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《华东师范大学》 2011年
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珠江河口盐水入侵

王彪  
【摘要】:珠江是中国南方的最大河系,径流量全国第二,仅次于长江。珠江径流包括了西江、北江、东江三条主要河流,其中西江是其主干流。三江径流在珠江三角洲汇聚,经三角洲河网分流后由八大口门分流入海,形成独特的“三江汇集,八口分流”的水系特征。改革开放以来,珠江三角洲地区社会经济发展迅速,三角洲地区对环境资源的需求越来越大,其中淡水资源供应逐渐趋于紧张,枯季珠江河口发生盐水入侵,使得淡水供应更为紧缺。本论文依托国家海洋公益项目(项目名称:珠江口咸潮数值预报技术研究;项目编号:200705019)对珠江河口水动力、盐水入侵及其动力机制开展研究。为此,收集、整理了大量的基础数据,主要包括多批次的水文观测资料以及较为完整的河口、河网区的水深、岸线等地形数据。 基于河口盐水入侵强度主要决定于径流量和潮汐这个物理机制,对珠江河口磨刀门水道平岗泵站的盐度、潮位以及上游径流量资料进行了处理、分析,建立了平岗泵站日平均盐度与潮差和径流量的经验统计模型。通过分离短时间尺度潮差变化和长时间尺度径流量变化对盐水入侵的不同影响,按潮差、径流影响的主次逐步回归建立一个盐度-潮差模型和一个盐度-流量模型,从而合成得到盐度统计模型。建立统计模型时,通过潮形标准化以及模型预估修正等,提高了模型精度。本文提出的盐度统计模型建立方法简单,可操作性强,而且物理意义明确,但由于统计模型更多的是从变量间的相关性角度出发,它虽然能得出变量间的定量关系式,但对变量间的内在因果联系揭示的不够。 为了能从动力学上对珠江河口咸潮入侵的活动规律及其物理机制作出解释,建立一个基于河口动力学的数值模式是十分必要的。考虑到珠江河口的复杂地形条件以及盐水入侵在河口区域明显的三维特征,本文基于无结构网格FVCOM模型,在珠江河口建立了一个完全三维的盐水入侵数值模式,模式计算区域包括了整个珠江河网、河口以及邻近海域,模式中较为完整的考虑了径流、潮汐、风、斜压以及陆架环流等各种动力因子作用。模式验证结果表明,实测和模式计算的潮位、断面水通量、断面盐度以及野外船测定点的流速、流向、盐度等吻合良好,说明建立的珠江河口三维盐水入侵数值模式能模拟珠江河口的水动力及盐水入侵过程。 基于这一模式,本文对枯季珠江河口的水动力及盐水入侵过程进行了数值模拟,并针对各主要动力因子设置了敏感性试验。基于数值试验结果,对珠江河口潮汐、潮流、河口环流以及盐水入侵的动力过程及相应动力机制进行了分析。 珠江河口区域及口外浅海陆架海域8个主要分潮的同潮图分析表明,浅海陆架海域潮波总体上自东向西传播,等位相线呈东南-西北走向,进入河口区域,潮波从向西传播,逐渐转为向北,等位相线更加接近东西方向分布。在浅海陆架区域,K1和O1分潮振幅较大,而珠江河口区域则以M2分潮为主,浅水分潮成分很小。珠江河口潮汐属于混合潮类型,潮型系数介于0.8-1.5。珠江河口大潮期间,潮差介于2.2-3.1m,小潮期间减小到0.6-1.1m。 珠江河口潮流特征在不同海区变化有所不同,口外海域潮流较弱,伶仃洋海域潮流较强,虎门处落急流速可达200cm/s。总体上,珠江河口潮流具有不规则半日潮变化特征,在一个大小潮周期过程中,潮流流态在小潮后的中潮期间出现异常,由不规则半日潮转变成不规则全日潮,此时涨潮历时远大于落潮历时。 伶仃洋海域受东北季风影响,存在一个表层向西、底层向东的横向环流。在伶仃洋深槽区域,因潮流和盐度分层的大小潮周期变化,余流也有较为独特的大小潮变化特征,即在小潮期间存在较为明显的重力环流,在小潮后的中潮期间重力环流最强,大潮期间向海余流开始增强(或向陆余流减弱),最终在大潮后的中潮期间向海余流达到最强。受下泄径流、科氏力、盐度锋面以及风等作用,出伶仃洋向西有一股较强的西向沿岸流,这股强流在底层迅速减弱。 对于珠江河口的盐度时空变化,总体上,珠江河口(主要为伶仃洋海域)的盐度随时间变化较不规则,与潮汐、潮流特征相似,在一个大小潮周期中盐度变化总体呈现为不规则半日周期变化,但在小潮后中潮期间出现较为明显的不规则全日周期变化。大小潮周期尺度上,伶仃洋由西至东逐渐出现盐度-潮差相位差。空间分布上,枯季因下泄径流受科氏力以及东北风的作用,珠江河口等盐度线具有沿岸分布特征,即在伶仃洋内总体呈东北-西南走向,出伶仃洋后等盐度线沿西南西-东北东方向向西延伸。伶仃洋中,盐度由西至东逐渐增大,深槽区盐水入侵相对更为明显,而且垂向分层总体上在小潮后的中潮期间最为明显。珠江河口的盐度分布对风应力的变化非常敏感,不同风向的风对珠江河口盐度的影响不同。径流增减使得珠江河口盐水入侵发生相应减弱和增强;相对而言,盐水入侵对径流减小响应比对径流增大响应更为明显。河口盐度对海平面变化相对较不敏感,海平面上升仅在磨刀门等局部区域影响较大。 对于珠江河口磨刀门区域,资料分析表明,磨刀门水道盐水入侵存在异常特征,即盐度峰值与潮差峰值之间存在明显的相位差,半月周期尺度上的盐度峰值主要出现在小潮后的中潮。数值模拟结果分析表明,磨刀门盐水入侵的异常变化规律与洪湾水道关系密切。受地形和东北风影响,洪湾水道成为向磨刀门水道输送盐分的一个重要通道。东北风作用能显著加强磨刀门盐水入侵,但不是盐水入侵异常的根本原因。小潮期间,潮汐动力减弱,东北风作用相对增强,使得洪湾水道盐水入侵更为严重,最终导致磨刀门水道上游段的盐度峰值出现在小潮后的中潮期间。洪湾水道、风应力和潮汐的相互作用,是磨刀门水道盐水入侵异常特征的动力成因。
【学位授予单位】:华东师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P343.5

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