強(qiáng)人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下珠江磨刀門河口徑潮 動(dòng)力的季節(jié)性異變特征*

張先毅 楊 昊 黃競(jìng)爭(zhēng) 傅林曦 王 恒 劉俊勇 歐素英 劉 鋒 蔡華陽(yáng) ① 楊清書

(1. 中山大學(xué) 海洋工程與技術(shù)學(xué)院 河口海岸研究所 廣州 510275； 2. 河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 廣州 510275； 3. 廣東省海岸與島礁工程技術(shù)研究中心 廣州 510275； 4. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海) 珠海 519000； 5. 珠江水利科學(xué)研究院 廣州 510611)

河口處陸地與海洋的交界地帶， 受上游徑流和外海潮波等自然因素共同作用， 徑潮動(dòng)力非線性相互作用及多時(shí)空尺度變化顯著(Guoet al， 2014， 2015； Jayet al， 2015， 2016； 蔡華陽(yáng)等， 2018； Caiet al， 2018a)。然而， 由于自然資源豐富及交通條件便利， 河口地區(qū)人口高度集中， 經(jīng)濟(jì)及城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速， 人類活動(dòng)成為改變河口環(huán)境的第三驅(qū)動(dòng)力(陳吉余等， 2008)。我國(guó)自20 世紀(jì)以來(lái)河口地區(qū)人類活動(dòng)大幅加劇， 位于黃河的工農(nóng)業(yè)引水引沙、干流水庫(kù)建設(shè)等人類活動(dòng)影響了黃河口的水沙分配， 導(dǎo)致水庫(kù)上游主槽淤積萎縮， 下游來(lái)水來(lái)沙減小， 海岸侵蝕加劇(陳沈良等， 2004； 胡春宏等， 2008； 彭俊等， 2009)。長(zhǎng)江流域興建的三峽工程， 導(dǎo)致入海泥沙急劇減少， 河床發(fā)生侵蝕， 同時(shí)改變了長(zhǎng)江河口流量的季節(jié)分配， 徑潮動(dòng)力對(duì)三峽工程的響應(yīng)具有顯著的季節(jié)性變化(陳吉余等， 1995； Daiet al， 2013； Caiet al， 2018a)。珠江河網(wǎng)區(qū)高強(qiáng)度采砂活動(dòng)顯著改變了西江和北江的水沙分配， 增大了河槽容積進(jìn)而使潮汐動(dòng)力顯著增強(qiáng)， 而口門處灘涂圍墾使河口三角洲淤積速率明顯加快(張蔚等， 2008； Liuet al， 2014； Zhanget al， 2015)。本文把上述各種人為干預(yù)定義為強(qiáng)人類活動(dòng)， 即對(duì)河口環(huán)境的影響大大超過(guò)河口自身的調(diào)節(jié)和修復(fù)能力， 使河口環(huán)境發(fā)生劇烈異變的高強(qiáng)度人類活動(dòng)。在強(qiáng)人類活動(dòng)影響下， 河口“動(dòng)力-沉積-地貌”格局發(fā)生異變， 潮波振幅、余水位等潮波變量的變化特征不同于自然演變階段， 即河口徑潮動(dòng)力格局發(fā)生異變。研究全球氣候變化背景下強(qiáng)人類活動(dòng)對(duì)河口海岸環(huán)境的影響及異變問(wèn)題， 為河口環(huán)境保護(hù)與水資源可持續(xù)開發(fā)利用等提供科學(xué)依據(jù)， 已成為當(dāng)今世界河口海岸研究的重要課題(陳吉余等， 2002； Jayet al， 2011； Caiet al， 2019)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)河口區(qū)徑潮動(dòng)力的相互作用已有頗多研究， 成果豐碩。研究表明， 河口潮波傳播變化主要受外海潮汐動(dòng)力、河口地形及上游徑流的非線性影響， 且越往上游徑流的季節(jié)性影響越顯著(Jayet al， 2015； Caiet al， 2018a； 張先毅等， 2019)。徑潮動(dòng)力相互作用強(qiáng)度的改變直接影響河口區(qū)的泥沙輸移及河口沿程懸沙濃度的分布和沉積動(dòng)態(tài)， 進(jìn)而改變河口地貌形態(tài)(Guoet al， 2014)。徑流輸入相當(dāng)于增加漲潮阻力， 使潮波傳播能量損耗增大， 導(dǎo)致潮波衰減增強(qiáng)， 感潮河段的潮能也相應(yīng)減小(Guoet al， 2015； 歐素英等， 2016， 2017)。受徑流影響強(qiáng)度較大的上游河段洪枯季流量差異明顯， 相應(yīng)的潮波傳播特征值(如潮差、水位等)亦有顯著的季節(jié)性變化(劉新成等， 1999； 李國(guó)芳等， 2006)。徑潮動(dòng)力相互作用還直接影響河口鹽水界、潮區(qū)界、潮流界和滯流點(diǎn)等特征動(dòng)力界的移動(dòng)， 這些動(dòng)力界距口門的距離基本與流量輸入呈負(fù)相關(guān)關(guān)系， 與外海潮汐動(dòng)力呈正相關(guān)關(guān)系(Anet al， 2009； 黃李冰等， 2015； 路川藤等， 2016； 石盛玉等， 2018； 劉鵬飛等， 2018)。就河口區(qū)徑潮動(dòng)力的自然演變及其對(duì)外部動(dòng)力的響應(yīng)已有較多研究成果， 然而強(qiáng)人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下地形改變引起的徑潮動(dòng)力季節(jié)性異變過(guò)程及機(jī)制仍是尚待深入研究的科學(xué)問(wèn)題。

珠江是我國(guó)第三大河， 主要由西江、北江和東江三江匯流， 并由崖門、虎跳門、雞啼門、磨刀門、橫門、洪奇門、蕉門和虎門八大口門匯入南海。位于西江下游的磨刀門河口是珠江輸水輸沙量最大的河口， 徑流作用強(qiáng)， 是珠江最重要的泄洪通道。自20 世紀(jì)60 年代以來(lái)珠江流域上游建設(shè)水庫(kù)9000 余座， 總蓄水量高達(dá)65km3， 占珠江年均流量的23%(Daiet al， 2008)。水庫(kù)的建設(shè)使西江來(lái)沙量大幅減少， 加劇下游河床的沖刷侵蝕作用(Zhanget al， 2012)。同時(shí)由于西江干流的高強(qiáng)度采砂活動(dòng)， 其年均挖沙量已超過(guò)249萬(wàn)m3， 加之珠江航道內(nèi)實(shí)施的河道整治工程， 使磨刀門河口底床嚴(yán)重下切(Luoet al， 2007； 張蔚等， 2008)。位于磨刀門口門處的圍墾工程(如白藤堵海工程和八一大圍等)使口門灘地淤積， 河寬束窄， 磨刀門河口逐漸向窄深化演變(錢挹清， 2004； 賈良文等， 2007； 梁 娟 等， 2010； Tanet al， 2015； 胡 煌 昊 等， 2016)。強(qiáng)人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下的地形異變直接改變磨刀門河口的徑潮動(dòng)力相互作用過(guò)程， 河床下切使河口中上段水位顯著下降， 而海平面上升背景下灘涂圍墾使口門附近水位略有抬升， 最終導(dǎo)致磨刀門河口沿程平均水位坡度變緩(賈良文等， 2006； Caiet al.， 2018b)， 對(duì)潮波傳播的衰減效應(yīng)減弱， 潮汐動(dòng)力明顯增強(qiáng)(Liuet al， 2019)。而底床下切和水深增大則進(jìn)一步減小潮波上溯過(guò)程所受的底床摩擦， 加劇鹽水界、潮流界和潮區(qū)界的上移， 導(dǎo)致近年來(lái)磨刀門河口鹽水入侵加劇(賈良文等， 2007； 韓志遠(yuǎn)等， 2010)。

綜上所述， 對(duì)強(qiáng)人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下磨刀門河口的地貌及動(dòng)力格局演變已取得豐富研究成果， 然而針對(duì)異變格局下徑潮動(dòng)力的季節(jié)性變化特征及其對(duì)強(qiáng)人類活動(dòng)的響應(yīng)過(guò)程與機(jī)制還有待進(jìn)一步探索。本文通過(guò)對(duì)1960—2016 年磨刀門河口沿程5 個(gè)測(cè)站的月均高、低潮位資料及上游馬口水文站的月均流量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 重點(diǎn)分析強(qiáng)人類活動(dòng)影響下磨刀門河口徑潮動(dòng)力的季節(jié)性異變過(guò)程及機(jī)制， 為磨刀門河口的水沙調(diào)控及水資源高效開發(fā)利用等提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

本文研究區(qū)域?yàn)橹榻サ堕T河口， 包括西江干流水道和磨刀門水道(圖1)。其中， 思賢滘西滘口至百頃頭約86km 河段稱為西江干流水道， 百頃頭至磨刀門口門約 60km 河段稱為磨刀門水道(羅憲林， 2002)。上游流量控制站為馬口水文站， 沿程有甘竹、竹銀、燈籠山、三灶4 個(gè)潮位站(如圖1 所示)。磨刀門河口每日基本有兩次漲潮兩次落潮， 口門附近燈籠山站的潮性系數(shù)為1.5(梁娟等， 2010)， 屬于不規(guī)則半日混合潮。位于口門處的三灶站多年平均潮差為1.09m， 屬于弱潮型河口。磨刀門河口是珠江輸水輸沙量最大的口門， 多年平均徑流量達(dá)923 億m3， 約占馬口站徑流量的三分之一(蔡華陽(yáng)等， 2009)。西北江 水在思賢滘匯合分流后經(jīng)過(guò)馬口站進(jìn)入西江干流水道， 而后大部分通過(guò)磨刀門水道流入外海。據(jù)馬口水文站1960—2016 年月均資料統(tǒng)計(jì)， 其多年平均流量為7078m3/s， 最大月均流量達(dá)29000m3/s， 最小月均流量為1210m3/s， 流量季節(jié)性變化顯著。

圖1 研究區(qū)域圖 Fig.1 Map of the study area (in red)

2 研究資料與方法

2.1 研究資料

本文收集了1960—2016 年馬口、甘竹、竹銀、燈籠山和三灶5 個(gè)測(cè)站的逐月高、低潮位， 以及馬口站的月均流量數(shù)據(jù)。所用數(shù)據(jù)來(lái)源于《廣東省水文年鑒》和廣東省水文局。潮位原始數(shù)據(jù)高程基面為凍結(jié)基面， 已統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至珠江基面。

2.2 研究方法

為分析磨刀門河口徑潮動(dòng)力的時(shí)空變化特征， 基于沿程各站位的月均高潮位(HHW)和低潮位(HLW)數(shù)據(jù)， 統(tǒng)計(jì)得到各個(gè)站位的月平均水位(m)， 即月均高潮位與月均低潮位的平均值

和潮波振幅(m)

Δη為兩潮位站之間的振幅之差， 即

ηi+1(m)為河口上游站點(diǎn)的潮波振幅，ηi(m)為河口下游站點(diǎn)的潮波振幅。

雙累積曲線方法是檢驗(yàn)兩個(gè)參數(shù)之間關(guān)系一致性及其變化的常用方法， 目前常用于水文氣象要素一致性或長(zhǎng)期演變趨勢(shì)分析(穆興民， 2009)。所謂雙累積曲線就是在直角坐標(biāo)系中繪制出兩個(gè)相關(guān)參數(shù)累積值的關(guān)系線， 其斜率發(fā)生突變的點(diǎn)就是兩參數(shù)累積關(guān)系出現(xiàn)突變的時(shí)間。本文采用雙累積曲線方法， 確定強(qiáng)人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下磨刀門河口月均水位坡度與流量、潮波振幅衰減率與流量之間累積關(guān)系的突變點(diǎn)， 從而對(duì)徑潮動(dòng)力的異變過(guò)程進(jìn)行階段性劃分， 并進(jìn)行對(duì)比研究。

本文采用一維動(dòng)量守恒方程對(duì)強(qiáng)人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下磨刀門河口的徑潮動(dòng)力異變特征進(jìn)行機(jī)制分析， 其方程如下(Caiet al， 2019)：

式中， 上劃線表示潮周期平均。由式(9)可見(jiàn)潮平均條件下月均水位坡度主要與底摩擦項(xiàng)相平衡。

3 磨刀門河口徑潮動(dòng)力的季節(jié)性異變過(guò)程分析

3.1 異變過(guò)程的階段性劃分

通過(guò)雙累積曲線關(guān)系圖， 可以探究因變量(如月均水位坡度和潮波振幅衰減率)和主要控制變量(如流量)之間的趨勢(shì)性變化， 從而根據(jù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定強(qiáng)人類活動(dòng)對(duì)河口徑潮動(dòng)力的累積影響及其異變時(shí)間節(jié)點(diǎn)。圖2為磨刀門河口燈籠山-馬口河段累積月均水位坡度與潮波振幅衰減率絕對(duì)值隨累積流量的趨勢(shì)變化， 對(duì)月均水位坡度、潮波振幅衰減率絕對(duì)值和流量均作歸一化處理， 即變量減去最小值， 再除以最大值與最小值的差值。由圖2 可見(jiàn)， 累積月均水位坡度和潮波振幅衰減率絕對(duì)值隨流量變化的斜率值分別在1990 年與2000 年發(fā)生明顯改變。其中， 累積月均水位坡度的斜率由1990 年前的0.97 減小至2000 后的0.52， 累積潮波振幅衰減率絕對(duì)值的斜率由1990 年前的2.37 減小至2000 后的0.66， 表明在強(qiáng)人類活動(dòng)影響下， 相同流 量條件下月均水位坡度減緩， 潮波振幅衰減率絕對(duì)值減小(即衰減效應(yīng)減弱)。磨刀門河口徑潮動(dòng)力的階段性變化與強(qiáng)人類活動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)， 1990 年前磨刀門河口人類活動(dòng)影響相對(duì)較弱， 屬自然演變階段， 1990—2000 年為強(qiáng)人類活動(dòng)干預(yù)最劇烈的時(shí)期， 磨刀門河口處于過(guò)渡階段， 其中， 高強(qiáng)度采砂、圍墾等強(qiáng)人類活動(dòng)對(duì)河口系統(tǒng)的累積效應(yīng)最終在2000 年使徑潮動(dòng)力發(fā)生異變， 而2000 年后部分環(huán)保政策(如禁止采砂)的提出， 使磨刀門河口受強(qiáng)人類活動(dòng)的影響有所減弱， 河口進(jìn)入恢復(fù)調(diào)整階段。因此， 根據(jù)月均水位坡度-流量和潮波振幅衰減率絕對(duì)值-流量的雙累積曲線關(guān)系變化， 可把1990 年前劃分為強(qiáng)人類活動(dòng)影響前的自然演變階段， 2000 年后劃分為受強(qiáng)人類活動(dòng)影響后的恢復(fù)調(diào)整階段， 1990—2000 年為過(guò)渡階段。

圖2 燈籠山-馬口月均水位坡度與流量的累積關(guān)系(a)和潮波振幅衰減率絕對(duì)值與流量的累積關(guān)系(b) Fig.2 Cumulative relationship between monthly average water level slope and river discharge (a)， absolute value of tidal damping rate and river discharge (b) in the Denglongshan-Makou gauging station

3.2 磨刀門河口月均水位和振幅的異變過(guò)程分析

為揭示強(qiáng)人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下磨刀門河口徑潮動(dòng)力的季節(jié)性異變過(guò)程， 以1990 年和2000 年作為磨刀門受強(qiáng)人類活動(dòng)作用發(fā)生異變的分界年份， 1990 年前為自然演變階段， 2000 年后為恢復(fù)調(diào)整階段， 1990—2000 年為過(guò)渡階段， 分別對(duì)比自然演變階段與恢復(fù)調(diào)整階段月均水位和潮波振幅的差異。圖3 為不同季節(jié)條件下月均水位(圖3a—d)和振幅(圖3e—h)在強(qiáng)人類活動(dòng)前后(分別對(duì)應(yīng)自然演變階段與恢復(fù)調(diào)整階段)的時(shí)空變化。由圖3a—d 可見(jiàn)， 月均水位在口門處三灶站最小， 往上游逐漸上升； 沿程月均水位在夏季上升幅度最大， 從口門三灶至上游馬口站月均水位增幅大于2m， 其次為春季和秋季， 月均水位增幅約為1m， 而冬季月均水位增幅最小， 在0.5m 以下； 受強(qiáng)人類活動(dòng)影響月均水位總體減小， 且越往上游減小幅度越大， 其中夏季減小幅度最大(甘竹和馬口站分別減小0.86m 和1.53m)， 其次為春、秋兩季， 冬季最小， 這主要受河道不均勻采砂影響； 但冬季靠近下游端的三灶、燈籠山和竹銀站在強(qiáng)人類活動(dòng)影響后略有增大(見(jiàn)表1)， 這主要與海平面的季節(jié)性變化及口門圍墾的共同作用有關(guān)。圖3e—h 顯示的磨刀門沿程各站點(diǎn)月均潮波振幅的時(shí)空變化可見(jiàn)， 潮波振幅在三灶站最大， 向上游逐漸減小， 表明潮波沿河口向上傳播過(guò)程逐漸衰減； 強(qiáng)人類活動(dòng)影響后磨刀門河口全河段潮波振幅普遍增大， 僅在口門三灶站略有減小， 且越往上游強(qiáng)人類活動(dòng)前后的振幅差異越大， 表明河口中上段受強(qiáng)人類活動(dòng)的影響較顯著； 由表1 統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知， 強(qiáng)人類活動(dòng)影響后燈籠山-馬口沿程各站點(diǎn)月均振幅增幅最明顯的是秋季(沿程平均潮波振幅增大0.086m)， 其次是春季和夏季(沿程平均潮波振幅分別增大0.073m 和0.065m)， 冬季最??； 值得注意的是， 強(qiáng)人類活動(dòng)影響后夏季馬口站的振幅增幅最小， 僅為0.103m， 這可能與磨刀門河口夏季流量較大有關(guān)， 相同地形下切條件下， 潮波振幅增大的趨勢(shì)受高流量影響反而有所抑制。

圖3 磨刀門河口沿程站點(diǎn)月均水位(a—d)與月均振幅(e—h)的時(shí)空變化箱線圖 Fig.3 Spatial-temporal variational boxplot of monthly averaged water level (a—d) and tidal amplitude (e—h) in the Modaomen estuary

表1 自然演變階段與恢復(fù)調(diào)整階段不同季節(jié)平均水位與潮波振幅變化的差值 Tab.1 Seasonal variation in monthly average water level and tidal amplitude in pre-and post-human periods

3.3 磨刀門河口月均水位坡度和潮波振幅衰減率的時(shí)空變化特征

圖4—5 分別為月均水位坡度和潮波振幅衰減率隨流量的時(shí)空變化箱線圖， 圖中橫坐標(biāo)表示以5000m3/s 間隔的流量區(qū)間， 每個(gè)箱線表示月均水位坡度或潮波振幅衰減率在相應(yīng)流量區(qū)間內(nèi)的變化情況。流量區(qū)間介于25000—30000m3/s 內(nèi)的只顯示代表自然演變階段的藍(lán)色箱， 這是因?yàn)閺?qiáng)人類活動(dòng)干擾后(即2000—2016 年)， 受上游水庫(kù)調(diào)蓄影響， 馬口站最大月均流量未超過(guò)25000m3/s。由圖4 可見(jiàn)， 月均水位坡度隨流量增大而增大， 且越往上游月均水位坡度對(duì)流量的響應(yīng)越明顯； 對(duì)比自然演變與恢復(fù)調(diào)整階段的月均水位坡度可見(jiàn)， 磨刀門河口月均水位坡度普遍變緩， 靠近口門的三灶-燈籠山段月均水位坡度變緩幅度最小， 燈籠山-竹銀、竹銀-甘竹及甘竹-馬口河段月均水位坡度隨流量增大其減小幅度亦增大， 但當(dāng)流量大于20000m3/s 時(shí)， 強(qiáng)人類活動(dòng)影響下甘竹-馬口段的月均水位坡度減小幅度反而減小， 表明強(qiáng)人類活動(dòng)干擾下月均水位坡度隨流量的變化呈現(xiàn)非線性。

圖4 自然演變階段與恢復(fù)調(diào)整階段沿程月均水位坡度隨上游流量的變化關(guān)系 Fig.4 Relationship between monthly average water level and river discharge in pre- and post-human periods in the Modaomen estuary

潮波振幅衰減率絕對(duì)值表示潮波所受衰減作用的強(qiáng)弱。由圖5 可見(jiàn)， 衰減作用基本與流量呈正相關(guān)關(guān)系， 即隨著流量增大， 潮波振幅衰減率絕對(duì)值亦增大； 下游潮波振幅衰減率絕對(duì)值明顯大于上游， 表明潮波在下游所受衰減作用較上游強(qiáng)； 由各河段潮波振幅衰減率隨流量變化的幅度可知， 靠近口門的三灶-燈籠山段隨流量變化的幅度最大， 減小幅度可達(dá)1×10-5， 越往河口上游其變化幅度越小， 表明潮波衰減效應(yīng)增強(qiáng)對(duì)流量增大的響應(yīng)程度逐漸減弱。從自然演變階段與恢復(fù)調(diào)整階段箱線大小來(lái)看， 燈籠山-馬口段箱線大小在恢復(fù)調(diào)整階段明顯減小， 表明強(qiáng)人類活動(dòng)后磨刀門河口潮波振幅衰減率對(duì)流量的響應(yīng)減弱。此外， 甘竹-馬口段潮波振幅衰減率隨流量變化有先減小后上升的特點(diǎn)， 即存在閾值效應(yīng)。自然演變階段在5000—10000m3/s 流量條件時(shí)潮波振幅衰減率達(dá)到最小值(即衰減作用最強(qiáng))， 隨后逐漸上升， 即潮波振幅衰減減弱； 而恢復(fù)調(diào)整階段， 在流量15000—20000m3/s 條件時(shí)潮波振幅衰減率才出現(xiàn)上升， 即受強(qiáng)人類活動(dòng)影響后達(dá)到潮波振幅衰減率閾值所需的流量增大。

圖5 自然演變階段與恢復(fù)調(diào)整階段沿程潮波振幅衰減率隨上游流量的變化關(guān)系 Fig.5 Relationship between tidal damping rate and river discharge in pre- and post-human periods in the Modaomen estuary

圖6 為自然演變階段與恢復(fù)調(diào)整階段季節(jié)平均的月均水位坡度與潮波振幅衰減率的沿程變化?？傮w來(lái)看， 平均水位坡度在夏季最大， 春、秋兩季次之， 冬季最小， 這與流量的季節(jié)性變化基本一致； 平均水位坡度在自然演變階段從下游至上游有逐漸增大趨勢(shì)， 在春、夏、秋三季竹銀站下游河段水位坡度變化不大， 而在竹銀站上游河段水位坡度發(fā)生明顯抬升， 冬季水位坡度沿程上升不明顯； 強(qiáng)人類活動(dòng)影響后的恢復(fù)調(diào)整階段月均水位坡度基本不再出現(xiàn)明顯上升的河段， 從下游至上游坡度逐漸變緩， 僅在夏季甘竹-馬口段有所上升。潮波振幅衰減率絕對(duì)值在下游三灶-燈籠山站最大， 且夏季衰減率明顯大于其他三個(gè)季節(jié)， 表明夏季潮波在口門處所受衰減作用最強(qiáng)； 恢復(fù)調(diào)整階段潮波振幅衰減率絕對(duì)值在三灶-燈籠山、燈籠山-竹銀河段出現(xiàn)明顯減小(表示潮波衰減效應(yīng)減弱)， 但在竹銀以上河段變化較下游小(見(jiàn)表2)， 表明竹銀站以下河段潮波振幅衰減率受強(qiáng)人類活動(dòng)的影響較上游河段大。

表2 是月均水位坡度與潮波振幅衰減率由自然演變階段過(guò)渡到恢復(fù)調(diào)整階段的變化值。由表2 可見(jiàn)， 受強(qiáng)人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)， 月均水位坡度減小幅度在冬季最小， 沿程平均僅減小6.75×10-7； 夏季減小幅度最大， 沿程平均減小幅度達(dá)8.93×10-6； 春、秋兩季減小幅度相似， 沿程平均分別減小4.66×10-6和5.07×10-6， 介于夏、冬之間?；謴?fù)調(diào)整階段潮波振幅衰減率在竹銀-甘竹河段增幅最小(表明衰減效應(yīng)減弱不明顯)， 但增幅在甘竹-馬口河段增大， 衰減率增幅沿程有先減小后增大的特點(diǎn)， 僅夏季和冬季在燈籠山-竹銀段增幅較下游三灶-燈籠山段有所增大。

圖6 自然演變階段與恢復(fù)調(diào)整階段不同季節(jié)平均水位坡度和潮波振幅衰減率的時(shí)空變化 Fig.6 Seasonal changes in monthly average water level slope and tidal damping rate in pre- and post-human periods

表2 自然演變階段與恢復(fù)調(diào)整階段季節(jié)平均水位坡度與潮波振幅衰減率的差值 Tab.2 Seasonal variations in monthly average water level slope and tidal damping rate in pre- and post-human periods

4 強(qiáng)人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下徑潮動(dòng)力的異變機(jī)制分析

通過(guò)上述對(duì)月均水位、潮波振幅及其空間梯度值時(shí)空變化的統(tǒng)計(jì)分析， 可知強(qiáng)人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下磨刀門河口徑潮動(dòng)力有以下基本特征： (1)潮波振幅在三灶站減小， 而在燈籠山-馬口段均有所增大； (2)月均水位普遍減小， 但在冬季竹銀以下河段增大； (3)潮波衰減效應(yīng)減弱， 但隨流量變化的幅度不大； (4)月均水位坡度明顯減小， 且燈籠山-甘竹段月均水位坡度隨流量的變化幅度顯著減小。

磨刀門口門西側(cè)(白藤湖等)的圍填海工程使淺灘明顯淤積， 導(dǎo)致口門三灶站水深變淺， 三灶灣內(nèi)海區(qū)納潮量?jī)H剩約3×106m3， 僅為原來(lái)的1/4(賈良文等， 2007)， 由式(8)可知口門處底床摩擦增大， 潮波振幅衰減增強(qiáng)， 最終使潮差減小。而燈籠山-馬口河段為磨刀門河口的主干道， 受高強(qiáng)度采砂活動(dòng)影響， 加之上游水庫(kù)建設(shè)導(dǎo)致來(lái)沙減少， 底床嚴(yán)重下切， 過(guò)渡階段平均下切量在竹銀-甘竹段高達(dá)1.73m(羅憲林， 2002； Luoet al， 2007)。水位為適應(yīng)底床坡度的改變而下降， 導(dǎo)致磨刀門河道月均水位坡度減小。由式(9)可知月均水位坡度減小等效于減弱潮波沿河口傳播所受的底床摩擦， 導(dǎo)致磨刀門河道的潮波振幅衰減減弱， 潮差明顯增大。同時(shí)， 采砂活動(dòng)和水庫(kù)建設(shè)等強(qiáng)人類活動(dòng)引起的河槽容積增大， 導(dǎo)致月均水位坡度對(duì)徑流的響應(yīng)減弱， 只有在靠近上游的甘竹-馬口段才隨流量發(fā)生明顯變化。可見(jiàn)， 強(qiáng)人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下磨刀門河口底床發(fā)生顯著下切， 月均水位為適應(yīng)底床坡度變化， 月均水位坡度變緩， 潮波振幅衰減效應(yīng)減弱， 最終導(dǎo)致潮動(dòng)力顯著增強(qiáng)。

在強(qiáng)人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下磨刀門河口的徑潮動(dòng)力還具有明顯的季節(jié)性變化。月均水位坡度在夏季明顯大于其他季節(jié)， 這與磨刀門河口流量主要集中在6—8 月有關(guān)。圖6 顯示月均水位坡度在自然演變階段， 向上游沿程基本呈上升趨勢(shì)， 表明越往上游徑流對(duì)潮波傳播的影響越大； 而冬季流量較小， 月均水位抬升微弱， 因此坡度增大不明顯。在強(qiáng)人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下竹銀以上河段底床下切嚴(yán)重， 導(dǎo)致月均水位下降， 月均水位坡度明顯變緩， 僅在流量較大的夏季月均水位坡度才會(huì)有較小的抬升。在冬季， 竹銀站及其下游河段受圍墾及全球海平面上升影響， 月均水位有明顯抬升， 且這種抬升現(xiàn)象在竹銀最明顯， 導(dǎo)致燈籠山-竹銀段月均水位坡度大于自然演變階段， 而在竹銀-甘竹段月均水位坡度則急劇減小(較燈籠山-竹銀段減小57%)。

圖7 自然演變階段與恢復(fù)調(diào)整階段潮波振幅衰減率與月均水位坡度的變化關(guān)系 Fig.7 Relationship between tidal damping rate and monthly average water level slope due to intensive human activities in the Modaomen estuary

另外， 值得注意的是夏季馬口站潮波振幅的年際差異有所減小(圖3)， 這是由于自然演變階段甘竹-馬口站潮波振幅衰減率隨流量的變化存在閾值現(xiàn)象， 即當(dāng)夏季流量超過(guò)閾值后潮波振幅衰減效應(yīng)反而減弱， 潮波振幅隨流量增大的下降幅度反而減小， 導(dǎo)致其潮波振幅年際差異減小。為分析潮波振幅衰減率隨流量產(chǎn)生閾值現(xiàn)象的原因， 做出月均潮波振幅衰減率隨月均水位坡度變化的關(guān)系曲線(圖7)。隨著月均水位坡度的增大， 二次擬合線呈上凹形， 即上游甘竹-馬口河段潮波振幅衰減率先減小后增大(圖7d)。由式(9) 可知， 月均水位坡度與潮波傳播所受的底床摩擦相平衡， 隨著月均水位坡度的增大潮波振幅衰減率應(yīng)減小(即衰減效應(yīng)增強(qiáng))， 但甘竹-馬口段潮波振幅衰減率隨月均水位坡度的增大有先減小后增大的現(xiàn)象。這是由于月均水位增大導(dǎo)致水深增大， 河口的橫截面積亦增大， 雖然潮波傳播所受的底床摩擦隨流量和月均水位坡度的增大而增強(qiáng)， 但橫截面積增大導(dǎo)致的河道輻散效應(yīng)(即從上游至下游橫截面積逐漸減小)有利于徑流勢(shì)能(與月均水位成正比)的匯聚， 使潮波振幅衰減率反而增大， 即衰減效應(yīng)減弱(Caiet al， 2016， 2019)。當(dāng)徑流增大引起的底床摩擦效應(yīng)(增大衰減效應(yīng))與水深增加引起的橫截面積輻散效應(yīng)(減小衰減效應(yīng))相平衡時(shí)， 潮波衰減達(dá)到閾值。隨著流量進(jìn)一步增大， 上游河道橫截面積繼續(xù)增大， 導(dǎo)致橫截面積輻散效應(yīng)強(qiáng)于徑流增大引起的底床摩擦效應(yīng)， 潮波振幅衰減率的絕對(duì)值反而減小(表明潮波衰減效應(yīng)減弱)， 潮波振幅下降幅度減小。由圖7 可見(jiàn)， 潮波振幅衰減的閾值現(xiàn)象在上游甘竹-馬口河段最為明顯， 竹銀-甘竹段現(xiàn)象較弱， 而竹銀以下河段基本無(wú)閾值現(xiàn)象。另外， 由不同季節(jié)的散點(diǎn)可知閾值現(xiàn)象主要出現(xiàn)在春夏秋三季， 冬季(藍(lán)色散點(diǎn))流量較小導(dǎo)致月均水位坡度較小， 潮波振幅衰減難以達(dá)到閾值。此外， 圖7d 顯示甘竹-馬口段在恢復(fù)調(diào)整階段潮波振幅衰減率達(dá)到閾值所對(duì)應(yīng)的月均水位坡度有所增大， 即所需閾值流量增大， 主要原因在于受強(qiáng)人類活動(dòng)(特別是河道采砂)影響磨刀門河口的河槽容積增大， 需要更大的流量條件才能達(dá)到潮波振幅衰減率的閾值。

5 結(jié)論和討論

5.1 結(jié)論

本文基于珠江磨刀門河口沿程5 個(gè)潮位站(水文站)1960—2016 年的月均潮位數(shù)據(jù)以及馬口站月均流量數(shù)據(jù)， 對(duì)河口的月均水位、潮波振幅、月均水位坡度及潮波振幅衰減率的時(shí)空變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 揭示強(qiáng)人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下磨刀門河口徑潮動(dòng)力的季節(jié)性異變過(guò)程， 并進(jìn)行初步的機(jī)制探討， 得到以下主要結(jié)論：

(1) 由流量-月均水位坡度及流量-潮波振幅衰減率絕對(duì)值的雙累積曲線可知， 受強(qiáng)人類活動(dòng)影響， 磨刀門河口月均水位坡度及潮波振幅衰減率絕對(duì)值隨流量變化的趨勢(shì)在1990 年與2000 年發(fā)生明顯變化， 據(jù)此判定1990 年和2000 年為磨刀門河口徑潮動(dòng)力受強(qiáng)人類活動(dòng)影響發(fā)生異變的年份。

(2) 受高強(qiáng)度采砂導(dǎo)致的河床下切及上游水庫(kù)截流導(dǎo)致的來(lái)沙減少影響， 強(qiáng)人類活動(dòng)影響前后磨刀門河口總體月均水位及月均水位坡度在夏季差異最大(沿程平均值分別減小0.53m 和8.93×10-6)， 冬季受影響最小。而月均水位坡度主要與潮波傳播所受的有效摩擦相平衡， 其顯著減小導(dǎo)致磨刀門河口潮波振幅衰減效應(yīng)在夏季也有較明顯的減弱。

(3) 在人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下磨刀門河口徑潮動(dòng)力相互作用具有明顯的季節(jié)性差異。僅在夏季大流量下泄條件下， 月均水位坡度在上游甘竹-馬口段出現(xiàn)明顯抬升； 而冬季流量輸入較少條件下， 竹銀站以下河段月均水位受口門圍墾作用及全球海平面上升影響略有抬升， 進(jìn)而導(dǎo)致竹銀-甘竹段月均水位坡度明顯減小(較燈籠山-竹銀段減小57%)。

(4) 流量增大導(dǎo)致月均水位坡度及月均水位隨之增大， 因此， 隨著流量增大潮波振幅衰減率絕對(duì)值增大(表示衰減作用增強(qiáng))。但當(dāng)流量超過(guò)一定閾值時(shí)， 月均水位坡度引起的底床摩擦增大效應(yīng)不足以抵消因水深增大而引起的橫截面積輻散效應(yīng)， 潮波衰減效應(yīng)反而減弱。

5.2 討論

本文將磨刀門河口作為一個(gè)整體系統(tǒng)， 上邊界為上游馬口站的流量， 下邊界為口門三灶站的潮位， 探討磨刀門河口在地形邊界和動(dòng)力邊界改變情況下徑潮動(dòng)力的季節(jié)性異變特征。由于珠江河網(wǎng)系統(tǒng)縱橫河道交錯(cuò)發(fā)展， 西江流量從馬口站輸入后在天河、南華等位置經(jīng)歷多次分流， 馬口流量對(duì)不同河段的影響程度不同， 分汊河道的作用及其對(duì)磨刀門河口徑潮動(dòng)力的季節(jié)性演變影響將在后續(xù)解析與數(shù)值模型研究中進(jìn)一步深入探討。