珠江三角洲西、北江干流水道水沙凈輸運機制分析

2019-02-28 06:31:46

人民珠江 2019年2期

(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區頂端，是三角洲主要的輸水輸沙通道，該區域洪潮交疊、海陸交匯，水流特性復雜，分析區域內水沙輸運機制對河口物質輸移、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理分析，我國學者已開展了大量研究。王康墡、蘇紀蘭[1]運用機制分解法對長江口南港的懸移質輸運進行分析，認為研究區域的懸沙輸運主控因子是平均流、斯托克斯效應和陷捕效應；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制；沈健等[3]運用機制分解法對長江口最大渾濁帶進行成因分析，斯托克斯漂流和潮汐捕集在南槽占優勢，平流輸沙和垂向環流在北港占優勢；劉高峰等[4]根據長江河口洪水期實測資料，研究漲落潮期間水沙輸運機制，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行分析，探討長江口懸沙輸運的主要動力機制及輸運方向；陳子燊[6]采用伶仃洋銅鼓水域實測資料，利用單寬物質通量分解計算其水沙輸運，結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，形成水網密集的三角洲河口區。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，利用研究區域枯季實測數據，采用機制分解法對懸沙輸運機制進行分析，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、懸移質含沙量數據。流速和懸移質含沙量采用代表線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，具有較好的枯季區域代表性。

本文對實測數據進行物質輸移量分解，分別計算大小潮周期各個觀測斷面的余流值及懸移質含沙量輸運分解項。實測數據顯示，各斷面流速以往復流為主，因此，采用測點瞬時流速平行河道方向分量進行余流和物質通量計算，為對河道主流代表線作單寬水流、懸沙分析。對瞬時物質輸移量進行拆解[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點受潮波影響完成周期性運動后，與原起點產生的位移量，其數值體現了水位和水流變化量的相關性[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生的凈輸沙，稱為潮抽吸輸運；T5——垂向流速與懸沙變化相關項，與河口層化強度密切相關[12]，反映垂向凈環流產生的懸沙輸運；T6～T7——源于潮周期內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。

2 結果分析

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。斯托克斯漂流與潮流波浪相關，從計算結果而言：歐拉余流遠大于斯托克斯漂流，表明西、北江干流水道受徑流影響程度遠超過受潮流影響。各斷面歐拉余流均為正值，其分布呈現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。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

各斷面懸移質含沙量輸運分解項見表2。從計算結果分析，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(圖3)。T1代表的歐拉余流輸沙在輸沙影響因子中占絕對優勢；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。

研究區域的潮抽吸效應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項T3數值較大，向上游輸運，表明研究區域內潮汐與含沙量變化相位差較小，存在相關性。從平面分布而言，北江干流大潮期潮汐與含沙量相關性最大。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對懸沙輸運貢獻并不明顯。

垂向凈環流輸沙T5向上游輸運，與鹽淡水密度流有關，西江干流中徑流分量大，鹽淡水分層明顯，T5貢獻較大，部分河段垂向凈環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，垂向凈環流輸沙較弱。

其他輸運項：T6、T7為剪切擴散項，T8為垂向潮振動切變項，數值小，對懸沙輸移貢獻較弱。