郭 威，季小梅，陳 婷，張 蔚

(1.河海大學 江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.上海灘涂海岸工程技術研究中心，上海 200061；3.河海大學 疏浚技術教育部工程研究中心，江蘇 南京 210098；4.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029)

潮波沿外海傳入河口近岸海域時，由于地形淺化、徑流等因素影響，河口中的潮波呈現出一定的非穩(wěn)態(tài)特征，水平方向漲落潮流速的變化稱為潮流不對稱[1]。早期Friedrichs[2]提出利用天文分潮M2和淺水分潮M4的相對振幅和相對相位兩個參數，定量說明非線性作用造成潮流變形的程度。后來Nidzieko[3]提出偏度的方法來量化潮流不對稱，并在斯卡吉特河三角洲做了例證[4]，但其研究并未考慮余流對潮流不對稱的貢獻，因此不適用于徑流作用顯著的河口地區(qū)。Song[5]進一步指出，當某一分潮頻率為另一分潮頻率的2倍(ωi=2ωj)或兩分潮頻率之和等于另一分潮頻率(ωi+ωj=ωk)，才能對潮不對稱產生貢獻。李誼純[6]從統(tǒng)計學角度出發(fā)，基于三階原點矩推導了潮流不對稱的偏度公式，合理量化了分潮組合和余流對潮流不對稱的貢獻程度，并將此方法運用于北侖河口。Gong[7]基于Song和李誼純的方法，研究了黃茅海河口的潮流不對稱，指出黃茅海河口具有落潮占優(yōu)的特性。

20世紀90年代以來，珠江三角洲的大規(guī)模采砂導致主要航道深度總體下切0.34～6.48 m[8]，河床的大幅下切增加了河道的納潮量，減緩了潮流沿河道的衰減，導致珠江三角洲的徑潮相互作用顯著增強，潮流不對稱發(fā)生變化，進一步影響珠江三角洲的泥沙凈輸運和地貌演變。本文基于1999年和2010年珠江河口河網地形數據，建立珠江口二維水動力數值模型，考慮到洪季流量大、流速信號分解準確性較低，研究主要聚焦于珠江三角洲枯季(1—3月)水動力過程，利用非穩(wěn)態(tài)調和分析方法分解流速信號，研究珠江三角洲主要分潮變化，采用偏度方法量化分潮組合、余流及分潮和余流相互作用對潮流不對稱貢獻程度，分析河床下切后珠江三角洲潮流不對稱的時空變化規(guī)律。

1 研究區(qū)域

珠江是中國第二大河流，其復雜的幾何形態(tài)是自然過程和人類活動共同作用的結果。珠江的三大支流分別是西江、北江和東江，平均流量為7 124、1 465、719 m3/s，進入珠江三角洲77%的河流流量和90%的泥沙均來自于西江[9]，河網水流通過八大口門流入南中國海。

珠江口潮流為往復流，枯水期潮流界距離口門60～160 km；潮汐屬于不規(guī)則半日潮，M2為主要分潮，其次是K1、O1和S2分潮，西部口門附近的潮差為1.0～1.2 m，東部口門附近的潮差為1.0～1.5 m[10]。為具體分析河床下切后珠江三角洲潮流不對稱變化規(guī)律，本文研究聚焦于珠江三角洲西江(馬口—南華—竹銀—馬騮洲)和北江(三水—紫洞—三善—萬頃沙西)一線的潮汐河道，見圖1。

圖1 珠江三角洲河網及研究河道

2 研究方法

2.1 水動力模型

本文建立的珠江口二維水動力模型由上到下覆蓋了河網區(qū)、河口區(qū)以及口門外近海區(qū)域，網格采用矩形和三角形混接網格，網格步長在50～2 000 m不等，網格數共計56 911個，節(jié)點數共計55 454個。模型的上邊界分別控制到西江高要站、北江石角站、東江博羅站、潭江石嘴站以及流溪河老鴨崗站，下邊界控制到口門外海濱水域的-30 m等深線處，見圖2。

圖2 珠江三角洲模型范圍及網格

模型固定上邊界和下邊界，上邊界高要站、石角站、博羅站采用1984—2012年計算所得的枯季多年平均流量，石嘴站及老鴨崗站缺失相關流量數據，采用常數23 m3/s代替；下邊界潮位使用相同調和常數，利用1999年和2010年珠江河口河網地形數據，模擬水動力過程。

2.2 模型驗證

為說明模型的準確性，根據現有實測水位數據選取1999年枯季及2010年枯季的15個水文站點進行模型驗證；1999年采用站點實測流量過程代替流速過程，驗證時間為1999年7月15日—7月20日；為說明2010年地形的準確性，利用2009年邊界條件，對2009年1月10日—1月11日西江、北江12個流速測點進行驗證。

評估模型精度時采用公式[11]如下：

(1)

圖3 驗證結果

2.3 非穩(wěn)態(tài)調和分析方法

潮波從河口向上游河道傳播的過程中，徑流作用越來越顯著，傳統(tǒng)調和分析T_TIDE認為實測潮位時間序列中只包含潮汐信號，忽略了非潮汐信號的干擾，因而在受徑流影響顯著的上游河道，T_TIDE誤差水平會大幅增加。為克服這一問題，Matte[12]提出了一種非穩(wěn)態(tài)調和分析方法(NS_TIDE)，研究結果表明：對于河口內徑流非平穩(wěn)信號影響顯著的潮汐河道，該方法誤差相對于傳統(tǒng)調和分析T_TIDE有顯著改善[13]。

2.4 偏度方法

研究基于Gong的計算方法，潮流不對稱(FVA：Flow Velocity Asymmetry)偏度計算公式如下：

(2)

式中：ai，j，k、ωi，j，k、φi，j，k分別為分潮振幅、頻率和相位；a0、φ0分別為余流振幅和相位，本文中余流為負值，取φ0=0°。分子第1項代表頻率滿足ωi+ωj=ωk的分潮組合對潮流不對稱的貢獻；第2項代表頻率滿足ωi=2ωj的分潮組合對潮流不對稱的貢獻；第3、4項分別代表分潮和余流相互作用及余流對潮流不對稱的貢獻。本文取落潮流速方向為正，若γ>0，則落潮占優(yōu)，落潮峰值流速大于漲潮峰值流速；若γ<0，則漲潮占優(yōu)，漲潮峰值流速大于落潮峰值流速；若γ=0，則表示流速完全對稱，漲潮峰值流速等于落潮峰值流速。

3 研究結果

3.1 流速時空變化

利用珠江口二維水動力模型模擬珠江河口河網流速過程，得到西江、北江站點逐時流速數據，見圖4。由圖4可知，西江、北江下游河道主要受潮動力控制，如西江馬騮洲站和竹銀站、北江萬頃沙西站和三善站，流速曲線明顯可見大小潮半月周期性變化；中上游河道主要受徑流控制，如西江馬口站和南華站，北江三水站和紫洞站，流速曲線無大小潮半月周期性變化，1999和2010年珠江三角洲西江、北江余流沿程變化見圖5。

圖4 1999、2010年珠江三角洲西江和北江站點逐時流速

圖5 1999、2010年珠江三角洲西江和北江余流沿程變化

由圖5可知，受徑流因素的影響，珠江三角洲余流總體沿上游增大，西江竹銀站河道突然收斂，導致流速急劇增大、余流值略大于上游南華站。河床下切后，西江和北江河道加深，過水斷面面積增大，流速減緩，中上游河道余流明顯減小，馬口站和三水站減小0.08 m/s，南華站減小0.05 m/s，紫洞站減小0.03 m/s；下游河道受潮動力影響較大，余流變化較小，馬騮洲站和萬頃沙西站余流幾乎保持不變，竹銀站減小0.03 m/s?？傮w來說，河床下切后，余流變化在空間上表現為西江干流大于北江干流，珠江三角洲上游河道大于中游河道，中游河道大于下游河道。

3.2 分潮流調和常數時空變化

本文基于NS_TIDE調和分析方法，對1999和2010年珠江三角洲西江、北江站點流速數據進行調和分析，提取K1、O1、M2、S2、M4、MS4共6個主要分潮調和常數，西江、北江的潮流分潮振幅沿程變化及分潮振幅差見圖6，分潮組合相對相位見表1。

注：振幅差ΔA=a2010-a1999，a2010、a1999分別表示2010和1999年的分潮振幅。

表1 1999、2010年珠江三角洲西江和北江站點分潮組合相對相位

由圖6a)、b)、d)、e)可知，珠江口潮流分潮以M2為主，在最下游站點可達0.4 m/s，其余潮流分潮振幅均小于0.2 m/s。由于地形淺化，摩擦及徑流的綜合作用，西支、北支天文分潮K1、O1、M2、S2振幅沿程減小，且M2、S2衰減程度大于K1、O1，最上游站點潮流分潮振幅幾乎為零。西支馬騮洲站至竹銀站，淺水分潮M4、MS4振幅有所增加，原因是竹銀站河道突然收斂，非線性作用顯著增強，極大促進了淺水分潮的生成和發(fā)展，竹銀站至馬口站，摩擦耗散占主導作用，M4、MS4振幅沿程減小。北支中摩擦作用引起的耗散大于淺水分潮的生成，M4、MS4振幅沿程減小。

河床下切后，水深的增加使得河道摩擦作用相對減弱，潮波能量耗散減慢，根據圖6c)、f)對比可知：2010年珠江三角洲西江、北江天文分潮和淺水分潮振幅總體上有所增加，分潮振幅變化在空間上具體表現為西江大于北江、三角洲下游大于三角洲上游。天文分潮中半日潮M2、S2增幅大于全日潮K1、O1，M2分潮增加最為顯著，說明水深增加對半日潮的影響大于全日潮，淺水分潮的增大說明了河網內水深的增加更有利于淺水非線性作用。水深增加后潮波傳播速度加快，各分潮相位發(fā)生變化，導致西江、北江分潮組合相對相位總體上有一定幅度減小，說明分潮組合相位有一定幅度提前，且三角洲上游相位提前幅度大于下游，具體見表1。

3.3 潮流不對稱時空變化

本文主要研究M2-M4、K1-O1-M2、M2-S2-MS4共3個分潮組合以及余流、分潮和余流相互作用對潮流不對稱的貢獻程度，珠江三角洲西江、北江潮流不對稱時空變化見圖7。珠江三角洲徑流作用顯著，余流導致西江、北江潮流不對稱表現出落潮占優(yōu)的特性，落潮流速峰值大于漲潮流速峰值。由圖7可知：西江、北江潮流不對稱沿河道上游先增大后減小，潮流不對稱峰值發(fā)生在西江南華站、北江紫洞站附近，各分潮組合、余流、分潮和余流相互作用對潮流不對稱的貢獻見表2。

圖7 珠江三角洲西江、北江潮流不對稱時空變化

表2 1999年和2010年珠江三角洲西江、北江潮流不對稱偏度分解

根據表2可知：淺水分潮組合M2-M4、M2-S2-MS4均具有漲潮占優(yōu)的特性；天文分潮組合K1-O1-M2在下游河道表現為落潮占優(yōu)，中上游河道表現為漲潮占優(yōu)。原因是潮波向上游河道傳播時，淺水分潮組合相對相位在180°～270°范圍內，相對相位余弦值恒為負值；K1-O1-M2相對相位逐漸超過90°，導致相對相位余弦值由正變負，落潮占優(yōu)轉變?yōu)闈q潮占優(yōu)，分潮組合相對相位值見表1。相對于分潮組合，余流、分潮和余流相互作用對潮流不對稱起著決定性作用，兩者均具有落潮占優(yōu)的特性，隨著徑流的增強和潮波能量的衰減，余流對潮流不對稱的貢獻沿上游河道增加，分潮和余流相互作用對潮流不對稱的貢獻沿上游河道減小，兩者之和在西江南華站、北江紫洞站附近達到峰值，潮流不對稱也達到最大。

由圖7可知，河床下切后，珠江三角洲西江、北江下游河道潮流不對稱有所減小，馬騮洲站和萬頃沙西站偏度值分別減小0.08、0.03；中上游河道潮流不對稱有所增大，南華站、紫洞站增加最為顯著，偏度值分別增加0.12、0.13。將偏度變化值(Δγ=γ2010-γ1999)進行分解，觀察河床下切后各分潮組合、余流、分潮和余流相互作用的變化情況，結果見圖8。

圖8 珠江三角洲西江、北江偏度差值分解

根據圖8，河床下切后，余流的減小導致余流對潮流不對稱貢獻減小，而分潮和余流相互作用對潮流不對稱的貢獻表現出下游河道減小、中上游河道增大的趨勢，且中上游河道分潮和余流相互作用偏度值的增大幅度超過余流偏度值的減小幅度，說明余流的減小更有利于中上游河道的徑潮相互作用，但主要受潮動力影響的下游河道會產生相反的結果。分潮振幅的增加使得各分潮組合對潮流不對稱的貢獻程度在三角洲中下游河道明顯增大，淺水分潮組合M2-M4、M2-S2-MS4漲潮占優(yōu)趨勢有所增強，在三角洲下游河道約占余流及分潮和余流相互作用變化值的10%～20%；K1、O1、M2分潮振幅的顯著增加及分潮組合相對相位的提前，使得三角洲下游河道潮流不對稱變化以天文分潮組合K1-O1-M2為主導，但仍小于余流及分潮和余流相互作用兩者所帶來的變化，因此，珠江三角洲總體表現出下游河道潮流不對稱減弱、中上游河道潮流不對稱增強的趨勢。

4 結論

1)珠江三角洲受徑流影響，余流總體沿上游增大。河床下切后，三角洲余流有不同程度減小，余流變化在空間上表現為西江干流大于北江干流，珠江三角洲上游河道大于中游河道，中游河道大于下游河道。

2)外海潮波進入河口后，潮波能量發(fā)生衰減，西江、北江天文分潮振幅向上游沿程減小，淺水分潮振幅在西江竹銀站有所增強，北江沿程衰減。河床下切后，珠江三角洲西江、北江總體表現出分潮振幅增大和分潮組合相對相位提前的趨勢。

3)珠江三角洲潮流不對稱沿上游河道呈現先增大后減小的趨勢，西江、北江分別在南華站和紫洞站附近達到峰值。河床下切后，分潮和余流相互作用的變化是導致珠江三角洲下游河道潮流不對稱減弱、中上游河道潮流不對稱增強的主要原因。