伶仃洋潮流动力及湾口型态关系研究

伶仃洋潮流动力与湾口型态关系研究沈汉堃 陈丽棠 黄希敏 朱三华摘要：伶仃洋的潮流动力特性，受径流与潮汐双重作用，本文通过水动力的数值模拟，探导不同湾口型态与伶仃洋水动力变化关系，研究成果可为伶仃洋河口治理提供科学依据。通过伶仃洋不同湾口型态模拟，还进一步说明珠江水利委员会上世经90制定的原治导线方案在维持伶仃洋潮流动力方面最为合理，更能发挥喇叭型态辐聚效应。关键词： 潮流动力 数值模拟 伶仃洋1序言伶仃洋是广州古海湾残留的水域，是呈喇叭状的河口湾，北部湾头虎门口宽度不足4km，湾口东起九龙半岛，西至澳门，宽65km，湾口至湾头南北纵深60km，海域面积2100km2，其中内伶仃洋1041 km2。伶仃洋的潮汐属于不规则的半日潮混合潮型，潮差一般不足2m，最大仅3m多。水流运动呈往复流。伶仃洋西侧有蕉门、洪奇门和横门三条水道汇入，年均承接珠江流域径流量1742亿m3，占八大口门总泄量的53.4%，沙量3389万t，占八大口门总泄量的47.7%。近100年来，内伶仃洋水下地形基本维持三滩两槽的格局，海区冲淤演变具有西滩外延，中滩扩展、东滩稳定和东、西两槽日渐缩窄的特点。但近20年来，蕉门、洪奇门及横门口门向外延伸较快，湾口型态变化较大，对伶仃洋水域潮流动力产生深刻的影响。本文通过数学模型探导不同的喇叭型态伶仃洋潮动力变化情况。2伶仃洋岸线演变在上世纪80年代以前，伶仃洋的河势发展是以口门自然延伸为主的过程，而80年代以后，则是围垦工程活动为主引起的口门快速延伸， 20年左右内伶仃洋水域面积已减少了约22，但无论是前者或后者，伶仃洋三滩两槽的大格局基本不变。伶仃洋三滩二槽大格局是1901年以后才开始明显形成的。洪奇门出海水道，近百年来随着东北面万顷沙尾滩不断淤长亦向东南延伸，1883年1916年的滩地沿东南延伸速度年均达100m。在1883年海图中，蕉门口外滩地还不甚发育。到20世纪前后，才陆续出现鸡抱沙浅滩、龙穴浅滩和弱沙浅滩等，并不断扩大。从80年代中以来，人类滩涂资源开发工程活动较为剧烈。近20年来，蕉门口围垦总面积约为35 km2，蕉门形成一主一支的格局，蕉门延伸段长约12km，凫洲水道长约5km。万顷沙共围垦的面积约52 km2，蕉门延伸段的右岸线向东南延伸约17km，洪奇门水道左岸线向东南延伸约8km。横门岛以东及以南共围垦约29 km2，横门南槽西侧浅滩共围垦面积约47 km2，淇澳岛周边围垦面积约10 km2。伶仃洋东滩交椅湾和大铲湾开发成陆的面积共44.3 km2，岸线向外平移约2km，两湾之间的岸滩成陆面积为14 km2，占23，岸线向外伸长平移约0.9km。3伶仃洋水动力模型珠江三角洲地区河网交错，入海口门多，水流受潮汐影响显著，在径流与潮汐的共同作用下，研究伶仃洋不同岸线对水文要素影响变化的规律，需要将河网和河口作为一个整体进行研究。河网一维水流模型采用半隐式有限元法，模型上边界到高要、石角、博罗、麒麟咀、老鸦岗、石咀，下边界至珠江三角洲八大口门站，大虎、南沙、冯马庙、横门、灯笼山、黄金、西炮台和黄冲站。二维水流模型是采用正交贴体坐标系，通过压力校正技术计算，模型上边界至黄埔、大盛、泗盛、三沙口、亭角、大陇滘、横门、灯笼山、黄金、横山、石咀，下边界东至伶仃洋东侧的香港半岛、西至黄茅海西侧的鹅头颈，南至外海-40m水深处，计算域内江心洲均按多连通域处理，河道内网格线沿河势延伸，边界网格线贴合边界。一维水流计算非恒定基本方程及汊口连接如下： 式中A代表河道过水断面面积，Q代表断面流量，q代表均匀旁侧入流，Qc代表集中旁侧入流，为Dirac，z代表水位，K代表流量模数，由谢才公式计算。汊口流量连续方程：进出每一汊口必须与该汊口蓄水量的增减相平衡，即 式中，z分别代表汊口的蓄水量与水位，Ac代表汊口的蓄水面积(汇合区面积)，Qi，z分别代表通过i河道断面进出该汊口的流量与汊口水位。水位衔接方程：各汊口相连汊道的水位应相等，即 二维曲线坐标系下水流连续方程和动量方程如下： 式中：v为、方向上的流速，、为垂直面上应力。式中：为紊动粘性系数，表达式为数学模型地形采用1998年2000年测地形图。一二维水流数学模型通过1999年7月、2001年2月和1998年6月等水文组合连续多潮周期的率定与验证，潮位过程的相位计算与实测一致，潮位峰谷值的计算偏差在0.10m以内的单站合格率超过85%；计算流量过程与实测峰谷值的偏值在20%以内的单站合格率超过80%；各河道糙率值在0.0150.034之间。通过验证，水流模拟精度基本满足工程规划精度要求。4不同湾口型态与伶仃洋潮流动力关系研究不同湾口型态对对伶仃洋潮动力变化规律研究，分成三部分，第一部分为研究伶仃洋治导线形成后伶仃洋潮动力变化规律，第二部分研究伶仃洋进一步演变后潮动力变化情况，第三部分研究伶仃洋变成伶仃河潮动力变化规律。本文主要是研究不同湾口型态对对伶仃洋潮动力变化规律，故计算的水文组合是枯季2001年2月。4.1 伶仃洋治导线方案潮位变化规律上世经90年代，珠江委针对伶仃洋海区西滩浅槽淤积严重、不利于泄洪，西滩外延扩张、影响伶仃洋西槽的稳定、制约航运事业的发展等问题，按照维持和稳定伶仃洋海区喇叭型形态和有利于行洪纳潮的治理原则，兼顾航运、灌溉、排水、河口生态环境保护的要求，在研究海区海床演变发展趋势和水沙运动规律的基础上，采用现场资料分析、数学模型、物理模型和遥感信息技术等多种研究手段，提出了伶仃洋河口湾喇叭型方案。东治导线北起交椅湾的沙角，南至大铲湾棚头咀；西治导线从凫洲水道出口南岸至龙穴岛，以弧线连接孖沙尾部，弯向西南至淇澳岛东侧，中间留蕉门延伸段、横门与洪奇门汇合延伸段出口。伶仃洋治导线方案示意见图1。伶仃洋治导线方案实施后虎门口至内伶仃岛潮位流速沿程变化值统计结果见表1。虎门口到内伶仃仃岛散点统计位置示意见图2。计算结果表明，伶仃洋治导线形成后，伶仃洋潮位变化规律均为高潮位升高低潮位降低，潮差增加，潮流动力加强，说明喇叭型湾口会导致辐聚力增加，使伶仃洋潮动力加强。流速变化情况看，由于形成规则的喇叭型河口湾后，上段涨落流速增加，而下段由于上段潮位雍同导致涨落潮流速比降降低，而涨落潮流速降低。 表1 不同岸线方案后伶仃洋沿程潮位流速变化规律 散点潮型水位(m)潮型流速(m/S)1HH1.50 0.08 -0.03 -0.31 涨潮1.28 0.01 -0.02 -0.26 LL-1.11 -0.19 -0.10 0.39 落潮0.77 0.02 0.01 -0.20 2HH1.50 0.07 -0.04 -0.30 涨潮1.11 0.02 -0.02 -0.23 LL-1.11 -0.20 -0.09 0.38 落潮0.90 0.02 0.00 -0.25 3HH1.49 0.06 -0.04 -0.31 涨潮1.16 0.05 0.00 -0.23 LL-1.12 -0.19 -0.08 0.39 落潮0.88 0.04 0.02 -0.24 4HH1.48 0.06 -0.05 -0.31 涨潮1.21 0.05 0.01 -0.30 LL-1.13 -0.17 -0.05 0.41 落潮0.87 0.04 0.01 -0.25 5HH1.46 0.05 -0.07 -0.30 涨潮1.37 0.06 0.04 -0.50 LL-1.13 -0.17 -0.04 0.41 落潮0.96 0.02 0.02 -0.34 6HH1.46 0.05 -0.08 -0.32 涨潮1.09 0.09 0.20 -0.32 LL-1.13 -0.16 -0.02 0.42 落潮0.96 0.03 0.05 -0.34 7HH1.43 0.05 -0.08 -0.32 涨潮0.75 0.13 0.19 -0.15 LL-1.08 -0.14 -0.04 0.40 落潮0.60 0.06 0.09 -0.14 9HH1.36 0.12 0.07 -0.06 涨潮1.08 -0.06 -0.02 0.15 LL-1.16 -0.17 -0.12 0.03 落潮1.23 -0.03 0.02 0.17 10HH1.37 0.12 0.11 0.10 涨潮1.13 -0.15 -0.23 -0.02 LL-1.40 -0.18 -0.22 -0.31 落潮1.25 -0.10 -0.02 0.21 11HH1.36 0.12 0.13 0.19 涨潮1.15 -0.16 -0.21 -0.44 LL-1.52 -0.13 -0.18 -0.28 落潮1.34 -0.13 -0.11 -0.24 12HH1.36 0.12 0.13 0.19 涨潮0.97 -0.08 -0.10 -0.37 LL-1.58 -0.11 -0.16 -0.23 落潮1.12 -0.09 -0.07 -0.27 注：2000年现状； 治导线方案-2000年现状；远景方案-2000年现状；伶仃河方案-2000年现状。 图1 原治导线方案示意图 图2 虎门至内伶仃岛沿程散点位置示意图 图3 远景方案示意图 图4 伶仃河方案示意图4.2 伶仃洋远景方案潮位变化规律伶仃洋进一步演变，喇叭型湾口会进一步缩窄，缩窄的依据以2000年实测伶仃洋海区-5.0m等高线，简称伶仃洋远景方案，该方案示意见图3。伶仃洋远景方案实施后虎门口至内伶仃岛潮位流速沿程变化值统计结果见表1，从此表可以看出，随着远影方案的实施，伶仃洋潮流动力性质发生明显的转变，高低潮位降低，湾顶的涨落潮量减少，说明伶仃洋随着喇叭型河口形成后，潮流动力加强，但这加强是有条件的，喇叭型治导线扩宽率的减少，喇叭型湾口辐聚力降低，摩擦力也降低，但辐聚力降得更多，故导致伶仃洋高潮位降低，湾顶涨落潮量减少，潮流动力有减少的趋势。流速变化情况看，当喇叭型河口湾扩宽降低后，流速变化规律与治导线变化规律一致，只是变化值更大一些。4.3伶仃河潮位变化规律伶仃洋喇叭型湾口进一步缩窄，高高潮位降低，低低潮位降低，此变化规律还属潮汐型河口变化规律，仅是喇叭型扩宽率减少导致辐聚力降低而出现此变化规律，当其变成河道后潮位变化规律又呈现另一规律。从长久时间看，西北江只要有下泄的泥沙，伶仃洋变成伶仃河是毫无疑问的，当变成伶仃河以后，动力会相应发生变化，其潮位变化规律也相应发生改变，为验证此设想，计算了伶仃河方案，伶仃河方案是假设中滩快速发展，伶仃洋变成两条河道（布局如图4），（注伶仃河方案是按上世经80年代以前中滩发育估计的，由于北江建水库导致从凫洲水道下泄进入伶仃洋中滩泥沙的减少，中滩发育速度会降低，内伶仃岛南边淤积没有考虑，也没有考虑淇澳岛内伶仃岛沿线以南岸线变化，故伶仃河格局还值得商榷）伶仃河方案实施后虎门口至内伶仃岛潮位流速沿程变化值统计结果见表1。从计算结果可以知道，当伶仃洋变成伶仃河后，伶仃洋潮位变化规律为高高潮位降低，低低潮位升高，此变化规律为反应了径流动力为主的潮位变化规律，反应此远景方案彻底改变了伶仃洋的潮动力性质，伶仃洋由潮汐动力为主河口湾变为径流动力为主的河道。计算结果还表明当变成伶仃河，从湾口到内伶仃岛沿程涨落潮流速均降低。5 结束语通过水动力数学模型对伶仃洋不同型状岸线的模拟，结果表明，当伶仃洋形成规则的喇叭型湾口后，导致辐聚力增加，高潮位升高低潮位降低，潮差增加，潮流动力加强，随着喇叭型治导线扩宽率的减少，喇叭型湾口辐聚力有所降低，导致伶仃洋高低潮位降低，潮流动力相对减少，此两变化规律均属潮汐型河口变化规律，仅是喇叭型扩宽率不同导致辐聚力不同而出现两种潮位变化规律，当其变成河道河后潮位变化规律又会呈现另一规律，当变成伶仃河以后，动力会相应发生变化，其潮位变化规律为高高潮位降低、低低潮位升高，反映了径流动力为主的潮位变化规律，说明伶仃河方案彻底改变了伶仃洋的潮动力性质，伶仃洋由潮汐动力为主河口湾变为径流动力为主的河道。由此也进一步说明原治导线方案在维持伶仃洋潮流动力方面最为合理，更能发挥喇叭型态辐聚效应。参考资料：1金忠青 N-S方程数值解和紊流模型 南京：河海大学出版社 1989，7 / 7文档可自由编辑打印