磨刀門河口在20世紀(jì)60至70年代的演變模擬與動力地貌過程分析

劉斌，呂海濱，吳超羽，包蕓，任杰

（1.珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所 規(guī)劃研究室，廣東 廣州510611；2.淮海工學(xué)院 測繪工程學(xué)院，江蘇 連云港222005；3.中山大學(xué) 海洋學(xué)院，廣東 廣州510275）

1 引言

在對磨刀門河口進(jìn)行綜合整治（1984年）前，在磨刀門水道燈籠山以下存在著廣闊的淺海區(qū)，淺海區(qū)由“兩槽三灘”組成，分別是磨刀門水道深槽、龍屎窟水道深槽、鶴州—交杯沙淺灘、上溝淺灘、中心溝淺灘（見圖1）。

對本區(qū)域的動力地貌學(xué)研究較多，如趙煥庭等［1］通過分析沉積物的特征，研究了磨刀門攔門沙的發(fā)展、演變；曾昭璇［2］從磨刀門歷史地貌學(xué)的觀點(diǎn)分析了口門整治的問題；江沛霖和賓放［3］對磨刀門1962—1981年20 a間的水位、地貌的演變發(fā)展進(jìn)行了研究，得出了河口各條深槽的演變及灘地的淤積發(fā)展趨勢，并闡述了人類圍墾對河口演變的影響。但從“動力－沉積－地貌”的角度進(jìn)行多學(xué)科、著重過程、機(jī)制的量化與模型化的研究及動力地貌過程的分析相對較少。本文運(yùn)用長周期動力地貌模型ZRD－LTMM（Zhujiang River Delta－long term morphodynamicmodel，2002）反演磨刀門河口1964—1977年13 a的演變過程，并對動力地貌過程作了探討。

2 長周期動力地貌模型

通過尺度分析，本文采用的長周期動力地貌模型除泥沙輸運(yùn)、沉積和沖刷的動力地貌過程外，由于1953—1987年在磨刀門河口附近垂直地形變化的最大速率達(dá)到7.7 mm／a［4］和1972年圍墾使大小橫琴島中間的中心溝不再過水，故模型還模擬了地殼運(yùn)動和中心溝圍墾。

模型以二維ECOM模式為基礎(chǔ)，計(jì)算范圍為西江磨刀門竹銀水文站和雞啼門黃金水文站，外海邊界從澳門以東10 km向南到20 m等深線。在輸入條件（代表潮）、模型計(jì)算（地形模塊步長）等方面進(jìn)行了簡化（圖2）。選取1970年11月1—15日和1971年7月1—15日兩個(gè)時(shí)段分別作為豐水期和枯水期的代表潮［5－6］。

圖1 1964年磨刀門河口地形圖及輸沙率（106 m3／a）驗(yàn)證點(diǎn)位

對代表潮進(jìn)行驗(yàn)證，得到燈籠山站位枯季和洪季水位平均誤差分別為0.05和0.07 m，三灶站位枯季和洪季水位平均誤差分別為0.03和0.04 m（圖3）；對于輸沙律驗(yàn)證大部分站位的輸沙率相對誤差均在10%內(nèi)，最大相對誤差僅為13.53%（圖4）；對于沉積速率驗(yàn)證大部分站位的沉積速率相對誤差均在10%內(nèi)，最大相對誤差僅為10.8%。模擬結(jié)果與實(shí)際狀況接近，可以用于計(jì)算分析（見表1）。

圖2 長周期模型計(jì)算網(wǎng)格

圖3 燈籠山和三灶水位（m，珠江基面）驗(yàn)證

圖4 各站位輸沙率（10 6 m3／a）對比

表1 年均沉積量和沉積速率驗(yàn)證

3 動力地貌過程分析

3.1 總體分析

從1964到1977年的演變趨勢上，磨刀門河口整體處于快速淤積狀態(tài)，僅在局部地區(qū)受沖刷（圖5）。淤積區(qū)域主要分布在橫洲水道兩側(cè)，以東側(cè)的上溝和西側(cè)的鶴州至交杯沙淺灘為代表。

圖5 磨刀門河口沖淤厚度（m）圖

在1964至1977年上溝的淤積速度比較快。長周期模型的計(jì)算所得上溝的平均淤積厚度是0.41 m，該結(jié)果與地圖對比得到的0.46 m比較吻合。在這13 a間上溝總體上處于淤積狀態(tài)，南北兩岸淺灘的淤積強(qiáng)度明顯強(qiáng)于中間深槽，導(dǎo)致深槽變窄。淤積厚度由深槽的10～30 cm向南北兩岸增加到50～70 cm。杧州島周圍的淺灘的淤積厚度為40～90 cm，淺灘面積增大，導(dǎo)致淺灘南北兩側(cè)的過水面積逐漸減小，上溝的落潮分流比也隨之減小。與上溝普遍淤積的規(guī)律不同，上溝東部靠近澳門一側(cè)的深槽沖深了20～40 cm。東部由于中心溝的圍堤，外海東邊界潮流只能通過澳門和夾馬口水道經(jīng)過馬溜州水道進(jìn)入內(nèi)海區(qū)，使得潮流加強(qiáng)，因此在馬溜州東部出現(xiàn)一個(gè)較高動能區(qū)，導(dǎo)致此處的流速增大，形成沖刷。

圖6 基巖島嶼附近不同距離沉積狀況對比

鶴州至交杯沙淺灘的平均淤積厚度是0.39 m，該結(jié)果與地圖對比得到的0.41 m非常吻合。就淤積強(qiáng)度的空間分布來說，淺灘區(qū)的總體淤積趨勢是自東向西淤積強(qiáng)度逐漸增大，淤積厚度由橫洲水道附近的20 cm增加到淺灘西岸的60多厘米，但淺灘區(qū)的淤積并不只是自西向東單向發(fā)展，淺灘區(qū)的島嶼周圍也是淤積強(qiáng)度增強(qiáng)的區(qū)域。淺灘區(qū)有4個(gè)嚴(yán)重淤積的區(qū)域，即：淺灘西岸、三灶島附近、橫洲島至交杯沙附近和鶴州島附近。這4個(gè)區(qū)域的平均淤積厚度都超過了60 cm，個(gè)別區(qū)域甚至接近1 m，其中前兩個(gè)區(qū)域位于陸地或大島嶼的邊緣，而后兩個(gè)是位于小型基巖島嶼的周圍。這說明小型基巖島嶼使得內(nèi)海區(qū)的淤積過程趨向多元化，而并不只是由陸向海的單向發(fā)展。

為進(jìn)一步探討內(nèi)海區(qū)中基巖島嶼對沉積過程的影響，本文在圖6a中鶴州島附近選擇了A、B、C三個(gè)對比點(diǎn)，它們與鶴洲島的距離依次增大。圖6b為三個(gè)對比點(diǎn)的淤積厚度（計(jì)算結(jié)果），3個(gè)點(diǎn)的沉積厚度分別為 A點(diǎn)0.94 m，B點(diǎn)0.76 m，C點(diǎn)0.43 m。雖然A點(diǎn)與C點(diǎn)的距離只有724 m，但A點(diǎn)的淤積厚度卻是C點(diǎn)的2.19倍。這表明越靠近島嶼的地方沉積作用越明顯。從動力上看，島嶼通常能給周圍水體提供相對穩(wěn)定的環(huán)境，流經(jīng)島嶼附近水體速度減緩，剪切作用降低，不利于泥沙的懸浮和輸移；同時(shí)外海傳入的波浪在島嶼附近容易發(fā)生破碎，形成高能耗區(qū)域，有利于泥沙的沉降。如此長時(shí)間作用下，形成了以島嶼為中心的快速沉積區(qū)域。

在數(shù)值模擬期間，局部區(qū)域沖刷明顯。主要包括龍屎窟水道峽口段、橫洲水道從大杧州到石欄州段及上溝東部近澳門段。從動力結(jié)構(gòu)上看，龍屎窟水道峽口兩側(cè)均為島嶼，同時(shí)上下兩側(cè)是廣闊的水域，這使得通過“門”的水流運(yùn)動方向與潮流漲落方向基本一致，形成以“門”為樞紐的雙向射流動力體系，流速在射流口附近較大，潮能通量在這里出現(xiàn)峰值，對床底形成沖刷。橫州水道受大小杧州、大小橫琴島、石欄州等島嶼的作用，形成單向射流系統(tǒng)，同時(shí)隨著鶴州至交杯沙淺灘淤積的加劇，橫洲水道漲落潮流得到進(jìn)一步加強(qiáng)，沖刷現(xiàn)象更為明顯。上溝東部沖刷帶則受人類活動影響較為顯著，由于中心溝圍堤，外海東邊界潮流只能通過澳門和夾馬口水道經(jīng)過馬溜州水道進(jìn)入內(nèi)海區(qū)，使得潮流加強(qiáng)，形成沖刷。

人類活動對局部地形的演變起重要作用。1964年時(shí)，中心溝的平均水深只有2 m左右，從單位面積潮能通量來看，整個(gè)中心溝都是一個(gè)低能區(qū)。在1972年中心溝圍墾工程前，中心溝就是整個(gè)磨刀門河口區(qū)淤積強(qiáng)度最大的區(qū)域之一，其年均淤積厚度為6 cm。圍墾工程后，整個(gè)中心溝與大小橫琴島連為一體。在中心溝的演變過程中，人類活動起到了決定性的作用。

3.2 季節(jié)性變化

磨刀門河口洪季演變特征表現(xiàn)為淺灘淤積、深槽沖刷。淺灘在洪季淤積明顯，最大淤積厚度為6 cm，出現(xiàn)在上溝西部近岸區(qū)、鶴州島附近及鶴州島以北近岸區(qū)域。磨刀門河口洪季最大淤積厚度為枯季最大淤積厚度的10倍以上，由此可見磨刀門淤積主要出現(xiàn)在洪季。同時(shí)受洪季大徑流量及峽口射流影響，磨刀門水道燈籠山段、橫洲水道及龍屎窟水道出現(xiàn)明顯沖刷。其中磨刀門水道的單向射流和龍屎窟水道峽口的北向射流為淺灘的淤積提供了主要的泥沙來源，塑造了淺灘的形態(tài)，形成了龍屎窟水道北部的環(huán)形沉積特征。

圖7 1976年枯季與洪季沉積厚度（m）

3.3 演變過程的水下地形分析

磨刀門河口演變過程呈現(xiàn)總體淤積、局部沖刷的特點(diǎn)，對其水下地形影響明顯。本文選取1964、1970、1977年模擬的水下地形與1977年實(shí)測地形作對比，它們分析數(shù)值模擬期間磨刀門河口水下地形演變過程（見圖8）。在1964年磨刀門河口分4個(gè)口與外海相通，分別是洪灣口、橫洲口、龍屎窟和大門口，其中龍屎窟水道北部與橫洲水道北部相通；相鄰口門間存在著淺灘，從西到東分別為三灶島北部淺灘、鶴州至交杯沙淺灘和上溝淺灘。與1964年水下地形相比，1970年淺灘區(qū)域水深總體變淺，龍屎窟水道北部受淤積變窄，三灶島北部淺灘與鶴州至交杯沙淺灘表現(xiàn)出相連趨勢，龍屎窟峽口處受沖刷變深；受鶴州至交杯沙淺灘和上溝淺灘水深變淺影響，橫洲水道深槽變窄變深。至1977年4月，龍屎窟水道北部水深明顯變淺，三灶島北部淺灘與鶴州至交杯沙淺灘相連，在龍屎窟水道北部形成相對封閉的水域，很大程度上限制了大門口和龍屎窟的出海徑流量和輸沙量，同時(shí)環(huán)形淺灘形成的高潮能耗散區(qū)域，有利于龍屎窟水道北向射流攜帶泥沙的沉積，此循環(huán)使磨刀門河口西側(cè)區(qū)域水下地形加速變淺。受基巖峽口射流影響，龍屎窟水道峽口處受沖刷變深；橫洲水道兩側(cè)地形變淺，過水面積變小，使經(jīng)過橫洲水道入海徑流增加，加劇了深槽段的沖刷；同時(shí)大杧州和小橫琴島附近水深明顯變淺，使上溝深槽進(jìn)一步收窄，逐漸形成了上游向東南、下游向東北的河道走向，形成了洪灣水道的雛形。

圖8 1964至1977年水下地形演變淤積厚度（m）

4 結(jié)論

（1）在1964至1977年間，磨刀門內(nèi)海區(qū)的淺灘總體上處于淤積狀態(tài)；而深槽則命運(yùn)各異，橫洲水道以沖深為主，龍屎窟逐漸萎縮只有峽口處沖刷，上溝深槽總體淤積東部深槽發(fā)育。

（2）橫洲水道是磨刀門河口由陸向海輸水輸沙的主要通道，而龍屎窟水道是由海向陸輸沙的主要通道。從橫洲水道入海的大量泥沙隨著漲潮流從龍屎窟進(jìn)入磨刀門內(nèi)海區(qū)，構(gòu)成了磨刀門內(nèi)海區(qū)的一大泥沙來源。

（3）散布于內(nèi)海區(qū)的基巖島嶼對沉積物的空間分布有著深刻的影響。峽口地區(qū)基巖島嶼有助于形成以“門”為樞紐的雙向射流動力體系，流速在射流口附近較大，潮能通量在這里出現(xiàn)峰值；而在逆潮流運(yùn)動方向或地形開闊的地方，潮能分散。潮能相對集中或分散的分布，影響著沉積物的沖淤沉積分布及水下地形的發(fā)育演變。

（4）內(nèi)海區(qū)沒有形成“門”的基巖島嶼附近都形成了沉積中心，島嶼周圍的沉積厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于附近水域的淤積厚度。

（5）磨刀門河口季節(jié)性沖淤特點(diǎn)明顯?？菁狙葑兲卣鳛檎w淤積，淤積厚度從河口往外海遞減；洪季演變特征為淺灘淤積深槽沖刷，且淺灘在洪季淤積厚度遠(yuǎn)大于枯季淤積厚度。

（6）從水下地形演變上看，龍屎窟水道北部水深明顯變淺，三灶島北部淺灘與鶴州至交杯沙淺灘相連，在龍屎窟水道北部形成相對封閉的水域，環(huán)形淺灘形成的高潮能耗散區(qū)域使磨刀門河口西側(cè)區(qū)域水下地形加速變淺。

［1］趙煥庭，歐興進(jìn)，宋朝景 .西江磨刀門河口動力地貌［G］∥中國科學(xué)院南海海洋研究所，南海海洋科學(xué)集刊（第3集）.北京：科學(xué)出版社，1982：1－21.

［2］曾昭璇 .從磨刀門歷史地貌學(xué)研究看口門整治問題（上、下）［J］.人民珠江，1982，5，6：11－15.

［3］江沛霖，賓放 .磨刀門水文地貌二十年［J］.人民珠江，1986，5：27－32.

［4］張虎男，郭欽華，陳偉光 .西江斷裂磨刀門段近期活動性研究［J］.華南地震，1990，10（1）：15－26.

［5］De Vriend H J，Capobiancom，Chesher T，et al.Approaches to long－term modeling of coastal mor phology：a review［J］.Jour nal of Coastal Engineering，1993，21：225－269.

［6］任杰 .末次海進(jìn)盛期以來珠江三角洲演變的長周期動力地形模型及應(yīng)用［D］.廣州：中山大學(xué)，2003.