磨刀门腔纵向逐时咸界的动态分布

磨刀门腔纵向逐时咸界的动态分布

河口是河流和海洋之间的交汇处。咸潮入侵是河口地区常见的自然现象之一。随着社会的发展,河口地区的经济活动越来越丰富,由于咸潮入侵对社会生产和生活带来的影响和经济损失也是愈加严重。在珠江三角洲地区,由于河网纵横交错,水源地密布,也经常遭受周期性活动的咸潮侵袭。尤其是近10年来,珠江河口咸潮的高频度、长时间和远距离上溯,对社会、经济和环境的发展产生了极大的影响。面对这种愈演愈烈的咸潮入侵现象,全面深入了解咸潮入侵的变化规律以探讨影响其变化的主要动力因素具有重要的理论和实际意义。珠江水系主要包括西江、北江、东江及珠江三角洲诸河水系四部分,其中西江是珠江的主干。西江干流进入珠江三角洲网河区后在天河以下称西海水道,百顷头以下则称磨刀门水道。磨刀门是典型的河优型河口,其径流的季节性变化十分明显,在年内经历从径强潮弱到径弱潮强的变化过程。在洪季,其径流量超过全年的75%,而枯季西江流量基本不超过6000m3/s。磨刀门河口的潮汐为不正规半日混合潮型,其潮差平均为1m左右,口外潮汐动力变化相对较小。西江的咸水界一般位于挂定角至灯笼山之间,其变化受多种因素共同影响,包括径流动力、潮汐动力、地形地貌改变和海平面变化等不同因素均影响其变化趋势。在近10a的发展趋势来看,磨刀门水道咸水界有明显上移的态势。1磨刀门水化厂近表层盐度测定本文研究区域是西江马口站以下西江干流,主要集中在磨刀门水道百顷头以下至挂定角之间的区域。该区域的主要特征是水道比较顺直,大体呈一字形走向,因此可以把该研究区域简化为理想的一维模型。同时选取磨刀门水道上的8个典型水厂/水闸的近表层实测盐度数据作研究,测站从上游至下游依次为:稔益水厂、全禄水厂、平岗泵站、竹排沙、马角水闸、联石湾水闸、灯笼水闸和大涌口水闸。以最上游的稔益水厂以上2km百顷头作为零点标准,下游各测站距百顷头的距离依次为:2km,11.2km,25.2km,35km,36.6km,41.3km,45.5km,47.1km,研究区域至大涌口以下2km处的挂定角水闸结束。各定点观测站点分布见图1。研究的时间为2007年11月10日(农历十月初一)-2007年12月25日(农历十一月十六)。2磨刀门瞳的整体运动轨迹分析对于珠江三角洲磨刀门水道的咸潮入侵,前人的工作多采用对各个测站单独分析的方法,比如对各个站点含氯度变化的最大值和超标历时等方面进行研究。这些研究方法一般侧重于短期变化,如一周或半月内的含氯度变化特点。而对一个月以上长周期的研究成果较少,也没有从整个空间场的角度对咸潮入侵的变化特征进行研究的成果。本文采用逐时咸界空间插值的方法,将孤立的各站点测量数据转换成为逐时的盐水整体分布场,从盐水的时空变化过程来讨论其运动规律。以稔益水厂以上2km处的百顷作为零点,各测站从上游至下游依次编号为1、2、…、8。图2为某日磨刀门水道24h的整体咸界分布图。图2中底坐标三角符号表示磨刀门水道纵向各测站空间分布点,左侧的0~24表示该咸界分布图时间,每一时刻从左到右的4种盐度等值线分别表示0.5‰、2‰、5‰、8‰咸界上溯位置,区域内颜色越深表明盐度值越大,咸潮强度越强。从图2中,可以直观地看到近表层盐水在磨刀门水道中的运动状态。本文总共绘制了46d共1104个时刻的逐时咸界图。为了研究盐水入侵在时空变化过程中的运动规律,需要从咸界图中找出盐水在不同时间的上溯距离,再结合潮位的变化,以此来分析和计算盐水上溯距离与时间和潮位之间的关系。由于一般生活饮用水以氯化物质量浓度低于250mg/L(盐度约为0.5‰)作为界线,因此,以下讨论的盐水入侵运动规律主要针对0.5‰盐度盐水上溯距离来分析。利用咸界图通过整体分布空间场变化来研究咸水上溯规律,其优点主要在于:(1)变孤立的站点分析为整体的场分析。考虑磨刀门水道比较顺直的地形特点,把研究区域简化为一维的理想模型以后,可以方便清晰的展示出磨刀门水道在时空上的咸界变化情况。(2)由于受到潮汐动力、入海径流等因素的影响,盐水整体分布空间场能够直观反映出潮汐、径流以及风力风向等对咸潮入侵的共同作用结果。(3)图示信息量大。盐水整体分布空间图可以直观清晰的表达出多种信息,如咸界上溯位置、咸潮强度、站点分布状况等信息。(4)提供了一种新的咸潮分析思路和方法,可单独或综合地分析咸潮变化和不同动力因子的响应关系,从多角度对咸潮入侵进行研究。3.月内咸界随潮差变化特征图3为2007年11月10日(十月初一)-2007年12月25日(十一月十六)三灶站潮位过程线和0.5‰咸界上溯距离逐时变化的叠加图。为了反映盐水上溯过程,将咸界图中的距离坐标转换,即从磨刀门水道的下游大涌口水闸向下1.9km为零点,向上游计算出盐水上溯的距离。从图3中可明显看出:(1)咸界的变化和潮汐同样具有日周期和半月(朔望)周期波动的规律。在日周期上,咸水运动同潮位变化周期相对应,但是其响应时间会滞后约5h。另外,咸水运动的半月周期上两个峰值或谷值的间隔时间也与天文大潮周期相同。但和潮汐半月过程线中小潮至大潮历时、大潮至小潮历时基本对称所不同的是,咸界变化过程中上溯历时短而下移历时更长。以农历十月为例,咸界从谷值至峰值的上溯历时平均约需6d,而从峰值至谷值的下移历时则需10d左右。(2)在每个月包含的两个半月周期中,咸界的变化特征也有所不同,主要体现在咸界下移过程线的变化。例如农历十月和十一月的上旬,咸界的变化均是逐渐震荡下移,但在十月的下半月周期中,0.5‰咸界上溯距离在十月十八日降至8km之后即开始2次上溯,至十月二十日重新上溯至36.5km左右达到一个小峰值,此后再继续回落,至十月二十三日跌至波谷1.5km左右。同时,下半月周期出现的咸水2次上溯过程中,日内咸界波动幅度明显放大。在上半月周期的咸界日内波动范围一般不超过15~18km,但在下半月中潮期间有3~4d出现2次上溯过程,其日内咸界震荡幅度可达24km左右。(3)在咸界变化过程中,虽然其周期同潮汐半月周期基本一致,但其相位却有较大区别。咸界的谷值并非出现在大潮或小潮时,而是出现于大潮向小潮转变时的中潮。在小潮期间,咸界开始不断上溯,其峰值也并非对应于小潮潮差最小时,而是出现于小潮后的中潮。其峰值和谷值皆滞后于小潮和大潮。由此,可得出半月周期上,咸潮入侵强度变化的规律为:咸潮上溯最强为小潮之后的中潮,而咸潮下移最远则出现于大潮之后的中潮。(4)为了反应咸界运动与大潮小潮的关系,本文作出了每日最远咸界随潮差变化的曲线图,如图4所示。图中3段曲线分布表示从农历十月一日到十一月十六日的三个半月潮,箭头标示为时间过程方向。可见,在一个半月潮周期里,咸界最远上溯距离基本跟随潮差变化呈现一环形曲线。但是由于上半月和下半月的潮型有所不同,咸界曲线形状也有差异。在十月上半月和十一月上半月,咸界曲线基本呈现圈形。该曲线表示的时间变化过程为:当潮差较大时,咸界迅速下移;至中潮时,咸界降至最小值;随着潮差继续减小,咸界重新上升;小潮过后潮差开始增大,而咸界距离维持在最高位;当大潮开始后,咸界又开始下降,从而完成一个周期的往复运动。而十月下半月咸界运动曲线呈勺形,和上半月的图形差异主要在于勺把处,表示在大潮过后的中潮期,咸界具有下降后再二次上溯的过程,但是这次上溯的强度和距离均不及上一次的峰值。4月内咸界运动同潮位的变化利用逐时咸界图方法,对磨刀门水道沿程8个站点的逐时盐度数据进行空间插值,可以直观的显示咸界在时空上的变化过程,从而分析盐水在磨刀门水道的运动规律。通过咸界上溯距离和潮位变化过程的对应分析,可以得出如下结论:咸界运动同潮位变化在逐日和半月时间上具有相同的周期,但是两种周期上均有一定的相位差异。在半月周期上,大潮时咸水下移,小潮时咸水