珠江口磨刀门腔咸潮入侵规律研究

珠江口磨刀门腔咸潮入侵规律研究

1磨刀门东北部咸潮入侵规律磨刀门是珠江海上的主要入口之一。它是西江主要的出海口，如图1所示。磨刀门水道是珠海和澳门等城市的主要饮水水源。近年来,随着用水量不断增加、上游来水偏枯、地形变化、海平面上升等因素影响,咸水沿河道上溯加剧,严重影响沿江城市供水安全。2004年12月下旬到2005年1月中旬,珠海水厂广昌泵站最大连续超标天数达38d;2005年冬至2006年春是近年咸潮入侵最严重的一年,珠海和澳门累积48d无法正常取水;2007—2008年枯水期,1月份咸潮入侵导致珠海水厂平岗泵站超标17d。因此,研究磨刀门水道咸潮入侵变化规律具有重要理论和实际意义。有关磨刀门的咸水入侵问题,近十年来不少学者采用不同方法从不同角度进行过探讨。本文根据磨刀门水道平岗和广昌两水厂主要泵站从2003—2008年的枯水期(10月到翌年3月)含氯度和超标时间等实测资料,从农历月周期尺度对磨刀门水道的咸潮入侵进行分析统计,并计算平岗泵站咸潮入侵轻微和严重所对应的上游临界平均径流,最后通过模型验证其合理性。2磨刀门仿真及结果分析咸潮上溯主要受到上游径流及潮汐动力共同作用影响,同时也受河口地形、海平面变化、气象条件及人类活动等因素影响。河口段纵向平均盐度分布符合混合长度理论,但由于磨刀门口门在珠江口中部,盐度变化起伏很大,难以通过混合长度理论推算。平岗和广昌泵站分别位于磨刀门水道的上、下游,距离约22km(见图1),是水厂主要供水泵站,为珠海和澳门等城市提供淡水。两泵站有详细含氯度及超标时间等实测资料,可用于分析磨刀门水道的咸潮入侵规律。2.1d周期内含氯度特征潮汐是咸潮上溯的源动力,咸潮入侵的潮相具有农历月周期变化特点。图2和图3分别为广昌和平岗泵站2003—2008年枯水期日均含氯度的变化过程。由图可知,含氯度在农历月内呈两高两低的周期变化,和潮汐农历月内分别有两次大潮和两次小潮变化趋势一致,说明含氯度的变化周期和大、中、小潮组成的15d潮汛(农历小月后半月时按14d统计,下同)周期一致。每年枯水期含氯度变化波动范围很大,在15d周期内含氯度变化幅度也很大,其变化幅度主要取决于上游径流的大小。图4是2003—2008年枯水期磨刀门上游马口水文站月均径流分布,由图知,2005年10月到2006年2月马口水文站的径流连续减少,2月平均径流仅为1480m3/s,是多年同期径流量(2491m3/s)的59%,径流的减少使得下游含氯度居高不下,造成了2005—2006年枯水期咸潮影响最严重,2006年农历正月十二(阳历2月9日)广昌泵站含氯度达到7422mg/L。由图2和图3还可看出,广昌和平岗泵站具有一致的周期性变化规律,2站同一周期内最大含氯度的差异反映咸潮在同一周期内入侵的距离。图5是2007—2008年枯水期(农历九月至正月)挂定角、平岗和广昌泵站的日均含氯度变化过程,可明显看出3站点含氯度具有同一周期变化规律,在15d周期内几乎没有相位差。2007年农历9月中至2008年1月底,径流基本保持在2000m3/s左右,在这9个周期内3站位日均含氯度变化规律一致,广昌泵站平均含氯度是挂定角的75.8%,平岗泵站平均含氯度是挂定角的17.8%,平岗泵站平均含氯度是广昌泵站的23.5%。由以上分析知,磨刀门水道含氯度变化周期为15d,是由大、中、小潮组成的15d潮汛周期所控制,而每个周期内含氯度变化幅度则由上游径流大小所决定。2.2磨刀门+五水状态下的盐水入侵现象由于本地潮汐在农历月内分别有两次大潮和两次小潮,盐度在月内也呈两高两低的周期变化,磨刀门水道含氯度和潮汐对应关系也有相应特点。图6是2008年农历十一月马角站时均含氯度与三灶潮位过程对比图。由图看出,最大潮差日在十六,最大含氯度在初十和廿七,即最大含氯度比最大潮差日提前出现4~6d。含氯度在小潮后期骤然升高,随着潮差增大含氯度慢慢下降,到大潮时含氯度降到最小。磨刀门的含氯度和潮汐之间的相应变化规律和一般河口,如钱塘江、长江口有所不同,一般河口,大潮时由于盐水入侵上溯距离长而盐度高,小潮是动力小而盐度低。据包芸等推测,磨刀门小潮期间盐水强烈上溯的特殊现象是由上游各水道之间的分流比状况造成的,当枯季上游径流减小到一定值后,由于分流比的变化,在农历每月初十和二十五前后磨刀门水道中水的净泄量为负,因此咸水是倒流被“抽”上去形成了水道小潮期间咸潮严重而大潮期间咸潮反而较弱的特殊现象。从理论上解释磨刀门这一特有盐水入侵现象,需要从各水道分流比、潮动力大小和异重流理论进行深入研究。由图6还可看出,磨刀门水道含氯度半月周期从初六到二十(15d),以及从廿一到下月初五(15d或农历小月时14d),这和潮汛周期(初一到十五,十六到廿九或三十)不同步,这一现象是磨刀门水道咸潮入侵的特点,认识这个特点对研究磨刀门水道潮汐动力对咸潮入侵的影响十分重要。2.3潮位与含氯度的关系图7是2008年十一月初八到十一磨刀门联石湾和马角站含氯度与三灶岛潮位日变化过程,可看出联石湾含氯度显著上升出现在涨潮中潮位附近,而最大含氯度出现在高潮位后1~2h,存在一定的相位差,有日变化滞后的规律。在1个潮周期内,与潮位的两高两低相对应,咸度也出现两高两低现象,但含氯度峰值对应高潮位有1~2h滞后。而马角站只在联石湾上游不远处,含氯度变化幅度就小很多,说明在2008年农历十一月在当时的径流条件下,咸水楔就在两站之间。2.4月周期内日含氯度超标2003—2008年枯水期共55个农历半月周期,其中2004年10—12月的资料缺失。由于广昌泵站位于河口下游,枯水期大部分时间咸水超标严重,超标时间分布有可能均匀化,因此,只统计平岗泵站农历半月周期内日均含氯度超标数占总超标数的百分比,见图8。从统计结果可看出,在农历半月(初一到十五或者十六到廿九或三十)内,呈现明显周期变化规律,即在初三到初七(或十八到廿二)超标率较低,甚至为0,从农历初八(或廿三)超标百分比开始增加。结合图6知,初六以后平岗泵站含氯度开始上升,直到下一个大潮过后,含氯度降至最小,再进入下一周期。图8进一步确定,含氯度15d变化周期应该从初六到二十,以及廿一到下月初五。在不同径流和潮动力条件下,找到最佳的取淡压咸时机,对水厂取水十分重要。图8表明,15d含氯度周期内,农历初六和初七,或者廿一和廿二提高上游径流,控制咸潮上溯,将会是最佳的压咸取淡的时机。2.5潮入侵系数k以上分析确定磨刀门水道含氯度变化周期为15d,是由15d潮汛周期所控制,分别从初六到二十,以及廿一到下月初五;而每个周期内含氯度变化幅度是由上游径流所决定的。本节主要考察15d周期内径流和咸潮的响应关系。将农历初六到二十、廿一到下月初五作为统计单位,进行15d平均含氯度和径流统计分析,研究枯水期磨刀门水道含氯度变化规律。将平岗泵站含氯度作为典型站位按上述时间15d周期平均进行统计、上游马口站按上述时间15d平均径流作为典型流量,引入咸潮入侵系数K,统计后咸潮入侵系数K的分布见图9,由图知,2005—2006年枯水期咸潮入侵最严重,咸潮入侵系数K也明显高于其他年份。根据每年咸潮入侵程度,可将咸潮入侵系数K分为3个区域,即咸潮入侵系数K<0.2,0.2<K<0.5,K>0.5。(1)当咸潮入侵系数大于0.5时,咸潮入侵严重,15d周期中可出现连续7d以上日均含氯度超过1000mg/L,取水口基本无法满足抽取淡水要求;(2)当咸潮入侵系数大于0.2而小于0.5时,半月周期中连续5d或小于5d日均含氯度超过1000mg/L,可合理利用潮汐动力特点,在其余超标小的时段内抽取淡水,一定程度上供应水厂的需求;(3)当咸潮入侵系数小于0.2时,半月周期中有1~2d或者无日均含氯度超过1000mg/L的现象,能够满足取水标准,可在较长时间段内抽取淡水。为定量研究径流与咸潮的响应关系,确定某种特定径流条件下,咸潮入侵的危害程度,对咸潮入侵系数和流量的关系进行统计。2003年雨季降雨较少,河道容积小,枯水期初期,咸潮上溯缓慢,未造成严重的咸潮入侵,使得2003—2004年份枯水期初期K值偏小,若不考虑该枯水期初期数据,径流和咸潮入侵系数有很好的相关关系,见图10。相关关系适用范围K为0.1~1.0,对应15d的平均流量为2680~1550m3/s。根据相关关系求得,当K=0.20,对应临界流量为2450m3/s;当K=0.50,对应临界流量1930m3/s。也就是说当15d上游平均流量大于2450m3/s,咸潮入侵基本不影响平岗泵站取水,当平均流量小于1930m3/s,咸潮入侵严重,岗泵站至少7d以上无法取到淡水。3计算区域和模型验证根据实测资料统计分析的规律需要采用模型模拟的方式验证其合理性。本节采用Delft3D模型区域分解技术将网格加密的磨刀门小区域嵌入到网格相对较大珠江口大区域模型中耦合计算,见图11。大模型范围主要包括珠江口和外海,面积17537km2,共有正交曲线网格8370,网格大小dx为300~6400m,dy为200~4900m,从外海到珠江口逐渐加密。磨刀门水道计算区域包括口门水域、磨刀门水道、上游至马口水文站,面积为1186km2,河道长度145km,共有14768个正交曲线网格,dx为30~470m,dy为28~717m,从口门到上游逐渐加密,局部放大如图12所示。模型垂向均分为5层。模型中外海部分采用全球最新1′的ETOPO1地形数据,珠江口地形采用海图资料,二者结合配套使用。外海边界取在50m等深线附近,通过全球潮汐模型TPXO6.1提供外海潮位边界,其他边界条件由实测潮位给定,磨刀门上游马口站设置为流量边界。盐度的边界条件通过香港每月一次的观测数据、珠海水厂提供的水厂泵站日均观测数据和珠江口短期的时均数据共同构建。耦合模型采用2003年枯水期实测资料进行验证,文献有详细的验证结果。7个潮位站计算高、低潮位平均误差约0.05m,灯笼山表底层最高盐度平均误差为20%,大横琴表底层最高盐度平均误差为8%。验证结果说明耦合模型可很好地模拟珠江口、磨刀门潮汐和盐度变化过程。在模型验证的基础上,模型用于研究不同径流条件下对咸潮入侵的影响。4模型计算结果为研究径流对咸潮的影响,考察不同径流条件下咸界上溯情景,设计了5种不同径流条件,其中试验1和2分别为咸潮入侵系数K所对应的临界流量;试验3是咸潮较严重的2006年2月马口站流量1480m3/s,研究小流量下咸潮上溯与含氯度变化特点;试验4选取径流为1000m3/s极枯情况,讨论在极端条件下咸潮上溯的距离;试验5选取2008年12月马口站月均流量3450m3/s,见表1。各组试验在模型验证的基础上进行,边界条件设置和枯水期验证完全一致,只是从第4个月开始采用设计流量。模型计算采用盐度变量,为了和第2节分析相对应,本节分析中把模型盐度计算结果转化成含氯度。图13是数值试验1平岗泵站15d含氯度变化过程,其中虚线表示饮用水标准250mg/L,计算得到为551.79mg/L,则K=0.22,略大于设计咸潮入侵系数0.2,其中可取淡水的天数为11d,基本能满足较长时段取水要求。图14是试验2条件下平岗泵站含氯度15d变化过程,868.86mg/L,计算K=0.45,略低于临界咸潮入侵系数0.5,其中连续6d日均含氯度在1000mg/L以上,有5d部分时间内可取水。试验3大潮期间,表底层含氯度1110mg/L(盐度为2)线分别到达联石湾附近和马角附近,小潮期间,可到达广昌泵站和灯笼山附近。试验4咸潮上溯的距离更远,含氯度1110mg/L线大潮涨潮时可以达到竹排沙附近(距大横琴约25km),垂向混合十分均匀。试验3和4根据平岗泵站分别为1025.33mg/L和3865.06mg/L,它们对应的咸潮入侵系数K分别为:K=0.69和K=3.87,均超过0.5的划分界限。试验3在15d周期内日均含氯度只有2d在250mg/L以下,有10d无法满足取淡水的要求;试验4日均含氯度均在1000mg/L以上,15d内无法取水。试验5径流很大,咸潮上溯距离小,小潮涨潮时,盐水沿着东侧深槽上溯,西侧浅滩盐度低,横向盐度分布差异较大,沿水深方向分层明显,含氯度1110mg/L线最远只能到达大涌口附近。试验5的为18.87mg/L,K=0.005,日均含氯度无超标现象,完全满足取水要求。计算结果表明:半月平均含氯度与半月均径流的比值能较好的反映河道咸潮入侵的情况,为水厂的取水条件提供科学依据。5咸潮入侵分析(1)根据2003—2008年的枯水期含氯度实测资料统计分析,磨刀门水道含氯度变化周期为15d,是由大、中、小潮组成的15d周期潮汛所控制,而每个周期内含氯度变化幅度是由上游径流大小所决定。农历初六和七,或者廿一和廿二提高上游径流,控制咸潮上溯,将会是最佳的压咸取淡的时机。(2)提出咸潮入侵系数K的概