高強度人類活動引起的蕉門口河勢變化及規(guī)劃治理對策研究

胡曉張，王漢崗，楊 聿，陳 軍

(1.珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611；2.水利部珠江河口動力學(xué)及伴生過程調(diào)控重點實驗室，廣東 廣州 510611；3.珠江水利委員會，廣東 廣州 510611)

珠江河口位于我國經(jīng)濟社會高度發(fā)達(dá)地區(qū)，河道挖沙及橋梁、港口、航道等大型涉水工程建設(shè)對河口邊界及河床地形造成了快速和巨大的改變，河床演變過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了自然演變速率，對河口動力及河勢造成了長遠(yuǎn)的影響，人類活動影響下的河口演變與治理設(shè)計因素多且復(fù)雜，近年來一直是珠江河口研究的熱點和趨勢[1- 5]。

蕉門為珠江河口八大口門之一，泄洪量占珠江三角洲的20%左右，在八大口門中排第二，是珠江河口極為重要的泄洪排沙口門。蕉門口地處珠江三角洲中心區(qū)域，是粵港澳大灣區(qū)的幾何中心，龍穴島上建有廣東省最大的港口南沙港，規(guī)劃建設(shè)的深中通道、深茂鐵路、廣州港深水航道、南沙港疏港鐵路等一批大型工程也都位于蕉門河口區(qū)。由于蕉門口區(qū)域位置優(yōu)越、經(jīng)濟社會發(fā)達(dá)，歷年來都是珠江河口治理與開發(fā)的重點區(qū)域。近40年多來，經(jīng)過長期治理和開發(fā)，蕉門河口形態(tài)、河勢特性已發(fā)生了較大變化，同時也出現(xiàn)了一系列新問題[6- 8]。識別高強度人類活動影響下的蕉門口河勢變化規(guī)律及成因，研究相應(yīng)治理對策，對維持珠江河口河勢穩(wěn)定、保障泄洪納潮安全和區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展都具有極其重要的意義。

本文在總結(jié)前人研究工作的基礎(chǔ)上[9- 11]，收集蕉門河口近年來的遙感、水文、泥沙、地形等資料，利用水文測驗、資料分析、數(shù)學(xué)模型和物理模型試驗等技術(shù)手段，對蕉門河口當(dāng)前形勢變化和成因進(jìn)行了分析，并研究探討了今后治理方向和對策。

1 研究思路和方法

人類活動對蕉門河口河勢影響主要體現(xiàn)在3個方面，一是灘涂圍墾和岸線開發(fā)導(dǎo)致河口延伸和岸線形態(tài)變化；二是采砂和航道疏浚導(dǎo)致河床下切；三是河道地形和邊界發(fā)生變化后，蕉門河口汊道分流比發(fā)生相應(yīng)變化。為此，蕉門口河勢變化重點分析3方面的內(nèi)容：河道岸線變化、河床地形變化、汊道分流比變化。主要采用水文測驗和資料分析相結(jié)合的方法進(jìn)行研究：①收集不同時期蕉門河口附近遙感影像資料，分析圍墾、岸線開發(fā)利用等作用下蕉門河口岸線變化；②利用不同年代河道地形圖套匯對比分析人類活動影響下的蕉門河口地形演變；③通過水文測驗，分析當(dāng)前蕉門河口汊道分流比變化。

河勢變化成因及治理對策研究重點借助數(shù)學(xué)模型和物理模型試驗相結(jié)合的手段進(jìn)行，分析蕉門河口不同水域水動力特性、河道水流條件和水動力體系、河口重點區(qū)域流態(tài)，探索蕉門河口治理方向，研究治理措施方案，分析治理效果。數(shù)學(xué)模型采用珠江三角洲及河口區(qū)一、二維聯(lián)解整體潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，物理模型采用珠江河口整體物理模型，模型經(jīng)過了多場水文組合的率定和驗證，已廣泛應(yīng)用于珠江三角洲及河口地區(qū)各類生產(chǎn)和科研項目研究，有關(guān)模型介紹可參閱相關(guān)文獻(xiàn)[12- 15]。

2 蕉門口河勢變化及成因分析

20世紀(jì)90年代至今為蕉門河口人類活動作用高峰期，在這段時期內(nèi)，蕉門河口附近區(qū)域主要經(jīng)歷了龍穴島圍墾開發(fā)、鳧洲大橋和新龍?zhí)卮髽蚪ㄔO(shè)、南沙港和廣州出海航道整治工程的開發(fā)建設(shè)以及河口區(qū)人工采砂等大型人類活動，本文重點對這段時期內(nèi)蕉門口河勢變化進(jìn)行分析。

2.1 岸線變化

蕉門口附近水域岸線格局的形成，表現(xiàn)為漸進(jìn)式的整治開發(fā)利用過程。隨著龍穴島陸續(xù)圍墾開發(fā)，蕉門口由原來沙洲浮生、槽溝密布的寬淺河口區(qū)，變?yōu)楝F(xiàn)在簡明的一主一支水道格局，岸線逐漸固定。搜集蕉門口1985—2013年蕉門河口不同時期遙感影像，如圖1所示，結(jié)合龍穴島圍墾的不同時期，可將岸線變化分為5個階段。

圖1 蕉門口龍穴島附近水域歷年岸線邊界變化圖

第一階段(1985—1991年)，拋石促淤，雞抱沙淺灘開始圍墾成陸，初步形成分流魚嘴，后期分別向東向南擴展。第二階段(1991—1994年)，龍穴島西部墾區(qū)成陸階段，西側(cè)沿蕉門延伸段從北向南逐漸成陸，形成與現(xiàn)狀水系邊界基本一致的拋石堤線。第三階段(1994—1999年)，龍穴島東部墾區(qū)成陸階段，結(jié)合廣州出海航道整治工程，從附近航道挖沙吹填入圍，東側(cè)從北向南逐漸成陸。第四階段(1999—2008年)，南沙港區(qū)工程圍墾階段，南沙港區(qū)實施一期、二期等系列港區(qū)、碼頭圍墾工程建設(shè)，龍穴島岸線發(fā)生較大變化，蕉門延伸段進(jìn)一步向南延伸。第五階段(2008年至今)，龍穴島圍墾基本成型階段，墾區(qū)南部實施南沙三期工程建設(shè)、廣州出海航道三期工程配套項目建設(shè)，蕉門延伸段進(jìn)一步向南延伸，岸線基本成型。

2.2 河道地形變化

(1)沖淤變化

統(tǒng)計分析1999—2017年蕉門口鳧洲水道及蕉門延伸段河道沖淤變化如圖2和表1所示，自1999年以來，鳧洲水道河床處于持續(xù)沖刷下切狀態(tài)，河道容積和斷面逐年增加；蕉門延伸段在1999—2007年沖刷下切、2007—2017年由沖轉(zhuǎn)淤。在1999—2017年間，鳧洲水道和蕉門延伸段河床總體上處于沖刷下切狀態(tài)，鳧洲水道和蕉門延伸段平均沖刷強度分別為0.06m/a和0.07m/a。

圖2 蕉門河口1999—2017年沖淤速率變化圖

(2)灘槽變化

為進(jìn)一步分析鳧洲水道和蕉門延伸段灘槽發(fā)育情況，繪制1999—2017年蕉門河口區(qū)域-3m和-5m等高線變化如圖3所示，-3m等高線可代表淺灘發(fā)育變化，-5m等高線可反映深槽變化情況。從等高線變化圖來看，1999年至今，鳧洲水道淺灘總體變化不大，深槽以下切為主，向北、東進(jìn)一步發(fā)展擴大；蕉門延伸段進(jìn)口段淺灘有所發(fā)育，淺灘面積有所增加，中下段深槽有所擴大和下切，深槽向左岸有所擴大、右岸基本穩(wěn)定。

表1 蕉門河口沖淤變化統(tǒng)計表(“-”表示沖刷)

圖3 蕉門河口1999—2017年-3m、-5m等高線變化趨勢

2.3 分流比變化

鳧洲水道和蕉門延伸段兩汊的分流比對蕉門河口發(fā)展具有重要影響，為了分析近十多年來鳧、蕉兩汊分流比變化情況，珠江水利科學(xué)研究院于2002年6月和2017年4、7月分別在鳧、蕉兩汊開展了3次水文測驗，測驗成果可用于鳧、蕉兩汊分流比變化分析。

2002年6月實測蕉門延伸段與鳧洲水道分流比過程如圖4所示。在此洪水測驗期間，鳧洲水道+蕉門延伸段洪峰流量為7500m3/s左右，鳧洲水道分流比隨來流增加而增大，分流比在55%～78%之間，測驗期間平均值為70%。

2017年4、7月實測蕉門延伸段與鳧洲水道分流比過程如圖5、6所示，這兩次測驗可以代表枯季、洪季兩種不同水文條件，其中7月洪水測驗期間，鳧洲水道+蕉門延伸段洪峰流量為7000m3/s左右，與2002年洪水測驗條件接近，可用于對比分析。從2017年枯季、洪季測驗結(jié)果來看，鳧洲水道分流比洪季要大于枯季，其中4月鳧洲水道落潮期間分流比在64.5%～72.3%之間，平均值為70%，7月鳧洲水道落潮期間分流比在67.7%～76.6%之間，平均值為75%。

圖4 2002年6月實測蕉門延伸段與鳧洲水道分流比

圖5 2017年4月鳧洲水道流量與分流比

圖6 2017年7月鳧洲水道流量與分流比

從2002、2017年的水文測驗結(jié)果可以得出：①鳧洲水道分流比隨著上游來流的增加而加大，表明大水時更多徑流從鳧洲水道下泄。②近10多年來，鳧洲水道的分流比有增加的趨勢，導(dǎo)致鳧洲水道過流能力進(jìn)一步增加，徑流更多從鳧洲水道下泄。

2.4 河勢變化原因分析

分析可知，受人類活動影響，蕉門河口近期呈現(xiàn)出岸線延伸、河床沖刷下切、汊道分流比調(diào)整等主要河勢變化，結(jié)合水沙統(tǒng)計資料和數(shù)學(xué)模型計算，得出蕉門河口河勢變化原因如下：

(1)來沙大幅減小，導(dǎo)致蕉門河口河床呈沖刷下切狀態(tài)。

1994—2013年間不同年份西北江三角洲(三水+馬口站)來沙總量變化曲線如圖7所示。從圖中可以看出，1994年以來，西北江三角洲總輸沙量呈波浪形下降，波峰與波谷所反映的是洪水年和枯水年輸沙量的差異，1994年西、北江三角洲最大輸沙量為12000萬t左右，而在2010年以后，最大輸沙量不到3000萬t，降幅大于75%。

從鳧洲水道和蕉門延伸段1999—2017年河床沖淤變化看，在此期間，兩條汊道均處于輕微沖刷下切狀態(tài)，河床沒有明顯的局部突變區(qū)域，說明兩汊道人類采砂活動不多，河床下切主要還是受水沙條件控制，從西北江三角洲總輸沙量的變化趨勢分析，蕉門河口汊道沖刷下切的主要原因是來沙大幅減少。

圖7 西、北江來沙總量變化曲線

(2)河道主槽及深泓更靠左岸，導(dǎo)致鳧洲水道泄流能力強于蕉門延伸段。

從2017年蕉門河口地形來看，在蕉門分汊口上游河道主槽更偏左岸，其中深泓線距左岸約440m、距右岸約895m。另外根據(jù)兩汊道斷面面積統(tǒng)計，鳧洲水道進(jìn)口斷面0m以下斷面面積為1351m2，蕉門延伸段進(jìn)口斷面0m以下斷面面積為1070m2，主槽偏左岸再加上鳧洲水道過流斷面面積大于蕉門延伸段，導(dǎo)致鳧洲水道過流能力要遠(yuǎn)大于蕉門延伸段。

(3)蕉門延伸段的不斷延伸減緩了蕉門延伸段河道比降，使得鳧洲水道分流比進(jìn)一步加大。

1999—2017年，隨著龍穴島的不斷圍墾，蕉門延伸段河道長度從14km延伸到了21km，河床深泓平均比降從-0.1‰變化為-0.3‰(倒比降加大)，河床坡度進(jìn)一步變緩；而鳧洲水道河道長度基本沒變，河床深泓平均比降從-0.2‰變化為0.07‰(由倒比降變?yōu)檎冉?，河床坡度加大。利用數(shù)學(xué)模型計算“2005.6”典型洪水條件下蕉門延伸段和鳧洲水道水面線，統(tǒng)計落急時刻河道水面比降分別為0.004‰、0.1‰。可見，不論是河床深泓比降還是洪水水面比降，蕉門延伸段均要明顯小于鳧洲水道，蕉門河口的不斷延伸進(jìn)一步加大了鳧洲水道分流比。

3 蕉門口治理對策研究

3.1 治理方向研究

蕉門口經(jīng)過幾十年的延伸和發(fā)展，與虎門和伶仃洋已緊密聯(lián)系、相互影響，因此蕉門口治理不僅要考慮蕉門口自身河勢變化規(guī)律，還需考慮與虎門、伶仃洋的相互關(guān)系。從水沙特性和功能定位上來看，蕉門承泄西北江的徑流泥沙，是珠江河口主要的泄洪排沙口門，在匯入伶仃洋四個口門中蕉門輸沙量占比最大，因此對蕉門治理的定位是泄洪排沙和維持河勢穩(wěn)定?；㈤T主要承泄東江、北江和流溪河的徑流，由虎門下泄的泥沙含量較低，排沙不是虎門的主要任務(wù)，而虎門-伶仃洋是珠江河口最大的一條潮汐通道，是廣州、深圳、東莞、中山等地區(qū)潮排潮灌的重要保障，在河口治理中對虎門而言是要保障虎門的納潮量，維持虎門-伶仃洋潮汐通道的穩(wěn)定。伶仃洋是珠江河口最大的河口灣，其一方面要承泄珠江三角洲經(jīng)東四口門下泄的水沙，另一方面為虎門提供充足潮汐動力的源泉，在河口治理中對伶仃洋而言主要是引導(dǎo)水沙快速下泄、防止伶仃洋過快淤積，充分維持伶仃洋河口灣納潮體積，保障潮汐上漲的動力。

結(jié)合蕉門口當(dāng)前河勢變化和蕉門、虎門、伶仃洋河口功能定位，筆者認(rèn)為，當(dāng)前蕉門口治理方向主要有兩點：

(1)控制和調(diào)整鳧洲水道分流比，減小匯入伶仃洋上部的水沙，減輕伶仃洋中上部的南沙港區(qū)及廣州港出海航道泥沙淤積。

受自然條件和人類活動影響，近10幾年來，鳧洲水道分流比有增加的趨勢，而這一趨勢并不利于伶仃洋河口灣穩(wěn)定和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。由于鳧洲水道與虎門出口直接匯入伶仃洋上部，經(jīng)鳧洲水道下泄的泥沙與虎門落潮流匯合后沿程落淤，大多淤積在鳧洲水道下游的南沙港區(qū)及廣州出海航道，增加港區(qū)及航道的疏浚成本，不利于地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。因此，當(dāng)前治理方向首要是調(diào)整蕉門河口水沙分配，減小鳧洲水道分流比，引導(dǎo)水沙直接從伶仃洋西灘下泄，避開伶仃洋中上部區(qū)域，快速排向外海。

(2)理順鳧洲水道右側(cè)岸線，減輕鳧洲水道出流與虎門落潮流相互干擾，維持虎門-伶仃洋潮汐通道穩(wěn)定。

鳧洲水道右岸岸線走向起伏大，出口處岸線走向幾乎與虎門水道正交，受不規(guī)則岸線挑流影響經(jīng)鳧洲水道下泄的徑流與虎門水道漲落潮流交角較大，兩股水流交匯區(qū)流態(tài)混亂，既不利于鳧洲水道徑流快速下泄，也會影響虎門-伶仃洋潮汐通道漲落潮流動力。理順和規(guī)整鳧洲水道右岸岸線，減小出流上挑角度，加大虎門水道漲落潮流速，有利于維持虎門-伶仃洋潮汐通道暢通和穩(wěn)定。

3.2 治理措施研究

根據(jù)蕉門河口治理方向，結(jié)合鳧洲水道當(dāng)前過于寬淺的現(xiàn)狀，重點研究對鳧洲水道南側(cè)岸線進(jìn)行整治。

(1)規(guī)劃整治思路和原則：①適當(dāng)縮窄鳧洲水道河寬，減小水道分流比；②調(diào)整鳧洲水道南側(cè)岸線形態(tài)及走向，減小水道向上挑流角度；③以蕉門口水流自然分流規(guī)律為依據(jù)擬定鳧洲水道進(jìn)口分流點位置，該整治方案對水流干擾最小；④為減輕上游防洪壓力，對河道進(jìn)行疏浚作為岸線整治配套方案。

(2)治理措施研究

第一步：確定鳧洲水道右岸岸線起點位置。利用物理模型試驗研究蕉門河口自然分流流態(tài)，確定汊道分流點位置，試驗選取“2005.06”洪水水文組合，模擬洪水初落、落急、落憩時刻鳧洲水道進(jìn)口流態(tài)，如圖8所示。從試驗結(jié)果來看，在洪水初落時刻，分流點位置偏南，在洪水落急和落憩時刻，分流點位置偏北。根據(jù)2個不同時刻水流分流點位置，在不縮減蕉門延伸段河寬前提下，確定水道右側(cè)岸線起點位置。

第二步：擬定鳧洲水道右岸岸線平面方案。從保障水流流態(tài)暢通和下游出流角度，對依據(jù)洪水初落和落急分流方案確定的水道右岸岸線起點與下游現(xiàn)狀岸線頂點之間的岸線，考慮一定河道拓寬率，按照岸線平順和引導(dǎo)水流向下偏轉(zhuǎn)的原則，擬定水道右岸岸線整治方案。

第三步：擬定配套泄洪整治方案。為減輕和消除鳧洲水道河寬縮窄對上游行洪的影響，對河道主槽和右岸規(guī)劃岸線之外的淺灘區(qū)域進(jìn)行清障和疏浚，其中對水道右側(cè)規(guī)劃岸線以外的淺灘疏浚至-4m高程(珠基)，結(jié)合航道整治需求，對水道和蕉門延伸段80m寬的主航道疏浚至-10m(珠基)。

綜上，研究提出初落分流和落急分流2個整治方案。

3.3 治理效果分析論證

通過對2個治理方案進(jìn)行分析論證，研究治理效果，論證水文組合主要采用“2005.6”洪水和“2001.2”枯水。治理效果分析論證如下：

(1)汊道分流比調(diào)整效果

統(tǒng)計治理方案實施前后“2005.6”洪水落潮期間鳧洲水道和蕉門延伸段平均分流比變化見表2，研究提出的2個治理方案實施后，均能減小鳧洲水道分流比，在初落和落急分流方案下，水道分流比分別減小2.2%和4.1%，從控制水道分流比效果上，落急分流方案較優(yōu)。

圖8 鳧洲水道進(jìn)口落潮流態(tài)示意圖

表2 治理方案實施前后汊道分流比變化統(tǒng)計表

(2)虎門潮汐通道納潮量變化程度

治理方案實施前后“2005.6”洪水、“2001.2”枯水水文組合下虎門漲落潮量變化見表3，治理方案實施后，虎門漲落潮動力有所增加，漲落潮量均有增加趨勢，總體上變化幅度均不大。從維持虎門-伶仃洋潮汐通道通暢和穩(wěn)定效果上，落急分流方案較優(yōu)。

表3 治理方案實施前后虎門漲落潮量變化統(tǒng)計表

(3)鳧洲水道出流與虎門落潮流交角減小效果

統(tǒng)計“2005.6”洪水鳧洲水道落潮流動力軸線與虎門落潮流動力軸線之間的夾角變化情況，見表4，從改善兩股水流相互干擾程度上，落急分流方案效果明顯，洪水期間鳧洲水道落潮主流與虎門落潮主流平均夾角由70°～75°減小至60°～65°，落急分流方案較優(yōu)。

(4)上游洪潮水位變化幅度

統(tǒng)計治理方案實施前后“2005.6”洪水條件下治理區(qū)域上游的蕉門口門南沙站、虎門口門大虎站高。

表4 治理方案實施前后鳧洲水道出流與虎門落潮流夾角變化統(tǒng)計表

低潮位變化，見表5，從控制上游洪潮水位壅高影響方面，由于配套了泄洪整治疏浚措施，治理方案實施后，上游蕉門、虎門的高低潮位變化均不大，落急分流方案影響相對略大于初落分流方案，但變化幅度較小，治理方案實施后均不會造成上游防洪壓力增加。

表5 治理方案實施前后南沙站、大虎站高低潮位變化統(tǒng)計表

綜合2個治理方案實施效果，落急分流治理方案能在不導(dǎo)致上游防洪壓力增加的前提下，對減小鳧洲水道分流比、改善鳧洲水道出流與虎門出流相互干擾程度、維持虎門-伶仃洋潮汐通道通暢等方面具有較好效果。

4 結(jié)語

本文對近年來高強度人類活動后蕉門河口河勢變化及成因進(jìn)行了分析，探索和研究了蕉門河口規(guī)劃治理對策，形成主要認(rèn)識如下：

(1)近20年來，蕉門河口鳧洲水道和蕉門延伸段總體上處于沖刷下切的趨勢，主要原因是上游來沙大幅減少，而非人工采砂。

(2)鳧洲水道長期為蕉門河口主汊，近幾十年來，隨著龍穴島的不斷圍墾成型，蕉門延伸段岸線逐年延伸、河床和水面比降進(jìn)一步減緩，而鳧洲水道河床和水面比降則有所加大，導(dǎo)致水道分流比進(jìn)一步加大，尤其是大水時徑流更多從水道下泄。

(3)從蕉門、虎門、伶仃洋的治理功能定位分析，蕉門河口的治理應(yīng)控制和調(diào)整鳧洲水道分流比，減小匯入伶仃洋上部的水沙，減輕伶仃洋中上部的南沙港區(qū)及廣州港出海航道泥沙淤積，同時理順鳧洲水道右側(cè)岸線，減輕鳧洲水道出流與虎門落潮流相互干擾，維持虎門-伶仃洋潮汐通道穩(wěn)定。

(4)以蕉門口水流自然分流規(guī)律為依據(jù)擬定了鳧洲水道進(jìn)口落急分流和初落分流2個規(guī)劃整治方案，其中落急分流治理方案在不增加上游行洪壓力的情況下，在減小鳧洲水道分流比、改善鳧洲水道出流與虎門出流相互干擾程度、維持虎門-伶仃洋潮汐通道通暢等方面具有較好的治理效果，該規(guī)劃方案可為蕉門河口治理規(guī)劃提供借鑒和參考。