珠江三角洲頂點思賢滘分流自適應(yīng)調(diào)節(jié)機制

袁 菲，陳文龍，胡曉張，盧 陳，高時友，黃鵬飛

(1. 珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611；2. 水利部珠江河口治理與保護重點實驗室，廣東 廣州 510611)

分汊河道在三角洲河網(wǎng)區(qū)是一種常見的河流平面形態(tài)，分流比是分汊河道的一個重要參數(shù)，其大小和變化決定河網(wǎng)區(qū)各支汊的興衰[1-2]，影響航道變遷、防洪情勢、環(huán)境生態(tài)等諸多方面[3-4]，開展自然與人類活動作用下的汊道分流機制研究具有重要的理論意義和實踐價值。天然情況下，影響汊道分流的因素很多，如分流角[5]、分流口形狀[6]、各汊道的地形變化[7]和來水來沙條件[8]；人類活動干擾下的地形下切被證明對汊道分流有至關(guān)重要的影響[9-10]；感潮河道內(nèi)的潮波運動也是汊道分流的影響因素之一[11-12]。河道水流分配正是諸多因素間相互影響、相互調(diào)整結(jié)果的綜合反映。

在珠江三角洲一級分流節(jié)點思賢滘，幾十甚至上百年來都維持著穩(wěn)定的X形汊口格局，受上游洪水、外海潮汐、平面形態(tài)、河床地形及地質(zhì)等多因素的相互作用，思賢滘分流存在動態(tài)調(diào)整，并在一定程度上調(diào)控著下游河網(wǎng)動力及地貌演變[13-14]。目前，學者們對思賢滘分流的研究主要集中于分流年際變化特征，楊清書等[15]發(fā)現(xiàn)思賢滘的分水分沙格局自1993年后發(fā)生了重大變化，三水站分流分沙比顯著增大；張靈等[16]認為水沙變異時間在1992年前后，并討論了其負面影響，認為北江分流加大會導致三角洲腹地水位抬升。部分學者探討了汊口地形變化對分流的影響，劉幼萍[17]對水文、地形成果分析，發(fā)現(xiàn)河床形態(tài)的重大變化導致西、北江分流比由1959—1989年的85∶15變?yōu)?989—2017年的80∶20；陳小齊等[18]分析認為21世紀以來西江地形下切幅度大于北江，地形不均勻下切導致西江分流增加2%。王博芝等[19]提出思賢滘分流還受余水位坡度、潮波衰減率等徑潮動力的調(diào)節(jié)作用。由此可見，對于思賢滘分流規(guī)律及其變化原因的探討目前還以定性分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計研究為主，對思賢滘分流比影響因素的認識仍不系統(tǒng)，對分流機制的研究及理論的探討還較為匱乏，思賢滘作為珠江三角洲“牽一發(fā)而動全身”的關(guān)鍵節(jié)點，其分流規(guī)律及機制還需要進一步研究。

珠江三角洲不僅徑潮動力復雜，且思賢滘形態(tài)為罕見的X形交叉口，進一步加大了問題的復雜性。本文結(jié)合資料分析、物理模型、數(shù)學模型及理論分析等方法，分析思賢滘分流的自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律，探討X形潮汐汊口的分流機制，豐富感潮型分汊河道的分流理論研究，研究成果以期為河口三角洲的防洪、供水安全及水生態(tài)環(huán)境保護提供理論指導與決策建議。

1 研究區(qū)域概況

珠江三角洲形態(tài)呈“三江匯流，八口出海”格局(圖1)。其中，“三江”分別為西江、北江和東江，西江、北江于廣東省三水思賢滘相匯后注入西北江三角洲，東江于東莞市石龍鎮(zhèn)匯入東江三角洲。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

西江和北江是珠江的兩大重要水系，思賢滘為兩江相連之處，是珠江三角洲上溝通西、北兩江的第一條汊道。西、北江來流在此經(jīng)過重新分配后折頭南下，隨后經(jīng)河網(wǎng)各級支汊，通過八大口門入海。馬口、三水水文站分別位于思賢滘西、東汊口，是西、北江下游的主要控制站。在平面上，思賢滘區(qū)呈X形，并且在幾十上百年來維持著穩(wěn)定的X形主支汊地貌形態(tài)格局。

2 資料收集與研究方法

2.1 資料收集

本文收集思賢滘區(qū)1999年、2005年和2020年3套地形數(shù)據(jù)，資料來自中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司提供的水下地形測量成果；收集馬口、三水斷面20世紀60年代以來共7套斷面地形數(shù)據(jù)，資料來自珠江水利委員會歷次水文測驗的實測大斷面成果；收集馬口、三水站1959—2017年逐日流量數(shù)據(jù)，馬口、燈籠山、三水、馮馬廟站年平均水位特征值，數(shù)據(jù)來自《珠江流域水文資料》年鑒；收集珠江流域2005年6月及2006年7月洪水期水文資料，數(shù)據(jù)來自珠江水利委員會提供的特大洪水水文測驗成果。

2.2 研究方法

2.2.1數(shù)學模型

建立包含珠江河網(wǎng)區(qū)及河口灣區(qū)的潮流數(shù)學模型(圖2(a))，模型的計算范圍是112°12′E—114°54′E，21°12′N—24°48′N。模型有5條上游開邊界，分別是潭江的石咀、西江的高要、北江的石角、溪流河的老鴉崗和東江的博羅，外海開邊界為45 m等深線處。模型采用1999年地形成果，采用1998年6月典型洪水期的珠江河網(wǎng)區(qū)同步水文測驗資料進行驗證，主要驗證三角洲河網(wǎng)區(qū)的水位及馬口、三水流量，計算誤差在10%以內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)程要求。

圖2 思賢滘數(shù)學模型網(wǎng)格及物理模型研究范圍與布局Fig.2 Sixianjiao mathematical model grid and research scope and layout of physical model

2.2.2物理模型

思賢滘局部物理模型上游邊界取自西、北江彎道上游的順直段(圖2(b))，距離思賢滘約6 km；下游邊界分別位于距馬口站4.8 km、三水站8 km的順直段，原型南北長約17 km，東西寬約16 km。物理模型的平面比尺為300，垂直比尺為100，變率為3。模型下邊界通過H—Q(水位—流量)關(guān)系控制，采用溢流堰確定H—Q關(guān)系使之與原型基本一致。工程后的流量變化則通過量水堰直接測得。采用2020年6月小洪水進行模型率定，采用2005年6月大洪水進行模型驗證，主要驗證馬口、三水站水位及流量。

3 思賢滘地形演變特征

思賢滘全長約1.5 km，平均河寬250 m。滘區(qū)在平面上呈X形，西滘口跟西江干流相通，北滘口跟北江干流相接，西滘口南岸是陡直的巖質(zhì)山體，其上游約500 m沙洲為琴沙，北滘口上游沙洲為老鴉沙。1999—2020年，思賢滘區(qū)河道大體呈現(xiàn)灘淤槽沖特征。其中，1999—2005年，思賢滘區(qū)西江側(cè)以沖刷為主，容積增加0.07億m3，增幅為3%，主槽最大下切超過20 m；北江側(cè)河道相對平衡(表1，圖3(a))。2005—2020年，思賢滘區(qū)西江側(cè)總體由沖轉(zhuǎn)淤，容積減少0.33億m3，減幅為16%，灘槽分化顯著，邊灘強烈淤積，淤高超過5 m，沖刷主要發(fā)生在局部深槽；北江側(cè)容積減少0.13億m3，減幅為15%(表1，圖3(b))。分析范圍向下游擴展，西江下游馬口至天河段總體持續(xù)沖刷，北江三水至三善滘段由沖轉(zhuǎn)淤(表1)?？紤]當前上游來沙趨于減少，思賢滘區(qū)的馬口及三水斷面河床相對穩(wěn)定(圖4)，預計未來思賢滘下游及三角洲河道河床較為穩(wěn)定，滘區(qū)地形格局不會出現(xiàn)大的變化。

表1 思賢滘區(qū)及下游河段容積及其變化Table 1 Volume and change of Sixianjiao area and its downstream reaches

圖3 思賢滘區(qū)河道地形沖淤演變Fig.3 Evolution of the terrain near Sixianjiao

圖4 思賢滘區(qū)馬口、三水斷面地形變化Fig.4 Terrain change of Makou and Sanshui sections near Sixianjiao

4 思賢滘分流自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律

4.1 歷史分流規(guī)律

2 000多年前思賢滘附近是洲島眾多的汊河區(qū)，西江直流過滘，隨著北江東遷及三角洲的推進發(fā)展，元明時期，思賢滘形成西、北江分流(西江過北江)格局；清朝，圍堤修筑加速滘區(qū)變窄，發(fā)育曲流彎道，思賢滘成為分流天然調(diào)節(jié)器，水流以西江過北江為主，同時洪水也可以反過西江[20]；民國以來，由于北江河床增高快，過西江水量日增，形成了北江“強支奪干”的形勢；20世紀50年代，年均北江水量入西江為22%，枯水季則達70%～80%。從思賢滘過滘水流的變化可以推斷，其分流形勢的調(diào)整與河床的沖淤變化密切相關(guān)。

4.2 近期分流變化

20世紀60—90年代，思賢滘水流以北江過西江為主，洪季少部分時間為西江過北江。20世紀80年代以來，三角洲采砂活動頻繁，思賢滘分流比不斷調(diào)整。20世紀80年代至1993年，三角洲采砂主要發(fā)生在北江片區(qū)，北江三水分流比增大，西江馬口分流比驟降，西江過北江流量增大；1993—2005年，西江采砂幅度大于北江，分流逐漸向西江增加；2005年以后，三角洲全面禁采，西、北江河床相對穩(wěn)定，洪水分流比基本保持在78%左右(圖5)。

圖5 馬口洪季、枯季及全年分流比的年際變化Fig.5 Inter-annual change of the flood season，dry season and annual diversion ratio of Makou

4.3 分流自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律

采用馬口及三水水文站逐日流量資料分析思賢滘的分流特征，見圖6，上游來流量越大，三水的分流比越大；當流量達到一定閾值時，分流比趨于穩(wěn)定，大洪水時三水分流比穩(wěn)定在25%左右，西江馬口與北江三水流量比大致為3∶1。對比20世紀90年代前與2000年后三水的分流比，地形不均勻下切致使在同等來流條件下，三水分流比增大(圖6(d))?？菟谒假t滘水流受到潮汐頂托作用影響，無明顯規(guī)律。

圖6 各年代思賢滘日均流量與三水分流比關(guān)系Fig.6 Relationship between the daily flow in the Sixianjiao channel and the diversion ratio at Sanshui over the years

采用物理模型研究思賢滘的分流規(guī)律，模型試驗結(jié)果表明(圖7)：① 2006年7月，北江洪水為主的試驗(代號“067”)中，思賢滘上游西、北江來流比隨時間不斷變化，但下游分流比趨于穩(wěn)定。分流前，西、北江流量比范圍為1.2～7；分流后，馬口和三水流量比總體穩(wěn)定在3∶1。② 2005年6月，西江洪水為主的試驗(代號“056”)中，洪峰時刻，思賢滘水流為西向北(圖8)。2006年7月，北江洪水為主的試驗中，洪峰時刻，思賢滘水流為北向西。③ 當西江洪水大于北江洪水3倍以上時，思賢滘水流為西江過北江；當西江洪水小于北江洪水3倍時，則為北江過西江。由此可見，思賢滘是一個天然的洪水調(diào)節(jié)器，具有穩(wěn)定西、北江洪水分流比的作用。

圖7 物理模型試驗中“067”洪水思賢滘分流情況Fig.7 Results of a physical model experiment on the Sixianjiao diversion during the typical “067” flood

5 思賢滘分流自適應(yīng)調(diào)節(jié)機制

5.1 思賢滘下游地形影響

根據(jù)流量關(guān)系Q=Av，其中，Q為流量，A為過水斷面面積，v為斷面平均流速。對于受兩岸堤防約束的河道，其斷面往往呈不規(guī)則“U”型形態(tài)，斷面的上部水面寬趨近于常數(shù)，水位—面積關(guān)系曲線近于直線。當水位變化dZ時，面積相應(yīng)變化dA，水位—面積關(guān)系曲線的斜率與河寬(B)之間有如下關(guān)系：dA/dZ=B。對兩邊同時積分可得，A=BZ+a，其中，a為堤防以下不規(guī)則的河床斷面面積，BZ為由堤防約束的規(guī)則矩形面積，其物理意義可理解為：斷面過水面積由堤防上、下2部分斷面面積組成。西江與北江的平均過水斷面面積之比則表示為

(1)

式中：下標xj、bj分別表示西江、北江。

圖9 西、北江斷面面積比隨水位變化Fig.9 Ratio of section area between Xijiang and Beijiang rivers with the water level

(2)

采用思賢滘下游30 km河段的多套地形資料驗證兩江過水斷面面積之比，結(jié)果表明，隨著水位的升高，西、北江平均過水斷面面積之比不斷減小，且水位越高減幅越小，比值趨向于穩(wěn)定(表2及圖9)。

表2 思賢滘下游西、北江河段斷面面積比Table 2 Ratio of the crossing section area of the Xijiang and Beijiang rivers at the downstream of Sixianjiao

表3 頻率洪水水面線下的西、北江地形參數(shù)及流量之比Table 3 Topographic parameters of the Xijiang and Beijiang rivers and their flow ratios for water levels corresponding to different flood frequencies

(3)

考慮流速變化后，思賢滘下游15 km內(nèi)，西、北兩江計算流量之比趨近于3∶1，與分流規(guī)律一致；思賢滘下游30 km，西、北兩江流量之比趨近于3.5∶1，這是由于北江下游15～30 km之間紫洞水文站附近的支汊分流，導致兩江流量比值變化。

綜上可知，天然條件下，思賢滘下游地形是分流自適應(yīng)調(diào)節(jié)的決定性因素，其中，西、北江過水斷面面積之比是控制分流比的關(guān)鍵地形參數(shù)，水深對分流比有小幅修正作用。

思賢滘下游的西、北江干流至入海口河道總長分別約為145、90 km，且河道沿程多汊道分流，因此有必要進一步研究影響兩江分流的關(guān)鍵河段。根據(jù)數(shù)學模型對下游不同河段河床變化后的分流效果進行計算，見表4，分別對思賢滘下游2.5、7、15、30及60 km河段河床進行改造，結(jié)果表明，越往下游，地形變化對分流影響越小，思賢滘下游局部河段(大約7 km左右)是控制兩江分流比的節(jié)點性河段。

表4 思賢滘下游北江不同河段回填5 m后和西江不同河段下切5 m分流變化Table 4 Changes in flow diversion under different engineering conditions in the river sections downstream of Sixianjiao：a 5 m backfill in different sections of the Beijiang River versus a 5 m incision in the different sections of the Xijiang River

5.2 思賢滘下游變動回水影響

枯水時，思賢滘分流受到下游漲潮動力影響無明顯規(guī)律，可以歸結(jié)為下游變動回水的影響。引起變動回水的原因包括：下游水庫、湖泊和海洋等水體水位的變化引起的頂托；干流受下游支流漲水的頂托；下游渠道閘門的啟閉；下游河道壅水或植被阻力等。受變動回水影響的水流可認為屬于穩(wěn)定漸變流，因為下游水量的變化一般是緩變的，下游回水的頂托引起的比降變化亦是緩變的，因此，受變動回水影響時的流量與各水力因素間的關(guān)系可用曼寧公式表示，即

(4)

式中：下標1、2分別表示下游發(fā)生變動回水前、后的情況；n為糙率。表明受變動回水影響，下游水體變化引起的水力坡降變化導致河道過流量發(fā)生變化，進而影響西、北兩江分流比。

基于物理模型，控制西江、北江來流量和來流比不變，通過改變下游邊界水位的方法，分別設(shè)置3組工況，模擬下游變動回水對思賢滘分流的影響(表5)。為研究西江下游變動回水影響，采用西江為主洪水進行模擬，上游邊界為西江100年一遇遭遇北江5年一遇流量，下邊界采用插板法壅高水位，見表5。試驗表明，西江馬口下游水位壅高后，西、北兩江流量之比發(fā)生變化，但變幅較小，馬口水位抬升1 m，三水水位相應(yīng)抬升0.9 m，兩江流量之比由3.1降至2.7。為研究北江下游變動回水影響，采用北江為主洪水進行模擬，上游邊界為西江5年一遇遭遇北江100年一遇流量，下邊界采用插板法壅高水位，見表5。試驗表明，北江三水下游水位壅高后，西、北兩江流量之比發(fā)生顯著變化，三水水位抬升1 m，馬口水位相應(yīng)抬升0.5 m，兩江流量之比由3.4升至5.3。綜上可知，西、北兩江下游變動回水均會導致思賢滘分流的變化，但思賢滘分流對北江下游水位變化更為敏感。由此也可推斷，枯季珠江口潮汐上溯動力強，思賢滘下游受潮水頂托影響，不同徑潮動力組合作用下的水面比降變化是枯季分流比紊亂的主要原因。

表5 思賢滘下游馬口和三水水位變化后的分流情況Table 5 Diversion after the change of Makou and Sanshui water level in the downstream of Sixianjiao

5.3 思賢滘分流計算

ηxj=Qxj/(Qxj+Qbj)

(5)

(6)

選取思賢滘下游兩江關(guān)鍵河段的馬口、三水斷面為計算斷面，以水下地形為依據(jù)，計算其過水面積、平均水深及水力坡降(表6)，根據(jù)收集地形資料情況，采用分流比公式(6)分別計算1965年、1974年、1999年、2000年、2005年、2007年及2017年馬口年均分流比，在思賢滘附近，馬口、三水斷面均為沙質(zhì)河床，式(6)中兩汊糙率雖有差別，但與過水面積、水深等相比，其差別要小得多，對分流比應(yīng)不致有大的影響，因此取思賢滘兩汊糙率之比為1。將計算結(jié)果與馬口水文站實測年均分流比進行對比，見圖10。僅考慮地形的影響時，計算值與實際值誤差達到6%；同時考慮水力坡降影響時，計算值與實際值誤差基本在1%以內(nèi)(計算地形采用歷年馬口、三水實測大斷面地形，水力坡降根據(jù)水文年鑒中的年平均潮位計算)。

表6 思賢滘分流比計算參數(shù)Table 6 Calculation parameters of the Sixianjiao diversion ratio

圖10 馬口分流比實際值與計算值對比Fig.10 Comparison between the actual value and the calculated value of the diversion ratio of Makou

根據(jù)分流比計算公式，思賢滘X形汊口分流比受兩汊河段的水深、過水面積、糙率及水力坡降控制，而河段水力坡降由上游流量、下游海平面、汊道河床變化共同影響?？紤]水力坡降與不考慮水力坡降2種情況下，分流比的計算誤差在4%以內(nèi)，因此可以認為，當上下游水文邊界條件不發(fā)生明顯變化時，兩汊河床變化是三水、馬口分流比調(diào)整的主要原因；當受漲潮動力或建閘等水利工程產(chǎn)生變動回水影響時，水力坡降對分流也產(chǎn)生重要影響。

5.4 討論

思賢滘分流從年際變化來看，20世紀90年代前，馬口分流比枯季為89.4%～93.1%，洪季為83.9%～85.3%；20世紀90年代后，馬口分流比枯季為80.7%～85.2%，洪季為76.8%～78.0%。枯季馬口分流比始終大于洪季，這是由于汊口分流與過水斷面面積有關(guān)，流量越小，兩江斷面面積之比越大，馬口分流越多。21世紀以來，洪季馬口分流比受地形變化影響有小幅回升趨勢，但枯季馬口分流比卻無明顯回升，甚至有下降趨勢，枯季汊口漲潮動力較強，潮動力頂托對分流產(chǎn)生變動回水影響，考慮近年來西江干流水道地形不斷下切，枯季馬口附近漲潮動力增強，由潮動力增強引起馬口向三水分流增多，與地形引起的馬口分流回升相互制衡，枯季分流比未出現(xiàn)顯著回升趨勢。綜上分析，得到思賢滘“洪季兩汊河床控制，枯季潮汐均衡”的分流認識，潮動力的變化使思賢滘汊口洪季與枯季分流比變化趨勢出現(xiàn)差異，但究其根本還是由于河網(wǎng)汊道不均勻下切造成的。

6 結(jié) 論

本文采用物理模型、數(shù)學模型、原型資料分析和理論分析等方法，依據(jù)20世紀60年代以來思賢滘區(qū)水文地形資料，分析了珠江三角洲頂點思賢滘的分流自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律，探討了這種X形汊口的分流機制，主要結(jié)論如下：

(1) 思賢滘是一個天然的洪水調(diào)節(jié)器，具有穩(wěn)定西、北江洪水分流比的作用。它的分流自適應(yīng)調(diào)整規(guī)律表現(xiàn)為：洪水越大，西江馬口與北江三水流量之比越穩(wěn)定，穩(wěn)定值大致為3∶1左右；枯水期受潮汐影響，規(guī)律性不強。

(2) 天然條件下，思賢滘下游地形是分流自適應(yīng)調(diào)整的決定性因素。其中，西、北江過水斷面面積之比是控制分流比的關(guān)鍵地形參數(shù)，河道河寬受兩岸堤防約束，隨著流量加大，西、北兩江過水斷面面積之比趨近于兩江河寬之比，致使洪水期兩江流量之比趨于定值。思賢滘下游7 km河段是控制兩江分流比的節(jié)點河段。思賢滘下游水體變化引起水力坡降變化時，思賢滘分流相應(yīng)改變，這種變化可認為是下游變動回水對分流的影響，思賢滘分流對北江下游水體變化更為敏感。

(3) 未來思賢滘的治理與保護應(yīng)遵循自然規(guī)律，保護河流生態(tài)系統(tǒng)，順應(yīng)地形演變趨勢進行地形微改造，充分挖潛思賢滘的天然調(diào)節(jié)功能，驅(qū)使分流自動適應(yīng)地形變化，達到調(diào)控目標。