珠江河網(wǎng)水動力對地形變化的響應(yīng)

珠江河網(wǎng)水動力對地形變化的響應(yīng)

珠江三角洲位于中國沿海地區(qū)。它由西江、北江和東江兩條支流和許多支流組成。河網(wǎng)區(qū)水系密集，受潮汐影響顯著。這是典型的平原潮河網(wǎng)。自20世紀50年代以來,珠江河網(wǎng)區(qū)發(fā)生了白藤堵海、聯(lián)圍筑閘、河網(wǎng)挖沙、航道整治等大規(guī)模的人類活動,干預(yù)河網(wǎng)床形態(tài)自然演變過程,進而引起河網(wǎng)水動力近50年內(nèi)發(fā)生較大的變化。劉秋海利用一維河網(wǎng)模型對50年代珠江網(wǎng)河水動力過程進行了數(shù)值模擬,首次較為全面的展現(xiàn)了50年代珠江網(wǎng)河區(qū)水位、流量、潮汐特征;韓龍喜利用一維河網(wǎng)模型探討了珠江河網(wǎng)采沙對水位、流量分配的影響;Luo通過實測資料分析了近20年來河道挖沙對珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)水位、分流比的影響。本文在前人研究基礎(chǔ)上,通過建立一維河網(wǎng)模型,分別對50和90年代代表年份的洪、枯季水動力過程進行模擬及對比分析,并設(shè)計數(shù)值試驗探討了地形變化對水動力的影響,對珠江三角洲的研究及管理具有一定的理論和現(xiàn)實意義。1材料和方法1.1數(shù)學模型模型控制方程為一維非恒定流圣維南基本方程組,模型采用按隱式計算的三級聯(lián)合解法,限于篇幅,本文不再贅述,見參考文獻。1.2世紀20年代地形地形:模型中50年代地形為組合地形,其中崖門水道為1974年航道圖(廣東省航道局繪制),廣州珠江河段為1960-1970年組合地形,其余河道為1952年航道圖(廣東省水利水電勘測設(shè)計研究院繪制)。90年代地形為1999年實際地形(珠江水利委員會勘察設(shè)計研究院及廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院聯(lián)合繪制)。水位、流量邊界:50年代模型水位邊界為西炮臺、神灣左、神灣右、白蕉、三沙口、萬頃沙東、萬頃沙西、橫門、黃埔左、黃埔右、老鴉崗的日高低潮潮位,流量邊界為高要、石角流量,資料來源于廣東省水文年鑒;90年代模型水位邊界為老鴉崗、石咀、官沖、西炮臺、黃金、燈籠山右、橫門、馮馬廟、南沙、大虎,流量邊界為梧州、石角、博羅,資料為1999和2001年珠江水文同步觀測數(shù)據(jù)。1.3模型計算時段在準確反映河道地貌形態(tài)及河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的前提下,將50年代地形概化為162條河道,918個斷面,101個叉點,模型計算時間段為:1956年6月1日16時至4日8時(代表洪季),12月1日20時至4日12時(代表枯季)。將90年代地形概化為296個河道,1836個斷面,188個叉點,模型計算時間段為:1999年7月16日0時至7月24日12時(代表洪季),2001年2月7日14時至2月16日10時(代表枯季)。分別利用實測資料對模型計算結(jié)果進行了驗證,其中50年代和90年代驗證站位分別為19和54個,結(jié)果表明計算值和實測值吻合較好,水位誤差在0.1m以內(nèi),流量誤差在10%以下,因此,模型計算結(jié)果基本上反映了河網(wǎng)實際水流情況。2結(jié)果分析2.1江干流沿程水位梯度分析計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),90年代河網(wǎng)區(qū)水位比50年代普遍下降,上游地區(qū)下降幅度大于下游地區(qū)。其等水位線分別如圖1(a,b)所示,從圖中看出,90年代等水位線較50年代稀疏,反映出河網(wǎng)區(qū)水位梯度變緩的趨勢。但兩個代表年份都在西江干流形成明顯高壓區(qū),可見西江干流近50年作為珠江的“水脊”作用沒有發(fā)生變化,其主要原因在于西江流量大、河道更為順直。為進一步定量分析近50年來洪季水位變化情況,本文以西、北江干流為代表,對其沿程水位變化進行了對比分析。西江干流從思賢溶西滘口依次經(jīng)馬口、天河、百頃、竹銀,最后經(jīng)燈籠山從磨刀門匯入南海,全長約120km;北江干流從思賢滘北滘口依次經(jīng)東平水道、順德水道、李家沙水道最后至洪奇瀝水道由洪奇門入伶仃洋,長約104km。結(jié)果表明,在相近的徑潮作用下(高要流量約30000m3/s),90年代洪季西江干流沿程水位比50年代明顯下降(圖2a),尤其馬口——天河段,其水位下降絕對值在2m以上。50年代馬口站洪季日均水位8.5m左右,90年代降至5m左右,往下游的天河、百頃、竹銀日均水位也分別由5.7、4.1、1.6降至2.8、1.5、0.65m。相應(yīng)的,西江干流洪季水位梯度也明顯下降,50年代洪季水位梯度約為7.2cm/km,90年代降至4.1cm/km,同時發(fā)現(xiàn)在該時間段內(nèi),90年代西江干流沿程潮差均大于50年代,反眏了河道形態(tài)改變引起徑流動力減弱、潮汐動力增強。北江干流也發(fā)生了相同的變化(圖2b),三水日均水位50年代約為8m,90年代降至6m左右(石角流量1400m3/s左右),沿程吉利、霞石、三善右水位也有不同程度下降。北江干流水位梯度由7.1降至4.9cm/km,其中三水至三圍水位梯度明顯降低,50年代為9.3cm/km,90年代降至5.0cm/km,而三圍至口門變化不大,兩個年代分別為4.9和4.8cm/km。2.2枯季水位沿程分布由于枯季徑流微弱,珠江河網(wǎng)區(qū)為潮汐控制,潮水填充河道,潮區(qū)界、潮流界可達三水、馬口以上,因此,河網(wǎng)區(qū)各水文站水位隨潮汐漲落,水位梯度比洪季顯著減小。與50年代相比,90年代河網(wǎng)區(qū)枯季水位在不同區(qū)域有升有降,與洪季的普遍下降有所不同。從整個河網(wǎng)區(qū)等水位線及西、北江干流日均水位沿程分布(圖3)來看,西江干流及其分叉河流、北江上游水位較50年代略有下降,而北江下游(霞石至口門一段)及其分叉河道則有所抬升。其中,50年代馬口、三水日均水位分別為0.57、0.58m,90年代分別為0.48、0.46m,口門附近水位略高于珠基。2.3試驗結(jié)果與上文的比較針對上述關(guān)于水位變化的結(jié)論,設(shè)計了不同地形條件下的數(shù)值試驗,以進一步探討地形差異對水位的影響。數(shù)值試驗中,水位、流量邊界分別選取上文90年代洪、枯季資料,地形為上文兩套不同年代地形,據(jù)此可將焦點集中于地形的差異。數(shù)值試驗結(jié)果與上文反映的趨勢較為一致:枯季兩個年代水位變化不明顯,不同區(qū)域水位有升有降,洪季水位則明顯下降。同樣以西、北江干流洪季水面線為例(圖4),西江干流水位梯度由7.1降至4.2cm/km,北江由7.2降至4.7cm/km?？梢娊?0年來地形變化引珠江河網(wǎng)區(qū)洪季水位的下降是顯著的。2.4流量與分流比對比分析本文利用數(shù)值試驗探討了近50年來地形變化對珠江河網(wǎng)區(qū)分流比的影響。枯季西北江河網(wǎng)區(qū)潮流界可達三水、馬口以上,其下游河道水流往復變化,因此,除了河道地形對分流比產(chǎn)生影響外,口門形狀等影潮波傳播的因素也會產(chǎn)生作用,所以在時間序列不足夠長的情況下討論其分流比存在一定的困難及誤差。本數(shù)值試驗主要針對洪季狀況,利用90年代洪季水文資料,分別模擬了50年代、90年代地形下的水動力過程,對珠江河網(wǎng)區(qū)主要控制節(jié)點的流量與分流比進行了統(tǒng)計,見表1,控制節(jié)點分布如圖1所示。從表1看出,各主要控制節(jié)點分流發(fā)生了不同程度的調(diào)整,三水分流比由18.76%增加至23.03%,流量增加約1000m3/s,與實測資料較為一致,反映了河道形態(tài)改變引起北江分水增多的趨勢。變幅較大的控制節(jié)點還有天河-南華、百頃-大鰲、紫洞左-紫洞右,其中天河、大鰲、紫洞右分流比減少,南華、百頃、紫洞左相應(yīng)增加,其流量分配變化均在1000m3/s以上。整體來看,西江及北江上游節(jié)點分流比變化較大,受地形影響顯著。3內(nèi)沙變化對河流水文流變的影響珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)大部分河道在20世紀80年代以前基本沖刷平衡或略有淤積,自20世紀80年代中期開始,河網(wǎng)區(qū)出現(xiàn)大規(guī)模河道采沙,1984-1990年間年均采沙量223×104m3/a;1990-1994年間出現(xiàn)采沙高峰,為523×104m3/a;1994-1999年間為215×104m3/a,15a的采沙總量相當于75～125a的自然淤積量。大規(guī)模河道采沙加上90年代開始的航道整治工程,致使河槽容積增大,河床高程明顯降低,上游河床下切幅度達3～8m。巨大的地形變化引起河網(wǎng)水位及分流比相應(yīng)的調(diào)整:Luo研究表明河道采沙造成珠江河網(wǎng)區(qū)水位普遍下降;韓龍喜和賈良文研究表明采沙是導致東江水位下降的主要原因。分流比方面,黃鎮(zhèn)國就近20年來思賢滘地形改變與三水-馬口分流比的調(diào)整進行了研究,本文數(shù)值試驗中分流比發(fā)生較大變化的控制節(jié)點所在河道,均經(jīng)歷了相對其他區(qū)域較為嚴重的河道采沙或航道整治工程,諸如西江干流馬口-百頃段的大規(guī)模河道采沙,北江東平水道的航道整治及河道采沙。河床演變與水動力過程相互作用,河床下切一方面導致水位下降,同時又加快匯流速度,反而加劇河床深泓下切。實際上近20年來河網(wǎng)大部分區(qū)域河床地形已表現(xiàn)出寬深比減小,河槽向窄深方向發(fā)展的趨勢,其更有利于水沙輸送,對河床演變及河網(wǎng)區(qū)水位、流量分配產(chǎn)生長期影響。因此需要對河網(wǎng)區(qū)人類活動進行有效引導和調(diào)控,排除不利影響。4北江干流水位下降,實踐中出現(xiàn)了以自然水位為由的新變化本文利用一維河網(wǎng)模型分析了近50a來珠江河網(wǎng)區(qū)水動力對地形變化的響應(yīng),初步得出以下結(jié)論:①與50年代相比,90年代洪季珠江河網(wǎng)區(qū)水位普遍下降,西江干流水位梯度由7.2下降至4.1cm/km,北江水位梯度在三水-三圍河段下降顯著,由9.3降至5.0cm/km,而三圍至口門變化不大,兩個年代分別為4.9和4.8cm/km,北江干流平均水位梯度由7.1下降至4.9cm/km。②枯季水位變化不如洪季顯著,不同區(qū)域水位有升有降。西江干流及其分叉支流以及北江上游水位較50年代略有下降,北江下游(霞石至口門一段)及其分叉河道則有所抬升。③相同水文