近年珠江三角洲洪季余水位和潮差的演变特征研究

2021-08-07杨易，贺涛

中国农村水利水电 2021年7期

杨易，贺涛

（1.四川水利职业技术学院，成都611231；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都610065）

河口三角洲作为连接海洋和陆地的平台，受到流域径流和海洋潮汐两大驱动力的共同作用［1］。余水位（即潮周期平均水位）和潮差的变化便是河口径潮动力非线性作用的典型结果，而余水位可以用来量化径流动力强度，潮差则是衡量潮汐动力强度的重要指标［2］。目前国内外学者针对河口区径潮动力非线性耦合作用的研究成果表明，动量守恒方程中余水位梯度主要与非线性摩擦相平衡［2-4］。因此，研究余水位及其梯度变化成为定量分析径潮动力相互作用的有效切入点，为探讨河口潮波衰减提供了新的思路。

随着社会经济的飞速发展，珠江三角洲在径潮相互作用以及强人类活动的驱动下发生了与自然演变截然不同的变化，研究其河网径潮动力的演变对当地防洪、航运和供水具有重要意义［5，6］。朱金格等［7］通过对珠江河网不同年代的水位流量进行数值模拟发现河网区水位流量关系发生明显变化，同流量下水位降低，水面比降变缓；黄伟民［8］指出，河网顶点马口、三水站分流比在20 世纪90年代发生突变，三水分流比增大，北江河网分流增加；张蔚等［9，10］则通过对河网1955-2005年长序列实测潮位资料进行Mann-Kendall 检验发现河网区潮差在20 世纪80年代后开始显著增大，涨潮历时也有所增加。虽然近年珠江河网径潮动力演变得到了许多学者的关注，但聚焦到余水位和潮差变化的研究较少。本文以1999年和2017年珠江河网洪季实测水位资料为基础，对比分析河网主要河道余水位和潮差的变化，并探讨了两者的关系，以期为珠江河网径潮动力非线性作用的相关研究提供新的认识。

1 研究区域概况

珠江三角洲位于中国南部沿海，周边从城市经济发达，人类活动频繁。珠江三角洲河网由西江、北江、东江和诸多支流汇聚而成，可大致分为西江河网、北江河网和东江河网三大部分，水流经崖门、虎跳门、鸡蹄门、磨刀门、横门、洪奇门、蕉门、虎门八大口门汇入中国南海，形成“三江汇流、八口出海”的水系格局。

如图1所示，本文关注的研究河段分别为：河网顶端马口站起，经西江干流至磨刀门水道灯笼山站处，全长约136 km，是西江河网的主要排水通道；河网顶端三水站起，经东平水道和顺德水道至洪奇沥水道冯马庙站处，全长约104 km，是北江河网的主要排水通道。所选取的两条河段均为感潮河段，其水位变化既受上游径流的影响，又受外海潮波的作用。河段上游来水季节变化较大，马口、三水站的洪季多年平均流量分别为10 512 和2 989 m³/s，枯季多年平均流量分别为3 099 和669 m³/s［11］。河段下游口门潮汐属不规则半日潮，多年平均潮差0.85～1.62 m，其中磨刀门和洪奇门多年最大平均潮差分别可达2.04和2.94 m［2，12］。

图1 研究区域简图

2 数据及方法

2.1 水文数据

本文收集了珠江三角洲两场洪季洪水的实测水位流量资料，分别为1999年7月16日至7月25日的“997”洪水，时长共计192 h；以及2017年7月8日至7月18日的“177”洪水，时长共计240 h。其中“997”期间河网顶端马口和三水站得平均流量之和为31 500 m³/s，“177”期间马口和三水站的平均流量之和为27 700 m³/s，两者相差不大，“177”期间马口和三水站的平均流量之和相比“997”期间减小约9%。

2.2 傅里叶变换

为了消除潮汐振荡的影响以便获取研究河段上各站点的余水位，采用傅里叶变换的方法对各站点实测逐时潮位数据进行滤波处理。傅里叶变换的公式如下：

式中：X（n）为离散的物理量时间序列；Y（k）为离散的傅里叶变换结果，即X（n）的不同频率f的成分。Y（k）通常为一个复杂的数学多项式，它的模代表相应频率f（或周期T）下的振幅。将周期小于（大于）T1的振幅设置为0，则可消除周期小于（大于）T1的高频（低频）成分，获得物理量时间序列的低通（高通）滤波X1（n）［13］。

珠江河口一个完整的潮周期大约为一个太阳日的时长25 h，本文以25 h 为截断周期（T1）对潮位时间序列进行傅里叶变换，其低频成分则为余水位-Z（上划线表示潮周期平均值，下同），高频成分即为潮波。而本文关注的另一个特征参数最大潮差则是一个潮周期内潮波的最大值最小值的差值。

2.3 余水位坡度和余水位方程

式中：x表示从口门向上游延伸的距离；t表示时间；U表示断面平均流速；Z表示自由水面高程；h表示水深；g表示重力加速度；K表示曼宁摩擦系数的倒数，上式第四项代表了非线性摩擦项。

可将变化前和变化后的动量守恒方程分别表示为：

式中：用下标1表示变化前的量，下标2表示变化前的量；F则代表动量方程中的非线性摩擦项，即。

式（4）与（5）相减可得：

假设断面平均流速U是由一个稳定的速度Ur（径流作用）和一个随时间变化的速度Ut（潮流作用）组成：

式中：v表示潮波的流速振幅；ω为潮波频率。

基于以下假定和近似处理：①断面平均流速U呈周期性变化；②上游下泄流量变化不大，径流作用的变化可忽略；③潮波振幅相对于平均水深为极小量，其沿程变化可忽略［15］。在一个潮周期内对一维动量守恒方程式（6）进行积分，可得余水位坡度的变化为：

由式（8）可知，动量守恒方程中余水位梯度的变化与河口河网内非线性摩擦项的变化趋于一致，即余水位坡度的变化很大程度上反映了潮波向上游传播的阻力变化，这为探讨河口潮波衰减提供了新的思路。

3 结果与讨论

3.1 余水位-流量关系

如图2 所示，本文统计了“997”和“177”洪水期间河网顶端的马口站和三水站的流量及其对应的水位过程。可以发现，相比于“997”洪水，“177”洪水期间马口站和三水站的余水位-流量关系绳套曲线均发生明显下移，表明马口和三水站在同流量下的余水位明显下降。另外，两场洪水期间马口站同流量下的余水位降幅可达1.5 m 左右，大于三水站同流量下的余水位降幅（约0.8 m）。

图2 河网顶部马口、三水站余水位-流量关系

河网顶端马口、三水余水位-流量关系的变化与其断面地形近年来的显著下切有关。如图3 所示，马口断面在1998-2015年间，河床底部高程平均下切约0.83 m，断面面积增大约3 000 m2，增幅达17.9%；而三水断面在1997-2015年间，河床底部高程平均下切约0.2 m，断面面积增大约1 600 m2，增幅达17.4%。马口、三水断面地形发生剧烈下切，过水面积增大，导致了其同流量下的余水位大幅度下降，而由于马口断面下切幅度比三水断面更大，马口断面余水位-流量关系曲线发生的下移现象也比三水断面更为明显。

图3 河网顶部马口、三水断面地形变化

3.2 余水位坡度变化

图4 是珠江三角洲河网主要河道余水位的沿程变化情况。可以发现，相比与“997”洪水，“177”洪水期间河网顶部余水位大幅度下降，发生这种现象的一部分原因是“177”洪水来流量要略小于“997”洪水（平均流量相差约9%），主要原因还是河网顶部河道发生剧烈下切导致的河床高程下降、过水断面增大。而在河网下游近口门处，余水位因为受到外海潮汐的顶托作用，并未发生明显下降，甚至还由于近年来海平面的升高而略有上升。因此，总体来看，河网内部河道余水位沿程坡度变缓，西江河网主要河道余水位坡度由“997”洪水期间的3.78×10-5减小为“177”洪水期间的2.37×10-5，北江河网主要河道余水位坡度则从“997”洪水期间的4.29×10-5减小为“177”洪水期间的2.69×10-5。

图4 河网内部主要河道余水位变化

3.3 河网内潮汐传播阻力及潮差衰减率的变化

如前文所述，余水位坡度的变化与潮波向上游传播所遭遇非线性摩擦作用的变化密切相关。近年珠江河网地形下切导致的余水位坡度变化，也反映出珠江河网地区潮汐的陆向运动时遭遇的摩擦阻力发生变化。一维动量方程中阻力项［gU|U|/（K2h4/3）］与水深h的4/3次方成反比，即水深越大，潮波向上游传播的阻力越小。地形的下切使珠江河网河道断面趋于窄深（图3），河网平均水深整体上呈增大的趋势，导致地形变化后珠江河网内潮汐传播的阻力有所减小。

阻力的减小势必会引起河网内潮汐动力的响应，其中之一就是使得潮差沿程衰减的趋势变缓。图5是珠江河网两条主要河段潮汐由口门向上游传播时最大潮差的衰减情况。整体来看，北江河网潮汐向上游传播时的潮差衰减速度要大于西江河网。“997”洪水期间，西江河网灯笼山-马口的潮差衰减率为0.96×10-5，北江河网冯马庙-三水段的潮差衰减率为1.63×10-5；而“177”洪水期间灯笼山-马口段的潮差衰减率减小为0.85×10-5，北江河网冯马庙-三水的潮差衰减率也有所减小，约为1.59×10-5。上述变化与“177”洪水期间余水位坡度相比于“997”洪水期间有所减小反映出的阻力减小趋势是一致的。

图5 河网内部主要河道最大潮差变化

3.4 强人类活动的影响

3.4.1 上游建库

自1949年新中国成立以来，珠江流域水库大坝建设总量超过8 900 座，建成及正在建设的库容超过1 亿m3的大型水库超过33座［16］。这些水库总库容超过753 亿m3，占珠江平均年径流量的22.4%，可很大程度地调节珠江流域的径流过程［17］。而这些水库拥有巨大的死库容，可以拦蓄大量泥沙，大幅度削减流域下游珠江三角洲的泥沙来源。图6是珠江三角洲上游高要和石角两站的来水来沙变化情况，可以看到，上游两站年平均流量在1960-2016年间没有发生显著变化，但输沙率在1998年前后发生突变，由1998年前的2 500 kg/s 骤降为1998年后的940 kg/s。输沙率大幅度下降，主要原因就是上游建设的大量水库对泥沙的拦蓄作用。而下游三角洲来沙量的减少，引起了河道断面地形冲刷下切，河道过水断面增大，而这种下切现象在三角洲河网上游河段更加显著，进而导致河网余水位-流量关系的改变，余水位坡度的下降。

图6 珠江三角洲上游高要站和石角站的水沙年际变化

3.4.2 河道采砂和航道整治

与上游建库从而引起下游来水来沙条件改变而导致的河床冲刷不同，采砂和航道整治工程直接作用于河床表面改变河床地形，对局部河段的河床演变产生巨大影响。20 世纪80年代初至90年代末，珠江三角洲采砂活动达到高峰，仅1984-1999年间，采砂量就超过8.7 亿m³，相当于珠江三角洲100年左右的河道泥沙自然淤积量［18］。但1999年后，珠江三角洲地区开始严格控制采砂，采砂地点逐渐转移到下游口门区和外海伶仃洋附近，采砂活动对珠江河网河道的直接改造作用已经很小。

近年来，珠江三角洲开始了大范围的航道整治工程，拟建成“三纵、三横、三线”的高等级航道网［19］。其中西江下游出海航道、陈村水道、广州港出海航道、东平水道、潭江-莲沙蓉水道、小榄横门出海航道、崖门出海航道、虎跳门水道等河段已经通过航道整治满足规划要求。这些航道整治工程，使得整治河段河床地形进一步下切，引起余水位-流量关系的改变和余水位的降低。

3.4.3 口门围垦

珠江三角洲口门的滩涂围垦改变了沿海地区海岸线形态，直接或间接地影响到珠江河口的潮汐动力。珠江三角洲河口区的滩涂开发利用已有2 000年的历史，海岸线逐步向海推进。而新中国成立以来，特别是改革开放后，由于城市化进程的快速推进，滩涂围垦的面积也急速增长，海岸线向海推进的速度大幅度提升，仅1966-1996年间围垦面积就达334 km2，海岸线平均向海推进3 km 以上［20］。但随着磨刀门和内伶仃洋的围垦逐渐趋于饱和，近年来围垦的速度又有所放缓。1999后珠江三角洲河口区围垦主要集中在黄茅海东、西岸两侧，围垦面积达30 km2。大部分围垦工程都缩窄了潮汐向上游传播的通道，增大了潮汐传播的阻力，一定程度上削弱了进入河网内部的潮汐动力。