伶仃洋水沙變化及對銅鼓航道回淤的影響研究

(珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州510611)

銅鼓航道是深圳西部港區(qū)重要的出海航道，穿越伶仃洋中灘南側(cè)銅鼓淺灘，長16 km(圖1)，位于粵港澳大灣區(qū)環(huán)珠江口核心區(qū)，在推動(dòng)灣區(qū)內(nèi)核心樞紐港發(fā)展、強(qiáng)化世界級大港強(qiáng)港方面具有重要意義。銅鼓航道一期工程從2004年底動(dòng)工，2007年12月19日竣工并開始試通航，2010年1月1日正式驗(yàn)收通航。

銅鼓航道位于伶仃洋“三灘兩槽”地貌格局中的中灘(圖2)，屬于虎門潮汐通道動(dòng)力沉積體系與陸架水入侵動(dòng)力趁機(jī)體系之間的過渡地帶[1]。徑流、潮汐、波浪動(dòng)力相互作用過程復(fù)雜。在銅鼓航道前期論證當(dāng)中，秦崇仁、張金鳳對銅鼓淺灘泥沙在波浪、潮流共同作用下起動(dòng)、運(yùn)移形態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為銅鼓淺灘泥沙具有典型的淤泥質(zhì)泥沙的運(yùn)移特征，波、流共同作用下，泥沙以懸移質(zhì)形態(tài)運(yùn)移，少有推移質(zhì)泥沙運(yùn)移[2]。林健、楊樹森(1996)根據(jù)伶仃洋銅鼓海區(qū)的水流、泥沙實(shí)測資料和水下地形圖分析，認(rèn)為銅鼓航道區(qū)波浪掀沙能力低，計(jì)算銅鼓航道的年淤積量為103～131萬m3,年平均淤強(qiáng)為0.33～0.42 m[3]?？堤K海等(2003)應(yīng)用潮流泥沙物理模型試驗(yàn)研究了銅鼓航道泥沙問題，結(jié)果銅鼓西航道年回淤120萬m3左右，銅鼓中航道100萬m3左右[4]。

2008—2009年銅鼓航道5次水下地形測量資料分析顯示，年平均回淤量約為573萬m3，平均年淤強(qiáng)為0.82 m，試運(yùn)行期間實(shí)測回淤量遠(yuǎn)大于預(yù)期。賈雨少、何杰、辛文杰(2011)分析了伶仃航道的回淤特征[5]，但對于其回淤成因未進(jìn)行深入探討。本文通過對近20 a來伶仃洋水動(dòng)力變化分析，探討銅鼓航道泥沙來源變化及回淤成因。

1 伶仃洋水沙動(dòng)力條件變化分析

1.1 徑流動(dòng)力變化分析

伶仃洋是一個(gè)呈NNW—SSE方向的喇叭形河口灣，匯集虎門、蕉門、洪奇瀝和橫門4個(gè)口門的徑流。水下地形西北高、東南低，水深從灣內(nèi)向?yàn)晨谥鸩皆黾印硟?nèi)淺灘和深槽相間，自西向東有西部淺灘—伶仃水道—中部淺灘(礬石淺灘)—礬石水道—東部淺灘，水下地形構(gòu)成三灘二槽結(jié)構(gòu)(圖2)。各口門不同年代分流比見表1，盡管不同年代之間分流比存在一定的波動(dòng)，但總體上東四口門多年平均分流約占58%，為珠江河口最主要的承洪納潮通道。近十年來，隨著河道無序挖沙得到有效控制，河道分流比基本保持穩(wěn)定。

表1 八大口門斷面水量分配比年際變化 %

注：20世紀(jì)80、90年代資料采用廣東省水電設(shè)計(jì)院計(jì)算的分配比；1999—2007年為實(shí)測資料，采用三水、馬口逐級分配水量分配比

徑流輸沙方面，根據(jù)西江高要、北江石角、東江博羅水文站資料統(tǒng)計(jì)，進(jìn)入珠江三角洲的多年平均流量數(shù)十年來一直保持9 020 m3/s，但多年平均年輸沙量卻呈現(xiàn)顯著減少趨勢，2000年以后多年平均輸沙量僅為3 670萬t，較輸沙峰值期20世紀(jì)80年代減少了52.9%(表2)。據(jù)《珠江三角洲綜合利用規(guī)劃報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，每年進(jìn)入珠江三角洲的泥沙約有80%輸出口門外，約20%留在網(wǎng)河區(qū)內(nèi)。珠江河口八大口門多年平均輸沙量占比見表3，以此估算進(jìn)入伶仃洋河口灣的徑流年輸沙量約為1 400萬t。銅鼓航道年淤積量573萬m3，相當(dāng)于伶仃洋總體的徑流輸沙量。

表2 珠江三角洲多年平均流量及輸沙量

1.2 潮汐動(dòng)力

伶仃洋潮汐類型屬不正規(guī)半日潮混合潮型，日不等現(xiàn)象明顯，灣口潮差較小、灣頂附近最大的分布特征，已有較多的研究及論述[6-7]，不再贅述。本次潮汐分析主要調(diào)查銅鼓航道所在外伶仃洋斷面橫向潮汐差異，以及由此對銅鼓航道回淤產(chǎn)生的影響。

表3 八大口門多年平均輸沙占比 %

注：東四口門、西四口門輸沙量占比和分別為47.7%、52.3%

根據(jù)2013年7月銅鼓航道定點(diǎn)潮汐觀測，潮汐近似駐波，在平均潮位附近流速最大，而在高、低潮位附近流速最大(圖3)，最大落潮流速近1.3 m/s，最大漲潮流速0.79 m/s。從淇澳島—內(nèi)伶仃—赤灣斷面3站同步實(shí)測潮位過程來看，東側(cè)赤灣站漲、落潮時(shí)刻較西側(cè)淇澳島站提前約1～2 h。從伶仃洋東、西岸同步潮位來看，內(nèi)伶仃島測站始終高于赤灣站，最大水位差0.23 m，即使是在大潮期間，內(nèi)伶仃島與赤灣站之間的潮位差始終在10 cm以上。遠(yuǎn)大于20世紀(jì)90年代末的5～6 cm水位差(圖4)。

2008年7月實(shí)測流速結(jié)果顯示，伶仃水道下段漲潮平均流速大于落潮平均流速，表層為落潮優(yōu)勢流，中、底層均為漲潮優(yōu)勢流，反映近年來伶仃航道疏浚挖深，經(jīng)伶仃水道上溯的潮流動(dòng)力增強(qiáng)。即潮汐動(dòng)力增強(qiáng)表現(xiàn)為2個(gè)方面：一是西槽上溯潮流增強(qiáng)；二是徑流、潮汐共同作用下，伶仃洋東西岸橫向水位差增大。

1.3 陸域邊界變化

據(jù)統(tǒng)計(jì)，伶仃洋1970年代至2014年灘涂資源量減少389.8 km2，減少25.5%，伶仃洋西灘已填海造地近120 km2，東灘近50 km2(圖5)；大面積的灘涂圍墾導(dǎo)致伶仃洋陸域邊界發(fā)生顯著變化。伶仃洋近岸圍墾主要在西部口門，包括蕉門口外淺灘圍墾、橫門口外淺灘圍墾，伶仃洋西灘北部年平均向東延伸190 m，導(dǎo)致西灘徑潮相互作用區(qū)域有南移之勢。伶仃洋東、西槽-7 m等深線保持南北貫通則是徑流動(dòng)力增強(qiáng)的證明。

2 伶仃洋水沙變化對銅鼓航道回淤影響分析

2.1 動(dòng)力架構(gòu)調(diào)整

銅鼓航道自西南向東北穿越銅鼓淺灘。前人的研究認(rèn)為，伶仃洋西灘及西槽以徑流動(dòng)力為主，承泄蕉門、洪奇瀝、橫門的水沙，東灘和東槽則以海洋動(dòng)力為主，中灘(伶仃攔江沙及礬石淺灘)是兩種動(dòng)力相互消能區(qū)域，主要泥沙來源于虎門下泄泥沙擴(kuò)散。隨著伶仃洋西北側(cè)淺灘快速圍墾及伶仃洋深水航道開挖，徑流、潮汐動(dòng)力在伶仃洋北部短兵相接，一方面伶仃洋西灘北部圍墾使得深槽徑流動(dòng)力增強(qiáng)，水位壅高，且絕大多數(shù)時(shí)間西側(cè)水位高于東側(cè)(圖4)，伶仃洋東西岸之間的橫向水位差顯著增大。從1979—2013年實(shí)測潮量分配比來看(表4)，無論是漲潮量，還是落潮量，內(nèi)伶仃、赤灣占比均略有增大，而金星門漲潮量占比減小較多，可見徑流對伶仃洋中、東部的影響增強(qiáng)，從海圖等深線亦可看出，現(xiàn)狀-5 m等深線已從南沙港向東南貫穿伶仃洋北部至深圳媽灣港區(qū)(圖6)；二是伶仃洋灣內(nèi)航道開挖使得西航道航槽漲潮動(dòng)力增強(qiáng)。東四口門下泄徑流在灣頂受潮汐頂托，漲潮初期東向流速分量增大，部分徑流自東槽下泄(圖7)，使得中灘附近尤其是中灘南側(cè)有形成順時(shí)針環(huán)流之勢，改變了原有的東槽先漲、銅鼓淺灘區(qū)域主要受陸架水控制的格局，徑流水沙對銅鼓航道回淤影響增強(qiáng)(圖8)。

表4 伶仃洋漲落潮量斷面占比變化情況 %

除徑流、潮汐動(dòng)力外，波浪對銅鼓航道回淤亦有一定的影響。伶仃洋水域東側(cè)以風(fēng)浪為主。2008年6—10月實(shí)測波浪統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，銅鼓航道南段附近測點(diǎn)年平均有效波高Hs達(dá)到0.37 m，月平均有效波高的最大值為0.43 m，出現(xiàn)在2008年6 月份。常浪向?yàn)镾E、NE、SSW，強(qiáng)浪向?yàn)镾SW，實(shí)測最大波高(H4%)為1.9 m。相關(guān)研究普遍認(rèn)為洋波浪動(dòng)力不強(qiáng)，在銅鼓航道開發(fā)過程中，較少考慮波浪動(dòng)力對航道泥沙回淤的影響。隨著伶仃航道的開發(fā)，波浪向伶仃洋北側(cè)傳播過程中，波能通量增加，伶仃洋波浪動(dòng)力略有增強(qiáng)。伶仃洋波浪傳播數(shù)值模擬結(jié)果顯示，銅鼓航道附近5年一遇SSW向浪基本不受珠江口外諸島的遮擋，H1/10達(dá)3 m。隨著伶仃航道進(jìn)一步挖深擴(kuò)寬，灣內(nèi)波浪影響有增強(qiáng)趨勢。

2.2 泥沙來源調(diào)整

徐君亮研究結(jié)果顯示，20世紀(jì)90年代伶仃洋中灘泥沙主要來源于蕉門和虎門，海域來沙占有明顯地位[8]。海域來沙可沿深槽上溯至虎門和交椅灣。而銅鼓淺灘泥沙主要受東槽漲潮流的影響。從沉積物特征來看，中灘的礦物組合類型不僅包括鈦鐵礦、褐鐵礦等優(yōu)勢礦物，而且有黃鐵礦、角閃石含量較多，表明海域來沙對中灘尤其是礬石淺灘的發(fā)育具有明顯影響。銅鼓海域表層泥沙特征表明，大壕島西向銅鼓海區(qū)中心泥沙顆粒組成有變小的規(guī)律, 反映上溯流向陸搬運(yùn)趨勢,有海向泥沙的沉積。

隨著西部灘涂圍墾,西灘在淤高的同時(shí)將迅速向東南延伸，西灘過流能力減弱。徑流、潮汐動(dòng)力相互作用平衡線位置東移，導(dǎo)致伶仃洋河口灣內(nèi)水流更集中于西槽。當(dāng)上游出現(xiàn)中等洪水，伶仃洋又處于大潮落急階段，從蕉門經(jīng)鳧洲水道泄出的懸沙，大部分直接排入川鼻深槽，并與虎門下泄的懸沙向東部海域輸運(yùn)。洪季徑流來沙時(shí)，內(nèi)伶仃島北側(cè)為高含沙區(qū)，徑流來沙對伶仃洋中灘、東灘的影響逐漸加強(qiáng)(圖9)。伶仃洋中灘為徑潮相互作用耗散區(qū)，上游徑流攜帶泥沙在橫向流作用下輸運(yùn)至中灘，部分改變了原銅鼓淺灘區(qū)域初漲階段少沙陸架水上溯情形，而順時(shí)針環(huán)流為相對高含沙徑流水體，對于中灘北部沖刷、南側(cè)淤積具有顯著影響。徑流攜帶泥沙對銅鼓航道附近水域泥沙淤積的影響日益凸顯。

波浪對伶仃洋尤其是外伶仃區(qū)域淺灘泥沙活動(dòng)性有一定的影響。按佐藤公式計(jì)算波浪作用下海床泥沙起動(dòng)水深，3 m大浪可全面起動(dòng)15 m水深左右的海底泥沙。在波、流共同作用下，該地泥沙一旦起動(dòng)，即“懸揚(yáng)”后將以懸移質(zhì)形態(tài)運(yùn)移。因此，波流共同作用下局地泥沙活動(dòng)對銅鼓航道回淤的影響亦不可忽視。

2.3 重大人類活動(dòng)影響分析

伶仃洋岸線及地形變化受人類活動(dòng)影響顯著。除面積圍墾改變岸線邊界外，還包括廣州出海航道、中山港航道、深圳西部航道浚深外，以及港珠澳大橋、深中通道建設(shè)、桂山風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)、深圳大嶼山圍填海工程等一系列重大工程(圖10)，疊加人為采砂洗沙活動(dòng)等，對伶仃洋的水沙活動(dòng)會產(chǎn)生一定的累積效應(yīng)。

21世紀(jì)初廣州港出海航道二期工程西航道浚深至-13 m。2010年至2012年的出海航道三期工程西航道浚深至-18 m，寬度由243 m擴(kuò)寬至385 m。西航道水深從解放前5 m已浚深至2012年的18 m，浚深總水深達(dá)13 m，為自然水深的2.6倍。2009年之前東航道浚深強(qiáng)度不大，水深保持在7 m左右，2009年之后，東航道北段由7 m浚深至15 m。

伶仃航道二期及拓寬工程導(dǎo)致沿伶仃航道潮汐動(dòng)力增強(qiáng)，落潮時(shí)伶仃洋東西兩岸潮位橫比降增大，導(dǎo)致東四口門下泄水沙對東灘影響增大，在漲潮初期，銅鼓航道漲潮流、暗士敦水道漲潮流與深圳灣下泄流在銅鼓航道北段共同形順時(shí)針環(huán)流，多種動(dòng)力相互消能而河流來沙影響增強(qiáng)，使得銅鼓航道北段成為淤積最為嚴(yán)重的區(qū)域。珠江水利科學(xué)研究院研究成果顯示，伶仃水道中南段凈輸沙由1978年的向海方向于2003年后逆轉(zhuǎn)變?yōu)橄蜿懛较?，平均流輸沙貢獻(xiàn)劇減。2013年9月實(shí)測水文資料顯示，銅鼓航道大潮漲潮平均流速(0.53 m/s)大于落潮平均流速(0.48 m/s)，表層余流向海而中底層流速向陸，表明底部潮汐余流海向來沙對銅鼓航道淤積有明顯影響。

港珠澳大橋西側(cè)橋墩阻水導(dǎo)致廣州出海航道漲潮流偏向東側(cè)，抑制了東航道的漲潮流，而東西岸之間的橫向水位差使得徑流對中灘及東灘的影響增大。徐群(2012)等通過物理模型試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)港珠澳大橋建設(shè)后，銅鼓航道內(nèi)淤積厚度及淤積量略有增加[9]。

另外伶仃洋內(nèi)采砂洗沙活動(dòng)增加了局部泥沙濃度，對銅鼓航道的回淤亦有一定的影響，2014年11月港珠澳大橋E15節(jié)沉管安裝過程中發(fā)現(xiàn)基槽回淤嚴(yán)重，沉管無法安裝。后經(jīng)多方論證，發(fā)現(xiàn)伶仃洋局部泥沙含量的顯著變化(高達(dá)1 kg/L)主要源于內(nèi)伶仃洋大量采砂洗沙活動(dòng)。

3 結(jié)論

a) 伶仃洋西灘北側(cè)大面積圍墾，使得伶仃洋東西岸潮位橫比降增大，徑流對伶仃洋中灘、東灘的影響增強(qiáng)。

b) 伶仃航道二期及拓寬工程導(dǎo)致伶仃航道潮汐上溯動(dòng)力增強(qiáng)，對下泄徑流有一定的頂托作用，使得東槽凈泄量占比增大，在漲潮初期，銅鼓航道漲潮流、暗士敦水道漲潮流與深圳灣下泄流在銅鼓航道北段共同形順時(shí)針環(huán)流，使得銅鼓航道北段成為淤積最為嚴(yán)重的區(qū)域。

c) 收縮型河口灣使得波浪輻聚增強(qiáng)，此前的研究對波流共同作用下局地泥沙懸揚(yáng)起動(dòng)后在航道內(nèi)落淤未充分考慮。

d) 頻繁的采砂活動(dòng)導(dǎo)致局部泥沙濃度驟升，伶仃洋內(nèi)重大工程對銅鼓航道回淤亦有不利影響。