珠江三角洲西、北江干流水道水沙净输运机制分析

2019-02-28 06:31

人民珠江 2019年2期

(广东省水文局佛山水文分局，广东佛山528000)

珠江三角洲西、北江干流水道位于珠江三角洲河网区顶端，是三角洲主要的输水输沙通道，该区域洪潮交叠、海陆交汇，水流特性复杂，分析区域内水沙输运机制对河口物质输移、水动力特征及河床演变的研究具有一定意义。河口水沙输运通量及机理分析，我国学者已开展了大量研究。王康墡、苏纪兰[1]运用机制分解法对长江口南港的悬移质输运进行分析，认为研究区域的悬沙输运主控因子是平均流、斯托克斯效应和陷捕效应；时伟荣等[2]运用通量分解方法分析长江口最大浑浊带形成机制；沈健等[3]运用机制分解法对长江口最大浑浊带进行成因分析，斯托克斯漂流和潮汐捕集在南槽占优势，平流输沙和垂向环流在北港占优势；刘高峰等[4]根据长江河口洪水期实测资料，研究涨落潮期间水沙输运机制，探讨不同分解项对泥沙输运的作用；高建华等[5]通过对长江口南港水动力特征及悬沙净输运进行分析，探讨长江口悬沙输运的主要动力机制及输运方向；陈子燊[6]采用伶仃洋铜鼓水域实测资料，利用单宽物质通量分解计算其水沙输运，结果显示铜鼓水域表层余流向海，浅滩中低层余流指向河口。这些研究为河口水沙特性分析提供了重要参考。目前，水沙输运分析研究区域主要集中在长江口，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输运机制分析。

珠江三角洲西、北江干流水道上部由思贤滘相连，下游河道不断分流、相互连通，形成水网密集的三角洲河口区。西江干流水道全长约57 km，多年平均流量为7 140 m3/s,多年平均输沙率为1 870 kg/s；北江干流水道全长约24 km，多年平均流量为1 510 m3/s，多年平均输沙量为268 kg/s。西、北江干流水道的潮汐类型属于不正规混合半日周潮，涨潮平均潮差在0.50～0.75 m之间。本文研究区域为西江干流水道马口至天河段，北江干流水道三水至三多段，利用研究区域枯季实测数据，采用机制分解法对悬沙输运机制进行分析，研究水沙输运的控制因素。

1 研究方法及资料处理

本文收集了2016年枯季大、小潮期间西、北江干流水道上、下游6个断面(图1)逐时的水深、流速、悬移质含沙量数据。流速和悬移质含沙量采用代表线6点法施测(分别测量相对水深0.0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、1.0H处，0.0H为河底以上0.5 m处，1.0H为水面以下0.5 m处)。测验期间西、北江干流水道控制站马口、三水站的平均流量分别为3 760 、922 m3/s，接近近5 a同期平均流量，观测断面分布于西、北江干流水道上下游，观测项目包含垂向各层的流速、含沙量情况，具有较好的枯季区域代表性。

本文对实测数据进行物质输移量分解，分别计算大小潮周期各个观测断面的余流值及悬移质含沙量输运分解项。实测数据显示，各断面流速以往复流为主，因此，采用测点瞬时流速平行河道方向分量进行余流和物质通量计算，为对河道主流代表线作单宽水流、悬沙分析。对瞬时物质输移量进行拆解[3,7-9]，令纵向输移为x，时间变化为t，相对水深为z，z的变化为0～h。如不考虑水流的波动的影响，则瞬时流速u(x，z，t)可以分解成垂向平均量项及其偏差项之和，垂向平均量项及其偏差项又可分为潮平均量和潮变化量之和，即：

图1 西、北江干流水道及观测站点分布

(1)

同理含沙量可表示为：

(2)

h(x,t)=h0+ht

(3)

式(1)—(3)为流速分解项。

沿河道轴线单宽潮平均输水量为：

(4)

欧拉余流是指水流去除周期性潮流后的剩余部分，包含风海流、密度流、径流等，一般径流越丰富，余流值越大[10]。斯托克斯漂移是指水质点受潮波影响完成周期性运动后，与原起点产生的位移量，其数值体现了水位和水流变化量的相关性[11]。

河口的单宽悬沙输移量主要可以分解为8个通量项：

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

(5)

式中T1——欧拉余流悬沙输移；T2——潮汐潮流相关项，也称为斯托克斯漂移输运；T1+T2——平流输运，即由潮周期平均水体流动产生的悬沙输运；T3——潮汐与悬沙含沙量的潮变化项；T4——含沙量与潮流场的变化量，称为潮汐捕集作用，T3～T4——源于垂向平均流速、悬沙、水深变化之间的相位差，为涨落潮过程中水体与底部泥沙之间交换而产生的净输沙，称为潮抽吸输运；T5——垂向流速与悬沙变化相关项，与河口层化强度密切相关[12]，反映垂向净环流产生的悬沙输运；T6～T7——源于潮周期内速度剖面和悬沙剖面之间的差别，表示时均与潮振动引起的剪切扩散项；T8——垂向潮振动切变项，与含沙量及流速的垂向梯度相关。

2 结果分析

2.1 余流分析

各断面余流计算值见表1、图2。欧拉余流为断面扣除周期性的潮流后非周期性流的总和,在西、北江干流水道主要与径流相关。斯托克斯漂流与潮流波浪相关，从计算结果而言：欧拉余流远大于斯托克斯漂流，表明西、北江干流水道受径流影响程度远超过受潮流影响。各断面欧拉余流均为正值，其分布呈现西江干流大于北江干流,上游大于下游的特点；斯托克斯漂流分布则相反，表明北江干流受潮流影响超过西江干流。两条水道自上而下，径流影响减弱，潮流影响增强，与河道分汊和接近口门有关。欧拉余流和斯托克斯漂流也反映了西、北江干流水道径流和潮流相互影响、相互消长的关系。

表1 不同潮次各站余流值

注：正值为垂直断面向下游方向，负值反之

a) 欧拉余流

b) 斯托克斯漂流图2 不同潮次各站余流示意

2.2 悬沙净输运分析

各断面悬移质含沙量输运分解项见表2。从计算结果分析，T1代表的欧拉余流悬沙输移为最主要的影响因素，T2、T3、T5对悬沙输移也有一定影响。

平流输沙包括T1和T2。西、北江干流水道平均流引起的净输沙向下游输运，其分布与净输水分布相似。从上游向下游，平流输沙量逐渐减小，西江干流平流输沙量大于北江干流。同时，平流输沙量与河道水深相关(图3)。T1代表的欧拉余流输沙在输沙影响因子中占绝对优势；T2代表的斯托克斯漂移输沙向上游输运，与T1相反，对平流输沙存在抑制作用。研究区域潮汐与潮流存在1/4个周期的相位差，T2在潮汐和潮流相对周期均值偏移最大时作用最强，如高高潮、低低潮附近。从平面分布而言，北江干流T2大于西江干流，与区域含沙量分布相似(详见图4)，说明T2减少泥沙向下游输运。

研究区域的潮抽吸效应引起的净输沙向上游输运，包括T3和T4。潮汐与悬沙量的潮变化相关项T3数值较大，向上游输运，表明研究区域内潮汐与含沙量变化相位差较小，存在相关性。从平面分布而言，北江干流大潮期潮汐与含沙量相关性最大。潮汐捕集输沙T4向下游输运，受潮汐和潮流的相位差影响，T4对悬沙输运贡献并不明显。

垂向净环流输沙T5向上游输运，与盐淡水密度流有关，西江干流中径流分量大，盐淡水分层明显，T5贡献较大，部分河段垂向净环流的影响超过斯托克斯漂流，北江干流潮流作用大，垂向混合较均匀，垂向净环流输沙较弱。

其他输运项：T6、T7为剪切扩散项，T8为垂向潮振动切变项，数值小，对悬沙输移贡献较弱。