磨刀門腔縱向逐時咸界的動態分布

河口是河流和海洋之間的交匯處。咸潮入侵是河口地區常見的自然現象之一。隨著社會的發展,河口地區的經濟活動越來越豐富,由于咸潮入侵對社會生產和生活帶來的影響和經濟損失也是愈加嚴重。在珠江三角洲地區,由于河網縱橫交錯,水源地密布,也經常遭受周期性活動的咸潮侵襲。尤其是近10年來,珠江河口咸潮的高頻度、長時間和遠距離上溯,對社會、經濟和環境的發展產生了極大的影響。面對這種愈演愈烈的咸潮入侵現象,全面深入了解咸潮入侵的變化規律以探討影響其變化的主要動力因素具有重要的理論和實際意義。珠江水系主要包括西江、北江、東江及珠江三角洲諸河水系四部分,其中西江是珠江的主干。西江干流進入珠江三角洲網河區后在天河以下稱西海水道,百頃頭以下則稱磨刀門水道。磨刀門是典型的河優型河口,其徑流的季節性變化十分明顯,在年內經歷從徑強潮弱到徑弱潮強的變化過程。在洪季,其徑流量超過全年的75%,而枯季西江流量基本不超過6000m3/s。磨刀門河口的潮汐為不正規半日混合潮型,其潮差平均為1m左右,口外潮汐動力變化相對較小。西江的咸水界一般位于掛定角至燈籠山之間,其變化受多種因素共同影響,包括徑流動力、潮汐動力、地形地貌改變和海平面變化等不同因素均影響其變化趨勢。在近10a的發展趨勢來看,磨刀門水道咸水界有明顯上移的態勢。1磨刀門水化廠近表層鹽度測定本文研究區域是西江馬口站以下西江干流,主要集中在磨刀門水道百頃頭以下至掛定角之間的區域。該區域的主要特征是水道比較順直,大體呈一字形走向,因此可以把該研究區域簡化為理想的一維模型。同時選取磨刀門水道上的8個典型水廠/水閘的近表層實測鹽度數據作研究,測站從上游至下游依次為:稔益水廠、全祿水廠、平崗泵站、竹排沙、馬角水閘、聯石灣水閘、燈籠水閘和大涌口水閘。以最上游的稔益水廠以上2km百頃頭作為零點標準,下游各測站距百頃頭的距離依次為:2km,11.2km,25.2km,35km,36.6km,41.3km,45.5km,47.1km,研究區域至大涌口以下2km處的掛定角水閘結束。各定點觀測站點分布見圖1。研究的時間為2007年11月10日(農歷十月初一)-2007年12月25日(農歷十一月十六)。2磨刀門瞳的整體運動軌跡分析對于珠江三角洲磨刀門水道的咸潮入侵,前人的工作多采用對各個測站單獨分析的方法,比如對各個站點含氯度變化的最大值和超標歷時等方面進行研究。這些研究方法一般側重于短期變化,如一周或半月內的含氯度變化特點。而對一個月以上長周期的研究成果較少,也沒有從整個空間場的角度對咸潮入侵的變化特征進行研究的成果。本文采用逐時咸界空間插值的方法,將孤立的各站點測量數據轉換成為逐時的鹽水整體分布場,從鹽水的時空變化過程來討論其運動規律。以稔益水廠以上2km處的百頃作為零點,各測站從上游至下游依次編號為1、2、…、8。圖2為某日磨刀門水道24h的整體咸界分布圖。圖2中底坐標三角符號表示磨刀門水道縱向各測站空間分布點,左側的0~24表示該咸界分布圖時間,每一時刻從左到右的4種鹽度等值線分別表示0.5‰、2‰、5‰、8‰咸界上溯位置,區域內顏色越深表明鹽度值越大,咸潮強度越強。從圖2中,可以直觀地看到近表層鹽水在磨刀門水道中的運動狀態。本文總共繪制了46d共1104個時刻的逐時咸界圖。為了研究鹽水入侵在時空變化過程中的運動規律,需要從咸界圖中找出鹽水在不同時間的上溯距離,再結合潮位的變化,以此來分析和計算鹽水上溯距離與時間和潮位之間的關系。由于一般生活飲用水以氯化物質量濃度低于250mg/L(鹽度約為0.5‰)作為界線,因此,以下討論的鹽水入侵運動規律主要針對0.5‰鹽度鹽水上溯距離來分析。利用咸界圖通過整體分布空間場變化來研究咸水上溯規律,其優點主要在于:(1)變孤立的站點分析為整體的場分析。考慮磨刀門水道比較順直的地形特點,把研究區域簡化為一維的理想模型以后,可以方便清晰的展示出磨刀門水道在時空上的咸界變化情況。(2)由于受到潮汐動力、入海徑流等因素的影響,鹽水整體分布空間場能夠直觀反映出潮汐、徑流以及風力風向等對咸潮入侵的共同作用結果。(3)圖示信息量大。鹽水整體分布空間圖可以直觀清晰的表達出多種信息,如咸界上溯位置、咸潮強度、站點分布狀況等信息。(4)提供了一種新的咸潮分析思路和方法,可單獨或綜合地分析咸潮變化和不同動力因子的響應關系,從多角度對咸潮入侵進行研究。3.月內咸界隨潮差變化特征圖3為2007年11月10日(十月初一)-2007年12月25日(十一月十六)三灶站潮位過程線和0.5‰咸界上溯距離逐時變化的疊加圖。為了反映鹽水上溯過程,將咸界圖中的距離坐標轉換,即從磨刀門水道的下游大涌口水閘向下1.9km為零點,向上游計算出鹽水上溯的距離。從圖3中可明顯看出:(1)咸界的變化和潮汐同樣具有日周期和半月(朔望)周期波動的規律。在日周期上,咸水運動同潮位變化周期相對應,但是其響應時間會滯后約5h。另外,咸水運動的半月周期上兩個峰值或谷值的間隔時間也與天文大潮周期相同。但和潮汐半月過程線中小潮至大潮歷時、大潮至小潮歷時基本對稱所不同的是,咸界變化過程中上溯歷時短而下移歷時更長。以農歷十月為例,咸界從谷值至峰值的上溯歷時平均約需6d,而從峰值至谷值的下移歷時則需10d左右。(2)在每個月包含的兩個半月周期中,咸界的變化特征也有所不同,主要體現在咸界下移過程線的變化。例如農歷十月和十一月的上旬,咸界的變化均是逐漸震蕩下移,但在十月的下半月周期中,0.5‰咸界上溯距離在十月十八日降至8km之后即開始2次上溯,至十月二十日重新上溯至36.5km左右達到一個小峰值,此后再繼續回落,至十月二十三日跌至波谷1.5km左右。同時,下半月周期出現的咸水2次上溯過程中,日內咸界波動幅度明顯放大。在上半月周期的咸界日內波動范圍一般不超過15~18km,但在下半月中潮期間有3~4d出現2次上溯過程,其日內咸界震蕩幅度可達24km左右。(3)在咸界變化過程中,雖然其周期同潮汐半月周期基本一致,但其相位卻有較大區別。咸界的谷值并非出現在大潮或小潮時,而是出現于大潮向小潮轉變時的中潮。在小潮期間,咸界開始不斷上溯,其峰值也并非對應于小潮潮差最小時,而是出現于小潮后的中潮。其峰值和谷值皆滯后于小潮和大潮。由此,可得出半月周期上,咸潮入侵強度變化的規律為:咸潮上溯最強為小潮之后的中潮,而咸潮下移最遠則出現于大潮之后的中潮。(4)為了反應咸界運動與大潮小潮的關系,本文作出了每日最遠咸界隨潮差變化的曲線圖,如圖4所示。圖中3段曲線分布表示從農歷十月一日到十一月十六日的三個半月潮,箭頭標示為時間過程方向。可見,在一個半月潮周期里,咸界最遠上溯距離基本跟隨潮差變化呈現一環形曲線。但是由于上半月和下半月的潮型有所不同,咸界曲線形狀也有差異。在十月上半月和十一月上半月,咸界曲線基本呈現圈形。該曲線表示的時間變化過程為:當潮差較大時,咸界迅速下移;至中潮時,咸界降至最小值;隨著潮差繼續減小,咸界重新上升;小潮過后潮差開始增大,而咸界距離維持在最高位;當大潮開始后,咸界又開始下降,從而完成一個周期的往復運動。而十月下半月咸界運動曲線呈勺形,和上半月的圖形差異主要在于勺把處,表示在大潮過后的中潮期,咸界具有下降后再二次上溯的過程,但是這次上溯的強度和距離均不及上一次的峰值。4月內咸界運動同潮位的變化利用逐時咸界圖方法,對磨刀門水道沿程8個站點的逐時鹽度數據進行空間插值,可以直觀的顯示咸界在時空上的變化過程,從而分析鹽水在磨刀門水道的運動規律。通過咸界上溯距離和潮位變化過程的對應分析,可以得出如下結論:咸界運動同潮位變化在逐日和半月時間上具有相同的周期,但是兩種周期上均有一定的相位差異。在半月周期上,大潮時咸水下移,小潮時咸水