人工采沙及航道整治对珠江三角洲水流动力条件的影响
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人类活动改变了河床底部边界条件, 增强了航道网内的水流动力所造成的。
表 2 思贤 马口站年平均潮差( 单位: m)
年份 91
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思贤 0. 32 0. 32 0. 32 0. 33 0. 32 0. 43 0. 34 0. 43 0. 48 0. 46 0. 46 0. 5 0. 49 0. 55 0. 55
2008 年 9 月 文章编号: 0559 9350( 2008) 09 1098 07
水利
SHUILI
学报
XUEBAO
第 39 卷 第 9 期
人工采沙及航道整治对珠江三角洲水流动力条件的影响
张 蔚1, 严以新1, 诸裕良1, 杨明远2
( 1 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏 南京 210098; 2 广东省航道局, 广东 广州 510150)
摘要: 本文借助数值计算, 运用 三级联合解法 对圣维 南方程 组进行 求解, 对 1990 年和 2005 年实测 地形条 件下珠
江三角洲动力条件进行复演, 研究了在高强度、大范围人工采 沙和航道整治等人类活动 作用下, 三角洲航 道网内部
水流动力条件的变化。研究结果表明: 由于河床的下切, 导致 同流量水位下降明显, 一级分流节 点思贤 站的百年
表 1 高要- 虎跳门河段断面面积变化比较( 单位 :m2)
1990 年 2005 年 变化率( % )
高要- 马口
3081 4740 53. 85
7587 11187 47. 45
马口- 天河
8657 17172 98. 36
10072 15196 50. 87
天河- 百倾头
3156 4329 37. 17
对珠江三角洲航道网在 1990 年地形和 2005 年地形条件下分别进行数值模拟。由于珠江水系范围 较大, 同步测量条件有限, 目前只有西、北江在 1999 年有过大范围同年的测图。因此本文中提及的 1990 年地形是指主干河道在 1990 年及其之前测得的地形, 同样, 2005 年地形是指集中在 2004~ 2006 年测得 的地形, 航道网中少部分支流用 20 世纪 90 年代以后的地形代替。为了让研究的问题具有代表性, 作者 模拟了洪水和枯水两种水文条件下的水动力变化情况, 其中洪水情况是选用百年一遇的洪水, 上游高 要、石角分别来流52 500m3/ s和18 800m3/ s, 下游为汛期代表潮型; 枯水情况根据多年统计, 上游高要、石 角分别取流量2 000m3/ s和 500m3/ s, 下游配合枯季典型潮型, 其它的水文组合计算结果可以近似的看作 包络在其中。本次研究的主要区域是珠江三角洲的西、北江流域。
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量及过程在时间上和空间上没有发生太大的调整, 上游径流或口门的潮流, 其来水来沙条件变化不大, 航道网内的河岸基本稳定, 河流的横向变化小, 河流的动力条件变化主要是由于河床底部边界条件的改 变而引发的, 因此, 河床的纵向下切变化, 尤其是水深地形的变化, 是引起河流动力条件变化的最主要因 素。为了说明航道网内近 20 年的水深地形的变化情况, 将模型中网格上各个断面的形态进行比较, 因 篇幅所限, 表 1 只列出了高要至虎跳门 10 个横剖面在珠基( 0m) 以下的断面面积变化情况, 可以看到沿 程这些断面的面积变化比较明显, 在马口附近甚至有近一倍的变化, 在纵向上 2005 年较 1990 年地形, 河床最大下降达 20 多米。
5903 9422 59. 61
1043 1344 28. 86
百倾头- 虎跳门
1108 1505 35. 83
1831 2654 44. 95
337 404 19. 88
注: 以上表中面积均是在珠基( 0m) 以下的断面面积
3 2 潮流动力条件变化 3 2 1 沿程潮位变化 图 2~ 图 5 分别是西、北江干流在洪水条件下的沿程高水位和枯水条件下沿程 低水位的变化情况。从图中可以看出, 在洪水情况下, 2005 年地形下计算的西、北江干流的沿程水面线 较 1990 年地形下发生了比较明显的下降, 在思贤 处的马口、三水站, 其下降幅度达到 2 68m, 但由于 下游潮汐作用的增强, 水位下降的幅度从上游至下游逐渐减小。可见由于人工采沙较明显的改变了河 道地形条件, 使河床下切, 从而增加了过水断面的面积, 引起珠江水系水位的较大变化, 洪水情况下水位 的大幅下降, 对于防洪还是有一定好处的。同时西、北江干流沿程水面比降变缓, 西江干流的水面比降 从 6 9cm/ km 减小到 5 4cm/ km, 北江干流从 8 0m/ km 减小到 6 5m/ km。河床高程降低、沿程水位比降变 缓, 将更加利于进潮, 这样使得潮汐沿河道上溯, 潮区界、潮流界及咸水界上移。
平均值
0. 32
0. 43
0. 52
图 6 思贤 马口站年均潮差变化趋势
Hale Waihona Puke 图 7 虎跳门年平均潮差变化趋势
3 3 纳潮量的变化 多年大规模的采沙活动增大了河道纳潮容积, 使更多的潮水能够进入河道内, 趋
20 世纪 80 年代以来, 我国经济迅速发展, 开展大规模的基础建设, 导致用沙量剧增, 整个珠江三角 洲范围内均出现大量采挖河床泥沙的现象。据不完全统计资料表明, 90 年代, 西江干流挖沙量达到 249 万 m3 / 年, 北江干流达到 338 万 m3 / 年[ 2] , 东江更是以超过1 500万 m3 / 年的速度开采[ 3] ; 与此同时, 珠江 航道网内实施了大量提高内河至海域航道等级的整治工程, 如陈村水道、莲沙容( 浮莲岗水道、沙湾水 道、容桂水道) 以及西江下游的虎跳门水道等航道整治工程。在高强度、大范围人工采砂和航道整治等 人类活动作用下, 河床地形发生了剧烈的变化, 其强度和幅度远超过河流缓慢的自然演变过程, 从而引 起了珠江三角洲河网内水流动力条件的改变, 并由此对航运、取水、水利、水质、生态环境等产生影响。 为此, 本文利用已建立的河网水动力数学模型, 在 1990 年的实测地形和最新的 2005 年实测地形条件下 分别进行复演, 并结合大量的实测资料, 对比近二十年来由于人工采沙等人类活动所造成的航道网内水 流动力条件的变化, 并对由此可能产生的对环境的影响进行初步分析。
由于潮差和上游径流与下游的潮量与潮型都存在着密切的关系, 因此几次数值模拟的结果并不能 完全反映规律。表 2 统计了 1991 年至 2005 年马口处的多年平均潮差, 可以看出, 航道网内潮差确有明 显的增大趋势。年均潮差由 20 世纪 90 年代初的 0 32m 增至 90 年代末的 0 43m, 到现在的 0 52m, 基本 上每隔 5 年左右的时间, 思贤 马口处的潮差就增大 0 10m, 其变化趋势如图 6。同时, 根据已有资料统 计出部分口门处的年均潮差的变化情况, 图 7 是虎跳门的年均潮差, 虽然也表现出略有增大的趋势, 但 口门处年均潮差的变化幅度远远小于马口处。因此珠江三角洲网河内的潮差变化主要还是由于频繁的
E mail: zhangweihhu@ 126. com
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2 珠江三角洲网河水动力数值模拟
珠江三角洲网河的水动力数值模拟, 是运用 三级联合解法 对 Saint Venant 方程组进行求解[ 4,5] 。 图 1 是珠江三角洲航道网的概化图, 图中 ∃代表边界点, %代表验证点。航道网一共被概化为 340 个河 道, 其中 13 条是边界河流, 1 497 个长度 0 2~ 2 0km 不等的河段, 1 850 个计算断面和 216 个河流汊口节 点, 河流的总长度约为1 600km。由于所建立的数学模型已在 1999 年洪水和 2001 年枯水以及其它等多 种水文组合下进行了率定和验证[ 6, 7] , 并多次成功的运用到珠江三角洲航道网的模拟及预测工作中[ 8,9] , 因此本文不再赘述建模过程、参数率定和验证结果。
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了潮能量的衰减, 潮汐动力逐渐减弱。在洪水情况下, 由于径流作用强, 潮汐动力影响范围有限, 因此越 往上游, 潮差越不明显; 但在枯水期, 潮汐动力相应增强, 潮流上溯范围扩大, 使得上游潮差较洪水时更 为明显。在此次模拟的水文组合下, 亦反映出相同规律。首先对于洪水组合, 思贤 马口处的潮差在 1990 年地形下是 0 10m, 2005 年地形下计算值是 0 12m, 不仅潮差较小, 且潮差在两个地形下计算的结 果变化不大; 但在枯水期, 马口处的潮差则从 1990 年地形下的 0 52m 增至 2005 年地形下的 0 82m, 增幅 达 0 3m。可见, 经过近 20 年高强度、大范围的人工采沙活动, 珠江三角洲航道网内的潮差有增大的趋 势, 且在枯季时表现更为明显。
是近年来珠江三角洲咸灾频发的主要诱因 之一。
关键词: 珠江三角洲; 河网; 采沙; 潮汐动力; 水流动力变化
中图分类号: TU148+ 3
文献标识码: A
1 研究背景
珠江三角洲位于北纬 22!02∀~ 23!18∀, 东经 112!35∀~ 113!57∀, 地处广东省南部, 是我国经济发展速度 最快的地区之一。其平原上河网发育, 河道纵横交错, 河网区面积达9 750km2, 河道总长约1 600km, 河网 密度为 0 81~ 0 88km/ km2, 是典型的网河三角洲; 同时, 珠江三角洲水系受到上游径流和下游潮流的影 响, 亦是典型的潮汐河网, 其范围主要包括西、北江思贤 以下的网河和东江石龙以下的网河以及入注 珠江三角洲的诸小河流[ 1] 。
一遇流 量水位 下降 达 2 68m; 同时, 由 于河槽 容积 增加, 航道 网内 部潮 汐动力 增强, 该 站的年 均潮 差从 1990 年的
0 35m 增加到 2005 年的 0 53m。河道断面面积的剧烈变化, 引起了航道网内部及口门处水量的重新分配, 其中洪奇
门和磨刀门流量增加显著, 其余 6 个口门均有 不同程 度的减 少。珠江三 角洲航 道网内部 水流动 力条件 的变化, 亦
图 1 珠江三角洲航道网
3 河流动力条件变化分析
3 1 河槽容积变化 珠江三角洲西、北江自思贤 以下, 河道时分时合, 加上各口门涨落潮时差, 各水 道间比降不仅受到当地河床阻力的影响, 同时随潮汐性质而变, 水沙在各河道间交换频繁。近年来, 西、 北江干流上游虽然建有很多水利工程, 但尚未有控制工程足以改变流域的来水来沙的量值及过程, 径流
图 2 西江干流洪水期高水位的沿程变化
图 3 西江干流枯水期低水位的沿程变化
图 4 北江干流洪水期高水位的沿程变化
图 5 北江干流枯水期低水位的沿程变化
在枯水情况下, 人工采沙的影响使得低水位也发生了变化, 但变化幅度相对洪水高水位而言减小很 多, 2005 年地形与 1990 年地形下计算结果显示: 在思贤 的马口、三水处只有 0 29m 的下降。在马口和 三水以下的平原河网区, 水位更加接近, 这主要由于枯水期径流动力较弱而潮汐动力较强, 潮区界影响 范围较洪水时扩大, 因此水位的变化主要受到潮流控制, 潮流上溯的填充作用保证了航道内的水深, 这 在枯水期对维持通航条件是有利的。从图 5 中可以看出, 北江三水站以上, 枯水期的低水位变化比较明 显, 这主要是由于北江的三水站至石角段, 河床高程比降较陡, 呈典型的山区性河流态势, 潮区界不能上 溯, 潮流影响有限, 水位随着河床的下切而降低。因此, 在枯水期时, 人工采沙对北江上游尤其是石角至 三水段的通航条件会产生一定的不利影响。 3 2 2 潮差变化 潮差的沿程变化一般是距河口越远, 潮差越小, 这主要是由于边界的摩阻作用造成
收稿日期: 2007 07 31 基金项目: 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放研究基金( 2007491111) ; 中国博士后科学基金( 20070420965) ; 江
苏省博士后科研资助计划( 0702007C) 作者简介: 张蔚( 1979- ) , 男, 江苏南京人, 博士, 主要从事河流及海岸水动力学及泥沙数值模拟研究。
表 2 思贤 马口站年平均潮差( 单位: m)
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思贤 0. 32 0. 32 0. 32 0. 33 0. 32 0. 43 0. 34 0. 43 0. 48 0. 46 0. 46 0. 5 0. 49 0. 55 0. 55
2008 年 9 月 文章编号: 0559 9350( 2008) 09 1098 07
水利
SHUILI
学报
XUEBAO
第 39 卷 第 9 期
人工采沙及航道整治对珠江三角洲水流动力条件的影响
张 蔚1, 严以新1, 诸裕良1, 杨明远2
( 1 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏 南京 210098; 2 广东省航道局, 广东 广州 510150)
摘要: 本文借助数值计算, 运用 三级联合解法 对圣维 南方程 组进行 求解, 对 1990 年和 2005 年实测 地形条 件下珠
江三角洲动力条件进行复演, 研究了在高强度、大范围人工采 沙和航道整治等人类活动 作用下, 三角洲航 道网内部
水流动力条件的变化。研究结果表明: 由于河床的下切, 导致 同流量水位下降明显, 一级分流节 点思贤 站的百年
表 1 高要- 虎跳门河段断面面积变化比较( 单位 :m2)
1990 年 2005 年 变化率( % )
高要- 马口
3081 4740 53. 85
7587 11187 47. 45
马口- 天河
8657 17172 98. 36
10072 15196 50. 87
天河- 百倾头
3156 4329 37. 17
对珠江三角洲航道网在 1990 年地形和 2005 年地形条件下分别进行数值模拟。由于珠江水系范围 较大, 同步测量条件有限, 目前只有西、北江在 1999 年有过大范围同年的测图。因此本文中提及的 1990 年地形是指主干河道在 1990 年及其之前测得的地形, 同样, 2005 年地形是指集中在 2004~ 2006 年测得 的地形, 航道网中少部分支流用 20 世纪 90 年代以后的地形代替。为了让研究的问题具有代表性, 作者 模拟了洪水和枯水两种水文条件下的水动力变化情况, 其中洪水情况是选用百年一遇的洪水, 上游高 要、石角分别来流52 500m3/ s和18 800m3/ s, 下游为汛期代表潮型; 枯水情况根据多年统计, 上游高要、石 角分别取流量2 000m3/ s和 500m3/ s, 下游配合枯季典型潮型, 其它的水文组合计算结果可以近似的看作 包络在其中。本次研究的主要区域是珠江三角洲的西、北江流域。
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量及过程在时间上和空间上没有发生太大的调整, 上游径流或口门的潮流, 其来水来沙条件变化不大, 航道网内的河岸基本稳定, 河流的横向变化小, 河流的动力条件变化主要是由于河床底部边界条件的改 变而引发的, 因此, 河床的纵向下切变化, 尤其是水深地形的变化, 是引起河流动力条件变化的最主要因 素。为了说明航道网内近 20 年的水深地形的变化情况, 将模型中网格上各个断面的形态进行比较, 因 篇幅所限, 表 1 只列出了高要至虎跳门 10 个横剖面在珠基( 0m) 以下的断面面积变化情况, 可以看到沿 程这些断面的面积变化比较明显, 在马口附近甚至有近一倍的变化, 在纵向上 2005 年较 1990 年地形, 河床最大下降达 20 多米。
5903 9422 59. 61
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百倾头- 虎跳门
1108 1505 35. 83
1831 2654 44. 95
337 404 19. 88
注: 以上表中面积均是在珠基( 0m) 以下的断面面积
3 2 潮流动力条件变化 3 2 1 沿程潮位变化 图 2~ 图 5 分别是西、北江干流在洪水条件下的沿程高水位和枯水条件下沿程 低水位的变化情况。从图中可以看出, 在洪水情况下, 2005 年地形下计算的西、北江干流的沿程水面线 较 1990 年地形下发生了比较明显的下降, 在思贤 处的马口、三水站, 其下降幅度达到 2 68m, 但由于 下游潮汐作用的增强, 水位下降的幅度从上游至下游逐渐减小。可见由于人工采沙较明显的改变了河 道地形条件, 使河床下切, 从而增加了过水断面的面积, 引起珠江水系水位的较大变化, 洪水情况下水位 的大幅下降, 对于防洪还是有一定好处的。同时西、北江干流沿程水面比降变缓, 西江干流的水面比降 从 6 9cm/ km 减小到 5 4cm/ km, 北江干流从 8 0m/ km 减小到 6 5m/ km。河床高程降低、沿程水位比降变 缓, 将更加利于进潮, 这样使得潮汐沿河道上溯, 潮区界、潮流界及咸水界上移。
平均值
0. 32
0. 43
0. 52
图 6 思贤 马口站年均潮差变化趋势
Hale Waihona Puke 图 7 虎跳门年平均潮差变化趋势
3 3 纳潮量的变化 多年大规模的采沙活动增大了河道纳潮容积, 使更多的潮水能够进入河道内, 趋
20 世纪 80 年代以来, 我国经济迅速发展, 开展大规模的基础建设, 导致用沙量剧增, 整个珠江三角 洲范围内均出现大量采挖河床泥沙的现象。据不完全统计资料表明, 90 年代, 西江干流挖沙量达到 249 万 m3 / 年, 北江干流达到 338 万 m3 / 年[ 2] , 东江更是以超过1 500万 m3 / 年的速度开采[ 3] ; 与此同时, 珠江 航道网内实施了大量提高内河至海域航道等级的整治工程, 如陈村水道、莲沙容( 浮莲岗水道、沙湾水 道、容桂水道) 以及西江下游的虎跳门水道等航道整治工程。在高强度、大范围人工采砂和航道整治等 人类活动作用下, 河床地形发生了剧烈的变化, 其强度和幅度远超过河流缓慢的自然演变过程, 从而引 起了珠江三角洲河网内水流动力条件的改变, 并由此对航运、取水、水利、水质、生态环境等产生影响。 为此, 本文利用已建立的河网水动力数学模型, 在 1990 年的实测地形和最新的 2005 年实测地形条件下 分别进行复演, 并结合大量的实测资料, 对比近二十年来由于人工采沙等人类活动所造成的航道网内水 流动力条件的变化, 并对由此可能产生的对环境的影响进行初步分析。
由于潮差和上游径流与下游的潮量与潮型都存在着密切的关系, 因此几次数值模拟的结果并不能 完全反映规律。表 2 统计了 1991 年至 2005 年马口处的多年平均潮差, 可以看出, 航道网内潮差确有明 显的增大趋势。年均潮差由 20 世纪 90 年代初的 0 32m 增至 90 年代末的 0 43m, 到现在的 0 52m, 基本 上每隔 5 年左右的时间, 思贤 马口处的潮差就增大 0 10m, 其变化趋势如图 6。同时, 根据已有资料统 计出部分口门处的年均潮差的变化情况, 图 7 是虎跳门的年均潮差, 虽然也表现出略有增大的趋势, 但 口门处年均潮差的变化幅度远远小于马口处。因此珠江三角洲网河内的潮差变化主要还是由于频繁的
E mail: zhangweihhu@ 126. com
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2 珠江三角洲网河水动力数值模拟
珠江三角洲网河的水动力数值模拟, 是运用 三级联合解法 对 Saint Venant 方程组进行求解[ 4,5] 。 图 1 是珠江三角洲航道网的概化图, 图中 ∃代表边界点, %代表验证点。航道网一共被概化为 340 个河 道, 其中 13 条是边界河流, 1 497 个长度 0 2~ 2 0km 不等的河段, 1 850 个计算断面和 216 个河流汊口节 点, 河流的总长度约为1 600km。由于所建立的数学模型已在 1999 年洪水和 2001 年枯水以及其它等多 种水文组合下进行了率定和验证[ 6, 7] , 并多次成功的运用到珠江三角洲航道网的模拟及预测工作中[ 8,9] , 因此本文不再赘述建模过程、参数率定和验证结果。
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了潮能量的衰减, 潮汐动力逐渐减弱。在洪水情况下, 由于径流作用强, 潮汐动力影响范围有限, 因此越 往上游, 潮差越不明显; 但在枯水期, 潮汐动力相应增强, 潮流上溯范围扩大, 使得上游潮差较洪水时更 为明显。在此次模拟的水文组合下, 亦反映出相同规律。首先对于洪水组合, 思贤 马口处的潮差在 1990 年地形下是 0 10m, 2005 年地形下计算值是 0 12m, 不仅潮差较小, 且潮差在两个地形下计算的结 果变化不大; 但在枯水期, 马口处的潮差则从 1990 年地形下的 0 52m 增至 2005 年地形下的 0 82m, 增幅 达 0 3m。可见, 经过近 20 年高强度、大范围的人工采沙活动, 珠江三角洲航道网内的潮差有增大的趋 势, 且在枯季时表现更为明显。
是近年来珠江三角洲咸灾频发的主要诱因 之一。
关键词: 珠江三角洲; 河网; 采沙; 潮汐动力; 水流动力变化
中图分类号: TU148+ 3
文献标识码: A
1 研究背景
珠江三角洲位于北纬 22!02∀~ 23!18∀, 东经 112!35∀~ 113!57∀, 地处广东省南部, 是我国经济发展速度 最快的地区之一。其平原上河网发育, 河道纵横交错, 河网区面积达9 750km2, 河道总长约1 600km, 河网 密度为 0 81~ 0 88km/ km2, 是典型的网河三角洲; 同时, 珠江三角洲水系受到上游径流和下游潮流的影 响, 亦是典型的潮汐河网, 其范围主要包括西、北江思贤 以下的网河和东江石龙以下的网河以及入注 珠江三角洲的诸小河流[ 1] 。
一遇流 量水位 下降 达 2 68m; 同时, 由 于河槽 容积 增加, 航道 网内 部潮 汐动力 增强, 该 站的年 均潮 差从 1990 年的
0 35m 增加到 2005 年的 0 53m。河道断面面积的剧烈变化, 引起了航道网内部及口门处水量的重新分配, 其中洪奇
门和磨刀门流量增加显著, 其余 6 个口门均有 不同程 度的减 少。珠江三 角洲航 道网内部 水流动 力条件 的变化, 亦
图 1 珠江三角洲航道网
3 河流动力条件变化分析
3 1 河槽容积变化 珠江三角洲西、北江自思贤 以下, 河道时分时合, 加上各口门涨落潮时差, 各水 道间比降不仅受到当地河床阻力的影响, 同时随潮汐性质而变, 水沙在各河道间交换频繁。近年来, 西、 北江干流上游虽然建有很多水利工程, 但尚未有控制工程足以改变流域的来水来沙的量值及过程, 径流
图 2 西江干流洪水期高水位的沿程变化
图 3 西江干流枯水期低水位的沿程变化
图 4 北江干流洪水期高水位的沿程变化
图 5 北江干流枯水期低水位的沿程变化
在枯水情况下, 人工采沙的影响使得低水位也发生了变化, 但变化幅度相对洪水高水位而言减小很 多, 2005 年地形与 1990 年地形下计算结果显示: 在思贤 的马口、三水处只有 0 29m 的下降。在马口和 三水以下的平原河网区, 水位更加接近, 这主要由于枯水期径流动力较弱而潮汐动力较强, 潮区界影响 范围较洪水时扩大, 因此水位的变化主要受到潮流控制, 潮流上溯的填充作用保证了航道内的水深, 这 在枯水期对维持通航条件是有利的。从图 5 中可以看出, 北江三水站以上, 枯水期的低水位变化比较明 显, 这主要是由于北江的三水站至石角段, 河床高程比降较陡, 呈典型的山区性河流态势, 潮区界不能上 溯, 潮流影响有限, 水位随着河床的下切而降低。因此, 在枯水期时, 人工采沙对北江上游尤其是石角至 三水段的通航条件会产生一定的不利影响。 3 2 2 潮差变化 潮差的沿程变化一般是距河口越远, 潮差越小, 这主要是由于边界的摩阻作用造成
收稿日期: 2007 07 31 基金项目: 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放研究基金( 2007491111) ; 中国博士后科学基金( 20070420965) ; 江
苏省博士后科研资助计划( 0702007C) 作者简介: 张蔚( 1979- ) , 男, 江苏南京人, 博士, 主要从事河流及海岸水动力学及泥沙数值模拟研究。