秦 震，程梁秋，秦莉真，方擁軍

(1.河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京 210098；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098；3.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

東江三角洲自20世紀80年代起，由于大規(guī)模的人類活動，如水庫、水利樞紐建設和河床采沙，其河床演變過程一直成為眾多學者關注的焦點，相關研究主要集中在大量的采沙活動對河床變形[1]、防洪和低水位[2-3]以及河段航道整治[4]所產生的影響。20世紀80年代之前，東江三角洲的河床演變主要還是受自然因素所控制，80年代之后，大規(guī)模人類活動所引起的河床下切等原因[5]，使得河道納潮容積增加，曾經受潮汐動力影響小的站點，其潮波運動的潮動力影響變得有所增加。潮汐運動所表現(xiàn)出的前后特征變化，代表了控制因素的作用大小變化。

圖1 東江三角洲水文觀測站分布圖Fig.1 Gauging stations in Dongjiang Delta

本文依據(jù)東江三角洲內5個站點的長時間尺度的實測水位資料以及東江上游流量站點的長時間尺度的實測流量資料，利用水文統(tǒng)計方法和T_Tide調和分析方法[6-7]來分析近50 a東江三角洲內各站點潮汐運動的特征變化。對東江三角洲潮波運動特征長時間尺度的變化研究，不僅對河道整治、河口生態(tài)防護等有重要意義，也能為東深供水工程的供水問題提供依據(jù)。

1 區(qū)域概況及數(shù)據(jù)

東江下游及三角洲地區(qū)指的是東江博羅以下至獅子洋的區(qū)域，20世紀80年代后的大規(guī)模人類采沙活動主要集中于此。東江三角洲河網區(qū)指的是石龍以下，以潮水控制為主的流域范圍，北面以東江北干流為界，南面以東江南干流為界，西接獅子洋。北干流為石龍-新家埔-大盛河段，全長約為38 km，南支流位石龍-東莞-泗盛圍河段，全長約為39.5 km，圖1為水文站點分布圖。

石龍站、新家埔站、大盛站、東莞站、泗盛圍站是東江三角洲內的主要的水文控制站，本文研究資料為三角洲內5個主要站點的歷時水位資料，研究的時間跨度為1961～2012年，東莞站點由于站點原因，1985年之后的水位資料缺失。所有站點的水位資料均統(tǒng)一到珠江基面，資料來源于水利部發(fā)布的水文年鑒。

圖2 三角洲各站點水位和潮差，兩支流沿程水位變化圖Fig.2 Annual variations of mean water levels and tidal ranges at five stations, the changes in water level along two branches

2 實測資料分析

根據(jù)水文統(tǒng)計方法，繪出各站點近50 a的年平均水位變化圖2-a。從圖中可以看出，位于三角洲下游的2個站點，大盛和泗盛潿，其年均水位在時間跨度內沒有發(fā)生明顯的變化。但是越往上游方向去，到北支流中間新家埔站點，在新家埔可以看出水位從1960年代的均值0.6 m下降到2010年代的均值0 m左右，整體下降幅度達0.6 m。位于南北支流的頂點處，石龍站點水位變化是最劇烈的，1980年之前，石龍站點的水位均值穩(wěn)定在1.2 m，但是到2010前后，水位的均值已經下降到0.2 m，1961～2012平均下降速率為0.02 m/a，但是1961～1985年的下降速率為0.007 5 m/a，1985～2012的下降速率為0.023 m/a，前后下降速率有3倍之差。從圖中也可以看出，1985年前后是石龍站點水位發(fā)生急劇變化的突變點。圖2-c、2-d為三角洲內的南北兩條支流河道，在近50 a沿程的水位變化圖，無論南支流還是北支流，整個河段沿程都呈現(xiàn)下降趨勢。其中由于南支流的東莞站點1985年后資料的缺失，因此圖2-c中的1990 s、2000 s、2010 s的沿程線采用線性插值畫出。

潮差作為水位變化的另一特征，也有明顯的年代變化。圖2-b為各站點歷年潮差變化圖，從圖中可以看出，下游的大盛站和泗盛圍站潮差變化幅度小，基本是一條直線，和各自的水位變化情況類似，也是沒有明顯變化。新家埔站點的潮差從1980年前的0.7 m增長到2010年的1.2 m，潮差增長幅度達0.5 m。石龍站點有著最大的潮差變化0.7 m，變化主要發(fā)生在1985～1990年期間，1990年之后，潮差基本穩(wěn)定。研究時間區(qū)域內，水位高低的變化與潮差大小的變化呈現(xiàn)正相關關系。由于三角洲內的徑潮動力主要是以潮動力為主，潮動力主導下，水位低但是潮差大(如大盛、泗盛潿)，水位較高的但是潮差小(如石龍)，而且水位高低的變化和潮差大小的變化表現(xiàn)為正相關，下游水位和潮差都沒有明顯變化，新家埔站點水位下降0.6 m而潮差增加0.5 m，石龍站點水位下降1.0 m，而潮差增加了0.7 m，主要是由于地形的變化，河床下切導致河床高程下降，進而水位下降，同時高程的降低使得河槽納潮量增加，潮汐動力增強，潮差因此而增大。但是可以看出潮差的增加幅度不如水位的下降幅度，可見三角洲內地形變化的對振幅的影響，比因地形變化而潮汐動力變化對振幅的影響更大。1980年前后，此時間段是東江人類活動改變河床地形的初始階段，因此無論是水位還是潮差變化，趨勢最明顯。

圖3 石龍站點選取年份1月水位變化圖Fig.3 Variations in water level in January in selected years at Shilong

石龍站點位于東江下游處，三角洲的上游處。由于地理位置更靠近內陸，大規(guī)模人類活動發(fā)生前后，石龍的年際水位變化最大，尤其在1980年前后，變化幅度最大，潮差增長率最大，變化曲線也呈現(xiàn)最大的曲率。為進一步研究由于河床地形變化而導致前后水位的具體改變，以同一時間段內的水位為研究對象，將研究數(shù)據(jù)的時間跨度依據(jù)年代不同劃分成10個部分，在分析了各個月份的水位變化情況之后，選取變化明顯的1月份作為代表月份，來研究低低潮發(fā)生時間的變化情況。圖3為1965年開始，5 a為間隔的1月份水位具體變化情況。從圖3-a～圖3-g可以看到，在1965～1995年之間，低低潮主要發(fā)生在小潮期間，到1995年還有此現(xiàn)象的出現(xiàn)，1995年開始，圖3-h～圖3-j可以看出低低潮轉變?yōu)橹饕l(fā)生在大潮期間，而且研究時間內，石龍站點的潮差變化與前文中的描述相一致，1960年代潮差只有很小的0.3 m左右，而到了2010年代，潮差增加到了1 m左右。水位變化受到各個潮汐分潮所影響，各主要潮汐分潮的振幅變化會改變水位在大小潮時的高低，為了對三角洲內各站點水位變化做出解釋，因此需要對三角洲內各個站點的主要分潮的變化進行分析研究，特別對于石龍站點，需要確定低低潮從發(fā)生于小潮變?yōu)榘l(fā)生于大潮的時間變化的原因。

3 調和分析結果及地形變化

3.1 T_Tide調和方法

在一個特定的地方，潮汐引起的水位變化可以表示為

(1)

式中：η(t)為t時刻的水位；A0為一段時間的平均水位；m為相關分潮的個數(shù)；fj為j分潮的交點振幅因子；aj為j分潮在特定地點的振幅；ωj為j分潮的角速度；(v+u)j為j分潮在特定地點的天文參量；gj為j分潮在特定地點的相位遲角；B=ΣBi+errors為其他動力因素或誤差造成的水位變化。在這些參數(shù)中，振幅aj和相位遲角gj就是常說的對應于j分潮的調和常數(shù)。潮汐調和常數(shù)可以給出相應地點潮位變化中蘊含的分潮波的構成情況，能夠比較直觀地反映當?shù)氐某毕珓恿μ卣鳎蚨蠼獬毕穹拖辔贿t角是潮汐相關研究的重要組成部分。

潮汐調和分析是以潮汐靜力學為基礎，根據(jù)潮汐觀測資料進行分析，計算潮汐調和常數(shù)的過程。而調和分析能夠求得分潮個數(shù)和分潮種類則受到數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)間隔的限制，即在調和分析前的分潮選取過程中需滿足以下條件。

(1)觀測時段長度T0的限制。

ωi-ωj>(360°/T0)

(2)

(2)觀測步長△t的限制。

△t≤(Tmin/2)

(3)

式中：ωi、ωj為任意2個分潮的角頻率；T0為觀測時段的總長度；△t為觀測時間間隔；Tmin為選取分潮周期的最小值。

此外，在具體求解調和常數(shù)的過程中，最常用的調和分析方法是最小二乘法，即對所有實測數(shù)據(jù)點W(tk)，列方程組求解多組振幅aj和相位遲角gj，使得計算值與實測值差值的平方最小，

(4)

式中：N為實測數(shù)據(jù)點的總個數(shù)。

T_Tide中直接使用了復代數(shù)和矩陣表達，考慮交點修正、相關分潮和一些自定義的要求，而且加入了描述分潮參數(shù)可靠性的置信區(qū)間，不僅如此，通過以上2個滿足條件的判斷過程，使其能夠分析數(shù)據(jù)的具體情況以最優(yōu)的方式完成調和分析前期分潮選取的工作，因此近些年得到了海洋領域學者的廣泛認可和使用。

3.2 潮成分變化

T_Tide調和分析方法被廣泛的應用于河口地區(qū)的潮汐非線性演變過程，通過T_Tide調和分析推算求得潮汐構成的情況，根據(jù)調和分析所得出的結果，選取主要的日潮Q1和K1，半日分潮M2和S2，以及半日分潮M2的第一個倍潮M4，還有半月分潮Msf進行變化趨勢分析。圖4-a～圖4-e為各站點主要分潮隨時間的變化圖，圖4-f石龍站點半月分潮Msf與半日潮M2的比值變化圖。大盛站點(圖4-a)和泗盛圍站點(圖4-b)是東江三角洲地區(qū)典型的半日潮為主的區(qū)域，位于下游，左接獅子洋，半日分潮M2是2個站點最主要的分潮，M2分潮振幅值均是最大，對于其他的主要分潮，雖然在振幅值上不如M2分潮，但是各自的振幅值也基本保持穩(wěn)定，也就是下游站點雖然河床地形改變，潮汐動力增強，但是由于靠近河口，潮汐分潮沒有受到過多的影響，還是保持穩(wěn)定的趨勢，因此這2個站點的水位沒有表現(xiàn)出明顯的變化。對于南支流的中上游東莞站點(圖4-d)，由于1985年之后站點資料的缺失，在此處不做過多的分析，但也可以看出半日分潮M2自1970年開始出現(xiàn)穩(wěn)步的增大趨勢，而之前是主要分潮的K1沒有明顯的時間變化趨勢。北支流上的中上游新家埔站點(圖4-c),以全日潮K1為主，分潮振幅一直是最大，其他的分潮雖然在不同年份會出現(xiàn)占互相超過的情況，但是與K1振幅值相比都比較小，而且不同于東莞，其半日分潮M2的振幅沒有明顯的變化趨勢。

而位于上游的石龍站點，從圖4-e中可以看出，在1985年之前，半月分潮Msf的振幅值是主要潮成分中最大的值，但是在1985年之后，半日分潮M2和S2，全日分潮K1和O1的振幅急劇增大，并且超過半月分潮，但是半月分潮Msf卻沒有明顯的年際變化，而此變化是發(fā)生在1985年左右，從前文中可以得知低低潮在此時間段也從發(fā)生于小潮期間變?yōu)榘l(fā)生于大潮期間，因此石龍站點的主要分潮變化對于低低潮發(fā)生時間的改變有著決定性的作用。眾多學者對于東江的研究沒有關注到石龍站點低低潮發(fā)生時間的改變，半月分潮Msf也因此被忽視，而半月分潮在往河口上游傳播的過程中，由于其波長較長，與半日分潮M2相比衰減的比較慢，故在上游地區(qū)對水位的影響作用比半日分潮作用大，會出現(xiàn)低低潮發(fā)生在小潮期間[8]。但是，從1980年左右開始，由于人工采沙等行為所引起的河床地形的變化，隨之而來的潮汐動力增強使得半日分潮在傳播的過程中，能量沒有在河床變形之前衰減的快，半日分潮M2振幅得以增大，而半月分潮Msf的振幅雖然沒有太大改變，相比于增大起來的M2，K1和O1的振幅值卻顯得較小，半日分潮M2對于水位的影響開始占據(jù)主導作用。半月分潮Msf和半日分潮M2是前后時間段內的2個振幅值最大的分潮，故探究其主導作用的變化，圖4-f為石龍站點的Msf/M2的比值變化圖，1985年之前，半日分潮M2的振幅較小，低低潮的水位主要是半月分潮Msf所決定，但是在1985年之后，半月分潮Msf的振幅不再是石龍站點的主要分潮，半日分潮M2的振幅急劇增大，低低潮的水位開始變?yōu)榘肴辗殖盡2所決定。

3.3 河床地形的變化

水位的變化受到潮汐分潮的影響，而這些分潮振幅的變化主要由河床地形所決定。河床地形變化的指標通常有Vs/Vc和a/h[9]，本文選取a/h指標來分析三角洲5個站點的地形變化情況，選取地形資料已知的年份，a以M2振幅來指代，h為河道站點的水深。

圖5 各站點a/h比值變化圖Fig.5 Variations of morphologic parameters a/h at five stations

圖5為各站點在不同年份的a/h比值。下游站點大盛和泗盛圍的a/h相比于其他站點處于比較大值的狀態(tài)，主要是因為這2個站點靠近河口，其主要受潮汐運動變化主導，故雖然出現(xiàn)明顯的年代變化，但呈現(xiàn)出上下波動的狀態(tài)。而新家埔站點和東莞站點靠近上游，a/h變化相對很小。對于石龍站點，1972年的a/h值是1964年的幾乎4倍，1988年的值是1972年的2倍多，2002年相比于1988年的值則沒有很大的變化。a/h值的變化趨勢與分潮a的振幅變化趨勢相一致。1964～1972年，分潮振幅上可以看出半日分潮M2沒有明顯的變化，而1972年的a/h值卻是1964的幾乎4倍，故主要原因是河道水深變淺，變化原因可能是由于泥沙自然淤積。而1972～1988年的改變，則考慮到人工采沙的影響。雖然人工采沙降低了河床高程，水深增加，但是同時由于水深的增加，河床納潮量增大，從而使得潮汐能夠更平穩(wěn)的上溯，各站點的潮動力得以增強，同時減小了由于淺水變形作用而產生的摩擦消耗，潮汐半日分潮M2保持比較好的狀態(tài)到達石龍站點的上游，因此其振幅值的增加比1985年之前增加了4～5倍，而水深沒有出現(xiàn)4～5倍數(shù)的增加，故1988年的a/h的值只是變?yōu)?972年值的2倍。

4 結論

東江三角洲水位和主要分潮振幅的變化，體現(xiàn)了振幅對于高低水位的決定性作用，分潮振幅的變化又是因為20世紀80年代以來的大規(guī)模的人類活動所引起的河床地形變化而導致。尤其是大規(guī)模的無序人工采沙，之前在自然狀態(tài)下的泥沙沖淤突然受到人類活動影響，所產生的動力因素變化是非常巨大的。河床地形的下切使得航道加深，而這帶來的效應包括淺水變形作用和摩擦作用的削弱，使得潮汐動力能夠向上游傳播的更遠，曾經潮汐動力影響較小的站點如石龍，在河床下切和河道加深之后，潮汐動力因素作用更強，半日分潮逐漸占據(jù)主導，水位上低低潮的發(fā)生期也由此前的小潮時期發(fā)展M2為大潮時期，上游半月分潮Msf的作用得以削弱。

對于半月分潮Msf認識，不僅能夠解釋近50 a來東江三角洲石龍站點低低潮發(fā)生時間的變化，也能夠更清楚地了解半月分潮Msf在河段上游的影響。