长江口径潮相互作用下洪枯季余水位变化

余水位即潮周期内的平均水位,是河口径潮动力非线性作用的典型结果。为探究径流、潮汐及其相互作用对余水位的影响,对摩阻项进行分解,通过潮平均摩阻的各分量对余水位的变化展开研究。采用二维水动力数学模型,模拟得到长江口余水位时空变化特征;利用连续小波变换方法和摩阻计算公式,分析长江口潮平均摩阻的主要来源,建立线性回归模型,通过潮平均摩阻各分量的变化解释余水位的变化。研究结果表明:长江口余水位具有明显的洪枯季变化和大小潮变化特征,洪季余水位沿程增幅更大,大潮时余水位较小潮时更高;长江口潮平均摩阻以径流作用和径潮相互作用产生的摩阻为主,因径流量巨大,前者对潮平均摩阻的贡献始终更大;潮平均摩阻控制余水位,长江口余水位的变化由径流作用控制,在下游站点径潮相互作用的影响不可忽视。

珠江口八大口门径、潮作用动力过程研究

根据2006—2007年期间在珠江口八大口门进行的丰水期大、中、小潮3个航次、平水期和枯水期各1个航次的全潮同步水文观测资料,分析了八大口门的潮流特性、涨落潮通量等特征,并建立了逐时潮差与流量的相关关系。在丰水期小潮期间,八大口门受强热带风暴"碧利斯"带来的强降雨的影响,潮流特性、断面流量等水文特征出现较大的变化,逐时潮差与流量的相关关系与其他航次相比表现出不同的规律。在无强径流影响下,逐时潮差与流量的相关关系用线性方程拟合,相关性较好;但在强径流影响下,则采用二次多项式拟合较为合适,且拟合曲线的左右侧表现出涨、落潮过程的区别。

珠江三角洲河网地形和径流条件变化对潮动力格局的影响

针对上游建库及航道疏浚等人类干预引发的河床不均匀下切与径流年内分配调整导致珠江三角洲河网内径流、潮汐、河口地形间相互作用随之变化的问题,基于连续小波变换方法,结合实测水文资料与河网一维水动力模型,对比分析了地形与径流变化前后河网潮动力格局的调整,并将一维圣维南方程中的非线性摩擦项分解为径流成分、径潮作用成分、潮汐成分,量化了各成分对于潮动力格局调整的贡献。结果表明:地形与径流变化后,洪季各潮族动力均显著增强,枯季高频潮族动力衰减更迅速,枯季径流量增加对潮汐的调制作用在大部分河道抵消了地形下切造成的潮汐动力增强;河网上游非线性摩擦项中径潮作用成分对于潮动力格局调整的贡献增大,径潮非线性作用增强。

径潮共同作用对径流型河口盐水上溯的影响

为进一步认识径流型河口枯季盐水上溯距离变化的影响因素及其作用机制,将实际河口简化并在不同径流量下分别用等潮差正弦潮和主要分潮驱动,进行盐水三维数值模拟试验。结果表明:随着径流和潮汐两大基本作用的相对强度不同,平衡态下盐水形态和位置自动调整并最终达到盐输运平衡,径流量小于3 000 m3/s且潮差小于2 m时,最大上溯距离随潮差的变化规律在不同径流量下存在明显差别;大小潮半月周期内盐水呈现非平衡态,非强混合时潮周期盐水上溯最大距离围绕平衡态随潮差呈顺时针绳套关系变化。径流导致的密度环流作用和潮汐的混合作用交织,两者相互影响并协同发展,两种作用相对强度的不同是导致径流型河口盐水上溯距离变化显著的主导因素。

珠江河网典型横向汊道径潮动力时空差异性分析--以“南沙—南华”横向汊道为例

横向汊道对维持珠江河网径潮动力格局的稳定发挥着重要作用,研究其径潮动力时空演变过程及规律对粤港澳大湾区的防洪、供水和通航等具有重要意义。本文基于1966—2016年“南沙—南华”横向汊道沿程潮位站的逐日高低潮位数据及马口、三水水文站的日均流量数据,采用双累积曲线方法及T_TIDE潮汐调和分析模型,分析了该横向汊道径潮动力的时空差异性。结果表明:(1)1993年为该横向汊道径潮动力的异变年份,1993年后横向汊道潮波振幅梯度绝对值与余水位梯度多年均值降幅分别为25%和38%;(2)强人类活动干预后该横向汊道径潮动力变化存在时空差异性,1993年后口门南沙站潮动力减弱(M2与K1分潮振幅多年平均降幅分别为0.01m和0.02m),其他站点潮动力增强,潮波衰减效应在中游略有增强,而在上游和下游减弱,且夏季比冬季变化显著;(3)上述时空差异性受自然变化与人类活动的非线性累积影响。口门附近高强度的围垦叠加航道整治工程使得口门快速延伸,导致潮波传播阻力增大,而横向汊道上游高强度的采砂活动使得地形显著下切,导致潮波传播阻力减小;受上游流量与下游海平面季节性变化的叠加影响,横向汊道径潮动力变化在夏季比冬季更为显著。上述横向汊道径潮格局的异变导致其泄洪纳潮功能发生改变,具体表现为洪季泄洪压力减小,枯季纳潮能力增强。上述研究结果可为珠江三角洲水资源的高效开发利用等实际工程问题提供理论支撑。

西江感潮河道(马口—磨刀门)的潮波传播特征研究

基于2015—2017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。

珠江磨刀门河口径潮动力耦合条件下余水位的多时空尺度分析

本文通过构建径潮动力耦合条件下潮波传播的一维水动力解析模型,从理论机制上探讨珠江磨刀门河口径潮动力非线性作用下余水位的多时空尺度变化。结果表明:余水位变化呈现明显的大小潮和洪枯季变化,枯季余水位大小潮的变化幅度介于0~0.4m,而洪季余水位与上游径流紧密相关,增幅大枯季一个量级(介于0~6m);解析模型可分离控制余水位变化的3个主要因素,即径流、潮流和径潮相互作用因子,计算结果表明河口不同区段余水位的主控因素有明显的洪枯季变化,上游段,枯季余水位受径潮相互作用因子控制,洪季受径流因子控制;枯季下游段余水位受潮流控制,而洪季余水位主要受径潮相互作用因子控制。

强人类活动驱动下珠江磨刀门河口径潮动力的季节性异变特征

人类活动对河口环境影响巨大,揭示在强人类活动驱动下河口径潮动力非线性相互作用的异变特征,有利于了解人类活动影响河口动力地貌的机制,对河口区水利工程建设及环境保护等具有重要指导意义。基于1960—2016年珠江磨刀门河口沿程潮位站(甘竹、竹银、灯笼山、三灶)的逐月高、低潮位数据及马口水文站的月均流量数据,统计分析了磨刀门河口在强人类活动驱动下月均水位、潮波振幅及其空间梯度(即月均水位坡度和潮波振幅衰减率)的季节性异变特征。结果表明,1990年和2000年为磨刀门河口径潮动力的异变年份,1990年前为自然演变阶段,2000年后为恢复调整阶段,1990—2000年为过渡阶段;高强度采砂导致的河床下切使磨刀门河口月均水位及月均水位坡度显著减小,夏季减小幅度最为明显,沿程平均分别减小0.53m和8.93×10^-6;月均水位坡度减小导致潮波衰减效应减弱,进而使沿程潮波振幅增大,多年平均增大0.071m;磨刀门河口径潮动力相互作用具有明显的季节性差异,夏季月均水位坡度随流量增大在上游抬升明显,冬季月均水位坡度在上游显著减小,但在下游略有抬升;随着流量的增大潮波振幅的衰减作用增强,但当流量超过阈值20000m^3/s时,月均水位坡度引起的底床摩擦增大效应不足以抵消横截面积辐散效应,潮波衰减效应略有减弱。

潮波运动对长江口分流的影响

汊口分流是河流动力学中一个经典的科学问题,感潮河段内的汊口由于受到潮波运动的影响,会产生明显的剩余环流,使其分流过程与非感潮河段汊口存在明显不同。为揭示潮波运动对汊口分流的影响,引入分流不均匀系数概念,以长江口为研究对象,依据2002年地形建立平面二维数学模型。分别开展"无径"、"无潮"和"径潮"3种情况模拟,定量地分解出径流、潮流和径潮相互作用对分流的影响程度,并探讨深水航道整治工程对分流过程的影响。结果表明:潮波运动在枯季和洪季分别以32.95%和35.71%的程度对南北港分流不均匀系数产生抑制作用,使分流趋于均匀。深水航道整治工程使得南港的径潮相互作用增强,潮平均水位壅高,减弱了径流向南港分配增加的趋势。

长江河口潮波传播机制及阈值效应分析

河口潮波传播过程受沿程地形(如河宽辐聚、水深变化)及上游径流等诸多因素影响,时空变化复杂。径潮动力非线性相互作用研究有利于揭示河口潮波传播的动力学机制,对河口区水资源高效开发利用具有重要指导意义。本文基于2007-2009年长江河口沿程天生港、江阴、镇江、南京、马鞍山、芜湖的逐日高、低潮位数据及大通站日均流量数据,统计分析不同河段潮波衰减率与余水位坡度随流量的变化特征,结果表明潮波衰减率绝对值与余水位坡度随流量增大并不是单调递增,而是存在一个阈值流量和区域,对应潮波衰减效应的极大值。为揭示这一阈值现象,采用一维水动力解析模型对研究河段的潮波传播过程进行模拟。结果表明,潮波传播的阈值现象主要是由于洪季上游回水作用随流量加强,余水位及水深增大,导致河口辐聚程度减小,而余水位坡度为适应河口形状变化亦有所减小,从而形成相对应的阈值流量和区域。

太湖流域长江边界水文特性研究

太湖流域长江边界是长江下游镇江市至上海市的一段河道,全长311.6 km,属感潮河段,是太湖流域平原河网的外边界,深刻影响着太湖流域水资源调配。为明确该河段水文特征,支撑流域水量调度方案,采用一维水动力模拟方法,选取Mike11水动力模型,利用实测水文数据率定和验证,证明了模型模拟精度。基于大通水文站长系列流量,选取了丰、平、枯典型年,并对应到了近年有实测潮位资料的年份,主要计算22个太湖流域河网入长江口门的水位过程,典型年份计算结果显示径流对太湖流域长江边界水位影响更大。同时,选取不同典型年径流与实测潮位组合成不利计算情景,结果显示在入海流量较小、潮汐作用较大的情况下,边界全段潮差较大、高潮位均较高,易发生咸潮入侵;入海流量大、潮汐作用也大的情况下,边界水位抬升明显。

河口回水动力的演变过程及其影响机制--以长江河口为例

河口回水区长度的时空演变对防洪、供水、航运等水资源高效开发利用具有重要指导意义。本文在经典河流回水理论的基础上考虑潮汐动力的影响,聚焦潮汐动力引起的回水效应问题,基于一维水动力解析模型,重新定义河口回水区上游界限(回水界),并以长江河口为例,探讨河口回水动力演变过程及其影响机制。结果表明:回水界距天生港的距离(即回水区长度)与上游流量、外海边界振幅分别具有显著的负相关和正相关关系,且基本为线性关系;回水界对径潮动力的响应比潮区界更为敏感,能有效表征河口感潮河段径潮动力格局演变;长江河口回水界位置具有明显的季节性差异,其春季和秋季回水界位于芜湖附近(春季和秋季分别距天生港419 km和367 km),冬季回水界位于感潮河段以上区域,夏季潮汐动力引起的回水效应基本可忽略;长江河口潮流因子和径潮相互作用因子控制的余水位梯度的季节性变化,是长江河口回水界位置变动的主导因素。