珠江三角洲西、北江干流水道水沙凈輸運(yùn)機(jī)制分析

(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(wǎng)區(qū)頂端，是三角洲主要的輸水輸沙通道，該區(qū)域洪潮交疊、海陸交匯，水流特性復(fù)雜，分析區(qū)域內(nèi)水沙輸運(yùn)機(jī)制對(duì)河口物質(zhì)輸移、水動(dòng)力特征及河床演變的研究具有一定意義。河口水沙輸運(yùn)通量及機(jī)理分析，我國(guó)學(xué)者已開(kāi)展了大量研究。王康墡、蘇紀(jì)蘭[1]運(yùn)用機(jī)制分解法對(duì)長(zhǎng)江口南港的懸移質(zhì)輸運(yùn)進(jìn)行分析，認(rèn)為研究區(qū)域的懸沙輸運(yùn)主控因子是平均流、斯托克斯效應(yīng)和陷捕效應(yīng)；時(shí)偉榮等[2]運(yùn)用通量分解方法分析長(zhǎng)江口最大渾濁帶形成機(jī)制；沈健等[3]運(yùn)用機(jī)制分解法對(duì)長(zhǎng)江口最大渾濁帶進(jìn)行成因分析，斯托克斯漂流和潮汐捕集在南槽占優(yōu)勢(shì)，平流輸沙和垂向環(huán)流在北港占優(yōu)勢(shì)；劉高峰等[4]根據(jù)長(zhǎng)江河口洪水期實(shí)測(cè)資料，研究漲落潮期間水沙輸運(yùn)機(jī)制，探討不同分解項(xiàng)對(duì)泥沙輸運(yùn)的作用；高建華等[5]通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江口南港水動(dòng)力特征及懸沙凈輸運(yùn)進(jìn)行分析，探討長(zhǎng)江口懸沙輸運(yùn)的主要?jiǎng)恿C(jī)制及輸運(yùn)方向；陳子燊[6]采用伶仃洋銅鼓水域?qū)崪y(cè)資料，利用單寬物質(zhì)通量分解計(jì)算其水沙輸運(yùn)，結(jié)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(yùn)分析研究區(qū)域主要集中在長(zhǎng)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(yùn)機(jī)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(wǎng)密集的三角洲河口區(qū)。西江干流水道全長(zhǎng)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(zhǎng)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(guī)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(qū)域?yàn)槲鹘闪魉礼R口至天河段，北江干流水道三水至三多段，利用研究區(qū)域枯季實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用機(jī)制分解法對(duì)懸沙輸運(yùn)機(jī)制進(jìn)行分析，研究水沙輸運(yùn)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(gè)斷面(圖1)逐時(shí)的水深、流速、懸移質(zhì)含沙量數(shù)據(jù)。流速和懸移質(zhì)含沙量采用代表線6點(diǎn)法施測(cè)(分別測(cè)量相對(duì)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(cè)驗(yàn)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(cè)斷面分布于西、北江干流水道上下游，觀測(cè)項(xiàng)目包含垂向各層的流速、含沙量情況，具有較好的枯季區(qū)域代表性。

本文對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行物質(zhì)輸移量分解，分別計(jì)算大小潮周期各個(gè)觀測(cè)斷面的余流值及懸移質(zhì)含沙量輸運(yùn)分解項(xiàng)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，各斷面流速以往復(fù)流為主，因此，采用測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)流速平行河道方向分量進(jìn)行余流和物質(zhì)通量計(jì)算，為對(duì)河道主流代表線作單寬水流、懸沙分析。對(duì)瞬時(shí)物質(zhì)輸移量進(jìn)行拆解[3,7-9]，令縱向輸移為x，時(shí)間變化為t，相對(duì)水深為z，z的變化為0～h。如不考慮水流的波動(dòng)的影響，則瞬時(shí)流速u(x，z，t)可以分解成垂向平均量項(xiàng)及其偏差項(xiàng)之和，垂向平均量項(xiàng)及其偏差項(xiàng)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(cè)站點(diǎn)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(xiàng)。

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(fēng)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(zhì)點(diǎn)受潮波影響完成周期性運(yùn)動(dòng)后，與原起點(diǎn)產(chǎn)生的位移量，其數(shù)值體現(xiàn)了水位和水流變化量的相關(guān)性[11]。

河口的單寬懸沙輸移量主要可以分解為8個(gè)通量項(xiàng)：

T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8

(5)

式中T1——?dú)W拉余流懸沙輸移；T2——潮汐潮流相關(guān)項(xiàng)，也稱為斯托克斯漂移輸運(yùn)；T1+T2——平流輸運(yùn)，即由潮周期平均水體流動(dòng)產(chǎn)生的懸沙輸運(yùn)；T3——潮汐與懸沙含沙量的潮變化項(xiàng)；T4——含沙量與潮流場(chǎng)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(guò)程中水體與底部泥沙之間交換而產(chǎn)生的凈輸沙，稱為潮抽吸輸運(yùn)；T5——垂向流速與懸沙變化相關(guān)項(xiàng)，與河口層化強(qiáng)度密切相關(guān)[12]，反映垂向凈環(huán)流產(chǎn)生的懸沙輸運(yùn)；T6～T7——源于潮周期內(nèi)速度剖面和懸沙剖面之間的差別，表示時(shí)均與潮振動(dòng)引起的剪切擴(kuò)散項(xiàng)；T8——垂向潮振動(dòng)切變項(xiàng)，與含沙量及流速的垂向梯度相關(guān)。

2 結(jié)果分析

2.1 余流分析

各斷面余流計(jì)算值見(jiàn)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(guān)。斯托克斯漂流與潮流波浪相關(guān)，從計(jì)算結(jié)果而言：歐拉余流遠(yuǎn)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(yuǎn)超過(guò)受潮流影響。各斷面歐拉余流均為正值，其分布呈現(xiàn)西江干流大于北江干流,上游大于下游的特點(diǎn)；斯托克斯漂流分布則相反，表明北江干流受潮流影響超過(guò)西江干流。兩條水道自上而下，徑流影響減弱，潮流影響增強(qiáng)，與河道分汊和接近口門有關(guān)。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(zhǎng)的關(guān)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(fù)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(yùn)分析

各斷面懸移質(zhì)含沙量輸運(yùn)分解項(xiàng)見(jiàn)表2。從計(jì)算結(jié)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(duì)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(yùn)，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(shí)，平流輸沙量與河道水深相關(guān)(圖3)。T1代表的歐拉余流輸沙在輸沙影響因子中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；T2代表的斯托克斯漂移輸沙向上游輸運(yùn)，與T1相反，對(duì)平流輸沙存在抑制作用。研究區(qū)域潮汐與潮流存在1/4個(gè)周期的相位差，T2在潮汐和潮流相對(duì)周期均值偏移最大時(shí)作用最強(qiáng)，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(qū)域含沙量分布相似(詳見(jiàn)圖4)，說(shuō)明T2減少泥沙向下游輸運(yùn)。

研究區(qū)域的潮抽吸效應(yīng)引起的凈輸沙向上游輸運(yùn)，包括T3和T4。潮汐與懸沙量的潮變化相關(guān)項(xiàng)T3數(shù)值較大，向上游輸運(yùn)，表明研究區(qū)域內(nèi)潮汐與含沙量變化相位差較小，存在相關(guān)性。從平面分布而言，北江干流大潮期潮汐與含沙量相關(guān)性最大。潮汐捕集輸沙T4向下游輸運(yùn)，受潮汐和潮流的相位差影響，T4對(duì)懸沙輸運(yùn)貢獻(xiàn)并不明顯。

垂向凈環(huán)流輸沙T5向上游輸運(yùn)，與鹽淡水密度流有關(guān)，西江干流中徑流分量大，鹽淡水分層明顯，T5貢獻(xiàn)較大，部分河段垂向凈環(huán)流的影響超過(guò)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(huán)流輸沙較弱。

其他輸運(yùn)項(xiàng)：T6、T7為剪切擴(kuò)散項(xiàng)，T8為垂向潮振動(dòng)切變項(xiàng)，數(shù)值小，對(duì)懸沙輸移貢獻(xiàn)較弱。

表2 不同潮次各斷面懸沙輸運(yùn)機(jī)制分解項(xiàng)計(jì)算結(jié)果 g

a) 平流輸運(yùn)項(xiàng)

b) 拉格朗日凈輸水量圖3 各斷面平流輸運(yùn)、凈輸水量和平均水深

c) 平均水深續(xù)圖3 各斷面平流輸運(yùn)、凈輸水量和平均水深

a) T2

b) 平均含沙量圖4 各斷面T2、平均含沙量

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用水文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用機(jī)制分解法對(duì)珠江三角洲西、北江干流水道進(jìn)行分析計(jì)算，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

a) 研究區(qū)域中歐拉余流作用大于斯托克斯漂流，表明區(qū)域受徑流影響程度超過(guò)潮流影響，但兩條水道受徑流、潮流影響程度不完全相同，北江干流受潮流影響程度超過(guò)西江干流。因河道分汊和接近口門，研究區(qū)域自上而下，受徑流影響逐漸減弱，受潮流影響逐漸增強(qiáng)。

b) 歐拉余流懸沙輸移為研究區(qū)域懸沙輸移的最主要的控制因素，斯托克斯漂移、潮汐與懸沙含量潮變化相關(guān)項(xiàng)、垂向凈環(huán)流對(duì)懸沙輸移也有一定影響。

c) 西、北江干流水道平均流引起的凈輸沙向下游輸運(yùn)，其分布與凈輸水分布相似，也與河道水深相關(guān)。

d) 斯托克斯漂移輸沙向上游輸運(yùn)，對(duì)平流輸沙存在抑制作用。在高高潮、低低潮附近時(shí)，潮汐和潮流相對(duì)周期均值偏移最大，斯托克斯漂移輸沙對(duì)平流輸沙抑制作用最強(qiáng)。

e) 研究區(qū)域的垂向凈環(huán)流輸沙向上游輸運(yùn)，與鹽淡水密度流有關(guān)，西江干流中徑流分量大，鹽淡水分層明顯，垂向凈環(huán)流輸沙貢獻(xiàn)較大，部分河段垂向凈環(huán)流的影響超過(guò)斯托克斯漂流。