多汊道潮汐通道獅子洋的納潮量計算及演變分析

袁 菲,何 用,盧 陳,楊裕桂

(珠江水利委員會 珠江水利科學研究院,廣東 廣州510611)

獅子洋為珠江河殘留古海灣的一部分,習慣上稱黃埔至虎門間的珠江河段為獅子洋水道,其承納整個東江網(wǎng)河區(qū)來水、流溪河和部分北江來水,也是伶仃洋上溯潮流的重要通道。獅子洋水道的動力環(huán)境介于潮汐汊道和河口灣之間,承擔著河口地區(qū)泄洪、納潮及排澇等重任。20世紀90年代以來,獅子洋受航道疏浚、人工采砂等人類活動影響,地形發(fā)生非自然過程的“異變”,必然引起潮流動力改變,影響其納潮功能。研究獅子洋水域的納潮量變化,對于了解潮汐通道的盛衰及淤積情況,保障河口防洪和航運功能具有重要意義。

目前,關(guān)于海灣納潮量的計算,一種方法是直接利用流量觀測設(shè)備在封閉灣口進行周期性的連續(xù)走航觀測,通過觀測的灣口流量直接計算海灣的納潮量[1-2]。對于獅子洋而言,其平面形態(tài)復(fù)雜,上下游共有8個主要潮汐汊道口,同步觀測汊口的流量需耗費大量人力物力。另一種方法是通過潮差、水域面積等相關(guān)資料運用計算公式間接推求納潮量[3-8],目前的研究對象多集中于半封閉型海灣,對于多汊口潮汐通道的納潮量計算適應(yīng)性如何,目前研究較少。本文分別采用直接觀測法與公式法計算獅子洋納潮量,分析納潮量公式應(yīng)用于多汊道潮汐通道的可行性,在此基礎(chǔ)上,分析近10多a來獅子洋的納潮量變化及其原因。

1 納潮量計算方法

1.1 實測流量計算法

根據(jù)納潮量的定義,即海灣高潮時所容納的水量與低潮時所容納的水量之差,納潮量可表示為

式中,W1和W n分別表示高高潮和低低潮時海域所容納的水量,令W i(i=1,…,n)表示第i時刻海域所容納的水量,簡稱納水量,于是式(1)可寫為

式中,(W i-1-W i)表示海灣的逐時過水量,表明納潮量又可以表示為高低潮期間逐時過水量的和,即一次漲、落潮過程中流入或流出的潮水量。

獅子洋地理位置如圖1所示。獅子洋納潮量可通過計算8個主要汊口斷面大虎、大盛、黃埔左、黃埔右、泗盛圍、漳澎、麻涌及三沙口在高低潮期間流量的矢量和得到。

1.2 公式法

通常情況下,納潮量的計算可采用公式:

式中,S1和S2分別為高高潮和低低潮時的水域面積,H為潮差。采用這種計算方法的難點在于獲得不同潮位對應(yīng)的水域面積。由于獅子洋水域海圖資料有限且潮邊線不明確,提取不同潮位下的水域面積不易,因此本文采用提取衛(wèi)星遙感信息進行潮位訂正的方法估算不同潮位下的水域面積。具體方法為基于不同潮時獅子洋遙感衛(wèi)星圖像(圖2)提取獅子洋水域面積,采用線性內(nèi)插的方法進行潮位訂正,用于計算任意潮位下的水域面積,即設(shè)

由圖2可見獅子洋水域灘涂、水邊線、周圍地物都十分清晰,因此采用量算水邊線包圍面積的方法從衛(wèi)星遙感圖上提取獅子洋水域面積,為減小測量誤差,采用了多次測算,求取平均值[9]。而因為獅子洋上下游水位幾乎沒有差異,故采用大虎斷面的實測潮位資料進行計算。通過將多幅遙感圖提取的水域面積S及對應(yīng)時刻大虎斷面潮位h帶入式(4),求解未知數(shù)k和b,可獲得獅子洋任意潮位下的水域面積表達式。

圖1 獅子洋位置示意圖Fig.1 Geographical location map of the Shiziyang channel

圖2 2011-06-01獅子洋遙感衛(wèi)星圖像Fig.2 The satellite remote sensing image of the Shiziyang channel on June 1,2011

2 納潮量計算與誤差分析

采用實測流量法計算納潮量,流量數(shù)據(jù)取自1999年西、北江下游及其三角洲網(wǎng)河河道同步水文測驗及2005年西、北江三角洲網(wǎng)河區(qū)枯水期同步水文測驗及調(diào)水壓咸水文監(jiān)測成果,選取1999-07-16—07-24及2005-01-22—02-01獅子洋上下游8個汊口斷面——大虎、大盛、黃埔左、黃埔右、泗盛圍、漳澎、麻涌及三沙口的實測流量資料。采用該方法,在1999-07水文條件下,獅子洋納潮量均值為1.51×108m3,在2005-01水文條件下,獅子洋納潮量均值為2.09×108m3。

采用公式法計算納潮量,將提取的2011-06-01和2013-11-29T10:00獅子洋水域面積與相應(yīng)時刻大虎潮位代入式(4),確定S-h函數(shù)關(guān)系,選取數(shù)據(jù)及計算結(jié)果如表1所示。進一步采用2011-12-10T10:00衛(wèi)星遙感圖提取的水域面積及大虎潮位進行率定,誤差在1%內(nèi),表明所選取數(shù)據(jù)及計算結(jié)果合理可信。依據(jù)求解結(jié)果,對于任意給定潮位的時刻,都可求出對應(yīng)的水域面積,即

表1 公式(4)所選取數(shù)據(jù)及計算結(jié)果Table 1 The data selected for and the calculated results of the equation(4)

采用該方法,在1999-07水文條件下,獅子洋納潮量均值為1.78×108m3;在2005-01水文條件下,納潮量均值為2.01×108m3。計算結(jié)果見圖3,公式法計算結(jié)果與實測流量計算結(jié)果相對誤差分別為18%和16%。

圖3 獅子洋納潮量計算結(jié)果對比圖Fig.3 Comparison of the calculated tidal prisms of the Shiziyang channel

因納潮量又可以表示為高低潮期間逐時過水量的和[10],為分析納潮量計算公式與實測流量計算結(jié)果的誤差產(chǎn)生原因,基于納潮量公式法及實測流量計算理論,可以推出逐時過水量可分別表示為

或式中,h i為逐時平均潮位,S(h)為不同潮位對應(yīng)的水域面積,Q ji為8個入口斷面的逐時流量,兩式計算結(jié)果見圖4,可見計算結(jié)果基本一致,僅在漲落急時水位計算結(jié)果難以反映流量變化過程,存在較小誤差。因?qū)崪y流量計算結(jié)果基本能夠反映獅子洋真實納潮量,因此,認為公式法計算納潮量的方法在獅子洋這種多汊道潮汐通道中同樣適用。

圖4 1999-07及2005-01獅子洋水道逐時過水量計算結(jié)果對比圖Fig.4 The comparison of the water amount hourly flowing through the Shiziyang channel in July 1999 and January 2005

3 人類活動影響下獅子洋納潮量變化

3.1 獅子洋近期人類活動

獅子洋位于廣州港出海航道的北段,20世紀90年代以來,獅子洋河槽的變化受人類活動的干擾影響越來越顯著:航道在1996年開始進行航道整治,且東槽臨近的新沙港開始維護運行,2005年以后航道維護深度為13.5 m左右。近年來,獅子洋兩岸圍墾力度較小,據(jù)統(tǒng)計①錢樹芹,劉俊勇,高秋霖,等.獅子洋水道近期河床演變規(guī)律分析.廣東水利水電,2013(8):4-7.,1998—2008年,僅在東岸圍墾1.29 km2,幾乎可以忽略不計。為更直觀地了解獅子洋斷面形態(tài)變化,繪制了1999年、2005年及2011年獅子洋斷面地形圖,斷面位置見圖5,斷面河底高程圖如圖6所示。由圖可見,1999—2005年河道斷面深槽顯著加深,2005—2011年,斷面形態(tài)基本穩(wěn)定,在DM5斷面西槽因采砂作用出現(xiàn)了異常深坑。

3.2 獅子洋納潮量變化

圖5 獅子洋斷面布置圖Fig.5 The position of the sections in the Shiziyang channel

人類活動引起決定納潮量的河道地形及潮差變化,進一步引起納潮量改變,為進一步分析多汊道潮汐通道——獅子洋納潮量變化,本文將已驗證的傳統(tǒng)納潮量計算公式應(yīng)用于獅子洋納潮量的計算,基于該公式理論,采用2007—2016年共10 a的大虎站7月份潮位資料,計算獅子洋近10 a的納潮量,計算結(jié)果見圖7。由圖可見,獅子洋納潮量與潮差密切相關(guān),具有較為明顯的大小潮變化,同時具有顯著的周期變化,周期為4 a。因具有這種特殊的周期性變化,所以通過對比每4 a納潮量的均值變化來說明近10 a來獅子洋洪季納潮量的變化,如表2所示。2007年、2011年、2015年,納潮量先增大1.5%后減小1.2%;2008年、2012年、2016年,納潮量亦先增大0.8%后減小2.7%;2009—2013年,納潮量減小1.6%;2010—2014年,納潮量減小2.0%。由此認為,獅子洋納潮量具有4 a的周期,2007—2016年這10 a間,以2012年為界點,獅子洋納潮量先增大后減小,且增減幅度較小,不超過3%。

圖6 獅子洋斷面河底高程圖Fig.6 The elevation of the river bed along the sections in the Shiziyang channel

因1999年與2007年相差2個周期,而1999年缺乏7月整月數(shù)據(jù),故采取實測07-16—24資料計算所得納潮量與2007年同期對比,經(jīng)統(tǒng)計,1999-07-16—24納潮量變化趨勢與2007-07同期變化一致,均值為

1.73×108m3,2007年同期為1.91×108m3,增量達10.4%,這主要是因獅子洋內(nèi)航道整治,河底深槽加深,河槽體積增大所致。

表2 近10 a來獅子洋7月納潮量均值(×108 m3)Table 2 The mean value of the tidal prism of the Shiziyang channel in July for the recent 10 years(×108 m3)

圖7 近10 a來獅子洋7月納潮量變化Fig.7 The variations of the tidal prism of the Shiziyang channel in July for the recent 10 years

4 結(jié) 語

本文以獅子洋為例探究了多汊道潮汐通道的納潮量計算,分別采用基于直接觀測的流量計算法和基于衛(wèi)星遙感資料與實測潮位訂正的公式法,計算獅子洋1999-07及2005-01的納潮量。為進一步研究近年來獅子洋納潮量變化及其原因,采用公式法計算了2007—2016年每年7月獅子洋納潮量,結(jié)合1999—2011年地形演變特征,說明地形對納潮量變化的影響。研究發(fā)現(xiàn):

1)納潮量計算公式不僅能用于海灣納潮量計算,亦可用于多汊道潮汐通道的納潮量計算,用公式法與實測流量計算獅子洋納潮量結(jié)果誤差在18%之內(nèi),誤差產(chǎn)生的原因主要在于漲落急時段的計算結(jié)果難以反映該時段的流量真實變化過程。

2)獅子洋納潮量具有4 a的周期變化規(guī)律。近10多a來獅子洋納潮量的變化特征表現(xiàn)為:1999—2007年因航道整治,納潮量增大約10%,2007—2012年,河勢較為穩(wěn)定,納潮量小幅增大,2013—2016年納潮量小幅減小,這也從側(cè)面反映出2013—2016年河道有輕微淤淺的趨勢。

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