（物理海洋学专业论文）四十年来磨刀门河口区地形演变和水动力特性变化.pdf

中l ij 人学硕士论文 四十年来磨刀门河口区地形演变和水动力特性变化 物理海洋 硕士生 吕海滨 指导教师 吴超羽 摘要 磨川门是颈江主干水流出海1 2 1 门和主要泄洪通道 四十年来河床形态变化很 大 研究磨 t j 门河1 3 地形演变前后的水动力特性变化 有利于加深对磨刀门河1 3 的 总体认识 在珠江三角洲形成演变的大背景下 探讨地形演变下的水动力特性变化 更有意义 本文运用河l q 动力学 地貌动力学 河床演变学 河流动力学等多学科的综合 知识 运用数值模拟技术 借助计算机软件 对磨刀门河口区四十年来地形变化下 的水动力特性进行了对比分析 本人的研究结果表明 1 构造沉降作用在磨刀门河口区的河床演变过程中不可咀忽略 随着空间的变 化 构造沉降作用对河道深槽的加深的贡献率也不同 离沉降中心越近 构造沉降 的贡献率越大 在不考虑人类活动的前提下 构造沉降作用对河床加深的贡献率随 着水动力强度的变化而变化 2 从数值模拟的流场看 整个磨刀门 海区水动力强度在八十年代前 是逐年 减弱的 特别是一些基岩岛屿附近出现一些低流速的 漩涡 例如大卡亡州岛西北部 横州岛北 峡口处涨潮流强度减弱 例如龙屎窟峡1 3 现在的白龙河水动力弱 涨 落潮流速不大 磨j j 门水道与洪湾水道流速滩槽差异明显 3 四十年里 磨刀门河i z l 始终是径强潮弱型河口 正压作用强于斜压作用 相 同边界条件不同地形下模拟了七天时间 模拟时间内逐时水位差 四十年里的变化 趋势是先减小后增大 当马骝洲落急时刻前后 2 9 0 9 年地形下挂定角站至大横琴站 挂定角站至马骝洲站的水位差远远大于六十年代和七十年代的 水面坡降落潮平均 中 j 大学硕士论文 比涨潮平均大一个数量级 七天时间里涨潮平均水位差在三个年代的变化都是下游 水位大于上游水位 其变化趋势是 挂定角一马骝洲段先增大后减小 挂定角一大 横琴段始终在减小 涨潮期间平均水面坡降有类似的变化 4 潮能通量密度的空间分布与单位面积水柱的动能空间分布基本一致 潮能通 量在深槽处明显大于浅滩处 位能由外向内逐渐减小 说明在磨j j 门河口区流速 水深对潮能通量的大小起到决定性作用 磨 j 门河口区岛屿的空间组合类型对潮能 通量的影响较明显 在幕岩岛屿周围 如大柱洲岛 由于泥沙淤积严重 潮能通量 较低 在蛱口处 如龙屎窟峡口 由于地形缩窄 与潮流进退方向相同的地方动能 与潮能通量相对集中 自缩窄处地形向两侧放宽后 流速减小 能量发生分散 关键词 河口潮能通量沉积断裂带数值模拟 i i 中山大学硕士论文 t o p o g r a p h i ce v o l v e m e n ta n dh y d r o d y n a m i cc h a n g ei nt h er i v e r m o u t ho f m o d a o g a t ed u r i n gt h el a s tf o r t yy e a r s p h y s i c a l0 c e a n o g r a p h y l uh a i b i n s u p e r v is o r w uc h a o y u a b s t r a c t t h e m o d a o g a t ei st h em a i nw a t e re x p o r tt ot h es e aa n dm a i np a s s a g e t of l o o dd i s c h a r g eo ft h e x ij i a n g r i v e r d u r i n gt h ep a s tf o r t yy e a r s t h e r ea r eal o to ft o p o g r a p h i ce v o l v e m e n t si n m o d a o g a t e a n dt h er e s e a r c h o nh y d r o d y n a m i cv a r i e t yd u r i n gt h et o p o g r a p h i ce v o l v e m e n tc a nh e l pu st o u n d e r s t a n dt h eg a t eb e t t e r u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h ep e a r l d e l t a e v o l v e m e n t i ti sm e a n i n g f u lt os t u d yt o p o g r a p h i ce v o l v e m e n ta n d h y d r o d y n a m i cv a r i e t y t h i s p a p e ra n a l y s e s t h e h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h e i n f l u e n c eo f t o p o g r a p h y t r a n s f o r m a t i o no f m o d a o g a t e b a s eo n m u l t i d i s c i p li n a r ys t u d i e sw i t ht h eh e l po f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h es t u t yr e s u l ts h o w sa sf o ll o w s 1 d u r i n gt h e l a s tf o r t yy e a r s g e o l o g i c a lp r o c e s sa tt h er i v e rb e do f m o d a o g a t ec a nn o tb en e g l e c t e d t h ec o n t r i b u t i o no fg e o l o g i c a lp r o c e s s t ot h et r o u g hd e e p e n i n gv a r i e da td i f f e r e n c el o c a t i o n w h i c hi sm o r e i m p o r t a n ta tt h e c e n t e ro ff a u ltz o n et h a no t h e r s i nt h ep r e m i s eo f n e g l e c t i n g t h eh u m a n a c t i v i t i e s g e o l o g i c a lp r o c e s sv a t i e d w h e nt h e h y d r o d y n a m i ci n t e n s i t yc h a n g e s 2 b a s eo nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sc u r r e n tf i e l d h y d r o d y n a m i c i n t e n s i t yo ft h a l a s s i ca r e ao ft h e m o d a o g a t eh a db e e nw e a k e n e db e f o r e 1 9 8 0 sy e a rb yy e a r t h e r ea r es o m es p e c i a lc a s e sa r o u n ds o m er o c k yi s l a n d s s u c ha s d a m a n g z h o u i s l a n d h e n g z h o u i s l a n d t h e r ea r es o m es w i r l s w h e r et h ec u r r e n tv e l o c i t yi ss m a l l e r a r o u n dt h e l o n g s h i k u g o r g e t h e i l l 尘兰堡 垩苎 f l o o dt i d e i n t e n s i t y b e c a m e w e a k e r n o w h y d r o d y n a m i ci n t e n s i t y i n b a i l o n g h e r i v e ri sw e a k e n i n g t h ef l o o dt i d es p e e di ss m a l l v e l o c i t y i nd e e pc h a n n e li s g r e a t e rt h a n t h a to nt h es h o a l 3 d u r i n gt h el a s tf o r t yy e a r s t h ef r e s h w a t e ri n t e n s i t yg a i nd o m i n a n c e o v e rt h et i d a lc u r r e n ti n t e n s i t yi n s i m u l a t et h ec u r r e n tf i e l do fs e v e n m o d a o m e n r i v e rm o u t h t h i sp a p e r d a y si n m o d a o g a t ew i t ht h es a m e b o u n d a r yc o n d i t i o nw i t hd i f f e r e n tt o p o g r a p h y t h er e s u l ts h o w st h a tt h e t i m e l yw a t e rl e v e ld i f f e r e n c ed i m i n i s h e sa tf i r s t t h e ni n c r e a s e s a v e r a g e w a t e rg r a d sa te b bt i d ei sb i g g e rt h a nt h o s ea tf l o o dt i d e t h er e s u l to f s i m u l a ti o ns h o w st h a t f l o o dt i d e a v e r a g ew a t e r l e v e ld i f f e r e n c ei n m a l i u z h o u c h a n n e li n c r e a s e sa t f i r s t t h e nd i m i n i s h e s a n do n ei n h e n g z h o u c h a n n e ld i m i n i s h e sa l l t h et i m e 4 t h es p a c ed i s t r i b u t i o ni nt i d a le n e r g ya n dk i n e t i ce n e r g ya r et h es a m e i t i sc 1 e a r l yt h a tt h et i d a le n e r g yi n d e e pt r o u g hi sb i g g e rt h a nt h a to n t h es h o a l p o t e n t i a le n e r g yd i m i n is h e sf r o mo u t s i d eo c e a nt oi n s i d eo c e a n i ts h o w st h a ta tt h er i v e rm o u t h v e l o c i t yo ff l o wa n dd e p t ho ft h er i v e r b e da r et w oi m p o r t a n tf a c t o r st od e t e r m i n et h et i d a l e n e r g yf i u x i s l a n d s a n di n l e t sa f f e c tt h et i d a l e n e r g yf l u xc o n s p i c u o u s l y a r o u n dt h ei s l a n d s a n di n l e t s t h e r ei s1 e s st i d a e n e r g yf l u xd u et os e d i m e n t s a tt h eg o r g e d u et os t r a i tt o p o g r a p h y t i d a le n e r g yf l u xe e l l e c t sc o m p a r a t i v e l yi nt h e t i d a lc u r r e n td i r e c t i o n f r o mg o r g et o u t s i d e e n e r g yf l u x s p r e a d so u t k e y w o r d r i v e rm o u t h t id a l e n e r g yf l u x s e d i m e n tf a u tz o n e n u m e r i c a lm o d e l l i n g 中山大学硕士论文第1 章引言 第1 章引言 珠江由西江 北江 东江组成 其河网密布 水道纵横 流域总面积约达4 6 x l o k i 珠江三角洲内诸河自东而西汇集于虎门 蕉门 洪奇门 横门 磨刀门 鸡啼门 虎跳门和崖门八个口门流入南海 见 图卜1 磨刀门是西江的主要出口和主要泄洪通道 河口地形滩槽分异明显 磨刀门水 道自然向海外延伸 口内有一系列的山丘 海岛 自东而西有柁洲岛 横琴岛 石 栏洲 鹤洲 横洲 马鬃岛 大 小冈岛和三灶岛等 岛屿之间有洪湾水道4 横州 水道 白龙河水道和龙屎窟水道等 横州水道主槽位于鹤洲与横琴岛之间 呈北西 一南东走向自然向外海延伸 槽床呈冲刷状态 至石栏洲岛以南河槽形态发生分汉 原有主槽向西南偏移 由于拦门沙东翼的推进 在拦门沙与石栏洲之间形成一条东 南方向发展的深槽 三灶岛与鹤洲围垦区之间的白龙河水道是西垦区的排水通道 经龙屎窟出海 因来水来沙较少 淤积较快 浅滩较多 龙屎窟下段因涨潮流作用 强 仍具有较深的深槽 拦门沙东西两翼分别与横琴岛边滩和交杯沙浅滩衔接 呈 新月形沙坝向海突出 见图1 2 1 1 问题提出及科学意义 河口海岸 动力一沉积 地貌 过程一直为沉积学 物理海洋学 地貌学领域的 研究内容 地貌和动力是相互作用的一对矛盾 长期来看 两者趋向于建立相互间 的平衡 水动力条件的改变会影响泥沙的沉积 改变地貌形态 反过来 地貌形态 又对水动力条件产生反作用 地貌形态变化 必然引起水动力特性作出相应的调整 两者相互影响共同存在 门 是珠江三角洲的独特而典型地貌单元 从地貌动力学角度 结合四十年 现在的洪湾水道 在六十年代称为 上沟 七十年代当大 小横琴岛间的 中心沟 被围垦后 由于该水道 东螭有马骝洲岛存在 多被称为 马骝洲水道 八十年代磨刀门河口丈规模整治工程后至今 人们习惯上称 拱 湾水遒 中山大学硕士论文 第1 章引言 来的河床地形演变 探讨磨刀 门 河口区一些峡口 如龙屎窟峡口 基岩岛屿 如 大卡亡州岛 在这个过程中的作用的变化 具有重要的理论意义 四十年来 磨刀门河口在人类活动 包括海滩围垦 网河区河流建坝 联围筑 闸 无序采砂 航道疏浚 重大的海洋工程等 的影响下 河口的地貌形态变化很 大 从1 9 5 9 年 白藤堵海 开始 人类对磨刀门的改造强度加剧 特别八十年代后 到现在 河床形态完全改变 见图i 3 i 4 i 5 这种变化在水动力特性上的反 映会怎样 正是本人要研究的内容 上个世纪9 0 年代以来 在国家自然科学基金委员会和中国科学院的大力支持下 相继开展了一系列包括海陆相互作用及其环境效应的重点项目的研究 中山大学近 岸海洋科学与技术研究中心就是在这个大背景下 承担的9 7 3 项目 长时间尺度河口 近岸环境演变及其对河口过程的影响 项目编号 2 0 0 2 c b 4 1 2 4 0 7 本论文是海 洋中心课题组的一部分 我选择的论文题目是 四十年来磨刀门河口区地形演变和 水动力特性变化 1 2 研究内容 在四十年里 磨刀门河口区河床形态发生了明显变化 具体有哪些变化 磨刀 门河口区地处西江断裂带沉降中心附近 地质沉降作用在其中扮演什么角色 地形 的变化必然引起水动力特性的变化 变化又有哪些 在这个过程中 磨刀门河口一 些典型的地貌 如基岩岛屿 峡口等 在其中起到什么样的作用 以上问题目前并未找到很好的答案 有的很少涉及 本文拟在已有的研究基础 上 重点解决以下科学问题 1 四十年里 磨刀门河口区河床形态具体变化有哪些 构造沉降作用在河 床加深过程中有什么影响 其影响有多大 2 四十年来 地形变化引起的水动力特性有哪些变化 拟从流态 水面坡 降 能量 潮能通量 动能 位能 角度来做些探讨 1 3 研究进展 中山大学硕士论文第l 章引言 l 3 1 河口地形的演变研究 河口地形演变研究始于对拦门沙和潮滩演变的研究 起初主要是借助水下地形 图和地质学研究方法进行定性的研究 随着观测仪器的改进 观测手段的提高 资 料的积累 学科的交叉发展 河口水下地形已经走向了定量化的研究 黄河三角洲 的演变历来为地学界重视 随着卫星遥感资料的引进 我国在1 9 7 9 1 9 8 0 年问初步 应用卫星影像研究了黄河三角洲海岸的变迁 9 0 年代 郭永盛等人 1 利用1 9 7 6 1 9 8 9 年黄河三角洲卫星遥感资料 应用马尔柯夫链预测了1 9 9 0 1 9 9 5 和2 0 0 0 年的 河口走向 通过灰色系统的灰色数列预测方法 预测了1 9 9 0 1 9 9 5 和2 0 0 0 年河口 亚三角洲的陆地增长面积和演变形状 取得了良好效果 孙效功 杨作升等 利用 1 9 7 6 1 9 8 8 年的水深测量资料 通过计算机软件计算 对黄河1 9 7 6 年河道清水沟 流路以来黄河口附近海域的泥沙冲淤进行了探讨 划出该海区每年的冲刷区和淤积 区 而且对冲淤量进行了定量计算 黄卫凯 陈吉余 利用1 9 7 5 1 9 8 5 年长江河口 1 1 年的水文泥沙资料 应用经验特征函数分析和现代控制理论方法对长江河口拦门 沙地形变化进行了系统辨识和预测 取得了较好的效果 1 3 2 河口动力与地貌的研究 国外较早对径流型河口的动力与地貌研究的 当数7 0 年代w r i g h t 和c o l e m a n 他们通过密西西比河口及世界其它典型河口的研究 将河口出口水流的动力 过程与沉积特征结合来分析 加深了对河口过程的理解 还有一些研究者提出河控 波控 潮控及过度类型的动力沉积与其地貌之间的河口发育模式 成为近几十年来 非常重要的有关河口的研究成果 如d a l r y m p l e 就把河口动力特征与沉积特征做了 对比分析 划分河口相模式 近年来对河口环流 河口羽 河口锋及最大浑浊带等 方面的研究较多 国内河口研究 主要集中在大中型河口 如黄河河口 长江河口 珠江河口 钱塘江河口等 其中长江河口的研究较深入 其成果涉及河口最大浑浊带成因与特 征 沈焕庭嘲 时伟荣 9 1 泥沙输运机制 沈健等 1 等 黄河河口研究涉及拦 中山大学硕士论文 第1 章引言 门沙 李泽刚 1 1 卜 1 2 1 水下滑坡体的成因与特征 杨作升 1 踟等 及黄河三角洲的 变迁 珠江河口研究方面 河口最大浑浊带 田向平 1 们 拦门沙的形成演变 李 春初 1 现 河口小尺度动力结构 吴超羽 埘 纵向环流与物质输运 陈子粲n 7 3 1 3 3 磨刀门河口的研究 赵焕庭 欧兴进 宋朝景 以磨刀门河口的形成与演变为基础 通过分析沉积 物的特征 研究磨刀门拦门沙的发展 演变 曾昭璇m 3 啪3 从磨刀门历史地貌学的 观点分析口门整治闯题i 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 得出河口内各条深槽的演变及滩地的淤积发展 并阐述了人类围垦对河口演变的影响 陈丽棠 吕忠华 对磨刀门治理规划及效益 评价进行了有关阐述 并提出了一些建议 王礼育 罗丹 从遥感技术的角度对 磨刀门的规划治理进行了验证和评价 王琳 陈上群一 对磨刀门治理工程实施后 口门水沙特性的变化进行了分析 并与方案论证时的研究成果进行了比较 姜海萍 等 对磨刀门河口治理工程进行了环境影响的回顾评价 认为磨刀门治理开发工程 对环境影响是积极的 有利的 此外 还有一些关于拦门沙的研究 i 3 4 珠江流域地质构造的研究 二十世纪前期 对珠江流域地质构造的研究就已经开始 特别是近三十年成果 丰硕 黄镇国 卜 2 7 1 和李平日等 捌分区研究了珠江三角洲沉积速率与构造运动 陈 伟光 删 制 张虎男 圳等应用第四纪沉积年代学的测年成果估算了第四纪以来断裂 构造运动的幅度和速率 概述了珠江三角洲的新构造运动特征 1 3 5 潮能通量的研究 很多关于潮能通量的研究是通过天文潮调和分析做出的 通过研究主要分潮如 4 中山大学硕士论文第1 章引言 j l f 2 s 2 心 2 墨 日 o l 来计算潮能 例如n o e lc a r b a j a l 和j a n0 b a c k h a u s 对加 利福尼亚湾的潮能进行过计算 c a r t w r i g h ta n dr a y 3 3 和l ep r o v o s ta n dl y a r d 瞰1 研究了m 分潮潮能在全球范围内分布情况 而利用水文要素 如流速 水深 潮位等 计算潮能通量的不多 方国洪啪1 对南海的潮能通量做过研究 任杰m 1 对6 k a b p 古珠江河口湾的的潮流流场进行数值模拟并对当时的潮能通量进行了研究 1 4 研究方法 本文运用河口动力学 地貌动力学 河床演变学 海岸动力地貌学和河流动力 学等多学科领域的基本原理 采用历史与现代过程相结合 定性与定量研究相结合 的方法 通过计算机数值模拟技术 并借助e x c e l f o r t r a n p h o t o s h o p s u r f e r 等计算机软件 综合对比研究了磨刀门河口四十年来地形演变下的水动力特性变化 历史与现代过程研究相结合 通过搜集历史资料 用计算机数值模拟反演历史 结合实测资料 在现有理论基础上 研究河口形成的天然背景 动力作用等历史过 程 1 5 资料的收集 1 实测数据采集 采用中山大学近岸海洋科学与技术研究中心2 0 0 3 年1 2 月磨刀门河口大潮期间5 测点同步观测 一个潮周期内 的流速 流向资料 2 0 0 4 年7 月磨刀门河口大潮期间5 测点同步观测 一个潮周期内 的流速 流向资料 2 图件收集 1 9 6 4 年测量的磨刀门河口l 5 0 0 0 0 海图1 张 1 9 7 7 年测量的 磨刀门河口1 7 5 0 0 0 海图1 张 见表卜1 2 0 0 3 年磨刀门航道图电子版 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 中山大学硕士论文第1 章引言 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 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 1 9 6 4 年测量 小蒲台至小襟岛l 号 1 7 6 0 0 0 黄海平均海面 理论深度基准面 区 1 9 7 7 年测量 3 中华人民共和国水文年缢 珠江流域水文资料 中的水位站 水文站的水 文资料 逐时 逐日的潮水位资料 4 前人相关研究成果 中山大学硕士论文第2 章磨刀f l n n 水文动力特性概述 第2 章磨刀门河口水文动力特性概述 磨刀门是西江的主要出口 也是其主要泄洪通道之一 其水动力特征不可避 免地受西江上游马口站流量的影响 本章在介绍磨刀门水文动力特征前 先对四 十年里马口站分流比变化及其引起磨刀门流量的变化进行简要介绍 2 1 马口站分流比变化 思贤滔流量对西江和北江网河的流量具有重要意义 数十年来 两江的马 口站和三水站流量占两江流量之和的比例起了显著变化 有关研究 表明 1 9 5 9 1 9 9 2 年 马口站年均流量占两江年均流量和的8 4 5 8 9 三水站年均流量占 两江年均流量和的1 l 1 5 1 3 0 多年里两站的分流比变化不大 从1 9 9 3 年开 始 由于人工挖掘河床沙等人类活动的影响 改变了思贤浯北活口和西浯口两端 相邻河段原有的北江高西江低的河床地形 结果西江分流比减小 北江分流比增 大 具体情况见表 2 1 表2 一l 马口 三水站流量及占两江流量总和的比值 西江马口 北江三水 年份 年均流量 m 3 s 占比值 年均流量 e 3 s 占比值 1 9 5 9 1 9 8 17 5 6 3 8 4 91 2 5 31 5 1 其中1 9 7 2 8 9 01 1 0 1 9 9 0 1 9 9 27 0 6 68 5 21 2 3 11 4 9 1 9 9 3 1 9 9 5 7 9 8 87 8 22 2 2 92 1 8 1 9 9 6 1 9 9 77 8 6 17 4 62 6 7 42 5 4 马口流量的变化 西四口门分流比的变化 前人做过细致的研究 3 本文只 是浅谈 下 马口流量的变化引起磨刀门上游竹银站的分流比及流量的变化 见 表 2 2 可以看出 在一般情况下 竹银站的分流比随马口流量减小而增大 但是竹 银的流量随着马口站的变化呈正相关变化 即马口站的流量大时 竹银站的也大 马口站的流量小时 竹银站的也小 中山大学硕士论文第2 章磨刀门河口水文动力特性概述 表2 2 马口站不同流量下 竹银站流量所占其百分比的情况 1 9 5 91 9 6 01 9 5 9 1 9 9 81 9 9 9 旌测时间 7 1 8 1 97 1 l 一1 2 7 8 2 2 6 1 8 2 61 0 1 1 1 2 3 洪水期 r 中水期 马口站日均 2 5 9 呻一1 1 枷1 2 4 0 i h 姗4 3 3 0 3 4 2 01 8 6 8 37 7 9 1 q m 3 s 竹银站 3 1 43 2 13 4 7 33 3 6 44 2 6 1 竹银站日均 8 1 3 2 3 5 8 03 9 8 0 1 9 2 61 5 0 0 1 1 8 76 2 8 43 3 2 0 q m 3 s 注 表中部分内容摘抄自 罗宪林 杨清书等 珠江三角洲网河河床演变 2 2 磨刀门水文动力特性 2 2 1 潮汐 磨刀门潮汐属于不规则半日混合潮 日潮不等现象显著 一个日周潮内发生 两次涨潮 两次落潮 历时约2 4 小时5 0 分 潮型一般是以高高潮 低低潮 低高 潮 高低潮的形式出现 大约经过十二天 潮型变为低高潮 高低潮 高高潮 低低潮的形式 冬春之间高高潮多出现于夜间 低低潮多出现于白天 夏秋之间 则相反 此外 还有1 年以上的长周期的变化 潮位升降与潮流进退颇有规律 周 而复始 磨刀门口门年均潮差在八大口门中是最小的 磨刀门多年平均潮差0 8 6 m 八 大口门多年平均潮差分布情况 如图2 1 同时 它的多年最大潮差也是在八大 口门中最小的 磨刀门多年最大潮差2 2 9 m 八大口门多年最大潮差分布情况如 图 2 2 磨刀门河口潮波在上溯过程中潮差自外向里沿程递减 据统计 三灶站多年 平均潮差为1 0 8 m 口门附近灯笼山站多年平均潮差为0 8 3 m 上游的竹银站则减小 为0 6 6 m 天河站减小为0 4 6 m 潮差向上游沿程减小 主要是受河床和径流摩擦 阻力的影响 潮波的能量逐渐消耗所致 在上溯过程中 潮时自外向里也是沿程 推迟的 潮汐历时是沿程递减的 涨潮历时向上游逐步减小 落潮历时逐渐增加 落潮历时大于涨潮历时 据中山大学近岸海洋科学与技术研究中心 以下简称海洋中心 2 0 0 3 年1 2 月 大潮 中潮期间对磨刀门河口区进行了同步测流 各个测点的分布如图2 4 2 5 该同步测流期间 对磨刀门河口区各个固定水文 水位 站的测量数据选择一个 中山大学硕士论文第2 章磨刀门河口水文动力特性概述 全潮周期做了潮时 潮差对比 见表2 3 由表 2 3 可见 大 中潮期间各站 基本上是涨潮历时大于落潮历时 这主要是由于此次观测逢枯水大潮 同时上游 径流很弱 对外海来的潮波冲击不大 另外 与近年来磨刀门水道变深 底部摩 擦力的作用减弱也有一定关系 大潮时并未出现明显的愈到上游落潮历时愈长的 情况 高潮时方面 自口门向上游明显延迟 三灶站最早 再后是挂定角和灯笼 山 三灶站早于灯笼山2 个多小时 约2 0 删 表2 3 磨刀门各水位 水文 站同步观测期间潮时 潮差对比表 1 2 月1 0 日1 5 时一1 1 日1 6 时 潮时潮差 最大涨潮最大落潮 高潮时 涨潮历时落潮历时 潮差 潮差 三灶2 0 4 01 2 h 4 0 m1 2 h 2 0 m 1 1 22 1 7 横琴 2 2 3 01 4 h 4 0 m1 0 h 2 0 m1 0 61 9 7 灯笼山 2 3 0 01 3 h 2 0 ml l h 4 0 mo 9 21 7 7 挂定角 2 3 0 01 3 h 1 0 m1 1 h 5 0 m1 0 4 l 8 0 马骝洲 2 2 4 01 翎1 5 m1 伽4 5 m1 0 82 0 l 2 2 2 潮流 磨刀门属于径强潮弱型河口 在珠江八大口门中山潮比最大 各大口门山潮 比分布情况 见图2 3 当马口流量大于1 0 0 0 0 一 s 时 径流影响明显强于潮 流 当马口流量小于6 0 0 0d s 时 潮流作用强于径流 磨刀门灯笼山站年平均涨 潮量为1 6 0 亿0 占八大口门总涨潮量4 2 5 落潮量为1 0 8 3 亿寸 占八大口门 总落潮量1 5 4 磨刀门径流很强 拦门沙处于河口外 汛期洪水分别从龙屎窟 洪湾水道和磨刀门水道排出 洪季小潮或大潮中水位以下时 磨刀门河口段由径 流控制 由于受西南向沿岸流的影响 磨刀门入海径流向偏西方向扩散 潮流向 流速随时间和空间变化而变化 由外海向陆 潮流椭圆沿程按照旋 转流 半旋转流 往复流的规律变化 越往河道上游 潮流流向受径流 河槽地 形作用越强 潮流表现为往复流特点 据海洋中 l 2 0 0 3 年1 2 月对磨刀门的同步测流资料分析 外海潮流从石栏洲 中山大学硕士论文第2 章磨刀门河口水文动力特性概述 澳门浅海区和十字门水道夹马口三个口门进入磨刀门后 由于受地形的限制 潮 流基本上为往复流或接近往复流 涨潮时1 b 神湾大桥下游 2 b 鹤洲断面 5 大井角 站流向基本上在3 1 0 度 3 5 0 度之间 落潮时在1 5 0 度左右 3 b 洪湾 水道西边入口 站涨潮时流向基本在3 3 0 度左右 落潮时在1 5 0 度左右 4 洪湾 水道东边入口 站涨潮时流向基本上在2 2 0 度左右 落潮时在5 0 6 0 度之间 据磨 刀门河口的实测结果 2 0 0 3 年1 2 月9 1 0 日 图2 6 枯水时期 由于径流的附 加影响 落潮动力强于涨潮动力 l a 站垂向平均最大落潮流速9 0 8 c m s 最大涨潮 流速为5 4 8c m s 2 a 站垂向平均最大落潮流速7 6 4 c m s 最大涨潮流速为4 4 7 c m s 5 a 站垂向平均最大落潮流速9 9 3 c m s 最大涨潮流速为8 7 1c m s 3 a 站垂 向平均最大落潮流速6 2 9 c m s 最大涨潮流速为6 0 9c m s 4 a 站垂向平均最大落 潮流速9 0 7 c m s 最大涨潮流速为6 5 4c m s 仅看各站最大涨潮流速 由外海向 陆 沿程逐渐减少 是径流渐强 潮流渐弱的反应 在1 a 站处 来自横洲水道 洪湾水道的潮流在这里汇合 河道断面缩窄 涨潮流速变大 据中山大学海洋中心2 0 0 4 年7 月3 0 3 1 日对磨刀门的同步测流资料分析 汛期各测站呈现明显的落潮优势 仅看最靠近外海的两个测站5 a 4 a 在一个全 潮周期里 涨潮历时少于4 个小时 主要是汛期上游径流量强大的缘故 在这次 测量期间 3 0 日 3 1 日 马口站日平均流量分别是1 4 0 0 0 m 3 s 1 2 4 0 0 m 3 s 就整 个河口而言 无论洪季还是枯季 落潮动力都强于涨潮动力 其中在洪季尤其明 显 2 2 3 波浪 进百年来 在人为作用的影响下 主要是人工围垦 其纵向推进发展情况是 1 8 8 3 1 9 3 6 年间共推进5 2 5 0 m 平均每年前移9 9 i m 1 9 3 6 1 9 6 4 年间推进1 5 0 0 m 平均每年前移5 3 5 m 1 9 6 4 1 9 7 7 年问推移9 0 0 m 平均每年前移6 9 2 m 进入8 0 年代之后 伴随着磨刀门内海区围垦的加速 双向导堤的完工 使得磨刀门直面 茫茫大海 波浪的影响渐强 因此波浪特性不容忽视 波浪多以涌浪为主 s e 向浪占优 该海区的无浪率仅为o 7 其中涌浪占 6 7 4 蟛 比风浪多i 倍 全年除了7 8 月s 向涌浪多于s e 向外 其他月份都以 s e 向涌浪为主 波高和波周期的变化范围均较小 据前人统计 冬半年平均波 中山大学硕士论文第2 章磨刀门河口水文动力特性概述 高和波周期为1 2 1 m 和5 5 1 s 夏半年平均波高和波周期为1 1 8 m 和5 4 7 s 全年平 均波高1 2 0 m 平均波周期5 4 9 s 各月平均波高和波周期值分别在1 o l m 1 3 8 m 和5 5 1 5 8 5 s 范围内 与年平均值很接近 总的来说 磨刀门河口区的波能较高 以涌浪为主 主浪向为s e 2 2 4 余流 余流是指在一个或几个潮周期内 除去周期性的潮流外剩下的非周期潮流的 总称 它受径流 沿岸流 密度梯度流 风 边界条件的影响 它是细颗粒物质 远距离搬运的主动力 利用2 0 0 3 年1 2 月的实测资料对磨刀门水道上三个站进行了余流计算 结果 列于表 2 4 2 5 中 并作出各个测站的余流流速矢量图 为了表达清晰 仅把 表层 0 6 h 底层画出在图 2 4 2 5 中 其中蓝色实线是表层 粉红色是中 层 绿色是底层 表2 4 磨刀门各站枯季欧拉余流 1 2 月9 号1 3 0 0 1 0 号1 3 0 0 莱 l a2 a 5 流速 流向流速 流向 流速流向 c m s c m s c m s 表层 2 6 3 61 6 43 0 82 l o 2 9 6 1 6 9 0 2 h1 7 7 3 1 4 9 2 5 52 1 1 2 0 81 7 4 o 6 h5 8 22 18 83 5 0 1 2 73 2 6 0 8 h8 3 8 3 3 91 0 23 5 41 4 53 3 3 底层 4 9 73 3 21 73 5 5 1 0 9 3 0 7 表2 5 磨刀门各站枯季欧拉余流 1 2 月1 0 号1 5 0 0 1 1 号1 5 0 0 装 1 b 2 b 5 流速流向流速流向流速流向 c m s c m s c m s 表层 2 6 01 6 54 2 72 1 33 4 41 7 0 0 2 h1 8 21 5 63 6 52 1 0 2 0 61 6 0 o 6 h8 41 5 05 42 9 27 03 0 5 o 8 h2 41 4 13 03 2 6 1 4 3 1 3 底层 4 5 1 8 43 1 9 5 1 2 15 从表中数据和余流矢量图可知 在1 2 月9 号 l o 号大潮时 l a 站表层余流 1 1 中山大学硕士论文 第2 章磨刀门河口水文动力特性概述 流向东南 中层偏东北向 底层为西北向 2 a 站表层偏西南 中层 底层偏西北 5 号站表层为东南向 中层和底层均为西北向 以上分析说明在1 2 月9 号 1 0 号 的大潮中 l a 站 2 a 站 5 号站均存在环流 该环流在性质上应该是由表底层的 密度差引起的密度环流 在1 2 月l o 号 1 l 号的大潮中 l b 站的表 中层余流都 是东南向 底层为西南向 没有出现环流 主要是因为1 b 站位于河道的最上游 神 湾大桥下游 受潮汐影响较弱 受径流影响显著 2 b 站表层为西南向 中层偏向 西北 底层又转向东南 形成了表层底层偏向下游 中层偏向上游的三层流 5 号 站的表层偏向东南 中层偏向西北 底层偏向东北 形成了表层向下游 中层和 底层向上游的环流 表层余流流速与中 底层流速差别很大 主要是因为当时的 风向为东北风和北风 有加大落潮流 削弱涨潮流的作用 使得表层余流增大 2 2 5 优势流 河口区盐水与淡水缓慢混合下 盐水在水平方向和垂直方向上都有密度比降 对流速影响很大 涨潮期间 密度比降同水面比降一致 加大了涨潮流速 落潮 期间 两者相反 减小落潮流速 泥沙颗粒在水动力作用下 在河道中是上移还 是下移 不能单纯的通过涨 落潮流速的大小来判断 而要看一个全潮过程中 占优势的是涨潮流还是落潮流 也就是看优势流的方向 做法 沿河道纵向布设若干测流垂线 测取分层流速 绘制流速过程线 量取涨 潮流速的面积f 落潮流速面积e 以下是判断优势流公式 删 口 f 2 1 上式中 e 为落潮流速的面积 f 涨潮流速面积 口为无量纲常数 当a 大于0 5 时 落潮流占优势 当口小于0 5 时 涨潮流占优势 把2 0 0 3 年1 2 月在磨刀门进行的实测资料进行了整理 根据各站点各层的流 速过程线进行优势流分析 绘出各个站一个全潮周期的流速过程线 如图2 6 优势流曲线图 图2 7 选取各站表层 0 6 h 和底层的优势流进行分析 在1 2 月9 号 1 0 号的大潮 中 各站的表层均为落潮优势 主要是因为河流径流总是要向海排泄 中层各站 都是涨潮占优势 l a 站涨落潮基本达到平衡 底层各站都是涨潮优势 因为1 号 中山大学硕士论文第2 章磨刀门河口水文动力特性概述 站以上没有站位所以不能确定滞留点的位置 但滞留点应位于l 号站的上游 在 1 2 月1 0 号 1 1 号的大潮中 表层各站均为落潮优势 中层l b 站为落潮优势 到 下游的2 号和5 号站变成涨潮优势 底层各站均为涨潮优势 中山大学硕士论文第3 章磨刀门河口地形演变 第3 章磨刀门河口地形演变 现在的磨刀门河口是在本区的原始地貌 人类活动 流域水沙条件和地质构 造运动等许多因素的共同作用下形成的 各个因素之问应该组成一个不可分割的 系统 无论哪一部分变化都会改变系统整体的平衡 本章的研究内容有二 一是 对不同年代磨刀门河口的地形进行了对比研究 二是前人对磨刀门河口冲淤演变 的研究中 构造沉降作用很少提到 在磨刀门河口区的滩槽演变过程中 这种作 用究竟有多大 本章进行了相关探讨 3 1 研究范围 本文研究范围主要集中在磨刀门灯笼山水位站以下的河口区 北起灯笼山 南到拦门沙 西到大门岛 东到澳门的范围内 具体讲是东经1 1 3 2 0 1 1 3 3 3 e 北纬2 2 47 2 2 1 5 n 之问 北起灯笼山附近 河宽约i k m 南抵拦门沙 大 致到石栏州一线 东到大马骝洲岛以东 宽度约1 7 k m 西到大门岛附近 如图 卜3 中粗虚线所示 3 2 四十年来磨刀门河口的地形演变 从上个世纪6 0 年代白藤堵海开始 人类对磨刀门河口的改造作用就在逐渐加 强 特别是进入8 0 年代之后 伴随着磨刀门内海区围垦的加速 双向导堤的完工 径流被人为 束缚 而加强 拦门沙主体已经被推至三灶一横琴一线以外 直接 接受外海区波浪的作用 1 0 余年来 人类的挖沙活动已在三角洲河道取走了7 1 0 k 1 0 1 0 8m 3 的泥沙 这相当于珠江三角洲河道7 0 1 2 5 年左右的自然淤积量 这种作用远远大于河床的自然演变 所以在分析地形演变过程中划分为两个 时间段 8 0 年代以前是自然力起主导作用的阶段 8 0 年代到现在是人类活动作用 起主导的阶段 3 2 1 六十年代与七十年代的河口区的地形演变 前人做过大量的研究 江沛霖 总结出三点变化 1 横洲深槽在卡亡洲北以 1 4 中山大学硕士论文 第3 章磨刀门河口地形演变 北段西移 洪湾水道淤积和潮流沟发育 大横琴水道拓宽 2 浅滩普遍淤积 龙屎窟 大门深槽淤浅 横洲水道冲刷 3 交杯沙迅速发育 主流在拦门沙处 摆动 他利用丰富的数据资料做了大量细致的研究 本文把1 9 6 4 年与1 9 7 7 年海图对比 见图3 1 发现 1 横洲水道灯笼山段西槽6 米等深线加长加宽 大柁洲段6 米等深线比1 9 6 4 年的延伸长度增长了近一倍 此外 4 米等深线也沿航道走向向东南外海推进了 1 8 公里 水道西部的2 米等深线没有东西向的摆动 仅是顺着横洲水道的走向推 进 说明水道西滩的淤积进行 这与横洲水道是径流输沙为主的河口的研究结论 是吻合的 2 龙屎窟北内海区 2 米等深线向南移动了近2 5 公里 4 米等深线向南移动 了1 公里多 龙屎窟峡口北深槽萎缩 据相关研究 峡1 3 的0 以下的过水面积 1 9 6 4 年为8 7 7 2 平方米 1 9 7 7 年为7 8 5 1 平方米 1 9 8 3 年为8 4 6 3 平方米 变化不 大 口外的水深变化不明显 口门内部的地形变化相对较大 在内海区大面积泥 沙淤积的大背景下 水道北部淤浅缩短是显而易见的 3 马骝州水道由于泥沙淤积 水动力条件减弱 反过来促进了泥沙的淤积 企 人石滩地中的径流槽与潮流沟间滩地 1 9 6 4 年尚未出现一1 米以上的滩涂 1 9 8 3 年 一l 米以上的滩涂已经有1 5 6 平方公里 河床形态的变化 导致水道过水断面面积 的减小 由于潮流作用加强 在水道左岸形成一个水深达2 米 珠基 的潮流沟 1 9 6 4 年 潮沟的西端还在企人石下2 公里处 1 9 7 7 年已经向西延伸至洪湾水闸 冲深了约1 米 4 在内海区的四