基于視野的虎門山地貌動(dòng)力學(xué)分析

基于視野的虎門山地貌動(dòng)力學(xué)分析

珠江三角洲是中國的最大河流三角洲，也是中國河網(wǎng)和河口灣的獨(dú)特一部分。連接這兩條河流的是珠江的每個(gè)分支的河口。珠江三角洲并不是經(jīng)典的吉爾伯特型三角洲,也不是密西西比河那種以河流作用為主的進(jìn)積型三角洲,其分流河口發(fā)育與徑流及潮流的相對(duì)強(qiáng)弱有關(guān)。珠江河口8個(gè)口門之中只有虎門、崖門具有潮汐通道的特征,現(xiàn)以虎門為例,通過現(xiàn)場調(diào)查1)(圖1),以多學(xué)科綜合理論和數(shù)值模擬等方法,對(duì)虎門的地貌動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行較系統(tǒng)的分析,以加深對(duì)以潮汐作用為主的河口的沉積、地貌動(dòng)力學(xué)過程的認(rèn)識(shí),也為當(dāng)前區(qū)域的開發(fā)整治提供一定的科學(xué)依據(jù)。1虎門衛(wèi)氏的雙向射流系統(tǒng)1.1遠(yuǎn)臺(tái)山-虎灘沉積相往復(fù)水流通過峽口是雙向射流產(chǎn)生的邊界條件?；㈤T峽口兩岸為基巖丘陵,如西岸的大角頭島,東岸的威遠(yuǎn)島、仙屋島等。從小虎島到沙角長約10km,最窄處為大虎斷面(南北臺(tái)至威遠(yuǎn)炮臺(tái)山,3.1km)?；㈤T峽口呈NW-SE走向,它的上下游分別是較寬闊的獅子洋和伶仃洋,海心沙在20世紀(jì)初出灘后,獅子洋南部水域變窄,大虎島向北的漲潮水流受兩岸固體邊界影響存在壁面邊界層區(qū),發(fā)育著附壁射流;鳧洲水道形成后,落潮射流體的射流口位置由虎門斷面下移到雞抱沙至交椅角斷面(圖1中A3站位斷面寬3.0km)。根據(jù)2000年枯季和2004年洪季觀測(A1—A2—C—A3—A4),無論是橫斷面的寬度B,還是斷面的面積S(據(jù)1∶30000的地圖),都呈現(xiàn)出“大—小—大”的變化趨勢(圖2)。1.2全潮下的流場特征首先分析、對(duì)比2000年枯季(1月15日10點(diǎn)—1月16日10點(diǎn))和2004年洪季(7月30日12點(diǎn)—7月31日12點(diǎn))縱斷面25h潮流特征。由于各站點(diǎn)位于川鼻水道區(qū)域,其潮流特征表現(xiàn)為往復(fù)流,分別計(jì)算各層的漲潮、落潮、全潮平均流速(圖3)。無論是洪季還是枯季,在射流口的上下游發(fā)育著雙向射流,斷面的流速最大值出現(xiàn)在射流口A3附近;同一站位落潮流速大于漲潮流速,流速向上游和向下游遞減的速率并不一樣,這說明了虎門口射流的雙向、不對(duì)稱特點(diǎn);而在全潮平均意義下,洪季由于強(qiáng)大的徑流動(dòng)力表現(xiàn)為落潮優(yōu)勢,而枯季因密度不同的河口沖淡水與外海高鹽度水由于水平梯度力(正壓力)與密度梯度力(斜壓力)不平衡引起的垂向密度環(huán)流可沿深槽進(jìn)入射流系統(tǒng)(圖4),從而增加了虎門射流的復(fù)雜性。2004年由于A4站位有大型船隊(duì)進(jìn)出,站位較2000年枯季的向西北移動(dòng)1km,距雞抱沙淺灘較近,全潮平均的流場可能有補(bǔ)償性向陸余流的性質(zhì)。應(yīng)用ECOMSED三維斜壓近海海洋動(dòng)力沉積模式(EstuarineCoastalOceanSedimentaryMode),采用曲線網(wǎng)格技術(shù),結(jié)合1998年的實(shí)際水深和1999年7月航次的水文、泥沙等資料,對(duì)黃埔—內(nèi)伶仃區(qū)域進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)果表明,漲潮過程中,最大流速分布在大虎斷面和A3站位斷面,可達(dá)1.8—2m·s-1,向上發(fā)育著附壁射流;落潮過程中,最大流速在A3站位斷面,可達(dá)2—3m·s-1,較漲潮流為大,可能是由于洪季徑流量較大,鳧洲水道作為蕉門主干,大量的水沙加入虎門射流體。A3斷面的東側(cè)發(fā)育著自由射流,而西側(cè)因雞抱沙的影響發(fā)育著附壁射流。珠江三角洲長周期動(dòng)力-形態(tài)模型PRD-LTMM研究發(fā)現(xiàn),具有一定寬度、兩邊均是基巖山丘的峽口(虎門口),如果峽口的走向與主要漲落潮流方向一致,就會(huì)發(fā)育強(qiáng)大的雙向射流體系(“峽口效應(yīng)”)。1.3全大能量參與了峽口區(qū)域由于虎門口上下游都是開闊的水體,斷面寬度有一定的放寬率;同時(shí)斷面槽床容積也有較大的放寬率,無論漲潮還是落潮,潮汐的巨大能量,包括動(dòng)能與位能,都集中到峽口區(qū)域。峽口內(nèi)射流口處能量聚集程度最高,即使在中潮(平均潮差1.6m)環(huán)境中,也能產(chǎn)生遠(yuǎn)比一般河口更為強(qiáng)烈的射流(局部流速可達(dá)2—3m·s-1),半潮平均流速也可超過50cm·s-1,所以在數(shù)千年的歲月中,虎門發(fā)育著強(qiáng)大的紊動(dòng)的雙向射流體系;正壓力較斜壓力大一個(gè)數(shù)量級(jí),表明射流在動(dòng)力上主要是由漲落潮時(shí)的正壓力所驅(qū)動(dòng)。2金針菇地區(qū)為內(nèi)射流動(dòng)力下的東南角結(jié)構(gòu)通過洪、枯季實(shí)測資料和射流理論得知,虎門口射流表現(xiàn)為紊動(dòng)的性質(zhì)。由于“門”的附近存在著強(qiáng)大的射流,而兩岸的基巖山丘抗沖蝕能力強(qiáng),潮流不斷地沖蝕峽口槽床,形成深槽(川鼻水道最深處達(dá)33m);而雙向射流影響范圍可達(dá)數(shù)公里以至更遠(yuǎn),漲、落射流體發(fā)展過程中流速逐漸降低,所挾帶的泥沙最終逐步有規(guī)律地沉積下來,在“門”的上、下游一定的位置(口門寬度的4—6倍距離)沉積物逐步沉積,形成南北兩個(gè)水下堆積體。堆積體頂部水深較小,從而形成馬鞍狀縱剖面,馬鞍形的中部下凹處就是虎門峽口的位置。深槽沖刷出來的物質(zhì)(為晚第四紀(jì)沉積物,以中、粗砂為主)隨漲、落潮搬運(yùn)至峽口內(nèi)、外海灣,沉積形成由放射狀潮成沙脊組成的“漲潮三角洲”(在獅子洋)和“落潮三角洲”(在伶仃洋)堆積體。漲潮三角洲為海心沙、沙仔和西大坦一片堆積體,落潮三角洲為伶仃攔江沙、舢板沙、交椅沙、公沙等堆積體,它們的形成與雙向射流動(dòng)力相對(duì)應(yīng)。這些沙體奠定了該區(qū)現(xiàn)代三角洲沉積的基礎(chǔ)。攔門沙地質(zhì)鉆孔資料分析表明,松散堆積物粒度分布在垂向上自下而上由細(xì)變粗(砂質(zhì)淤泥→中粗砂);在從陸向海的水平方向上,則由粗到細(xì)地變化(中粗砂→砂質(zhì)淤泥)。這種沉積物組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),與射流動(dòng)力體系是相吻合的。根據(jù)歷史長周期動(dòng)力形態(tài)模型(PRD_LTMM)結(jié)果畫圖,虎門峽口區(qū)域在縱向上表現(xiàn)為“馬鞍型”斷面(圖5)。從過去3500年間虎門峽口區(qū)的垂直縱斷面得知,虎門峽口區(qū)泥沙淤積少,水深變化最小;而距上、下游射流口一定距離后,泥沙淤積嚴(yán)重,水深變化較大,水下地形逐漸隆起,發(fā)育著上、下游兩個(gè)攔門沙。因此,虎門的地貌動(dòng)力、地形和區(qū)域沉積特征具有歷史繼承性,它對(duì)區(qū)域地貌的形成、演變起著節(jié)點(diǎn)作用。3基巖峽口的熱輻射(1)虎門的峽谷地形與珠江三角洲的歷史演變,使它在地貌動(dòng)力學(xué)上具有雙向射流特征,它是網(wǎng)河區(qū)和河口灣的通道和節(jié)點(diǎn),對(duì)區(qū)域地貌的形成有重要影響。(2)珠江三角洲長周期動(dòng)力形態(tài)模型(PRD-LTMM)和現(xiàn)代野外水文觀測、現(xiàn)代地形下的ECOMSED三維斜壓數(shù)值模擬等大量的資料表明,在數(shù)千年的歲月中,即使在中潮環(huán)境中,由于基巖峽口的“門”及上下游都有一定的放寬率,無論是漲潮還是落潮,大量的水體和潮能在峽口附近聚集,形成一種主要是正壓驅(qū)動(dòng)、較普通河口射流強(qiáng)度較大的強(qiáng)迫性的射流。由于近期強(qiáng)烈的人類活動(dòng),特別是虎門口內(nèi)和口外大面積的圍墾,造成“門”上、下游邊界展寬率減小和獅子洋、伶仃洋容積的大幅度萎縮,對(duì)虎門射流性質(zhì)和射