珠江“伶仃洋河口湾-虎门-潮汐通道”的潮波传播特征*

珠江“伶仃洋河口湾-虎门-潮汐通道”是珠江河口“网-湾”系统中的特殊地貌结构, 属潮优型河口, 潮波传播受河口湾地形辐聚效应、口门转换效应、潮汐通道辐散效应和底床摩擦等显著影响, 其时空变化复杂。本文根据珠江“伶仃洋河口湾-虎门-潮汐通道”的代表潮位站(赤湾、泗盛围和黄埔)1990—2016年逐日高、低潮位资料, 采用经典调和分析方法提取出主要天文分潮的调和常数, 通过计算获得了分潮振幅梯度及传播速度, 并在此基础上分析了伶仃洋河口湾(赤湾-泗盛围)、潮汐通道(泗盛围-黄埔)和总程(赤湾-泗盛围-黄埔)的潮波传播时空特征。结果表明: 全日分潮的振幅梯度和传播速度年均变化率均比半日分潮大, 其中K₁和O₁分潮的振幅梯度平均每年分别增加9%和18%, 传播速度每年均增加1.4%; M₂和S₂分潮的振幅梯度平均每年分别增加3%和6%, 传播速度每年均增加1%。人类活动导致地形异变, 进而驱动潮波亦发生突变, 伶仃洋河口湾和潮汐通道的M₂分潮传播速度突变年份不同, 分别为2009年和2000年。潮波传播速度突变后, 伶仃洋河口湾、潮汐通道两区段的传播速度和振幅梯度的关系也发生了变化。     

伶仃洋洪季潮波传播变形及不对称性规律分析

珠江河口伶仃洋水域潮波传播变形及其不对称性关系对河口动力环境和物质输运产生影响。研究根据珠江口伶仃洋及东四口门19个潮位站2011年6月实测逐时潮位, 利用收缩河型沿程潮幅解析理论, 阐释伶仃洋从桂山岛上行沿程潮汐传播规律特征; 在调和分析基础上, 应用偏度理论和分潮组合分析方法, 阐明了伶仃洋东西岸及洪奇门、蕉门内潮汐不对称性分布特征, 对照数值研究结果, 指出伶仃洋至虎门之间水域导致潮汐不对称性的主控因素及响应规律。研究表明, 河口平面形态呈近似指数收缩特征的伶仃洋, 沿程潮幅的变化符合指数收缩型河口波幅解析变化规律, 东岸潮幅高于西岸的主要原因是东岸水深大于西岸, 其次是科氏力影响; 行进潮波虽受地形摩擦耗能及非线性作用下不同频率分潮间能量迁移的影响, 但收缩河口能量汇聚效应可以保证收缩段天文分潮潮幅减缓衰减甚至增加, 半日分潮能量汇聚效果强于全日分潮, 各非线性项作用促使浅水分潮产生并持续增能, 保证一定距离内沿程潮幅的增大; 潮汐不对称性的偏度由湾口落潮占优向湾顶涨潮占优发展, 在伶仃洋中部赤湾至金星港一线转为涨潮占优, 产生该现象的原因是自湾口向湾顶不同频率间天文分潮K₁-O₁-M₂的相互作用, 导致表现为落潮优势潮的不对称性减弱, 而天文分潮M₂和其对应的浅水分潮倍潮M₄组合作用使涨潮优势偏度值的不对称性增强; 收缩河口形态属性要素中, 水深是影响潮不对称性的最主要因素。     

珠江磨刀门河口潮波振幅梯度与上下游动力边界的关系异变研究

强人类活动目前已经成为河口演变的主要动力。阐明流量驱动下河控型河口潮波传播演变过程及机制,对河口治理及人类活动的影响评价具有重要指导意义。以珠江磨刀门河口为例,研究了径潮动力阶段性演变特征。采用流量驱动的R_TIDE数据驱动模型探究了该区潮波振幅梯度和上下游动力边界(即上游流量和口门振幅)关系的变化规律。结果表明,在强人类活动影响下,各潮位站M₂分潮振幅明显上升(三灶站除外),且具有季节性差异和阶段性变化,灯笼山-马口河段的M₂分潮振幅沿程平均增大约0.07 m,河段潮波振幅梯度平均增大约4.61×10^–6 m^–1。研究潮波振幅梯度与上下游动力边界的阈值的关系表明,阈值效应主要出现在甘竹-马口河段。在强人类活动影响下,潮波振幅梯度阈值增大,相应的流量阈值增大,而振幅阈值基本不变。在达到振幅阈值之前,由于底床摩擦效应,大潮振幅衰减效应大于小潮,而在超过振幅阈值后,地形辐聚效应成为影响潮波振幅梯度变化的主要因素,大潮振幅衰减效应小于小潮。阈值的变化主要与流量、地形、摩擦等多因子耦合作用有关,当地形辐聚效应和底床摩擦效应达到平衡时,潮波振幅梯度与上下游动力边界之间则出现阈值效应。该现象的发现可为河口海岸防灾减灾和水资源管理等实际问题提供重要理论支撑。     

珠江三角洲径潮相互作用下潮能的传播和衰减

因径流潮汐相互作用,三角洲各水道的能通量包含径流引起的净通量及潮汐引起的潮能通量。本文利用珠江三角洲多断面实测水位及流量的同步测量数据,建立基于径潮耦合的调和分析模型,剥离径流信号,计算出各站的总潮能及M₂、K₁及高频浅水分潮的潮能,对珠江三角洲潮能的沿程传播及衰减进行研究。结果表明,通过虎门进入珠江三角洲的潮波能量约占51.2%,而通过崖门、蕉门、磨刀门传入三角洲的潮能约占37%;同时,因地形摩擦、径流耗能效应,三角洲各水道的总能量损耗为148.33 MW。潮波能量按汇聚型和分散型两大类型沿三角洲不同位置传播并沿程衰减。虎门狮子洋及珠江正干、崖门至潭江石咀两大水道体系,其潮能沿程分散传入不同汊道,断面总潮能的衰减幅度大于单宽潮能通量的衰减,单宽潮动能沿程平均衰减速率大于潮势能,半日分潮的潮能衰减速率大于全日分潮。虎门狮子洋因其形态影响,M₂分潮振幅（或势能）的衰减最小,虎门至泗盛围段增加,平均每千米约增加0.77%。西四口门潮能汇聚于西海水道天河断面,总潮能的衰减速率小于磨刀门水道单宽潮能衰减速率。沿横门、洪奇门、蕉门进入的潮波多次交汇、分散,自横门至小榄、南华,南沙至海尾、荣奇,其单宽潮动能及M₂、K₁分潮动能的衰减速率小于潮势能,高频分潮势能沿程增加。     

珠江河口潮能通量与耗散

珠江河口三角洲是我国一个极其复杂的大尺度河口系统,具有独特的河网体系和河口湾.为探讨珠江河口三角洲的潮能通量和潮能耗散机制,基于SELFE模型,建立了珠江河网-河口湾的三维数值模型,计算了河网-河口湾区的潮能通量和潮能耗散.研究表明:珠江河口的潮能通量平面上表现出主槽大,滩地较小;在总能耗中,底摩擦能耗最大,其次是垂向扩散耗散能耗,水平扩散能耗最小;存在‘门’、分汊汇流区和弯曲河道区等典型的高能耗区,高能耗区的单位面积能耗比附近水域的高数倍甚至1～2个数量级.     

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。     

基于FVCOM模型的珠江河口及其邻近海域的潮汐模拟

基于FVCOM模型,将珠江河网、河口和口外海区作为整体,建立完全三维数值模式,对珠江河口及其邻近海域的潮汐进行数值模拟.采用23个潮位站的潮汐表水位资料对模式进行验证,结果表明模式能比较准确地重现珠江河口的潮汐变化过程.通过对计算结果进行潮汐调和分析,给出了珠江河口区域及近岸海域8个主要分潮的同潮图,讨论了潮波的传播特征.珠江河口潮汐属于混合潮类型,潮型系数介于0.8—1.5.浅水分潮成分很小,最大振幅不超过5cm.对珠江河口的潮差进行统计,给出了珠江河口大潮和小潮期间的潮差大小及分布,大潮时潮差介于2.2—3.1m,小潮时减小到0.6—1.1m.     

伶仃洋河口湾的铅污染

伶仃洋河口湾的北部有虎门、蕉门、洪奇沥和横门等四个珠江入海口门,接纳珠江总迳流量61％,南边以澳门—香港一线为界,面积达1165.2平方公里。其西北面通过网状河汊,与大城市广州和珠江三角洲众多的中、小城镇连接,西面有珠海,东面有深圳两个经济特区,东南面毗连香港。这样特殊的地理位置,使伶仃洋河口湾的铅比珠江口其它河口浅海区高,在底栖生物体内尤其明显。     

河口三角洲径流和潮汐相互作用模型及应用

受径流影响和调制,径优型河口潮汐的非线性作用强,潮汐调和分析和预报误差大。文章在调和分析方法的基础上,结合河口三角洲内径潮相互作用机理,假定河道地形变化微弱,采用实测潮水位和上游径流量,建立径流和潮汐调和分析(river-tidal harmonic analysis,简称RTHA)模型,用于分析和研究珠江三角洲的径流和潮汐的相互作用过程。结果表明,对于珠江河口年尺度的潮水位数据,RTHA模型分析和预报的标准误差0.12~0.17 m,方差贡献(相关指数)为91%~98%,特别是在径流作用强的河口三角洲中上段,RTHA模型结果远高于传统的调和分析和预报结果,可以以较高精度分离径流和潮汐信号。利用该回归模型对珠江径流影响下非线性潮汐的变化进行研究,结果发现,珠江径流量的洪枯季变化引起河口全日分潮、半日分潮、三分之一分潮的振幅洪季小、枯季大,口门段四分之一分潮的振幅洪季大、枯季小;洪季全日分潮、半日分潮传播速度变小(位相增大),分潮振幅沿程衰减幅度显著增大,自枯季的10%~30%迅速增加到洪季的70%~80%。     

基于实测资料的珠江口海域风和潮汐特征分析

本文利用珠江口附近高栏站(GLN)、大万山站(DWS)和珠海站(ZUH)2018年4月-8月的实测潮汐资料对珠江口海域潮汐特征展开分析,并结合实测10m高度处风速资料分析该海域风特征。研究结果表明:(1)因观测期间为4-8月,受季风影响,三个站位均以南向或者偏南向为主,因有台风经临,风暴增水问题不容忽视。(2)观测期间,不同站位之间潮汐特征值并不相同,其中珠海站潮差最大,为109.7cm,大万山站潮差最小,为100.2cm;(3)不同月份之间,各站位月平均海平面并不一致,高栏站月均海平面最高,分别为248.32cm、260.09cm和262.55cm,大万山站月均海平面最低,分别为207.88cm、218.24cm和218.24cm。三个站位进行潮汐大多介于175-325cm之间。(4)观测期间大万山站、高栏站和珠海站的潮汐系数分别为1.74、1.78和1.49,施测海域的潮汐性质均属于不正规半日混合潮。该海域半日分潮以M_2分潮为主,等振幅分布大致呈现东北-西南走向。S_2分潮大致为M_2分潮的一半,迟角大于M_2分潮,证明其传播速度小于M_2分潮。全日分潮以K_1为主,等振幅线也大致呈现东北-西南走向。     

长江河口潮波时空特征再分析

长江河口的潮波传播受到近岸及河口浅水地形及长江径流的显著影响,表现出很强的时空变化特征。已有相关研究主要关注徐六泾以下的河口段,还缺少对河口系统的潮波特征分析。本文基于大通、南京、徐六泾和牛皮礁4站的年内连续潮位资料,分析了主要天文分潮和浅水分潮的振幅沿程变化、季节变化特征和规律,认识到洪季大径流对江阴以上的近口段潮汐衰减作用显著大于枯季,而河口段的平均潮差有一定的半年周期变化,年内秋季最大。口内高频浅水分潮振幅在河口下段最大,且洪季大于枯季,低频浅水分潮则在河口上游振幅最大,由此反应径流对潮汐改造的非线性作用。这些认识可为水道航运及相关河口研究提供基础认识。最后本文也指出关于长江河口潮汐特征尚需进一步研究的若干问题,以期下一步工作取得相应进展。     

潮优型河口动力对水深变化的响应机制研究——以葡萄牙Guadiana河口为例*

强人类活动(如航道疏浚)和自然气候变化(如海平面上升)对近岸河口环境不同影响的辨识是目前河口海岸学研究的热点和难点问题。在地形概化和动力简化条件下, 解析模型能够快速辨识强人类活动和自然气候变化对河口环境的影响, 它是探讨河口动力过程对外界干扰的响应机制的重要工具。本文基于前人对葡萄牙Guadiana河口不同分潮之间非线性相互作用的研究, 采用一维水动力解析模型探讨河口不同分潮潮波传播过程对水深变化(模拟航道疏浚和河道淤积过程)的响应机制。研究结果表明: 平均水深$\overline{h}$的变化影响无量纲河口地形参数γ和摩擦参数χ, 进一步影响河口动力参数包括潮波振幅参数ζ、流速振幅参数μ、波速参数λ、潮波振幅增大/衰减率参数δ以及流速与水位之间的相位差?等; 平均水深变化对河口中下游段(x=0~60km)的潮汐动力影响较大, 而对河口上游段(x=60~78km)影响较弱; 主要半日分潮(M₂、S₂、N₂)对水深变化的响应略大于全日分潮(K₁、O₁); 航道疏浚幅度小于2m时, 对河口潮汐动力格局影响不大, 而当疏浚幅度大于2m时, 将对河口潮汐动力格局及水环境(如盐水入侵等)产生较大影响; 河道淤积将导致潮汐动力减弱, 流速振幅、潮波振幅及传播速度减小, 流速和水位之间的相位差也减小。     

珠江口伶仃洋的Kelvin潮波利用二维分析模型和三维数值模拟的研究

伶仃洋的研究是整治珠江口的关键课题之一,也是河口学研究方面极有意义的。其地形复杂:浅滩和深槽互相交替,潮间带在低潮时露出;径流从四个口门流入,洪季和枯季相差几倍;又有大、小潮的变化;除了纵向盐度梯度外,又有横向的盐度梯度。利用分析模型和三维斜压式数值模拟两种方法,认为河口宽度较大因而科氏力起一定作用,加之虎门附近的反射作用,形成具有部分反射的Kelvin潮波系统。斜压作用和漏斗状地形的修正,可以解释主要的水文特征。例如东部潮差较大,水位较低。潮流是往复流,超前于潮波的相位越向南越大,盐度的空间分布是东南较高,时间变化滞后于潮波。含沙量的空间分布是东南较低。揭示出:东部涨潮流大于落潮流,西部则相反,以至形成了海水由东部流入,河水由西部流出的余流循环。这些结果提示:选择航道在东槽较好,东岸排污污染将随余流循环而影响到整个伶仃洋,等等。对经济建设及总体长远规划提供重要的依据。     

基于潮汐逆模型技术对渤黄海正压M_2分潮开边界条件的优化研究:Ⅱ.潮汐特征、潮汐动力学及潮余流

基于该系列文章前文建立的高分辨率数据同化模型系统,研究渤、黄海的M_2分潮的潮汐特征、潮混合、潮余流、潮能及其扩散、潮动量平衡。对同潮图结果的分析表明,渤、黄海内共存在4个无潮点,研究区域内M_2分潮振幅的最大值出现在朝鲜半岛西侧。潮流椭圆的分析结果表明,在35°N附近区域潮流椭圆的旋转方向有着比较突然的改变。朝鲜半岛西侧区域潮流的振幅较大,并且由于该区域地形复杂多变导致朝鲜半岛西侧海域存在着比较强烈的潮混合与潮耗散。对M_2分潮动量分析的结果表明,地形等因素在近海潮汐动力学过程中发挥着比较重要的作用。在渤、黄海内大部分区域,主要的动量平衡基本上介于压强梯度力、局地变化项以及科氏力之间,底应力和对流项都可以忽略不计。但是,线性模型对近海尤其是上述强耗散区内潮波活动的模拟还是存在着缺陷和不足。     

大亚湾的潮汐动力学研究--I.潮波系统的观测分析与数值模拟

文章作为大亚湾潮汐动力学系列研究的第一部分,展现了大亚湾水动力的最新观测结果,并借助于不规则三角网格海洋模式建立了高时空分辨率的三维潮汐潮流数值模型,重现大亚湾潮位和潮流变化状况。结合实测资料与模拟结果,得到了较以往更为精细的大亚湾潮波系统特征。浅水分潮,尤其是六分之一日分潮在大亚湾内快速增长,成为大亚湾潮波系统的显著特征。在大亚湾范和港M_6分潮振幅达到与M_4、S_2分潮相同的量级。大亚湾外开阔海域的潮流以旋转流为主,但进入湾内后潮流椭圆迅速扁平化,往复流占据主导。在湾内主要潮流通道内,M_6潮流椭圆主轴流速超过了M_4和K_1分潮。潮能通量分析揭示了大亚湾内高频分潮的强耗散,M_6分潮的能量耗散率和半日周期内耗散的总能量均超过了M_4、M_2和K_1分潮。观测到的欧拉余流表现出其湾内不一致的大小潮变化以及湾外所受沿岸流的影响。模拟出的欧拉余流则揭示了大亚湾内的余流多涡旋结构和水体弱交换能力。     

一种变截面河口中非线潮波的的研究

本文采用一维非线性考虑摩擦的流体动力学方程研究变截面河口的非线性潮波、河口宽度呈指数形式变化B=Boe~(-bx),深度h为常数。运用摄动法求解一维非线性流体动力学方程。可以发现解和Airy解是包含在本文解中的两种特殊情况。只要在我们的解中,令b=0,就可以得到前者。若令b=0和f=0(f是线性摩擦系量),则可以得到后者。根据二阶解对变截面河口中非线性潮波的物理机制进行了探讨,指出在线性摩擦系量假定下,河口中浅水分潮波由两部分组成。一部分来自河口以外,是由湾外浅水非线性效应产生的。另一部分则是由浅水非线性效应在湾内产生的。另外,潮余流和余水位与浅水分潮的物理机制并不完全相同。前者由浅水非线性效应、摩擦和河口的变形效应的相互作用产生,而后者主要依赖于浅水非线性效应。最后将本文的非线性模式应用于杭州湾非线性潮波的模拟。共计算了7个分潮(O_1、K_1、M_2、S_2、M_4、S4_、MS_4)。可以发现,运用入射的前进潮波以及它们的相互作用模拟的结果与实测资料吻合良好,从而可以认为杭州湾的潮波基本上是以前进波为主。     

基于SOM模型的珠江河口河网铊生态风险评估

珠江三角洲地区铊浓度的研究对粤港澳大湾区水资源保障具有重大意义。本研究在珠江河口河网选取了11个断面, 分别于枯水期和丰水期的大小潮四个水文时段对其表、中、底层进行同步采样和监测。分析了珠江河口与河网中铊的暴露情况以及其时间和空间的分布, 采用自组织映射神经网络(self-organizing maps, SOM)基因表达聚类分析的方法对528个铊浓度监测数据进行拟合。此外, 本研究基于潜在生态风险评价方法, 选取相应的系数, 运用SOM模型, 对珠江河口河网铊的潜在生态风险进行评估。结果表明, 珠江河口与河网铊的暴露水平整体上较低, 铊的浓度在空间上呈现为磨刀门>石龙>马口>伶仃洋>虎门>三水, 而在时间上则表现为丰水期小潮>丰水期大潮>枯水期大潮>枯水期小潮。SOM聚类分析结果表明, 珠江河口河网整体上潜在生态风险属于较低水平, 各断面的潜在生态风险程度从高到低依次为磨刀门>马口>石龙>伶仃洋>虎门>三水。本研究表明SOM聚类分析方法适合于重金属污染物聚类分析。     

珠江口及邻近水域鱼类群落结构研究

根据1986～1987年珠江口及邻近水域底拖网鱼类采样资料,运用系统聚类与排序等多元分析方法和群落多样性指数,研究该水域鱼类群落结构及其与环境因素的关系,分析结果把该水域鱼类划分为淡水、河口和沿岸3个群落,分别位于莲花山,虎门河道、珠江河口伶仃洋和珠江口浅海水域,各群落结构组成呈沿盐度梯度而成带分布的格局.淡水群落结构简单稳定,沿岸群落结构比较复杂,河口群落受水动力过程和生物活动影响最大,群落结构的季节变化较为显着.     

珠江口风暴潮的初步研究

珠江是我国三条最大的河流之一，由三大支流——东江、北江和西江组成。珠江口是三角洲网河区型的河口,无数水道彼此交织,方向各异。大小不一,地形十分复杂。每当台风侵袭本区时,强制波夹带盛潮进入河口向内推移,与洪水相遇时,则相互拥高,水位暴涨,严重威胁着珠江三角洲地区人民的生命财产。 统计表明(见图1),1949-1970年间,侵袭广东沿岸地区的台风共有149次;平均每年7次，八、九月份出现最多,约占58%，五月和十一月份最少,占8%。可以认为,珠江河口区是我国风暴潮的多发区。 近几年来,关于珠江河口区台风暴潮的研究和预报已有论述,获得了一些有益的成果。本文仅对珠江口(伶仃洋)台风暴潮的一些特性从理论和实相结合的角度予以讨论。     

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...