珠江河口潮波传播过程的系统响应特征研究

摘要

珠江河口是一个大尺度河口系统，径流、潮汐等动力相互作用的过程和机制极为复杂。采用不同的方法，从不同的角度去研究和探讨珠江河口区复杂的动力过程，可以帮助我们更好的认识珠江河口动力过程和现象。本文将现代系统控制理论的方法(CARMA系统模型)应用到径流影响下的河口潮波传播过程系统响应特征研究。经过系统辨识得到了2001年2月枯水期珠江河口59个站点的潮位对外海潮波的单输入单输出系统响应模型，以及1999年7月洪水期65个站点的潮位对上游径流和外海潮波的双输入单输出系统响应模型。
　　 本文通过对河口潮波系统响应模型做进一步的系统特征研究，得出珠江河口在枯水期和洪水期分别有48和35个站点附近水域的固有频率(周期)，对应频率为2～4cpd，周期为6～12h。河口对接近固有周期的分潮波比其它周期分潮波输出响应振幅值高，对部分站点固有周期进行了多组正弦波的输入输出验证和数值模拟检验，表明周期接近固有周期的正弦波响应输出最大，验证了河口潮波系统存在固有频率，并可通过系统频域响应中增益响应峰值所对应的频率来确定。
　　 珠江河口潮波系统输入单位阶跃函数后，在时域表现为经过一定震荡调整，系统都能达到稳定。枯水期珠江河口基本为潮汐动力控制，调整时间为10～35小时，时域稳态值在0.8～1.9m之间；洪水期受径流影响，河口潮波系统更容易达到稳定，调整时间为5～15小时，网河区中上段水位过程为径流控制，潮波时域响应稳态值仅为0～0.2m，口门、河口湾以潮汐动力为主，稳态值逐渐增大到0.9～1.4m。珠江河口潮波系统对单位阶跃函数的时域响应过程中，多数站点都出现响应峰值，枯水期响应峰值在0.7～2m之间，洪水期多介于0.3～1.8m。
　　 K1分潮代表的全日分潮枯水期的频域增益响应幅值为0.5～1.1，洪水期为0.1～1.6。M2分潮代表的半日分潮增益响应值枯水期和洪水期分别为0.6～1.4和0.1～1.8。增益幅值空间分布均表现为口门及河口湾增益幅值较大，三角洲网河区增益幅值较小，西江干流对两个周期潮波增益响应值是最小的区域。河口各站点与外海传入潮波调和常数的振幅比值和迟角差，与河口潮波系统频域响应增益幅值和相位差分别呈显著相关；采用2-D ECOMSED模型分别模拟了M2和K1分潮在珠江河口传播过程，表明分潮振幅变化与系统增益幅值变化基本一致。
　　 系统控制论的CARMA模型研究河口潮波动力的传播变化，得出河口潮波系统响应特征。它不需对河口地形、动力过程等进行概化及参数化，直接从河口潮波系统的输入输出入手研究河口对不同周期潮波的响应输出，因此在使用上也更方便。在受径流影响的河口水文预报中，可以把径流等动力因素作为控制变量考虑进来，是具有一定应用价值的河口水文预报方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引言

1.1问题的提出及其研究意义

1.2国内外相关研究进展

1.3资料与方法、技术路线

第二章 研究区域概况

2.1地形特征

2.2气候特征

2.3径流特征

2.4潮流潮汐特征

第三章 资料初步分析和系统控制论方法介绍

3.1枯水期水文资料分析

3.2洪水期水文资料分析

3.3珠江河口潮波性质分析

3.4系统控制理论方法

3.5小结

第四章 枯水期珠江河口潮波传播过程的系统响应特征研究

4.1枯水期系统模型构建

4.2枯水期时域响应特征

4.3枯水期频域响应特征

4.4小结

第五章 洪水期珠江河口潮波传播过程的系统响应特征研究

5.1洪水期系统模型构建

5.2洪水期潮波系统时域响应特征

5.3洪水期频域响应特征

5.4小结

第六章 珠江河口系统响应特征与调和常数比较

6.1实测资料的调和分析

6.2枯水期系统响应特征与调和分析结果的比较

6.3洪水期系统响应特征与调和分析结果的比较

6.4小结与讨论

第七章 不同周期潮波传播的数值模拟结果与系统响应特征比较

7.1数值模型构建

7.2固有频率响应的数值模拟验证

7.3 M2分潮波模拟结果分析

7.4 K1分潮波模拟结果分析

7.5小结

第八章 基于CARMA模型的潮位过程预报

8.1磨刀门概况

8.2 CARMA模型参数辨识

8.3逐时潮位预报与检验

8.4 CARMA模型与其它方法预报结果的比较

8.5小结

第九章 结论与讨论

9.1主要结论

9.2讨论

参考文献

附录 ECOMSED模型介绍

致谢

攻读博士学位期间发表学术论文情况