伶仃洋西槽長期地貌演變研究

程梁秋，張 蔚，方擁軍，秦莉真，秦 震，楊 戈

(1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098；3.中國人民解放軍92001部隊(duì)41分隊(duì)，青島 266011)

珠江口伶仃洋西槽(伶仃水道)是整個(gè)黃埔出海航道最重要的一部分，其地貌演變對(duì)航道的疏浚與維護(hù)、船舶的通航以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。近幾十年來由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，在西灘進(jìn)行了大量的圍墾工程和港口工程，在西槽進(jìn)行了多次大規(guī)模的航道整治工程，這勢必會(huì)對(duì)西槽的地貌產(chǎn)生較大的影響。所以研究伶仃洋西槽的地貌演變有著重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和科學(xué)價(jià)值[1]。以往的研究更多集中于對(duì)整個(gè)河口的沖淤演變規(guī)律分析，本文對(duì)西槽長期地貌演變規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的研究，可為航道的開發(fā)與維護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

位于珠江三角洲東南部的伶仃洋是珠江最大也是最重要的河口灣，其形狀為喇叭形，走向?yàn)镹NW—SSE，北部邊界為虎門，寬度約為4 km。由北向南逐漸變寬，南部邊界為淇澳島—內(nèi)伶仃島—赤灣連線，寬度約為21 km。南北跨度35 km。水域面積約為1 000 km2[2]。來自上游的徑流和泥沙通過東四口門(虎門、蕉門、洪奇瀝、橫門)進(jìn)入伶仃洋。在潮流和來自上游的徑流還有人類工程活動(dòng)的共同作用下，伶仃洋現(xiàn)已形成了“三灘兩槽”的水下地形格局；三灘分別為西灘、中灘和東灘，兩槽指的是伶仃水道(西槽)，礬石水道(東槽)，本文以伶仃洋西槽作為研究區(qū)域，對(duì)其近50 a的地貌演變規(guī)律進(jìn)行分析(研究區(qū)域見圖1)[3]。

珠江多年平均徑流總量為3 020億m3，平均年輸沙量約8 800萬t。經(jīng)東四口門注入伶仃洋的年徑流總量為1 670 億m3，占年總徑流量的55.3%。年輸沙量為3 664萬t，占年輸沙量的41.6%[4]。徑流在東四口門的分配，以洪奇瀝最小，蕉門最大，西部三口門徑流量約占伶仃洋總徑流量的70%。沙量主要分配在蕉門和橫門，虎門和洪奇瀝相對(duì)較少，西部三口門來沙量約占總沙量的80%[5]。沙量在各口門的分配不勻，使得伶仃洋海域含沙量具有西北高，東南低，西槽大于東槽的分布規(guī)律[6]。上游來沙條件對(duì)河口沖淤演變有著重要影響。近幾十年中，珠江上游來沙經(jīng)歷了兩個(gè)階段[7]。第一個(gè)階段為20世紀(jì)80年代之前，上游來沙量呈遞增的趨勢。第二個(gè)階段為20世紀(jì)80年代以后，上游水土保持工作的加強(qiáng)、多座水利樞紐的建設(shè)以及河網(wǎng)內(nèi)水道的大規(guī)模人工采沙導(dǎo)致在上游徑流量無明顯變化的情況下來沙量開始減少，并從20世紀(jì)90年代開始上游來沙顯著減少。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[8-9]。

圖1 研究區(qū)域示意圖(珠江基面)Fig.1 Study area(datum of pearl river)

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)

應(yīng)用將海圖數(shù)據(jù)化得到的不同年份的地形資料對(duì)地貌演變進(jìn)行定量或者定性的分析是一個(gè)比較準(zhǔn)確可靠的方法。本文選取了1960～1970, 1980, 1990, 1999, 2005, 2012年6個(gè)年份的海圖作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將海圖數(shù)字化，并將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到珠江基面，對(duì)近50 a伶仃洋西槽的地貌演變進(jìn)行了分析與研究。隨著測量技術(shù)的逐步成熟，現(xiàn)代回聲探測儀在水深小于5 m時(shí)的誤差約為±2～5 cm，當(dāng)水深大于5 m時(shí)的測量誤差小于1%，可以保證數(shù)據(jù)的精確性[10]。

2.2 研究方法

Surfer軟件是美國Golden Software公司編制的一款繪制三維圖的軟件，具有強(qiáng)大的插值功能、繪圖和計(jì)算能力。Surfer可以將地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成三維地形圖，繪制等值線圖等。其中的克里金(Kriging)插值法又稱空間自協(xié)方差最佳插值法，它是以法國D.G.Krige的名字命名的一種最優(yōu)內(nèi)插法?？死锝鸱◤V泛地應(yīng)用于地下水模擬、土壤制圖等領(lǐng)域，是一種很有用的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)格網(wǎng)化方法。

圖2 斷面分布示意圖Fig.2 Section distribution

應(yīng)用Surfer軟件中的克里金(Kriging)插值法對(duì)各年代的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行45 m×45 m的高密度網(wǎng)格化，保證了模型的精度，建立了數(shù)字高程模型(DEM)。本文將珠江基面-7 m以下的部分定義為深槽，應(yīng)用Surfer繪制了歷年的等深線圖以及沖淤分布圖，分析了西槽平面上的變化以及沖淤分布規(guī)律；然后在西槽等距離取了12個(gè)斷面P1～P12，將西槽分成了11部分WC1～WC11(圖2)，分析了各部分的體積變化規(guī)律、典型斷面歷年形態(tài)的變化以及深泓線平面位置上的變化。

3 西槽地貌演變分析

3.1 水深圖變化分析

西槽歷年水深圖如圖3所示。1960～1970年水深較淺，大部分水深都在-8～-9 m之間，-7 m等深線曲折。1980年西槽整體沖刷，深槽中部水深集中在-9 m～-10 m，局部水深達(dá)到了-10 m以上，-7 m等深線變得順直，并明顯的向西移動(dòng)。1990年西槽平面形態(tài)以及水深基本保持不變。1999年明顯沖刷，西槽中部整體達(dá)到了-10 m以下，且中灘沖刷嚴(yán)重，中灘頂部由P1處下移到了P2下部。2005年西槽有所淤積，西槽形態(tài)與1990年相似。2012年西槽由淤積轉(zhuǎn)為沖刷，P9以上深槽明顯縮窄變深，P9以下深槽變寬，深槽整體達(dá)到了-13 m以下。

3.2 沖淤分布分析

圖4為西槽歷年沖淤分布圖，圖中負(fù)值代表沖刷。由圖4可知1960～1980年西槽整體沖刷，P4以上沖刷較嚴(yán)重。1980～1990年西槽沖淤分布較亂，有沖有淤，但沖刷區(qū)域面積明顯大于淤積區(qū)域面積，總體表現(xiàn)為沖刷特征。1990～1999年西槽及其兩側(cè)水域都表現(xiàn)為沖刷特征，只有在P5～P9之間局部有所淤積。1999～2005年西槽整體呈淤積趨勢，在P3～P9之間西槽兩側(cè)水域略有沖刷。2005～2012年，P8以上西槽兩側(cè)水域繼續(xù)淤積，西槽則由淤積轉(zhuǎn)為沖刷，P8以下灘槽都處于沖刷狀態(tài)?？傮w來講在1960～2012年這50 a間，西槽處于一個(gè)沖刷加深的趨勢。

3.3 體積變化

用12個(gè)斷面將西槽分為11個(gè)部分，利用Surfer分別計(jì)算西槽各部分以及總體歷年的體積和沖刷速率(見表1和表2)，進(jìn)而分析西槽不同部位的沖淤演變特征。表中WC代表西槽，“-”代表淤積。

圖3 西槽歷年水深圖Fig.3Bathymetriccharts圖4 西槽歷年沖淤分布圖Fig.4Erosionanddepositiondistribution

近幾十年西槽呈沖刷加深趨勢，2012年與1960年相比西槽體積增加了12 296萬m3，沖刷速率為293萬m3/a。本文將西槽的沖淤變化分為3個(gè)階段，第一個(gè)階段為1960年到1999年，這一階段深槽體積平穩(wěn)上升，不斷的沖刷，平均沖刷速率為334 萬m3/a。第二階段為1999年到2005年，深槽體積減少，不斷淤積，平均淤積速率為958 萬m3/a。第三個(gè)階段是2005年到2012年，這一階發(fā)生了嚴(yán)重的沖刷，沖刷速率高達(dá)1 195萬m3/a。

表1 西槽體積Tab.1 Volume of western channel (×106 m3)

表2西槽沖刷速率

Tab.2 Erosion rate of western channel (×106m3/a)

編號(hào)1980-19601990-19801999-19902005-19992012-20052012-1960WC10.270.070.94-1.263.130.62WC20.28-0.090.72-0.690.520.19WC30.300.040.54-0.920.810.20WC40.070.030.45-0.600.560.13WC50.300.010.90-1.260.490.17WC60.420.070.28-0.290.460.21WC70.360.000.430.120.050.20WC80.240.120.37-0.030.580.26WC90.270.160.44-1.261.650.29WC100.510.280.43-1.661.940.36WC110.490.170.40-1.741.760.29WC3.520.865.89-9.5811.952.93

由表1和表2可知西槽每一部分的體積變化規(guī)律與總體變化規(guī)律相一致，基本滿足3個(gè)階段的變化規(guī)律。然而在徑流與潮流的影響下，上游和下游的體積隨時(shí)間的變化規(guī)律卻有所不同。1960到1990年之間斷面P6以上的部分沖刷速率要低于P6以下的部分，這是因?yàn)閬碜晕鳛┑哪嗌持饕谖鞑凵嫌温溆?，所以?dǎo)致了上游沖刷速率要小于下游。1990到2005年的情況與之前相反，可以明顯的看出1990年到1999年西槽上游的沖刷速率要高于下游，1999年到2005年西槽上游的淤積速率要小于下游。這是因?yàn)?990年后在西灘的雞抱沙、萬頃沙、橫門灘進(jìn)行了大量的圍墾工程，使得水沙在蕉門、洪奇瀝、橫門的入海流路延長并加速流入伶仃洋，這一過程使得西槽受到一定程度的沖刷，且淤積中心向南移動(dòng)。

3.4 深泓線平面變化

圖5 西槽深泓線平面變化Fig.5 Variation of thalweg

伶仃洋西槽歷年深泓線平面變化圖如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)除了1960～1970年深泓線位置與其他年份相差較大以外，1980年以后深泓線平面位置變化不大，只有局部有所移動(dòng)。P3到P7之間，P10到P12之間深泓線位移相對(duì)較小，比較穩(wěn)定。P1到P3，P7到P10的部分深泓線歷年位移相對(duì)較大。雖然西槽深泓線歷年來的平面變化規(guī)律不是很明顯，但是可以發(fā)現(xiàn)P5處深泓線位置歷年來變化最小，其上游以及下游的深泓線以P5為中心擺動(dòng)，中心點(diǎn)在圖5中已用矩形框標(biāo)出。由深泓線歷年平面位置變化分析可知近幾十年伶仃水道航槽呈穩(wěn)定趨勢。

3.5 橫斷面分析

3.5.1 典型斷面沖淤變化分析

圖6 典型斷面沖淤變化Fig.6 Variation of the sections

選取P6，P10兩個(gè)深槽橫斷面(圖6)進(jìn)行沖淤變化分析，圖6橫坐標(biāo)代表距離斷面起點(diǎn)的距離，縱坐標(biāo)代表斷面底高程。分析結(jié)果可知近幾十年來西槽一直處于不斷沖刷加深的狀態(tài)，1960～1970年西槽水深較小，維持在-8 m左右。1980年兩個(gè)斷面均有所加深，水深在-10 m左右，且各斷面均向西偏移。1990年各斷面均有所沖刷，斷面有所加寬，水深維持在-11 m左右。1999年西槽明顯刷深，水深在-11～-13 m之間，斷面寬度有所增加。2005年西槽發(fā)生了淤積，水深恢復(fù)到了1990年的水平,且寬度變小。2012年的西槽刷深十分嚴(yán)重，斷面深度在-19 m左右，且寬度明變小。

3.5.2 斷面寬深比分析

圖7 寬深比匯總Fig.7 Aspect ratios

寬深比為斷面寬度的均方根與斷面最大深度的比值，寬深比能夠很好的反應(yīng)斷面特征，寬深比的值越小則代表斷面越窄深，為了分析西槽的橫斷面隨時(shí)間的變化規(guī)律，本文分別計(jì)算了P1～P12總共12個(gè)西槽橫斷面歷年的寬深比，并將不同時(shí)間段的斷面寬深比與斷面最大深度組成坐標(biāo)繪制成圖(圖7)，對(duì)斷面寬深比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。分析結(jié)果表明，1960～1970年寬深比主要集中在5～7之間，最大深度主要在-8 m左右。1980年寬深比更多地集中在了3～5之間，水深更多地集中在-10 m左右，這說明西槽受到?jīng)_刷。1990年寬深比分布與1980年相似。1999年發(fā)生了沖刷，有更多的斷面水深在-11 m以下，斷面寬深比主要分布在3～5之間，并且出現(xiàn)了一個(gè)斷面的寬深比小于3，這說明這一斷面附近的區(qū)域沖刷嚴(yán)重。2005年斷面寬深比的分布規(guī)律與1990年相似，這說明發(fā)生了淤積。2012年斷面寬深比集中分布在1～3之間，寬深比在3～9范圍內(nèi)的斷面僅有3個(gè)，水深主要分布在-20 m左右，這說明西槽在2012年發(fā)生了嚴(yán)重的沖刷，并且深槽寬度變窄。

4 西槽地貌演變?cè)蚍治?/h2>

4.1 人類工程活動(dòng)概況

在1978～2003年期間，伶仃洋的土地圍墾面積達(dá)2.598×104hm2[11]，在珠江口4個(gè)水域中土地圍墾面積最高，伶仃洋西部岸線向海迅速推移，泗東灣，蕉門和橫門附近有大量的土地形成，使得口門向海推進(jìn)，入海流路延長，入海泥沙加速流入伶仃洋水域[12]。

1975～1979年，為滿足黃埔新港建設(shè)的需求，對(duì)伶仃航道進(jìn)行了拓寬浚深，工程后航道底寬160 m，水深8.6 m。1996年6月至1997年12月進(jìn)行了廣州港出海航道預(yù)備工程，對(duì)航道按底寬160 m，底高程-10.5 m的標(biāo)準(zhǔn)浚深。隨后在1998～2000年間進(jìn)行了廣州港出海航道一期工程，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為底寬160 m，底高程-11.5 m。2004～2006年進(jìn)行了廣州港出海航道二期工程，按照底寬160 m，底高程-13.0 m 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行浚深[13]。為配合南沙港區(qū)建設(shè)，在2006年按照底寬250 m，底高程-13.0 m的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)伶仃航道進(jìn)行了拓寬[14]。2007～2011年按照航道有效寬度為243 m，設(shè)計(jì)底高程為-17.0 m的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了廣州港出海航道三期工程[15]

4.2 各時(shí)期演變?cè)蚍治?/h3>

1960～1970年間西槽體積為歷年來的最小值(表1)，深泓線位置較其他年份更偏向東邊(圖5)，斷面水深也處于歷年來的最小值(圖6)，斷面寬深比較大，主要集中在5～7之間，說明深槽較寬淺(圖7)。在這一時(shí)間段內(nèi)人類工程較少，上游來沙量較大，西槽在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)受自然因素所主導(dǎo)，大量泥沙在西灘落淤，因西灘的壓迫導(dǎo)致西槽不斷地淤淺，萎縮，東移。

1970～1980年間西槽兩側(cè)水域明顯淤積(圖4)，西槽體積明顯增加(表1)，深泓線西移(圖5)，斷面加深(圖6)，斷面寬深比更多地集中在了3～5之間，說明深槽變深(圖7)。這期間上游來沙量增大，使得西槽附近水域以淤積為主，1975年在西槽進(jìn)行的拓寬浚深工程，直接導(dǎo)致了西槽沖刷與西移。在上游來沙量增加以及拓寬浚深工程共同作用下使西槽在這一時(shí)間段內(nèi)表現(xiàn)為深槽沖刷，淺灘淤積的地貌演變特征。

1980～1990年間西槽體積略有上升(表1)，深槽整體呈現(xiàn)沖淤平衡且輕微沖刷趨勢。這一時(shí)期沒有大型的航道整治工程，上游的來沙量也呈逐年下降趨勢，在西灘進(jìn)行大量的圍墾工程使得大量泥沙淤積在圍墾區(qū)域，導(dǎo)致流入伶仃洋水域的泥沙明顯減少，進(jìn)而降低了西槽的淤積速率，因此西槽在這一段時(shí)間表現(xiàn)為沖淤平衡且輕微沖刷的地貌演變特征。

1990～1999年西槽體積明顯增加(表1)，深槽整體刷深(圖6)。這一階段上游來沙量顯著減少，西灘圍墾力度加大，使得水沙入海流路延長并加速流入伶仃洋，促進(jìn)了西槽的沖刷，西槽淤積中心南移(表2)，期間進(jìn)行的廣州港出海航道預(yù)備及一期工程為西槽沖刷的直接原因。

1999～2012年西槽進(jìn)一步?jīng)_刷，期間進(jìn)行的廣州港出海航道三期工程為深槽沖刷的主要原因。上游來沙量繼續(xù)減少，但由于當(dāng)?shù)卣O(jiān)管力度加強(qiáng)，圍墾力度大大減弱，這使得流入伶仃洋水域的泥沙有所上升，進(jìn)而導(dǎo)致西灘發(fā)育，有所淤積。

總體來說，伶仃洋西槽20世紀(jì)80年代前在自然因素的主導(dǎo)下呈淤積態(tài)勢。20世紀(jì)80年代以后受上游水庫大壩建設(shè)，西灘圍墾，航道工程等人類工程的影響，西槽呈沖深發(fā)展態(tài)勢。

5 結(jié)論

(1)20世紀(jì)80年代以前上游來沙量較大，西槽不斷淤積變淺。80年代以后上游大規(guī)模的水庫大壩建設(shè)使得上游來沙量逐年減少，降低了西槽的淤積速率，對(duì)航道的穩(wěn)定與維護(hù)起到了積極的作用。(2)西灘圍墾工程使得口門向海推移，入海流路延長，入海泥沙加速流入伶仃洋水域，這一過程使得西槽受到一定程度的沖刷，且淤積中心向南移動(dòng)。(3)20世紀(jì)80年代以后，為滿足廣州港出海航道通航要求，在西槽進(jìn)行了一系列較大規(guī)模的航道整治工程，并持續(xù)對(duì)其進(jìn)行疏浚維護(hù)，使得西槽的地貌演變主要受航道整治工程影響而不斷沖刷加深。持續(xù)對(duì)西槽進(jìn)行疏浚維護(hù)以及上游來沙量的減少使得西槽內(nèi)的淤積速率較低且呈沖深發(fā)展態(tài)勢，該趨勢有利于航道的穩(wěn)定和維護(hù)。

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