珠江磨刀门河口径潮动力耦合条件下余水位的多时空尺度分析

本文通过构建径潮动力耦合条件下潮波传播的一维水动力解析模型，从理论机制上探讨珠江磨刀门河口径潮动力非线性作用下余水位的多时空尺度变化。结果表明:余水位变化呈现明显的大小潮和洪枯季变化，枯季余水位大小潮的变化幅度介于0~0.4 m，而洪季余水位与上游径流紧密相关，增幅大枯季一个量级（介于0~6 m）；解析模型可分离控制余水位变化的3个主要因素，即径流、潮流和径潮相互作用因子，计算结果表明河口不同区段余水位的主控因素有明显的洪枯季变化，上游段，枯季余水位受径潮相互作用因子控制，洪季受径流因子控制；枯季下游段余水位受潮流控制，而洪季余水位主要受径潮相互作用因子控制。     

长江河口潮波传播机制及阈值效应分析

河口潮波传播过程受沿程地形(如河宽辐聚、水深变化)及上游径流等诸多因素影响,时空变化复杂。径潮动力非线性相互作用研究有利于揭示河口潮波传播的动力学机制,对河口区水资源高效开发利用具有重要指导意义。本文基于2007—2009年长江河口沿程天生港、江阴、镇江、南京、马鞍山、芜湖的逐日高、低潮位数据及大通站日均流量数据,统计分析不同河段潮波衰减率与余水位坡度随流量的变化特征,结果表明潮波衰减率绝对值与余水位坡度随流量增大并不是单调递增,而是存在一个阈值流量和区域,对应潮波衰减效应的极大值。为揭示这一阈值现象,采用一维水动力解析模型对研究河段的潮波传播过程进行模拟。结果表明,潮波传播的阈值现象主要是由于洪季上游回水作用随流量加强,余水位及水深增大,导致河口辐聚程度减小,而余水位坡度为适应河口形状变化亦有所减小,从而形成相对应的阈值流量和区域。     

强人类活动驱动下珠江磨刀门河口径潮动力的季节性异变特征

人类活动对河口环境影响巨大,揭示在强人类活动驱动下河口径潮动力非线性相互作用的异变特征,有利于了解人类活动影响河口动力地貌的机制,对河口区水利工程建设及环境保护等具有重要指导意义。基于1960—2016年珠江磨刀门河口沿程潮位站(甘竹、竹银、灯笼山、三灶)的逐月高、低潮位数据及马口水文站的月均流量数据,统计分析了磨刀门河口在强人类活动驱动下月均水位、潮波振幅及其空间梯度(即月均水位坡度和潮波振幅衰减率)的季节性异变特征。结果表明,1990年和2000年为磨刀门河口径潮动力的异变年份, 1990年前为自然演变阶段, 2000年后为恢复调整阶段,1990—2000年为过渡阶段;高强度采砂导致的河床下切使磨刀门河口月均水位及月均水位坡度显著减小,夏季减小幅度最为明显,沿程平均分别减小0.53m和8.93×10~(-6);月均水位坡度减小导致潮波衰减效应减弱,进而使沿程潮波振幅增大,多年平均增大0.071m;磨刀门河口径潮动力相互作用具有明显的季节性差异,夏季月均水位坡度随流量增大在上游抬升明显,冬季月均水位坡度在上游显著减小,但在下游略有抬升;随着流量的增大潮波振幅的衰减作用增强,但当流量超过阈值20000m~3/s时,月均水位坡度引起的底床摩擦增大效应不足以抵消横截面积辐散效应,潮波衰减效应略有减弱。     

长江感潮河段潮波传播变化特征及影响因素分析

径潮相互作用是感潮河段水动力变化的典型特征，受其影响潮波传播具有明显的洪枯季及沿程变化。本文基于长江感潮河段天生港、江阴、镇江、南京、马鞍山及芜湖6个潮位站2002?2014年连续高低潮位资料及大通站月均流量数据，统计分析长江感潮河段潮波振幅衰减率、潮波传播速度及余水位坡度等传播特征值的洪枯季及沿程变化特征，并探讨这些潮波传播特征的变化规律及其主要影响因素。结果表明，潮波传播特征的洪枯季差异自上游至下游逐渐减小，其分界点位于天生港与江阴之间（其中，天生港和江阴站的多年平均洪枯季潮差差值约为0.01 m和?0.04 m）；径流动力对潮波衰减的影响主要位于江阴以上河段，江阴以下河段主要受潮汐动力控制；径流驱动下余水位坡度引起的余水位及水深增加，导致潮波传播的有效摩擦减小，当流量超过某个阈值时潮波振幅衰减反而减弱，特别是上游马鞍山-芜湖段最为明显，统计结果表明该河段流量阈值约为33 000 m3/s。本文分析结果作为前人研究的重要补充，可为长江河口感潮河段径潮相互作用机制研究及河口治理等提供基础参考。     

珠江磨刀门河口水位分布演变特征及其对人类活动的响应*

河口区水位受径流、潮汐、地形、人类活动等多因素影响, 其空间分布结构及变化复杂。作为河口动力结构的重要参数, 水位分布演变特征及机制的研究对水资源高效开发利用和河口治理具有重要指导意义。文章基于珠江磨刀门河口沿程马口、甘竹、江门、竹银、灯笼山和三灶6个测站1965—2016年月均余水位数据及马口站的月均流量数据, 分析人类活动影响下水位空间分布的异变, 采用双变量线性回归模型定量辨识水位分布异变的主要影响因素, 并初步讨论人类活动、动力结构、地形变化之间的相互耦合关系。结果表明, 基于平均水面形态变化参数(即曲率)可较好地指示河床冲淤变化趋势, 河段平均曲率为正, 指示河床趋于淤积, 曲率为负, 河床趋于冲刷侵蚀; 围垦、大规模挖沙、河道疏浚等强人类活动前, 磨刀门河口上、下段坡降大于中段(江门—甘竹段), 即中段存在一个水位坡降变缓的区域, 枯季低流量时中段水位坡降出现由海向陆方向的倒坡降, 强人类活动后, 余水位空间分布结构发生异变, 中段坡降增大、低流量时的逆坡降消失; 强人类活动引起的河床地形变化是磨刀门河口沿程水位空间形态发生变化的主要原因, 使口门段(三灶—竹银)和河口上段(甘竹—马口)水位曲率分别减小0.41×10^-4m·km^-2和1.04×10^-4m·km^-2, 河口中段(竹银—甘竹)水位曲率增大0.21×10^-4m·km^-2, 沿程曲率由正(下凹)-负(上凸)-正转变为负-正-负, 沿程河床也随之由淤积-冲刷-淤积趋势转变冲刷-淤积-冲刷趋势。     

珠江河网典型横向汊道径潮动力时空差异性分析——以“南沙—南华”横向汊道为例

横向汊道对维持珠江河网径潮动力格局的稳定发挥着重要作用,研究其径潮动力时空演变过程及规律对粤港澳大湾区的防洪、供水和通航等具有重要意义。本文基于1966—2016年“南沙—南华”横向汊道沿程潮位站的逐日高低潮位数据及马口、三水水文站的日均流量数据,采用双累积曲线方法及T＿TIDE潮汐调和分析模型,分析了该横向汊道径潮动力的时空差异性。结果表明:1) 1993年为该横向汊道径潮动力的异变年份,1993年后横向汊道潮波振幅梯度绝对值与余水位梯度多年均值降幅分别为25%和38%; 2)强人类活动干预后该横向汊道径潮动力变化存在时空差异性, 1993年后口门南沙站潮动力减弱(M2与K1分潮振幅多年平均降幅分别为0.01m和0.02m),其他站点潮动力增强,潮波衰减效应在中游略有增强,而在上游和下游减弱,且夏季比冬季变化显著; 3)上述时空差异性受自然变化与人类活动的非线性累积影响。口门附近高强度的围垦叠加航道整治工程使得口门快速延伸,导致潮波传播阻力增大,而横向汊道上游高强度的采砂活动使得地形显著下切,导致潮波传播阻力减小;受上游流量与下游海平面季节性变化的叠加影响,横向汊道径潮动力变化在夏季...     

河口回水动力的演变过程及其影响机制

河口回水区长度的时空演变对防洪、供水、航运等水资源高效开发利用具有重要指导意义。本文在经典河流回水理论的基础上考虑潮汐动力的影响,聚焦潮汐动力引起的回水效应问题,基于一维水动力解析模型,重新定义河口回水区上游界限（回水界）,并以长江河口为例,探讨河口回水动力演变过程及其影响机制。结果表明:回水界距天生港的距离（即回水区长度）与上游流量、外海边界振幅分别具有显著的负相关和正相关关系,且基本为线性关系;回水界对径潮动力的响应比潮区界更为敏感,能有效表征河口感潮河段径潮动力格局演变;长江河口回水界位置具有明显的季节性差异,其春季和秋季回水界位于芜湖附近（春季和秋季分别距天生港419 km和367 km）,冬季回水界位于感潮河段以上区域,夏季潮汐动力引起的回水效应基本可忽略;长江河口潮流因子和径潮相互作用因子控制的余水位梯度的季节性变化,是长江河口回水界位置变动的主导因素。     

全日潮海域风暴潮增水中全日扰动和半日扰动分析

风暴潮增水是风暴潮与天文潮相互作用理论研究的基本内容,也是风暴潮预报中的重要问题。最大余水位的产生机制对于提高预报精度及海岸带防护有着重要意义。为研究全日潮海域风暴潮增水中的全日扰动和半日扰动,对Horsburgh与Wilson的风暴潮余水位模型进行了改进和扩展,建立了包括多个分潮的余水位分解方法并将其应用于防城港站,对台风"启德"和"山神"影响下的潮位过程进行了分析。结果显示,建立的余水位的分解方法对于全日分潮和半日分潮有良好的适用性。由于高频分潮产生机制的复杂性,该方法对高频分潮应用尚需进一步研究。在全日潮的防城港海域,全日扰动与半日扰动具有相同的量级,二者的和约占总增水的15%~19%。台风过程不同,相位变化项和局地变化项对增水的贡献有较大差异。     

河口海岸三维双σ坐标斜压水流数值模型研究

在海底地形陡变、垂向密度分层明显的水域,三维σ坐标模式中会出现一种"伪"水平斜压梯度力,并会引起"伪"密度流,以至于影响模拟的精度。垂向上引入双σ坐标变换,建立河口海岸水域三维斜压水流数值模型。数值试验结果表明,在海底地形陡变水域,双σ坐标模式可以减小水平斜压梯度力处理引起的误差。     

地形和层结变化对内潮生成影响的数值模拟研究

基于ROMS(Regional Ocean Modeling System)模式,设计了9组理想数值实验,研究了内潮的产生对地形和背景层结环境的敏感性。结果表明:高斯海脊两侧地形梯度较大的超临界坡面处是内潮的主要源区;地形和层结环境的变化对内潮生成有很大影响;如地形和层结保持不变,不同的网格水平分辨率和垂向层数条件下估算的内潮转换率存在差别;地形和跃层的相对空间关系对内潮生成及其引起的水体混合强度存在影响。高分辨率的地形和合适的背景层结是内潮模拟的关键。该结论对于内潮形成的数值模拟研究有一定参考价值。     

河口垂向拉格朗日余环流研究

应用弱非线性理论导出了狭窄型河口内拉格朗日余流的控制方程和溶解质长期输运方程,并应用流速分解法和B—样条配置技术建立了潮汐及拉格朗日余流的数值模型,应用欧拉—拉格朗日方法和B—样条配置技术建立了长期物质输运方程的数值模型,对狭窄型河口内潮致—斜压拉格朗日余环流进行了研究。结果表明,河口垂向拉格朗日余环流,不同于欧拉余环流,呈现一种较复杂的流型,在盐水入侵界的上游可能存在一涡旋。作者提出,将河口按余环流生成机制和水动力特征分为斜压,潮控及河流三个区。     

A three-dimensional coupled physical-biological model study in the spring of 1993 in the Bohai Sea of China

A three-dimensional (3-D) coupled physical and biological model was used to investigate the physical processes and their influence on the ecosystem dynamics of the Bohai Sea of China. The physical processes include M2 tide, time-varying wind forcing and river discharge. Wind records from 1 to 31 May in 1993 were selected to force the model. The biological model is based on a simple, nitrate and phosphate limited, lower trophic food web system. The simulated results showed that variation of residual currents forced by M2 tide, river discharge and time-varying wind had great impact on the distribution of phytoplankton biomass in the Laizhou Bay. High phytoplankton biomass appeared in the upwelling region. Numerical experiments based on the barotropic model and baroclinic model with no wind and water discharge were also conducted. Differences in the results by the baroclinic model and the barotropic model were significant: more patches appeared in the baroclinic model comparing with the barotropic model. And in the baroclinic model, the subsurface maximum phytoplankton biomass patches formed in the stratified water.     

河口水流结构分解及斜压M4分潮流探讨

河口水流是河口生态环境、河道演变、物质输运等物理过程的根本动力。由于径流、潮波、地形以及气象等因素的影响,河口水流呈现复杂的三维结构。其中既包括淡水注入形成的余流,也包括周期性的潮流、风生流、斜压流及河口非线性作用导致的流动等。为探究河口水流的组成及其潮内变化,基于瓯江口实测资料,利用主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）法对河口水流进行分解,探讨了PCA法对河口水流的分解性能及斜压分潮流的高频特征。研究认为,PCA法在河口水流结构研究中既可采用原始数据操作亦可用标准化的数据进行计算。PCA法可分解出斜压成分（河口重力环流型结构）,但不能将正压成分（径流和潮流）分开,径流和潮流二者综合作用的结果体现在主成分的得分之中。主成分的取舍应根据水流结构和累计解释方差综合判断,不宜仅依据累计解释方差。河口斜压流动具有明显的高频特征,近似呈1/4日分潮的周期。     

珠江河口地形致动力结构研究——以崖门为例

局部地形对于河口动量和能量平衡有重要作用,影响了潮波性质和物质输运特性。选取珠江河口崖门这一典型的地貌单元,通过水尺和座底式支架的观测,对其特殊地形边界影响下的动力结构进行了探讨。结果表明:(1)过水面积的缩窄导致崖门口处形成局部高水位区,来流方向水位壅高,去流方向水位梯度增大;(2)忽略斜压作用的情况下,由水位梯度所产生的正压项是主要的动力项。沿河道方向的二维垂向平均动量平衡中,急流时刻主要是正压项和对流加速度项平衡,憩流时刻主要是正压项和局地加速度项平衡;(3)地形变化所产生的形态阻力比床面粗糙所产生的肤面阻力要大数倍到一个数量级。     

潮致余流和潮混合对长江口外东北海域低盐水团的作用

长江冲淡水对黄海、东海水文环境有重要影响,它主要以羽状形态向外海扩展,在某些年份的特殊时间段也存在孤立的低盐水团现象。在低盐水团的动力机制研究中,风、径流量、台湾暖流、天文潮和斜压不稳定的作用已得到讨论。天文潮对冲淡水及低盐水团的影响主要包括潮致余流和潮混合,潮致余流作用仍缺乏讨论。本文对1983年8月低盐水团的动力机制进行数值模拟分析,重点讨论了潮致余流和潮混合的影响。结果表明:潮致Lagrange余流促使一部分冲淡水从口门向北输运,在32°N附近呈舌状转向东,有利于在口外东北海域形成低盐水团;小潮转大潮的垂向混合作用加强,浅水区表层盐度升高的速度快于较深水区,也有利于在口外东北海域形成低盐水团。     

围填海对伶仃洋水流动力的短期影响模拟研究

利用已经过验证的高分辨率三维海洋动力模型FVCOM,根据1984—2014年内伶仃洋的围填海变化情况,结合情景模拟案例,研究分析围填海对伶仃洋水流动力的影响,探究截流式和顺流式围填海对伶仃洋不同季节的水平余流场、垂向环流结构以及潮汐变化过程的影响。研究结果表明,围填海对伶仃洋的余流流向没有明显影响,但对余流速有较大的影响。在水平方向上,截流式围填海使得周边海域的余流速明显增大,增幅在0.02～0.25 m/s不等,其中口门区域受到的影响最大;相较于底层流场,表层流场受围填海的影响相对更大,围填海以南的较远海域在表层出现一条强度逐渐减弱的流速减小带,减幅在0.02～0.15 m/s不等,且影响范围与流场的分布密切相关,在夏季向南延伸,在冬季向西南延伸。顺流式围填海的影响则主要分布在伶仃洋两侧沿岸,并且不同季节的影响特点有一定区别,在夏季使得内伶仃洋东岸海域流速增大,但在冬季使其流速减小,变化幅度均在0.02 m/s以上。在垂直方向上,围填海使口门区域余流的纵向流速梯度增加,并且改变了伶仃洋余流的垂向分布情况,总体表现为远离围填海的海域表、底层余流的流速减小,中上层余流的流速增大;与此同时,围填海大幅度改变了周边海域的横向流速,并且在伶仃水道、矾石水道等区域产生了新的横向环流。围填海使得河口至围填海的余水位明显上升,使得伶仃洋海域的余水位下降,余水位梯度的增大是围填海周边余流速增大的主要原因。另外,围填海影响了伶仃洋的潮汐变化过程。在大潮期间,围填海改变了伶仃洋海域涨落潮时的潮流流速,使得周边海域落急流速增加,较远海域落急流速减小,而涨急流速都减小;同时,围填海使得海域涨落潮时的潮位受到一定影响。围填海最终使得伶仃洋的潮汐相位提前了20～35 min。