珠江河口水下三角洲沖淤演變分析

胡煌昊，徐 陽，官明開，蔣齊嘉

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，雅安625014）

珠江河口水下三角洲沖淤演變分析

胡煌昊1，徐 陽1，官明開1，蔣齊嘉2

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，雅安625014）

基于歷史地形數(shù)據(jù)，建立珠江河口水下三角洲數(shù)字高程模型分析近期的水下地形變化。并分析上游徑流來沙和人類工程活動(dòng)對河口區(qū)水下地形沖淤演變的影響。結(jié)果顯示在20世紀(jì)60年代到2000年左右期間，水下三角洲地形基本處于淤積狀態(tài)，只有深槽等局部區(qū)域發(fā)生沖刷。20世紀(jì)90年代期間，黃茅海水域和伶仃洋水域的淤積強(qiáng)度有減弱的趨勢，而雞啼門水域淤積強(qiáng)度增強(qiáng)，磨刀門水域表現(xiàn)為灘淤槽沖的狀態(tài)。上游徑流來沙除伶仃洋水域外都表現(xiàn)出減少的趨勢，一定程度上減弱了這些區(qū)域的淤積強(qiáng)度。而人類活動(dòng)如土地圍墾，航道整治對河口區(qū)水下地形的變化有十分重要的影響。

珠江河口；水下三角洲；地形變化；數(shù)字高程模型；人類活動(dòng)

河口水下三角洲是整個(gè)海岸帶動(dòng)力作用最為活躍的地帶。淺灘和深槽在動(dòng)力條件的變化中發(fā)生沖刷或淤積，同時(shí)水動(dòng)力條件又在灘槽的發(fā)展中發(fā)生變化，灘槽沖淤與動(dòng)力條件相互適應(yīng)而趨向平衡發(fā)展。因此掌握河口水下三角洲的沖淤演變規(guī)律，了解演變原因才能對河口未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，從而更好地保護(hù)和開發(fā)河口。河口水下三角洲沖淤演變最根本的原因在于沉積物的減少或是增多，影響沉積物變化的因素包括沉積物來源和沉積特征的變化、動(dòng)力條件的改變以及挖沙、圍墾等人類活動(dòng)的影響。其中人類活動(dòng)不僅能直接改變河口水下三角洲地形，還可以通過改變河口動(dòng)力條件而間接長久地影響水下三角洲的沖淤演變。近年來，珠江河口地區(qū)人類活動(dòng)較為劇烈，上游水庫建設(shè)［1］、灘涂圍墾［2］、航道整治［3］、挖沙［4］等多項(xiàng)工程的開展，對于河口演變的影響已經(jīng)顯著于河口的自然演變過程，使得河口水下三角洲的變化更為復(fù)雜。利用GIS軟件通過離散點(diǎn)高程數(shù)據(jù)經(jīng)空間插值建立的數(shù)字高程模型（DEM）是一種新興的研究方法，An?tonio等［5］基于河口地形數(shù)據(jù)建立了西班牙東南部Adra河口1876年和2002年的DEM模型，進(jìn)行了河口沖淤變化的計(jì)算分析，并討論了氣候變化和人類活動(dòng)對河口演變的影響。本文基于歷史地形數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件建立不同年代DEM模型，研究珠江河口水下三角洲的沖淤變化過程。

1 區(qū)域概況

珠江河口位于我國廣東省東南近海。上游珠江流域主要由西江、北江和東江三大水系組成，其中西江水沙量居主導(dǎo)地位。珠江下游經(jīng)崖門、虎跳門、雞啼門、磨刀門、橫門、洪奇門、蕉門和虎門共八大口門注入我國南海。在口外形成黃茅海水域、雞啼門水域、磨刀門水域和伶仃洋水域（圖1）。黃茅海水域位于珠江河口西南部，是崖門和虎跳門口外的喇叭形河口灣。雞啼門水域位于黃茅海東側(cè)，其雞啼門是珠江八大出?？陂T中較小的一個(gè)，且其徑流量在珠江八大口門中所占比例也很小。磨刀門的入海水沙通量在珠江口八大口門中均居首位，磨刀門水道也是珠江三角洲的首要泄洪通道和輸沙出海通道。伶仃洋水域位于珠江口東部，上游來水包括西江、北江大部分徑流和東江的全部徑流，分別自橫門、洪奇門、蕉門和虎門入海。珠江河口總體屬于弱潮河口類型，只有崖門與虎門屬于強(qiáng)潮弱徑型河口，潮汐類型主要為不規(guī)則半日混合潮。

2 數(shù)據(jù)和研究方法

本文地形數(shù)據(jù)資料是珠江河口水下三角洲20世紀(jì)60～70年代、80年代、90年代以及2000年左右的海圖資料。由于研究區(qū)域范圍較大，所獲得的整體數(shù)據(jù)是由相近年份的不同分區(qū)的數(shù)據(jù)而組成，所以在定義數(shù)據(jù)資料的時(shí)間時(shí)用大概的時(shí)間范圍進(jìn)行描述。通過對海圖資料進(jìn)行掃描、配準(zhǔn)、建立圖形文件、屏幕數(shù)字化、屬性錄入的數(shù)字化處理，得到矢量水下地形數(shù)據(jù)。為方便矢量數(shù)據(jù)的處理分析，對基準(zhǔn)面和坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一化處理，將基準(zhǔn)面統(tǒng)一到珠江基準(zhǔn)面，坐標(biāo)統(tǒng)一采用UTM-WGS84坐標(biāo)。通過對水下地形數(shù)據(jù)資料處理得到地形數(shù)據(jù)點(diǎn)的AutoCAD矢量文件，由于三個(gè)年代的數(shù)據(jù)點(diǎn)范圍不同，為方便下一步對數(shù)字高程模型的沖淤計(jì)算和分析，對數(shù)據(jù)點(diǎn)范圍邊界進(jìn)行處理。其中，各年代的陸地邊界采用掃描得到的數(shù)據(jù)；水邊界根據(jù)研究區(qū)域范圍，確定共同的邊界。利用ArcGIS軟件的ArcInfo軟件系統(tǒng)建立珠江河口水下數(shù)字高程模型（DEM）。首先將處理后的AutoCAD的數(shù)據(jù)點(diǎn)、島嶼輪廓線和邊界線轉(zhuǎn)換成ArcGIS所要求的shapefile格式。然后利用其3D Analysis工具，分別生成不同年代的水下三角洲D(zhuǎn)EM模型，作為之后研究水下地形沖淤變化的平臺(tái)。

圖1 珠江口地理信息Fig.1 Geographic information of the Pearl River Estuary

3 沖淤演變分析

3.1 水下三角洲地形變化

利用DEM模型分析珠江河口水下地形地貌格局，以2000年地形下的DEM模型為例（圖2），可以看出從沿岸到灣內(nèi)再到外海，海床高度逐漸降低，河口灣內(nèi)灘槽相間格局明顯。為更詳細(xì)地分析水下地形變化，將不同年代DEM模型進(jìn)行處理，并將整個(gè)研究區(qū)域劃分為黃茅海水域、雞啼門水域、磨刀門水域和伶仃洋水域分別研究。

圖2 珠江河口2000年左右水下DEM模型Fig.2 The underwater DEM of the PRE around 2000

3.1.1 黃茅海水域

黃茅海水域水下地形呈三槽四灘格局，分別是西灘、西槽、攔門淺灘、主槽、東灘、東槽和大海環(huán)淺灘。在20世紀(jì)90年代之前，西灘表現(xiàn)為淤積狀態(tài)（圖3-a），而在20世紀(jì)90年代后西灘頂部有超過1 m的沖刷（圖3-b）。西灘整體上一直向西槽淤展使得西槽變窄。攔門淺灘整體變化不明顯，處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)（圖3）。主槽上部在20世紀(jì)90年代前淤積超過2 m，其余部分則發(fā)生了輕微的沖刷，而在20世紀(jì)90年代后主槽上部有超過1 m的沖刷（圖3-a，圖3-b）。從20世紀(jì)60年代到00年代整個(gè)研究時(shí)期內(nèi)，主槽上部有所淤積，中下部一直保持沖刷狀態(tài)（圖3-c）。東灘在20世紀(jì)90年代前北部淤積深度達(dá)到5 m，20世紀(jì)90年代后東灘淤積明顯減弱（圖3-a，圖3-b）。整個(gè)研究時(shí)期內(nèi)，東灘有超過5 m的淤積（圖3-c）。東槽在20世紀(jì)90年代前為淤積狀態(tài)，20世紀(jì)90年代后則轉(zhuǎn)為沖刷狀態(tài)。大環(huán)海淺灘的泥沙淤積在20世紀(jì)90年代后減弱且有北移的趨勢，局部地區(qū)出現(xiàn)沖刷。黃茅海水域群島在20世紀(jì)90年代前后由沖刷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛俜e狀態(tài)（圖3）。

3.1.2 雞啼門水域

雞啼門水域地貌結(jié)構(gòu)較為簡單，從上到下依次是水道區(qū)，漏斗灣區(qū)和灣外區(qū)，有一條南向主槽。整個(gè)區(qū)域在20世紀(jì)90年代后發(fā)生了大規(guī)模的淤積（圖3）。水道區(qū)主槽在20世紀(jì)90年代前有所沖刷，但在20世紀(jì)90年代后淤積超過2 m。在漏斗灣區(qū)內(nèi)，2000年左右時(shí)主槽所在的位置以東，原60～70年代時(shí)主槽所在的位置表現(xiàn)為1～2 m的淤積，說明了主槽有向西岸移動(dòng)的變化趨勢。漏斗灣水域在90年代基本上表現(xiàn)為沖轉(zhuǎn)淤或者淤積增強(qiáng)的狀態(tài)。灣外區(qū)攔門沙在20世紀(jì)90年代前表現(xiàn)為0～0.5 m的淤積，而在20世紀(jì)90年代的十年間表現(xiàn)為0.2～2 m的淤積，淤積增強(qiáng)。20世紀(jì)90年代高欄島沿岸有0～2 m的淤積，越向岸邊淤積越強(qiáng)。總體上灣外區(qū)表現(xiàn)為淤積增強(qiáng)的狀態(tài)。

圖3 黃茅海和雞啼門水域沖淤變化（后一時(shí)期水深減去前一時(shí)期水深）Fig.3 Bathymetric changes(depth of later time minus that of the previous time)in Huangmao Bay and Jitimen water area

3.1.3 磨刀門水域

磨刀門水域逐漸從內(nèi)海淺灘演變成三角洲平原，主要有磨刀門水道和白龍河水道。20世紀(jì)90年代以前，磨刀門水道沖刷超過1 m，白龍河水道淤積超過2 m，攔門沙為淤積狀態(tài)并向海淤展（圖4-a）。20世紀(jì)90年代以后，白龍河水道南部淺灘有超過1 m的淤積，磨刀門水道則繼續(xù)變深（圖4-b）。整個(gè)時(shí)期內(nèi)，磨刀門水道變深但白龍河水道變淺，水域西部有超過2 m的淤積，同時(shí)攔門沙有輕微的淤積并向外淤展（圖4-c）。

圖4 磨刀門水域沖淤變化（后一時(shí)期水深減去前一時(shí)期水深）Fig.4 Bathymetric changes(depth of later time minus that of the previous time)in Modaomen water area

3.1.4 伶仃洋水域

圖5 伶仃洋水域沖淤變化（后一時(shí)期水深減去前一時(shí)期水深）Fig.5 Bathymetric changes(depth of later time minus that of the previous time)in Lingding Bay water area

伶仃洋水下地形呈三灘兩槽格局，分別是西灘、西槽、中灘、東槽和東灘。西部淺灘因?yàn)闆_刷和淤積的共同作用，形成了次級(jí)水道，次級(jí)水道形成于洪奇門東南端和蕉門南部（圖5）。伶仃洋水域西灘在20世紀(jì)90年代前整體有大約1 m的淤積，20世紀(jì)90年代后則發(fā)生了強(qiáng)烈的沖刷（圖5-a，圖5-b）。整個(gè)時(shí)期內(nèi)，西灘除次級(jí)水道以外總體上變淺（圖5-c）。西槽在20世紀(jì)90年代前為沖刷狀態(tài)，上部和中部沖刷大于1 m，下部沖刷較小（圖5-a）。90年代后，西槽上部和下部變得更深，尤其是頂端川鼻水道的位置也有沖刷發(fā)生（圖5-b）。整個(gè)時(shí)期內(nèi)，西槽維持在沖刷狀態(tài)（圖5-c）。中灘在20世紀(jì)90年代前表現(xiàn)出淤積的特性，其東南部有超過2 m的顯著淤積，西部和內(nèi)伶仃島東部則有一定程度的沖刷（圖5-a）。20世紀(jì)90年代以后，中灘東南部繼續(xù)保持淤積的狀態(tài)（圖5-b）。整個(gè)時(shí)期內(nèi)，中灘向東南方向淤展（圖5-c）。20世紀(jì)90年代以前，東槽中部和下部有沖刷，上部有淤積（圖5-a）。20世紀(jì)90年代以后，東槽中部有淤積，上部有不到1 m的沖刷，下部則有沖有淤，沖淤變化超過2 m（圖5-b）。整個(gè)時(shí)期內(nèi)，東槽總體變深，上部有淤積，下部則有沖有淤（圖5-c）。東灘大體上保持一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)（圖5）。

圖6 珠江口-10 m等深線內(nèi)泥沙沖淤體積變化Fig.6 Sediment volume changes of the Pearl River Estuary above-10 m isobath

3.2 地形變化原因

3.2.1 上游來沙

珠江含沙量小，但徑流量大，每年進(jìn)入網(wǎng)河三角洲的泥沙約有15%落淤［6］，其余85%輸出口外，所以年均入河口泥沙通量仍較大。其中西江含沙量最大，是河口的主要泥沙來源。20世紀(jì)90年代以來隨著珠江流域中上游大中型水庫的建設(shè)以及網(wǎng)河區(qū)大規(guī)模的采砂活動(dòng)，珠江網(wǎng)河區(qū)的來沙量逐漸減?。?］。到2000年以后，珠江上游來沙量僅有40.70×106t/a，大約是1980年的一半［8］。但由于三水馬口的分水分沙比自20世紀(jì)80年代末以來呈上升趨勢，東四口門的水沙分配比增大，使得伶仃洋水域上游徑流來沙有所增加［9］。因此20世紀(jì)90年代以后珠江口除伶仃洋水域外的其它水域上游徑流來沙都有大幅度減少。ArcGIS的3D Analysis計(jì)算結(jié)果顯示，黃茅海水域、雞啼門水域、磨刀門水域，伶仃洋水域和外海的-10 m等深線內(nèi)水域的泥沙淤積速率分別由20世紀(jì)90年代前的6.33×106m3/a，4.63×106m3/a，-3.16×106m3/a，23.69× 106m3/a和-0.62×106m3/a變化為20世紀(jì)90年代后的2.89×106m3/a，2.74×106m3/a，-1.44×106m3/a，9.98×106m3/a 和17.83×106m3/a。發(fā)現(xiàn)磨刀門水域的沖刷減弱以及-10 m等深線內(nèi)水域整體淤積增強(qiáng)的結(jié)果與上游來沙量減少的預(yù)期變化并不完全相符，而伶仃洋水域的淤積減弱與該水域的上游來沙量增加的預(yù)期變化也不符合，說明上游來沙變化不是珠江口地形沖淤變化的主導(dǎo)因素。

圖7 1973，1995，1999和2007年珠江河口西部水域遙感圖像（虛線部分為圍墾區(qū)域）Fig.7 Remote sensing images of the western region of the PRE in 1973，1995，1999 and 2007

3.2.2 人類工程活動(dòng)

部分人類工程活動(dòng)可以通過不同時(shí)段衛(wèi)星遙感圖像識(shí)別，如土地圍墾，堤壩建設(shè)。

黃茅海水域圍墾工程的開展（圖7），使水域過水?dāng)嗝婵s窄，水流集中于主槽下泄，尤其西岸上凸下凹岸線的形成，使得落潮流動(dòng)力增強(qiáng)，所以西灘淤積程度減弱。同時(shí)西灘向東南淤展，造成西槽北段出現(xiàn)萎縮。主槽作為主要的落潮沖刷槽，是整個(gè)河口灣動(dòng)力最強(qiáng)勁的區(qū)域，但由于灣頂區(qū)域是入河口懸沙的主要沉積區(qū)域，所以在20世紀(jì)90年代前主槽中上段是呈淤積狀態(tài)的，而中下段仍然是沖刷的。20世紀(jì)90年代期間隨著泥沙通量的減小，尤其是在崖門出海航道整治后，主槽下泄動(dòng)力增強(qiáng)，所以整體沖刷顯著增強(qiáng)。兩岸圍墾等工程的建設(shè)，使水流更加集中于主槽下泄，沖刷保持較穩(wěn)定狀態(tài)。黃茅海東岸圍墾后，凹形岸線形態(tài)變得較為平順，改善了漲潮流的上溯情況，漲潮流動(dòng)力加強(qiáng)，海域帶來的泥沙沉積北移。東岸岸線圍墾后變得更為平順，從而改善了沿岸的漲落潮流態(tài)，水流更加順暢，大大減輕了東灘和大海環(huán)淺灘上多處因回流和緩流造成的淤積，漲潮流動(dòng)力的增強(qiáng)使海域帶來的泥沙沉積北移。高欄—南水連島大堤建成后，東槽主要受到東口潮汐射流作用，漲潮流動(dòng)力強(qiáng)勁，改變了該區(qū)域輕度淤積的水動(dòng)力環(huán)境，東槽沖刷增強(qiáng)。

雞啼門上游圍墾工程使白藤湖與河道分離后，河口納潮量減小，潮汐動(dòng)力減弱，為河口淤積創(chuàng)造了條件。高欄—南水連島大堤建成后切斷了東西向的沿岸流通道（圖7），減弱了雞啼門水域的動(dòng)力條件，尤其是高欄島以北區(qū)域，泥沙更易淤積。三灶島北部圍墾堵控大門水道后，來自大門水道的徑流動(dòng)力完全消失，漏斗灣東部淤積增強(qiáng)，深槽也有向西擺動(dòng)的趨勢。

磨刀門水域隨著20世紀(jì)70～90年代鶴州淺灘的圍墾（圖7），過灘水流減小，白龍河徑流動(dòng)力條件減弱，逐漸淤積，尤其越往下游水道斷面增寬，越容易淤積［10］。20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初期，三灶島北部區(qū)域圍墾，水沙集中于縮窄的白龍河水道，經(jīng)龍屎窟下泄入海，徑流的沖刷作用稍微增強(qiáng)。同時(shí)下泄挾沙水流從龍屎窟入海后遇到南側(cè)的西汊水流，流速降低，泥沙易沉降，所以龍屎窟南部仍存在淤積趨勢。主要航道的整治，改變了工程前徑流水沙在內(nèi)海灣擴(kuò)散、主槽水流不集中的狀態(tài)，而使得徑流水沙主要集中在兩個(gè)主要水道，攔門淺灘處淤積減弱。

圖8 1979，1990，2000和2005年伶仃洋水域遙感圖像（虛線部分為圍墾區(qū)域）Fig.8 Remote sensing images of Lingding Bay water area

伶仃洋水域圍墾工程的開展（圖8），使伶仃洋逐漸形成大喇叭型河口形態(tài)，水流更加順暢，川鼻水道縮窄，水流集中，挾沙能力增強(qiáng)，川鼻水道和西槽沖刷變強(qiáng)。同時(shí)萬頃沙和雞抱沙區(qū)域的圍墾，加強(qiáng)了虎門潮汐通道的落潮動(dòng)力，卻削弱了其漲潮動(dòng)力，使動(dòng)力中心向下游移動(dòng)。上述原因使得從內(nèi)伶仃洋向外輸出的泥沙增多，而不利于海域來沙的向內(nèi)輸移，減少了內(nèi)伶仃洋的淤積，這也是20世紀(jì)90年代后西灘由淤轉(zhuǎn)沖的原因。隨著動(dòng)力中心下移，泥沙淤積帶也隨著南移，所以中灘表現(xiàn)為東南向擴(kuò)展。東槽主要受潮流作用，徑流作用較弱，下游的暗士頓水道是主要的漲潮流通道，具有沖刷的特性，上段是下泄徑流和漲潮流的交匯區(qū)，容易淤積，所以總體上東槽上段淤積下段沖刷。20世紀(jì)90年代期間，伶仃洋大喇叭形河口形態(tài)的形成增大了水流動(dòng)力強(qiáng)度，東槽在上段出現(xiàn)沖刷，中段表現(xiàn)為淤積。此外，廣州出海航道的整治也加強(qiáng)了西槽的動(dòng)力和沖刷強(qiáng)度。

4 結(jié)論

基于歷史地形數(shù)據(jù)，通過ArcGIS軟件的ArcInfo平臺(tái)建立各年代的水下DEM模型，詳細(xì)分析近幾十年珠江河口水下三角洲地形的沖淤變化。結(jié)果顯示黃茅海水下三角洲在總體上呈現(xiàn)出淤積強(qiáng)度減弱的淤積變化趨勢。雞啼門水域水下三角洲總體上表現(xiàn)為淤積增強(qiáng)的變化趨勢。磨刀門水域沖淤變化較為復(fù)雜，深槽區(qū)域基本呈現(xiàn)出沖刷狀態(tài)，而攔門沙淺灘和近岸邊灘多表現(xiàn)為淤積狀態(tài)。伶仃洋水域水下三角洲淤積強(qiáng)度減弱，除西灘由淤轉(zhuǎn)沖外，基本表現(xiàn)為灘淤槽沖的狀態(tài)。

從河口自然條件來看，徑流來沙是珠江河口淤積的主要泥沙來源，徑潮動(dòng)力交匯為河口創(chuàng)造了基本的淤積環(huán)境。近年來上游徑流來沙逐漸減少，減弱了河口的淤積強(qiáng)度。人類活動(dòng)影響方面，圍墾等工程的建設(shè)導(dǎo)致岸線快速向海推進(jìn)，使得整體水域面積的減小，從而下泄流動(dòng)力加強(qiáng)而沖刷主槽，同時(shí)航道整治工程的建設(shè)更加劇了主槽的沖刷。本文認(rèn)識(shí)珠江河口近期地形變化有重大意義，不僅能幫助了解珠江河口水下三角洲的沖淤演變規(guī)律，還有助于數(shù)學(xué)模型對于該地區(qū)未來演變的預(yù)測。

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Analysis on morphological evolution of underwater delta in the Pearl River Estuary

HU Huang?hao1,XU Yang1,GUAN Ming?kai1,JIANG Qi?jia2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Sichuan Agricultural University,Ya′an 625014,China）

Underwater Digital Elevation Models(DEM)of the Pearl River Estuary were built based on the his?torical bathymetric charts to analyze quantitatively morphological changes of underwater delta.The impacts of sedi?ment supply and human activities on morphological evolution of underwater delta were analyzed.During the period between 1960s and 2000s,the results suggest that the PRD experienced a major stage of accretion,with net erosion only in some local zones such as deep channels.During the 1990s,sedimentation in Huangmao Bay water area and Lingding Bay water area showed a decreasing trend,but increased in Jitimen water area.And Modaomen water area was in a state that shoals silted and deep troughs scoured during the 1990s.Sediment supply from upstream de?creased except Lingding Bay water area,which led to a weakening trend of sediment deposition in these regions.Hu?man activities such as land reclamation and waterway regulation have significant impacts on morphological evolu?tion of underwater delta.

Pearl River Estuary;underwater delta;morphological changes;Digital Elevation Model;human ac?tivities

TV 148

A

1005-8443（2016）06-0593-06

2016-04-25；

2016-07-05

胡煌昊（1992-），男，廣東省韶關(guān)人，碩士研究生，主要從事河口水動(dòng)力學(xué)研究。

Biography：HU Huang?hao（1992-），male，master student.