珠江河口潮流流量变化控制指标初探

何　用,刘　霞,王　华

(珠江水利委员会 a.珠江水利科学研究院; b.水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室，广州　510611)



珠江河口潮流流量变化控制指标初探

何用a,b,刘霞a,b,王华a,b

(珠江水利委员会 a.珠江水利科学研究院; b.水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室，广州510611)

摘要：随着珠江河口地区滩涂岸线资源开发和涉水工程建设，河口边界形态及动力环境产生了巨大的变化；动力环境变化必然引起河口河床形态的调整，对潮汐河口稳定产生深远的影响。以珠江河口潮汐通道稳定性分析为基础，探讨潮汐河口的河相关系，初步提出了河口潮流变化控制指标。研究建立了珠江河口口门断面面积与多年平均落潮流量之间的关系，并建立了近期口门均衡断面的河相关系；在此基础上，预测了河口潮流变化引起的口门河床冲淤变化。根据河床冲淤变化与口门行洪能力调整的关系，提出了河口口门落潮流量变化控制指标为1%～2%，研究成果为河口涉水工程管理提供了定量指标参考。

关键词：珠江河口；潮汐通道； 口门稳定性；河相关系；潮流流量控制指标

1研究背景

珠江经虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门和崖门等8大口门汇入南海(图1)。河口发育了以径流动力作用为主的磨刀门口门，以潮流动力作用为主的伶仃洋河口湾和黄茅海河口湾，形成了潮优型河口与河优型河口相互依存、耦合共生的形态独特的复合型河口。保持河口稳定，畅通尾闾，加大泄洪、纳潮、输沙能力是河口治理与保护的重要任务。

图1　珠江河口水系及河势Fig.1　Water system and regime ofthe Pearl River estuary

国内外对潮汐通道稳定性问题已经进行了很多研究，特别在口门形态稳定方面研究得到一些关系式[1]，如纳潮棱体(P) 与过水口门断面面积(A)的关系(P-A关系)。 国内学者研究较多的如东海、华南沿海的P-A关系[2-3]。P-A关系从几何形状上对潮汐通道口门形态进行了研究，没有涵盖口外动力对纳潮的影响，依据P-A关系分析口门稳定性，结果差别较大[4]。

随着珠江河口地区经济社会的快速发展，港口、码头、修造船基地、航道、桥梁等涉水工程密度不断增加，河口围垦造地速度加快，河口地貌及动力环境也产生巨大的变化。动力环境变化必然引起河口河床形态的调整，对潮汐河口稳定产生深远的影响。协调涉水工程建设与河口治理和保护的关系，维持河口稳定，需要深入研究潮汐动力与口门稳定之间的关系，而目前在潮流控制方面尚缺乏定量指标，难以满足河口涉水工程建设和管理的需要。本文以珠江河口潮汐通道稳定性分析为基础，探讨潮汐河口的河相关系，初步提出了珠江河口潮流变化控制指标。

2珠江河口潮汐通道口门稳定性

珠江河口人类活动引起河口湾动力环境变化主要有：深水航道建设使河口主槽加深，主槽动力加强；河口围垦使口门浅海区延伸，浅海区纳潮容积减少；河口桥梁工程建设减少了河道行洪纳潮的过水断面；港口建设改变了河口地形边界等。

虎门、崖门是以潮汐动力作用为主的河口，形成了伶仃洋—虎门—狮子洋和黄茅海—崖门—银州湖2大潮汐通道。加大虎门、崖门口的潮汐吞吐能力，加强潮流动力，理顺水流条件，是维护潮汐通道的稳定的关键。为反映人类活动对珠江河口潮汐通道口门的影响，选用实测资料，分析了潮汐通道口门断面形态和输沙率的变化情况。

图2　珠江口潮汐通道口门近年断面地形对比Fig.2　Terrains of the entrance of tidal channel atthe Pearl River estuary in recent years

大虎和官冲分别是虎门、崖门潮汐通道口门控制站。对比大虎和官冲断面地形变化(见图2)，相对于1999年，2005年大虎断面略有冲刷，官冲断面左侧局部略有淤积，右侧局部冲刷。从冲淤变形的幅度来看，相对于1999年大虎断面过流面积扩大4.5%，平均水深增加0.5 m，断面冲刷总体幅度不大；官冲断面过流面积扩大0.2%，平均水深增加0.01 m，断面变化微小。总体而言，潮汐通道口门断面变化不大，河床基本稳定。

为进一步分析断面输沙率的变化，根据“05·6”和“99·7”洪水期口门实测的输沙率及流量资料,点绘落潮流量Q与输沙率Qs间关系如图3所示，可以看出，无论是“05·6”，还是“99·7”洪水期间，各口门断面输沙率与流量之间均具有较好的相关关系。对比“05·6”和“99·7”洪水期间的同流量下各口门的输沙率变化可以看出，同流量下官冲站的输沙率变化不大，大虎断面的输沙率略有增大。口门输沙率的变化与断面冲淤变化规律较为一致。

图3　典型洪水期潮汐口门落潮流量与输沙率的关系Fig.3　Relationship between ebb flow and sedimenttransport rate at the entrance of tidal channel intypical flood season

从口门断面地形和输沙率的变化分析来看，虽然大虎断面冲淤和输沙关系略有调整，但幅度不大，总体上潮汐通道口门形态基本稳定，从而可以认为潮汐通道河床地形边界与来水来沙条件相适应，可以采用近期水沙和地形资料进一步分析河口的河相关系。

3潮汐河口河相关系探讨

潮汐河口在流域和海域来水来沙与河床长期相互作用下，经过河流的自动调整作用，河床形态经常处于平衡状态或接近平衡状态，其断面形态基本上与上下游来水来沙相适应。多年平均潮位下的断面面积称为临界断面面积A*。潮汐河口径流在不同时段有显著的差异，由于潮汐变化，其潮差也随时间而变化，海域的涨潮量也不同。不同时段，水沙条件不同，河床形态也相应有所调整，可能形成与所在河段相适应的某种均衡形态，这种均衡状态的断面形态与来水来沙条件之间存在某种函数关系，其时段平均潮位下的过水面积称为均衡断面面积Ae。

径流、潮流、波浪、盐淡水混合、风暴潮、科氏力等为河口发育的动力因子，对于河口河床的演变而言，径流与潮流是最主要的动力。据实测资料分析，珠江河口最大流速发生在平均潮位以下，为此，建立平均潮位下的河口口门断面面积与落潮流量之间关系。对于已处于动平衡状态的潮汐河口，可建立一定的河相关系式A*～QeαSeβ。

采用1985—2000年多年平均落潮量和1953—2000年多年平均潮位及1999—2005年实测含沙量(见表1)，对潮汐河口口门河相关系进行分析。

表1　珠江潮汐口门水沙特征参数统计

通过回归分析，得出A*与Qe,Se的相应关系为

(1)

根据国内外对于河口研究表明：影响通道的断面面积诸因素之中，落潮流量(包括径流量)是主要因素。考虑到珠江三角洲河流含沙量较小，无论从数量或幂次的大小上看，Qe都比Se大而重要，作为第一级的近似，可将主变量认为是Qe，进一步简化A*与Qe的相应关系式为

(2)

基于此，选取近期具有代表性实测洪、枯水水文资料，进一步分析近期口门均衡断面关系。分析资料由珠江八大口门扩展至汇入狮子洋的东江四口门及沙湾水道三沙口等与潮汐通道相连的重要口门。选择“05·6”洪水、“99·7”中水和 “05·1” 枯水、“01·2”枯水等4组实测水文资料，其中“05·6”洪水西江马口水文站日最大平均流量为51 900 m3/s，是珠江流域超百年一遇的特大洪水；“99·7”洪水西江马口水文站洪峰流量为26 800 m3/s，接近多年平均洪峰流量27 600 m3/s。枯水期，“01·2”测验期间，马口水文站流量为2 051 m3/s，日均流量在2 260 m3/s以下，最小为1 371 m3/s； “05·1” 测验期间适逢调水压咸，前期马口的日均流量在1 500 m3/s以下，调水后日均流量在2 100 m3/s以上，最大为2 650 m3/s，2个实测枯水期同步观测约为15 d，包含河口大、中、小潮过程。

图4为枯水期和洪水期平均潮位下口门断面过流面积Ae与时段平均落潮流量Qe相关关系。从资料系列相关性来看，枯水期相关性明显优于洪水期。洪水期河口落潮量受径流影响较大，相应水动力强，可能产生短时段的河床冲淤变形。通过与多年平均河相关系对比，枯水期得到时段平均河相关系与之更为接近(见式(3))，无论是系数和幂指数都相差不大，可认为枯水期更具有代表性，能够反映近期河口变化的河相关系。

(3)

对比式(3)与多平均河口河相关系式(2)可知，在相同落潮流作用下，近期河口口门过流断面面积大于多年平均值，也就是目前口门区形成的均衡断面大于河道自然演变形成的稳定断面。分析近期河相关系的变化与20世纪90年代河道大规模采砂引起密切相关。据统计，1984—1999年仅珠江三角洲网河调查采砂总量为7.6亿m3，采砂引起河床下切，河道过流面积大幅增加，三角洲河道整体槽蓄能力增强。三角洲河道断面形态发生了与自然演变截然不同的变化。剧烈的人类活动的干扰，近期河口形成的河相关系与稳定的河相关系有一定偏离。随着三角洲河道采砂活动进一步规范，人为采砂活动能够得到较好的控制，河床下切趋势必将会得到有效的遏制，河床将进入恢复和自动调整期。在河口动力条件不发生大的变化条件下，其河相关系也必将与长期稳定的河相关系趋于一致。

长期稳定河相关系基本反映自然条件下河床冲淤演变，而近期的河相关系则反映大规模采砂后相对稳定河床冲淤变化趋势。大规模采砂后的河床自动调整和恢复时间，取决于三角洲上游的来水来沙。而据统计，20世纪90年代以来，进入三角洲的泥沙含量明显减少，2000年以后，西江马口站年平均含沙量比20世纪80年代前平均减少61.6%，北江三水站年平均含沙量比20世纪80年代前平均减少66.1%，而东江博罗站20世纪90年代以后比90年代以前减少约80%。来沙的减少也就意味着河床恢复调整将持续相当长的时间，因此近期相对稳定河相关系更能体现河床调整和恢复期内河口河床冲淤变化。

4珠江河口潮流变化控制指标探讨

采砂引起河口动力变化将随着河床调整和恢复而逐渐减小，但河口大规模涉水工程建设和滩涂资源开发将引起河口形态和河床边界变化。河口岸线形态的变化一方面直接改变了口门动力的强弱、径流与潮流交汇形态、交汇区水流动力结构等，另一方面对于潮流动力为主的口门，滩涂的围垦使得河口纳潮容积的减小，压缩涨潮通道，从而引起口门潮量和潮流动力的调整。河口岸线形态变化对珠江口动力过程的作用和影响最为直接，它直接影响到河口总体的冲淤分布及演变趋势。基于河口河相关系，可以根据人类活动对河口径潮动力的影响程度，预测对河口河床稳定性和冲淤演变的影响。

考虑河口口门控制宽度B变化不大，河床冲淤变化主要表现为平均水深H变化，由近期河口河相关系式(3)，可得自变量的全微分形式为

(4)

由式(4)可以计算得到不同落潮流变幅下相应河口口门冲淤变化厚度(见表2)。从表2中可以看出，随着落潮流量的减少，河口口门断面出现淤积，平均淤积厚度随着落潮流量减幅增大而增大，不同口门变化影响程度不同，以平均水深较大的虎门潮汐通道最为显著，其次是崖门；反之，随着落潮流量的增加，口门断面产生冲刷，其冲刷变化规律相似。

表2　不同落潮流量变幅下珠江河口口门断面

河床冲淤变化意味着口门过流能力调整，在一定河道泄流条件下，断面淤高相应河道洪潮水位抬高。根据珠江三角洲潮位站点频率设计结果，南沙20，50，100，200，300 a一遇两两相邻的频率设计洪水之间分别相差约0.18，0.13，0.14，0.07 m，冯马庙30，50，100，200，300 a一遇两两相邻的频率设计洪水之间分别相差约0.08，0.12，0.13，0.07 m，横门30 a和50 a一遇频率设计洪水之间相差约0.08 m。当河床冲淤调整引起水位变幅超过不同频率设计洪水之间差值时，意味防洪压力相应从一种量级增加到更高一量级的洪水。虽河床淤积引起水位变幅理论上小于淤积幅度，但从量级仍具有较好的参考意义。

从表2可以看出，当落潮流量减小1%～2%引起河床淤积厚度与不同频率设计洪水之间差值较为接近，为此对河口管理而言，应该严格控制人类活动影响，使得各类工程对河口口门落潮流量的综合影响控制在1%～2%，才不致使河口口门淤积，引起的防洪形势变化，增大防洪潮压力。

5结论

通过本文的研究得到以下认识：

(1) 珠江河口主要潮汐通道稳定性分析表明，近年来虎门和崖门口门形态和断面输沙率基本稳定，可以认为汐通道河床地形边界与来水来沙条件基本相适应。

(2) 珠江河口在流域和海域来水来沙与河床长期相互作用下，口门处于动平衡状态。忽略含沙量的变化，得到多年平均条件下口门断面面积与落潮流量之间相关关系即A*=3.92Qe0.97。

(3) 近期河向关系分析表明，枯水期口门断面面积与潮流流量的相关性优于洪水期，其河相关系Ae=5.99Qe0.89，更能体现大规模采砂后河床调整和恢复期内河口河床冲淤变化。

(4) 根据人类活动对河口径潮动力的影响，预测了河口落潮流量变化对河床冲淤影响，提出了河口各类工程对口门落潮流量的综合影响控制在1%～2%。

应该指出，近年来珠江河口大量涉水工程建设不同程度地减少了口门潮流流量，必然加大河口自然淤积，而这种影响被三角洲的河道采砂导致的河床下切所掩盖。但从长期来看，随着挖沙后河床自动调整平衡，这种影响将逐步凸显出来。因此，应予以足够的重视，避免开发建设对河口长期演变产生不利的影响。

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(编辑：赵卫兵)

Tide Flow Control Indicator for the Pearl River Estuary

HE Yong1，2, LIU Xia1，2, WANG Hua1，2

(1.Pearl River Scientific Research Institute, Pearl River Water Resources Commission, Guangzhou 510611, China; 2.Key Laboratory of the Pearl River Estuarine Dynamics and Associated Process Regulation of Ministry of Water Resources, Pearl River Water Resources Commission, Guangzhou510611, China)

Abstract:Along with the exploitation of tidal flat and beach resources and the construction of water projects in the estuary region of the Pearl River, the estuarine boundary shape and dynamic environment changed greatly, which inevitably gave rise to the adjustment of estuarine riverbed morphology, exerting far-reaching influence on the stability of tidal estuaries. On the basis of stability analysis for the tide channel of Pearl River estuary, the hydraulic-geometric relation and the tide control indicator were put forward. Moreover, the relationship between entrance section area and average ebb flow for many years of the Pearl River estuary was established. The balanced section’s hydraulic-geometric relation was also established. On this basis, scouring and silting at the entrance caused by estuarine tide changes was forecasted. According to the relationship between riverbed sediment adjustment and flood discharge capacity change, we concluded that the ebb flow change at the entrance of the estuary should be controlled in 1%-2%. The research result provides quantitative reference for the management of water projects at the estuary.

Key words:Pearl river estuary; tidal channel; entrance stability; hydraulic-geometric relation; control indicator of tidal flow

中图分类号：TV85

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0001-05

doi:10.11988/ckyyb.201501552016,33(05):1-5

作者简介：何用(1977-)，男，湖北黄冈人，高级工程师，博士，主要从事水沙模拟研究，(电话)020-85116619 (电子信箱)heyongwhu@126.com。

基金项目：水利部公益性行业科研专项(201301073)

收稿日期：2015-03-05;修回日期：2015-04-13