珠江河口磨刀门水道咸潮动力高分辨率三维数值模拟研究

珠江河口是世界上最复杂的河口之一,其咸潮动力结构具有明显的垂向分层密度流的特征。针对珠江河口咸潮动力结构的特点,构建了一个基于高性能计算机并行算法的珠江河口高分辨率三维斜压整体数值模型,并采用2009年12月磨刀门水道咸潮大范围同步实测资料对其进行了验证。结果显示计算值与实测值吻合较好,较为准确地模拟了磨刀门三维密度分层流的动力特性和半月周期内的小潮期、中潮期和大潮期磨刀门水道的分层流结构特征差异。根据计算结果,对磨刀门水道咸潮运动在不同潮型条件下的三维动力机制进行了初步分析。

枯季咸潮期珠江河口水资源调度模型研究

珠江河口磨刀门水道沿岸分布有众多取水口,该地区受咸潮影响严重,其水量与水质(含氯度)对该地区的水资源调度有重要影响。针对咸潮期珠江河口水资源调度的特点,采用宏观与微观相结合的方法,建立了耦合咸潮预报数学模型和水资源系统管网模型的珠江河口水资源调度模型。宏观上基于咸潮数学模型预报的各取水口咸情,结合相关调度规则及水库实时库容、水厂需水量等信息,确定各取水泵站需提供的取水量;微观上建立水资源系统管网模型,对水库水位、节点含氯度等进行精细模拟。模拟结果表明,所构建的模型能对咸潮影响下的珠江河口地区多水源水量、水质联合调度过程进行合理描述,可为枯季咸潮期珠江河口水资源实时调度方案的制定提供参考。

珠江口伶仃洋风暴潮传播特性及影响因素数值模拟研究——以台风“山竹”为例

基于FVCOM海洋模式对珠江口伶仃洋内及周边海域的风暴潮增水传播过程进行研究。首先,建立珠江口风暴潮模型,采用超强台风“山竹”作为典型案例进行风暴潮过程模拟,并对模型的计算结果进行验证,发现模拟结果和测站潮位结果比较吻合;然后,对伶仃洋在“山竹”登陆前后的风暴潮增水过程的时空分布及变化特征进行分析。从伶仃洋湾口到湾顶选取12个点进行时间序列分析,发现除了因距离外海远近不同导致的相位差异外,基本特征相似,符合国际上类似海湾内的风暴潮增水波动特征,可分为初振段、主振段和余振段。为了进一步研究台风参数差异对伶仃洋风暴潮增水的影响,本文基于“山竹”超强台风的特征参数,设计了一系列变化条件下的数值试验,结果发现:(1)台风的登陆时间会影响到风暴潮增水和天文潮之间的相位关系,进而影响到增水的大小。如果风暴潮增水极值正好在天文潮高潮位,风暴潮增水就会削弱,而风暴潮增水正好在天文潮低潮位,风暴潮增水就会增强。(2)台风中心压差决定了台风风力的大小,从而影响风暴潮增水。但是在同一海湾内的影响在空间上并不相同,在较浅区域影响大而较深区域影响小。(3)台风路径会对风暴潮增水产生较大影响。基于“山竹”的路径,往西平移会导致湾内增水上升段前移,而往东平移则会引起湾内增水下降的延迟。在同样的登陆点,台风行进路线和海岸线之间的夹角较小时会增强伶仃洋内的风暴潮增水。

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。

岸线变化和海平面抬升对珠江河口水体交换的影响

水体交换能力是评价河口水域自净能力的一个指标。为研究岸线变化下珠江河口水体交换能力的变化情况以及海平面抬升对其的影响,建立珠江河口二维水动力-保守物质运输模型,并将模型模拟的水位、流速、流向结果与实测数据进行对比。运用欧拉法,分别计算洪枯季、高低潮位下不同年代岸线变化和海平面抬升不同高度时珠江河口水体滞留时间的变化情况。结果表明:岸线围垦对珠江河口各水域水体交换的影响不尽相同,如从20世纪70年代—2010年,伶仃洋水域的平均水体滞留时间先保持几乎不变后略微减小,而黄茅海和磨刀门水域则因状况而异;海平面抬升不利于水体交换,珠江各水域平均水体滞留时间随海平面抬升而增长,且枯季增加的时间大于洪季。

珠江河口口门区滩槽演变及对泄洪的影响研究

受流域来水来沙和高强度的人类活动的影响,珠江河口口门滩槽演变规律复杂,对泄洪安全的影响有待深入研究。本文阐明了珠江河口滩槽近期演变总体特征,揭示了河口拦门沙演变动力机制,评估了不同类别大型涉水工程对泄洪的影响和贡献率,提出了珠江河口径潮控制敏感区的划分方法,量化了涉水工程防洪影响关键控制指标。研究发现:(1)在来沙大幅减少背景下,珠江河口滩涂存在侵蚀后退的可能,滩槽近期演变总体上有利于口门泄洪;(2)季风成沿岸流和洪水径流是塑造磨刀门拦门沙东、西汊发育的主动力,洪水与波浪共同作用是形成拦门沙内、外坡冲刷,拦门沙顶淤高的主要成因;(3)涉水工程对河口洪潮水位、分流比、净泄洪量、纳潮量等影响的群体效应,伶仃洋东四口门桥梁工程群对潮位影响贡献率大于围垦工程,而在西四口门围垦工程对潮位影响更大;(4)引入径潮动力比概念,提出珠江河口径潮控制分区,识别了防洪敏感河段,建立基于单宽流量概念的工程阻水效应判断方法,划分防洪影响敏感水域;(5)综合分析提出了各敏感河段或水域的涉水工程的允许壅水高度,基于口门均衡断面的河相关系,提出涉水工程引起的潮量减幅应控制在1%~2%以内。

珠江口东四口门径流动力变化及其原因分析

据近几十年来珠江河口水文资料统计分析了东四口门的径流变化特征并分析其变化原因,研究表明:20世纪80年代以来,东四口门径流动力呈阶段性变化,1999年前,流域来水加大,同时,受高强度采砂影响,网河区河床形态发生异变,河相关系随之变化,网河区顶端的思贤滘及主要汊道分流比发生重大调整,令东四口门下泄径流增大。1999年以后,流域来水量减小,受大规模的水库建设等因素影响,东四口门承接的入海水量显著减少,径流动力减弱,但因网河汊道河相关系的改变引起网河内径流分配调整,虎门、蕉门径流动力减弱,而洪奇沥、横门径流动力持续增大。

珠江河口大型涉水工程方案优化研究——以港珠澳大桥工程为例

受径流、潮流及口外环流等影响,珠江河口区动力环境极为复杂,在复合滩槽结构普遍、水流动力空间差异大的珠江河口,如何控制河口涉水工程的防洪影响,优化工程建设方案是强化河口管理,保障河口地区防洪安全的迫切要求,也是项目建设急需解决的技术难题。以珠江河口特大型涉水工程—港珠澳大桥工程为例,从减轻防洪影响的角度,探讨了涉水工程方案优化方法。研究提出了河口涉水工程动力分区和防洪影响敏感水域区划,创建了基于防洪影响控制的涉水工程方案优化目标确定方法,提出了基于单宽流量概念的涉水工程阻水效应评估方法,研究为涉水工程布置和结构优化提供了技术支撑。

珠江河口磨刀门口外拦门沙近期演变分析

珠江河口磨刀门口外拦门沙的形成,受径流、潮流、沿岸流、波浪影响,且河口的地形条件及泥沙运动也是拦门沙的重要影响因素。根据近40 a来实测地形资料,对磨刀门口外中心拦门沙、西侧拦门沙、东西两汊深槽的演变进行了分析,并对拦门沙区域的冲淤变化进行了讨论。分析结果表明:珠江河口磨刀门口外拦门沙区东、西汊不断向海延伸、拓宽,大洪水对东、西汊的发育起到显著促进作用;东汊走向则有一定摆动,东汊发育具有显著的季节性特征,受波浪改造作用明显;中心拦门沙内外坡以冲刷为主,滩顶淤积加高,南北径缩短;西侧交杯沙在波浪作用下呈新月形发育,交杯四沙向陆并岸的过程中,易受到洪水冲决作用,在并岸的浅滩中冲出深槽。研究结果可为河口规划、整治提供参考。

珠江河口海水表层盐度光学遥感反演研究

以光学遥感数据反演海水表层盐度时,常以有色可溶性有机物(CDOM)为中介指示盐度的变化。但因河口水动力环境的时空异质性,指示盐度的中介参数并不恒定。该文以珠江河口为研究区,于洪水季、枯水季以走航方式获取水质及同步光谱数据,通过不同时空条件下表层盐度与各水质参数的相关性分析,确定相应的表层盐度敏感因子;利用相关性分析与回归分析建立研究区表层盐度光学遥感反演模型,并结合咸情站实时数据对反演结果进行标定。结果表明:1)珠江河口表层盐度反演的敏感因子具有时空变异性,洪季以总悬浮物(TSM)为宜,枯季伶仃洋及上游水域以高锰酸盐指数(CODMn)为宜、磨刀门水域以叶绿素a(Chla)为宜;2)经咸情站标定后遥感反演结果的标准误差被控制在1‰以下,提高了光学遥感反演表层盐度的绝对精度;3)涨潮时珠江河口表层盐度普遍高于落潮阶段,盐度分布呈南高北低、自口外向口内递减趋势。

基于数据同化的珠江河口悬沙浓度多模型协同反演

以珠江河口为研究区,根据2014-2015年珠江河口野外实验数据,构建了8个悬沙浓度的反演模型,并对各模型反演结果进行了比较评价。基于数据同化思想,利用此模型集进行了多模型协同反演算法的构建。结果表明:构建的悬沙反演模型中近红外与蓝波段比值的指数函数模型整体精度较高,平均绝对误差MAPE为27.1%,多模型协同反演算法能够有效融合不同反演模型的优势,改善单模型反演精度较低区域的反演结果,且随着模型个数的增加,多模型协同估算精度越高,较单模型提高了整体反演精度及稳定性,最优模型组合的MAPE为25.8%。该算法为悬沙浓度大范围、高精度业务化监测提供了一种新的思路。

珠江磨刀门河口悬沙浓度变化特征分析

根据2011年枯季和2012年洪季在大、中、小潮期间的多点同步现场观测资料,分析研究了磨刀门河口悬沙浓度变化特征。结果表明:磨刀门口悬沙浓度纵向分布呈近岸高,远岸低的趋势;横向分布具有季节性差异,洪季主槽大于滩地,枯季滩地大于主槽;垂向分布洪季主要以斜线型分布为主,枯季主要以抛物线型分布为主。潮周期平均含沙量大潮普遍大于中、小潮;洪、枯季磨刀门口外落潮含沙量普遍大于涨潮含沙量。洪季含沙量混合较为均匀,落潮时含沙量增大,涨潮时含沙量减小,枯季含沙量分层明显,。受波浪潮汐作用,一个周期内有多次明显的再悬浮过程,涨潮时增大,落潮时减小。

珠江河口磨刀门口外东西两汊实测分流比分析

磨刀门是珠江河口八大口门中泄洪量最大的口门,口外已形成稳定的东西两汊滩槽格局及中心拦门沙。两汊的分流比是磨刀门河口治理的重点关注问题。根据磨刀门河口及口外东西两汊2015年9月10～11日大潮同步水文观测资料,分析了东西两汊实测流速、流向及分流比特征。结果表明:东西汊总体以往复流为主,在转潮过程会出现一定的旋转流;落潮时表层流速大,底层流速小;涨潮时底层流速大,表层流速小,在转潮时刻会出现短暂表落底涨的现象;西汊的落潮量分流比大于东汊,且净泄量分流比为66%,是磨刀门入海口的主要泄水通道;而东汊的涨潮量分流比大于西汊,是磨刀门入海口的主要涨潮通道。因此,在磨刀门口外治理规划时,需重点考虑东西两汊的自然演变及分流比情况,保证其泄洪纳潮的功能。

珠江河口潮流流量变化控制指标初探

随着珠江河口地区滩涂岸线资源开发和涉水工程建设,河口边界形态及动力环境产生了巨大的变化;动力环境变化必然引起河口河床形态的调整,对潮汐河口稳定产生深远的影响。以珠江河口潮汐通道稳定性分析为基础,探讨潮汐河口的河相关系,初步提出了河口潮流变化控制指标。研究建立了珠江河口口门断面面积与多年平均落潮流量之间的关系,并建立了近期口门均衡断面的河相关系;在此基础上,预测了河口潮流变化引起的口门河床冲淤变化。根据河床冲淤变化与口门行洪能力调整的关系,提出了河口口门落潮流量变化控制指标为1%~2%,研究成果为河口涉水工程管理提供了定量指标参考。

珠江磨刀门河口2017年枯季咸潮上溯特性

根据2017年10月14日至10月30日、2017年11月16日至12月2日和2018年1月2日至1月18日三次半月周期的磨刀门河口盐水头部跟踪观测数据以及收集的水文气象资料,对磨刀门水道枯季咸界上溯特性进行研究,分析径流、潮汐和风的变化对日最大咸界的影响。利用公式计算日最大咸界入侵距离,将其与观测咸界比较,发现日最大咸界计算值与观测值一致。通过计算咸界入侵距离与流量、潮差和风的相关系数,发现咸界运动趋势由上游流量的变化程度决定,上游流量较为稳定时,大流量下,咸界运动趋势受潮汐作用主导;小流量下,咸界运动趋势受潮汐和径流的相互作用主导;北风和偏北风推动和加快咸界上溯。

珠江河口潮周期泥沙动态输移特征遥感反演分析

珠江河口属粤港澳大湾区核心水域,战略位置重要,区内河网密布交错,河道、河口区径流与潮流相互作用,泥沙运动较为复杂。泥沙输移是河床演变的物质来源,直接关系到粤港澳大湾区防洪、供水、航运安全。文章利用高分四号卫星高频次影像数据开展珠江河口区潮周期内水表层泥沙定量反演,结合野外观测数据,以枯季2019-12-28及洪季2020-06-20两期多时相数据为例,探究潮周期内珠江河口泥沙含量时空分布。结果表明,高分四号卫星影像数据大气校正平均绝对百分比误差为18.85%;基于高分四号卫星影像数据近红外、红波段与蓝波段比值构建了泥沙反演模型,实现对珠江河口区间隔2 h日变化尺度泥沙输移连续动态监测,其中洪、枯季最优模型MAPE误差分别为30.00%、23.54%。反演结果能较为形象地展示河口区整体泥沙动态输移特征,与实测站点泥沙质量浓度相比,反演结果在潮周期泥沙质量浓度变化趋势上相一致,实现了珠江河口区径潮作用下面上泥沙动态输移的特征分析。该方法为复杂河口泥沙输移大范围业务化监测提供了新的思路,同时为珠江河口泥沙输移数值模拟与遥感监测提供了交叉验证的新思路。

珠江河口整体物理模型泥沙试验方法及应用

为全面掌握珠江河口泥沙运动的基本规律,优化河口重大工程方案布置,在宏观分析珠江河口伶仃洋、磨刀门和黄茅海泥沙运动主要特征的基础上,研究了该3个区域泥沙模拟试验面临的关键技术问题;重点研究珠江河口整体物理模型泥沙试验中的分区模拟、模型沙选择、关键设备研发等核心技术,结合多年来科研生产和模型运用的实际经验,总结出珠江河口整体物理模型泥沙试验方法。最后,以近年来珠江河口的重大涉水工程——港珠澳大桥工程为例予以了进一步说明。

钦州湾岸线开发对其上游河口区洪潮动力特性影响

钦州湾水流动力环境复杂,港口资源及区位条件优越,近年来岸线开发强度较大。通过建立钦州湾-茅尾海二维潮流数学模型,以2005年岸线地形为基础,对比分析了2005—2015年钦州湾岸线开发前后的潮差、潮流流速、潮量等动力特性变化,探讨了上游河口区洪潮动力特性对下游岸线开发的响应情况。可为钦江河口湾及类似河口湾的管理及可持续、有序开发提供参考。

分层型河口咸水上溯对径流潮汐共同作用的基本响应

为探究径流主导分层的河口中径流潮汐共同作用对半月周期咸水上溯距离的影响,采用概化河口对分层型咸水运动进行了三维数值模拟试验。结果表明:恒定径流量下,半月周期咸水逐日最大上溯距离表现为随潮差顺时针围绕准平衡态变化的绳套曲线,径流量越小,与准平衡态差距越大,且小潮后强烈上溯持续的时间更长,退落也更迅速;分层混合过程的时效性导致咸水运动半月周期非线性调整,在文中概化条件下,咸水状态普遍具有最大上溯发生在最小潮后2~3 d和最小上溯发生在最大潮后1~2 d的时间特征;根据咸水运动的规律确立工程措施中增流压咸时机,在小潮时增加上游径流量并持续7 d至大潮,然后利用半月周期咸水自然退落,可达到明显压咸效果,节约枯季上游淡水资源。

珠江流域用水总量及用水效率趋势分析

随着最严格水资源管理制度的逐步落实,用水总量及用水效率控制是当前以及今后水资源管理的必然要求,以流域为着眼点分析地区用水总量及用水效率等指标发展趋势是完善地区用水总量及用水效率控制的手段之一。以珠江片2001—2015年水资源公报数据为基础,分析整理了珠江流域各水资源二级区及省级行政区用水总量及主要用水效率指标的历史发展趋势,对于更好的推进最严格水资源管理制度的实施具有一定的参考价值。