西北江三角洲河床变化对咸潮上溯影响的数值模拟研究

为研究西北江三角洲河床变化及其与咸潮上溯关系,收集整理以往研究成果资料与水文气象、河道地形数据的基础上,建立一维非恒定流含氯度数学模型,水动力和含氯度验证结果均满足相关规范要求,可以用于计算分析河床变化对咸潮上溯的影响。研究结果表明:①1999—2016年,西北江三角洲网河区河床处于不均匀下切状态,河道容积持续增大,导致河口涨落潮阻力减小,高盐水团沿河口上溯更为简单,咸潮上溯情势日益严峻;②各口门站的涨潮量增加,咸界上移取淡机率降低,思贤滘不同来流条件下,磨刀门水道咸界平均上移3735 m,平岗泵站的取淡机率平均减少5.33%,沙湾水道咸界平均上移2369 m,沙湾第一水厂取淡机率平均减少5.14%,严重影响河口地区的生态系统以及正常取水需求。研究结果可以为西北江三角洲及河口地区的供水安全保障措施研究及工程设计提供基础支撑。

磨刀门咸潮上溯对河口拦门沙地形变化的响应研究

采用磨刀门河口拦门沙地形变化前后的2005年和2020年实测地形资料,基于FVCOM三维数值模型,对比分析了咸潮上溯对河口拦门沙地形变化的响应,并探讨了拦门沙萎缩对盐分输运的影响机制。结果表明:拦门沙萎缩导致磨刀门水道各取水口表、底层盐度差增大,水体层化程度增强,下游至上游层化增强程度逐渐减小,广昌泵站势能异常最大值增大25.2 J/m^(3),马角水闸、平岗泵站、竹洲头泵站分别增大8.3、2.9、0.2 J/m^(3);拦门沙萎缩后未改变磨刀门水道咸潮上溯规律,半月潮周期盐度峰值依然出现在小潮后的中潮期;拦门沙对咸潮上溯有较大阻碍作用,底层15 psu等盐度线最大上溯距离向陆推进5.1 km,对于取水更为重要的表层0.5 psu等盐度线最大上溯距离向陆推进2.9 km;稳定剪切盐通量显著增大是拦门沙萎缩后咸潮上溯加剧的主要原因,并叠加潮汐震荡盐通量增大的影响。

西北江径流量变化对感潮河口咸潮上溯的影响

近年来,珠江三角洲地区咸潮灾害频发,区域供水安全受到威胁,快速、准确地预测咸潮上溯距离对潮汐影响河段取水口优化布置具有重要意义。基于盐度对流扩散方程,推求河口咸潮上溯距离与径流的理论关系并通过构建珠江口水动力-盐度模型,分析咸潮上溯对径流变化的响应特征,提出磨刀门咸潮上溯距离与径流响应模型,继而比较不同咸潮上溯半经验模型在相同水文条件下的应用差异性,评估不同预测模型在磨刀门的适用性。结果表明:在不同的流量动力组合下,珠江口咸界均呈现S形分布特征。咸潮上溯距离L与上游径流量Q在理论上呈现幂指函数关系,利用半经验模型预测磨刀门的咸潮上溯距离是可行的。Savenije模型和L-Q响应模型较好地考虑了实际地形和动力特征的影响,并且模型的计算精度和效率高,可实现磨刀门咸潮上溯距离的快速预测。

珠江河口地形变化对咸潮上溯影响的定量化研究

近年来珠江河口咸潮上溯呈加剧趋势,流域供水安全威胁日益增大。聚焦网河区河床下切、磨刀门河口拦门沙萎缩、伶仃洋河口湾中滩下切等珠江河口三大地形变化,分析珠江河口地形变化对咸潮上溯的定量化影响。研究发现:相较1999年,2016年左右网河区河床地形下,磨刀门水道0.5‰盐度咸界上溯距离增加了2.79 km;2020年拦门沙萎缩后磨刀门水道0.5‰盐度咸界上溯最远距离增加了5.3 km;伶仃洋中滩下切主要对东江三角洲、广州片区河道、蕉门上游和洪奇门上游河道的咸潮造成一定影响,但咸界上移距离有限。综合3种地形变化影响,珠江三角洲各河道内咸潮上溯距离均有不同程度增加,其中磨刀门水道咸界上移距离最大,达8.92 km;沙湾水道、顺德水道—洪奇门沿线咸界分别上移2.81 km和2.02 km;其他河道咸界上移1.02~1.85 km。研究可为珠江河口咸潮防控和流域供水安全保障提供一定参考。

珠江磨刀门水道咸潮上溯加剧的原因

对磨刀门水道不同年份地形资料和多年枯季潮位资料进行了对比分析,结果表明：大规模的河床采砂,引起磨刀门上游河段河床大幅下切,河道深泓平均加深0.59~2.25 m,河槽容积平均增加8.91×106~12.11×106m3,使该河段枯季潮差增大,进潮量增加,潮汐动力增强,导致咸水界向上游河段推移;口门围垦整治后,磨刀门口门区由众多岛屿环抱而成的内海区变成人工导堤控制的＂一主一支＂两条水道,水域面积减少了80%,河槽容积减少了40%,深槽趋于顺直加深,使口门区的＂调淡＂作用消失,这是咸潮上溯的重要原因;根据多年水文频率分析,发生严重咸潮灾害时,西、北江枯季流量并非都是枯水流量,因此枯季上游来水量变化并不是近年来咸潮灾害加剧的主要原因。

珠江口咸潮上溯的环境影响研究

针对珠江口近20多年来咸潮超常上溯的情况,通过现场调查监测及与文献资料对比,研究了咸潮上溯对河口区河道水质、地下水水质、土壤和植物生态的影响,结果表明,咸潮上溯抑制河道水体中铵盐的硝化作用,并导致咸潮入侵河段溶解氧(DO)含量增加;珠江西四口门各入海河道上游优势植物群落已由喜淡水植物变为广适性植物.由于受堤围和水闸控制,咸潮上溯的环境影响主要发生在入海主河道,河口区河涌水质与陆地植被、地下水及农业土壤基本未受咸潮上溯的影响.

珠江河口枯季咸潮上溯特征与机制分析

以珠江河口磨刀门和伶仃洋为代表,通过实测资料分析和数值模拟相结合的方法,对珠江河口枯季咸潮上溯特征和机制进行系统的研究分析。结果表明:在整个珠江河口,咸潮上溯主要通过底层入侵河道,而淡水主要通过表层流出外海。中潮期间的涨潮历时明显大于落潮历时是磨刀门水道在中潮期间出现咸潮上溯最大值的原因。伶仃洋整体盐度呈现东高西低的分布特征,盐度分层现象也较为明显,这主要与伶仃洋水下地形东深西浅以及注入淡水的口门分布在西侧有关。另外,表层低盐度水在科氏力和北风的作用下西偏,导致高盐度区域主要位于伶仃洋东部的深水区域,低盐度水团主要位于伶仃洋西侧浅滩区域。

数值分析径流变化对磨刀门咸潮上溯的影响

径流量变化对咸潮上溯有直接影响。利用FVCOM模型对磨刀门水道的咸潮上溯现象进行模拟,针对径流变化设置敏感性试验,对上游河道水位上升后水动力的变化规律、固定点的表层盐度变化、盐度分层情况等进行数值分析,探讨径流变化引起的咸潮上溯变化。结果表明:河段水位整体上升,沿内河道至河口水面坡降增大。河道各层盐度大大减小,不同点的盐度分层程度不同。转潮时刻的表底层流态差异现象减弱,中下游流速分层更明显,流向分层更一致。

珠江口磨刀门水道枯季咸潮上溯与盐度输运机理分析

以珠江河口磨刀门盐度和流速观测资料为基础,采用盐度输运分解的计算方法对磨刀门盐度输运特征进行分析,对比各分解项动力成因和对盐度输运贡献的大小,分析磨刀门水道盐度分布特征和输运特征,结果表明:(1)磨刀门水道盐度输运主要由径流为主要作用的欧拉输运、潮流剪切输运和由河口密度梯度产生的垂向环流输运为主,其中欧拉输运方向向海,潮流剪切和重力环流输运向陆,两种不同方向的盐度输运在大、小潮期相对强弱的变化,导致了咸潮上溯的增强或者减弱。小潮期间,垂向环流和潮流剪切输运大于欧拉输运,净输运方向向陆导致咸潮上溯;大潮期间,垂向环流输运显著减小,净输运方向向海导致咸潮后退。(2)洪湾水道盐度输运主要以欧拉输运为主,垂向环流输运很小,与磨刀门水道盐度输运具有显著的不同。

珠江河口航道整治工程对咸潮上溯的影响研究

基于MIKE3 FW模式,建立覆盖整个珠江8大口门区的三维高精度水流盐度数学模型,研究珠江口的咸潮上溯问题。模型主要采用三角形无结构网格,航道较为顺直,采用四边形网格进行加密。模型验证良好,能够较好地反映珠江口地区三维水动力格局与盐度分布特征。重点分析了磨刀门口门区三维水动力、盐度特征,并且基于近年来珠江三角洲地区日益增多的航道整治工程,研究计算了磨刀门航道整治工程对咸潮上溯的影响。研究表明航道整治工程使得近海地区的盐度值有所增大,咸潮上溯距离有所增加,但工程对咸潮上溯的影响不大,不是珠江三角洲地区近年来咸潮上溯的主要原因。

咸潮上溯对河口船闸混凝土结构氯离子浸透的影响

由于受咸潮上溯与船闸灌泄水共同影响,在河口船闸内部将形成混掺盐水高频干湿交替的特殊腐蚀环境。该腐蚀环境相较于海洋干湿交替区域的氯盐浓度虽低,但其内水位频繁变化所造成的高频率干湿交替特征显著。针对上述特殊腐蚀环境对船闸混凝土结构中氯离子浸透的影响程度目前尚不清楚。为此,本工作通过开展由于咸潮上溯引起的盐水高频干湿交替环境下船闸混凝土内氯离子浸透试验,研究了不同氯盐浓度、干湿制度、干湿交替频率、暴露时间对混凝土内氯离子浸透深度的影响。结果表明:氯离子浸透深度随着干燥时间的增加呈现先增大后减小的变化趋势;高频率干湿交替、低浓度氯盐环境情况下混凝土内氯离子浸透深度大于低频率干湿交替、高浓度氯盐环境,表明干湿交替频率是影响氯离子入侵混凝土的决定性因素,对混凝土中氯离子浸透的影响效果较环境中氯盐浓度要更大。

珠江口咸潮上溯对水生植物群落的影响研究

针对近二十多年来珠江口咸潮异常上溯可能引起的水生态环境变化,首次通过对磨刀门水道上、中、下游各河段及出海口现场踏勘和植物样方调查并参考有关文献资料,系统研究了咸潮上溯对珠江口主要入海河道水生植物群落分布的影响,结果表明:(1)磨刀门水道及出海口沿岸植被分布具有明显的差异:下游河段和出海口门处耐盐的红树、半红树植物明显占优,种类也多;中游河段咸、淡水植物均为优势种;而上游河段虽然优势种仍为淡水植物,但也出现了原本在下游和口门处常见的咸水植物。(2)河道水体盐度的变化已反映在植被分布变化上,主要表现为与正常情况下的河口植物种群分布相比,在河道中应完全是淡水植物分布的河段变为淡水植物、广适性植物和半咸水植物共同分布。(3)咸潮超常上溯是导致入海河道上、中游河段植物优势群落由喜淡水植物群落演替为广适性植物群落和半咸水(咸水)植物群落的根本原因。

数值分析海平面上升对磨刀门水道咸潮上溯的影响

磨刀门咸潮上溯有逐年增强的趋势,其发生的频率也越来越高。采用非结构有限体积近岸海洋模型FVCOM建立了磨刀门水道三维咸潮水动力数学模型,并采用实测潮位和盐度对模型进行了率定和验证,表明该模型能够较好地反映磨刀门咸潮上溯的水动力情况。采用已率定的模型,对外海海平面上升15 mm的工况进行数值模拟,研究了海平面上升对咸潮上溯的影响。结果表明,海平面每升高1 cm,磨刀门水道平均水位将升高0~1.67cm;磨刀门水道内表层和底层盐度均随着海平面的上升而增大,咸潮上溯的规律不随海平面的上升而改变;磨刀门水道河口处表、底层盐度增幅相差不大且均不随潮差的大小而变化;河道上游段,海平面上升对底层的影响明显大于对表层的影响,而且表、底层盐度均随着潮差的减小而增大;海平面平均每升高1 cm,磨刀门水道咸潮入侵平均上移距离为0.85 km。该研究对压咸措施有一定的指导意义。

东江咸潮上溯特征及盐度输运机理浅析

针对东江咸潮入侵问题,基于三维数值模拟成果,分析了东江南支流咸潮上溯特征及盐度输运机理。结果表明:东江咸潮上溯与潮位相位变化基本一致,在一个大、中、小潮周期内,盐度最大值出现在大潮期间;东江南支流总体处于盐度充分混合至部分混合状态,盐度垂向分布均匀;东江咸潮上溯主要是径流和潮流动力强弱对抗的结果,基本不存在垂向环流的输运,增大下泄径流量是减轻东江咸潮入侵的最有效措施。

磨刀门航道整治工程对咸潮上溯的影响

采用实测水文资料建立高精度的三维水流盐度数学模型,模拟了磨刀门航道整治工程前后流场及盐水入侵的变化。并运用已验证好的磨刀门高精度三维水流盐度数学模型,计算了磨刀门航道整治工程前后水动力变化及咸潮上溯程度,为航道整治工程的实施提供依据。研究表明航道整治工程使得近海地区的盐度值有所增大,加剧了咸潮上溯程度,但工程对咸潮上溯的影响不大,不是珠江三角洲地区近年来咸潮上溯的主要原因。

基于一维盐度模型的珠江河网咸潮上溯距离分析

建立珠江三角洲河网整体一维水动力、盐度数值计算模型,此模型涵盖了整个珠江三角洲河网区,验证结果良好。在此模型基础上,对2001年枯季和2005年枯季珠江三角洲咸潮上溯情况进行模拟计算,模拟结果表明,0.5‰盐度线在整个河网区域呈现出向右倾斜的"S"形,2005年枯季咸潮平均上溯距离达到了32.4 km,这几乎是2001年枯季的2倍。进一步利用模型模拟4种不同来水情况下的咸潮上溯距离的变化情况,对4种来水流量下的咸潮上溯距离进行分析,发现当上游来水平均流量减少将近0.5倍时,下游8大口门处咸潮上溯平均距离将增加1倍左右。

珠江河口河网咸潮上溯机制的数值模拟

随着全球变暖导致海平面上升和人类活动的加剧,珠江三角洲的咸潮灾害日趋严重,分析咸潮上溯主要动力因素及响应趋势非常必要。构建珠江河口河网一、三维耦合水流盐度模型,对地形、上游主要节点流量以及海平面上升高度进行敏感性试验,利用通量机制分解方法分析不同情况下西江、北江干流的沿程盐通量,探讨河口河网咸潮上溯对主要动力因素变化的响应规律。结果表明,各口门的盐通量均以平流运输项为主导;地形变化与上游径流量对盐通量影响远大于海平面上升;上游主要节点的径流量在大潮时主要控制平流运输项和剪切扩散项来调节盐通量,小潮时潮泵运输项变化相对较大;海平面上升对潮控口门(如洪奇门)的影响大于径控口门(如磨刀门),但短期内影响相对较小。

基于支持向量机的珠江河口咸潮上溯预测研究

受径流、潮汐、地形、风向等多重因素影响，珠江河口区咸潮上溯现象异常复杂。本文运用支持向量机回归（SVR）与分类（SVC）联合建模的方法，综合考虑上游径流和河口区潮汐因素，构建珠江河口区磨刀门水道咸潮上溯预测模型，并采用动态反馈机制分别开展了磨刀门水道日均咸度和超标历时预测。研究结果表明：基于支持向量机的咸潮上溯模型，具有模型简单精度高，样本容量要求少，自学习与联想记忆能力强的特点，能较好模拟预测多重因素影响的复杂河口区咸潮上溯现象；磨刀门水道上游三水马口前三日流量、河口区前三日三灶站的平均潮差过程与咸潮上溯具有较好时间相关性。

珠江河口拦门沙演变对咸潮上溯的影响

河口拦门沙处于河流与海洋交汇作用的关键地带,其沙河床演变对咸潮影响剧烈。利用实测水深与河流岸线数据及NOAA的海岸线数据,构建了基于FVCOM磨刀门盐水入侵数值模型,研究了拦门沙河床演变对河口地区咸潮上溯的影响。结果表明,构建的基于FVCOM盐水入侵数值模型具有较好模拟效果,典型测站水位验证相关性系数高于0.94,盐度验证相关性系数高于0.83,能够较好反演咸潮上溯过程;拦门沙每深1.5m,距离河口15km内平均含氯度约增加600mg/L,上溯距离约增加1km;距离河口23km内平均含氯度约增加252mg/L,上溯距离约增加500m;对距离河口25km以外地区影响较小,可忽略。

磨刀门海域枯季三维咸潮上溯影响研究

基于FVCOM模型,建立磨刀门海域枯水期三维盐度扩散数学模型,研究磨刀门海域咸潮上溯规律,并在分析磨刀门海域三维盐度扩散特征的基础上,考虑磨刀门水道航道疏浚工程,研究工程对该海域咸潮上溯的影响。结果表明,航道疏浚工程后,咸潮上溯的距离有所增大,但对非工程区域影响不大,不是影响磨刀门海域咸潮上溯的主要原因。