袁 菲,何 用,盧 陳,楊裕桂

(珠江水利委員會(huì) 珠江水利科學(xué)研究院,廣東 廣州510611)

獅子洋為珠江河殘留古海灣的一部分,習(xí)慣上稱(chēng)黃埔至虎門(mén)間的珠江河段為獅子洋水道,其承納整個(gè)東江網(wǎng)河區(qū)來(lái)水、流溪河和部分北江來(lái)水,也是伶仃洋上溯潮流的重要通道。獅子洋水道的動(dòng)力環(huán)境介于潮汐汊道和河口灣之間,承擔(dān)著河口地區(qū)泄洪、納潮及排澇等重任。20世紀(jì)90年代以來(lái),獅子洋受航道疏浚、人工采砂等人類(lèi)活動(dòng)影響,地形發(fā)生非自然過(guò)程的“異變”,必然引起潮流動(dòng)力改變,影響其納潮功能。研究獅子洋水域的納潮量變化,對(duì)于了解潮汐通道的盛衰及淤積情況,保障河口防洪和航運(yùn)功能具有重要意義。

目前,關(guān)于海灣納潮量的計(jì)算,一種方法是直接利用流量觀測(cè)設(shè)備在封閉灣口進(jìn)行周期性的連續(xù)走航觀測(cè),通過(guò)觀測(cè)的灣口流量直接計(jì)算海灣的納潮量[1-2]。對(duì)于獅子洋而言,其平面形態(tài)復(fù)雜,上下游共有8個(gè)主要潮汐汊道口,同步觀測(cè)汊口的流量需耗費(fèi)大量人力物力。另一種方法是通過(guò)潮差、水域面積等相關(guān)資料運(yùn)用計(jì)算公式間接推求納潮量[3-8],目前的研究對(duì)象多集中于半封閉型海灣,對(duì)于多汊口潮汐通道的納潮量計(jì)算適應(yīng)性如何,目前研究較少。本文分別采用直接觀測(cè)法與公式法計(jì)算獅子洋納潮量,分析納潮量公式應(yīng)用于多汊道潮汐通道的可行性,在此基礎(chǔ)上,分析近10多a來(lái)獅子洋的納潮量變化及其原因。

1 納潮量計(jì)算方法

1.1 實(shí)測(cè)流量計(jì)算法

根據(jù)納潮量的定義,即海灣高潮時(shí)所容納的水量與低潮時(shí)所容納的水量之差,納潮量可表示為

式中,W1和W n分別表示高高潮和低低潮時(shí)海域所容納的水量,令W i(i=1,…,n)表示第i時(shí)刻海域所容納的水量,簡(jiǎn)稱(chēng)納水量,于是式(1)可寫(xiě)為

式中,(W i-1-W i)表示海灣的逐時(shí)過(guò)水量,表明納潮量又可以表示為高低潮期間逐時(shí)過(guò)水量的和,即一次漲、落潮過(guò)程中流入或流出的潮水量。

獅子洋地理位置如圖1所示。獅子洋納潮量可通過(guò)計(jì)算8個(gè)主要汊口斷面大虎、大盛、黃埔左、黃埔右、泗盛圍、漳澎、麻涌及三沙口在高低潮期間流量的矢量和得到。

1.2 公式法

通常情況下,納潮量的計(jì)算可采用公式:

式中,S1和S2分別為高高潮和低低潮時(shí)的水域面積,H為潮差。采用這種計(jì)算方法的難點(diǎn)在于獲得不同潮位對(duì)應(yīng)的水域面積。由于獅子洋水域海圖資料有限且潮邊線(xiàn)不明確,提取不同潮位下的水域面積不易,因此本文采用提取衛(wèi)星遙感信息進(jìn)行潮位訂正的方法估算不同潮位下的水域面積。具體方法為基于不同潮時(shí)獅子洋遙感衛(wèi)星圖像(圖2)提取獅子洋水域面積,采用線(xiàn)性?xún)?nèi)插的方法進(jìn)行潮位訂正,用于計(jì)算任意潮位下的水域面積,即設(shè)

由圖2可見(jiàn)獅子洋水域?yàn)┩?、水邊線(xiàn)、周?chē)匚锒际智逦?因此采用量算水邊線(xiàn)包圍面積的方法從衛(wèi)星遙感圖上提取獅子洋水域面積,為減小測(cè)量誤差,采用了多次測(cè)算,求取平均值[9]。而因?yàn)楠{子洋上下游水位幾乎沒(méi)有差異,故采用大虎斷面的實(shí)測(cè)潮位資料進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)將多幅遙感圖提取的水域面積S及對(duì)應(yīng)時(shí)刻大虎斷面潮位h帶入式(4),求解未知數(shù)k和b,可獲得獅子洋任意潮位下的水域面積表達(dá)式。

圖1 獅子洋位置示意圖Fig.1 Geographical location map of the Shiziyang channel

圖2 2011-06-01獅子洋遙感衛(wèi)星圖像Fig.2 The satellite remote sensing image of the Shiziyang channel on June 1,2011

2 納潮量計(jì)算與誤差分析

采用實(shí)測(cè)流量法計(jì)算納潮量,流量數(shù)據(jù)取自1999年西、北江下游及其三角洲網(wǎng)河河道同步水文測(cè)驗(yàn)及2005年西、北江三角洲網(wǎng)河區(qū)枯水期同步水文測(cè)驗(yàn)及調(diào)水壓咸水文監(jiān)測(cè)成果,選取1999-07-16—07-24及2005-01-22—02-01獅子洋上下游8個(gè)汊口斷面——大虎、大盛、黃埔左、黃埔右、泗盛圍、漳澎、麻涌及三沙口的實(shí)測(cè)流量資料。采用該方法,在1999-07水文條件下,獅子洋納潮量均值為1.51×108m3,在2005-01水文條件下,獅子洋納潮量均值為2.09×108m3。

采用公式法計(jì)算納潮量,將提取的2011-06-01和2013-11-29T10:00獅子洋水域面積與相應(yīng)時(shí)刻大虎潮位代入式(4),確定S-h函數(shù)關(guān)系,選取數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表1所示。進(jìn)一步采用2011-12-10T10:00衛(wèi)星遙感圖提取的水域面積及大虎潮位進(jìn)行率定,誤差在1%內(nèi),表明所選取數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果合理可信。依據(jù)求解結(jié)果,對(duì)于任意給定潮位的時(shí)刻,都可求出對(duì)應(yīng)的水域面積,即

表1 公式(4)所選取數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果Table 1 The data selected for and the calculated results of the equation(4)

采用該方法,在1999-07水文條件下,獅子洋納潮量均值為1.78×108m3;在2005-01水文條件下,納潮量均值為2.01×108m3。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3,公式法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)流量計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差分別為18%和16%。

圖3 獅子洋納潮量計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖Fig.3 Comparison of the calculated tidal prisms of the Shiziyang channel

因納潮量又可以表示為高低潮期間逐時(shí)過(guò)水量的和[10],為分析納潮量計(jì)算公式與實(shí)測(cè)流量計(jì)算結(jié)果的誤差產(chǎn)生原因,基于納潮量公式法及實(shí)測(cè)流量計(jì)算理論,可以推出逐時(shí)過(guò)水量可分別表示為

或式中,h i為逐時(shí)平均潮位,S(h)為不同潮位對(duì)應(yīng)的水域面積,Q ji為8個(gè)入口斷面的逐時(shí)流量,兩式計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4,可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果基本一致,僅在漲落急時(shí)水位計(jì)算結(jié)果難以反映流量變化過(guò)程,存在較小誤差。因?qū)崪y(cè)流量計(jì)算結(jié)果基本能夠反映獅子洋真實(shí)納潮量,因此,認(rèn)為公式法計(jì)算納潮量的方法在獅子洋這種多汊道潮汐通道中同樣適用。

圖4 1999-07及2005-01獅子洋水道逐時(shí)過(guò)水量計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖Fig.4 The comparison of the water amount hourly flowing through the Shiziyang channel in July 1999 and January 2005

3 人類(lèi)活動(dòng)影響下獅子洋納潮量變化

3.1 獅子洋近期人類(lèi)活動(dòng)

獅子洋位于廣州港出海航道的北段,20世紀(jì)90年代以來(lái),獅子洋河槽的變化受人類(lèi)活動(dòng)的干擾影響越來(lái)越顯著:航道在1996年開(kāi)始進(jìn)行航道整治,且東槽臨近的新沙港開(kāi)始維護(hù)運(yùn)行,2005年以后航道維護(hù)深度為13.5 m左右。近年來(lái),獅子洋兩岸圍墾力度較小,據(jù)統(tǒng)計(jì)①錢(qián)樹(shù)芹,劉俊勇,高秋霖,等.獅子洋水道近期河床演變規(guī)律分析.廣東水利水電,2013(8):4-7.,1998—2008年,僅在東岸圍墾1.29 km2,幾乎可以忽略不計(jì)。為更直觀地了解獅子洋斷面形態(tài)變化,繪制了1999年、2005年及2011年獅子洋斷面地形圖,斷面位置見(jiàn)圖5,斷面河底高程圖如圖6所示。由圖可見(jiàn),1999—2005年河道斷面深槽顯著加深,2005—2011年,斷面形態(tài)基本穩(wěn)定,在DM5斷面西槽因采砂作用出現(xiàn)了異常深坑。

3.2 獅子洋納潮量變化

圖5 獅子洋斷面布置圖Fig.5 The position of the sections in the Shiziyang channel

人類(lèi)活動(dòng)引起決定納潮量的河道地形及潮差變化,進(jìn)一步引起納潮量改變,為進(jìn)一步分析多汊道潮汐通道——獅子洋納潮量變化,本文將已驗(yàn)證的傳統(tǒng)納潮量計(jì)算公式應(yīng)用于獅子洋納潮量的計(jì)算,基于該公式理論,采用2007—2016年共10 a的大虎站7月份潮位資料,計(jì)算獅子洋近10 a的納潮量,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖可見(jiàn),獅子洋納潮量與潮差密切相關(guān),具有較為明顯的大小潮變化,同時(shí)具有顯著的周期變化,周期為4 a。因具有這種特殊的周期性變化,所以通過(guò)對(duì)比每4 a納潮量的均值變化來(lái)說(shuō)明近10 a來(lái)獅子洋洪季納潮量的變化,如表2所示。2007年、2011年、2015年,納潮量先增大1.5%后減小1.2%;2008年、2012年、2016年,納潮量亦先增大0.8%后減小2.7%;2009—2013年,納潮量減小1.6%;2010—2014年,納潮量減小2.0%。由此認(rèn)為,獅子洋納潮量具有4 a的周期,2007—2016年這10 a間,以2012年為界點(diǎn),獅子洋納潮量先增大后減小,且增減幅度較小,不超過(guò)3%。

圖6 獅子洋斷面河底高程圖Fig.6 The elevation of the river bed along the sections in the Shiziyang channel

因1999年與2007年相差2個(gè)周期,而1999年缺乏7月整月數(shù)據(jù),故采取實(shí)測(cè)07-16—24資料計(jì)算所得納潮量與2007年同期對(duì)比,經(jīng)統(tǒng)計(jì),1999-07-16—24納潮量變化趨勢(shì)與2007-07同期變化一致,均值為

1.73×108m3,2007年同期為1.91×108m3,增量達(dá)10.4%,這主要是因獅子洋內(nèi)航道整治,河底深槽加深,河槽體積增大所致。

表2 近10 a來(lái)獅子洋7月納潮量均值(×108 m3)Table 2 The mean value of the tidal prism of the Shiziyang channel in July for the recent 10 years(×108 m3)

圖7 近10 a來(lái)獅子洋7月納潮量變化Fig.7 The variations of the tidal prism of the Shiziyang channel in July for the recent 10 years

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以獅子洋為例探究了多汊道潮汐通道的納潮量計(jì)算,分別采用基于直接觀測(cè)的流量計(jì)算法和基于衛(wèi)星遙感資料與實(shí)測(cè)潮位訂正的公式法,計(jì)算獅子洋1999-07及2005-01的納潮量。為進(jìn)一步研究近年來(lái)獅子洋納潮量變化及其原因,采用公式法計(jì)算了2007—2016年每年7月獅子洋納潮量,結(jié)合1999—2011年地形演變特征,說(shuō)明地形對(duì)納潮量變化的影響。研究發(fā)現(xiàn):

1)納潮量計(jì)算公式不僅能用于海灣納潮量計(jì)算,亦可用于多汊道潮汐通道的納潮量計(jì)算,用公式法與實(shí)測(cè)流量計(jì)算獅子洋納潮量結(jié)果誤差在18%之內(nèi),誤差產(chǎn)生的原因主要在于漲落急時(shí)段的計(jì)算結(jié)果難以反映該時(shí)段的流量真實(shí)變化過(guò)程。

2)獅子洋納潮量具有4 a的周期變化規(guī)律。近10多a來(lái)獅子洋納潮量的變化特征表現(xiàn)為:1999—2007年因航道整治,納潮量增大約10%,2007—2012年,河勢(shì)較為穩(wěn)定,納潮量小幅增大,2013—2016年納潮量小幅減小,這也從側(cè)面反映出2013—2016年河道有輕微淤淺的趨勢(shì)。

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