磨刀門攔門沙發(fā)育演變影響因素分析

，，，，志偉

(珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東廣州510611)

磨刀門河口研究與其開發(fā)整治過程緊密結合，其研究方法主要有數(shù)值模擬、物模試驗、實測資料分析及遙感信息技術等。在整治初期，磨刀門河口尚處于自然狀態(tài)，呈多口門入海。這時期主要以實測資料分析為主[1]。隨著《珠江流域綜合規(guī)劃》編制工作的推進，開展了河口規(guī)劃、治理相關的研究。主要從河口功能、定位等方面[2-3]論證磨刀門河口整治工程效果，攔門沙在河口系統(tǒng)中的作用尚未引起重視。20世紀90年代以后，隨著磨刀門口門整治規(guī)劃實施的完成，磨刀門河口逐漸延伸至橫琴島以外，口外攔門沙發(fā)育逐步擺脫了整治初期的混沌格局，形成現(xiàn)在灘槽分異的格局[4]。攔門沙主體穩(wěn)定在三灶—橫琴—橫洲島一線以南[5]。許多學者從動力過程、泥沙輸移、地貌結構等不同切入點對開始關注攔門沙問題，采用了實測數(shù)據(jù)分析[6-7]、數(shù)學模型[8-9]、遙感技術[10]、物理模型[11]、泥沙運動機理[4、12]和人類活動影響[12-13]等多角度對磨刀門攔門沙的形態(tài)演變展開研究，初步闡述了攔門沙演變基本規(guī)律[4-6]。胡達[4]研究了在波浪作用下攔門沙的演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)波浪橫向搬運使攔門沙淤高，縱向搬運使泥沙西運并沉積于西側交杯淺灘。王世俊[6]采用三水、馬口站實測水沙資料，分析磨刀門河口1960—2000年的水沙變化，探討了磨刀門河口水沙變化與縱、橫斷面及口門形態(tài)的響應模式。但究竟通過何種方式、采用哪些途徑來適應上游水沙變化及外海海洋動力，尚未回答清楚。吳天勝[11]等利用攔門沙水槽斷面模型驗證了在洪水、波浪共同作用下，攔門沙附近出現(xiàn)的“波浪掀沙，徑流輸沙”特征。Jia[12]則從底部剪切應力和泥沙再懸浮的角度出發(fā)，闡明了潮動力同樣對攔門沙形態(tài)塑造有重要影響。梁娟[13]、賈良文[14]等從人類活動影響的角度對磨刀門口攔門沙的形態(tài)演變展開研究。近年來，隨著水沙變異、河口格局異變及人類活動影響加劇[15-16]，磨刀門河口發(fā)育演變趨于復雜化。傳統(tǒng)研究基于實測資料分析、數(shù)值模擬、物模試驗及遙感信息技術基礎上探究攔門沙演變規(guī)律，割裂了不同因子耦合與演變響應，難以揭示攔門沙發(fā)育內(nèi)因。本文在總結已有研究成果基礎上，分析磨刀門河口水動力及其伴生過程對攔門沙演變的影響，探求不同因子耦合與演變響應機制，甄別影響攔門沙演變的關鍵因子。

1 磨刀門河口復雜動力環(huán)境

1.1 珠江河口水系結構中的獨特地位

磨刀門作為世界上水系結構、動力特性、人類活動最復雜的珠江河口的入?？陂T之一，與其他口門整體互動、耦合共生，水系見圖1。磨刀門河口為西江干流的主要出?？?，亦是珠江三角洲的首要泄洪、輸沙入海通道，其泄洪、輸沙量均居珠江八大口門之首，直接關系到珠江三角洲及珠江流域的防洪安全，決定了其獨特地位。

圖1 磨刀門附近水系

1.2 河口動力過程復雜性

近30多年來，經(jīng)過系統(tǒng)整治河口形勢基本穩(wěn)定，原磨刀門淺海區(qū)形成“一主一支”的河道格局，為八口門中唯一直面外海的口門。磨刀門河口動力過程的影響因素復雜性除珠江河口的共性問題外仍存在獨特性[17]。在新形勢下，口門外動力環(huán)境發(fā)生了較大的變化，攔門沙區(qū)除受徑流、潮汐影響外，還受風浪、西南沿岸流的影響，水流動力環(huán)境更趨復雜。

1.3 復雜人類活動加劇河口變化

人類活動諸如上游水利開發(fā)、河網(wǎng)區(qū)聯(lián)圍筑閘、河口灘涂圍墾、航道整治開挖、涉水工程建設、河道采砂(隱蔽性和隨機性更甚的偷采偷挖)等對河口動力過程影響巨大，極大地改變網(wǎng)河及河口區(qū)徑、潮動力結構和網(wǎng)河汊道水沙分配，致使河口徑、潮、沙運動等動力及伴生過程的調(diào)整，客觀上加大了對河口動力過程研究的難度，且攔門沙發(fā)育演變復雜多變。

1.4 磨刀門河口攔門沙的獨特性

磨刀門河口攔門沙兩翼伴生汊道，與珠江河口其它口門相比具有多元的非均衡性典型地貌結構。在波、流等因素耦合作用下，橫洲口下泄洪水沖破攔門沙，展現(xiàn)出新的灘槽發(fā)育格局。攔門沙具有沙體高、頂部水深淺、縱橫比小的特點。

2 磨刀門河口攔門沙演變特征

磨刀門口外地貌單元主要由汊槽及淺灘組成。兩者發(fā)育耦合伴生，不可分割。文獻[10]分析了磨刀門河口2009年以前的攔門沙演變過程。在此基礎上，采用1993、2000、2003、2005、2008年及2011年實測地形資料及遙感影像圖繪制了磨刀門出口汊槽及攔門沙變化對比(圖2)，圖3為中心攔門沙區(qū)縱剖面變化情況，表1統(tǒng)計了中心攔門沙區(qū)斷面形態(tài)變化?；趯崪y資料分析及前人研究成果，對磨刀門河口演變特征認識如下。

2.1 汊槽發(fā)育演變

20世紀90年代至今，橫州出口主槽繼續(xù)呈現(xiàn)“一主一支”的分汊格局。其中，主汊深槽呈向西南縱深延伸之勢；東汊原二級分汊消失，形成單一分汊向東南延伸。東汊發(fā)育明顯弱于西汊，即發(fā)育呈明顯不對稱性。2000—2005年，延伸拓展速度最快，槽道進一步分化，東汊向東南發(fā)展迅速，-3 m以深槽道貫通外海；2003—2011年間，東汊橫向平均擴寬約672 m，-5 m深槽前沿向東南延伸了約2 592 m。西汊繼續(xù)向西南延伸，發(fā)展速度平穩(wěn)；2003—2011年間，西汊-5 m深槽前沿向西南延伸了1 631 m。且經(jīng)“05·6”洪水沖刷后，東汊、西汊前端攔門沙坎均被沖開，-3 m等高線大幅退縮，東汊發(fā)育較快。

經(jīng)過近30多年的演變，攔門沙東汊逐漸發(fā)育擴寬，口外深槽由原來不對稱型分汊逐漸向?qū)ΨQ型分汊轉(zhuǎn)變，形成以攔門沙為主體，西汊為主汊、東汊為支的分布格局。

2.2 中心攔門沙發(fā)育演變

磨刀門整治工程完工后，平面上(圖2)，河口攔門沙-3 m等高線整體向外海推移，2000—2003、2003—2005、2005—2008、2008—20011年，中心攔門沙向外海移動距離分別為52.5、290.3、84.9、102.2 m。2000年中心攔門沙與東、西側攔門沙連成一片，隨著東、西汊道的發(fā)育，2005年中心攔門沙與東、西側攔門沙分離，隨后中心攔門沙呈明顯淤積狀態(tài)，-3 m等高線包絡面積及體積呈增大趨勢，2011年相比2008年，中心攔門沙面積雖然受挖沙影響而減小，但攔門沙仍呈淤積狀態(tài)，且向西南方向延伸。

a) 1993年等高線

b) 2000年等高線

c) 2003年等高線圖2 磨刀門河口攔門沙等高線變化

d) 2005年等高線

e) 2008年等高線

f) 2011年等高線續(xù)圖2 磨刀門河口攔門沙等高線變化

由表1可知，縱向上，內(nèi)坡向海推進1 231 m，推進速率達64.4 m/a，外坡向陸退縮距離達1 025 m，退縮速率達56.9 m/a，攔門沙內(nèi)外坡的不斷沖刷使其南北徑縮短。灘頂(中心攔門沙最高點)呈淤積加高態(tài)勢，1994年以來中心攔門沙灘頂共計淤高1.34 m，同時灘頂位置向海推進約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、動力加強，徑流對床底的沖刷作用加大，同時也與“94·6”“98·6”兩次特大洪水有關。

攔門沙整體呈內(nèi)坡沖刷，灘頂淤積加高，南北徑縮短，分汊點南移，沙體不斷向東南、向海延伸。在復合動力作用下，攔門沙體沉積重心表現(xiàn)為向西南移動。

圖3 1994—2011年中心攔門沙縱剖面變化

時間內(nèi)坡位移距離外坡位移距離分汊點位移距離灘頂位移距離灘頂高程變化1994—2000年270-213388-7341.052000—2005年285-5933221 9890.162005—2007年321-183197-350-0.142007—2011年355-35316-190.27

2.3 西側攔門沙演變

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，呈長軸正北走向的橢圓形；至2007年，橢圓長軸向西偏轉(zhuǎn)，走向呈EN-SW走向，2011年交杯四沙恢復新月形沙體，此即交杯沙在大洪水和波浪不同階段作用下的演變過程。

總體上，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，同時在南側有新的沙體生成。交杯四沙向陸并岸的過程中，易受到洪水沖決作用，平面形態(tài)發(fā)生一定變化(圖4)。

圖4 交杯沙淺灘附近-1 m等高線變化

3 動力因子對攔門沙發(fā)育演變的作用

磨刀門河口動力結構由徑潮流、波浪、鹽度、泥沙及沿岸流組成。割裂不同動力因子互耦與演變的響應，難以揭示攔門沙發(fā)育內(nèi)因。研究必須把不同特征的動力因子耦合，并將河口作為一個有機的整體進行系統(tǒng)研究。

3.1 近岸動力輸移機制分析

通量機制分解的方法以其明確的物理概念得到了眾多河口專家的認同，被用于分析不同的邊界條件和動力因子對物質(zhì)輸運的貢獻[18]。其中，平流輸運、潮泵效應分別代表了徑流、風為主與潮流為主的動力的輸沙作用，而垂向凈環(huán)流輸移項，則反映垂向凈環(huán)流對輸沙的貢獻。

3.1.1各動力因子對泥沙輸運的貢獻

2011年12月4—13日和2012年5月7—14日分別開展了水文觀測，枯季(B)、洪季(C)在磨刀門河口布置了7個測點，見圖5。利用通量機制分解的方法對上述實測資料進行分析，洪、枯兩季潮周期內(nèi)凈輸沙率及各項組成統(tǒng)計結果見表2、3。

圖5 水文測驗測點布置

時期項目測點C1C2C3C4C5C6C7洪水大潮凈輸移/(10-3kg·m·s-1)91.631.091.505.94-10.032.47-3.62角度/(°)15320313621181247243平流輸運/(10-3kg·m·s-1)100.423.18.86.32.81.8角度/(°)3294328922508175潮泵效應/(10-3kg·m·s-1)7.80.62.22.93.70.21.2角度/(°)32851278312329481垂向凈環(huán)流(10-3kg·m·s-1)10.50.450.120.460.161.15洪水小潮凈輸移(10-3kg·m/s)32.851.302.091.32-5.80-1.18-1.66 角度/(°)157204196191858983平流輸運/(10-3kg·m·s-1)44.323.22.451.63角度/(°)33661353345106267281潮泵效應/(10-3kg·m·s-1)6.51.30.810.50.20.7角度/(°)33052334330116268278垂向凈環(huán)流/(10-3kg·m·s-1)-5-1.09-0.717-0.9550.370.22-0.75

由表2可知，在各項對泥沙輸運貢獻上看，磨刀門出口的平流輸運量級大于其他項1個量級以上，是懸沙向海輸運的主要控制因素；空間上，外海的平流輸運是懸沙向西南輸運的主要控制因素；潮泵輸運是懸沙向陸輸運的主要控制因素；空間上，潮泵輸運是懸沙向東北輸運的主要控制因素；垂向環(huán)流輸運在冬季對懸沙輸運作用特別顯著，對其凈輸運極為重要。

表3 枯水期潮周期凈輸沙率與各項組成

3.1.2泥沙懸浮通量的影響因子

懸沙與底沙交換的過程表現(xiàn)為泥沙的再懸浮與沉降。表4統(tǒng)計了潮周期內(nèi)泥沙交換特征。由表4可知，洪季懸沙落淤量為17.17×106kg，口門與外海的交換量則為17.03×106kg，基本平衡，整體懸沙變化量不大，口門區(qū)表現(xiàn)為穩(wěn)定堆積；枯季口門區(qū)表現(xiàn)為沖淤交替，在小潮時，口門區(qū)的再懸浮量與外海的懸沙交換量正相關。究其原因，枯季風浪動力強且具有很強的隨機性，不同時空上均可能出現(xiàn)泥沙懸浮與沉降，進而影響口門區(qū)內(nèi)的懸沙濃度。

表4 懸沙交換特征

注：正值表示凈懸浮，負值表示沉降

近底流速在床面的拖拽力大小是決定泥沙顆粒再懸浮強度的關鍵因素之一。圖6、7繪制了洪、枯季再懸浮通量與近底流速值的變化趨勢。洪季，再懸浮通量與近底流速相關性較好，而枯季的相關性較差。表明枯季引起底沙再懸浮的主要動力因子并非徑、潮運動所致的流速。究其原因，枯季磨刀門河口波生流對攔門沙及河口淺灘區(qū)的潮流流場影響較大[19]，進而判斷該現(xiàn)象與風浪的掀沙有關。

圖6 洪季底沙懸浮通量與流速的關系

圖7 枯季底沙懸浮通量與流速的關系

3.2 波流耦合動力對攔門沙發(fā)育演變的影響

塑造攔門沙的動力因子很復雜，對磨刀門攔門沙縱剖面形態(tài)而言主要動力因子為徑流和波浪。文獻[10]中物理模型試驗數(shù)據(jù)表明：洪水可使攔門沙內(nèi)坡、灘頂發(fā)生沖刷，灘頂外移，但頂高程基本不變；在波流共同作用下，攔門沙內(nèi)、外坡均發(fā)生明顯沖刷，攔門沙頂淤高，見圖8?？紤]波浪時，不僅對經(jīng)攔門沙灘頂?shù)南滦箯搅饔许斖凶饔?，且能為其增加泥沙源，進而使攔門沙灘頂淤高。

a) 單純洪水作用下攔門沙剖面沖淤變化圖8 物模試驗條件下不同動力作用下攔門沙剖面沖淤變化

b) 洪水耦合波浪作用下攔門沙剖面沖淤變化

3.3 近岸動力系統(tǒng)對攔門沙發(fā)育演變的影響

實測資料顯示，枯季(9月下旬至次年4月)珠江口盛行東北風。磨刀門口海域在南海東北季風的驅(qū)動下形成穩(wěn)定西南沿岸流，見圖9。懸沙總體上表現(xiàn)為東北向沿岸來沙，西南向沿岸排沙的輸移規(guī)律。由輸運動力機制分析可知，該時期，攔門沙呈沖刷或淤積狀態(tài)均可。

磨刀門口出口、東側斷面是穩(wěn)定的輸入通道，南側斷面是穩(wěn)定的輸出通道，西側斷面在不穩(wěn)定近岸流的影響下為輸入或輸出通道均可，見圖10。在此條件下，磨刀門口以淤積懸沙為主，即5、9月的不穩(wěn)定近岸流階段懸沙從河道輸向外海輸出，少量淤積于河口和向南側輸出河口，大部分沿近岸流向西、向東輸出可。6—8月，珠江口盛行西南季風，磨刀門口海域強勁的東南近岸流，見圖11。高含沙水體由出口斷面穩(wěn)定輸入，從南、東側斷面輸向外海，輸移距離與洪水量級正相關。此時，磨刀門口以沖刷為主。

a) 12月份情況

b) 3月份情況圖9 枯季東北季風西南向流勢

圖10 轉(zhuǎn)季風期的不穩(wěn)定近岸流勢

圖11 洪季西南季風東南向流勢

4 不同因子耦合與演變響應機制

磨刀門河口攔門沙兩翼伴生汊道，與珠江河口其它口門相比具有多元的非均衡性典型地貌結構。在新形勢下，橫洲口外新的灘槽發(fā)育格局形成是徑、潮、風、波浪等多種動力耦合作用的結果，但不同動力所起的作用不同。

a) 磨刀門口灘槽發(fā)育取決于珠江河口系統(tǒng)的動力結構。珠江河口廣泛存在著“徑流偏右而出，潮流偏左而入”的徑潮平面環(huán)流結構。磨刀門河口整治后，口外這種平面環(huán)流結構更加清晰(圖12)。洪季，洪水強大的慣性力使磨刀門口外灘槽出現(xiàn)分異，西汊發(fā)育成漲落潮的主要通道?？菁荆嫌蝸硭畞砩硿p少，潮流作用加強，口門附近的懸沙以淺灘風浪掀沙為主，在漲落潮作用下泥沙出現(xiàn)二次搬運。落潮時，受西南向沿岸海流及柯氏力的作用在珠江河口形成從北至南、從東至西的沿岸輸沙帶(圖13)。東汊的東向發(fā)育受到其制約，沒有強大的出口徑流作用很難沖決該輸沙帶。進而形成以西汊為主、東汊為支的灘槽格局，兩槽之間扇型攔門沙發(fā)育，兩側岸灘發(fā)育。

b) 中心攔門后坡外緣走向與波向、落潮輸沙方向相關。圖14、15分別為磨刀門整治后期攔門沙外緣、近期攔門沙脊前的波浪波破碎帶。中心攔門沙后坡同時受珠江河口落潮輸沙帶和波浪的長期影響，其后坡外緣走向與兩者關系密切，其走向與磨刀門口外常浪向SE方向近似垂直，亦與落潮輸沙帶走向基本一致。珠江口枯季強勁的落潮流制約了攔門沙向外擴展，同時修飾外緣形態(tài)；波浪形成的灘面掀沙隨落潮流二次搬運，后坡泥沙顆粒變粗，沙脊逐漸穩(wěn)定；過境落潮輸沙在波浪作用下向陸推動，促進過境泥沙在攔門沙脊及后坡淤落。兩者相互作用，使攔門沙后坡外緣及其沙脊逐漸沿長浪向近似垂直的方向延伸。

圖12 徑潮平面環(huán)流影像

5 結語

a) 磨刀門口外平流輸運(徑流)是懸沙向海輸運的主要控制因素，潮泵輸運(潮汐)是懸沙向陸輸運的主要控制因素；冬季的垂向環(huán)流輸運作用特別顯著，西南向沿岸排沙。

b) 磨刀門口灘槽發(fā)育取決于珠江河口系統(tǒng)的動力結構。攔門沙出現(xiàn)在口門外是徑潮平面環(huán)流結構相互作用的結果，而枯季的波浪灘面掀沙及沿岸流輸沙，對其的形成與發(fā)育產(chǎn)生一定的影響。