港珠澳大桥附近海域海床演变分析

应 强，辛文杰，毛佩郁

（南京水利科学研究院，南京210029）

伶仃洋是珠江口东部4个口门（虎门、蕉门、洪奇沥和横门）注入的河口湾，湾型呈喇叭状，湾顶宽约4 km（虎门口），湾口宽约30 km（澳门至香港大濠岛之间），纵向长达72 km，水域面积2 110 km2。伶仃洋水下地形具有西部浅、东部深的横向分布特点和湾顶窄深、湾腰宽浅、湾口宽深的纵向分布特点，滩槽分布呈“三滩两槽”的基本格局，三滩指西滩、中滩和东滩，两槽指东槽和西槽［1］。

港珠澳大桥（HZMB）位于伶仃洋南部海区，跨越珠江口伶仃洋，连接香港、珠海和澳门三地（图1），拟建桥区西侧海床主要位于西部浅滩的下部，内有九洲港航道、江海直达船航道和青洲航道；桥区东侧水深较大，内有伶仃航道、铜鼓航道，上游不远处是中部浅滩（矾石浅滩）的下缘。

港珠澳大桥在设计中存在许多需要研究解决的技术问题，桥位所处海床的稳定性和其演变趋势是其中之一。本文在以往研究的基础上，根据最近几年伶仃洋海域的水文、泥沙观测资料和航道整治工程资料，对港珠澳大桥所在桥位附近的海床进行演变分析［2-4］。

图1 伶仃洋及港珠澳大桥示意图Fig.1 Sketch of the Lingding bay and the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

1 来水来沙特征

珠江水系主要由西江、北江和东江组成，根据《广东省水资源》（1986年）统计，珠江流域河川水资源总量为3 360亿m3，其中出海径流3 260亿m3。西江年径流量2 300亿m3。北江510亿m3，东江257亿m3，三角洲诸河293亿m3，这些河流经8大口门入海，其中东部4个口门——虎门、蕉门、洪奇门、横门汇入伶仃洋后注入南海。图2为西江高要站1980年以来历年流量、输沙量的变化，北江石角站和东江博罗站也有同样的趋势［5］。由图2可以看出，虽然各年的流量不等，但总的趋势变化不大，由于河道内人工取沙、上游植被保护、水利工程的修建拦沙等因素的综合作用，使得输入河口的泥沙呈现减小趋势。

图2 西江高要站流量、输沙量年际变化Fig.2 Annual variation of water and sediment amount at Gaoyao hydrometric station

2 潮汐与潮流特征

伶仃洋的潮汐类型属不规则半日混合潮型，即每个太阴日出现2次高潮和2次低潮，潮高和潮历时存在明显的不等现象，特别是在某些时段，还会出现全日潮。最高潮位一般出现在洪季，最低潮位出现在枯季或汛后。汛期高潮位东部高于西部，低潮位则相反；涨潮时海平面向西南倾斜，落潮时向东南倾斜；枯水期无论高低潮位，东部均略低于西部，海平面向东南倾斜。

伶仃洋为弱潮河口，潮差较小，平均潮差为0.86～1.69 m，最大潮差为2.29～3.36 m。潮差呈现由东向西逐渐递减，由湾口向湾顶逐渐递增的特点。

天津水运工程勘测设计院［6］在2007年8月13～14日及16～17日对伶仃洋海区进行了潮位同步测量，4个口门的潮位过程见图3。由图3可知，大虎站的潮位过程早于横门、蕉门站约2 h，而板沙尾站最晚，可能是由于板沙尾站位于洪奇沥水道口门较上游所致；4个口门的最低潮位值相差不大，但最高潮位值有所差别，以大虎站为最高，蕉门次之，板沙尾站再次之，横门站为最低。这与4个口门的径流、潮流强弱有关。资料表明，潮汐作用强弱依次为虎门、蕉门、洪奇门、横门，其山潮比分别为0.26、1.74、2.16、2.75，虎门为以潮汐作用为主的口门，其他3个口门则以径流作用为主。

图4为沿伶仃洋纵向分布各潮位站点的潮位过程线。由图4可知，伶仃洋从口门的大万山岛站向内河河口的虎门站，潮位逐渐升高，最高潮位在桂山岛站最低，内伶仃岛站次之。

根据整理后的实测潮位资料，大虎站最大潮差为2.62 m，平均潮差为1.85 m；内伶仃岛站最大潮差为2.51 m，平均潮差为1.52 m；桂山岛站最大潮差为2.17 m，平均潮差为1.21 m；大万山岛站最大潮差为2.02 m，平均潮差为1.12 m。可见从外海大万山到虎门，沿程潮差呈递增变化。

3 桥位附近流速变化

图3 4个口门潮位过程线（2007年8月13～14日）Fig.3 Tidal curves of four estuaries on Aug.13～14，2007

图4 伶仃洋不同站点实测潮位过程线Fig.4 Tidal curves of different sites in the Lingding bay

图5为枯季（2009年3月）桥位断面大、小潮流速流向平面分布图，图5中CL01、CL02在桥位线上游，CL03、CL04、CL05、CL06、CL07、CL08、CL09 共 7 个测点在桥位线上，CL10、CL11 在桥位线下游。由图 5 可见，该水域内涨落潮以往复流为主，且与所在的航槽走向一致，反映了地形与水流的相互作用关系；桥位东侧的流向较为一致，桥位西侧的流向较为发散；落潮流的流向较为一致，涨潮流的流向较为发散；大、小潮相比，大潮的涨落潮流向一致性较好，小潮流向的发散性较大；实测资料统计表明：最大流速为136 cm/s；桥位附近11个测点的全潮落潮平均流速在21～70 cm/s；涨潮平均流速在25～58 cm/s。洪季时桥位附近水域内涨落潮仍以往复流为主，大潮时流速较大，小潮时则较小。

图5 桥位断面枯季流速流向平面分布图Fig.5 Distribution of tidal velocity and direction along cross section of bridge site in dry season

4 桥位附近含沙量变化特征

2009年在对桥位进行潮流测量的同时，对含沙量也进行了测量。根据2009年3月27～28日、6月16～17日、6月22～23日的实测资料，统计得出各测次落潮、涨潮和全潮平均的含沙量（表1）。

表1 桥位海域实测含沙量统计Tab.1 Statistics data of measured sediment concentration at bridge site kg/m3

由表1可以看出：桥位附近水体的含沙量很小，3个测次中平均涨、落潮含沙量最大值均小于0.3 kg/m3，2个大潮过程相比较，枯季水体含沙量较小，同为洪季，大潮含沙量大于小潮含沙量。在同一测次中，不同测点水体的含沙量也有较大差别。

分析2004年、2007年和2009年桥区附近海区底质粒径分布可知：近年来床面泥沙粒径趋于均匀，2009年中的床面泥沙粒径约为8Φ。

5 桥位附近地形变化

选取1954年、1964年、1974年、1989年、1998年、2001年、2004年及2009年海图，对工程海区的近期滩槽演变进行2 m、5 m和10 m等深线的变化比较。结果表明：桥位附近2 m等深线随不同年份有所变化，变化范围在1～1.5 km，既有冲刷后往岸边后退的过程（如1954～1964年），也有淤积扩展的过程（如1974～1989年），还有基本无变化的情况（1964～1974年），2001年以来，2 m等深线向岸边方向移动了约500 m，表现为冲刷态势，原因有待进一步分析。桥位附近5 m等深线随不同年份有所变化，靠西部海区边缘的基本较为稳定；但由西部浅滩靠伶仃水道的向下沙体，则有所发展，主要表现为沙体向下（南）延伸，1998年、2001年和2009年的5 m等深线下延均已穿过桥位线；介于伶仃航道与铜鼓西航道间的矾石浅滩尾端5 m等深线没有明显变化，但其东侧铜鼓东、西航道间的5 m等深线有一定的上移趋势（上移约1 km），而其另一侧的等深线变化不大，说明铜鼓浅滩有萎缩态势；桥位附近10 m等深线随不同年份变化不大，2009年的等深线有所展宽，是由于伶仃航道人为拓宽浚深，同样2009年在桥位上方新增的-10槽，是新开挖的铜鼓航道。

图6为2004年及2008年西滩上桥轴线及其上游950 m处2个断面地形变化比较。由图6可以看出:经过近4 a的水沙作用，桥区附近断面单向性变化不明显，统计这2个断面的资料，2004年桥位断面的平均水深为5.306 m，2008年为5.282 m；4 a来水深减小了0.024 m；与此相应，2004年桥轴线上游950 m处的断面平均水深为5.341 m，2008年为5.325 m；4 a来水深减小了0.016 m，说明桥位附近河床每4 a淤积2 cm左右。

图6 桥位附近西滩断面淤积变化比较Fig.6 Variation of sediment accumulation of west beach near the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge site

6 拟建桥区海床冲淤演变的发展趋势

桥区所在海域的演变受制于伶仃洋的总体演变，许多学者对伶仃洋的演变进行了研究，虽然所得的淤积速率有所不同，但都认为伶仃洋处于缓慢淤积的过程。因此，虽然从近期桥位附近海区的演变趋势分析来看海床冲淤变化不大，但从长远来看，桥位处海床总的发展趋势以缓慢淤积为主。

桥区西段：西段浅滩在自然状态下属微淤环境，海床相对较稳定。珠江河口径流虽主要经由这里向海排泄，但径流动力至此已与潮流动力融合而消能，淡水亦已与盐水混合形成了混合水，故此区段不论径流或潮流的动力作用均不强，不会造成该处海床的大幅冲淤变化，海床稳定性较好。但需注意桥位上游西滩靠近伶仃水道处沙舌的下移变化。

桥区东段：桥区东段海区的海底高程一般在-5 m以下，水深较大，水流亦较强，并有伶仃水道深槽与铜鼓浅滩分汊水道在此汇聚，高盐陆架水常年由此入侵和上涌，是侵蚀冲刷的主要地段。该水域水动力环境的主要特征是洪季呈高度分层状态，上层水体以“河口羽”的形式漂浮在中、底层高盐陆架水之上，迅速向海排泄，其最大流速可达2 m/s，中、底层水体以上溯流为主。近期演变分析可知，海床冲淤变化幅度不大，处于相对稳定的状态，如其上游的滩槽不发生较大的改变，这种状态应能保持下去。

7 结论

伶仃洋的水沙主要来自于东部4个口门——虎门、蕉门、洪奇门、横门，1980～2007年的年径流量、年输沙量资料表明，虽然各年的流量不等，但流量总的趋势变化不大；而年输送的泥沙数量则呈减小趋势。

伶仃洋的潮汐类型属不规则半日混合潮型，潮位在不同季节、不同位置均有所差别。潮位从外海到河口的虎门站（从南往北），逐渐抬高，过后又呈下降趋势；伶仃洋水域内涨落潮以往复流为主，且与所在的航槽走向一致，反映了地形与水流的相互作用关系。大、小潮相比，大潮的涨落潮流向一致性较好，小潮流向的发散性较大，靠西侧的测点流向较东侧测点的流向散乱。

桥位附近水体的含沙量均较小；床面泥沙粒径较细且均匀。桥位处海床总的发展趋势以缓慢淤积为主，但淤积强度较小，2004～2008年淤积了2 cm左右，属微淤状态，需注意桥位上游西滩靠近伶仃水道处沙舌的下移变化，桥区东段其上游的滩槽不发生较大的改变，海床将保持相对稳定的状态。

［1］徐君亮，李永兴，蔡福祥，等.珠江口伶仃洋滩槽发育演变［M］.北京：海洋出版社，1985.

［2］辛文杰.港珠澳大桥对珠江口港口航道影响研究总报告（平行研究1）［R］.南京：南京水利科学研究院，2010.

［3］应强，毛佩郁，辛文杰.港珠澳大桥建设对珠江口港口航道影响物理模型试验研究之一海床演变分析［R］.南京：南京水利科学研究院，2010.

［4］辛文杰，应强.港珠澳大桥工程可行性研究阶段海床演变分析报告［R］.南京：南京水利科学研究院，2004.

［5］陆永军，贾良文，莫思平，等.珠江三角洲河网低水位变化［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.

［6］杨树森，韩西军.2007年8月广州港伶仃航道三期工程项目伶仃洋海域现场勘测资料成果汇编［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2007.