伶仃洋西槽长期地貌演变研究

程梁秋，张 蔚，方拥军，秦莉真，秦 震，杨 戈

(1.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098；3.中国人民解放军92001部队41分队，青岛 266011)

珠江口伶仃洋西槽(伶仃水道)是整个黄埔出海航道最重要的一部分，其地貌演变对航道的疏浚与维护、船舶的通航以及当地经济的发展有着深远的影响。近几十年来由于经济发展的需求，在西滩进行了大量的围垦工程和港口工程，在西槽进行了多次大规模的航道整治工程，这势必会对西槽的地貌产生较大的影响。所以研究伶仃洋西槽的地貌演变有着重要的经济、社会和科学价值[1]。以往的研究更多集中于对整个河口的冲淤演变规律分析，本文对西槽长期地貌演变规律进行了详细的研究，可为航道的开发与维护提供依据。

1 研究区域概况

位于珠江三角洲东南部的伶仃洋是珠江最大也是最重要的河口湾，其形状为喇叭形，走向为NNW—SSE，北部边界为虎门，宽度约为4 km。由北向南逐渐变宽，南部边界为淇澳岛—内伶仃岛—赤湾连线，宽度约为21 km。南北跨度35 km。水域面积约为1 000 km2[2]。来自上游的径流和泥沙通过东四口门(虎门、蕉门、洪奇沥、横门)进入伶仃洋。在潮流和来自上游的径流还有人类工程活动的共同作用下，伶仃洋现已形成了“三滩两槽”的水下地形格局；三滩分别为西滩、中滩和东滩，两槽指的是伶仃水道(西槽)，矾石水道(东槽)，本文以伶仃洋西槽作为研究区域，对其近50 a的地貌演变规律进行分析(研究区域见图1)[3]。

珠江多年平均径流总量为3 020亿m3，平均年输沙量约8 800万t。经东四口门注入伶仃洋的年径流总量为1 670 亿m3，占年总径流量的55.3%。年输沙量为3 664万t，占年输沙量的41.6%[4]。径流在东四口门的分配，以洪奇沥最小，蕉门最大，西部三口门径流量约占伶仃洋总径流量的70%。沙量主要分配在蕉门和横门，虎门和洪奇沥相对较少，西部三口门来沙量约占总沙量的80%[5]。沙量在各口门的分配不匀，使得伶仃洋海域含沙量具有西北高，东南低，西槽大于东槽的分布规律[6]。上游来沙条件对河口冲淤演变有着重要影响。近几十年中，珠江上游来沙经历了两个阶段[7]。第一个阶段为20世纪80年代之前，上游来沙量呈递增的趋势。第二个阶段为20世纪80年代以后，上游水土保持工作的加强、多座水利枢纽的建设以及河网内水道的大规模人工采沙导致在上游径流量无明显变化的情况下来沙量开始减少，并从20世纪90年代开始上游来沙显著减少。2000年以后，珠江上游来沙量仅有40.70×106t/a，大约是1980年的一半[8-9]。

图1 研究区域示意图(珠江基面)Fig.1 Study area(datum of pearl river)

2 数据与研究方法

2.1 数据

应用将海图数据化得到的不同年份的地形资料对地貌演变进行定量或者定性的分析是一个比较准确可靠的方法。本文选取了1960～1970, 1980, 1990, 1999, 2005, 2012年6个年份的海图作为研究的基础数据，将海图数字化，并将所有数据统一到珠江基面，对近50 a伶仃洋西槽的地貌演变进行了分析与研究。随着测量技术的逐步成熟，现代回声探测仪在水深小于5 m时的误差约为±2～5 cm，当水深大于5 m时的测量误差小于1%，可以保证数据的精确性[10]。

2.2 研究方法

Surfer软件是美国Golden Software公司编制的一款绘制三维图的软件，具有强大的插值功能、绘图和计算能力。Surfer可以将地形数据转化成三维地形图，绘制等值线图等。其中的克里金(Kriging)插值法又称空间自协方差最佳插值法，它是以法国D.G.Krige的名字命名的一种最优内插法。克里金法广泛地应用于地下水模拟、土壤制图等领域，是一种很有用的地质统计格网化方法。

图2 断面分布示意图Fig.2 Section distribution

应用Surfer软件中的克里金(Kriging)插值法对各年代的地形数据进行45 m×45 m的高密度网格化，保证了模型的精度，建立了数字高程模型(DEM)。本文将珠江基面-7 m以下的部分定义为深槽，应用Surfer绘制了历年的等深线图以及冲淤分布图，分析了西槽平面上的变化以及冲淤分布规律；然后在西槽等距离取了12个断面P1～P12，将西槽分成了11部分WC1～WC11(图2)，分析了各部分的体积变化规律、典型断面历年形态的变化以及深泓线平面位置上的变化。

3 西槽地貌演变分析

3.1 水深图变化分析

西槽历年水深图如图3所示。1960～1970年水深较浅，大部分水深都在-8～-9 m之间，-7 m等深线曲折。1980年西槽整体冲刷，深槽中部水深集中在-9 m～-10 m，局部水深达到了-10 m以上，-7 m等深线变得顺直，并明显的向西移动。1990年西槽平面形态以及水深基本保持不变。1999年明显冲刷，西槽中部整体达到了-10 m以下，且中滩冲刷严重，中滩顶部由P1处下移到了P2下部。2005年西槽有所淤积，西槽形态与1990年相似。2012年西槽由淤积转为冲刷，P9以上深槽明显缩窄变深，P9以下深槽变宽，深槽整体达到了-13 m以下。

3.2 冲淤分布分析

图4为西槽历年冲淤分布图，图中负值代表冲刷。由图4可知1960～1980年西槽整体冲刷，P4以上冲刷较严重。1980～1990年西槽冲淤分布较乱，有冲有淤，但冲刷区域面积明显大于淤积区域面积，总体表现为冲刷特征。1990～1999年西槽及其两侧水域都表现为冲刷特征，只有在P5～P9之间局部有所淤积。1999～2005年西槽整体呈淤积趋势，在P3～P9之间西槽两侧水域略有冲刷。2005～2012年，P8以上西槽两侧水域继续淤积，西槽则由淤积转为冲刷，P8以下滩槽都处于冲刷状态。总体来讲在1960～2012年这50 a间，西槽处于一个冲刷加深的趋势。

3.3 体积变化

用12个断面将西槽分为11个部分，利用Surfer分别计算西槽各部分以及总体历年的体积和冲刷速率(见表1和表2)，进而分析西槽不同部位的冲淤演变特征。表中WC代表西槽，“-”代表淤积。

图3 西槽历年水深图Fig.3Bathymetriccharts图4 西槽历年冲淤分布图Fig.4Erosionanddepositiondistribution

近几十年西槽呈冲刷加深趋势，2012年与1960年相比西槽体积增加了12 296万m3，冲刷速率为293万m3/a。本文将西槽的冲淤变化分为3个阶段，第一个阶段为1960年到1999年，这一阶段深槽体积平稳上升，不断的冲刷，平均冲刷速率为334 万m3/a。第二阶段为1999年到2005年，深槽体积减少，不断淤积，平均淤积速率为958 万m3/a。第三个阶段是2005年到2012年，这一阶发生了严重的冲刷，冲刷速率高达1 195万m3/a。

表1 西槽体积Tab.1 Volume of western channel (×106 m3)

表2西槽冲刷速率

Tab.2 Erosion rate of western channel (×106m3/a)

编号1980-19601990-19801999-19902005-19992012-20052012-1960WC10.270.070.94-1.263.130.62WC20.28-0.090.72-0.690.520.19WC30.300.040.54-0.920.810.20WC40.070.030.45-0.600.560.13WC50.300.010.90-1.260.490.17WC60.420.070.28-0.290.460.21WC70.360.000.430.120.050.20WC80.240.120.37-0.030.580.26WC90.270.160.44-1.261.650.29WC100.510.280.43-1.661.940.36WC110.490.170.40-1.741.760.29WC3.520.865.89-9.5811.952.93

由表1和表2可知西槽每一部分的体积变化规律与总体变化规律相一致，基本满足3个阶段的变化规律。然而在径流与潮流的影响下，上游和下游的体积随时间的变化规律却有所不同。1960到1990年之间断面P6以上的部分冲刷速率要低于P6以下的部分，这是因为来自西滩的泥沙主要在西槽上游落淤，所以导致了上游冲刷速率要小于下游。1990到2005年的情况与之前相反，可以明显的看出1990年到1999年西槽上游的冲刷速率要高于下游，1999年到2005年西槽上游的淤积速率要小于下游。这是因为1990年后在西滩的鸡抱沙、万顷沙、横门滩进行了大量的围垦工程，使得水沙在蕉门、洪奇沥、横门的入海流路延长并加速流入伶仃洋，这一过程使得西槽受到一定程度的冲刷，且淤积中心向南移动。

3.4 深泓线平面变化

图5 西槽深泓线平面变化Fig.5 Variation of thalweg

伶仃洋西槽历年深泓线平面变化图如图5所示，可以发现除了1960～1970年深泓线位置与其他年份相差较大以外，1980年以后深泓线平面位置变化不大，只有局部有所移动。P3到P7之间，P10到P12之间深泓线位移相对较小，比较稳定。P1到P3，P7到P10的部分深泓线历年位移相对较大。虽然西槽深泓线历年来的平面变化规律不是很明显，但是可以发现P5处深泓线位置历年来变化最小，其上游以及下游的深泓线以P5为中心摆动，中心点在图5中已用矩形框标出。由深泓线历年平面位置变化分析可知近几十年伶仃水道航槽呈稳定趋势。

3.5 横断面分析

3.5.1 典型断面冲淤变化分析

图6 典型断面冲淤变化Fig.6 Variation of the sections

选取P6，P10两个深槽横断面(图6)进行冲淤变化分析，图6横坐标代表距离断面起点的距离，纵坐标代表断面底高程。分析结果可知近几十年来西槽一直处于不断冲刷加深的状态，1960～1970年西槽水深较小，维持在-8 m左右。1980年两个断面均有所加深，水深在-10 m左右，且各断面均向西偏移。1990年各断面均有所冲刷，断面有所加宽，水深维持在-11 m左右。1999年西槽明显刷深，水深在-11～-13 m之间，断面宽度有所增加。2005年西槽发生了淤积，水深恢复到了1990年的水平,且宽度变小。2012年的西槽刷深十分严重，断面深度在-19 m左右，且宽度明变小。

3.5.2 断面宽深比分析

图7 宽深比汇总Fig.7 Aspect ratios

宽深比为断面宽度的均方根与断面最大深度的比值，宽深比能够很好的反应断面特征，宽深比的值越小则代表断面越窄深，为了分析西槽的横断面随时间的变化规律，本文分别计算了P1～P12总共12个西槽横断面历年的宽深比，并将不同时间段的断面宽深比与断面最大深度组成坐标绘制成图(图7)，对断面宽深比进行了统计分析。分析结果表明，1960～1970年宽深比主要集中在5～7之间，最大深度主要在-8 m左右。1980年宽深比更多地集中在了3～5之间，水深更多地集中在-10 m左右，这说明西槽受到冲刷。1990年宽深比分布与1980年相似。1999年发生了冲刷，有更多的断面水深在-11 m以下，断面宽深比主要分布在3～5之间，并且出现了一个断面的宽深比小于3，这说明这一断面附近的区域冲刷严重。2005年断面宽深比的分布规律与1990年相似，这说明发生了淤积。2012年断面宽深比集中分布在1～3之间，宽深比在3～9范围内的断面仅有3个，水深主要分布在-20 m左右，这说明西槽在2012年发生了严重的冲刷，并且深槽宽度变窄。

4 西槽地貌演变原因分析

4.1 人类工程活动概况

在1978～2003年期间，伶仃洋的土地围垦面积达2.598×104hm2[11]，在珠江口4个水域中土地围垦面积最高，伶仃洋西部岸线向海迅速推移，泗东湾，蕉门和横门附近有大量的土地形成，使得口门向海推进，入海流路延长，入海泥沙加速流入伶仃洋水域[12]。

1975～1979年，为满足黄埔新港建设的需求，对伶仃航道进行了拓宽浚深，工程后航道底宽160 m，水深8.6 m。1996年6月至1997年12月进行了广州港出海航道预备工程，对航道按底宽160 m，底高程-10.5 m的标准浚深。随后在1998～2000年间进行了广州港出海航道一期工程，设计标准为底宽160 m，底高程-11.5 m。2004～2006年进行了广州港出海航道二期工程，按照底宽160 m，底高程-13.0 m 的标准进行浚深[13]。为配合南沙港区建设，在2006年按照底宽250 m，底高程-13.0 m的标准对伶仃航道进行了拓宽[14]。2007～2011年按照航道有效宽度为243 m，设计底高程为-17.0 m的标准进行了广州港出海航道三期工程[15]

4.2 各时期演变原因分析

1960～1970年间西槽体积为历年来的最小值(表1)，深泓线位置较其他年份更偏向东边(图5)，断面水深也处于历年来的最小值(图6)，断面宽深比较大，主要集中在5～7之间，说明深槽较宽浅(图7)。在这一时间段内人类工程较少，上游来沙量较大，西槽在这个时间段内受自然因素所主导，大量泥沙在西滩落淤，因西滩的压迫导致西槽不断地淤浅，萎缩，东移。

1970～1980年间西槽两侧水域明显淤积(图4)，西槽体积明显增加(表1)，深泓线西移(图5)，断面加深(图6)，断面宽深比更多地集中在了3～5之间，说明深槽变深(图7)。这期间上游来沙量增大，使得西槽附近水域以淤积为主，1975年在西槽进行的拓宽浚深工程，直接导致了西槽冲刷与西移。在上游来沙量增加以及拓宽浚深工程共同作用下使西槽在这一时间段内表现为深槽冲刷，浅滩淤积的地貌演变特征。

1980～1990年间西槽体积略有上升(表1)，深槽整体呈现冲淤平衡且轻微冲刷趋势。这一时期没有大型的航道整治工程，上游的来沙量也呈逐年下降趋势，在西滩进行大量的围垦工程使得大量泥沙淤积在围垦区域，导致流入伶仃洋水域的泥沙明显减少，进而降低了西槽的淤积速率，因此西槽在这一段时间表现为冲淤平衡且轻微冲刷的地貌演变特征。

1990～1999年西槽体积明显增加(表1)，深槽整体刷深(图6)。这一阶段上游来沙量显著减少，西滩围垦力度加大，使得水沙入海流路延长并加速流入伶仃洋，促进了西槽的冲刷，西槽淤积中心南移(表2)，期间进行的广州港出海航道预备及一期工程为西槽冲刷的直接原因。

1999～2012年西槽进一步冲刷，期间进行的广州港出海航道三期工程为深槽冲刷的主要原因。上游来沙量继续减少，但由于当地政府监管力度加强，围垦力度大大减弱，这使得流入伶仃洋水域的泥沙有所上升，进而导致西滩发育，有所淤积。

总体来说，伶仃洋西槽20世纪80年代前在自然因素的主导下呈淤积态势。20世纪80年代以后受上游水库大坝建设，西滩围垦，航道工程等人类工程的影响，西槽呈冲深发展态势。

5 结论

(1)20世纪80年代以前上游来沙量较大，西槽不断淤积变浅。80年代以后上游大规模的水库大坝建设使得上游来沙量逐年减少，降低了西槽的淤积速率，对航道的稳定与维护起到了积极的作用。(2)西滩围垦工程使得口门向海推移，入海流路延长，入海泥沙加速流入伶仃洋水域，这一过程使得西槽受到一定程度的冲刷，且淤积中心向南移动。(3)20世纪80年代以后，为满足广州港出海航道通航要求，在西槽进行了一系列较大规模的航道整治工程，并持续对其进行疏浚维护，使得西槽的地貌演变主要受航道整治工程影响而不断冲刷加深。持续对西槽进行疏浚维护以及上游来沙量的减少使得西槽内的淤积速率较低且呈冲深发展态势，该趋势有利于航道的稳定和维护。

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