洪季磨刀门河口拦门沙对洪水响应特征

洪季磨刀门河口拦门沙对洪水响应特征

1磨刀门河口拦门沙研究现状河口沙是径向流和海洋（波浪和潮汐等）共同作用的结果。河口沙的开发是对海洋、陆地和海洋相互作用的重要研究内容。同时，它也是河口洪水的重要研究和河口恢复和河口恢复的重要课题。河口洪水对河口泥沙和土地开发的影响引起了国内外学者的关注，并取得了许多研究成果。珠江磨刀门河口位于珠江三角洲西翼,为珠江水系的出海主干。磨刀门河口是珠江八大口门中输水输沙量最大的河口,其排洪安全一直是磨刀门口门治理的头等大事。20世纪90年代初磨刀门整治工程完成后,磨刀门河口从“软边界”具有承洪纳潮功能的浅海区转变为由人工导堤控制“硬边界”的渠化河道,口门迅速向海延伸,磨刀门拦门沙也随之推向口外,目前,磨刀门河口已延伸至横琴岛以外,中心拦门沙及东、西两汊的地貌格局已经形成(如图1所示)。磨刀门口外大型拦门沙体受到径流、潮流、波浪及沿岸流等多种动力的影响,其拦门沙发育演变也较为复杂,目前磨刀门河口拦门沙研究成果主要集中在磨刀门整治工程对河口拦门沙演变的影响、拦门沙冲淤变化、人类活动影响下的拦门沙区域水动力变化和河口拦门沙水动力变化的数值模拟研究等几方面。本文基于实测水文资料、历史地形资料,探讨磨刀门拦门沙的排洪动力特征及拦门沙典型地貌单元对洪水的响应机制,以期加深人们对磨刀门河口拦门沙演变规律的认识,同时也可为磨刀门河口防洪规划及河口治理决策提供参考。2数据和方法2.1磨刀门的径流磨刀门是西江的主要入海口,也是珠江三角洲的主要泄洪通道。磨刀门整治工程完成后,磨刀门河口延伸至横琴岛以外,目前河口拦门沙形成由中心拦门沙、拦门沙东汊、拦门沙西汊、西侧拦门沙浅滩(交杯沙)等构成的拦门沙地貌单元体系。磨刀门多年平均径流量为923亿m3,占马口站径流量的三分之一,占西、北江径流量的四分之一,居珠江三角洲八大口门之首。磨刀门口门潮差小、潮流弱,年均潮差为0.86m,多年最大潮差平均为2.04m,在八大口门中是最小的。磨刀门属强径流弱潮流河口,多年平均山潮比为5.78。洪水期以径流作用为主,中、枯水期上游来流量较小时则以潮流和波浪作用为主。磨刀门灯笼山站年均落潮量为1083亿m3,占八大口门总落潮量的15.42%,涨潮量为160亿m3,占八大口门总涨潮量的4.25%。磨刀门海区全年受波浪影响,各月平均波高为1.01~1.32m,平均周期为5.15~5.70s,其中又以SE向涌浪为主,出现频率占70.62%。2.2水文同步观测2003年9月22—23日,在磨刀门河口选择拦门沙外坡(10m水深,1#测站)、拦门沙顶(2#测站)及拦门沙内坡(3#测站)3个测站进行26h水文同步观测(水文测验站点布置见图2)。按《海洋水文观测》测验内容包括分层观测流速、流向及含盐度,垂向分6层(表层0h、0.2h、0.4h、0.6h、0.8h、底层1.0h)。水文观测期间西江下游控制水文站马口站实测流量为20800~21600m3/s,可代表典型洪水过程。2.3历史河流的地形图2.3.1磨刀门河口地形方面资料主要来自于:(1)中水珠江规划勘测设计有限公司2000年5月1∶5000磨刀门水域河道地形图;(2)广东省航道局2005年9月1∶5000磨刀门水域河道地形图;(3)广东省航道局2007412000年月∶磨刀门水域河道地形图;(4)广东省航道局2008年3月1∶2000磨刀门水域河道地形图。其中2005年9月地形图测量时间在“05·6”洪水(2005年6月洪水西江干流高要水文站洪峰流量54900m3/s,其重现期接近200年)之后,可代表典型洪水后磨刀门河口地形;2007年4月和2008年3月地形图可代表枯季磨刀门河口地形。2.3.2河道数字高程模型的建立本文将各年份地形图数据数字化,建立数字高程模型(DigitalEleva⁃tionModels,简称DEM),数据分析步骤如下:(1)将地图分幅扫描,用ArcGIS软件包将每幅图做校正、配准,形成具有一定地理坐标、统一地图投影的图幅,然后将同一时段不同河段的图幅拼接;(2)在ArcGIS环境中将拼接的地图数字化,形成不同时期河道数字化电子图集;(3)在ArcGIS操作环境中采集数字化后的河道原始高程数据,形成河底高程数据库,在Surfer软件中用Kriging插值法将原始河道高程数据点做数值内插,继而转化成栅格数据模型(GRID),生成数字高程模型(DEM);(4)利用Surfer软件对建立的磨刀门河口DEM进行分析。3结果与讨论3.1表层、底层流速梯度洪水季节,磨刀门河口主要为径流动力控制,河口属高度分层型。在落急时刻,磨刀门拦门沙水域流速垂向分层明显(如图3所示),3个测站的表层、底层流速梯度较大,底层流速迅速减小。纵向落急时刻,位于拦门沙外坡的1#站表层流速较小,拦门沙顶2#站及拦门沙内坡3#站表层流速都在1.6m/s以上,2#站表层流速大于3#站,分层现象较3#站明显。拦门沙加大了河床底摩阻,导致流速垂向梯度增大,另外口外的1#站表层流速为0.8m/s,是由于拦门沙阻水后,使得水体越过拦门沙向海一侧水面坡降加大,表层流速也随着增大。3.2门防护台砂排洪性能为210m3.3密度界面深度分析洪水季节,磨刀门拦门沙水域存在较为明显的落潮射流,河口射流中动量表征的惯性力与浮力的比例对射流运动起决定作用,这种力的对比,其相对作用可用密度弗劳德数(dendimetricFroudenumber)衡量:式中:F′为密度弗劳德数;u为上层平均流速(取0.2h层的流速);r=1-ρ上/ρ下,ρ上和ρ下分别代表上下水层密度(上、下层分别取0.2h、0.8h);g为重力加速度;h′为密度界面的深度,有时可用水深来代替。Hayashi等人研究表明当F′>16.1时,水体呈紊动扩散;当F′接近于1.0时,水流中的密度呈现明显的分层现象,输出水流漂浮在盐水上面,形成羽状扩散。3个测站潮周期内逐时密度弗劳德数计算结果显示(如图5所示),磨刀门外坡(1#站)在潮周期内密度弗劳德数始终小于2,表明磨刀门外坡处在洪季保持浮力射流的状态,水体分层明显;拦门沙顶的2#站大多时刻密度弗劳德数均在2以下波动,表明洪季拦门沙顶处水流也属浮力射流;而位于拦门沙内坡的3#站潮周期内波动较大,从最小值接近于0至最大值达16左右,由此看出,3#站在潮周期内密度弗劳德数随潮流涨落有较大的波动,其中落潮时密度弗劳德数减小,水体分层增强,涨潮时密度弗劳德数增加,水体分层减弱。3.4流量差与水位差拟合当上游马口站流量超过10000m3/s时,中、小潮磨刀门灯笼山站的水位始终高于大横琴站。可见,磨刀门河口段的壅水主要是由于径流下泄及其洪水坡降的影响。将灯笼山站和大横琴站高潮位及低潮位水位差与马口站流量进行拟合,如图7所示。结果表明:灯笼山站与大横琴站高潮位、低潮位水位差和马口流量均有较好的线性关系,即随着马口流量的增加,灯笼山站与大横琴站高潮位和低潮位水位差皆呈线性增加,其中高高潮拟合的相关系数为0.88,低低潮拟合的相关系数为0.33。3.5典型的单元格沙地单元对洪水的响应3.5.1东、西通过洪水冲决,东成为排洪的重要通道2000年至2008年拦门沙东西汊等深线进退统计(如表1所示)显示,从2000年至2008年,东汊、西汊快速向海延伸,西汊作为主汊,向海延伸的速度较为稳定,东汊的发育受“05·6”洪水冲决的影响较大,东汊快速向海推进,洪水时东汊成为排洪的重要通道;枯季(或枯水年)时,在波浪作用下,东、西汊都有向后退缩的趋势,由于东汊正对东南浪向,其枯季(或枯水年)向后退缩的趋势更加明显。3.5.2交杯四沙分布通过2000年、2005年及2007年磨刀门西侧拦门沙浅滩局部地形对比显示(见图8),2000年,交杯四沙的0m等深线与交杯三沙的0m等深线相连,可封闭。至2005年9月,受“05·6”洪水的影响,交杯四沙型态成椭圆型,长轴沿洪水下泄方向(正北走向)分布,在交杯三沙和交杯四沙之间冲出一浅沟。到2007年4月,交杯四沙轴线走向发生较大变化,由2005年的南北轴向,演变呈西南轴向。洪季时,洪水对交杯四沙冲刷作用较明显,特别是交杯四沙内侧南北向并岸沙堤易被洪水冲开。枯季,交杯沙区域受波浪作用影响较大,在东南向浪的折射和绕射作用下,交杯四沙的泥沙向西南方向转运,同时向陆并岸。3.5.3小体积、小体系、大西及西拦门沙坎在西汊和东汊深槽向前发展的同时,在深槽的头部也存在着呈弧形带状的泥沙堆积体,由于它横卧在深槽的头部,形如沙坎,故称为“拦门沙坎”。从西汊和东汊前端拦门沙坎等深线宽度变化可以看出(如表2所示),西汊、东汊拦门沙坎均受“05·6”洪水强烈冲刷侵蚀,2005年9月东汊、西汊前端拦门沙坎2m等深线均被冲开,3m等深线也大幅萎缩,其中东汊的冲决效果更强烈。2005—2008年,东西汊前端拦门沙坎均有所堆积,宽度增加。2005年9月西汊前缘局部地形图显示,受“05·6”洪水影响,在西汊深槽前端拦门沙坎部位,可以看到2m等深线已经闭合,东西长约1.1km,南北最大宽度约为0.9km,最小水深为1.5m。这说明拦门沙西汊前端拦门沙坎处,已经形成二级拦门沙分汊体系的雏形(如图9所示)。4磨刀门拦门沙群落地质特征(1)洪水季节,磨刀门河口主要为径流动力控制,河口属高度分层型,落急时刻,流速垂向梯度较大。外海高盐水被拦门沙阻挡,无法越过拦门沙向里侵入,在磨刀门拦门沙外坡水域,全潮过程底层水体均为高盐水,在磨刀门拦门沙顶水域,水体盐度随潮起伏,在拦门沙内坡水域,表层水体被淡水径流所控制。磨刀门拦门沙外坡及拦门沙顶水域排洪射流结构均为浮力射流结构,拦门沙内坡水域落潮时水体分层增强,涨潮时水体分层减弱。(2)磨刀门拦门沙水域洪潮相遇引起的壅水,主要表现为对低潮水位的抬高。灯笼山站与大横琴站水位差规律和灯笼山站与三灶站的水位差规律一致,即低潮位时水位差最大,大潮水位差大于小潮;灯笼山站与大横琴站高潮位、低潮位水位差和马口流量均有较好的线性正相关关系;当上游马口站流量超过1万m3/s时,中、小潮磨刀门灯笼山站的水位始终高于大横琴站。(3)由于洪水季节磨刀门河口径流占显著优势,洪水对拦门沙的冲刷作用也较显著。从2000—2008年,东汊、西汊快速向海延伸,西汊作为主汊,向海延伸的速度较为稳定,东汊的发育受“05·6”洪水冲决的影响较大,东汊快速向海推进,东汊成为排洪的重要通道;洪水对交杯四沙冲刷作用较明显,特别是交杯四沙内侧南北向并岸沙堤易被洪水冲开;受洪水冲刷影响,拦门沙西汊前缘次一级分汊体系的雏形已经形成。(4)从拦门沙典型地貌单元年际、年内地貌单元演变特征可以发现,洪水季节磨刀门拦门沙的主要塑造力量是洪水的冲刷作用,而枯季磨刀门河口波浪动力对拦门沙的修饰作用不容忽视。因此,下一步工作应开展枯季拦门沙水域的波浪观测,以探讨磨刀门枯季拦门沙演变特征,揭示磨刀门河口径流—波浪动力模式对拦门沙演变不同尺度的影响。从磨刀门拦门沙水域3个测站洪季潮周期盐度过程可以看出(如图4所示),在磨刀门拦门沙外坡10m水深处(1#站),全潮过程底层水体均为高盐水控制,盐度在30.0‰~31.2‰之间,而表层水体的盐度随潮变化显著,涨潮时盐度接近30.0‰;在磨刀门拦门沙顶(2#站),水体盐度随潮起伏,退潮时表层盐度降至0.1‰,底层为3.4‰,涨潮时表层和底层的盐度又分别升至19.6‰和24.1‰,盐度变幅在20.0%以上,可见拦门沙地段水体盐度随潮周期发生急剧变化。该测站的最大盐度始终小于25.0‰,说明外海高盐水并未越过拦门沙向口内侵入,而是受阻于拦门沙以外水域,在拦门沙内坡河段(3#站),表层水体在潮周期的大部分时间里被淡水径流所控制,盐度基本上在1.0‰以下,只在涨潮时盐度略有升高(表层最大盐度为2.5‰);而中、底层最大盐度可达17.2‰,与表层水体形成了显著的分层现象。磨刀门拦门沙水域洪潮相遇引起的壅水,主要表现为对低潮水位的抬高。洪季磨刀门下泄径流加大,受潮汐顶托,低潮水位有明显的壅高。从200