港珠澳大橋附近海域海床演變分析

應(yīng) 強(qiáng)，辛文杰，毛佩郁

（南京水利科學(xué)研究院，南京210029）

伶仃洋是珠江口東部4個(gè)口門(mén)（虎門(mén)、蕉門(mén)、洪奇瀝和橫門(mén)）注入的河口灣，灣型呈喇叭狀，灣頂寬約4 km（虎門(mén)口），灣口寬約30 km（澳門(mén)至香港大濠島之間），縱向長(zhǎng)達(dá)72 km，水域面積2 110 km2。伶仃洋水下地形具有西部淺、東部深的橫向分布特點(diǎn)和灣頂窄深、灣腰寬淺、灣口寬深的縱向分布特點(diǎn)，灘槽分布呈“三灘兩槽”的基本格局，三灘指西灘、中灘和東灘，兩槽指東槽和西槽［1］。

港珠澳大橋（HZMB）位于伶仃洋南部海區(qū)，跨越珠江口伶仃洋，連接香港、珠海和澳門(mén)三地（圖1），擬建橋區(qū)西側(cè)海床主要位于西部淺灘的下部，內(nèi)有九洲港航道、江海直達(dá)船航道和青洲航道；橋區(qū)東側(cè)水深較大，內(nèi)有伶仃航道、銅鼓航道，上游不遠(yuǎn)處是中部淺灘（礬石淺灘）的下緣。

港珠澳大橋在設(shè)計(jì)中存在許多需要研究解決的技術(shù)問(wèn)題，橋位所處海床的穩(wěn)定性和其演變趨勢(shì)是其中之一。本文在以往研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)最近幾年伶仃洋海域的水文、泥沙觀測(cè)資料和航道整治工程資料，對(duì)港珠澳大橋所在橋位附近的海床進(jìn)行演變分析［2-4］。

圖1 伶仃洋及港珠澳大橋示意圖Fig.1 Sketch of the Lingding bay and the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

1 來(lái)水來(lái)沙特征

珠江水系主要由西江、北江和東江組成，根據(jù)《廣東省水資源》（1986年）統(tǒng)計(jì)，珠江流域河川水資源總量為3 360億m3，其中出海徑流3 260億m3。西江年徑流量2 300億m3。北江510億m3，東江257億m3，三角洲諸河293億m3，這些河流經(jīng)8大口門(mén)入海，其中東部4個(gè)口門(mén)——虎門(mén)、蕉門(mén)、洪奇門(mén)、橫門(mén)匯入伶仃洋后注入南海。圖2為西江高要站1980年以來(lái)歷年流量、輸沙量的變化，北江石角站和東江博羅站也有同樣的趨勢(shì)［5］。由圖2可以看出，雖然各年的流量不等，但總的趨勢(shì)變化不大，由于河道內(nèi)人工取沙、上游植被保護(hù)、水利工程的修建攔沙等因素的綜合作用，使得輸入河口的泥沙呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

圖2 西江高要站流量、輸沙量年際變化Fig.2 Annual variation of water and sediment amount at Gaoyao hydrometric station

2 潮汐與潮流特征

伶仃洋的潮汐類(lèi)型屬不規(guī)則半日混合潮型，即每個(gè)太陰日出現(xiàn)2次高潮和2次低潮，潮高和潮歷時(shí)存在明顯的不等現(xiàn)象，特別是在某些時(shí)段，還會(huì)出現(xiàn)全日潮。最高潮位一般出現(xiàn)在洪季，最低潮位出現(xiàn)在枯季或汛后。汛期高潮位東部高于西部，低潮位則相反；漲潮時(shí)海平面向西南傾斜，落潮時(shí)向東南傾斜；枯水期無(wú)論高低潮位，東部均略低于西部，海平面向東南傾斜。

伶仃洋為弱潮河口，潮差較小，平均潮差為0.86～1.69 m，最大潮差為2.29～3.36 m。潮差呈現(xiàn)由東向西逐漸遞減，由灣口向?yàn)稠斨饾u遞增的特點(diǎn)。

天津水運(yùn)工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院［6］在2007年8月13～14日及16～17日對(duì)伶仃洋海區(qū)進(jìn)行了潮位同步測(cè)量，4個(gè)口門(mén)的潮位過(guò)程見(jiàn)圖3。由圖3可知，大虎站的潮位過(guò)程早于橫門(mén)、蕉門(mén)站約2 h，而板沙尾站最晚，可能是由于板沙尾站位于洪奇瀝水道口門(mén)較上游所致；4個(gè)口門(mén)的最低潮位值相差不大，但最高潮位值有所差別，以大虎站為最高，蕉門(mén)次之，板沙尾站再次之，橫門(mén)站為最低。這與4個(gè)口門(mén)的徑流、潮流強(qiáng)弱有關(guān)。資料表明，潮汐作用強(qiáng)弱依次為虎門(mén)、蕉門(mén)、洪奇門(mén)、橫門(mén)，其山潮比分別為0.26、1.74、2.16、2.75，虎門(mén)為以潮汐作用為主的口門(mén)，其他3個(gè)口門(mén)則以徑流作用為主。

圖4為沿伶仃洋縱向分布各潮位站點(diǎn)的潮位過(guò)程線。由圖4可知，伶仃洋從口門(mén)的大萬(wàn)山島站向內(nèi)河河口的虎門(mén)站，潮位逐漸升高，最高潮位在桂山島站最低，內(nèi)伶仃島站次之。

根據(jù)整理后的實(shí)測(cè)潮位資料，大虎站最大潮差為2.62 m，平均潮差為1.85 m；內(nèi)伶仃島站最大潮差為2.51 m，平均潮差為1.52 m；桂山島站最大潮差為2.17 m，平均潮差為1.21 m；大萬(wàn)山島站最大潮差為2.02 m，平均潮差為1.12 m?？梢?jiàn)從外海大萬(wàn)山到虎門(mén)，沿程潮差呈遞增變化。

3 橋位附近流速變化

圖3 4個(gè)口門(mén)潮位過(guò)程線（2007年8月13～14日）Fig.3 Tidal curves of four estuaries on Aug.13～14，2007

圖4 伶仃洋不同站點(diǎn)實(shí)測(cè)潮位過(guò)程線Fig.4 Tidal curves of different sites in the Lingding bay

圖5為枯季（2009年3月）橋位斷面大、小潮流速流向平面分布圖，圖5中CL01、CL02在橋位線上游，CL03、CL04、CL05、CL06、CL07、CL08、CL09 共 7 個(gè)測(cè)點(diǎn)在橋位線上，CL10、CL11 在橋位線下游。由圖 5 可見(jiàn)，該水域內(nèi)漲落潮以往復(fù)流為主，且與所在的航槽走向一致，反映了地形與水流的相互作用關(guān)系；橋位東側(cè)的流向較為一致，橋位西側(cè)的流向較為發(fā)散；落潮流的流向較為一致，漲潮流的流向較為發(fā)散；大、小潮相比，大潮的漲落潮流向一致性較好，小潮流向的發(fā)散性較大；實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)表明：最大流速為136 cm/s；橋位附近11個(gè)測(cè)點(diǎn)的全潮落潮平均流速在21～70 cm/s；漲潮平均流速在25～58 cm/s。洪季時(shí)橋位附近水域內(nèi)漲落潮仍以往復(fù)流為主，大潮時(shí)流速較大，小潮時(shí)則較小。

圖5 橋位斷面枯季流速流向平面分布圖Fig.5 Distribution of tidal velocity and direction along cross section of bridge site in dry season

4 橋位附近含沙量變化特征

2009年在對(duì)橋位進(jìn)行潮流測(cè)量的同時(shí)，對(duì)含沙量也進(jìn)行了測(cè)量。根據(jù)2009年3月27～28日、6月16～17日、6月22～23日的實(shí)測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)得出各測(cè)次落潮、漲潮和全潮平均的含沙量（表1）。

表1 橋位海域?qū)崪y(cè)含沙量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics data of measured sediment concentration at bridge site kg/m3

由表1可以看出：橋位附近水體的含沙量很小，3個(gè)測(cè)次中平均漲、落潮含沙量最大值均小于0.3 kg/m3，2個(gè)大潮過(guò)程相比較，枯季水體含沙量較小，同為洪季，大潮含沙量大于小潮含沙量。在同一測(cè)次中，不同測(cè)點(diǎn)水體的含沙量也有較大差別。

分析2004年、2007年和2009年橋區(qū)附近海區(qū)底質(zhì)粒徑分布可知：近年來(lái)床面泥沙粒徑趨于均勻，2009年中的床面泥沙粒徑約為8Φ。

5 橋位附近地形變化

選取1954年、1964年、1974年、1989年、1998年、2001年、2004年及2009年海圖，對(duì)工程海區(qū)的近期灘槽演變進(jìn)行2 m、5 m和10 m等深線的變化比較。結(jié)果表明：橋位附近2 m等深線隨不同年份有所變化，變化范圍在1～1.5 km，既有沖刷后往岸邊后退的過(guò)程（如1954～1964年），也有淤積擴(kuò)展的過(guò)程（如1974～1989年），還有基本無(wú)變化的情況（1964～1974年），2001年以來(lái)，2 m等深線向岸邊方向移動(dòng)了約500 m，表現(xiàn)為沖刷態(tài)勢(shì)，原因有待進(jìn)一步分析。橋位附近5 m等深線隨不同年份有所變化，靠西部海區(qū)邊緣的基本較為穩(wěn)定；但由西部淺灘靠伶仃水道的向下沙體，則有所發(fā)展，主要表現(xiàn)為沙體向下（南）延伸，1998年、2001年和2009年的5 m等深線下延均已穿過(guò)橋位線；介于伶仃航道與銅鼓西航道間的礬石淺灘尾端5 m等深線沒(méi)有明顯變化，但其東側(cè)銅鼓東、西航道間的5 m等深線有一定的上移趨勢(shì)（上移約1 km），而其另一側(cè)的等深線變化不大，說(shuō)明銅鼓淺灘有萎縮態(tài)勢(shì)；橋位附近10 m等深線隨不同年份變化不大，2009年的等深線有所展寬，是由于伶仃航道人為拓寬浚深，同樣2009年在橋位上方新增的-10槽，是新開(kāi)挖的銅鼓航道。

圖6為2004年及2008年西灘上橋軸線及其上游950 m處2個(gè)斷面地形變化比較。由圖6可以看出:經(jīng)過(guò)近4 a的水沙作用，橋區(qū)附近斷面單向性變化不明顯，統(tǒng)計(jì)這2個(gè)斷面的資料，2004年橋位斷面的平均水深為5.306 m，2008年為5.282 m；4 a來(lái)水深減小了0.024 m；與此相應(yīng)，2004年橋軸線上游950 m處的斷面平均水深為5.341 m，2008年為5.325 m；4 a來(lái)水深減小了0.016 m，說(shuō)明橋位附近河床每4 a淤積2 cm左右。

圖6 橋位附近西灘斷面淤積變化比較Fig.6 Variation of sediment accumulation of west beach near the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge site

6 擬建橋區(qū)海床沖淤演變的發(fā)展趨勢(shì)

橋區(qū)所在海域的演變受制于伶仃洋的總體演變，許多學(xué)者對(duì)伶仃洋的演變進(jìn)行了研究，雖然所得的淤積速率有所不同，但都認(rèn)為伶仃洋處于緩慢淤積的過(guò)程。因此，雖然從近期橋位附近海區(qū)的演變趨勢(shì)分析來(lái)看海床沖淤變化不大，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，橋位處海床總的發(fā)展趨勢(shì)以緩慢淤積為主。

橋區(qū)西段：西段淺灘在自然狀態(tài)下屬微淤環(huán)境，海床相對(duì)較穩(wěn)定。珠江河口徑流雖主要經(jīng)由這里向海排泄，但徑流動(dòng)力至此已與潮流動(dòng)力融合而消能，淡水亦已與鹽水混合形成了混合水，故此區(qū)段不論徑流或潮流的動(dòng)力作用均不強(qiáng)，不會(huì)造成該處海床的大幅沖淤變化，海床穩(wěn)定性較好。但需注意橋位上游西灘靠近伶仃水道處沙舌的下移變化。

橋區(qū)東段：橋區(qū)東段海區(qū)的海底高程一般在-5 m以下，水深較大，水流亦較強(qiáng)，并有伶仃水道深槽與銅鼓淺灘分汊水道在此匯聚，高鹽陸架水常年由此入侵和上涌，是侵蝕沖刷的主要地段。該水域水動(dòng)力環(huán)境的主要特征是洪季呈高度分層狀態(tài)，上層水體以“河口羽”的形式漂浮在中、底層高鹽陸架水之上，迅速向海排泄，其最大流速可達(dá)2 m/s，中、底層水體以上溯流為主。近期演變分析可知，海床沖淤變化幅度不大，處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，如其上游的灘槽不發(fā)生較大的改變，這種狀態(tài)應(yīng)能保持下去。

7 結(jié)論

伶仃洋的水沙主要來(lái)自于東部4個(gè)口門(mén)——虎門(mén)、蕉門(mén)、洪奇門(mén)、橫門(mén)，1980～2007年的年徑流量、年輸沙量資料表明，雖然各年的流量不等，但流量總的趨勢(shì)變化不大；而年輸送的泥沙數(shù)量則呈減小趨勢(shì)。

伶仃洋的潮汐類(lèi)型屬不規(guī)則半日混合潮型，潮位在不同季節(jié)、不同位置均有所差別。潮位從外海到河口的虎門(mén)站（從南往北），逐漸抬高，過(guò)后又呈下降趨勢(shì)；伶仃洋水域內(nèi)漲落潮以往復(fù)流為主，且與所在的航槽走向一致，反映了地形與水流的相互作用關(guān)系。大、小潮相比，大潮的漲落潮流向一致性較好，小潮流向的發(fā)散性較大，靠西側(cè)的測(cè)點(diǎn)流向較東側(cè)測(cè)點(diǎn)的流向散亂。

橋位附近水體的含沙量均較小；床面泥沙粒徑較細(xì)且均勻。橋位處海床總的發(fā)展趨勢(shì)以緩慢淤積為主，但淤積強(qiáng)度較小，2004～2008年淤積了2 cm左右，屬微淤狀態(tài)，需注意橋位上游西灘靠近伶仃水道處沙舌的下移變化，橋區(qū)東段其上游的灘槽不發(fā)生較大的改變，海床將保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

［1］徐君亮，李永興，蔡福祥，等.珠江口伶仃洋灘槽發(fā)育演變［M］.北京：海洋出版社，1985.

［2］辛文杰.港珠澳大橋?qū)χ榻诟劭诤降烙绊懷芯靠倛?bào)告（平行研究1）［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2010.

［3］應(yīng)強(qiáng)，毛佩郁，辛文杰.港珠澳大橋建設(shè)對(duì)珠江口港口航道影響物理模型試驗(yàn)研究之一海床演變分析［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2010.

［4］辛文杰，應(yīng)強(qiáng).港珠澳大橋工程可行性研究階段海床演變分析報(bào)告［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2004.

［5］陸永軍，賈良文，莫思平，等.珠江三角洲河網(wǎng)低水位變化［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.

［6］楊樹(shù)森，韓西軍.2007年8月廣州港伶仃航道三期工程項(xiàng)目伶仃洋海域現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料成果匯編［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2007.