代在交椅沙附近无序采沙数千万立 方米。1 9 8 9 1 9 9 8 川鼻水道平均最大水深由约1 7 米增至2 2 米。 三十年伶仃洋地形演变及其动力变化与潮波传播特性 1 3 伶仃洋研究进展 1 3 1 伶仃洋地形演变研究进展 乐培九( 2 0 0 1 ) 对伶仃洋的滩槽演变和发展趋势做了细致深入的分析，对伶仃洋淤 积的主要原因进行了分析，认为主要有以下原因，一是伶仃洋水域广阔，四口来流分散， 流向不一致，来沙量大而集中；二是潮汐动力弱，挟沙能力小；三是咸淡水混合造成淤 积；还有风浪的刷滩淤槽作用。认为保护伶仃洋主要是保持潮流动力和径流动力，也就 保持了潮流的挟沙能力和径流的冲刷能力，并且要减少径流来沙。伶仃洋的演变趋势将 以淤积为主。进一步确立伶仃洋喇叭形河口形状，将有利于减少伶仃洋内的淤积，因为 虎门口水量集中，挟沙力增强，潮波变形致使狮子洋的潮流速增大。【l8 】闻平( 2 0 0 3 ) 等 应用s u r f e r 软件对1 9 5 3 、1 9 6 4 、1 9 7 4 、1 9 8 9 和1 9 9 8 年的伶仃洋的滩槽冲淤的变化趋势 进行了分析，认为伶仃洋的淤积是一种必然趋势，滩槽冲淤演变特点为“浅滩愈浅、深 槽愈深”。对这些变化成因的分析，认为网河区的联围筑闸和滩涂大面积围垦使大网河 区落淤的泥沙减少，大量的泥沙直接排入伶仃洋。入海水道的延长使得泥沙越过西槽， 加速中滩的淤积，凫洲水道的形成使蕉门的水沙更多流向虎门射流口，减小了西滩的泥 沙量，在落潮射流的影响下增加了南部浅滩的淤积【l9 】。陈水森( 2 0 0 1 ) 等采用了g i s 和遥感分析，对舢板洲断面至淇澳岛内伶仃赤湾断面之间的区域对比了1 9 7 4 年到1 9 9 8 年的滩槽演变，认为深槽萎缩意味着潮流作用的减弱，浅滩的淤积会增强，必然会加剧 径流来沙的淤积，加剧伶仃洋的缩小过程。伶仃洋水域面积的缩小致使伶仃洋和狮子洋 的潮流量减小，潮汐通道的尾部向珠江口方向退缩，广州港和黄埔港的水位会增高，影 响珠三角的防洪安全。岸区开发是浅滩面积萎缩的主要原因。以上对伶仃洋环境效应如 潮流减弱、水位抬高和潮量减小的分析仅是经验的，并没有实际的定量的结果【8 l 。黄镇 国( 2 0 0 4 ) 等对七十年代到1 9 9 9 年近二十多年的珠江河口演变和滩涂资源做了分析。 这二十年里东四口门分沙比增加了1 0 个百分点，加速了伶仃洋的淤积。东四口门的年 均淤积量、水域缩小面积、滩涂自然增长率都比西四口门的大，伶仃洋西滩的增长率是 东滩2 5 倍。滩涂围垦速率在1 9 8 4 1 9 8 8 年达到最大，并超过了滩涂的自然增长率i i o j 。 姚冬静( 2 0 0 7 ) 等通过建立十年尺度长周期动力形态模型再现了伶仃洋从1 9 7 4 年到1 9 9 8 年的滩槽冲淤演变过程，通过透水网格法模拟抛石促淤和围垦，对自然演变和人类活动 影响强度进行量化，研究了这三十年来围垦对环境演变的影响。抛石线模型可增加泥沙 的淤积速率，计算结果较好的反演了人工抛石后的实际淤积过程，可见人类围垦活动加 速了自然演变过程。按人类活动强弱分三个时间段探讨了伶仃洋的演变过程，认为在强 烈围垦活动阶段淤积量明显比主要受自然因素阶段的淤积量大，围垦工程接近尾声和实 中山人学硕十研究生学位论文 施后的阶段，滩地面积减少使得淤积减缓，西槽被进一步浚深，水动力加强1 5 1 。李学杰 ( 2 0 0 7 ) 对伶仃洋1 9 7 9 年以来利用多时相遥感影像提取的岸线进行分析，结合地形图， 认为岸线变迁原因为沉积作用和围海造地，以及码头、池塘等人工建筑形成的岸线向海 延伸，其形成的主要环境效应是是造成上游排洪不例7 1 。还有徐君亮1 1 4 】、赵焕庭 2 0 】等人 也对伶仃洋的滩槽演变、沉积物特征和沉积环境等作了细致的描述。 前人对地形演变的研究多集中在1 9 9 8 年以前的滩槽演变的定量分析上，对岸线的 研究刚在2 0 0 3 年以前，地形演变的环境效应则更多是定性的分析。 1 3 2 伶仃洋数值模拟技术研究 ( 1 ) 珠江三角洲整体模型技术研究进展 张仁俊等( 1 9 8 6 ) 为配合磨刀门口门整治，建立了磨刀门与上游河网的一、二维联 解潮流计算1 2 l 】。顾再民( 1 9 9 1 ，1 9 9 3