珠江口八口門水文學特性分析

珠江口八口門水文學特性分析

珠江三角洲主要由西江、北江和東江等下游沉積物和河口組成。區(qū)內網河水道縱橫交錯,水量主要由虎門、蕉門、洪奇門、橫門、磨刀門、雞啼門、虎跳門和崖門等八大入海口門經珠江口流入南海。珠江河網淡水經過八大口門進入近海區(qū)域,河口及近海區(qū)域的環(huán)境現(xiàn)狀為學者們所關注,全面和有效地評估珠江河口的水質狀況,分析河口水域的納污能力顯得迫切而重要。河口區(qū)域鹽度變化是河流和海洋兩大動力要素在不同時空尺度上相互制約的反映,河流動力強弱以淡水徑流流量為標志,海洋動力強弱以潮差為標志,以大小潮變化最顯著。研究河口口門鹽度時空變化規(guī)律能夠反映口門陸海相互作用的特征,側面反映三角洲河網淡水進入口門動力特征及鹽度輸運通量特征。近年來,在珠江河網河道挖沙、圍墾等人類活動的影響下,河口鹽水入侵出現(xiàn)了普遍加劇的趨勢,同時上游的水閘及人工填筑等活動影響了各口門的分流比,由此,陸海相互作用平衡地帶的河口口門動力狀態(tài)必然發(fā)生改變。以往研究多集中于磨刀門鹽水入侵和虎門鹽度分布特征等方面,有關其他口門鹽度特征的研究少見有文獻報道;有關珠江口污染物及鹽度入海通量研究則多集中于數值模型結果討論,基于實測數據分析在早期及近年已有較多成果[9,10,11,12,13,14]。但由于珠江口動力條件近期發(fā)生了較大改變,基于珠江入海八口門同時段實測數據分析的相關研究仍具有較強的實時意義。鑒于此,本文主要通過2011年枯季八大口門同一時間段水文、鹽度實測數據進行比較分析,試圖探討珠江口門近期枯季入海水通量、動力特征和鹽淡水混合特征,這對了解珠江河口區(qū)鹽度、污染物等物質輸運規(guī)律具有重要的參考意義。1潮位、流速、流量、鹽度觀測為推進和落實珠江三角洲水環(huán)境保護合作,粵港雙方共同成立珠江三角洲水質保護合作小組(下稱“合作小組”)。合作小組于2011年2月進行了枯季八大口門潮流與鹽度的觀測,其觀測站位選擇在八大口門潮位站位置(圖1),同步觀測水文、鹽度值。分別于小潮期(農歷2月25—26日)和大潮期(農歷2月17—18日)進行了2次連續(xù)25h的潮位、流速、流量、鹽度觀測。蕉門、磨刀門和虎跳門站潮位直接使用水利部的固定水文站提供的潮水位數據,虎門、洪奇門、橫門、雞啼門、崖門站潮位使用透氣壓力式水位計記錄潮水位全過程,每5min記錄一組潮水位數據,在潮水位自記臺附近設兩把校測水尺。用四等水準接測水尺零點高程,用三等水準與流域水準點連測。高程統(tǒng)一使用1985國家高程基準。鹽度觀測每隔2h正點時刻分表、中、底3層采樣,然后在實驗室使用SYC1-2鹽度計測定鹽度,同時使用YSI儀進行實時鹽度垂線分布觀測;流量采用走航式ADCP進行測量,從河岸的一邊測到另一邊,每2h施測一次;流向以落潮流為正數。每個測量斷面設定最少10個水平監(jiān)測/計算點,點與點之間小于50m。根據河口咸淡水混合程度將河口分成高度分層型、部分混合型和充分混合型3種類型。這3種類型可以通過層化參數R來界定,R的具體計算公式為:式中,Sb為某時刻測站的底層鹽度,Se為表層鹽度,為垂線平均鹽度。R≥1為高度成層型,1>R>0.01為部分混合型,R≤0.01為充分混合型。2本周期的動力特征2.1全站、博羅站在測試的過程中,上游主要控制站的日平均流量均較小,西江馬口站大潮和小潮期間平均流量為3050m3/s和2150m3/s,三水站流量為569m3/s和472m3/s,博羅站流量為383m3/s和371m3/s。珠江口門觀測斷面入海流量分配比見表1,流量為大、小潮水流量平均值。從表1可看出,分流比排在首位的是磨刀門,其次是虎門和洪奇門,最后位是橫門。分流比最大為26.3%,最小為2.5%。2.2潮差分布特征珠江河口區(qū)潮汐類型屬不正規(guī)混合半日潮。從觀測期間八口門潮位過程線(圖2)看,由于上游徑流下泄影響,珠江八口門枯季落潮潮差明顯大于漲潮潮差,潮差分布基本以磨刀門和雞啼門最低,虎門和蕉門最大;潮波傳至珠江口,八口門高潮位出現(xiàn)時間差,磨刀門、雞啼門首先出現(xiàn),而虎門和蕉門最后出現(xiàn),其差約1~2h。2.3潮周期特征最大落潮差珠江口八大口門流速特征各不相同,但基本是落潮流速大于漲潮流速,落潮歷時大于漲潮歷時。大潮期流速大于小潮期,大潮期漲潮歷時大于小潮期漲潮歷時。黃茅海是一個漏斗灣,南北向縱長,灣頭西炮臺最大漲潮差為2.51m,最大落潮差為2.52m。從觀測期間八口門垂線平均流速過程線(圖3)看,相對其他口門,灣頭兩條入海水道崖門和虎跳門漲落潮流速在潮周期過程偏大,崖門測站漲潮平均流速最大可達0.92m/s,落潮最大達0.78m/s,測站為漲潮優(yōu)勢斷面。虎跳門測站漲潮平均流速最大可達0.68m/s,落潮可達0.8m/s,落潮流大于漲潮流。磨刀門為典型的強徑流弱潮河口,其分流比占26%左右,且潮差又為八口門中最弱河口。在觀測期間,磨刀門漲、落潮流速在八口門中均偏小。在小潮觀測期間T24:00至次日T6:00時段,水位在漲,垂線平均流速一直在落,斷面流態(tài)未出現(xiàn)整體漲潮流現(xiàn)象。3潮周期和表底混合特征從珠江口門垂線平均鹽度分布(表2)看,虎門平均鹽度最大,屬于典型的漲潮優(yōu)勢河道,半月潮周期鹽度平均值為12.73,始終為鹽水所控制。與虎門類似,崖門喇叭狀河口灣積聚潮汐能量,使得外海鹽水進入崖門動力充足,其潮周期平均鹽度僅次于虎門。磨刀門鹽度分布特征不同于受河口灣形狀產生的強潮汐影響的口門。小潮期間,表層為低鹽水,而底層為高鹽水;大潮期間表底混合程度強,其口門鹽度平均值僅次于虎門和崖門。位于磨刀門右側2km的雞啼門潮周期鹽水入侵最弱,小潮垂向平均鹽度為1.37,大潮平均鹽度為3.69;從觀測時間段鹽度變化過程看,鹽水入侵時間段也是最短,大部分時間為低鹽水控制。4層化參數特征由于觀測站位所處位置的徑流、潮汐、波浪等動力因素存在差別,各站鹽淡水混合特征具有時空差異性。根據前述觀測資料和公式計算出觀測站位潮汐層化參數(圖4),從中可以看出,各測站鹽淡水混合特征各不相同,虎門、崖門和雞啼門屬于強混合型,垂向鹽度差異很小?；㈤T和崖門為強潮汐動力河口,大小潮鹽淡水混合特征處于強混合狀態(tài)。而雞啼門潮汐動力弱,潮周期平均鹽度明顯偏低,徑流沖淡作用顯著,其表底層差異亦較小。在一個潮周期內,漲潮混合強度一般大于落潮混合強度。一般來說層化參數越小混合越強;反之,層化參數大混合程度差。從圖4可知,大多數測站層化參數是漲潮小于落潮,即漲潮混合強度大于落潮混合強度。只有虎門出現(xiàn)相反情況,但虎門分層參數都比較小,漲、落潮混合都比較強。一般大潮混合強度大于小潮混合強度,但各測站大、小潮混合強度差異程度各有不同。本文使用大潮層化參數平均值與小潮層化參數平均值之比(SR)表示大小潮混合程度差異,使用大潮潮差與小潮潮差比值(SE)表示大小潮潮汐動力要素差異。對SR與SE進行排序比較(圖5),發(fā)現(xiàn)SR大小基本與SE大小排序相同,但雞啼門和虎門不同于其他口門,雞啼門SE僅次于磨刀門,但SR卻較小;虎門測站始終處于強混合狀態(tài),其潮周期SR偏小。大、小潮混合強度差異直接原因雖為大小潮潮汐動力要素的變化,但潮汐、徑流、河口形狀和地形的非線性相互作用變化對鹽淡水混合程度也有重要影響。相對其他口門而言,磨刀門鹽淡水混合強度大,小潮期間差異最大,圖6描繪了磨刀門小潮鹽度垂線分布及潮周期變化過程。小潮期間只在落憩時刻層化效應不明顯,表底為低鹽水控制;其他時刻都以鹽水楔形式進行運動,底層鹽度大于10,表層鹽度小于2.5。由此可見該站小潮期鹽水楔入侵能力很強,淡水徑流外泄能力也很強。大潮期鹽度混合程度強,只在一個時刻鹽度層化明顯。由于混合強度的差異,小潮期底層平均鹽度為12.2,這大于大潮期底層平均鹽度9.6。5以河口山接枝線為?？陂T鹽度分布的研究基于2011年2月數據分析獲取的珠江口八大口門入海分流比結果與趙煥庭基于1987年實測數據的分析結論基本吻合,但洪奇門和橫門存在較大的差別。本次觀測洪奇門和橫門的分流比分別為20.8%和2.5%,而文獻相應的分流比分別為6.4%和11.2%,這可能與斷面位置的定義有關。圖7顯示了洪奇門和橫門觀測位置的兩種定義模式,洪奇門和橫門(紅色)、洪奇門A和橫門A(綠色)各代表一種觀測位置定義。本次觀測使用圖中洪奇門和橫門代表入?？谖恢?可以看出洪奇門和橫門上游有一條連接洪奇門A和橫門A的分支。如果文獻定義的口門位置指的洪奇門A和橫門A位置,那么當前的數據差別就可以從定性的層面上得到解釋。河口區(qū)鹽度變化規(guī)律受徑流、潮汐、地形、河口形狀和風等因素共同影響。河口鹽水入侵和鹽淡水混合特征受徑流、潮汐、潮汐通道走向和河道地形等因素影響,是一個復雜的隨時間和空間變化的非線性系統(tǒng)?；㈤T和崖門潮周期平均鹽度最大,磨刀門居第三位,雞啼門最小。珠江口門潮周期鹽度平均值差異受多因素影響,虎門和崖門呈喇叭形河口,積聚潮汐能量,是使得外海鹽水進入口門動力充足的原因之一,這與不少學者研究結果近似。但以往研究多集中于單個口門鹽度分布特征分析,而本文對八口門鹽度進行橫向比較,發(fā)現(xiàn)珠江河口走向對鹽水入侵有著不同的貢獻率。磨刀門雖承接珠江河網下泄最大徑流量,且潮差低于其他口門,但其口門鹽度平均值僅次于虎門和崖門,這與潮汐通道走向差異有密切關系,磨刀門河口走向與潮波傳播方向基本一致是導致潮波長驅直入鹽水入侵程度嚴重的原因之一。而雞啼門潮波傳播方向與河口走向有一個夾角,這阻礙了潮汐能量順暢地進入河口,所以這也是雞啼門鹽水入侵程度較小的原因之一。一般認為鹽度混合強度與潮差呈正相關。磨刀門大潮屬于強混合型,小潮處于高度層化型,這與不少學者對磨刀門的研究結果一致。珠江口門大小潮潮位差異與鹽度層化差異程度基本一致(圖5),但雞啼門和虎門另外,說明珠江入?？陂T潮汐動力差異是層化差異影響的主要因子,同時河口形狀、地形等因素在雞啼門、虎門等口門起著重要作用。潮汐動力、徑流、地形及河口形狀等因素對河口層化程度的影響量化分析還有待進一步研究。6潮周期和潮水速度1)2011年枯季珠江入海口水文觀測表明,八口門分流比從大至小依次為:磨刀門、虎門、洪奇門、蕉門、崖門、虎跳門、雞啼門和橫門。外海潮波傳入河口,磨刀門、雞啼門高潮位首先出現(xiàn),而虎門和蕉門最后出現(xiàn),其時差約為1~2h。磨刀門屬于強徑流弱潮流河段,與其他口門相比漲潮流速偏小,落潮流速偏大。2)由于觀測