2002-2020年深圳灣河床沖淤特性及驅(qū)動(dòng)機(jī)制

關(guān)鍵詞：沖淤變化；淤積模式；年際地形；影響因素；深圳灣

城市化河口海灣是區(qū)域經(jīng)濟(jì)的核心地帶，在城市發(fā)展中占據(jù)了顯著地位（如舊金山灣、杭州灣、深圳灣）。受海洋與陸地的雙重作用，以及人類活動(dòng)的影響，海灣形態(tài)不斷調(diào)整，海灣動(dòng)力條件、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和功能與形態(tài)發(fā)展密切相關(guān)[1-2]，明確海灣沖淤變化規(guī)律與演變模式對(duì)理解河口海灣物理和生態(tài)環(huán)境變化具有重要意義，也是海灣管理不可或缺的一部分。

海灣地貌特征是水流條件、泥沙輸運(yùn)與形態(tài)演變的綜合表現(xiàn)，海灣作為人類活動(dòng)的重要載體，開(kāi)發(fā)與治理的矛盾最為顯著，一直以來(lái)是研究的焦點(diǎn)[1，3]。眾多學(xué)者采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬、理論解析等方式[4-6]，從動(dòng)力特征、沖淤變化、動(dòng)態(tài)平衡以及主導(dǎo)因素等方面[7-10]闡述海灣演變機(jī)理。國(guó)內(nèi)海灣眾多，張敏等[11]分析了岸線圍墾對(duì)欽州灣地形演變的影響；Guo等[12]基于杭州灣金山深槽數(shù)據(jù)研究表明微地形發(fā)展演變對(duì)河床變化趨勢(shì)具有指示性；候慶志等[13]研究表明納潮量是維持泉州灣灘槽穩(wěn)定的重要指標(biāo)。然而，由于區(qū)域與動(dòng)力條件的復(fù)雜性，不同海灣演變特征存在差異。

深圳灣是深圳與香港的跨界海灣，在區(qū)域海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位。早期深圳灣經(jīng)歷了大規(guī)模圍填海過(guò)程，近年隨著海岸保護(hù)政策的實(shí)施，深圳灣岸線得到穩(wěn)固，地形變化成為深圳灣形態(tài)演變的主要過(guò)程[14-15]。現(xiàn)有研究主要關(guān)注深圳灣生態(tài)環(huán)境[16-18]、潮流特征[19-20]，盡管部分學(xué)者基于沉積物采樣[21]、數(shù)值模擬[7]等方式對(duì)深圳灣地形變化與泥沙運(yùn)輸驅(qū)動(dòng)因子開(kāi)展研究，提出了潮汐帶與河流帶的環(huán)流模式[7]。然而深圳灣范圍大，地形數(shù)據(jù)缺乏，以往研究范圍與時(shí)間尺度難以揭示深圳灣的沖淤演變過(guò)程，尤其是年際沖淤變化趨勢(shì)。大范圍、長(zhǎng)序列的水深數(shù)據(jù)是研究年際/年代際時(shí)間尺度上地形演變的有效方式[8，22-23]。

本文基于2002—2020年深圳灣地形數(shù)據(jù)，開(kāi)展深圳灣沖淤演變規(guī)律研究，探討泥沙淤積模式，識(shí)別沖淤變化關(guān)鍵影響因子，為河灣治理規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)域概況

深圳灣為伶仃洋東側(cè)半封閉式海灣，具有寬淺的形態(tài)特征，水域面積約90.8km2。以深圳灣大橋?yàn)榻绶譃閮?nèi)、外灣，水深由外至內(nèi)逐漸變淺，內(nèi)、外灣平均水深分別約2、5m。灣頂淺灘-深槽交替分布，具有河口三角洲形態(tài)特征，以深圳河為主的上游淡水通過(guò)“S”型南槽匯入內(nèi)灣，南槽既是深圳河的主要泄洪通道，也是主要航行通道；北側(cè)為深圳河次級(jí)深槽（北槽），水深較淺，在低潮位露出水面，形態(tài)微彎，向西南延伸至內(nèi)灣?1m高程；東南側(cè)有元朗河匯入，其深槽與南槽在“S”頂點(diǎn)交匯，形成兩槽三灘格局（圖1）。

深圳灣屬于潮控型淺水海灣，灣外赤灣站平均潮差為1.41m，灣內(nèi)尖鼻咀站（距離深圳河口約4.7km）平均潮差為1.37m，潮流呈西南—東北走向，表現(xiàn)出往復(fù)流性質(zhì)[24]。由于珠江口島嶼的遮蔽作用，深圳灣受遠(yuǎn)海涌浪影響較小，僅在極端天氣下波浪較強(qiáng)，如臺(tái)風(fēng)“山竹”（1822）期間蛇口觀測(cè)有效波高為1.5m[25]。深圳灣底床以淤泥和細(xì)沙為主，局部有較粗的砂、礫質(zhì)，含沙量從灣口向?yàn)稠斣黾樱鶕?jù)珠江水利委員會(huì)2012年6月水文測(cè)驗(yàn)結(jié)果（表1），測(cè)點(diǎn)S1—S4、V1—V3（圖1）的床沙中值粒徑為0.012～0.032mm。

2研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1研究方法

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EmpiricalOrthogonalFunction，EOF）常用于海洋、氣象以及沉積等領(lǐng)域的時(shí)空過(guò)程統(tǒng)計(jì)分析，EOF將復(fù)雜物理過(guò)程分解為空間和時(shí)間的線性組合，即特征向量（空間特征函數(shù)）與特征權(quán)重（時(shí)間特征函數(shù)），每對(duì)時(shí)空特征函數(shù)代表原始數(shù)據(jù)的獨(dú)立模式。因此，該方式可以有效提取地形演變的空間特征及其時(shí)變過(guò)程，EOF已成功應(yīng)用于長(zhǎng)江口[22]、南灣海灘[26]的地形演變分析，相關(guān)求解流程參考文獻(xiàn)[26]。

2.2數(shù)據(jù)來(lái)源

（1）地形數(shù)據(jù)。包括2002—2020年內(nèi)灣1∶5000高程數(shù)據(jù)、2008—2020年外灣1∶10000高程數(shù)據(jù)，水下高程測(cè)量采用GNSSRTK+測(cè)深儀+數(shù)字測(cè)圖系統(tǒng)軟件，為了保障灣頂灘涂高程精度，在低潮位時(shí)采用三維激光掃描儀進(jìn)行地形掃描。由于高程數(shù)據(jù)點(diǎn)位存在位置差異，本文采用克里金方法將原始數(shù)據(jù)插值到10m×10m的網(wǎng)格上。

（2）水文氣象數(shù)據(jù)。包括深圳河口站2006—2020年實(shí)測(cè)懸沙質(zhì)量濃度、潮位、潮量等，其中懸沙質(zhì)量濃度采用OBS-3A濁度儀測(cè)量，潮流量通過(guò)水位—面積關(guān)系與實(shí)測(cè)流速值計(jì)算得到，氣象數(shù)據(jù)來(lái)自CMA熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集（https：//tcdata.typhoon.org.cn/zjljsjj.html）。

3結(jié)果及分析

3.1內(nèi)灣地形演變分析

內(nèi)灣歷年高程如圖2所示，深圳河口呈現(xiàn)兩槽三灘分布，灘槽格局明顯，其中北槽與南槽為深圳河的入灣通道，三灘主要為北槽上側(cè)的北部淺灘、北槽與南槽之間的中部淺灘、元朗河與南槽右側(cè)的南部淺灘，淺灘與深槽交錯(cuò)分布。

內(nèi)灣沖淤演變以淺灘、深槽-淺灘界面區(qū)域以及西部深水區(qū)域?yàn)橹?，具體表現(xiàn)為：①北部淺灘與中部淺灘的合并與分割，即北槽沖淤的循環(huán)交替，2002—2006年的持續(xù)淤積導(dǎo)致北槽消失（圖2（a）—圖2（b）），2008年沖刷重新形成（圖2（c）），再到2013年的淤積消失與2015年的沖刷形成（圖2（d）—圖2（f））。②東南側(cè)尖鼻咀淺灘沖淤變化顯著，整體上由2002—2006年的持續(xù)淤積（圖2（a）—圖2（b））轉(zhuǎn)變?yōu)?008—2013年（圖2（c）—圖2（d））的沖刷，再到2015—2018年（圖2（e）—圖2（f））的淤積。③東角頭深水區(qū)域的持續(xù)淤積，高程由2002年的?5.8m淤淺為2018年的?4.0m。④深槽-淺灘界面區(qū)域淤積明顯，主要分布在南槽下游直線段兩側(cè)，高程約為?1.5m。

為了獲得內(nèi)灣地形演變的綜合視圖，繪制2002年與2020年內(nèi)灣高程—面積累計(jì)曲線與地形差值分布（圖3）。高程—面積累計(jì)曲線代表區(qū)域高程與面積的結(jié)構(gòu)組成，以往研究表明曲線的凹、凸形狀分別與波浪優(yōu)勢(shì)（小潮差、長(zhǎng)期侵蝕與強(qiáng)波浪活動(dòng)）和潮汐優(yōu)勢(shì)（大潮差、長(zhǎng)期淤積與弱波浪活動(dòng)）有關(guān)[27-28]，圖3（a）表明內(nèi)灣高程—面積累計(jì)曲線為凸形，具有長(zhǎng)期淤積與弱波浪的特點(diǎn)；歷年累計(jì)沖淤變化量也有相同的結(jié)論（圖4），內(nèi)灣整體呈現(xiàn)淤積態(tài)勢(shì)，年均淤積量為67.54萬(wàn)m3，年平均淤積厚度為1.5cm。

對(duì)比圖3（a）中2020年與2002年高程—面積累計(jì)曲線可知，內(nèi)灣淤積主要集中在?1.3～0.5m的淺灘、?1.8～3m的深槽以及高程小于?3.5m的深水區(qū)，高程變化表現(xiàn)出與其高度一致的沖淤分布特征（圖3（b））；從圖3（b）可知，內(nèi)灣淤積主要集中在北槽、南槽兩側(cè)以及東角頭水深較大位置，與圖3（a）中淺灘、深槽與局部深水區(qū)域相對(duì)應(yīng)。此外，南槽上游彎曲段兩側(cè)呈現(xiàn)凹沖凸淤的沖淤模式，表明深槽存在較強(qiáng)的橫向環(huán)流。

圖5為EOF前3個(gè)特征向量的空間分布和特征權(quán)重的時(shí)間序列結(jié)果，前3個(gè)特征函數(shù)方差占比累計(jì)為62.89%，代表內(nèi)灣的主要沖淤模式。需要進(jìn)一步說(shuō)明的是深圳灣地形演變影響因素眾多，方差貢獻(xiàn)占比較小的模態(tài)多（小于6%的模態(tài)占比總和為30%），為了降低分析難度，抓住主要模式，本文僅分析占比較大、綜合占比達(dá)到60%的前3個(gè)模態(tài)。

模態(tài)1代表內(nèi)灣主要沖淤模式，南槽下游直線段、彎曲段兩側(cè)以及東角頭淺灘為地形演變的重點(diǎn)區(qū)域（圖5（a））。南槽彎曲段兩側(cè)特征向量呈“+、?”分布，具有相反的演變特征，結(jié)合圖3（b）彎曲段北側(cè)淤積、南側(cè)沖刷結(jié)果可知：模態(tài)1代表以深水區(qū)、深槽-淺灘界面區(qū)域以及南槽彎曲段右側(cè)區(qū)域?yàn)橹鞯挠俜e模式。模態(tài)1特征權(quán)重不斷增加（圖5（d）），2016年到達(dá)峰值后減少，表明以深槽-淺灘界面、深水區(qū)為主的淤積模式逐漸減弱并趨于穩(wěn)定。

模態(tài)2的主要演變區(qū)域位于元朗河下游深槽、南槽直線段與彎曲段深槽（圖5（b）），代表內(nèi)灣深槽區(qū)域的淤積模式，其特征權(quán)重呈現(xiàn)先減小、后增加的變化特征（圖5（e）），與模態(tài)1的變化趨勢(shì)剛好相反，可見(jiàn)隨著深槽-淺灘界面區(qū)域淤積趨于平衡（模態(tài)1），深槽開(kāi)始淤積。從區(qū)域角度，深圳灣深槽呈現(xiàn)由兩側(cè)（模態(tài)1）向中心（模態(tài)2）淤積的演變特征。

模態(tài)3占比僅為7.84%，其沖淤變化集中在深槽位置，但不同于模態(tài)1、模態(tài)2，模態(tài)3的特征權(quán)重波動(dòng)變化可能與人為疏浚等因素相關(guān)。

綜合來(lái)看，從演變區(qū)域上，3種模態(tài)互為補(bǔ)充，共同組成內(nèi)灣沖淤變化重點(diǎn)區(qū)域；從發(fā)展趨勢(shì)上，各模態(tài)之間存在差異，模態(tài)1的趨于平衡與模態(tài)2的增長(zhǎng)表明內(nèi)灣的淤積區(qū)域與淤積模式由前期的模態(tài)1向模態(tài)2轉(zhuǎn)移，時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2012年，體現(xiàn)了內(nèi)灣形態(tài)動(dòng)力的相互調(diào)整。

3.2外灣地形演變分析

相比內(nèi)灣，外灣沖淤模式相對(duì)單一，以西北向深槽淤積為主（圖6），兩側(cè)淺灘向中心延伸，2013年后深槽逐漸消亡，深槽高程由?5.8m（2008年）逐漸淤積至?3.6m（2020年），由灣口向內(nèi)形成正向坡比。

圖7為外灣沖淤量累計(jì)曲線（不包含港區(qū)），2008—2020年外灣累計(jì)淤積1096萬(wàn)m3，年淤積量為35.22萬(wàn)m3，平均淤積厚度為0.98cm/a，其中2009年、2013年淤積量分別為1037萬(wàn)、965萬(wàn)m3，遠(yuǎn)超平均水平。相比波浪或河流，潮汐主導(dǎo)的地形更為穩(wěn)定，而極端天氣下強(qiáng)風(fēng)、大浪可以極大地改變區(qū)域的泥沙狀態(tài)與物質(zhì)輸運(yùn)。鑒于此，本文統(tǒng)計(jì)了2003—2020年登錄深圳灣附近的臺(tái)風(fēng)（圖8），2009年臺(tái)風(fēng)莫拉菲（0906）在深圳灣東側(cè)大鵬灣（44km）登陸；2013年臺(tái)風(fēng)天兔（1319）以SuperTY等級(jí)在東側(cè)汕尾（142km）登陸，并以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)向西北移動(dòng)，臺(tái)風(fēng)與深圳灣極端淤積顯著相關(guān)，因此從必要性角度，臺(tái)風(fēng)對(duì)深圳灣的沖淤演變不可忽視。此外，極端淤積后2～3a外灣呈現(xiàn)沖刷狀態(tài)（圖7藍(lán)色箭頭），表明潮汐控導(dǎo)的海灣能夠快速調(diào)整地形驟變，存在自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡。

3.3內(nèi)外灣演變對(duì)比分析

為了探究深圳灣區(qū)域沖淤變化的關(guān)聯(lián)性，以南槽為分界線，內(nèi)灣劃分為5個(gè)區(qū)域（圖9（a）），統(tǒng)計(jì)各區(qū)域年際沖淤量如圖9（c）、圖9（b），由于缺乏航道疏浚數(shù)據(jù)，航道維護(hù)未納入其中。

內(nèi)、外灣沖淤變化趨勢(shì)基本維持一致，外灣年際沖淤量大于內(nèi)灣（圖9（b））。深圳灣沖淤變化存在區(qū)域差異性（圖9（c）），分區(qū)5緊鄰?fù)鉃常錄_淤變化與外灣保持高度一致，兩者相關(guān)系數(shù)為0.90，其余分區(qū)依次為分區(qū)4（0.62）、分區(qū)3（0.38）、分區(qū)2（0.09）與分區(qū)1（?0.12），可見(jiàn)越靠近灣頂，與外灣相關(guān)性越低。從動(dòng)力格局角度，外灣、分區(qū)5、分區(qū)4的沖淤變化以灣口潮汐動(dòng)力為主導(dǎo)；分區(qū)1、分區(qū)2靠近灣頂，沖淤變化與深圳河水沙條件、紅樹(shù)林濕地維護(hù)等因素相關(guān)。從年際沖淤量角度，由于潮汐向內(nèi)傳播過(guò)程中動(dòng)能衰減，對(duì)地形塑造能力降低，沖淤量由外向內(nèi)逐漸減少（圖9（c））。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證深圳灣以潮動(dòng)力為主的沖淤演變特征，基于深圳河口站（潮流站）2006—2020年懸浮質(zhì)量濃度、流量觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展泥沙收支平衡計(jì)算（表2），深圳灣淤積量最小為2015年的34.17萬(wàn)m3，最大為2013年的1945.84萬(wàn)m3，對(duì)應(yīng)深圳河輸沙量分別為2.5萬(wàn)、2.0萬(wàn)t（假設(shè)泥沙密度為2560kg/m3，即0.98萬(wàn)m3與0.78萬(wàn)m3），顯然不在同一量級(jí)。因此，潮流作用下的外界（伶仃洋）來(lái)沙是深圳灣的主要沙源。

3.4南北槽演變分析

3.4.1形態(tài)變化分析

北槽水深較淺，繪制0m等高線演變過(guò)程如圖10所示，0m等高線呈現(xiàn)貫通與間斷交替變化，與圖2分析維持一致。此外，北槽貫通與封堵連帶著中部淺灘0m等高線的前進(jìn)與后退（如2003年、2008年、2010年、2018年），作為分區(qū)1的中部泄流通道，北槽的沖淤變化一定程度上代表了分區(qū)1的形態(tài)演變。

南槽?2m等高線演變過(guò)程如圖11所示，南槽上游彎曲段寬度基本維持不變，下游直線段逐漸變窄，其形狀由“窄寬型”演變?yōu)椤伴L(zhǎng)條型”，并向下游延伸。選取上、中、下3個(gè)斷面（A1、A2、A3）統(tǒng)計(jì)?2m等高線的寬度如圖12所示，下游A3斷面由753m（2002年）減少到206m（2020年），年均減少幅度為26.92m；A1、A2斷面寬度減少率分別為?8.15、?31.11m/a。2016年后斷面寬度基本維持不變，該特征與內(nèi)灣模態(tài)1在2016年后特征權(quán)重維持水平趨勢(shì)相似（圖5（d）），可見(jiàn)深槽寬度的減小與深槽-淺灘界面的淤積模式保持一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了3.1節(jié)內(nèi)灣模態(tài)1的演變過(guò)程。

圖13進(jìn)一步分析了?1m等高線的演變過(guò)程，2002—2010年期間，南槽“喇叭口”位于彎道右側(cè)頂點(diǎn)（南槽與元朗河匯合處），隨著尖鼻咀淺灘的淤積，喇叭口頂點(diǎn)西移，河控范圍向?yàn)硟?nèi)延伸（圖13），潮汐輻聚位置改變，對(duì)深圳河潮動(dòng)力特征的影響不容忽視，因此，深圳河治理規(guī)劃需結(jié)合深圳灣的演變趨勢(shì)。

3.4.2高程演變分析

繪制北槽中心線高程年際差值（后減前）云圖與關(guān)鍵年份高程如圖14所示，北槽中心線年際沖淤交替變化，沖刷以2008年、2015年、2019年為主，淤積以2004年、2013年、2018年為主。0～3000m內(nèi)上下游沖淤變化維持一致，而3000～4000m內(nèi)沖淤變化減弱且分布差異性較大（坐標(biāo)位置如圖15）。從動(dòng)力格局上，中心淺灘迫使灣頂潮流分南、北槽上溯，由于上溯路徑、汊道地形以及深圳河分流差異，南、北槽潮流存在相位差。因此，北槽沖淤受徑流與潮汐相互作用，0～3000m沖淤以北向潮流為主導(dǎo)，表現(xiàn)為統(tǒng)一的沖淤變化，而3000～4000m為徑潮、南北槽潮流交匯區(qū)。

依據(jù)南槽深槽的平面形態(tài)，將其分為下游直線段（C-C）、中游段（B-B）以及上游段（A-A）（圖15），南槽中心線高程年際差值如圖16所示。從沖淤?gòu)?qiáng)度來(lái)看，上游A-A段沖淤變化顯著（變化值：?2.10～1.75m），其次為下游直線C-C段（?0.98～1.36m），中間B-B段的沖淤變化平緩（±0.40m）。從上下游沖淤一致性來(lái)看，上游段與下游直線段的沖淤不一致，2002—2019年，南槽下游直線段、中游段淤積明顯（平均淤積厚度分別為0.51、0.36m），上游段呈沖刷狀態(tài)（平均沖刷深度?0.51m）。從動(dòng)力角度，A-A段為徑潮交匯區(qū)，具有大沖大淤特征，下游直線段位于寬闊海灣，潮汐是C-C段沖淤演變的主要因素。

徑流是河口深槽演變的重要因素，深圳河發(fā)生日均流量超200m3/s的洪水主要為2006年、2008年、2009年和2018年，其中2008年洪水歷時(shí)最長(zhǎng)（圖17）。結(jié)合南、北槽演變特征來(lái)看（北槽沖刷主要發(fā)生在2008年、2015年以及2019年，淤積主要發(fā)生在2004年、2013年和2018年；南槽A-A段沖刷主要發(fā)生在2008年和2019年，淤積主要發(fā)生在2010年和2018年），除2008年維持沖刷一致外，其余年份上游來(lái)流與深槽沖淤關(guān)系不明顯，表明常態(tài)下深圳河來(lái)流對(duì)深槽沖淤演變影響較小。

4結(jié)論

本研究基于深圳灣2002—2020年高程數(shù)據(jù)、深圳河口站水文資料等，采用經(jīng)驗(yàn)正交分解等方法，揭示深圳灣的沖淤規(guī)律和演變過(guò)程，明晰深圳灣沖淤變化影響因素，主要結(jié)論如下：

（1）深圳灣整體為淤積狀態(tài)，沖淤?gòu)?qiáng)度由外至內(nèi)逐漸減弱；潮流作用下的外界（伶仃洋）來(lái)沙是深圳灣淤積的主要來(lái)源，而極端天氣下的伶仃洋動(dòng)力條件顯著影響深圳灣的沖淤演變。

（2）內(nèi)灣沖淤演變具有階段性，深槽-淺灘界面區(qū)域淤積模式逐漸減弱并趨于平衡（2016年前），近期轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨畈塾俜e模式為主，外灣以深槽淤積為主并趨于動(dòng)態(tài)平衡。

（3）深圳灣治理須順應(yīng)以潮流為主導(dǎo)的外界來(lái)沙淤積模式，南槽不斷萎縮，河控范圍向下游延伸，深圳河管理規(guī)劃需結(jié)合深圳灣的發(fā)展趨勢(shì)。