珠江“伶仃洋河口灣-虎門-潮汐通道”的潮波傳播特征*

謝梅芳, 張萍, 楊昊, 傅林曦, 王恒,蔡華陽, 楊清書

1. 中山大學海洋工程與技術學院, 中山大學河口海岸研究所, 廣東 廣州 510275;

2. 河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室, 廣東 廣州 510275;

3. 廣東省海岸與島礁工程技術研究中心, 廣東 廣州 510275;

4. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海), 廣東 珠海 519000

潮優(yōu)型河口潮波傳播是潮動力與地形相互耦合的結果, 是河口地貌動力研究的重要科學問題。潮優(yōu)型河口潮波傳播主要受地形、摩擦效應及人類活動的影響, 隨地形不同其潮波傳播特征(如振幅梯度和傳播速度等)的時空變化具有特殊性。探討潮優(yōu)型河口不同地形條件的潮波傳播變化特征及其主要影響因素, 不僅是河口地貌動力研究的前沿問題, 而且對口門治理、航道整治、港口建設等河口開發(fā)治理具有重要指導意義。

潮優(yōu)型河口潮波傳播與河口特殊地貌結構密切相關, 其與地形變化(如水深、河口形狀等)的關系問題, 歷來受國內(nèi)外學者關注。為定量分析地形變化對潮波傳播的影響, 很多學者采用數(shù)值模擬(賈良文等, 2006; 劉偉峰 等, 2008; 龔文平 等, 2012)和解析解(Savenije et al, 2008; Cai et al, 2012; Cai et al,2016, 2018)的方法建立地形驅(qū)動下的潮波傳播模型,研究結果表明潮優(yōu)型河口地形變化(包括沿程水深和河寬變化)是影響潮波傳播時空演變的主導因素。當?shù)匦屋椌?即河道橫截面積沿程減小)引起的能量增大效應大于底床摩擦引起的能量衰減效應時, 潮波振幅沿程增大, 潮波傳播速度大于無摩擦棱柱形河口的傳播速度; 反之, 潮波振幅則減小, 潮波傳播速度小于無摩擦棱柱形河口的傳播速度(Savenije et al, 2005, 2008)。

珠江口由西江、北江和東江以及其他匯入珠江三角洲的諸小河流的河口組成, 構成“五江匯流, 八口出?！钡乃蹈窬?李春初, 2004)。珠江河口屬于不規(guī)則半日混合潮流類型(林祖亨 等, 1996), 潮波向珠江河口傳播時, 具有前進波特征。由于東側水深較深, 潮波傳播動力較強, 而西側淺灘水深較淺,引起能量損耗, 潮流總體上呈東強西弱, 且落潮歷時長于漲潮歷時(丁芮 等, 2016)。由于地形差異產(chǎn)生潮波傳播變形、疊加, 導致漲落潮流在各個口門不同河道之間有明顯的非同步性(丁芮 等, 2016)。珠江河口受上游徑流影響, 其平均水位洪季高于枯季, 潮差及各分潮波振幅與徑流量大小呈反相關關系, 即徑流量越大、潮差越小(歐素英 等, 2004,2016)。此外, 潮波傳播過程在洪季受地形淺水效應的影響比枯季小(胡德禮 等, 2011), 且潮汐特征對上游流量變化的響應存在空間變異性, 而挖砂引起的地形變化減小了以洪水為主導的潮汐不對稱(Cao et al, 2020)。自20世紀80年代以來, 珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)地形的變化(如采砂活動及土地圍墾導致河口窄深化)使徑潮動力發(fā)生顯著異變(李靜, 2006;Zhang et al, 2015; 申其國 等, 2017)。強烈的人類活動導致河床大幅下切和河道斷面面積大幅增加, 引起河網(wǎng)區(qū)和口門處水量的重新分配(申其國 等,2017), 河網(wǎng)區(qū)潮差普遍增大, 潮汐動力顯著增強(張蔚 等, 2008)。河網(wǎng)中、上游河段潮差明顯增大,下游口門區(qū)受圍墾影響, 潮差減小, 河網(wǎng)區(qū)潮動力增強, 納潮能力增強, 且不同分潮種類的響應存在差異(張蔚 等, 2008, 2010; Chen et al, 2020)。

珠江“伶仃洋河口灣-虎門-潮汐通道”是特殊“河網(wǎng)-河口灣”(簡稱“網(wǎng)-灣”, 下同)結構的重要組成部分, 其潮波傳播受地形、徑流等因素影響, 由于該區(qū)域納潮量顯著大于其下泄徑流量(鄧俊杰 等, 2009),故徑流對潮波傳播的影響較小。伶仃洋不同區(qū)段地形形態(tài)參數(shù)和相應的潮汐動力時空演變具有較大差異。伶仃洋位于珠江三角洲東南部, 是珠江河口最大的喇叭形河口灣, 地理位置特殊。隨著伶仃洋東、西兩翼經(jīng)濟的迅猛發(fā)展, 人類活動(如伶仃洋航道整治工程、口門圍墾及人工采砂等)對河口環(huán)境的影響加劇, 地形地貌發(fā)生顯著改變, 并直接影響其潮汐動力的演變(Cai et al, 2019; 王世俊, 2019)。研究表明, 1990年以來伶仃洋河口灣地形逐漸趨于窄深化,即航道疏浚和人工采砂導致河口水深增加, 灘涂圍墾導致河口灣水域面積減小(Wu et al, 2014); 在自然沖刷及采砂活動的影響下, 河口灣上游潮汐通道水深明顯增加(Wu et al, 2016), 進一步促使沉積物再懸浮, 使其向西槽運移, 導致河口淺灘沉積物減少(Deng et al, 2020)。因此, 人類活動驅(qū)動的河口地形變化對潮波傳播的影響已然成為亟待進一步深入研究的科學問題, 而珠江“伶仃洋河口灣-虎門-潮汐通道”是探討不同區(qū)段(河口灣段、口門和潮汐通道)及其構成的有機整體的潮波傳播過程的典型代表。為揭示這一特殊地貌結構近30年潮波傳播的演變過程及影響因子, 本文基于實測資料, 采用潮汐調(diào)和分析方法, 探討潮波傳播特性的時空變化, 并揭示地形變化條件下該特殊地貌結構的河口潮波傳播特征。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)收集

1.1 研究區(qū)域

珠江水系由西江、北江、東江及珠江三角洲諸小河流組成(圖1), 其進入中國南海的年徑流量約為2.82×106m3, 年輸沙率約為72.41t(Liu et al, 2018)。珠江河網(wǎng)作為陸地與外海的連接段, 由八大口門(即崖門、虎跳門、雞啼門、磨刀門、橫門、洪奇門、蕉門及虎門)匯入南海, 同時受徑流和潮汐動力影響。其潮汐具有混合潮特征, 口門處的平均潮差介于1.0～1.7m(Mao et al, 2004)。

伶仃洋河口灣走向為NNW—SSE, 其匯入徑流量和輸沙量約占珠江總徑流量和輸沙量的61.1%和54.0%(胡德禮 等, 2010)。八大口門中有四大口門(即虎門、蕉門、洪奇門及橫門)匯集于此。外海的漲潮流主流從東南而來, 漲潮流動力軸線偏東, 而徑流來水集中于伶仃洋西岸(李孟國 等, 2019)。西北部橫門、洪奇瀝和蕉門主要受徑流作用為主的分流河口注入的徑流動力控制, 北部和中部虎門潮汐通道主要受潮流控制(李孟國 等, 2019)。伶仃洋河口灣能量通量主要由虎門水道進入河網(wǎng)區(qū), 約占總能量的51%(劉歡 等, 2011; 歐素英 等, 2016)。在人類活動(如上游水庫建設、航道疏浚、人工采砂、灘涂圍墾等)影響下, 伶仃洋河口灣地形地貌已發(fā)生顯著變化, 淺海區(qū)填海造陸面積高達200km2(Wu et al,2014), 主航道水深增大至約25m(姚海元 等, 2018),入海泥沙以約8.4Mt·a-1的速度在減少(Wu et al,2016), 導致伶仃洋河口灣向“窄深化”模式發(fā)展, 進而引起“伶仃洋河口灣-虎門-潮汐通道”特殊地貌結構的潮波傳播模式發(fā)生轉變。

本文研究區(qū)域如圖1紅色方框所示。選取“伶仃洋河口灣-虎門-潮汐通道”為研究對象(取伶仃洋河口灣的北部為伶仃洋河口灣段), 以赤灣站、泗盛圍站和黃埔站作為其不同地貌結構的代表站(詳見表1)。赤灣站處于伶仃洋河口灣段東部, 伶仃洋河口灣的潮波特性(主要是沿著東槽—礬石水道向上的潮波傳播)由赤灣站和泗盛圍站兩個潮位站來確定。赤灣站至泗盛圍站的距離約為58km; 黃埔站處于虎門內(nèi)潮汐通道段, 潮汐通道的潮波特性由泗盛圍站和黃埔站兩個潮位站來確定, 兩站點間距離約為24km?？傮w沿程(赤灣-泗盛圍-黃埔, 簡稱“總程”,下同)為虎門連接的伶仃洋河口灣段和潮汐通道段構成的有機整體。根據(jù)本文1990—2016年的潮位數(shù)據(jù)調(diào)和分析結果, 河口主要天文分潮為M2, 其次為K1、O1和S2, 潮波傳播由伶仃洋河口灣向北傳播至虎門內(nèi)潮汐通道。

圖1 珠江“伶仃洋河口灣-虎門-潮汐通道”區(qū)域圖以及赤灣、泗盛圍與黃埔潮位站點位置該圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)4342號的標準地圖制作, 底圖無修改。紅色虛線框為本文研究區(qū)Fig.1 Map of Lingdingyang Bay-Humen outlet-tidal channel of the Pearl River, showing the locations of Chiwan,Sishengwei and Huangpu tidal gauging stations

1.2 數(shù)據(jù)收集

本文收集了1990—2016年珠江河口赤灣、泗盛圍和黃埔3個潮位站的逐日高、低潮位資料, 數(shù)據(jù)來源于珠江水文年鑒《珠江流域水文資料》, 原始潮位數(shù)據(jù)的高程基面為凍結基面, 本文均統(tǒng)一校正至珠江基面。表1為赤灣站、泗盛圍站及黃埔站的潮位統(tǒng)計量。由表1可知, 赤灣的多年平均潮位為-0.19m, 泗盛圍和黃埔的多年平均潮位基本一致,為-0.02m。赤灣的潮位標準差為0.80m, 小于泗盛圍和黃埔的潮位標準差(分別為0.91m和0.92m), 表明赤灣的潮位變化較泗盛圍和黃埔穩(wěn)定, 而泗盛圍和黃埔的潮位標準差基本相等, 穩(wěn)定性相似。

表1 1990—2016年潮位(相對珠江基面)統(tǒng)計量Tab. 1 Statistics of tidal level data (relative to the Pearl River datum) during 1990-2016

2 研究方法

2.1 分潮振幅梯度和傳播速度計算方法

基于赤灣、泗盛圍及黃埔3個站點的逐日高、低潮位數(shù)據(jù), 采用三角方法(Trigonometric interpolation method)插值為逐時潮位數(shù)據(jù)。采用MATLAB軟件中的T_TIDE工具箱(Pawlowicz et al, 2002)進行潮汐調(diào)和分析得到各主要天文分潮(M2、K1、O1和S2)的振幅和相位, 并在此基礎上計算各主要天文分潮的振幅梯度和傳播速度, 分析潮波傳播特征參數(shù)(振幅梯度和傳播速度)在伶仃洋河口灣(赤灣—泗盛圍)、潮汐通道(泗盛圍—黃埔)和總程(赤灣—泗盛圍—黃埔)的年際變化, 探究近30年來該地貌結構的潮波傳播時空變化特性。

潮波振幅梯度(振幅增大/衰減率)δ的計算公式(Wang et al, 2020)為:

式中: Δx表示伶仃洋河口灣統(tǒng)計站點間的距離,η1和η2分別為河口由口外向內(nèi)傳播所對應兩個潮位站同一分潮的潮波振幅。若δ＞0(即η2-η1＞0), 潮波振幅增加,δ為潮波振幅增大率; 若δ＜0(即 ＜0 ), 潮波振幅減小,δ為潮波振幅衰減率。

各主要分潮的潮波傳播速度c的計算公式(Wang et al, 2020)為:

式中:1φ和 2φ分別表示由口外向內(nèi)對應兩潮位站同一分潮的相位(單位: °),T為不同分潮的周期。

2.2 潮波傳播特征參數(shù)的趨勢性和突變性檢驗方法

本文采用 Mann-Kendall(MK)方法(Kendall,1970)檢驗河口不同區(qū)段(河口灣段、潮汐通道段)及其構成的有機整體(總程)的潮波傳播特征參數(shù)變化趨勢和突變年份。MK方法作為一種非參數(shù)統(tǒng)計方法, 其優(yōu)點在于原始數(shù)據(jù)無需假設為特定分布類型,同時具有較高的準確度(Serrano et al, 1999), 因此該方法在水文時間序列趨勢分析中得到了廣泛應用(Cai et al, 2019; Wang et al, 2020)。

趨勢性檢驗時, 取顯著性水平為0.01, 計算Z統(tǒng)計值(Kendall, 1970)的最小顯著性水平p值, 當p＜0.01時, 認為系列數(shù)據(jù)變化顯著, 反之, 則認為變化不顯著。突變性檢驗時, 計算統(tǒng)計量UF(Kendall, 1970), UF＞0表示時間序列呈上升趨勢,UF＜0則表示時間序列呈下降趨勢, 當UF超過臨界直線時, 表明上升或下降趨勢顯著。將同樣的方法應用到反時間系列中, 得到另一條曲線UB。如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點, 該交點則為突變點。

3 結果分析

3.1 分潮潮波振幅和相位變化

分潮調(diào)和常數(shù)反映了海洋潮汐對相應分潮頻率外力的響應情況, 這種響應決定于海洋本身的動力學性質(zhì)。由于海洋地形環(huán)境的變化十分緩慢,一般海區(qū)的調(diào)和常數(shù)具有一定的穩(wěn)定性, 而對于河口, 其快速的地形變化對潮汐調(diào)和常數(shù)具有較大的影響。近30年來, 珠江“伶仃洋河口灣-虎門-潮汐通道”的地形地貌發(fā)生了顯著變化, 分潮調(diào)和常數(shù)亦有明顯變化。圖2、表2和表3分別為研究區(qū)赤灣站、泗盛圍站和黃埔站各分潮調(diào)和常數(shù)隨時間的變化圖、調(diào)和常數(shù)統(tǒng)計量及其MK趨勢檢驗結果。

由圖2和表2可見, 天文分潮隨時間變化較小(所有潮位站4個分潮中振幅極差的最大值為0.12 m,相位極差的最大值為20°), 但亦有趨勢性變化, 不同站點的調(diào)和常數(shù)變化存在一定差異。半日分潮(M2和S2)從口門外向內(nèi)比重增加, 其中M2分潮振幅在赤灣、泗盛圍、黃埔的平均值分別為0.57m、0.69m、0.71m, 其他分潮振幅平均值基本不變; 相位從口門外向內(nèi)均增加。表3顯示赤灣站的調(diào)和常數(shù)年變化不顯著; 泗盛圍站各分潮振幅呈上升趨勢, 相位則呈下降趨勢, 調(diào)和常數(shù)年變化均顯著, 其中M2分潮振幅每年增大約0.21m, 相位每年下降約0.64°; 黃埔站的半日分潮調(diào)和常數(shù)年變化顯著, 全日分潮(K1和O1)振幅年變化不明顯, 相位年變化顯著。上述結果表明近30年來赤灣站的潮汐動力較泗盛圍站和黃埔站穩(wěn)定。

表3 不同站點主要分潮振幅及相位的MK趨勢檢驗結果Tab. 3 MK trend test results of tidal amplitude and phase for the main tidal constituents at different gauge stations

圖2 赤灣站、泗盛圍站和黃埔站主要天文分潮(M2、S2、K1和O1)的振幅和相位變化圖Fig.2 Temporal variation in amplitude and phase for the main tidal constituents (M2, S2, K1, O1) in CW, SSW and HP gauge stations

表2 1990—2016年不同站點的分潮振幅和相位統(tǒng)計量Tab. 2 Statistics of tidal amplitude and phase during 1990-2016

3.2 分潮振幅梯度和傳播速度的年變化

潮波傳播特征是潮汐動力與地形耦合的結果,為探討“伶仃洋河口灣-虎門-潮汐通道”的潮波傳播特征, 基于分潮調(diào)和常數(shù), 據(jù)式(1)和式(2)分別計算分潮的振幅梯度和傳播速度, 并對不同區(qū)段分潮振幅梯度和傳播速度的年變化趨勢進行分析。統(tǒng)計結果表明(圖3、表4), 相比潮汐通道, 總程的潮波特征參數(shù)逐年變化與伶仃洋河口灣的變化趨勢較相近。M2分潮振幅梯度δ值在總程及伶仃洋河口灣每年各增大約6.83×10-8m-1和8.46×10-8m-1, 傳播速度c值則每年各增加約0.07m·s-1和0.09m·s-1, 表明這兩個區(qū)段的潮波振幅梯度δ值和傳播速度c值均變化顯著。然而在潮汐通道, 除M2分潮傳播速度變化顯著(每年增加約0.03m·s-1)外, 其他分潮的振幅梯度和傳播速度均變化不顯著。這反映了不同區(qū)段分潮的振幅梯度和傳播速度年變化存在異同點。

圖3 不同區(qū)段主要分潮的振幅梯度和傳播速度變化圖Fig.3 Variation of tidal amplitude gradient and wave celerity at different sections

表4 不同區(qū)段主要分潮振幅梯度和傳播速度的MK趨勢檢驗結果Tab. 4 MK trend test results of tidal amplitude gradient and wave celerity for the main tidal constituents at different sections

其中, 全日分潮和半日分潮振幅梯度和傳播速度的年均變化量存在差異。在伶仃洋河口灣, K1、O1分潮的傳播速度年均變化量(約為0.1m·s-1)比M2、S2分潮(約為0.08m·s-1)大; 從年變化的百分比來看,全日分潮振幅梯度和傳播速度(K1和O1分潮的振幅梯度平均每年分別增加9%和18%, 傳播速度每年均增加1.4%)比半日分潮(M2和S2分潮的振幅梯度平均每年分別增加3%和6%, 傳播速度每年分別增加1.1%和1%)大, 表明伶仃洋河口灣區(qū)段的地形窄深化對全日分潮的影響大于半日分潮。這主要是由于全日分潮K1和O1的有效摩擦比半日分潮M2和S2的比重大(Cai et al, 2018), 地形窄深化使有效摩擦減小, 全日分潮K1、O1的有效摩擦減小的比重也會較大, 相應的全日分潮傳播速度增大就更為明顯。此外, 各區(qū)段半日分潮振幅梯度δ值的年均變化量均比全日分潮大。全日分潮在潮汐通道的振幅呈衰減趨勢(δ＜0), K1和O1的年均變化量分別為-6.14×10-9m-1和-8.10×10-9m-1, 表明全日分潮在潮汐通道的振幅衰減效應增強; 而半日分潮的δ值年均變化量均為正值, 表明半日分潮在潮汐通道的振幅梯度呈現(xiàn)增加趨勢, 振幅增大效應增強。

3.3 伶仃洋河口灣和潮汐通道潮波傳播的差異性變化

為分析伶仃洋河口灣和潮汐通道潮波傳播的差異性變化, 首先根據(jù)2.2節(jié)所述方法對總程潮波傳播特征參數(shù)進行趨勢分析及突變檢驗, 進而確定總程潮波傳播的突變年份。根據(jù)圖4所示, 總程M2分潮的振幅梯度和傳播速度的突變點分別為2000年(圖4b)和2008年(圖4d)。將數(shù)據(jù)分為突變前和突變后兩個時段分別進行趨勢分析(圖4a、4c), 得到在突變前潮波振幅梯度和傳播速度的Z值分別為2.65和3.43,突變后這兩個值分別為2.48和3.09。除了振幅梯度突變后的Z值小于2.58外, 其余3個數(shù)值均大于2.58,表明總程潮波振幅梯度在2000年前、傳播速度在2008年前及2008年后均呈現(xiàn)明顯增大趨勢。

圖4 總程M2分潮振幅梯度(a、b)及傳播速度(c、d)的MK檢驗a和c為趨勢分析; b和 d為突變檢驗。黑色虛線表示總程潮波傳播特征值的突變年份; 圖b、d中紫色虛線表示顯著性水平為0.01時的Z值Fig.4MKtestsfortidalamplitude gradient(a, b) and wavecelerity(c,d)ofM2 tide along the channel. The black dashed verticallineindicatestheabrupt year forthe tidal regime shiftfor the wholeestuary

將伶仃洋河口灣的潮波傳播特征參數(shù)值減去潮汐通道相應的參數(shù)值, 所得之差作為這兩個區(qū)段的潮波傳播差異(圖5)。分別把2005年前和2005年后兩區(qū)段潮波傳播特征參數(shù)的差值取平均, 分析突變前和突變后兩者間潮波傳播特征參數(shù)的差異, 結果如表5所示。根據(jù)結果顯示, 2005年后M2、K1、O1和S2的δ差值分別是2005年前的1.59倍、1.31倍、1.58倍和1.62倍; 全日分潮K1和O1的c差值接近2005年前的2倍(K1為2.11倍、O1為1.93倍), 半日分潮M2和S2的c差值則達到2005年前的3～6倍(M2為3.18倍、S2為5.93倍)。這表明該河口潮波傳播具有典型的時空變化特征, 表現(xiàn)為時間上存在突變點, 空間上存在河口灣與潮汐通道的差異, 且差異在逐年增大。

表5 2005年前、后不同區(qū)段間潮波振幅梯度和傳播速度的平均差值Tab. 5 Averaged difference of tidal amplitude gradient and wave celerity between two sections before and after 2005

圖5 伶仃洋河口灣與潮汐通道潮波振幅梯度(a)和傳播速度(b)的差值逐年變化黑色虛線表示兩區(qū)段間分潮振幅梯度(或傳播速度)差值的突變年份(2005年)Fig.5 Temporal difference of tidal amplitude gradient (a) and wave celerity (b) between two sections. The black dashed vertical line indicates the year of the abrupt difference in tidal amplitude gradient (or wave velocity) between the two sections

4 討論

4.1 伶仃洋河口灣和潮汐通道潮波傳播的異變

潮波傳播特征參數(shù)的時空變化表明伶仃洋河口潮波傳播具有典型的時空變化特性。由于伶仃洋河口灣和虎門內(nèi)潮汐通道的進潮總量均顯著大于下泄徑流量(鄧俊杰 等, 2009), 因此徑流對總程潮波傳播的影響相對較小, 但對上游黃埔站的潮波傳播特性仍有一定影響。潮波傳播的變形受河口地形的影響較為顯著, 河口不同區(qū)段的地形變化(包括河寬輻聚快慢及水深變化)差異對伶仃洋河口灣和潮汐通道的潮波傳播具有不同的影響, 主要體現(xiàn)在其演變趨勢及突變點。以M2分潮及其傳播速度為例, 圖6顯示兩個區(qū)段的傳播速度年際變化趨勢及其MK突變性檢驗。根據(jù)2.2節(jié)所述方法對兩區(qū)段的傳播速度c進行趨勢分析, 取顯著性水平為0.01。經(jīng)計算, 河口灣和潮汐通道傳播速度c數(shù)據(jù)系列的Z值分別為5.09和3.46,Z值均大于2.58, 表明兩區(qū)段的M2分潮傳播速度均呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(圖6a、6c)。

M2分潮傳播速度在兩區(qū)段的突變點分別為2009年(圖6b)和2000年(圖6d)。2009年, M2分潮傳播速度在伶仃洋河口灣發(fā)生突變, 在潮汐通道卻沒有達到突變點, 但發(fā)生了異于相鄰年份的情況。計算并分析兩個區(qū)段的M2分潮傳播速度在突變前和突變后的Z值, 結果顯示在伶仃洋河口灣突變前、后分別為2.38和2.84, 突變后的Z值大于2.58, 表明伶仃洋河口灣M2分潮的傳播速度突變后呈現(xiàn)明顯的增大趨勢; 潮汐通道的Z值在突變前和突變后分別為0和0.86, 均小于2.58, 表明潮汐通道M2分潮的傳播速度在突變前、后均呈現(xiàn)不明顯的增大趨勢。相比突變前, 伶仃洋河口灣M2、K1、O1和S2分潮的傳播速度平均值在突變后分別增加了18%、24%、24%和17%; 在潮汐通道, 突變后這4個分潮的傳播速度平均值則分別增加了10%、10%、13%和6%(表6)。兩區(qū)段分潮傳播速度的增大與研究時段內(nèi)各區(qū)段的水深增加、納潮容積增大及潮汐動力增強有關(Cai et al, 2018)。

表6 不同區(qū)段潮波振幅梯度和傳播速度突變前、后的變化Tab. 6 Alterations in tidal amplitude gradient and wave celerity at different sections before and after the abrupt change year

圖6 伶仃洋河口灣(a、b)和潮汐通道(c、d)M2分潮傳播速度的MK檢驗a和c為趨勢分析; b和d為突變檢驗。黑色虛線表示相應的突變年份; 圖b和d中的紫色虛線表示顯著性水平為0.01是的Z值; 圖c中紅色虛線框表示潮汐通道的異變點, 紅色粗虛線表示潮汐通道的異變年份Fig.6 MK tests for wave celerity of M2 tide at Lingdingyang Bay (a, b) and tidal channel (c, d). The black dashed vertical line indicates the abrupt change year. The red dashed box indicates the Change-points of the tidal channel.

表7 伶仃洋河口灣和潮汐通道地形參數(shù)變化Tab. 7 Topographic variation of Lingdingyang Bay and tidal channel

總體來看, 潮波在“伶仃洋河口灣-虎門-潮汐通道”地貌結構中的傳播, 因不同區(qū)段的地形特征不同, 其演變存在明顯的時空差異性。就突變前、后分潮潮波傳播速度增大比例來看, 伶仃洋河口灣大于潮汐通道, 這是因為河口灣趨于窄深化, 水深增幅較大, 特別是深槽水深的增幅更大; 而從突變后分潮潮波傳播速度標準差來看, 潮汐通道大于伶仃洋河口灣, 表明潮波在潮汐通道的波動性較大。這與潮波在傳播過程中的地形特征有關, 即受河道輻聚和河道摩擦的非線性作用, 潮波發(fā)生變形。相比伶仃洋河口灣, 這種影響在潮汐通道更為顯著, 潮汐通道的潮波傳播還受河網(wǎng)分汊的影響。

4.2 伶仃洋河口灣和潮汐通道傳播速度與振幅梯度關系演變

河口地形變化對潮波傳播時空演變的影響還可通過其傳播速度與振幅梯度之間關系的演變來定量研究。根據(jù)Savenije等(2005)提出的河口潮波傳播速度計算公式(Savenije et al, 2005), 可得傳播速度的平方與振幅梯度的關系式:

式中:α、β和γ均為待定回歸系數(shù)。

圖7為伶仃洋河口灣和潮汐通道M2分潮的c2與δ關系在突變前后的變化。結果表明, 河口灣與潮汐通道存在兩種不同的模式, 在伶仃洋河口灣M2分潮的c2隨δ單調(diào)遞增(圖7a), 而在潮汐通道則存在δ臨界值和單調(diào)區(qū)間(圖7b)。潮波突變后, 兩個區(qū)段中c2與δ的關系均發(fā)生明顯變化。在伶仃洋河口灣, 潮波突變后,c2與δ均明顯增大, 且隨δ的增大,c2速率增加亦有所加快。對于潮汐通道, 潮波突變前, M2分潮δ值的臨界值為0.29×10-6m-1, 此時c2取得最大值44.48m2·s-2, 即c取得最大值6.67m·s-1; 當其δ值小于這個臨界值時,c2隨δ單調(diào)遞增, 大于這個臨界值時則單調(diào)遞減。潮波突變后,潮汐通道中M2分潮δ值的臨界值為1.19×10-6m-1,此時c2取得最小值51.53m2·s-2, 即c取得最小值7.16m·s-1。這種振幅梯度與傳播速度關系的演變主要受河道地形異變控制。伶仃洋河口灣水域面積在1998年至2016年間減小了約5%, 其中0～5m水深變化較小, 水深在5～10m之間的水域面積減小了約11%, 2016年10m以上的水域面積是1998年的2.78倍。這表明強烈的人類活動驅(qū)動下, 河口灣的納潮容積大幅增加, 增大了約23%, 從而導致潮汐動力增強, 潮波傳播速度和振幅梯度明顯增加(Zhang et al, 2015)?；㈤T潮汐通道的潮波振幅、傳播速度與潮汐通道的河寬輻聚或輻散、水深變化及河網(wǎng)分汊三要素有關, 是三要素協(xié)同作用的結果, 使潮波傳播速度與振幅的關系變化存在閾值或臨界值, 但其具體的影響過程和機制仍有待深入研究。

圖7 M2分潮傳播速度的平方c2與振幅梯度δ的擬合關系及其變化Fig.7 Evolution of the relationship between the square of wave celerity c2 and tidal amplitude gradient δ for the M2 tide

5 結論

本文基于珠江“伶仃洋河口灣-虎門-潮汐通道”沿程赤灣、泗盛圍和黃埔3個潮位站1990—2016年的逐日高、低潮位數(shù)據(jù)分析, 采用三角方法插值得到逐時潮位序列?；诮?jīng)典調(diào)和分析方法T_TIDE分解出主要天文分潮的調(diào)和常數(shù), 對伶仃洋河口灣、潮汐通道和總程各主要天文分潮的振幅梯度和傳播速度進行了統(tǒng)計分析, 結合地形特征, 探討了不同區(qū)段主要分潮傳播特性的時空演變, 以及不同區(qū)段因地形特征不同而引起的地貌動力差異, 獲得如下主要結論:

1) 全日分潮振幅梯度和傳播速度的年變化率均比半日分潮大。K1和O1分潮的振幅梯度平均每年分別增加9%和18%, 而M2和S2分潮平均每年分別增加3%和6%; K1和O1分潮的傳播速度每年均增加1.4%, 而M2和S2分潮每年均增加1%。

2) 伶仃洋河口灣段和潮汐通道段的潮波傳播特性差異增大。伶仃洋河口灣段和潮汐通道段的潮波傳播特征參數(shù)的差值在2005年后明顯增大, 表明突變后兩區(qū)段的潮波傳播特性差異逐年增大, 其中2005年后不同分潮的振幅梯度約是2005年前的1.3～1.6倍, 傳播速度則約是之前的2～6倍。

3) 在強烈人類活動引起的地形異變條件下,伶仃洋河口灣和潮汐通道的M2分潮傳播速度發(fā)生突變, 其突變年份分別為2009年和2000年。突變后, 各分潮傳播速度均增大, 其中伶仃洋河口灣M2、K1、O1、S2分潮的傳播速度平均值在突變后依次增加了18%、24%、24%、17%, 潮汐通道M2、K1、O1、S2分潮的傳播速度平均值在突變后依次增加了10%、10%、13%、6%。

4) 傳播速度與振幅梯度的關系分析表明, 伶仃洋河口灣和潮汐通道的c2-δ關系存在差異, 河口灣M2分潮的c2隨δ單調(diào)遞增, 潮汐通道則因河寬輻散、水深變化及河網(wǎng)分汊等復雜因子間的耦合影響而使δ存在臨界值和單調(diào)區(qū)間, 但對于其具體的物理過程及機制還有待進一步研究。潮波突變后, 受河道窄深化影響, 兩個區(qū)段的c2-δ關系均發(fā)生明顯變化。