珠江口磨刀门整治前后水动力数值模拟

磨刀门是珠江的主要泄洪通道之一,径流分配居珠江三角洲八大口门之首。利用磨刀门1977年地形(大规模整治前)和2003年的地形,通过ECOMSED模型模拟了磨刀门海域洪枯季节水动力场,对潮流、余流、潮能通量特性进行了对比,发现整治后磨刀门水动力强度加大,而且流速滩槽分异明显,余流场与落潮流方向一致。20世纪70年代,余流自口门出来后在内海区右偏,现在磨刀门水道余流偏向西部浅滩;潮能通量密度加大,滩槽分布差异明显。     

磨刀门河口水沙变化与地貌响应

以西江磨刀门河口为研究对象,应用马口站1960～2000年月平均流量及含沙量资料,1980、1981和2003年洪枯季实测水文及表层沉积物采样资料,分析磨刀门河口近几十年来的水沙变化,建立磨刀门河口水沙变化与纵、横断面及口门形态的响应模式.结论认为,西江磨刀门河口径流量年际变化不大;含沙量及输沙总量在1993年前后发生变异,有减少的趋势,悬浮泥沙中值粒径偏细;总体上形成了丰水少沙的水沙组合.磨刀门河口形态响应滞后于水沙变化,存在洪淤枯冲的年内变化.由于上游来沙量减少、人工护岸的作用下,河口口门断面趋于窄深.总体上,磨刀门河口深槽变浅,拦门沙在波浪作用下加高变薄;口门向外海延伸较快,使得河口口门动力相对强弱发生了较大变化,波浪动力及沿岸流对泥沙转运的作用增强,磨刀门河口正逐渐向河流-波浪型河口转变.     

珠江河口磨刀门水道的亚潮振荡特征及其对水文气象要素的响应

根据珠江河口磨刀门水道的三灶站、大横琴站、灯笼山站、竹银站2010年全年的逐时潮位资料,利用小波分析方法研究磨刀门河口区亚潮变化的周期特征。采用小波相干方法,分析亚潮与气压、风速、流量之间的相关关系。研究结果表明:(1)磨刀门河口亚潮主要存在5~6 d、14 d、21 d周期性波动。(2)亚潮5~6 d的周期波动的能量来源于气象要素及入海径流;亚潮14 d左右的周期波动的能量来源于天文大小潮、气象要素及入海径流的叠加效应;磨刀门水道下游站点亚潮21 d的周期性波动受到气象要素及入海径流的联合作用,而上游站点亚潮21 d的周期性波动主要受到入海径流因素的影响。(3)在不同季节,亚潮对气象要素的响应情况会产生不同影响。     

珠江磨刀门河口潮汐动力变化对人类活动的响应

磨刀门河口是珠江流域西江的主干入海口, 20世纪80年代以来受到网河区无序采砂和磨刀门整治工程的双重影响, 潮汐动力必然发生相应的调整。本文基于多年的水文资料, 结合统计分析、调和分析和数值模拟的方法, 对近五十年以来磨刀门河口的潮汐动力变化过程及其对人类活动的响应进行研究。结果表明, 20世纪80年代以前, 磨刀门河口总体上呈现出高、低潮位缓慢上升、潮差逐渐减小的趋势, 潮汐动力变化呈现出径流优势型入海口门水道向海延展的自然演变趋势; 20世纪80年代以来, 网河区无序采砂使水位下降、诱使潮汐动力增强, 磨刀门整治工程使水位上升、潮汐动力减弱, 由于河口不同段受到人类活动以及外海潮汐多年变化和海平面上升的干扰程度不同, 其潮汐动力变化呈现出不同特征。近口段受网河区无序采砂影响较大, 水位下降, 潮汐动力增强; 河口段受两种人类活动的双重影响, 水位上升, 在整治工程期间(1983—1993)潮汐动力减弱, 在整治工程后(1993—2003)受网河区无序采砂的影响潮汐动力增强; 口外海滨段受外海潮汐多年变化和全球海平面上升以及整治工程的共同作用, 水位上升, 潮汐动力减弱     

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。     

珠江口磨刀门河口动力平衡特点及人类活动对其影响

应用ECOMSED模型输出、运动方程简化等方法,研究了珠江口磨刀门河口动力平衡的特点。研究表明:在磨刀门河口动力平衡中,纵向的主要平衡项为压力项和垂向涡动摩擦项,侧向的主要平衡项为侧向正压力项和科氏力项。正压力为磨刀门河口动力的主导因素,但在枯季动力平衡中,斜压力也是不可忽略的项。人类活动对磨刀门河口动力最主要的影响是改变了正压力项的大小,近几十年来,磨刀门河口正压力呈减小的趋势。     

十到百年尺度动力形态模型在珠江磨刀门河口的应用

在人类活动的参与下磨刀门河口演变已不再是纯粹的自然过程,而是自然和人类活动共同塑造的过程。建立了一个以过程模拟为主的10~100 a尺度的长周期动力形态模型(PRD-LTMM-10)用于模拟磨刀门河口在人类活动作用下的演变过程。 该模型建立在水体运动方程和沉积物输运方程的基础上,应用约简技术对模型输入和计算进行处理,并包含了用于评价和量化人类活动的抛石促淤模块和航道疏浚模块。应用该模型较真实地模拟了磨刀门河口在1977-1988 年的动力地形演变过程,并且通过模拟结果和情景分析,合理地分离了人类各种工程活动的长期影响和自然因素在河口演变中的作用。研究表明,治理工程对河口自然发展趋势造成了较大的改造,淤积强度表现为西侧大于东侧。抛石和围垦工程使横洲水道主槽逐年冲刷,深槽外移,而龙屎窟深槽上端则表现为严重淤积,深槽不断缩窄。     

十到百年尺度动力形态模型在珠江磨刀门河口的应用

在人类活动的参与下磨刀门河口演变已不再是纯粹的自然过程,而是自然和人类活动共同塑造的过程。建立了一个以过程模拟为主的10~100 a尺度的长周期动力形态模型(PRD-LTMM-10)用于模拟磨刀门河口在人类活动作用下的演变过程。 该模型建立在水体运动方程和沉积物输运方程的基础上,应用约简技术对模型输入和计算进行处理,并包含了用于评价和量化人类活动的抛石促淤模块和航道疏浚模块。应用该模型较真实地模拟了磨刀门河口在1977-1988 年的动力地形演变过程,并且通过模拟结果和情景分析,合理地分离了人类各种工程活动的长期影响和自然因素在河口演变中的作用。研究表明,治理工程对河口自然发展趋势造成了较大的改造,淤积强度表现为西侧大于东侧。抛石和围垦工程使横洲水道主槽逐年冲刷,深槽外移,而龙屎窟深槽上端则表现为严重淤积,深槽不断缩窄。     

基于高频ADCP资料的磨刀门河口羽状流湍流动力特征

利用1 200 kHz的宽频RDI ADCP于2015年7月在磨刀门河口拦门沙前缘的浅水站和沿岸流影响的深水站进行座底观测,采样频率为1 Hz,数据经滤波去噪处理,应用方差方法分析了磨刀门的羽状流湍流动力特征。结果表明,磨刀门河口水流表现出3层流结构,峰值流速出现在表层的羽状流层,深水区雷诺应力量级为10-3~10-5 m2/s2,小于拦门沙前缘的湍流脉动强度;拦门沙前缘和深水区湍流动能密度参数的范围均在0.01~0.6 m2/s2左右,羽状流的湍动能比底边界层高一个数量级。拦门沙前缘羽状流的湍动能生成率量级约为10-3 W/kg,比底层大2~3个量级,且远强于深水区;垂直涡黏系数的大小约为0~0.15 m2/s。总的来说,羽状流表现出层化稳定、混合强烈,以及高的湍动能生成率,为羽状流携带高浊度悬沙离岸远距离搬运提供了湍流动力条件。     

磨刀门河口近期水文动力变化及人类活动对其影响研究

分析磨刀门河口近几十年来水文动力的变化并重点研究围垦和挖沙这二类人类活动对水文动力变化的影响。磨刀门河口近期水文动力的变化主要表现在:水位升高,主干分流比加大,断面平均流速增大;潮汐动力20世纪607、0年代至90年代初明显减弱,潮差减小,主要分潮振幅变小;20世纪90年代初至21世纪初,潮汐动力增强,潮差增大,主要分潮振幅变大,涨潮量增大。围垦加速了水位的抬升,改变了河口的径流和涨潮量分流比,使河口的断面平均流速增大,减弱了河口的潮汐动力。挖沙使河口潮汐动力增强,降低了水位上升的速度。     

珠江磨刀门水道咸潮上溯加剧的原因

对磨刀门水道不同年份地形资料和多年枯季潮位资料进行了对比分析,结果表明:大规模的河床采砂,引起磨刀门上游河段河床大幅下切,河道深泓平均加深0.59~2.25 m,河槽容积平均增加8.91×106~12.11×106m3,使该河段枯季潮差增大,进潮量增加,潮汐动力增强,导致咸水界向上游河段推移;口门围垦整治后,磨刀门口门区由众多岛屿环抱而成的内海区变成人工导堤控制的"一主一支"两条水道,水域面积减少了80%,河槽容积减少了40%,深槽趋于顺直加深,使口门区的"调淡"作用消失,这是咸潮上溯的重要原因;根据多年水文频率分析,发生严重咸潮灾害时,西、北江枯季流量并非都是枯水流量,因此枯季上游来水量变化并不是近年来咸潮灾害加剧的主要原因。     

珠江口磨刀门月际尺度地貌演变研究

本文基于二维波流耦合泥沙数学模型对磨刀门河口月际尺度地貌演变进行了模拟研究。结果表明:（1）枯季,无波浪作用下,磨刀门河口总体呈淤积状态;波流耦合后,磨刀门河口整体由淤积转为以冲刷为主。洪季,无波浪作用下,磨刀门河口除西汊外均呈淤积状态;波流耦合后,拦门沙内坡与中心区转为冲刷状态,整体仍以淤积为主,但总淤积量减少;（2）月际尺度上,地貌变化幅度为厘米级,洪枯季具有明显差异。不考虑波浪作用下,磨刀门河口洪、枯季均以淤积为主,但洪季淤积幅度更大;波流耦合后,磨刀门河口呈洪淤枯冲的格局;（3）空间上,拦门沙外坡洪淤枯冲,拦门沙顶洪季淤积、枯季变化不大,内坡洪枯季均为冲刷。此外,拦门沙内坡以径潮流作用产生的底切应力为主,外坡以波浪作用引起的底切应力为主。     

珠江口磨刀门泥沙絮凝特征

本文利用激光粒度仪实测得到珠江口磨刀门河口2013年夏季悬浮泥沙现场絮凝及絮凝体特征,同时对比悬沙分散粒径和含沙量,研究表明:悬沙分散粒径平均值为27.9μm,现场实测絮团粒径平均值为91.6μm,表明磨刀门口外的悬浮泥沙絮凝现象显著;实测絮团平均粒径变化范围为13.0~273.8μm,小潮期间絮团粒径平均值为131.5μm,大于大潮平均值76.9μm;絮凝体粒径在垂向上的变化表现为由表及底先变大再变小。絮团体积浓度、沉速与粒径的关系在不同情况下有差异,体积浓度和絮团粒径在表层和中层有明显正相关关系,絮团沉速在大潮时刻随着粒径的增大而增大。综合分析影响絮凝的因素,得知在珠江口盐度对于絮团大小影响不明显;而流速大小的差异是影响大小潮之间絮团大小不同的主要因素。研究结果有助于了解珠江口细颗粒泥沙输移特性和相关生物化学过程。     

磨刀门拦门沙区域近期地貌演变和航道整治研究

应用近几年的水文和地形实测资料,研究了磨刀门拦门沙区域近期的动力和地貌演变特点.近期地貌演变的主要特点为:深槽外移扩展,一主一支分汊明显;拦门沙内坡冲刷外移,外坡变化不大,纵向宽度变窄;拦门沙西区淤积,拦门沙中心区和拦门沙东区冲刷;地貌轴线总体向南和西南方向偏转.从水动力和地貌演变的角度来看,磨刀门拦门沙区域航道整治应关注下列问题:1)注意河口性质的变化,着重解决径流输沙,波流共同输沙这两个主要问题;2)在工程布置中,应与口门外动力场的特点和地貌演变的总体趋势相适应,以建设双导堤为宜;3)西汊、东汊均是可选择的航线,从综合因素考虑宜选择西汊;4)注重河口分汊的自然规律,注意保护东支汊;5)注意稳定拦门沙中心区.     

珠江口磨刀门咸潮及其对环境要素变化的影响

于2011年1月25 日-1月26日小潮期间对磨刀门进行26 h定点连续观测,研究了咸潮对环境要素变化的影响.结果表明:调查期间溶解氧没有明显的潮周期变化;NO2-、NH4+浓度随着观测时间的延长不断降低,无明显潮周期变化;底层SiO4-,NO3-浓度具有明显的潮周期变化,且与底层盐度呈显著的正相关关系;溶解无机磷(DIP)、重金属(Zn、Cd)的潮周期变化不明显.当河床剪切力大于0.226N/m2时,发生明显的沉积物再悬浮作用,并对营养盐与重金属的变化产生显著的影响.N,P,si比值分析结果表明,磨刀门水域浮游植物生长受到潜在性的P限制,而咸潮上溯的加强将可能使这种营养盐结构发生变化.磨刀门受N、P的污染仍不容乐观,咸潮不利于污染物质的向海排出,在潮流作用下有发生严重的二次污染的风险.