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本文应用水文及水力学计算、地形资料分析对比、傅氏变换的低通滤波和小波方差谱分析、一元线性回归、灰色模型、二维数学模型等理论,采用实测资料分析与数值模拟相结合,现代与历史相对比的方法,分析了北江下游清远至河口段的水动力、河床演变变化及人类活动对它们影响。
分析得出北江下游清远至河口段北江的水沙变幅大,来水来沙的年际变化较明显,来沙量的变化比流量受人类活动的影响更为敏感。水位—流量过程线显示,石角与三水曲线逐年向右下偏转,同流量下的水位出现明显下降,并且三水站在上世纪九十年代已经出现水位下降,清远、石角站水位则是在2000年之后才发生明显下降。三水站潮差在20世纪90年代后,波动显著,呈增加趋势,且增加趋势不断加剧。北江下游的潮汐可上溯至界牌洲附近,从下游至上游涨潮潮差逐渐增大。
自二十世纪八十年代后期以来,以采砂和航道整治为主的人类活动对河床自然演变强烈的扰动,北江下游河床平均高程下降相当明显。上世纪九十年代以前的宽深比沿程普遍较高,河道较为宽浅;至2007年河床宽深比减小迅速,河道表现为窄深。从总体上看,清远至河口段沿程,同一流量下,比降随年份呈增大趋势;流量越大,比降越小。航道整治工程前北江下游沿程滩槽高差小幅增大;整治工程后,滩槽高差明显增大,表明经过整治工程影响,坝田区至2004年已经明显淤高,设计水位下河槽加深,特别是石角—黄塘段变化显著;2004-2007年,经过几年的适应和调整以及潮汐动力的作用,石角下游滩槽高差变化相对较小,上游明显增大。1987-1998年,北江下游沿程以冲为主,河槽容积增大显著;1998-2004年河床河槽容积继续增大,石角以上河段河槽容积增加幅度较小,以下河段河槽容积增加幅度大;2004-2007年河段沿程河槽容积变化相对稳定。
应用二维数学模型对水动力进行数值模拟,所得结果显示:在同一流量下,北江下游河段各年水面线变化明显,整治工程后的水面线较之前的显著下降。水面纵比降分析指出,随着流量增大,清远至河口沿程水面线峰谷交替变化明显,但流量越大,河道水面越平缓;从上游至下游,地咀至石角、界牌、大塘、芦苞至黄塘附近有较大比降,石角至大塘在中洪水流量及以下时形成陡降段。1987-2007年北江下游断面平均流速增幅呈现大小交错的现象,地咀—石角、黄塘—河口段增长幅度十分显著,清远—地咀及石角—黄塘增长幅度较小。
以采砂和航道整治为主的人类活动严重改变了北江下游河段水力半径及水面纵比降,从而对清远至河口沿程的流速变化产生重要影响;自上游到下游影响流速变化的因素中,水面纵比降在石角—界牌段比水力半径影响大,而黄塘以下河段则是水力半径占据了主要地位。水力半径对流速的影响由下游向上游逐渐扩展,在时间上与人类活动向上游转移一致;水面陡降段的形成,造成了溯源冲刷现象。上世纪七十年代人工采砂并未在北江下游河段发生,河床演变除了受整治工程影响外,其它的人类活动并未造成太大的影响;至九十年代后,河槽容积变化十分巨大,并趋向于不断增长,强人类活动使河床由淤向“冲”性质转变十分显著。灰色模型预测清远至河口河槽容积变化为河段中间大、两端小,表明人类活动对清远至河口下游河段造成的剧烈“冲刷”已向芦苞上游转移。