珠江口八口门水文学特性分析

珠江口八口门水文学特性分析

珠江三角洲主要由西江、北江和东江等下游沉积物和河口组成。区内网河水道纵横交错,水量主要由虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门和崖门等八大入海口门经珠江口流入南海。珠江河网淡水经过八大口门进入近海区域,河口及近海区域的环境现状为学者们所关注,全面和有效地评估珠江河口的水质状况,分析河口水域的纳污能力显得迫切而重要。河口区域盐度变化是河流和海洋两大动力要素在不同时空尺度上相互制约的反映,河流动力强弱以淡水径流流量为标志,海洋动力强弱以潮差为标志,以大小潮变化最显著。研究河口口门盐度时空变化规律能够反映口门陆海相互作用的特征,侧面反映三角洲河网淡水进入口门动力特征及盐度输运通量特征。近年来,在珠江河网河道挖沙、围垦等人类活动的影响下,河口盐水入侵出现了普遍加剧的趋势,同时上游的水闸及人工填筑等活动影响了各口门的分流比,由此,陆海相互作用平衡地带的河口口门动力状态必然发生改变。以往研究多集中于磨刀门盐水入侵和虎门盐度分布特征等方面,有关其他口门盐度特征的研究少见有文献报道;有关珠江口污染物及盐度入海通量研究则多集中于数值模型结果讨论,基于实测数据分析在早期及近年已有较多成果[9,10,11,12,13,14]。但由于珠江口动力条件近期发生了较大改变,基于珠江入海八口门同时段实测数据分析的相关研究仍具有较强的实时意义。鉴于此,本文主要通过2011年枯季八大口门同一时间段水文、盐度实测数据进行比较分析,试图探讨珠江口门近期枯季入海水通量、动力特征和盐淡水混合特征,这对了解珠江河口区盐度、污染物等物质输运规律具有重要的参考意义。1潮位、流速、流量、盐度观测为推进和落实珠江三角洲水环境保护合作,粤港双方共同成立珠江三角洲水质保护合作小组(下称“合作小组”)。合作小组于2011年2月进行了枯季八大口门潮流与盐度的观测,其观测站位选择在八大口门潮位站位置(图1),同步观测水文、盐度值。分别于小潮期(农历2月25—26日)和大潮期(农历2月17—18日)进行了2次连续25h的潮位、流速、流量、盐度观测。蕉门、磨刀门和虎跳门站潮位直接使用水利部的固定水文站提供的潮水位数据,虎门、洪奇门、横门、鸡啼门、崖门站潮位使用透气压力式水位计记录潮水位全过程,每5min记录一组潮水位数据,在潮水位自记台附近设两把校测水尺。用四等水准接测水尺零点高程,用三等水准与流域水准点连测。高程统一使用1985国家高程基准。盐度观测每隔2h正点时刻分表、中、底3层采样,然后在实验室使用SYC1-2盐度计测定盐度,同时使用YSI仪进行实时盐度垂线分布观测;流量采用走航式ADCP进行测量,从河岸的一边测到另一边,每2h施测一次;流向以落潮流为正数。每个测量断面设定最少10个水平监测/计算点,点与点之间小于50m。根据河口咸淡水混合程度将河口分成高度分层型、部分混合型和充分混合型3种类型。这3种类型可以通过层化参数R来界定,R的具体计算公式为:式中,Sb为某时刻测站的底层盐度,Se为表层盐度,为垂线平均盐度。R≥1为高度成层型,1>R>0.01为部分混合型,R≤0.01为充分混合型。2本周期的动力特征2.1全站、博罗站在测试的过程中,上游主要控制站的日平均流量均较小,西江马口站大潮和小潮期间平均流量为3050m3/s和2150m3/s,三水站流量为569m3/s和472m3/s,博罗站流量为383m3/s和371m3/s。珠江口门观测断面入海流量分配比见表1,流量为大、小潮水流量平均值。从表1可看出,分流比排在首位的是磨刀门,其次是虎门和洪奇门,最后位是横门。分流比最大为26.3%,最小为2.5%。2.2潮差分布特征珠江河口区潮汐类型属不正规混合半日潮。从观测期间八口门潮位过程线(图2)看,由于上游径流下泄影响,珠江八口门枯季落潮潮差明显大于涨潮潮差,潮差分布基本以磨刀门和鸡啼门最低,虎门和蕉门最大;潮波传至珠江口,八口门高潮位出现时间差,磨刀门、鸡啼门首先出现,而虎门和蕉门最后出现,其差约1~2h。2.3潮周期特征最大落潮差珠江口八大口门流速特征各不相同,但基本是落潮流速大于涨潮流速,落潮历时大于涨潮历时。大潮期流速大于小潮期,大潮期涨潮历时大于小潮期涨潮历时。黄茅海是一个漏斗湾,南北向纵长,湾头西炮台最大涨潮差为2.51m,最大落潮差为2.52m。从观测期间八口门垂线平均流速过程线(图3)看,相对其他口门,湾头两条入海水道崖门和虎跳门涨落潮流速在潮周期过程偏大,崖门测站涨潮平均流速最大可达0.92m/s,落潮最大达0.78m/s,测站为涨潮优势断面。虎跳门测站涨潮平均流速最大可达0.68m/s,落潮可达0.8m/s,落潮流大于涨潮流。磨刀门为典型的强径流弱潮河口,其分流比占26%左右,且潮差又为八口门中最弱河口。在观测期间,磨刀门涨、落潮流速在八口门中均偏小。在小潮观测期间T24:00至次日T6:00时段,水位在涨,垂线平均流速一直在落,断面流态未出现整体涨潮流现象。3潮周期和表底混合特征从珠江口门垂线平均盐度分布(表2)看,虎门平均盐度最大,属于典型的涨潮优势河道,半月潮周期盐度平均值为12.73,始终为盐水所控制。与虎门类似,崖门喇叭状河口湾积聚潮汐能量,使得外海盐水进入崖门动力充足,其潮周期平均盐度仅次于虎门。磨刀门盐度分布特征不同于受河口湾形状产生的强潮汐影响的口门。小潮期间,表层为低盐水,而底层为高盐水;大潮期间表底混合程度强,其口门盐度平均值仅次于虎门和崖门。位于磨刀门右侧2km的鸡啼门潮周期盐水入侵最弱,小潮垂向平均盐度为1.37,大潮平均盐度为3.69;从观测时间段盐度变化过程看,盐水入侵时间段也是最短,大部分时间为低盐水控制。4层化参数特征由于观测站位所处位置的径流、潮汐、波浪等动力因素存在差别,各站盐淡水混合特征具有时空差异性。根据前述观测资料和公式计算出观测站位潮汐层化参数(图4),从中可以看出,各测站盐淡水混合特征各不相同,虎门、崖门和鸡啼门属于强混合型,垂向盐度差异很小。虎门和崖门为强潮汐动力河口,大小潮盐淡水混合特征处于强混合状态。而鸡啼门潮汐动力弱,潮周期平均盐度明显偏低,径流冲淡作用显著,其表底层差异亦较小。在一个潮周期内,涨潮混合强度一般大于落潮混合强度。一般来说层化参数越小混合越强;反之,层化参数大混合程度差。从图4可知,大多数测站层化参数是涨潮小于落潮,即涨潮混合强度大于落潮混合强度。只有虎门出现相反情况,但虎门分层参数都比较小,涨、落潮混合都比较强。一般大潮混合强度大于小潮混合强度,但各测站大、小潮混合强度差异程度各有不同。本文使用大潮层化参数平均值与小潮层化参数平均值之比(SR)表示大小潮混合程度差异,使用大潮潮差与小潮潮差比值(SE)表示大小潮潮汐动力要素差异。对SR与SE进行排序比较(图5),发现SR大小基本与SE大小排序相同,但鸡啼门和虎门不同于其他口门,鸡啼门SE仅次于磨刀门,但SR却较小;虎门测站始终处于强混合状态,其潮周期SR偏小。大、小潮混合强度差异直接原因虽为大小潮潮汐动力要素的变化,但潮汐、径流、河口形状和地形的非线性相互作用变化对盐淡水混合程度也有重要影响。相对其他口门而言,磨刀门盐淡水混合强度大,小潮期间差异最大,图6描绘了磨刀门小潮盐度垂线分布及潮周期变化过程。小潮期间只在落憩时刻层化效应不明显,表底为低盐水控制;其他时刻都以盐水楔形式进行运动,底层盐度大于10,表层盐度小于2.5。由此可见该站小潮期盐水楔入侵能力很强,淡水径流外泄能力也很强。大潮期盐度混合程度强,只在一个时刻盐度层化明显。由于混合强度的差异,小潮期底层平均盐度为12.2,这大于大潮期底层平均盐度9.6。5以河口山接枝线为海口门盐度分布的研究基于2011年2月数据分析获取的珠江口八大口门入海分流比结果与赵焕庭基于1987年实测数据的分析结论基本吻合,但洪奇门和横门存在较大的差别。本次观测洪奇门和横门的分流比分别为20.8%和2.5%,而文献相应的分流比分别为6.4%和11.2%,这可能与断面位置的定义有关。图7显示了洪奇门和横门观测位置的两种定义模式,洪奇门和横门(红色)、洪奇门A和横门A(绿色)各代表一种观测位置定义。本次观测使用图中洪奇门和横门代表入海口位置,可以看出洪奇门和横门上游有一条连接洪奇门A和横门A的分支。如果文献定义的口门位置指的洪奇门A和横门A位置,那么当前的数据差别就可以从定性的层面上得到解释。河口区盐度变化规律受径流、潮汐、地形、河口形状和风等因素共同影响。河口盐水入侵和盐淡水混合特征受径流、潮汐、潮汐通道走向和河道地形等因素影响,是一个复杂的随时间和空间变化的非线性系统。虎门和崖门潮周期平均盐度最大,磨刀门居第三位,鸡啼门最小。珠江口门潮周期盐度平均值差异受多因素影响,虎门和崖门呈喇叭形河口,积聚潮汐能量,是使得外海盐水进入口门动力充足的原因之一,这与不少学者研究结果近似。但以往研究多集中于单个口门盐度分布特征分析,而本文对八口门盐度进行横向比较,发现珠江河口走向对盐水入侵有着不同的贡献率。磨刀门虽承接珠江河网下泄最大径流量,且潮差低于其他口门,但其口门盐度平均值仅次于虎门和崖门,这与潮汐通道走向差异有密切关系,磨刀门河口走向与潮波传播方向基本一致是导致潮波长驱直入盐水入侵程度严重的原因之一。而鸡啼门潮波传播方向与河口走向有一个夹角,这阻碍了潮汐能量顺畅地进入河口,所以这也是鸡啼门盐水入侵程度较小的原因之一。一般认为盐度混合强度与潮差呈正相关。磨刀门大潮属于强混合型,小潮处于高度层化型,这与不少学者对磨刀门的研究结果一致。珠江口门大小潮潮位差异与盐度层化差异程度基本一致(图5),但鸡啼门和虎门另外,说明珠江入海口门潮汐动力差异是层化差异影响的主要因子,同时河口形状、地形等因素在鸡啼门、虎门等口门起着重要作用。潮汐动力、径流、地形及河口形状等因素对河口层化程度的影响量化分析还有待进一步研究。6潮周期和潮水速度1)2011年枯季珠江入海口水文观测表明,八口门分流比从大至小依次为:磨刀门、虎门、洪奇门、蕉门、崖门、虎跳门、鸡啼门和横门。外海潮波传入河口,磨刀门、鸡啼门高潮位首先出现,而虎门和蕉门最后出现,其时差约为1~2h。磨刀门属于强径流弱潮流河段,与其他口门相比涨潮流速偏小,落潮流速偏大。2)由于观测