珠江河口磨刀門口外攔門沙近期演變分析

， ，， ，(珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院 水利部珠江河口動(dòng)力學(xué)及伴生過程調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610)

1 研究背景

河口攔門沙處于河流入海的關(guān)鍵部位，是海陸相互作用的產(chǎn)物，在這個(gè)區(qū)域，水沙變化和河床變化甚為劇烈[1]。作為西江最重要的出?？冢サ堕T年平均徑流量占珠江八大口門的26.6%[2]，懸沙中值粒徑0.017 mm，其中80%～90%是黏土和粉砂。近幾十年來，由于人類活動(dòng)影響顯著以及上游來水來沙的變化和海洋動(dòng)力的作用，攔門沙表現(xiàn)出了不同的演變特點(diǎn)，其總的趨勢(shì)是攔門沙不斷向外海推移[3-5]。在20世紀(jì)初，攔門沙到達(dá)橫洲—大井角峽口，20世紀(jì)30年代開始外移至小香洲附近，平均每年外移約99 m。攔門沙推出峽口后，外海波浪和沿岸流的作用增強(qiáng)，使得攔門沙推移速度略有減緩。從1983年開始動(dòng)工實(shí)施的磨刀門口門治理開發(fā)工程，使得河道深槽被束窄和固定，從而提高了水流的挾沙力，使徑流對(duì)攔門沙的影響作用增強(qiáng)，攔門沙脊逐漸向西南方向發(fā)展，現(xiàn)今攔門沙的位置已經(jīng)移動(dòng)到了交杯沙—石欄洲一線以南。在口門外的攔門沙兩側(cè)，形成東西兩汊[6]。

目前，黃河、長(zhǎng)江、珠江等河口口門攔門沙淤積都較為嚴(yán)重[7-8]，河口攔門沙對(duì)河流的泄流、排沙、河道演變及咸潮上溯具有重大的影響，同時(shí)對(duì)航運(yùn)也有十分明顯的影響。攔門沙將壅高水位，汛期可能會(huì)加重防洪壓力[9]，澇漬時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致排澇困難；灌溉時(shí)可能會(huì)帶來好處，水位抬高可能會(huì)影響生態(tài)環(huán)境改變；但攔門沙的存在將減輕咸潮上溯的影響，對(duì)上游飲水安全帶來保障[10-11]；而通航時(shí)攔門沙的存在將阻礙船只航行，磨刀門至今無法打開通航出海，正是由于攔門沙的阻礙所致[12]。

本文應(yīng)用1977年、1994年4月、2000年5月、2005年9月、2007年4月和2011年12月6套磨刀門口門大比例尺地形圖及2013年、2014年?yáng)|汊大斷面資料，通過數(shù)字化建立數(shù)字高程模型(DEM)，在此基礎(chǔ)上分析磨刀門口外河床演變情況。

2 東、西兩汊演變分析

在1977年之前，攔門沙區(qū)尚未分汊，上游主槽呈西北—東南向直接入海，主槽水深在4 m左右。1977—1994年間東汊開始發(fā)育，至1994年?yáng)|汊初步形成，2000年形成一主一支的格局，經(jīng)2005年100 a一遇洪水沖刷，東、西汊向海推進(jìn)顯著，至2011年?yáng)|、西汊進(jìn)一步拓寬,加上中心攔門沙體由于挖沙作用，范圍顯著減小。目前西汊為主汊，東汊為支汊。

圖1 1977—2011年間磨刀門口外-5 m以下深槽發(fā)育過程Fig.1 Development process of -5 m deep groove outside the Modaomen estuary from 1977 to 2011

圖1所示為1977—2011年間磨刀門口外-5 m以下深槽發(fā)育過程。 由圖1可見東、西汊演變特征。東、西汊不斷向海延伸、拓寬。1977年，磨刀門整治工程前，磨刀門具有廣闊的內(nèi)海區(qū)，具有較強(qiáng)的納潮能力，口門區(qū)潮流活動(dòng)強(qiáng)烈，口外灘槽呈“三灘兩槽”格局?！皟刹邸敝傅氖驱埵嚎呱畈酆蜋M州出口主槽，“三灘”指的磨刀門出口東部石欄洲淺灘、中部交杯沙淺灘以及西部三灶島東淺灘。該時(shí)期，橫州出口主槽水深較淺，-5 m深槽僅延伸至小香洲西附近，其-3 m主槽自小香洲開始分汊，一條主汊向東南偏南直通外海，一條分汊向東，分布在小香洲—石欄洲東側(cè)，與外海尚未貫通。至1994年，橫州出口深槽在石欄洲、小香洲圍墾后，原經(jīng)石欄洲東側(cè)延伸的東分汊消失，同時(shí)在石欄洲西側(cè)又形成了新的二級(jí)分汊，這是河流一種自動(dòng)調(diào)整的結(jié)果。

磨刀門整治工程實(shí)施完成后，橫洲口門下泄徑流動(dòng)力逐漸加強(qiáng)，口外東西汊向海推進(jìn)速度加快，深槽寬度增大。1994年后，東、西汊-5 m深槽向海推進(jìn)距離和深槽寬度變化如表1所示。

表1 1994—2011年?yáng)|、西汊-5 m深槽平面形態(tài)變化統(tǒng)計(jì)Table 1 Plane shape of -5 m deep groove in the eastand west branches from 1994 to 2011

由表1可知，1994—2000年間，西汊向海延伸速率82.9 m/a，寬度增加169 m；東汊年均延伸速率24.3 m/a，寬度增加158 m，該時(shí)期西汊發(fā)育速度明顯強(qiáng)于東汊。2000—2005年間，西汊向海延伸速率118.3 m/a，寬度增加116 m；東汊年均延伸速率333.3 m/a，寬度增加210 m，該時(shí)期東汊發(fā)育速度明顯增加，且東汊強(qiáng)于西汊，與“05·6”洪水的沖決作用密切相關(guān)。2005—2007年間，西汊向海延伸速率37.5 m/a，寬度增加90 m；東汊年均延伸速率-35.0 m/a，寬度減少40 m，該時(shí)期內(nèi)，上游無大洪水發(fā)生，東汊在波浪作用下向陸退縮顯著。2007年后，在“08·6”洪水的作用下，東、西汊發(fā)育速度明顯加大，西汊和東汊向海延伸速率分別為218 m/a，33.8 m/a，深槽寬度分別增加35 m，-20 m。

總體而言,西汊逐漸向西偏轉(zhuǎn)，東汊走向有一定擺動(dòng)。

表2是東、西兩汊走向變化統(tǒng)計(jì)表。由表2可以看出，1994年后西汊走向逐漸向西偏轉(zhuǎn)，共偏轉(zhuǎn)約16°，由1994年的東南向轉(zhuǎn)為目前的正南向。東汊在2007年之前以向西偏轉(zhuǎn)為主，2000—2007年間向西偏轉(zhuǎn)5°，之后向東偏轉(zhuǎn)，至2011年走向基本與2000年保持一致，即由南偏東向入海。

表2 1994—2011年間東、西汊-5 m深槽走向統(tǒng)計(jì)Table 2 Strikes of -5 m deep groove in the east andwest branches from 1994 to 2011

西汊不斷向西偏轉(zhuǎn)的原因有以下幾個(gè)方面：①科氏力作用，橫洲主槽道水流出口門后在科氏力作用下產(chǎn)生向右偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)；②伶仃洋西南沿岸流的影響，外海伶仃洋落潮流大多數(shù)時(shí)間向西南流動(dòng)，在西南沿岸流的帶動(dòng)下，西汊落潮流向西偏轉(zhuǎn)；③上游小香洲—石欄洲段-3 m深槽的封堵，在20世紀(jì)90年代后期本區(qū)域的圍墾使得-3 m支汊消失，迫使動(dòng)力軸線向西偏轉(zhuǎn)。

西汊向海延伸速度平穩(wěn)，東汊發(fā)育具有季節(jié)性特征，受波浪作用明顯。

西汊為磨刀門入海主汊，其分流占上游流量的60%左右，較強(qiáng)的徑流動(dòng)力保證了西汊即使在沒有大洪水的作用下仍保持穩(wěn)定的沖刷，因此西汊發(fā)育比較平穩(wěn)。

東汊目前分流比為40%左右，其發(fā)育與大洪水密切相關(guān)，在東汊快速向海延伸的時(shí)間段，均有較大洪水發(fā)生，分別是“98·6”、“05·6”、“08·6”大洪水。在大洪水的情況下，由于上游洪水量超出西汊的過流能力，多余洪水從東汊分流，東汊發(fā)生沖決，因此東汊快速向海延伸。

在中水、枯水徑流情況下，西汊基本能滿足上游徑流的快速下泄，東汊分流量減少，徑流動(dòng)力減弱，外海波浪動(dòng)力相對(duì)增強(qiáng)，東側(cè)攔門沙和中心攔門沙前端由于波浪幅聚受到?jīng)_刷，再懸浮泥沙在東汊落淤形成沙嘴，進(jìn)而封堵東汊，使得深槽前端淤淺，2013—2014年間東汊的斷面變化說明了這一點(diǎn)，如圖2(斷面位置見圖1)。在洪季大洪水作用下，該沙嘴受到?jīng)_刷，深槽進(jìn)一步向海延伸，表現(xiàn)出東汊的季節(jié)性變化特征。

圖2 東汊深槽斷面形態(tài)變化Fig.2 Change of sectional morphology of deep groove in the east branch

圖3 1977—2011年間磨刀門口外-3 m以上淺灘發(fā)育過程Fig.3 Development process of shallow shoal above -3 m outside the Modaomen estuary from 1977 to 2011

3 中心攔門沙演變

圖3反映了磨刀門口外-3 m等高線變化情況。從圖3中可看出中心攔門沙演變的主要特征。中心攔門沙主要朝西南向發(fā)育，走向呈東北—西南。1994年之前東、西兩側(cè)攔門沙被槽道隔開，至2000年中心攔門沙-3 m等高線與東西兩側(cè)淺灘連為一體，隨著東汊的發(fā)育，2005年中心攔門沙與東、西側(cè)攔門沙分離，開始獨(dú)立發(fā)育。2005—2007年間，中心攔門沙淤積明顯，-3 m等高線包絡(luò)面積增加0.9 km2，沉積中心向西南向偏移；至2011年-3 m等高線包絡(luò)面積減少4.36 km2，與人工挖沙活動(dòng)密切相關(guān)，但攔門沙西南側(cè)淺灘仍有所延伸，表明了中心攔門沙有向西南淤長(zhǎng)的趨勢(shì)。

從河道向外海方向的內(nèi)坡和從外海向河道方向的外邊坡以沖刷為主，灘頂淤積加高，南北徑縮短。圖4、表3分別為磨刀門口外縱向斷面形態(tài)變化圖和統(tǒng)計(jì)表，斷面位置如圖3所示。磨刀門整治工程完工后至2011年間，內(nèi)坡向海推進(jìn)1 231 m，推進(jìn)速率達(dá)64.4 m/a，外坡向陸退縮距離達(dá)1 025 m，退縮速率達(dá)56.9 m/a，攔門沙內(nèi)外坡的不斷沖刷使其南北徑縮短。

圖4 1994—2011年間中心攔門沙區(qū)縱向形態(tài)變化Fig.4 Longitudinal change of the central sand bar area from 1994 to 2011

表3 1994—2011年間中心攔門沙區(qū)斷面形態(tài)變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Sectional changes of the central sand bararea from 1994 to 2011 m

灘頂(中心攔門沙最高點(diǎn))呈淤積加高態(tài)勢(shì)，1994年以來中心攔門沙灘頂共計(jì)淤高1.34 m，同時(shí)灘頂位置向海推進(jìn)約886 m。

內(nèi)坡沖刷的原因主要是磨刀門整治工程完工后，上游水流集中、動(dòng)力加強(qiáng)，徑流對(duì)床底的沖刷作用加大，同時(shí)也與“94·6”、“98·6”兩次特大洪水有關(guān)。外坡在東南向浪作用下受到?jīng)_刷，侵蝕產(chǎn)生的泥沙由越?jīng)_浪向上搬運(yùn)，使得灘頂不斷加高。

北側(cè)分汊點(diǎn)不斷向海推進(jìn)。中心攔門沙北側(cè)凸出點(diǎn)，即東西汊分汊點(diǎn)向海不斷推進(jìn)，1994年以來共計(jì)推移1 223 m，年均速率達(dá)67.9 m/a。

表4 1977—2011年間攔門沙區(qū)分區(qū)沖淤特征統(tǒng)計(jì)Table 4 Characteristic of scouring and silting of sand bar zones from 1977 to 2011

注： “+”表示淤積，“-”表示沖刷

4 西側(cè)攔門沙演變

西側(cè)攔門沙淺灘主要指交杯沙淺灘區(qū)域，包括一沙、二沙、三沙和四沙。交杯沙淺灘區(qū)域演變主要特征為：交杯沙在波浪作用下呈新月形發(fā)育，不斷向交杯島靠攏并岸，同時(shí)在南側(cè)有新的沙體生成。

1978年時(shí)橫洲島南側(cè)二沙、三沙已出露水面；至1987年，交杯二沙已呈彎弓狀與交杯島相連，交杯三沙向西北、東北延伸，不斷向陸地靠攏；至1995年交杯沙和四沙之間僅留有1條支汊，此時(shí)交杯四沙已出露水面；2000年交杯一、二、三沙均圍墾成陸地，四沙較1995年時(shí)范圍明顯擴(kuò)大，呈東北—西南走向；2005年交杯四沙進(jìn)一步發(fā)育，頭、尾均向北延伸，形似新月；2013年四沙范圍有所縮小，靠陸側(cè)淺灘消失，主要與該區(qū)的采沙活動(dòng)有關(guān)。

交杯沙呈現(xiàn)以上演變特征的原因，與波浪作用密切相關(guān)。交杯沙外坡受東南向浪作用，在沙體弧頂側(cè)產(chǎn)生波能輔聚，兩端波能輔散。在波能輔聚的弧頂區(qū)，波浪沖越作用強(qiáng)，一方面使淺灘前坡侵蝕后退，另一方面前坡再懸浮泥沙在淺灘后坡發(fā)生堆積，由此造成新月形淺灘不斷向陸地運(yùn)動(dòng)。

交杯沙沉積體泥沙主要來自于上游河流輸沙，部分來自于東側(cè)攔門沙淺灘前坡遭波浪侵蝕的泥沙，隨著西汊的不斷西偏，泥沙來源更為豐富，本區(qū)仍將有新的沙體發(fā)育。

交杯四沙向陸并岸的過程中，易受到洪水沖決作用，平面形態(tài)發(fā)生一定變化。

2000年交杯四沙-1 m淺灘已與交杯沙連為一體，在“05·6”大洪水作用下沙體受到?jīng)_決，重新與交杯沙主體斷開，呈長(zhǎng)軸正北走向的橢圓形；至2007年，橢圓長(zhǎng)軸向西偏轉(zhuǎn)，走向呈東北—西南方向，2011年交杯四沙恢復(fù)新月形沙體，此即交杯沙在大洪水和波浪不同階段作用下的演變過程。

5 攔門沙沖淤變化分析

利用1977年以來磨刀門地形資料建立數(shù)字地形高程模型，繪制不同年代磨刀門口外沖淤變化圖，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)地貌特征進(jìn)行了分區(qū)，共分7個(gè)區(qū),如圖5所示。分區(qū)后分別量算了不同地貌單元的沖淤總量(萬m3)、年平均沖淤量(萬m3/a)和年平均沖淤厚度(m/a)。磨刀門攔門沙區(qū)域的沖淤變化統(tǒng)計(jì)見表4。

圖5 磨刀門攔門沙區(qū)分區(qū)示意圖Fig.5 Regionalization of sand bar

由表4可見，磨刀門攔門沙區(qū)域的沖淤變化，在整治工程實(shí)施前，僅西汊和攔門沙前緣東側(cè)(6區(qū)、3區(qū))出現(xiàn)沖刷，沖刷強(qiáng)度在0.02 m/a左右，其他區(qū)均呈淤積狀態(tài)，以攔門沙頂及攔門沙前緣西側(cè)淤積強(qiáng)度最大，淤積速率為0.04 m/a。

整治工程實(shí)施后，總體來看中心攔門沙和西側(cè)攔門沙(4區(qū)、7區(qū))以淤積為主，最大淤積速率分別為0.03 m/a和0.07 m/a。其余各區(qū)均呈沖刷狀態(tài)，西汊、東汊(6區(qū)、2區(qū))最大沖刷速率分別達(dá)0.2 m/a和0.31 m/a，均在2000—2005年間出現(xiàn)，主要與“05·6”大洪水的沖刷作用有關(guān)；東側(cè)攔門沙和攔門沙前緣東側(cè)(1區(qū)、3區(qū))最大沖刷速率分別為0.05 m/a和0.06 m/a；攔門沙前緣西側(cè)(5區(qū))沖刷期主要在2000—2005年間，因其位于西汊前端，在“05·6”大洪水的作用下受到?jīng)_刷，其它時(shí)間段均以淤積為主，平均淤積速率為0.07 m/a。從0 m淺灘容積變化來看，在2000年前淺灘容積呈增加態(tài)勢(shì)，共計(jì)淤積約1 208萬m3，淤積速率分別為40.36萬m3/a和86.97萬m3/a；2000年后由淤轉(zhuǎn)沖，2000—2007年間共計(jì)沖刷約809萬m3/a，速率為115.2萬m3/a。因近年來磨刀門口外人工挖沙活動(dòng)較強(qiáng)，表現(xiàn)為自然狀態(tài)下磨刀門沖淤特征，以上分析未考慮2007—2011年間沖淤積變化情況。

總的來看，中心攔門沙及西側(cè)攔門沙呈淤積態(tài)勢(shì)，攔門沙前緣西側(cè)及0 m淺灘在沒有大洪水作用下以淤積為主；東側(cè)攔門沙、攔門沙前緣東側(cè)及東、西汊均以沖刷為主，這與該區(qū)域的床沙輸移趨勢(shì)基本一致[13]。

6 結(jié) 論

(1)珠江河口磨刀門口外攔門沙區(qū)東、西汊不斷向海延伸、拓寬，大洪水對(duì)東、西汊的發(fā)育起到顯著促進(jìn)作用；西汊逐漸向西偏轉(zhuǎn)，目前以正南向入海，西汊向海推進(jìn)速率平穩(wěn)。東汊走向則有一定擺動(dòng)，東汊發(fā)育具有顯著的季節(jié)性特征，受波浪改造作用明顯。

(2)中心攔門沙主要向西南向發(fā)育，走向呈東北—西南方向；內(nèi)外坡以沖刷為主，灘頂淤積加高，南北徑縮短。

(3)西側(cè)交杯沙在波浪作用下呈新月形發(fā)育，不斷向交杯島靠攏并岸，同時(shí)在南側(cè)有新的沙體生成；交杯四沙向陸并岸的過程中，易受到洪水沖決作用，在并岸的淺灘中沖出深槽。

(4)中心攔門沙頂及西側(cè)攔門沙呈淤積態(tài)勢(shì)，攔門沙前緣西側(cè)及0 m淺灘在沒有大洪水作用下以淤積為主；東側(cè)攔門沙、攔門沙前緣東側(cè)及東、西汊均以沖刷為主。

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