磨刀门河口在20世纪60至70年代的演变模拟与动力地貌过程分析

刘斌，吕海滨，吴超羽，包芸，任杰

（1.珠江水资源保护科学研究所 规划研究室，广东 广州510611；2.淮海工学院 测绘工程学院，江苏 连云港222005；3.中山大学 海洋学院，广东 广州510275）

1 引言

在对磨刀门河口进行综合整治（1984年）前，在磨刀门水道灯笼山以下存在着广阔的浅海区，浅海区由“两槽三滩”组成，分别是磨刀门水道深槽、龙屎窟水道深槽、鹤州—交杯沙浅滩、上沟浅滩、中心沟浅滩（见图1）。

对本区域的动力地貌学研究较多，如赵焕庭等［1］通过分析沉积物的特征，研究了磨刀门拦门沙的发展、演变；曾昭璇［2］从磨刀门历史地貌学的观点分析了口门整治的问题；江沛霖和宾放［3］对磨刀门1962—1981年20 a间的水位、地貌的演变发展进行了研究，得出了河口各条深槽的演变及滩地的淤积发展趋势，并阐述了人类围垦对河口演变的影响。但从“动力－沉积－地貌”的角度进行多学科、着重过程、机制的量化与模型化的研究及动力地貌过程的分析相对较少。本文运用长周期动力地貌模型ZRD－LTMM（Zhujiang River Delta－long term morphodynamicmodel，2002）反演磨刀门河口1964—1977年13 a的演变过程，并对动力地貌过程作了探讨。

2 长周期动力地貌模型

通过尺度分析，本文采用的长周期动力地貌模型除泥沙输运、沉积和冲刷的动力地貌过程外，由于1953—1987年在磨刀门河口附近垂直地形变化的最大速率达到7.7 mm／a［4］和1972年围垦使大小横琴岛中间的中心沟不再过水，故模型还模拟了地壳运动和中心沟围垦。

模型以二维ECOM模式为基础，计算范围为西江磨刀门竹银水文站和鸡啼门黄金水文站，外海边界从澳门以东10 km向南到20 m等深线。在输入条件（代表潮）、模型计算（地形模块步长）等方面进行了简化（图2）。选取1970年11月1—15日和1971年7月1—15日两个时段分别作为丰水期和枯水期的代表潮［5－6］。

图1 1964年磨刀门河口地形图及输沙率（106 m3／a）验证点位

对代表潮进行验证，得到灯笼山站位枯季和洪季水位平均误差分别为0.05和0.07 m，三灶站位枯季和洪季水位平均误差分别为0.03和0.04 m（图3）；对于输沙律验证大部分站位的输沙率相对误差均在10%内，最大相对误差仅为13.53%（图4）；对于沉积速率验证大部分站位的沉积速率相对误差均在10%内，最大相对误差仅为10.8%。模拟结果与实际状况接近，可以用于计算分析（见表1）。

图2 长周期模型计算网格

图3 灯笼山和三灶水位（m，珠江基面）验证

图4 各站位输沙率（10 6 m3／a）对比

表1 年均沉积量和沉积速率验证

3 动力地貌过程分析

3.1 总体分析

从1964到1977年的演变趋势上，磨刀门河口整体处于快速淤积状态，仅在局部地区受冲刷（图5）。淤积区域主要分布在横洲水道两侧，以东侧的上沟和西侧的鹤州至交杯沙浅滩为代表。

图5 磨刀门河口冲淤厚度（m）图

在1964至1977年上沟的淤积速度比较快。长周期模型的计算所得上沟的平均淤积厚度是0.41 m，该结果与地图对比得到的0.46 m比较吻合。在这13 a间上沟总体上处于淤积状态，南北两岸浅滩的淤积强度明显强于中间深槽，导致深槽变窄。淤积厚度由深槽的10～30 cm向南北两岸增加到50～70 cm。杧州岛周围的浅滩的淤积厚度为40～90 cm，浅滩面积增大，导致浅滩南北两侧的过水面积逐渐减小，上沟的落潮分流比也随之减小。与上沟普遍淤积的规律不同，上沟东部靠近澳门一侧的深槽冲深了20～40 cm。东部由于中心沟的围堤，外海东边界潮流只能通过澳门和夹马口水道经过马溜州水道进入内海区，使得潮流加强，因此在马溜州东部出现一个较高动能区，导致此处的流速增大，形成冲刷。

图6 基岩岛屿附近不同距离沉积状况对比

鹤州至交杯沙浅滩的平均淤积厚度是0.39 m，该结果与地图对比得到的0.41 m非常吻合。就淤积强度的空间分布来说，浅滩区的总体淤积趋势是自东向西淤积强度逐渐增大，淤积厚度由横洲水道附近的20 cm增加到浅滩西岸的60多厘米，但浅滩区的淤积并不只是自西向东单向发展，浅滩区的岛屿周围也是淤积强度增强的区域。浅滩区有4个严重淤积的区域，即：浅滩西岸、三灶岛附近、横洲岛至交杯沙附近和鹤州岛附近。这4个区域的平均淤积厚度都超过了60 cm，个别区域甚至接近1 m，其中前两个区域位于陆地或大岛屿的边缘，而后两个是位于小型基岩岛屿的周围。这说明小型基岩岛屿使得内海区的淤积过程趋向多元化，而并不只是由陆向海的单向发展。

为进一步探讨内海区中基岩岛屿对沉积过程的影响，本文在图6a中鹤州岛附近选择了A、B、C三个对比点，它们与鹤洲岛的距离依次增大。图6b为三个对比点的淤积厚度（计算结果），3个点的沉积厚度分别为 A点0.94 m，B点0.76 m，C点0.43 m。虽然A点与C点的距离只有724 m，但A点的淤积厚度却是C点的2.19倍。这表明越靠近岛屿的地方沉积作用越明显。从动力上看，岛屿通常能给周围水体提供相对稳定的环境，流经岛屿附近水体速度减缓，剪切作用降低，不利于泥沙的悬浮和输移；同时外海传入的波浪在岛屿附近容易发生破碎，形成高能耗区域，有利于泥沙的沉降。如此长时间作用下，形成了以岛屿为中心的快速沉积区域。

在数值模拟期间，局部区域冲刷明显。主要包括龙屎窟水道峡口段、横洲水道从大杧州到石栏州段及上沟东部近澳门段。从动力结构上看，龙屎窟水道峡口两侧均为岛屿，同时上下两侧是广阔的水域，这使得通过“门”的水流运动方向与潮流涨落方向基本一致，形成以“门”为枢纽的双向射流动力体系，流速在射流口附近较大，潮能通量在这里出现峰值，对床底形成冲刷。横州水道受大小杧州、大小横琴岛、石栏州等岛屿的作用，形成单向射流系统，同时随着鹤州至交杯沙浅滩淤积的加剧，横洲水道涨落潮流得到进一步加强，冲刷现象更为明显。上沟东部冲刷带则受人类活动影响较为显著，由于中心沟围堤，外海东边界潮流只能通过澳门和夹马口水道经过马溜州水道进入内海区，使得潮流加强，形成冲刷。

人类活动对局部地形的演变起重要作用。1964年时，中心沟的平均水深只有2 m左右，从单位面积潮能通量来看，整个中心沟都是一个低能区。在1972年中心沟围垦工程前，中心沟就是整个磨刀门河口区淤积强度最大的区域之一，其年均淤积厚度为6 cm。围垦工程后，整个中心沟与大小横琴岛连为一体。在中心沟的演变过程中，人类活动起到了决定性的作用。

3.2 季节性变化

磨刀门河口洪季演变特征表现为浅滩淤积、深槽冲刷。浅滩在洪季淤积明显，最大淤积厚度为6 cm，出现在上沟西部近岸区、鹤州岛附近及鹤州岛以北近岸区域。磨刀门河口洪季最大淤积厚度为枯季最大淤积厚度的10倍以上，由此可见磨刀门淤积主要出现在洪季。同时受洪季大径流量及峡口射流影响，磨刀门水道灯笼山段、横洲水道及龙屎窟水道出现明显冲刷。其中磨刀门水道的单向射流和龙屎窟水道峡口的北向射流为浅滩的淤积提供了主要的泥沙来源，塑造了浅滩的形态，形成了龙屎窟水道北部的环形沉积特征。

图7 1976年枯季与洪季沉积厚度（m）

3.3 演变过程的水下地形分析

磨刀门河口演变过程呈现总体淤积、局部冲刷的特点，对其水下地形影响明显。本文选取1964、1970、1977年模拟的水下地形与1977年实测地形作对比，它们分析数值模拟期间磨刀门河口水下地形演变过程（见图8）。在1964年磨刀门河口分4个口与外海相通，分别是洪湾口、横洲口、龙屎窟和大门口，其中龙屎窟水道北部与横洲水道北部相通；相邻口门间存在着浅滩，从西到东分别为三灶岛北部浅滩、鹤州至交杯沙浅滩和上沟浅滩。与1964年水下地形相比，1970年浅滩区域水深总体变浅，龙屎窟水道北部受淤积变窄，三灶岛北部浅滩与鹤州至交杯沙浅滩表现出相连趋势，龙屎窟峡口处受冲刷变深；受鹤州至交杯沙浅滩和上沟浅滩水深变浅影响，横洲水道深槽变窄变深。至1977年4月，龙屎窟水道北部水深明显变浅，三灶岛北部浅滩与鹤州至交杯沙浅滩相连，在龙屎窟水道北部形成相对封闭的水域，很大程度上限制了大门口和龙屎窟的出海径流量和输沙量，同时环形浅滩形成的高潮能耗散区域，有利于龙屎窟水道北向射流携带泥沙的沉积，此循环使磨刀门河口西侧区域水下地形加速变浅。受基岩峡口射流影响，龙屎窟水道峡口处受冲刷变深；横洲水道两侧地形变浅，过水面积变小，使经过横洲水道入海径流增加，加剧了深槽段的冲刷；同时大杧州和小横琴岛附近水深明显变浅，使上沟深槽进一步收窄，逐渐形成了上游向东南、下游向东北的河道走向，形成了洪湾水道的雏形。

图8 1964至1977年水下地形演变淤积厚度（m）

4 结论

（1）在1964至1977年间，磨刀门内海区的浅滩总体上处于淤积状态；而深槽则命运各异，横洲水道以冲深为主，龙屎窟逐渐萎缩只有峡口处冲刷，上沟深槽总体淤积东部深槽发育。

（2）横洲水道是磨刀门河口由陆向海输水输沙的主要通道，而龙屎窟水道是由海向陆输沙的主要通道。从横洲水道入海的大量泥沙随着涨潮流从龙屎窟进入磨刀门内海区，构成了磨刀门内海区的一大泥沙来源。

（3）散布于内海区的基岩岛屿对沉积物的空间分布有着深刻的影响。峡口地区基岩岛屿有助于形成以“门”为枢纽的双向射流动力体系，流速在射流口附近较大，潮能通量在这里出现峰值；而在逆潮流运动方向或地形开阔的地方，潮能分散。潮能相对集中或分散的分布，影响着沉积物的冲淤沉积分布及水下地形的发育演变。

（4）内海区没有形成“门”的基岩岛屿附近都形成了沉积中心，岛屿周围的沉积厚度远远大于附近水域的淤积厚度。

（5）磨刀门河口季节性冲淤特点明显。枯季演变特征为整体淤积，淤积厚度从河口往外海递减；洪季演变特征为浅滩淤积深槽冲刷，且浅滩在洪季淤积厚度远大于枯季淤积厚度。

（6）从水下地形演变上看，龙屎窟水道北部水深明显变浅，三灶岛北部浅滩与鹤州至交杯沙浅滩相连，在龙屎窟水道北部形成相对封闭的水域，环形浅滩形成的高潮能耗散区域使磨刀门河口西侧区域水下地形加速变浅。

［1］赵焕庭，欧兴进，宋朝景 .西江磨刀门河口动力地貌［G］∥中国科学院南海海洋研究所，南海海洋科学集刊（第3集）.北京：科学出版社，1982：1－21.

［2］曾昭璇 .从磨刀门历史地貌学研究看口门整治问题（上、下）［J］.人民珠江，1982，5，6：11－15.

［3］江沛霖，宾放 .磨刀门水文地貌二十年［J］.人民珠江，1986，5：27－32.

［4］张虎男，郭钦华，陈伟光 .西江断裂磨刀门段近期活动性研究［J］.华南地震，1990，10（1）：15－26.

［5］De Vriend H J，Capobiancom，Chesher T，et al.Approaches to long－term modeling of coastal mor phology：a review［J］.Jour nal of Coastal Engineering，1993，21：225－269.

［6］任杰 .末次海进盛期以来珠江三角洲演变的长周期动力地形模型及应用［D］.广州：中山大学，2003.