磨刀门拦门沙发育演变影响因素分析

2019-02-28志伟

人民珠江 2019年2期

，，，，志伟

(珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州510611)

磨刀门河口研究与其开发整治过程紧密结合，其研究方法主要有数值模拟、物模试验、实测资料分析及遥感信息技术等。在整治初期，磨刀门河口尚处于自然状态，呈多口门入海。这时期主要以实测资料分析为主[1]。随着《珠江流域综合规划》编制工作的推进，开展了河口规划、治理相关的研究。主要从河口功能、定位等方面[2-3]论证磨刀门河口整治工程效果，拦门沙在河口系统中的作用尚未引起重视。20世纪90年代以后，随着磨刀门口门整治规划实施的完成，磨刀门河口逐渐延伸至横琴岛以外，口外拦门沙发育逐步摆脱了整治初期的混沌格局，形成现在滩槽分异的格局[4]。拦门沙主体稳定在三灶—横琴—横洲岛一线以南[5]。许多学者从动力过程、泥沙输移、地貌结构等不同切入点对开始关注拦门沙问题，采用了实测数据分析[6-7]、数学模型[8-9]、遥感技术[10]、物理模型[11]、泥沙运动机理[4、12]和人类活动影响[12-13]等多角度对磨刀门拦门沙的形态演变展开研究，初步阐述了拦门沙演变基本规律[4-6]。胡达[4]研究了在波浪作用下拦门沙的演变规律，发现波浪横向搬运使拦门沙淤高，纵向搬运使泥沙西运并沉积于西侧交杯浅滩。王世俊[6]采用三水、马口站实测水沙资料，分析磨刀门河口1960—2000年的水沙变化，探讨了磨刀门河口水沙变化与纵、横断面及口门形态的响应模式。但究竟通过何种方式、采用哪些途径来适应上游水沙变化及外海海洋动力，尚未回答清楚。吴天胜[11]等利用拦门沙水槽断面模型验证了在洪水、波浪共同作用下，拦门沙附近出现的“波浪掀沙，径流输沙”特征。Jia[12]则从底部剪切应力和泥沙再悬浮的角度出发，阐明了潮动力同样对拦门沙形态塑造有重要影响。梁娟[13]、贾良文[14]等从人类活动影响的角度对磨刀门口拦门沙的形态演变展开研究。近年来，随着水沙变异、河口格局异变及人类活动影响加剧[15-16]，磨刀门河口发育演变趋于复杂化。传统研究基于实测资料分析、数值模拟、物模试验及遥感信息技术基础上探究拦门沙演变规律，割裂了不同因子耦合与演变响应，难以揭示拦门沙发育内因。本文在总结已有研究成果基础上，分析磨刀门河口水动力及其伴生过程对拦门沙演变的影响，探求不同因子耦合与演变响应机制，甄别影响拦门沙演变的关键因子。

1 磨刀门河口复杂动力环境

1.1 珠江河口水系结构中的独特地位

磨刀门作为世界上水系结构、动力特性、人类活动最复杂的珠江河口的入海口门之一，与其他口门整体互动、耦合共生，水系见图1。磨刀门河口为西江干流的主要出海口，亦是珠江三角洲的首要泄洪、输沙入海通道，其泄洪、输沙量均居珠江八大口门之首，直接关系到珠江三角洲及珠江流域的防洪安全，决定了其独特地位。

图1 磨刀门附近水系

1.2 河口动力过程复杂性

近30多年来，经过系统整治河口形势基本稳定，原磨刀门浅海区形成“一主一支”的河道格局，为八口门中唯一直面外海的口门。磨刀门河口动力过程的影响因素复杂性除珠江河口的共性问题外仍存在独特性[17]。在新形势下，口门外动力环境发生了较大的变化，拦门沙区除受径流、潮汐影响外，还受风浪、西南沿岸流的影响，水流动力环境更趋复杂。

1.3 复杂人类活动加剧河口变化

人类活动诸如上游水利开发、河网区联围筑闸、河口滩涂围垦、航道整治开挖、涉水工程建设、河道采砂(隐蔽性和随机性更甚的偷采偷挖)等对河口动力过程影响巨大，极大地改变网河及河口区径、潮动力结构和网河汊道水沙分配，致使河口径、潮、沙运动等动力及伴生过程的调整，客观上加大了对河口动力过程研究的难度，且拦门沙发育演变复杂多变。

1.4 磨刀门河口拦门沙的独特性

磨刀门河口拦门沙两翼伴生汊道，与珠江河口其它口门相比具有多元的非均衡性典型地貌结构。在波、流等因素耦合作用下，横洲口下泄洪水冲破拦门沙，展现出新的滩槽发育格局。拦门沙具有沙体高、顶部水深浅、纵横比小的特点。

2 磨刀门河口拦门沙演变特征

磨刀门口外地貌单元主要由汊槽及浅滩组成。两者发育耦合伴生，不可分割。文献[10]分析了磨刀门河口2009年以前的拦门沙演变过程。在此基础上，采用1993、2000、2003、2005、2008年及2011年实测地形资料及遥感影像图绘制了磨刀门出口汊槽及拦门沙变化对比(图2)，图3为中心拦门沙区纵剖面变化情况，表1统计了中心拦门沙区断面形态变化。基于实测资料分析及前人研究成果，对磨刀门河口演变特征认识如下。

2.1 汊槽发育演变

20世纪90年代至今，横州出口主槽继续呈现“一主一支”的分汊格局。其中，主汊深槽呈向西南纵深延伸之势；东汊原二级分汊消失，形成单一分汊向东南延伸。东汊发育明显弱于西汊，即发育呈明显不对称性。2000—2005年，延伸拓展速度最快，槽道进一步分化，东汊向东南发展迅速，-3 m以深槽道贯通外海；2003—2011年间，东汊横向平均扩宽约672 m，-5 m深槽前沿向东南延伸了约2 592 m。西汊继续向西南延伸，发展速度平稳；2003—2011年间，西汊-5 m深槽前沿向西南延伸了1 631 m。且经“05·6”洪水冲刷后，东汊、西汊前端拦门沙坎均被冲开，-3 m等高线大幅退缩，东汊发育较快。

经过近30多年的演变，拦门沙东汊逐渐发育扩宽，口外深槽由原来不对称型分汊逐渐向对称型分汊转变，形成以拦门沙为主体，西汊为主汊、东汊为支的分布格局。

2.2 中心拦门沙发育演变

磨刀门整治工程完工后，平面上(图2)，河口拦门沙-3 m等高线整体向外海推移，2000—2003、2003—2005、2005—2008、2008—20011年，中心拦门沙向外海移动距离分别为52.5、290.3、84.9、102.2 m。2000年中心拦门沙与东、西侧拦门沙连成一片，随着东、西汊道的发育，2005年中心拦门沙与东、西侧拦门沙分离，随后中心拦门沙呈明显淤积状态，-3 m等高线包络面积及体积呈增大趋势，2011年相比2008年，中心拦门沙面积虽然受挖沙影响而减小，但拦门沙仍呈淤积状态，且向西南方向延伸。

a) 1993年等高线

b) 2000年等高线

c) 2003年等高线图2 磨刀门河口拦门沙等高线变化

d) 2005年等高线

e) 2008年等高线

f) 2011年等高线续图2 磨刀门河口拦门沙等高线变化

由表1可知，纵向上，内坡向海推进1 231 m，推进速率达64.4 m/a，外坡向陆退缩距离达1 025 m，退缩速率达56.9 m/a，拦门沙内外坡的不断冲刷使其南北径缩短。滩顶(中心拦门沙最高点)呈淤积加高态势，1994年以来中心拦门沙滩顶共计淤高1.34 m，同时滩顶位置向海推进约886 m。内坡冲刷的原因主要是磨刀门整治工程完工后，上游水流集中、动力加强，径流对床底的冲刷作用加大，同时也与“94·6”“98·6”两次特大洪水有关。

拦门沙整体呈内坡冲刷，滩顶淤积加高，南北径缩短，分汊点南移，沙体不断向东南、向海延伸。在复合动力作用下，拦门沙体沉积重心表现为向西南移动。

图3 1994—2011年中心拦门沙纵剖面变化

时间内坡位移距离外坡位移距离分汊点位移距离滩顶位移距离滩顶高程变化1994—2000年270-213388-7341.052000—2005年285-5933221 9890.162005—2007年321-183197-350-0.142007—2011年355-35316-190.27

2.3 西侧拦门沙演变

2000年交杯四沙-1 m浅滩已与交杯沙连为一体，在“05·6”大洪水作用下沙体受到冲决，重新与交杯沙主体断开，呈长轴正北走向的椭圆形；至2007年，椭圆长轴向西偏转，走向呈EN-SW走向，2011年交杯四沙恢复新月形沙体，此即交杯沙在大洪水和波浪不同阶段作用下的演变过程。

总体上，交杯沙在波浪作用下呈新月形发育，不断向交杯岛靠拢并岸，同时在南侧有新的沙体生成。交杯四沙向陆并岸的过程中，易受到洪水冲决作用，平面形态发生一定变化(图4)。

图4 交杯沙浅滩附近-1 m等高线变化

3 动力因子对拦门沙发育演变的作用

磨刀门河口动力结构由径潮流、波浪、盐度、泥沙及沿岸流组成。割裂不同动力因子互耦与演变的响应，难以揭示拦门沙发育内因。研究必须把不同特征的动力因子耦合，并将河口作为一个有机的整体进行系统研究。

3.1 近岸动力输移机制分析

通量机制分解的方法以其明确的物理概念得到了众多河口专家的认同，被用于分析不同的边界条件和动力因子对物质输运的贡献[18]。其中，平流输运、潮泵效应分别代表了径流、风为主与潮流为主的动力的输沙作用，而垂向净环流输移项，则反映垂向净环流对输沙的贡献。

3.1.1各动力因子对泥沙输运的贡献

2011年12月4—13日和2012年5月7—14日分别开展了水文观测，枯季(B)、洪季(C)在磨刀门河口布置了7个测点，见图5。利用通量机制分解的方法对上述实测资料进行分析，洪、枯两季潮周期内净输沙率及各项组成统计结果见表2、3。

图5 水文测验测点布置

时期项目测点C1C2C3C4C5C6C7洪水大潮净输移/(10-3kg·m·s-1)91.631.091.505.94-10.032.47-3.62角度/(°)15320313621181247243平流输运/(10-3kg·m·s-1)100.423.18.86.32.81.8角度/(°)3294328922508175潮泵效应/(10-3kg·m·s-1)7.80.62.22.93.70.21.2角度/(°)32851278312329481垂向净环流(10-3kg·m·s-1)10.50.450.120.460.161.15洪水小潮净输移(10-3kg·m/s)32.851.302.091.32-5.80-1.18-1.66 角度/(°)157204196191858983平流输运/(10-3kg·m·s-1)44.323.22.451.63角度/(°)33661353345106267281潮泵效应/(10-3kg·m·s-1)6.51.30.810.50.20.7角度/(°)33052334330116268278垂向净环流/(10-3kg·m·s-1)-5-1.09-0.717-0.9550.370.22-0.75

由表2可知，在各项对泥沙输运贡献上看，磨刀门出口的平流输运量级大于其他项1个量级以上，是悬沙向海输运的主要控制因素；空间上，外海的平流输运是悬沙向西南输运的主要控制因素；潮泵输运是悬沙向陆输运的主要控制因素；空间上，潮泵输运是悬沙向东北输运的主要控制因素；垂向环流输运在冬季对悬沙输运作用特别显著，对其净输运极为重要。

表3 枯水期潮周期净输沙率与各项组成

3.1.2泥沙悬浮通量的影响因子

悬沙与底沙交换的过程表现为泥沙的再悬浮与沉降。表4统计了潮周期内泥沙交换特征。由表4可知，洪季悬沙落淤量为17.17×106kg，口门与外海的交换量则为17.03×106kg，基本平衡，整体悬沙变化量不大，口门区表现为稳定堆积；枯季口门区表现为冲淤交替，在小潮时，口门区的再悬浮量与外海的悬沙交换量正相关。究其原因，枯季风浪动力强且具有很强的随机性，不同时空上均可能出现泥沙悬浮与沉降，进而影响口门区内的悬沙浓度。

表4 悬沙交换特征

注：正值表示净悬浮，负值表示沉降

近底流速在床面的拖拽力大小是决定泥沙颗粒再悬浮强度的关键因素之一。图6、7绘制了洪、枯季再悬浮通量与近底流速值的变化趋势。洪季，再悬浮通量与近底流速相关性较好，而枯季的相关性较差。表明枯季引起底沙再悬浮的主要动力因子并非径、潮运动所致的流速。究其原因，枯季磨刀门河口波生流对拦门沙及河口浅滩区的潮流流场影响较大[19]，进而判断该现象与风浪的掀沙有关。

图6 洪季底沙悬浮通量与流速的关系

图7 枯季底沙悬浮通量与流速的关系

3.2 波流耦合动力对拦门沙发育演变的影响

塑造拦门沙的动力因子很复杂，对磨刀门拦门沙纵剖面形态而言主要动力因子为径流和波浪。文献[10]中物理模型试验数据表明：洪水可使拦门沙内坡、滩顶发生冲刷，滩顶外移，但顶高程基本不变；在波流共同作用下，拦门沙内、外坡均发生明显冲刷，拦门沙顶淤高，见图8。考虑波浪时，不仅对经拦门沙滩顶的下泄径流有顶托作用，且能为其增加泥沙源，进而使拦门沙滩顶淤高。

a) 单纯洪水作用下拦门沙剖面冲淤变化图8 物模试验条件下不同动力作用下拦门沙剖面冲淤变化

b) 洪水耦合波浪作用下拦门沙剖面冲淤变化

3.3 近岸动力系统对拦门沙发育演变的影响

实测资料显示，枯季(9月下旬至次年4月)珠江口盛行东北风。磨刀门口海域在南海东北季风的驱动下形成稳定西南沿岸流，见图9。悬沙总体上表现为东北向沿岸来沙，西南向沿岸排沙的输移规律。由输运动力机制分析可知，该时期，拦门沙呈冲刷或淤积状态均可。

磨刀门口出口、东侧断面是稳定的输入通道，南侧断面是稳定的输出通道，西侧断面在不稳定近岸流的影响下为输入或输出通道均可，见图10。在此条件下，磨刀门口以淤积悬沙为主，即5、9月的不稳定近岸流阶段悬沙从河道输向外海输出，少量淤积于河口和向南侧输出河口，大部分沿近岸流向西、向东输出可。6—8月，珠江口盛行西南季风，磨刀门口海域强劲的东南近岸流，见图11。高含沙水体由出口断面稳定输入，从南、东侧断面输向外海，输移距离与洪水量级正相关。此时，磨刀门口以冲刷为主。

a) 12月份情况

b) 3月份情况图9 枯季东北季风西南向流势

图10 转季风期的不稳定近岸流势

图11 洪季西南季风东南向流势

4 不同因子耦合与演变响应机制

磨刀门河口拦门沙两翼伴生汊道，与珠江河口其它口门相比具有多元的非均衡性典型地貌结构。在新形势下，横洲口外新的滩槽发育格局形成是径、潮、风、波浪等多种动力耦合作用的结果，但不同动力所起的作用不同。

a) 磨刀门口滩槽发育取决于珠江河口系统的动力结构。珠江河口广泛存在着“径流偏右而出，潮流偏左而入”的径潮平面环流结构。磨刀门河口整治后，口外这种平面环流结构更加清晰(图12)。洪季，洪水强大的惯性力使磨刀门口外滩槽出现分异，西汊发育成涨落潮的主要通道。枯季，上游来水来沙减少，潮流作用加强，口门附近的悬沙以浅滩风浪掀沙为主，在涨落潮作用下泥沙出现二次搬运。落潮时，受西南向沿岸海流及柯氏力的作用在珠江河口形成从北至南、从东至西的沿岸输沙带(图13)。东汊的东向发育受到其制约，没有强大的出口径流作用很难冲决该输沙带。进而形成以西汊为主、东汊为支的滩槽格局，两槽之间扇型拦门沙发育，两侧岸滩发育。

b) 中心拦门后坡外缘走向与波向、落潮输沙方向相关。图14、15分别为磨刀门整治后期拦门沙外缘、近期拦门沙脊前的波浪波破碎带。中心拦门沙后坡同时受珠江河口落潮输沙带和波浪的长期影响，其后坡外缘走向与两者关系密切，其走向与磨刀门口外常浪向SE方向近似垂直，亦与落潮输沙带走向基本一致。珠江口枯季强劲的落潮流制约了拦门沙向外扩展，同时修饰外缘形态；波浪形成的滩面掀沙随落潮流二次搬运，后坡泥沙颗粒变粗，沙脊逐渐稳定；过境落潮输沙在波浪作用下向陆推动，促进过境泥沙在拦门沙脊及后坡淤落。两者相互作用，使拦门沙后坡外缘及其沙脊逐渐沿长浪向近似垂直的方向延伸。