英羅灣潮汐水道演變及其穩(wěn)定性分析

黃廣靈，黃本勝，邱 靜，黃錦林

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州，510635；3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635)

0 前 言

英羅灣位于廣東與廣西交界處，北部灣東北部。英羅灣海岸屬臺地溺谷海岸(圖1)，此類海岸地勢低平，岸線曲折，溺谷亦呈“大灣套小灣”形態(tài)，潮汐水道一般狹長。英羅灣海域潮差較大，納潮量也大，因此潮流動力強(qiáng)勁，潮汐水道發(fā)育良好。英羅灣內(nèi)發(fā)育有水深5～8 m左右的深槽，灣外有向海突出的扇狀攔門沙堆積體。英羅灣由于陸域或岸帶泥沙來源不多，其潮汐水道長期保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。此外英羅灣岸段比較隱蔽，波浪作用較弱，少受臺風(fēng)強(qiáng)浪影響，沿岸漂沙活動不劇，海積地貌不甚發(fā)育。同時由于基巖岬角發(fā)育，潮間帶有巨礫堆積，對岸線有保護(hù)作用，目前未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模蝕退現(xiàn)象，岸線處于相對平衡狀態(tài)。

國外對潮汐水道的研究始于20世紀(jì)早期，而國內(nèi)則始于20世紀(jì)80年代，對潮汐水道的地貌結(jié)構(gòu)、水動力與輸沙特征、通道的穩(wěn)定性、口門整治及人類活動的影響等方面進(jìn)行了研究[1-16]。英羅灣潮汐水道是灣內(nèi)水域與海洋之間能量和物質(zhì)交換的必經(jīng)途徑，對灣內(nèi)的紅樹林保護(hù)、旅游開發(fā)、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)等意義重大。然而，該潮汐水道有一定的活動性，對英羅灣的開發(fā)利用形成一定的制約。目前鎮(zhèn)對英羅灣的研究主要關(guān)注其灣內(nèi)紅樹林的生態(tài)環(huán)境及歷史演化問題[17-21]，而對于英羅灣潮汐水道及河口動力地貌的研究目前僅在其附近海域相關(guān)研究中略有涉及[22-24]，而專門針對英羅灣潮汐水道動力地貌的研究還未見有報(bào)道，因此開展英羅灣潮汐水道動力地貌演化過程及其未來穩(wěn)定性的研究不僅彌補(bǔ)相關(guān)方面的空白，同時也為英羅灣內(nèi)紅樹林生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供必要的科學(xué)依據(jù)。

本文收集了英羅灣附近海域1984所測的海圖資料、2013年12月1∶1 000水域測量地形以及研究海域2013.11-2014.10的周年水文觀測數(shù)據(jù)，此外還收集了1973年、1983年、1991年2000年及2010年的遙感影像資料等。依據(jù)有關(guān)資料，采用歷史地形、岸線對比和潮汐汊道整體穩(wěn)定性分析方法重點(diǎn)對英羅灣地貌演變及潮汐水道的穩(wěn)定性進(jìn)行分析討論。為英羅灣潮汐水道維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 動力場概況

英羅灣北部有兩省的界河----洗米河以及高橋河、賣皂河(大壩河)、江背河等河流流入灣內(nèi)，最大的河流高橋河歷史實(shí)測最大流量為1 210 m3/s(發(fā)生于1994年6月9日)，近年來由于流域下游興建有大沖水陂和公安陂等攔河建筑，導(dǎo)致出海徑流量減小。根據(jù)本區(qū)域河流含沙量數(shù)據(jù)，河流含沙量最大為1.50 kg/m3左右，最小為0.002 kg/m3左右，一般為0.2～0.3 kg/m3。由于英羅灣地形狹長，影響英羅灣中部及南部灣口區(qū)域的水動力因素主要是潮汐、潮流和波浪。

圖1 英羅灣潮汐水道海岸體系Fig.1 Coastal system of tidal waterways in Yingluo bay

1.1 潮汐特征

研究區(qū)域附近海域潮汐主要是太平洋潮波經(jīng)巴士海峽和巴林塘海峽進(jìn)入南海后形成的。根據(jù)研究區(qū)域附近潮位測站周年潮位觀測(測站位置見圖1)資料的調(diào)和分析可知：觀測海區(qū)潮汐性質(zhì)的判據(jù)值為3.26，故研究區(qū)域潮汐屬“不規(guī)則日潮”的類型：每月當(dāng)中，約有三分之二的天數(shù)潮汐的漲、落呈現(xiàn)1日1次的“日潮”變化，僅有約三分之一天數(shù)的潮汐漲、落呈現(xiàn)1日2次的“半日潮”變化。此外，該區(qū)潮汐尚有一定淺水效應(yīng)現(xiàn)象。觀測期間最大潮差為5.42 m，平均潮差為2.38 m；年平均落潮歷時為7 h 29 min，年平均漲潮歷時為7 h 49 min，二者相差約20 min，平均落潮歷時略短于其平均漲潮歷時。

1.2 潮流特征

根據(jù)研究海域周年觀測站流速資料：研究海域潮流具有顯著的周期性，漲潮流主要集中在NE～E向，落潮流主要集中在SW～W向，“往復(fù)流”明顯。實(shí)測潮流垂向平均值統(tǒng)計(jì)表明：月平均落潮流速介于0.32～0.39 m/s，月平均漲潮流速介于0.28～0.33 m/s；各月最大落潮流速介于0.82～0.99 m/s，各月最大漲潮流速介于0.74～1.46 m/s；總體看落潮流速略大于漲潮流速；周年內(nèi)的極值流速一般出現(xiàn)于強(qiáng)臺風(fēng)影響期間，如遇強(qiáng)臺風(fēng)則表層的最大實(shí)測流速可達(dá)1.55 m/s(流向65°)。由潮流的調(diào)和分析可知：觀測海區(qū)潮流性質(zhì)的判據(jù)值介于1.5～1.7，即測區(qū)潮流屬“不規(guī)則半日潮流”的類型；但總體看，日潮流分量仍大于半日潮流分量。測區(qū)全年余流不大，表層多數(shù)月份為0.2 m/s，其他各月、各層余流多為0.1 m/s或不足0.1 m/s。此外研究海區(qū)垂向上表層以落潮流占優(yōu)，而底層以漲潮流占優(yōu)；潮位、潮流相互關(guān)系的駐波特征較為明顯；漲、落潮流之間，流速與歷時均存在一定的不對稱性。

1.3 波浪特征

據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)資料，該海域常浪向?yàn)镹，強(qiáng)浪向?yàn)镾W，每年9月至翌年3 月，以N向浪居多，4～8月則以SW至SE 浪為主。由氣象資料推算，研究海域平均波高約0.35 m，最大波高達(dá)2.5 m平均周期2.0s左右，最大周期可達(dá)6.0S。

研究海區(qū)常年波浪觀測站為潿洲島海洋站。對收集到的潿洲島海洋站1983-2002年共20 a的波浪觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，本海域的常浪向?yàn)镹NE向，多年出現(xiàn)頻率16.9%；次常浪向?yàn)镾SW、NE向，出現(xiàn)頻率分別為11.5%、10.7%，WSW～W～NWW向波浪出現(xiàn)較少。

2 海域海床演變

2.1 研究海域等深線變化

圖2和圖3為研究區(qū)域1984-2013年-3、-5、-10和-13 m等深線變化情況(85高程)。從圖2可以看出，近30年來，研究海域-3 m、-10 m等深線均在向岸推移，其中-3 m等深線向岸推移的幅度大于-10 m；從-3 m等深線推移方向來看，等深線向安鋪港東部及東北部推移距離最大，其向東最大推進(jìn)距離為3.29 km，向東北最大推移距離為4.04 km；從深槽的變化來看，-3 m深槽在加大；由2013年的-3 m等深線分布可見，沙田鎮(zhèn)以南的網(wǎng)流沙淺灘已發(fā)育有-3 m以下的槽。相對來說研究海域-10 m等深線向岸推移的距離較小，最大推移距離約1.24 km，位于安鋪港主槽南汊前端。

圖3為近30年來研究海域-5 m和-13 m等深線的變化。從圖3中可見，與-3、-10 m等深線的變化規(guī)律一致，30年來研究海域-5 m和-13 m等深線均向岸推移。其中安鋪港內(nèi)-5 m等深線主要是向東部推移，最大推移距離為1.33 km，位于安鋪港深槽北汊的前端；網(wǎng)流沙淺灘西側(cè)的-5 m等深線也有較大距離向東推移，近30年最大推移了2.61 km，網(wǎng)流沙淺灘在萎縮。1984年英羅灣內(nèi)-5 m等深線包絡(luò)面積比較小，深槽也不發(fā)育；至2013年，英羅灣內(nèi)-5 m等深線包絡(luò)面積有很大幅度的增加，-5 m等深線幾乎已經(jīng)貫穿南北，形成了-5 m以下的東、西兩槽的格局。近30年來該海域-13 m等深線的變化主要位于安鋪港深槽中部，從等深線的變化來看，安鋪港深槽范圍在擴(kuò)大，其中深槽東側(cè)-13 m等深線向東推移的最大距離為0.97 km，深槽北側(cè)-13 m等深線向北推移的最大距離為0.25 km，深槽南側(cè)-13 m等深線向南推移的最大距離為1.03 km。

綜上所述，英羅灣海域近30年來的海床等深線的變化表明，該海域在過去30年中的海床演變趨勢以海床沖刷、深槽發(fā)育、淺灘萎縮為主。其中以英羅灣口雙汊道潮汐水道系統(tǒng)的發(fā)育尤為顯著。

圖2 研究海域1984-2013年-3 m、-10 m等深線變化Fig.2 Comparison of the contour -3 m, -10 m from 1984 to 2013

圖3 研究海域1984-2013年-5 m、-13 m等深線變化Fig.3 Comparison of the contour -5 m, -13 m from 1984 to 2013

2.2 研究海域地形沖淤變化

基于研究海區(qū)1984年和2013年的地形資料，建立不同年代地形的數(shù)字高程模型(DEM)，利用surfer軟件對兩套地形的DEM進(jìn)行地形沖淤量計(jì)算，將結(jié)果繪制成地形沖淤變化分布圖，如圖4所示。從圖中可以看出，研究海域近30年來海床演變的趨勢以沖刷為主，局部區(qū)域有小幅度的淤積。 研究海域30年來的沖刷幅度主要在1～2 m之間，其中沖刷幅度在1 m以內(nèi)的區(qū)域占了研究海域的60%左右，沖刷幅度最大區(qū)域出現(xiàn)在網(wǎng)流沙淺灘南側(cè)及西南側(cè)，最大沖刷幅度達(dá)到6 m左右，主要原因是深槽深泓逐步北移，淺灘南側(cè)逐漸演變成深槽。英羅灣灣口附的沖淤變化主要表現(xiàn)為出口潮汐通道的沖深和加寬。研究海域主要的淤積范圍在研究海域的北部(英羅灣北部)、東南部(安鋪港東部深槽南汊)及西南部。

圖4 研究海域1984-2013年地形沖淤變化分布圖Fig.4 Distribution of topographic changes of study area from 1984 to 2013

圖5 1973年至2010年英羅灣海域岸線變化過程Fig.5 The process of coastline change in the bay of Yinluo from 1973 to 2010

2.3 研究海域岸線變化

收集了1973年、1983年、1991年2000年及2010年的遙感影像資料，通過遙感影像資料的對比，分析附近海域岸線的變遷。圖5所示為，1973-2010年研究海域岸線變化過程圖。從現(xiàn)場調(diào)查的情況來看，研究海域附近岸線變化的主要原因是附近岸段的圍墾。其中圍墾區(qū)域主要集中在安鋪港的北岸營仔鎮(zhèn)岸段以及營仔河、安鋪河出?？谥g岸段。從時間上看，圍墾主要集中在20世紀(jì)80年代以前，如1973-1983年間的圍墾面積最大，達(dá)10.28 km2，圍墾區(qū)域主要是在安鋪港北岸；1983-1991年圍墾面積1.13 km2，圍墾區(qū)域主要是安鋪河出?？诟浇?；1991-2000年圍墾面積2.02 km2，圍墾區(qū)域主要是營仔河出海口附近；2000-2010年間，圍墾面積較小，為0.17 km2，圍墾區(qū)域主要是營仔河出?？?。

2.4 海床沖淤變化影響因素分析

(1)海洋動力作用。影響研究海域沖淤變化的主要動力是潮流及波浪。該海域潮流動力作用相對較強(qiáng)，各月最大落潮流速介于0.82～0.99 m/s，各月最大漲潮流速介于0.74～1.46 m/s，輸沙潮流較強(qiáng)。該海區(qū)底質(zhì)以黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂和砂為主，屬于較松散土質(zhì)，在強(qiáng)水流作用下，沉積物容易被起動沖走。一般情況不該海區(qū)由于良好的遮蔽作用，波浪并不大，對海床的沖淤作用不大，但是風(fēng)暴潮天氣產(chǎn)生的風(fēng)浪和涌浪以及形成的增減水則常引起海床快速侵蝕或者淤積。研究海域深槽走向基本跟潮流方向平行，與強(qiáng)浪向亦相平行，因此在風(fēng)暴潮天氣時深槽反而不易淤積。

(2)泥沙來源及人類活動影響。英羅灣的泥沙來源主要有潮流侵蝕海岸及地表水切割、沖刷沿岸地層來沙和陸域徑流來沙等2個方面。英羅灣內(nèi)的波浪作用動力較弱，波浪對海岸的侵蝕作用不明顯，而潮流動力相對較強(qiáng)，往往在英羅灣沿岸形成高潮位、大潮差、強(qiáng)潮流，有利于海岸侵蝕和潮流搬運(yùn)物質(zhì)，但由于近幾十年來，隨著海堤工程的建設(shè)，英羅灣海岸侵蝕的泥沙量大幅減少。英羅灣沿岸沒有大的河流注入，只有數(shù)條小河流，分別是高橋河、賣皂河、江背河等，其流量均較小，流量最大的高橋河的平均流量才5.7 m3/s；這些河流不僅徑流量小而輸沙率很小，而且河流中還建有大沖水陂和公安陂等攔河建筑，大量攔截了河流上游來沙，使河流入海泥沙進(jìn)一步減少。

3 英羅灣潮汐水道演變的動力過程分析

英羅灣潮汐水道的動力條件為波潮混合能型，口門外受波流共同作用為主，灣內(nèi)及潮汐水道則以潮流作用為主，潮流中又以落潮流的作用略占優(yōu)勢，落潮流是維持潮汐水道深槽的主要動力因素。

英羅灣落潮流沿潮汐水道出口門后，由于岸線擴(kuò)寬，水流變緩，泥沙落淤而形成中心攔門沙(落潮三角洲)，落潮流也因此分為東西兩支分汊，對應(yīng)出現(xiàn)了東、西兩汊深槽，其中西汊為落潮主通道，東汊為漲潮流主要通道。一般而言，多汊道(包括雙汊道)的穩(wěn)定性是很差的，有向單汊道演變的趨勢。在英羅灣潮汐水道出海口門外西側(cè)，常浪向是SW向，沿岸輸沙優(yōu)勢方向?yàn)樽晕飨驏|方向。因此口門外西汊深槽西側(cè)邊緣淺灘、沙壩沿優(yōu)勢輸沙方向自西向東延伸，西汊深槽(落潮主水道)也因此東延。英羅灣口外東側(cè)，常向浪在此發(fā)生繞射，沿岸泥沙向西反向輸運(yùn)，形成所謂“反向輸沙”，在反向輸沙作用下，同時漲潮流相對較弱，英羅灣出口潮汐水道東汊將逐漸被淤填。在洪水或天文大潮作用下東汊將再次沖決連通，重新形成潮汐雙汊道體系，如圖6所示。這種雙汊道能否保持延續(xù)性取決于所出現(xiàn)的極端事件的強(qiáng)度、沿岸輸沙量與橫向輸沙量以及下一次極端事件的出現(xiàn)距該次事件的時間間隔等因素。而英羅灣海區(qū)水域近幾十年的來沙量在減少，該區(qū)域風(fēng)暴潮及洪水極端事件出現(xiàn)頻率較大(基本上每年都會遭遇風(fēng)暴潮及洪水)，這些均是英羅灣灣口潮汐水道近幾十年不斷沖深、加寬，發(fā)育成目前形態(tài)，并保持兩支分汊的重要因素。

圖6 英羅灣潮汐水道演變動力模式Fig.6 Evolution of tidal channel in Yinglo bay

4 英羅灣潮汐水道穩(wěn)定性分析

湖汐水道的穩(wěn)定性主要應(yīng)包括3個方面：一是口門位置，二是在平均海平面以下的過水?dāng)嗝娣e，三是落潮主水道穿過落潮三角洲的位置[25]。英羅灣口門位于沙田鎮(zhèn)和車板鎮(zhèn)南端臺地之間，口門位置相對比較固定，穩(wěn)定性較高。而落潮三角洲也基本保持在口門外，相對也比較穩(wěn)定。因此需通過平均海平面以下的過水?dāng)嗝娣e來了解英羅灣潮汐水道整體的穩(wěn)定性。

(1)

實(shí)際上該關(guān)系式表達(dá)的是通道內(nèi)納潮體可能最大漲潮量與理論最大納潮量之比，雖然其流速的計(jì)算作了概化處理，然其物理概念清晰，不受地區(qū)環(huán)境差異的影響，因而具有普遍應(yīng)用的意義。

納潮量P和口門截面流量Q的計(jì)算公式分別為：

P=2abAb

(2)

(3)

式中：ab為口門內(nèi)潮汐振幅；Ac為口門截面高潮時過水面積；V′m為口門潮流流速系數(shù)。沿岸輸沙總量M采用CERC的沿岸輸沙率公式計(jì)算。本次選取龍頭沙碼頭所在位置斷面作為潮汐水道穩(wěn)定計(jì)算斷面，該口門斷面平均海平面下過水?dāng)嗝婷娣eA為8 016 m2，斷面寬度B為2 916 m，斷面平均水深R約2.75 m。湖(港區(qū))納潮面積Ab為22.69 km2，根據(jù)該海域2016年實(shí)測潮位數(shù)據(jù)，外海潮汐振幅a0為1.15 m，口門內(nèi)潮汐振幅ab為1.44 m，潮汐周期T為16.3 h，口門斷面位置的理論最大流速為1.03 m/s。計(jì)算得到英羅灣口近岸輸沙率約為20 萬m3。通過上述各式計(jì)算可得英羅灣口門斷面的飽滿系數(shù)K為1.46，而飽滿系數(shù)K的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)為K>0.8；英羅灣P/M數(shù)為326，而P/M穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為>200；英羅灣Q/M數(shù)計(jì)算結(jié)果為0.010，而Q/M穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為>0.006。由此可見，英羅灣潮汐水道穩(wěn)定性數(shù)據(jù)能滿足穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，在目前條件下，潮流足以維持英羅灣潮汐水道不被淤積，從而確保了其口門截面平均海平面下的過水面積的穩(wěn)定性，上文的地貌演變分析結(jié)論充分證明了這一點(diǎn)。因此，目前英羅灣潮汐水道口門的穩(wěn)定性較高，在較長時期內(nèi)不會產(chǎn)生泥沙淤問題。

5 結(jié) 論

綜上所述，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)英羅灣動力條件為波潮混合能型，其中灣內(nèi)以潮流動力為主，口門以外區(qū)域受波流動力共同作用。在口門潮汐水道中以潮流作用為主，其中落潮流又略占優(yōu)勢，落潮流是維持潮汐水道的主要動力因素。

(2)研究海域在過去30年中的海床演變趨勢以海床沖刷、深槽發(fā)育、淺灘萎縮為主。海床沖淤變化的影響因素包括強(qiáng)勁的潮流動力、波浪動力輸沙作用較弱、海域來沙和徑流來沙均較少且在人類活動影響下入海泥沙進(jìn)一步減少。

(3)英羅灣落潮流沿潮汐水道出口門后，水流變緩，泥沙落淤而形成中心攔門沙(落潮三角洲)，落潮流也因此分為東西兩支分汊，對應(yīng)出現(xiàn)了東、西兩汊深槽。在英羅灣潮汐水道出?？陂T外西側(cè)，沿岸輸沙優(yōu)勢方向?yàn)樽晕飨驏|方向，因此口門外西汊深槽西側(cè)邊緣淺灘、沙壩沿優(yōu)勢輸沙方向從西向東延伸，西汊深槽(落潮主水道)也因此東延。英羅灣口處東側(cè)，沿岸泥沙自東向西反向輸運(yùn)，同時漲潮流相對較弱，英羅灣出口潮汐水道東汊將逐漸被淤填。在洪水或天文大潮作用下東汊將再次沖決連通，重新形成潮汐雙汊道體系。

(4)因?yàn)橛⒘_灣口門位于沙田鎮(zhèn)和車板鎮(zhèn)南端臺地之間，其位置比較穩(wěn)定，在當(dāng)前條件下，英羅灣的潮流足以維持其潮汐汊道不淤積，因此口門截面海平面下的過水面積可以得到保證，也是穩(wěn)定的。

當(dāng)然，穩(wěn)定性都是相對的，隨著人類活動規(guī)模的增強(qiáng)，英羅灣潮汐水道穩(wěn)定性因素也在不斷變化，必須在開發(fā)利用過程中注意保持和增加其穩(wěn)定性因素，提高其穩(wěn)定性，才能達(dá)到可持續(xù)開發(fā)利用的目標(biāo)。

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