近50年?yáng)|江三角洲潮汐運(yùn)動(dòng)的變化研究

秦 震，程梁秋，秦莉真，方擁軍

(1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098；3.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550081)

東江三角洲自20世紀(jì)80年代起，由于大規(guī)模的人類活動(dòng)，如水庫(kù)、水利樞紐建設(shè)和河床采沙，其河床演變過(guò)程一直成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)，相關(guān)研究主要集中在大量的采沙活動(dòng)對(duì)河床變形[1]、防洪和低水位[2-3]以及河段航道整治[4]所產(chǎn)生的影響。20世紀(jì)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(dòng)所引起的河床下切等原因[5]，使得河道納潮容積增加，曾經(jīng)受潮汐動(dòng)力影響小的站點(diǎn)，其潮波運(yùn)動(dòng)的潮動(dòng)力影響變得有所增加。潮汐運(yùn)動(dòng)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(cè)站分布圖Fig.1 Gauging stations in Dongjiang Delta

本文依據(jù)東江三角洲內(nèi)5個(gè)站點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間尺度的實(shí)測(cè)水位資料以及東江上游流量站點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間尺度的實(shí)測(cè)流量資料，利用水文統(tǒng)計(jì)方法和T_Tide調(diào)和分析方法[6-7]來(lái)分析近50 a東江三角洲內(nèi)各站點(diǎn)潮汐運(yùn)動(dòng)的特征變化。對(duì)東江三角洲潮波運(yùn)動(dòng)特征長(zhǎng)時(shí)間尺度的變化研究，不僅對(duì)河道整治、河口生態(tài)防護(hù)等有重要意義，也能為東深供水工程的供水問(wèn)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(jì)80年代后的大規(guī)模人類采沙活動(dòng)主要集中于此。東江三角洲河網(wǎng)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(zhǎng)約為38 km，南支流位石龍-東莞-泗盛圍河段，全長(zhǎng)約為39.5 km，圖1為水文站點(diǎn)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(nèi)的主要的水文控制站，本文研究資料為三角洲內(nèi)5個(gè)主要站點(diǎn)的歷時(shí)水位資料，研究的時(shí)間跨度為1961～2012年，東莞站點(diǎn)由于站點(diǎn)原因，1985年之后的水位資料缺失。所有站點(diǎn)的水位資料均統(tǒng)一到珠江基面，資料來(lái)源于水利部發(fā)布的水文年鑒。

圖2 三角洲各站點(diǎn)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(shí)測(cè)資料分析

根據(jù)水文統(tǒng)計(jì)方法，繪出各站點(diǎn)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(gè)站點(diǎn)，大盛和泗盛潿，其年均水位在時(shí)間跨度內(nèi)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(diǎn)，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(dá)0.6 m。位于南北支流的頂點(diǎn)處，石龍站點(diǎn)水位變化是最劇烈的，1980年之前，石龍站點(diǎn)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(jīng)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(diǎn)水位發(fā)生急劇變化的突變點(diǎn)。圖2-c、2-d為三角洲內(nèi)的南北兩條支流河道，在近50 a沿程的水位變化圖，無(wú)論南支流還是北支流，整個(gè)河段沿程都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中由于南支流的東莞站點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的潮差從1980年前的0.7 m增長(zhǎng)到2010年的1.2 m，潮差增長(zhǎng)幅度達(dá)0.5 m。石龍站點(diǎn)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(shí)間區(qū)域內(nèi)，水位高低的變化與潮差大小的變化呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。由于三角洲內(nèi)的徑潮動(dòng)力主要是以潮動(dòng)力為主，潮動(dòng)力主導(dǎo)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(guān)，下游水位和潮差都沒有明顯變化，新家埔站點(diǎn)水位下降0.6 m而潮差增加0.5 m，石龍站點(diǎn)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(dǎo)致河床高程下降，進(jìn)而水位下降，同時(shí)高程的降低使得河槽納潮量增加，潮汐動(dòng)力增強(qiáng)，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(nèi)地形變化的對(duì)振幅的影響，比因地形變化而潮汐動(dòng)力變化對(duì)振幅的影響更大。1980年前后，此時(shí)間段是東江人類活動(dòng)改變河床地形的初始階段，因此無(wú)論是水位還是潮差變化，趨勢(shì)最明顯。

圖3 石龍站點(diǎn)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(diǎn)位于東江下游處，三角洲的上游處。由于地理位置更靠近內(nèi)陸，大規(guī)模人類活動(dòng)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(zhǎng)率最大，變化曲線也呈現(xiàn)最大的曲率。為進(jìn)一步研究由于河床地形變化而導(dǎo)致前后水位的具體改變，以同一時(shí)間段內(nèi)的水位為研究對(duì)象，將研究數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度依據(jù)年代不同劃分成10個(gè)部分，在分析了各個(gè)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(lái)研究低低潮發(fā)生時(shí)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(zhuǎn)變?yōu)橹饕l(fā)生在大潮期間，而且研究時(shí)間內(nèi)，石龍站點(diǎn)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(gè)潮汐分潮所影響，各主要潮汐分潮的振幅變化會(huì)改變水位在大小潮時(shí)的高低，為了對(duì)三角洲內(nèi)各站點(diǎn)水位變化做出解釋，因此需要對(duì)三角洲內(nèi)各個(gè)站點(diǎn)的主要分潮的變化進(jìn)行分析研究，特別對(duì)于石龍站點(diǎn)，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(shí)間變化的原因。

3 調(diào)和分析結(jié)果及地形變化

3.1 T_Tide調(diào)和方法

在一個(gè)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(shí)刻的水位；A0為一段時(shí)間的平均水位；m為相關(guān)分潮的個(gè)數(shù)；fj為j分潮的交點(diǎn)振幅因子；aj為j分潮在特定地點(diǎn)的振幅；ωj為j分潮的角速度；(v+u)j為j分潮在特定地點(diǎn)的天文參量；gj為j分潮在特定地點(diǎn)的相位遲角；B=ΣBi+errors為其他動(dòng)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(shuō)的對(duì)應(yīng)于j分潮的調(diào)和常數(shù)。潮汐調(diào)和常數(shù)可以給出相應(yīng)地點(diǎn)潮位變化中蘊(yùn)含的分潮波的構(gòu)成情況，能夠比較直觀地反映當(dāng)?shù)氐某毕珓?dòng)力特征，因而求解潮汐振幅和相位遲角是潮汐相關(guān)研究的重要組成部分。

潮汐調(diào)和分析是以潮汐靜力學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)潮汐觀測(cè)資料進(jìn)行分析，計(jì)算潮汐調(diào)和常數(shù)的過(guò)程。而調(diào)和分析能夠求得分潮個(gè)數(shù)和分潮種類則受到數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)間隔的限制，即在調(diào)和分析前的分潮選取過(guò)程中需滿足以下條件。

(1)觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度T0的限制。

ωi-ωj>(360°/T0)

(2)

(2)觀測(cè)步長(zhǎng)△t的限制。

△t≤(Tmin/2)

(3)

式中：ωi、ωj為任意2個(gè)分潮的角頻率；T0為觀測(cè)時(shí)段的總長(zhǎng)度；△t為觀測(cè)時(shí)間間隔；Tmin為選取分潮周期的最小值。

此外，在具體求解調(diào)和常數(shù)的過(guò)程中，最常用的調(diào)和分析方法是最小二乘法，即對(duì)所有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)W(tk)，列方程組求解多組振幅aj和相位遲角gj，使得計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差值的平方最小，

(4)

式中：N為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)。

T_Tide中直接使用了復(fù)代數(shù)和矩陣表達(dá)，考慮交點(diǎn)修正、相關(guān)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(guò)以上2個(gè)滿足條件的判斷過(guò)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(diào)和分析前期分潮選取的工作，因此近些年得到了海洋領(lǐng)域?qū)W者的廣泛認(rèn)可和使用。

3.2 潮成分變化

T_Tide調(diào)和分析方法被廣泛的應(yīng)用于河口地區(qū)的潮汐非線性演變過(guò)程，通過(guò)T_Tide調(diào)和分析推算求得潮汐構(gòu)成的情況，根據(jù)調(diào)和分析所得出的結(jié)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(gè)倍潮M4，還有半月分潮Msf進(jìn)行變化趨勢(shì)分析。圖4-a～圖4-e為各站點(diǎn)主要分潮隨時(shí)間的變化圖，圖4-f石龍站點(diǎn)半月分潮Msf與半日潮M2的比值變化圖。大盛站點(diǎn)(圖4-a)和泗盛圍站點(diǎn)(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(gè)站點(diǎn)最主要的分潮，M2分潮振幅值均是最大，對(duì)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(diǎn)雖然河床地形改變，潮汐動(dòng)力增強(qiáng)，但是由于靠近河口，潮汐分潮沒有受到過(guò)多的影響，還是保持穩(wěn)定的趨勢(shì)，因此這2個(gè)站點(diǎn)的水位沒有表現(xiàn)出明顯的變化。對(duì)于南支流的中上游東莞站點(diǎn)(圖4-d)，由于1985年之后站點(diǎn)資料的缺失，在此處不做過(guò)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(shì)，而之前是主要分潮的K1沒有明顯的時(shí)間變化趨勢(shì)。北支流上的中上游新家埔站點(diǎn)(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(huì)出現(xiàn)占互相超過(guò)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(shì)。

而位于上游的石龍站點(diǎn)，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(guò)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(shí)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(diǎn)的主要分潮變化對(duì)于低低潮發(fā)生時(shí)間的改變有著決定性的作用。眾多學(xué)者對(duì)于東江的研究沒有關(guān)注到石龍站點(diǎn)低低潮發(fā)生時(shí)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(guò)程中，由于其波長(zhǎng)較長(zhǎng)，與半日分潮M2相比衰減的比較慢，故在上游地區(qū)對(duì)水位的影響作用比半日分潮作用大，會(huì)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(lái)的潮汐動(dòng)力增強(qiáng)使得半日分潮在傳播的過(guò)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(lái)的M2，K1和O1的振幅值卻顯得較小，半日分潮M2對(duì)于水位的影響開始占據(jù)主導(dǎo)作用。半月分潮Msf和半日分潮M2是前后時(shí)間段內(nèi)的2個(gè)振幅值最大的分潮，故探究其主導(dǎo)作用的變化，圖4-f為石龍站點(diǎn)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(diǎn)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(biāo)通常有Vs/Vc和a/h[9]，本文選取a/h指標(biāo)來(lái)分析三角洲5個(gè)站點(diǎn)的地形變化情況，選取地形資料已知的年份，a以M2振幅來(lái)指代，h為河道站點(diǎn)的水深。

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

圖5為各站點(diǎn)在不同年份的a/h比值。下游站點(diǎn)大盛和泗盛圍的a/h相比于其他站點(diǎn)處于比較大值的狀態(tài)，主要是因?yàn)檫@2個(gè)站點(diǎn)靠近河口，其主要受潮汐運(yùn)動(dòng)變化主導(dǎo)，故雖然出現(xiàn)明顯的年代變化，但呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的狀態(tài)。而新家埔站點(diǎn)和東莞站點(diǎn)靠近上游，a/h變化相對(duì)很小。對(duì)于石龍站點(diǎn)，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(shì)與分潮a的振幅變化趨勢(shì)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(shí)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(diǎn)的潮動(dòng)力得以增強(qiáng)，同時(shí)減小了由于淺水變形作用而產(chǎn)生的摩擦消耗，潮汐半日分潮M2保持比較好的狀態(tài)到達(dá)石龍站點(diǎn)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(jié)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(duì)于高低水位的決定性作用，分潮振幅的變化又是因?yàn)?0世紀(jì)80年代以來(lái)的大規(guī)模的人類活動(dòng)所引起的河床地形變化而導(dǎo)致。尤其是大規(guī)模的無(wú)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(dòng)影響，所產(chǎn)生的動(dòng)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(lái)的效應(yīng)包括淺水變形作用和摩擦作用的削弱，使得潮汐動(dòng)力能夠向上游傳播的更遠(yuǎn)，曾經(jīng)潮汐動(dòng)力影響較小的站點(diǎn)如石龍，在河床下切和河道加深之后，潮汐動(dòng)力因素作用更強(qiáng)，半日分潮逐漸占據(jù)主導(dǎo)，水位上低低潮的發(fā)生期也由此前的小潮時(shí)期發(fā)展M2為大潮時(shí)期，上游半月分潮Msf的作用得以削弱。

對(duì)于半月分潮Msf認(rèn)識(shí)，不僅能夠解釋近50 a來(lái)東江三角洲石龍站點(diǎn)低低潮發(fā)生時(shí)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。