近50年东江三角洲潮汐运动的变化研究

秦 震，程梁秋，秦莉真，方拥军

(1.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098；3.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081)

东江三角洲自20世纪80年代起，由于大规模的人类活动，如水库、水利枢纽建设和河床采沙，其河床演变过程一直成为众多学者关注的焦点，相关研究主要集中在大量的采沙活动对河床变形[1]、防洪和低水位[2-3]以及河段航道整治[4]所产生的影响。20世纪80年代之前，东江三角洲的河床演变主要还是受自然因素所控制，80年代之后，大规模人类活动所引起的河床下切等原因[5]，使得河道纳潮容积增加，曾经受潮汐动力影响小的站点，其潮波运动的潮动力影响变得有所增加。潮汐运动所表现出的前后特征变化，代表了控制因素的作用大小变化。

图1 东江三角洲水文观测站分布图Fig.1 Gauging stations in Dongjiang Delta

本文依据东江三角洲内5个站点的长时间尺度的实测水位资料以及东江上游流量站点的长时间尺度的实测流量资料，利用水文统计方法和T_Tide调和分析方法[6-7]来分析近50 a东江三角洲内各站点潮汐运动的特征变化。对东江三角洲潮波运动特征长时间尺度的变化研究，不仅对河道整治、河口生态防护等有重要意义，也能为东深供水工程的供水问题提供依据。

1 区域概况及数据

东江下游及三角洲地区指的是东江博罗以下至狮子洋的区域，20世纪80年代后的大规模人类采沙活动主要集中于此。东江三角洲河网区指的是石龙以下，以潮水控制为主的流域范围，北面以东江北干流为界，南面以东江南干流为界，西接狮子洋。北干流为石龙-新家埔-大盛河段，全长约为38 km，南支流位石龙-东莞-泗盛围河段，全长约为39.5 km，图1为水文站点分布图。

石龙站、新家埔站、大盛站、东莞站、泗盛围站是东江三角洲内的主要的水文控制站，本文研究资料为三角洲内5个主要站点的历时水位资料，研究的时间跨度为1961～2012年，东莞站点由于站点原因，1985年之后的水位资料缺失。所有站点的水位资料均统一到珠江基面，资料来源于水利部发布的水文年鉴。

图2 三角洲各站点水位和潮差，两支流沿程水位变化图Fig.2 Annual variations of mean water levels and tidal ranges at five stations, the changes in water level along two branches

2 实测资料分析

根据水文统计方法，绘出各站点近50 a的年平均水位变化图2-a。从图中可以看出，位于三角洲下游的2个站点，大盛和泗盛涠，其年均水位在时间跨度内没有发生明显的变化。但是越往上游方向去，到北支流中间新家埔站点，在新家埔可以看出水位从1960年代的均值0.6 m下降到2010年代的均值0 m左右，整体下降幅度达0.6 m。位于南北支流的顶点处，石龙站点水位变化是最剧烈的，1980年之前，石龙站点的水位均值稳定在1.2 m，但是到2010前后，水位的均值已经下降到0.2 m，1961～2012平均下降速率为0.02 m/a，但是1961～1985年的下降速率为0.007 5 m/a，1985～2012的下降速率为0.023 m/a，前后下降速率有3倍之差。从图中也可以看出，1985年前后是石龙站点水位发生急剧变化的突变点。图2-c、2-d为三角洲内的南北两条支流河道，在近50 a沿程的水位变化图，无论南支流还是北支流，整个河段沿程都呈现下降趋势。其中由于南支流的东莞站点1985年后资料的缺失，因此图2-c中的1990 s、2000 s、2010 s的沿程线采用线性插值画出。

潮差作为水位变化的另一特征，也有明显的年代变化。图2-b为各站点历年潮差变化图，从图中可以看出，下游的大盛站和泗盛围站潮差变化幅度小，基本是一条直线，和各自的水位变化情况类似，也是没有明显变化。新家埔站点的潮差从1980年前的0.7 m增长到2010年的1.2 m，潮差增长幅度达0.5 m。石龙站点有着最大的潮差变化0.7 m，变化主要发生在1985～1990年期间，1990年之后，潮差基本稳定。研究时间区域内，水位高低的变化与潮差大小的变化呈现正相关关系。由于三角洲内的径潮动力主要是以潮动力为主，潮动力主导下，水位低但是潮差大(如大盛、泗盛涠)，水位较高的但是潮差小(如石龙)，而且水位高低的变化和潮差大小的变化表现为正相关，下游水位和潮差都没有明显变化，新家埔站点水位下降0.6 m而潮差增加0.5 m，石龙站点水位下降1.0 m，而潮差增加了0.7 m，主要是由于地形的变化，河床下切导致河床高程下降，进而水位下降，同时高程的降低使得河槽纳潮量增加，潮汐动力增强，潮差因此而增大。但是可以看出潮差的增加幅度不如水位的下降幅度，可见三角洲内地形变化的对振幅的影响，比因地形变化而潮汐动力变化对振幅的影响更大。1980年前后，此时间段是东江人类活动改变河床地形的初始阶段，因此无论是水位还是潮差变化，趋势最明显。

图3 石龙站点选取年份1月水位变化图Fig.3 Variations in water level in January in selected years at Shilong

石龙站点位于东江下游处，三角洲的上游处。由于地理位置更靠近内陆，大规模人类活动发生前后，石龙的年际水位变化最大，尤其在1980年前后，变化幅度最大，潮差增长率最大，变化曲线也呈现最大的曲率。为进一步研究由于河床地形变化而导致前后水位的具体改变，以同一时间段内的水位为研究对象，将研究数据的时间跨度依据年代不同划分成10个部分，在分析了各个月份的水位变化情况之后，选取变化明显的1月份作为代表月份，来研究低低潮发生时间的变化情况。图3为1965年开始，5 a为间隔的1月份水位具体变化情况。从图3-a～图3-g可以看到，在1965～1995年之间，低低潮主要发生在小潮期间，到1995年还有此现象的出现，1995年开始，图3-h～图3-j可以看出低低潮转变为主要发生在大潮期间，而且研究时间内，石龙站点的潮差变化与前文中的描述相一致，1960年代潮差只有很小的0.3 m左右，而到了2010年代，潮差增加到了1 m左右。水位变化受到各个潮汐分潮所影响，各主要潮汐分潮的振幅变化会改变水位在大小潮时的高低，为了对三角洲内各站点水位变化做出解释，因此需要对三角洲内各个站点的主要分潮的变化进行分析研究，特别对于石龙站点，需要确定低低潮从发生于小潮变为发生于大潮的时间变化的原因。

3 调和分析结果及地形变化

3.1 T_Tide调和方法

在一个特定的地方，潮汐引起的水位变化可以表示为

(1)

式中：η(t)为t时刻的水位；A0为一段时间的平均水位；m为相关分潮的个数；fj为j分潮的交点振幅因子；aj为j分潮在特定地点的振幅；ωj为j分潮的角速度；(v+u)j为j分潮在特定地点的天文参量；gj为j分潮在特定地点的相位迟角；B=ΣBi+errors为其他动力因素或误差造成的水位变化。在这些参数中，振幅aj和相位迟角gj就是常说的对应于j分潮的调和常数。潮汐调和常数可以给出相应地点潮位变化中蕴含的分潮波的构成情况，能够比较直观地反映当地的潮汐动力特征，因而求解潮汐振幅和相位迟角是潮汐相关研究的重要组成部分。

潮汐调和分析是以潮汐静力学为基础，根据潮汐观测资料进行分析，计算潮汐调和常数的过程。而调和分析能够求得分潮个数和分潮种类则受到数据长度和数据间隔的限制，即在调和分析前的分潮选取过程中需满足以下条件。

(1)观测时段长度T0的限制。

ωi-ωj>(360°/T0)

(2)

(2)观测步长△t的限制。

△t≤(Tmin/2)

(3)

式中：ωi、ωj为任意2个分潮的角频率；T0为观测时段的总长度；△t为观测时间间隔；Tmin为选取分潮周期的最小值。

此外，在具体求解调和常数的过程中，最常用的调和分析方法是最小二乘法，即对所有实测数据点W(tk)，列方程组求解多组振幅aj和相位迟角gj，使得计算值与实测值差值的平方最小，

(4)

式中：N为实测数据点的总个数。

T_Tide中直接使用了复代数和矩阵表达，考虑交点修正、相关分潮和一些自定义的要求，而且加入了描述分潮参数可靠性的置信区间，不仅如此，通过以上2个满足条件的判断过程，使其能够分析数据的具体情况以最优的方式完成调和分析前期分潮选取的工作，因此近些年得到了海洋领域学者的广泛认可和使用。

3.2 潮成分变化

T_Tide调和分析方法被广泛的应用于河口地区的潮汐非线性演变过程，通过T_Tide调和分析推算求得潮汐构成的情况，根据调和分析所得出的结果，选取主要的日潮Q1和K1，半日分潮M2和S2，以及半日分潮M2的第一个倍潮M4，还有半月分潮Msf进行变化趋势分析。图4-a～图4-e为各站点主要分潮随时间的变化图，图4-f石龙站点半月分潮Msf与半日潮M2的比值变化图。大盛站点(图4-a)和泗盛围站点(图4-b)是东江三角洲地区典型的半日潮为主的区域，位于下游，左接狮子洋，半日分潮M2是2个站点最主要的分潮，M2分潮振幅值均是最大，对于其他的主要分潮，虽然在振幅值上不如M2分潮，但是各自的振幅值也基本保持稳定，也就是下游站点虽然河床地形改变，潮汐动力增强，但是由于靠近河口，潮汐分潮没有受到过多的影响，还是保持稳定的趋势，因此这2个站点的水位没有表现出明显的变化。对于南支流的中上游东莞站点(图4-d)，由于1985年之后站点资料的缺失，在此处不做过多的分析，但也可以看出半日分潮M2自1970年开始出现稳步的增大趋势，而之前是主要分潮的K1没有明显的时间变化趋势。北支流上的中上游新家埔站点(图4-c),以全日潮K1为主，分潮振幅一直是最大，其他的分潮虽然在不同年份会出现占互相超过的情况，但是与K1振幅值相比都比较小，而且不同于东莞，其半日分潮M2的振幅没有明显的变化趋势。

而位于上游的石龙站点，从图4-e中可以看出，在1985年之前，半月分潮Msf的振幅值是主要潮成分中最大的值，但是在1985年之后，半日分潮M2和S2，全日分潮K1和O1的振幅急剧增大，并且超过半月分潮，但是半月分潮Msf却没有明显的年际变化，而此变化是发生在1985年左右，从前文中可以得知低低潮在此时间段也从发生于小潮期间变为发生于大潮期间，因此石龙站点的主要分潮变化对于低低潮发生时间的改变有着决定性的作用。众多学者对于东江的研究没有关注到石龙站点低低潮发生时间的改变，半月分潮Msf也因此被忽视，而半月分潮在往河口上游传播的过程中，由于其波长较长，与半日分潮M2相比衰减的比较慢，故在上游地区对水位的影响作用比半日分潮作用大，会出现低低潮发生在小潮期间[8]。但是，从1980年左右开始，由于人工采沙等行为所引起的河床地形的变化，随之而来的潮汐动力增强使得半日分潮在传播的过程中，能量没有在河床变形之前衰减的快，半日分潮M2振幅得以增大，而半月分潮Msf的振幅虽然没有太大改变，相比于增大起来的M2，K1和O1的振幅值却显得较小，半日分潮M2对于水位的影响开始占据主导作用。半月分潮Msf和半日分潮M2是前后时间段内的2个振幅值最大的分潮，故探究其主导作用的变化，图4-f为石龙站点的Msf/M2的比值变化图，1985年之前，半日分潮M2的振幅较小，低低潮的水位主要是半月分潮Msf所决定，但是在1985年之后，半月分潮Msf的振幅不再是石龙站点的主要分潮，半日分潮M2的振幅急剧增大，低低潮的水位开始变为半日分潮M2所决定。

3.3 河床地形的变化

水位的变化受到潮汐分潮的影响，而这些分潮振幅的变化主要由河床地形所决定。河床地形变化的指标通常有Vs/Vc和a/h[9]，本文选取a/h指标来分析三角洲5个站点的地形变化情况，选取地形资料已知的年份，a以M2振幅来指代，h为河道站点的水深。

图5 各站点a/h比值变化图Fig.5 Variations of morphologic parameters a/h at five stations

图5为各站点在不同年份的a/h比值。下游站点大盛和泗盛围的a/h相比于其他站点处于比较大值的状态，主要是因为这2个站点靠近河口，其主要受潮汐运动变化主导，故虽然出现明显的年代变化，但呈现出上下波动的状态。而新家埔站点和东莞站点靠近上游，a/h变化相对很小。对于石龙站点，1972年的a/h值是1964年的几乎4倍，1988年的值是1972年的2倍多，2002年相比于1988年的值则没有很大的变化。a/h值的变化趋势与分潮a的振幅变化趋势相一致。1964～1972年，分潮振幅上可以看出半日分潮M2没有明显的变化，而1972年的a/h值却是1964的几乎4倍，故主要原因是河道水深变浅，变化原因可能是由于泥沙自然淤积。而1972～1988年的改变，则考虑到人工采沙的影响。虽然人工采沙降低了河床高程，水深增加，但是同时由于水深的增加，河床纳潮量增大，从而使得潮汐能够更平稳的上溯，各站点的潮动力得以增强，同时减小了由于浅水变形作用而产生的摩擦消耗，潮汐半日分潮M2保持比较好的状态到达石龙站点的上游，因此其振幅值的增加比1985年之前增加了4～5倍，而水深没有出现4～5倍数的增加，故1988年的a/h的值只是变为1972年值的2倍。

4 结论

东江三角洲水位和主要分潮振幅的变化，体现了振幅对于高低水位的决定性作用，分潮振幅的变化又是因为20世纪80年代以来的大规模的人类活动所引起的河床地形变化而导致。尤其是大规模的无序人工采沙，之前在自然状态下的泥沙冲淤突然受到人类活动影响，所产生的动力因素变化是非常巨大的。河床地形的下切使得航道加深，而这带来的效应包括浅水变形作用和摩擦作用的削弱，使得潮汐动力能够向上游传播的更远，曾经潮汐动力影响较小的站点如石龙，在河床下切和河道加深之后，潮汐动力因素作用更强，半日分潮逐渐占据主导，水位上低低潮的发生期也由此前的小潮时期发展M2为大潮时期，上游半月分潮Msf的作用得以削弱。

对于半月分潮Msf认识，不仅能够解释近50 a来东江三角洲石龙站点低低潮发生时间的变化，也能够更清楚地了解半月分潮Msf在河段上游的影响。