西江感潮河道(马口—磨刀门)的潮波传播特征研究.pdf
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1、基于 20152017 年梧州站逐日流量时间序列,应用一维、二维耦合数值模型,并考虑曼宁系数的洪枯季变化,模拟了西江感潮河道(马口磨刀门)潮位的时空变化,研究了潮波从河口向河道上游传播过程中的潮波变形特征、潮位极值点的时空分布以及潮差的沿程衰减特征。结果表明,河道水位受径流影响有明显的洪枯季特征;日均水位呈现大小潮期间的半月周期变化,半月变化沿河道上溯逐渐增大,说明外海潮波以一种半月低频分潮的形式向河道上游传播;受径流影响,潮汐不对称特征越往上游越明显,涨潮历时和落潮历时的差异往上游递增。各个水文站的极值潮位受径流影响往上游呈递增趋势,且在外海潮汐的作用下多发生在大潮期间。河道内潮差从下游往上
2、游呈递减趋势,季节差异显著,下游的灯笼山和三灶站有明显的半年周期特征。关键词:潮波传播;径潮作用;极值潮位;潮差 中图分类号:P731.23 文献标识码:A 文章编号:1009-5470(2023)04-0047-16 Investigation into the tidal propagation features along the tidal reach of the West River(Makou Modaomen)WU Jiaxing1,2,3,WANG Haocheng1,2,3,ZHANG Lu1,2,3,ZHANG Zhuo1,2,3,CHEN Peng1,2,3,LI Yu
3、ting1,2,3 1.Key Laboratory of Virtual Geographic Environment,Nanjing Normal University,Nanjing 210023,China;2.Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application,Nanjing 210023,China;3.Jiangsu Key Laboratory for Numerical Simulation of Large S
4、cale Complex Systems,Nanjing 210023,China Abstract:Based on the daily river discharge time series of Wuzhou station from 2015 to 2017,the spatial and temporal variations of tide levels along the tidal reach of the West River(Makou Modaomen)were simulated by applying a one-two dimensional coupled num
5、erical model,and considering the flood and dry season variation of Mannings coefficient.During the propagation of tidal waves from the estuary to the upstream of the river,the deformation characteristics of tidal waves,the spatial and temporal distribution of tidal extreme levels and the tide range
6、attenuation characteristics of river were studied.The results show that the water level of the river is influenced by river discharge with obvious characteristics of flood and dry seasons;the daily average water level shows semimonthly cycle variation during spring and neap tide,and the semimonthly
7、variation gradually increases along the upstream of the river,indicating that the ocean tidal waves propagate upstream of the river in the form of a semimonthly low-frequency tidal constituent;the tidal asymmetry is more and more obvious upstream due to the influence of river discharge,and the diffe
8、rence between the flood tide calendar time and ebb tide calendar time increases upstream.The extreme tide level at each hydrographic station tends to increase upstream due to the influence of river discharge,and occurs mostly during spring tide due to the action of the ocean tide.The tide range 收稿日期
9、:2022-08-03;修订日期:2022-09-16。姚衍桃编辑 基金项目:水利部水旱灾害防御重点实验室开放基金(KYFB202112010704);国家自然科学基金(42171465)作者简介:武家兴(1996),男,安徽省肥西县人,硕士研究生,从事河口海岸动力学研究。email:W 通信作者:张卓。email:M Received date:2022-08-03;Revised date:2022-09-16.Editor:YAO Yantao Foundation item:Open Fund of Key Laboratory of Water and Drought Disaste
10、r Defense,Ministry of Water Resources(KYFB202112010704);National Natural Science Foundation of China(42171465)Corresponding author:ZHANG Zhuo.email:M 48 热 带 海 洋 学 报 Vol.42,No.4/Jul.,2023 1 in the river channel tends to decrease from downstream to upstream,and the seasonal difference is significant,a
11、nd the downstream stations of Denglongshan and Sanzao have obvious characteristics of semi-annual cycle.Key words:tidal propagation;river-tide interaction;extreme tidal level;tidal range 感潮河段位于海陆交汇处,河流中的水主要是由上游径流的淡水和下游海洋潮流中的咸水组成(路川藤,2009),受潮汐影响,其水动力变化过程比一般内陆河流更加复杂。潮波从外海进入河口向上游传播时不仅受到径流和海洋潮汐的共同作用,也受到
12、河道地形的影响(张赛赛,2019)。深入研究分析感潮河段潮波传播的规律性,对防洪规划、航运交通、盐水入侵等与人类密切相关的活动有着重要的影响和意义。近些年来,众多学者通过小波分析(Guo et al,2015;秦莉真 等,2019;袁小婷,2019)、调和分析(杨正东 等,2012;郭磊城 等,2017)、数值模拟(龚文平 等,2012;蒋陈娟 等,2020;宋云平 等,2021)和解析模型(Cai et al,2012;Cai et al,2015)等方法探究潮波的传播特征。研究主要集中在潮位时空变化(王文才 等,2017;唐启邦 等,2020;马玉婷 等,2022)、潮波变形特征(王彪 等
13、,2011;童朝锋 等,2020)、极值潮位时空分布(袁小婷,2019)、潮差变化(宋永港 等,2011;张先毅 等,2020;杨易 等,2021)、余水位时空变化(蔡华阳 等,2018;宋云平 等,2021;杨易 等,2021)和潮汐振幅(袁小婷 等,2019;谢梅芳 等,2021)等方面。部分学者在此基础上还讨论了径流等因素对潮波传播的影响(Jay et al,1997;路川藤 等,2010;Cai et al,2012;Jay et al,2015;郭磊城 等,2017;黄竞争 等,2020;杨昊 等,2020)。此外,研究发现感潮河段潮波中存在显著的低频分潮(Guo et al,201
14、5;Cao et al,2020),河口上游大潮期间平均水位比小潮期间高(Sassi et al,2013;Luo et al,2020),潮波传播有明显的洪枯季和大小潮变化,这些现象均与径潮相互作用有关(Sassi et al,2013;Cai et al,2015;欧素英 等,2016;欧素英 等,2017),但同样不可忽略地形对潮波传播的影响(蒋陈娟 等,2020;张先毅 等,2020)。西江梧州站至磨刀门河口是典型的感潮河段,同时作为珠三角入海径流量和输沙量最大的河口,是珠江河口最主要的泄洪和取水通道(杨昊 等,2020)。目前,已有学者对该河段进行了研究,发现磨刀门河口上游的水位下降
15、幅度明显大于下游(洪鹏锋 等,2019;唐启邦 等,2020);河口水位呈现出明显的阶段性演变与季节性变化(马玉婷 等,2022),地形和海平面边界对日均水位的影响大于上游水库的调蓄作用(黄竞争 等,2020);汛期时,上游水位显著增加,而在下游则不明显,而且上游大潮期间的水位高于小潮期间的水位(Cao et al,2020)。虽然西江感潮河道的研究不少,但多数是基于实测数据的分析(张先毅 等,2020;马玉婷 等,2022),时空分辨率不够高;而且大多数的数值模型也未考虑曼宁系数的洪枯季变化,故未建立曼宁系数与径流的相关关系,导致模拟潮位难以体现洪枯季特征,以及与径流的相关性;另外,与地形和
16、径潮作用直接相关的潮波传播特征还有待进一步深入研究。为弥补观测资料时空分布不足的缺陷,本文基于率定曼宁系数后的一维、二维耦合数值模型,模拟得到了西江感潮河道(马口磨刀门)的 3 年逐时潮位变化,经过率定和验证以后,分析潮波传播特征,继而探究磨刀门河口低频分潮的变化对潮波传播的影响,以及极值潮位的时空分布规律等。这将对西江感潮河道乃至整个珠江河网的潮波研究及防洪规划具有重要的意义。1 研究区域概况 西江感潮河道通常是指广西梧州至磨刀门入海口这一河段,河长约 208km,平均坡降约 0.086。潮波传播及潮位变化受上游径流、下游潮汐和地形变化等因素共同影响(图 1)。一般认为,该河段的潮区界在梧州
17、下游的肇庆德庆至高要之间,并随季节变化。梧州站作为上游流量控制站,其流量洪枯季节变化显著。入海口磨刀门多年平均径流量为 923 亿 m3,位居珠江八大口门之首,磨刀门潮汐属于不正规半日潮,是典型的河优型河口。本文的研究区域主要在马口下游河段,因此选取马口、高明、甘竹、天河、百顷头、竹银、灯笼山和三灶 8 个水文站为研究潮波传播的主要站点,分析潮波传播特征。2 研究方法 2.1 数据 数据主要为:20152017 年逐时外海潮位数据,由全球潮汐预报模型(Padman et al,2005)提供;20152017 年梧州站逐日实测径流数据,来源于中国水利部水文局编著的珠江流域水文年鉴;1999 年
18、 7 月洪季水文资料,包括马口、南华、天河、竹洲、睦州、百顷、竹银和灯笼山站的潮位数据;2001 年 2 月枯季水文资料,包括南华、天河、竹洲、睦州和灯笼山站武家兴等:西江感潮河道(马口磨刀门)的潮波传播特征研究 49 1 的潮位数据;高要至磨刀门及近海区域的实测水深地形(基准面为 1985 国家高程基准);部分珠江干流地形数据由测图补充,来源于珠江口水流泥沙运动模拟研究(杨明远 等,2008);西江河道梧州至高要河段,参考 Paiva 等(2011)提出的回归分析方法并结合实际坡降构建的河道 DEM(digital elevation model);陆地区域 DEM 采用 GDEM V3 版
19、 30m 数据,来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http:/)。完整的珠江口数字高程模型见图 2。图 1 研究区域及测站位置 该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为 GS(2019)4342号的标准地图制作 Fig.1 Study area and station locations 图 2 珠江口数字高程模型 该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为 GS(2019)4342号的标准地图制作 Fig.2 The digital elevation model of the Pearl River Estuary 2.2 模式介绍与设置
20、当实测资料的数据量不够时,采用数值模拟来补充数据是目前国内外流行的研究方法,众多学者通过建立一维、二维耦合模型(赖锡军 等,2008;李传奇 等,2010;张大伟 等,2010;周倩倩 等,2019),获得了理想的模拟结果。50 热 带 海 洋 学 报 Vol.42,No.4/Jul.,2023 1 计算软件采用 HEC-RAS,该软件由美国工程兵水文中心开发,采用质量守恒的有限体积法且支持一维、二维耦合计算(Brunner et al,2016),是一款应用于水动力模型的软件。它主要有恒定流模拟、非恒定流模拟、泥沙运输计算和水质传输分析四大功能,并且在模型的构建中,可以添加桥梁、涵洞、水库、
21、堰坝、河堤等阻水建筑物,能够较好地实现水动力模拟,具有出色的计算功能且效率较高,已在世界范围内得到广泛应用。本文的模型范围如图 3 所示,包括西江梧州到磨刀门口门的河道和外海区域。在河道内采用一维模型,外海区域采用二维模型。根据前人的研究(杨明远 等,2008),将模型上游边界设置在西江梧州,采用 20152017 年梧州站实测径流数据作为上游流量边界条件,下游边界取在磨刀门口门外约 25km、平均水深约为 28m的南海海域,以全球潮汐预报模型提供的潮位作为下游潮位边界,东西方向设置出流边界。考虑到实际径流的出流情况,在南华和睦州附近设置支流的汇出边界。模型构建时,坡降和水深由实际地形决定,计
22、算时间步长设置为 10min,采用三次样条插值的方法将梧州站径流量由逐日数据插值成逐时数据。模型计算断面及网格如图 3 所示,一维模型区域共有 328 个横断面,断面长度为 2000m,断面间距为1500m,局部区域根据实际地形变化,进行加密、加长处理。二维模型区域主要采用矩形网格,在边界处采用不规则多边形网格,网格数为 14626个,网格节点数为 14483 个,平均每一个小网格的面积为 200m2。一维模型和二维模型边界重合,采用水位相等及流量守恒原则将两个模型耦合(Brunner et al,2016)。图 3 模型计算断面及网格 a.一维区域局部图;b.二维区域局部图。该图基于国家测绘
23、地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为 GS(2019)4342号的标准地图制作 Fig.3 Model calculation section and grid.(a)Partial view of 1D area;(b)partial view of 2D area 水动力模型中的主要率定参数是曼宁系数,代表水流运动过程中受到的阻力效应。一般认为,曼宁系数受河床粗糙度和河床深度的影响。河床一般分为主槽和岸滩,因此在设置曼宁系数时,一维模型按照左岸、主河道、右岸的顺序设置横断面的曼宁系数 n,二维模型则按区域设置。一维非稳定流模拟是根据质量守恒原理和动量守恒原理进行计算的,具体公式如下:1
24、AQqtx+=(1)()sf0VQZQgAStxx+=(2)式中:A为河道过横断面的流量面积;t为计算时间;Q为流量;x 为沿河道计算的长度;q1为单位长度侧向流量;V 为流速;g 为重力加速度;Zs为水面高程;Sf为摩擦坡度。其中,摩擦坡度作为影响潮位的关键因素,明显受到曼宁系数的影响,如公式(3)所示:2f4/322.208Q Q nSRA=(3)式中:n 为曼宁系数;R 为水动力半径。曼宁系数代表武家兴等:西江感潮河道(马口磨刀门)的潮波传播特征研究 51 1 了河道中的流动阻力,Jarrett(1984)根据野外实测数据,利用回归分析的方法建立了如下主河道的曼宁系数方程:0.380.1
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