珠江河口界面过程及其排洪效应研究

摘要

河口是河流系统与海洋系统之间的界面，具有明显的界面特征。本文在广东省水利厅专项基金《珠江河口界面过程及其排洪效应》和广东省软科学基金《珠江河口排洪方向与路径的战略研究》的支持下，将河口看作典型地理界面，探讨河口界面论的研究内涵，并以珠江河口为具体研究区域，研究河口发育的界面特征，从河口的界面结构、功能和行为等诸方面解析河口界面的适应性与稳定性，着重讨论不同河口界面的水体交换特征及其对洪水的适应方式与适应能力，为珠江洪水寻求合适的排泄方向与路径。 从河口界面的结构与功能的相互关系的角度界定河口界面，并根据河口界面内河流淡水与海洋盐水相互交汇的特点，采用盐度指标，界定河口界面范围为盐度在0.5～30之间的冲淡水区域；其结构包括高度分层、部分混合、充分混合三种形式。从动力地貌学角度将河口界面进一步细分为动力界面、沉积界面及地貌界面等类型，初步探讨了河口界面论的内涵。 末次海侵结束以来，海平面基本稳定的情况下，河口界面的沉积形态主要受泥沙供给速率与可容空间增长速率之比制约，珠江河口不同动力类型的分流河口界面发育表现出一定的阶段性和多样性。由于泥沙供给速率与可容空间变化速率之比的变化，珠江河口界面整体上大致经历的上凹型、直线型和双驼峰型三个阶段，并预测将向单驼峰型发展。近百年来人为活动影响下河口界面适应性降低。 珠江不同类型河口界面的适应性既有联系又有差异，洪季时，磨刀门、虎门河口界面都以径流动力为主，潮周期内的动力适应性表现为密度交界面深度的振荡和混合方式的改变，总体调整空间较小。枯季时，磨刀门河口界面的波浪动力增强，使拦门沙横向发育，向河流-波浪型界面转变。虎门河口界面枯季潮汐动力强劲，伶仃洋段冲刷而狮子洋段淤积，与洪季的冲淤特性相反。在一个水文年内，磨刀门起着单向导管的作用，而虎门河口界面双向输沙，滩槽格局稳定。河口界面对输入界面的物质和能量有渗透、过滤分选与防御功能，适应的方式是多因素的综合调整：在动力上，通过水体混合方式与混合强度、交界面深度的调整以适应径流动力与海洋动力相互作用；对泥沙的适应性包括两个方面：对不同泥沙来源、不同粒径泥沙的综合适应性和对单颗粒泥沙自身理化性质的适应性。在沉积地貌响应方面，既包括河口界面口门水深、河宽、比降等单因素的调整，也包括更大空间尺度的河道曲率、断面形态、曲折系数等综合因素的调整。 珠江河口界面动力类型转换有多种模式：蕉门由潮汐优势向径流优势转变主要是在大洪水的冲决作用下完成的；磨刀门向河流一波浪型转变则是口门延伸过快，波浪动力被动增强的结果；黄茅海由潮汐优势型向波浪优势型转变，既有径流动力减弱的影响，也有海向来沙增多致使纳潮面积减小，潮汐动力减弱的影响。 研究河口界面的适应性，尤其是对洪水的适应性，与河口界面水体混合及水体交换密切相关，而河口水体交换的强度可用界面水体冲洗时间(flushing time)来描述。河口界面以盐度为指标，其体积与以潮区界为上界的潮棱体不一致。在区分这种差异的基础上，基于界面物质守恒，推导了界面冲洗时间的计算公式： 在大规模人为活动之前，洪季磨刀门冲洗时间为1.88T，枯季为6.34T；当口门在人为活动影响下延伸至岛屿遮挡区之外时，洪季冲洗时间为1.79T，枯季为6.15T；虎门河口界面冲洗时间1988年洪季38.13T，枯季为62.42T；2003年洪季为41.31T，2000年枯季为66.64T。 珠江三角洲洪水位异常区域分布于河口界面上边界附近，其水位变化既受上游水量的影响，也受河口界面内水体能量耗散与转化的影响。潮汐并非三角洲河道水位异常的主要原因，西江、北江洪水相互顶托、沟通受阻才是三角洲腹部洪水位异常的主要原因。河口界面对洪水的响应方式可分为排洪、承洪和滞洪，分别用冲洗时间、界面调整空间、水位势能基准面三个指标进行描述。磨刀门等径流优势型河口界面排洪能力较强，但滞洪能力也强，而承洪能力弱；虎门等潮汐优势型河口界面有一定的排洪能力，而水体混合空间大，承洪能力强；同时水体混合充分，既有一定的混合空间，又有一定的混合时间，径流动能更易转化为热能而不是势能，滞洪能力小。因此要充分利用潮汐动力，尤其是落潮动力排洪。针对珠江三角洲网河相互连通相互影响的特点和纵向动力差异，对珠江河口洪水进行纵向防洪分区：在河流动力控制段，宜采用“以防为主”的防洪措施，通过加固堤防提高防洪标准；珠江三角洲网河区上界，采用“防泄兼顾”的洪水对策；河口核心区(河口界面)采用“泄蓄并举”的措施来应对洪水。 并对排洪方向与路径进行如下设计：西北江同时发洪时，充分利用八大口门的排洪能力，以崖门、虎跳门为主要分流口分泄西江洪水，适当控制三水分流比，减轻网河区泄洪压力；当洪峰组合以西江为主，北江为辅时，则选择磨刀门、崖门、虎跳门为主要泄洪口门，同时，适度向东四口门分水以泄洪；当洪峰组合以北江为主，西江为辅时，尽量选择从上游思贤滔向马口分水，同时控制东海水道的分流比，加大磨刀门的泄流量，尽快分泄洪水。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明

第1章绪 论

1.1问题的由来

1.2研究意义

1.2.1科学意义

1.2.2现实意义——为珠江河口洪水寻求合理的出路

1.3关键科学问题与研究目标

1.3.1关键的科学问题

1.3.2研究目标

第2章研究动态、研究内容与方法

2.1研究现状

2.1.1河口研究概况

2.1.2河口水体交换研究现状

2.1.3珠江河口三角洲地区洪水研究现状

2.2研究内容

2.3资料来源与处理

2.3.1实测水文、泥沙数据

2.3.2表层沉积物样品采集与分析

2.3.3地图与遥感影像

2.4研究方法与技术路线

2.4.1研究方法

2.4.2技术路线

第3章河口界面论基本架构

3.1界面理论简介

3.1.1界面概念与结构

3.1.2界面特性

3.1.3界面理论研究现状与评价

3.2地理界面理论框架

3.2.1研究的尺度问题

3.2.2地理界面的研究内容和研究方法

3.3河口的界面特征分析

3.4河口界面论基本架构

3.4.1河口定义、分段及分类研究述评

3.4.2河口界面论的基本概念及理论架构

3.4.3河口界面类型

3.4.4河口界面结构与功能

第4章现代珠江河口界面发育过程及近期演变

4.1现代珠江河口发育过程

4.1.1河口发育的影响因素分析

4.1.2现代珠江河口发育过程

4.2珠江河口界面沉积特征与界面形态

4.2.1河口界面沉积特征

4.2.2.河口界面形态变化及层序地层学解释

4.3珠江河口界面近期演变分析

4.3.1资料来源与分形计算方法

4.3.2计算结果

4.3.3结果分析

4.4小结

第5章珠江河口界面的适应性

5.1河口界面适应性分析

5.1.1河口界面的界定

5.1.2河口界面不同时间尺度的动力适应性

5.1.3河口界面对泥沙的适应性

5.1.4河口界面形态的适应性分析

5.2磨刀门河口界面的适应性

5.2.1数据来源与处理

5.2.2河口界面动力适应性

5.2.3河口界面的泥沙适应性与沉积特征

5.2.4河口界面对动力、沉积的地貌响应

5.3虎门河口界面的适应性

5.3.1研究内容与数据来源

5.3.2河口界面的动力适应性

5.3.3河口界面的泥沙适应性与沉积特征

5.3.4河口界面动力、泥沙适应性的地貌响应

5.4河口界面类型的转换与整体发展趋势

5.4.1潮优型向河优型的转变—以蕉门为例

5.4.2径流优势型向波浪优势型的转变—以磨刀门为例

5.4.3潮汐优势型向波浪优势型转变—黄茅海为例

5.4.4珠江河口界面发育的总体趋势

5.5小结

第6章珠江河口界面水体交换

6.1河口水体交换研究进展

6.1.1河口物质通量研究现状

6.1.2河口水体冲洗时间研究现状

6.2河口界面水体冲洗时间计算方法

6.2.1河口界面内淡水冲洗时间计算方法

6.2.2冲洗时间计算方法合理性分析

6.3不同类型河口界面冲洗时间计算

6.3.1参数列表

6.3.2参数的求解方法

6.3.3虎门河口界面冲洗时间

6.3.4磨刀门河口界面冲洗时间

6.3.5河口水体交换比较分析

6.4小结

第7章珠江河口界面排洪效应

7.1洪水与洪水灾害

7.1.1洪水的定义

7.1.2洪水影响因子与灾害属性

7.1.3河口洪水灾害特性

7.1.4河口洪水灾害研究现状

7.2珠江三角洲洪水治理

7.2.1珠江河口洪水治理现状

7.2.2珠江三角洲防洪指导思想及评价

7.3珠江河口洪水的界面理论解释

7.3.1珠江河口典型洪水比较

7.3.2珠江河口洪水组合特征分析

7.3.3珠江河口洪水成因的界面理论解释

7.4河口界面对洪水的适应性分析

7.4.1河口界面对洪水的瞬时适应能力分析

7.4.2河口界面对洪水的长时间尺度适应能力比较

7.5珠江河口排洪方向与路径规划

7.5.1排洪指导思想

7.5.2珠江河口排洪方向与路径规划

7.6小结

第8章结论与展望

8.1初步构建了河口界面论框架

8.2解析了现代珠江河口界面发育过程与趋势

8.3不同动力类型河口界面适应性的比较研究

8.4不同动力类型河口界面间相互转换机理研究

8.5构建了水体冲洗时间计算方法并进行实例计算

8.6解析了珠江三角洲洪水位壅高的成因，并探讨了排洪方向和路径

8.7研究展望

参考文献

发表论文情况：

参与科研工作情况：

致谢