(廣東省水文局佛山水文分局，廣東佛山528000)

珠江三角洲西、北江干流水道位于珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)頂端，是三角洲主要的輸水輸沙通道，該區(qū)域洪潮交疊、海陸交匯，水流特性復(fù)雜，分析區(qū)域內(nèi)水沙輸運機(jī)制對河口物質(zhì)輸移、水動力特征及河床演變的研究具有一定意義。河口水沙輸運通量及機(jī)理分析，我國學(xué)者已開展了大量研究。王康墡、蘇紀(jì)蘭[1]運用機(jī)制分解法對長江口南港的懸移質(zhì)輸運進(jìn)行分析，認(rèn)為研究區(qū)域的懸沙輸運主控因子是平均流、斯托克斯效應(yīng)和陷捕效應(yīng)；時偉榮等[2]運用通量分解方法分析長江口最大渾濁帶形成機(jī)制；沈健等[3]運用機(jī)制分解法對長江口最大渾濁帶進(jìn)行成因分析，斯托克斯漂流和潮汐捕集在南槽占優(yōu)勢，平流輸沙和垂向環(huán)流在北港占優(yōu)勢；劉高峰等[4]根據(jù)長江河口洪水期實測資料，研究漲落潮期間水沙輸運機(jī)制，探討不同分解項對泥沙輸運的作用；高建華等[5]通過對長江口南港水動力特征及懸沙凈輸運進(jìn)行分析，探討長江口懸沙輸運的主要動力機(jī)制及輸運方向；陳子燊[6]采用伶仃洋銅鼓水域?qū)崪y資料，利用單寬物質(zhì)通量分解計算其水沙輸運，結(jié)果顯示銅鼓水域表層余流向海，淺灘中低層余流指向河口。這些研究為河口水沙特性分析提供了重要參考。目前，水沙輸運分析研究區(qū)域主要集中在長江口，珠江河口的研究主要集中在伶仃洋海域，尚未有珠江三角洲西、北江干流水道的水沙輸運機(jī)制分析。

珠江三角洲西、北江干流水道上部由思賢滘相連，下游河道不斷分流、相互連通，形成水網(wǎng)密集的三角洲河口區(qū)。西江干流水道全長約57 km，多年平均流量為7 140 m3/s,多年平均輸沙率為1 870 kg/s；北江干流水道全長約24 km，多年平均流量為1 510 m3/s，多年平均輸沙量為268 kg/s。西、北江干流水道的潮汐類型屬于不正規(guī)混合半日周潮，漲潮平均潮差在0.50～0.75 m之間。本文研究區(qū)域為西江干流水道馬口至天河段，北江干流水道三水至三多段，利用研究區(qū)域枯季實測數(shù)據(jù)，采用機(jī)制分解法對懸沙輸運機(jī)制進(jìn)行分析，研究水沙輸運的控制因素。

1 研究方法及資料處理

本文收集了2016年枯季大、小潮期間西、北江干流水道上、下游6個斷面(圖1)逐時的水深、流速、懸移質(zhì)含沙量數(shù)據(jù)。流速和懸移質(zhì)含沙量采用代表線6點法施測(分別測量相對水深0.0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、1.0H處，0.0H為河底以上0.5 m處，1.0H為水面以下0.5 m處)。測驗期間西、北江干流水道控制站馬口、三水站的平均流量分別為3 760 、922 m3/s，接近近5 a同期平均流量，觀測斷面分布于西、北江干流水道上下游，觀測項目包含垂向各層的流速、含沙量情況，具有較好的枯季區(qū)域代表性。

本文對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行物質(zhì)輸移量分解，分別計算大小潮周期各個觀測斷面的余流值及懸移質(zhì)含沙量輸運分解項。實測數(shù)據(jù)顯示，各斷面流速以往復(fù)流為主，因此，采用測點瞬時流速平行河道方向分量進(jìn)行余流和物質(zhì)通量計算，為對河道主流代表線作單寬水流、懸沙分析。對瞬時物質(zhì)輸移量進(jìn)行拆解[3,7-9]，令縱向輸移為x，時間變化為t，相對水深為z，z的變化為0～h。如不考慮水流的波動的影響，則瞬時流速u(x，z，t)可以分解成垂向平均量項及其偏差項之和，垂向平均量項及其偏差項又可分為潮平均量和潮變化量之和，即：

圖1 西、北江干流水道及觀測站點分布

(1)

同理含沙量可表示為：

(2)

h(x,t)=h0+ht

(3)

式(1)—(3)為流速分解項。

沿河道軸線單寬潮平均輸水量為：

(4)

歐拉余流是指水流去除周期性潮流后的剩余部分，包含風(fēng)海流、密度流、徑流等，一般徑流越豐富，余流值越大[10]。斯托克斯漂移是指水質(zhì)點受潮波影響完成周期性運動后，與原起點產(chǎn)生的位移量，其數(shù)值體現(xiàn)了水位和水流變化量的相關(guān)性[11]。

河口的單寬懸沙輸移量主要可以分解為8個通量項：

T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8

(5)

式中T1——歐拉余流懸沙輸移；T2——潮汐潮流相關(guān)項，也稱為斯托克斯漂移輸運；T1+T2——平流輸運，即由潮周期平均水體流動產(chǎn)生的懸沙輸運；T3——潮汐與懸沙含沙量的潮變化項；T4——含沙量與潮流場的變化量，稱為潮汐捕集作用，T3～T4——源于垂向平均流速、懸沙、水深變化之間的相位差，為漲落潮過程中水體與底部泥沙之間交換而產(chǎn)生的凈輸沙，稱為潮抽吸輸運；T5——垂向流速與懸沙變化相關(guān)項，與河口層化強度密切相關(guān)[12]，反映垂向凈環(huán)流產(chǎn)生的懸沙輸運；T6～T7——源于潮周期內(nèi)速度剖面和懸沙剖面之間的差別，表示時均與潮振動引起的剪切擴(kuò)散項；T8——垂向潮振動切變項，與含沙量及流速的垂向梯度相關(guān)。

2 結(jié)果分析

2.1 余流分析

各斷面余流計算值見表1、圖2。歐拉余流為斷面扣除周期性的潮流后非周期性流的總和,在西、北江干流水道主要與徑流相關(guān)。斯托克斯漂流與潮流波浪相關(guān)，從計算結(jié)果而言：歐拉余流遠(yuǎn)大于斯托克斯漂流，表明西、北江干流水道受徑流影響程度遠(yuǎn)超過受潮流影響。各斷面歐拉余流均為正值，其分布呈現(xiàn)西江干流大于北江干流,上游大于下游的特點；斯托克斯漂流分布則相反，表明北江干流受潮流影響超過西江干流。兩條水道自上而下，徑流影響減弱，潮流影響增強，與河道分汊和接近口門有關(guān)。歐拉余流和斯托克斯漂流也反映了西、北江干流水道徑流和潮流相互影響、相互消長的關(guān)系。

表1 不同潮次各站余流值

注：正值為垂直斷面向下游方向，負(fù)值反之

a) 歐拉余流

b) 斯托克斯漂流圖2 不同潮次各站余流示意

2.2 懸沙凈輸運分析

各斷面懸移質(zhì)含沙量輸運分解項見表2。從計算結(jié)果分析，T1代表的歐拉余流懸沙輸移為最主要的影響因素，T2、T3、T5對懸沙輸移也有一定影響。

平流輸沙包括T1和T2。西、北江干流水道平均流引起的凈輸沙向下游輸運，其分布與凈輸水分布相似。從上游向下游，平流輸沙量逐漸減小，西江干流平流輸沙量大于北江干流。同時，平流輸沙量與河道水深相關(guān)(圖3)。T1代表的歐拉余流輸沙在輸沙影響因子中占絕對優(yōu)勢；T2代表的斯托克斯漂移輸沙向上游輸運，與T1相反，對平流輸沙存在抑制作用。研究區(qū)域潮汐與潮流存在1/4個周期的相位差，T2在潮汐和潮流相對周期均值偏移最大時作用最強，如高高潮、低低潮附近。從平面分布而言，北江干流T2大于西江干流，與區(qū)域含沙量分布相似(詳見圖4)，說明T2減少泥沙向下游輸運。

研究區(qū)域的潮抽吸效應(yīng)引起的凈輸沙向上游輸運，包括T3和T4。潮汐與懸沙量的潮變化相關(guān)項T3數(shù)值較大，向上游輸運，表明研究區(qū)域內(nèi)潮汐與含沙量變化相位差較小，存在相關(guān)性。從平面分布而言，北江干流大潮期潮汐與含沙量相關(guān)性最大。潮汐捕集輸沙T4向下游輸運，受潮汐和潮流的相位差影響，T4對懸沙輸運貢獻(xiàn)并不明顯。

垂向凈環(huán)流輸沙T5向上游輸運，與鹽淡水密度流有關(guān)，西江干流中徑流分量大，鹽淡水分層明顯，T5貢獻(xiàn)較大，部分河段垂向凈環(huán)流的影響超過斯托克斯漂流，北江干流潮流作用大，垂向混合較均勻，垂向凈環(huán)流輸沙較弱。

其他輸運項：T6、T7為剪切擴(kuò)散項，T8為垂向潮振動切變項，數(shù)值小，對懸沙輸移貢獻(xiàn)較弱。

表2 不同潮次各斷面懸沙輸運機(jī)制分解項計算結(jié)果 g

a) 平流輸運項

b) 拉格朗日凈輸水量圖3 各斷面平流輸運、凈輸水量和平均水深

c) 平均水深續(xù)圖3 各斷面平流輸運、凈輸水量和平均水深

a) T2

b) 平均含沙量圖4 各斷面T2、平均含沙量

3 結(jié)語

本文利用水文實測數(shù)據(jù)，采用機(jī)制分解法對珠江三角洲西、北江干流水道進(jìn)行分析計算，得到以下幾點認(rèn)識。

a) 研究區(qū)域中歐拉余流作用大于斯托克斯漂流，表明區(qū)域受徑流影響程度超過潮流影響，但兩條水道受徑流、潮流影響程度不完全相同，北江干流受潮流影響程度超過西江干流。因河道分汊和接近口門，研究區(qū)域自上而下，受徑流影響逐漸減弱，受潮流影響逐漸增強。

b) 歐拉余流懸沙輸移為研究區(qū)域懸沙輸移的最主要的控制因素，斯托克斯漂移、潮汐與懸沙含量潮變化相關(guān)項、垂向凈環(huán)流對懸沙輸移也有一定影響。

c) 西、北江干流水道平均流引起的凈輸沙向下游輸運，其分布與凈輸水分布相似，也與河道水深相關(guān)。

d) 斯托克斯漂移輸沙向上游輸運，對平流輸沙存在抑制作用。在高高潮、低低潮附近時，潮汐和潮流相對周期均值偏移最大，斯托克斯漂移輸沙對平流輸沙抑制作用最強。

e) 研究區(qū)域的垂向凈環(huán)流輸沙向上游輸運，與鹽淡水密度流有關(guān)，西江干流中徑流分量大，鹽淡水分層明顯，垂向凈環(huán)流輸沙貢獻(xiàn)較大，部分河段垂向凈環(huán)流的影響超過斯托克斯漂流。