珠江河口澳门机场周边水域洪枯季潮流动力环境分析

2019-06-04方神光

中国农村水利水电 2019年5期

方神光

(珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州 510611)

澳门附近水域位于珠江口伶仃洋西侧，伶仃洋属于典型弱潮型河口，口门位置桂山岛平均潮差为1.10 m，大虎为1.69 m[1]，地形地貌呈现为典型的“三滩两槽”格局[2]，东槽和西槽为伶仃洋主要的泄洪纳潮通道，河口受径流和季风作用影响明显，常年存在较为显著的西南向沿岸流[3]。从20世纪70年代开始，伶仃洋水域和澳门水域都经历了大规模的围垦，至本世纪初大致形成了现有的岸线格局。伶仃洋口门断面和暗士顿断面的进出潮量分别占伶仃洋水域总纳潮量的87.7%和12.3%[4]，由于近30年的围垦导致伶仃洋水域面积显著缩小，水域纳潮量减小约11.79%[5]，但珠江口的滩槽格局基本仍保持不变，容积则呈现增加态势，仅从1999-2011年间，增加了1.84 亿m3，增加2.83%[6]；上世纪80年代至1999年，珠江三角洲河网平均刷深5.43 cm/a，1999年至2008年才减缓为0.32 cm/a，其中西江片河网刷深是北江片河网刷深的4.9倍[7]；西北江河网片不同的下切幅度导致珠江河口东四口门分水分沙占比大幅提升，伶仃洋水域水动力场整体增强，流速普遍增大0.1 m/s，悬沙浓度整体升高，平均增加0.02～0.05 kg/m3[8]。

澳门海域潮流强度中等，平均约0.6 m/s，落潮流速比涨潮流速一般大20%～30%，多年平均潮差约1.1m[9]。受上游径流携沙影响，澳门水域有高浓度悬沙带的存在[10]，且来自洪湾水道径流输沙量占总径流输沙量的82.0%～98.2%，湾仔水道的径流输沙量约占1.8%～2.1%[11]；由洪湾水道径流携带泥沙出洪湾水道口门后，水沙扩散，且受到十字门水道和湾仔水道水流的顶托，流速急剧减小，泥沙极易在汇流区和澳门水道落於[12]，而近些年澳门水域的急速围垦和大量涉水工程建设进一步加剧了这一趋势，许多开发活动并没有遵循水域发展的自然规律，泥沙的回淤已使一些港航设施的利用受到一定限制，过度的围垦更带来了新的环境问题[13]。本文采用实测水文资料，对澳门水域围垦最为显著的澳门机场附近潮流动力环境特性进行了详细分析和探讨。

1 澳门附近水域及实测水文资料

澳门附近水域受岛屿分隔，水域内形成东、西向的澳门水道，该水道西接洪湾水道，东连伶仃洋，南北方向有湾仔水道和十字门水道，各水道互相贯通，呈十字形交汇，如图1所示。澳门水道水沙汇入伶仃洋，是澳门附近水域泄洪、输沙和潮流的主要通道。澳门水道径流和泥沙主要来自洪湾水道[11]，该水道分洪量约占磨刀门径流量的 12%～18%[14]，由于束水归槽，河道单宽动力增加，总体呈现小幅度冲刷状态[15]。为分析不同径潮动力组合下澳门机场周边水域潮流动力特性，分别选取了临时测点和浮标测站的水文资料，分布位置如图1所示。

(1)临时布测3次：1994年7月23日-7月31日(简称“94.7”)的4个测点(巡1～巡4)，1997年8月31日-9月4日(简称“97.9”)的5个测点(散1～散5)，1997年3月25日-3月30日(简称“97.3”)的3个测点(散1～散3，与“97.9”散点一致)；

图1 澳门水域水系及测点布置图Fig.1 River system and survey points layout in Macau water area

(2)固定浮标测站1个：机场浮标站，浮标站的投放时间是2015年底。

根据临时测点和浮标站与澳门机场的位置关系及时间点，可以将澳门机场周边水域大体分为北侧水域和南侧水域，各站点实测时间及所处位置如表1所示。

表1 澳门机场附近水域洪枯季测点布置表Tab.1 Survey points layout during dry and flood season in Macau water area

2 潮流动力特性

2.1 洪水期潮流动力特性

洪水期以“94.7”为典型，实测站点涨落潮流速、流向和历时如图2所示。其中，巡1和巡3的水文测验时间处于大潮～中潮期，巡2的水文测验时间处于小潮期，分析可见：

图2 “94.7”洪水期潮流特征值Fig.2 Characteristics of tidal flowing during flood season in July, 1994

(1)潮动力越强，涨落潮流速也越大，如机场北侧水域巡3测点的表、中、底层涨潮平均流速比机场南侧水域巡2测点大56.2%，25.7%和19.5%，落潮平均流速分别大33.8%，17.3%和9.3%；潮流动力越弱，涨潮流速和落潮流速相差越大，如北侧水域落潮流速整体比涨潮流速大约41.4%，南侧水域大约62.5%。

(2)机场北侧水域表、底层涨落潮流向基本一致，涨、落潮主流向都是以NW向和ESE向为主；南侧水域表层和底层涨潮主流向分别是NNE向和WNW向，底层涨潮流向明显较表层向左偏转，落潮主流向都以SSW向为主。

(3)大潮时，机场北侧水域表、中、底层涨落潮历时相差不大，涨落潮历时之比为0.82；小潮时，机场南侧水域表、中、底层平均涨落潮历时之比为0.14，显示涨潮历时显著减小，落潮历时显著延长，且呈现由表层至底层涨潮历时增大的趋势。

(4)机场周边水域余流流速整体呈现由北向南递增趋势；表层余流都大于底层，且越往南，表、底层之间的余流相差也越大；从余流流向来看，机场东北侧水域余流流向以S向为主，机场北侧澳门水道出口余流流向以ESE向为主，机场南侧水域余流流向以SSW向为主，机场周边水域余流流向由北向南总体呈现顺时针偏转趋势。

2.2 中水期潮流动力特性

中水期以“97.9”为典型，为大潮期，实测站点涨落潮流速、流向和历时如图3所示。可见：

图3 “97.9”中水期潮流特征值Fig.3 Characteristics of tidal flowing during mean-flux period in September, 1997

(1)涨潮流速总体由北至南递减，表层落潮南侧水域大于北侧，中层相差不大，底层北侧大于南侧；落潮流速整体大于涨潮流速；

(2)机场北侧水域涨潮流主流向以NNW向为主，落潮流向以SE～S向为主；机场南侧水域落潮流以SSW向为主，较为稳定，涨潮流向由表层的NE向变化到底层的NNW向，随水深呈现左偏；

(3)机场周边水域平均涨、落潮历时之比为0.85，与洪水大潮期基本一致，可见大潮时澳门周边水域主要由潮汐动力控制，径流作用不明显；涨潮历时随水深有所增加；机场南侧水域涨潮历时略小于北侧，落潮历时则相反；

(4)机场周边水域表层和中层余流流速由北向南递增，底层余流流速很小；表层余流都大于底层，差值由北向南扩大；从余流流向来看，机场北侧水域余流流向由表层的ESE向变化到底层的SSW向，机场东北侧水域的余流流向由表层的S向变化到底层WSW向，显示机场北侧水域余流流向随水深呈左偏；机场南侧水域表、底层余流流向则较为稳定，以S向为主。

2.3 枯水期潮流动力特性

枯水期以“97.3”为典型，为中潮期，实测站点涨落潮流速、流向和历时如图4所示。可见：

图4 “97.3”枯水期潮流特征值Fig.4 Characteristics of tidal flowing during dry season in March, 1997

(1)机场水域表层涨潮流速北侧大于南侧，底层则小于南侧，落潮流速变化趋势则相反；南北侧水域中层涨落潮流速相差不大；表层和中层落潮流速大于涨潮流速，底层略小于涨潮流速；

(2)机场北侧水域涨、落潮潮主流向分别以N向和S向为主，表、中、底层相差不大；南侧水域表、中、底层涨潮流向由WNW向偏转到N向，变化较为复杂，落潮主流向较为稳定，以S～SSW向为主，随水深向左偏转；

(3)机场周边水域平均涨、落潮历时之比为0.76，小于大潮期；平均涨落潮历时随水深增加，涨潮历时随水深增加；南侧水域涨潮历时小于北侧，落潮历时大于北侧；

(4)机场周边水域余流流速北侧小于南侧，表层余流都大于底层，且越往南，表、底层之间的余流相差也越大；从余流流向来看，北侧水域余流流向由表层的SSW向逆时针偏转到底层的NE向，变化较大，南侧水域余流流向总体较为稳定，以SSW向为主。

2.4 机场浮标站潮流动力特性

机场浮标站处于澳门机场东南角水域，统计结果如图5所示。洪季和枯季都为大潮期，可见：

(1)洪季，该站点涨潮流速、落潮流速和余流流速大小由表层向底层递减；涨潮主流向由表层NNE向变化到底层的ENE向，变化幅度略大，落潮主流向以S向为主；余流为S向，表、中、底层基本一致；洪季涨、落潮平均历时之比为0.63，涨潮历时由表层向底层递增，落潮历时递减；

图5 机场浮标站潮流特征值Fig.5 Characteristics of tidal flowing at the Airport buoy station

(2)枯季，该站点表层涨潮流速小于中层和底层，落潮和余流流速则由表层向底层递减；涨潮主流向由表层NNE向变化到底层的NW向，变化幅度较大；落潮流向和余流流向均较为稳定，表、中、底层均以SSW向为主；枯季涨、落潮平均历时之比为0.56，小于洪季，涨潮历时由表层向底层递增，落潮历时递减；

(3)洪、枯季比较来看，机场东南角水域洪季涨、落潮流速整体大于枯季；洪、枯季表层涨潮主流向变化不大，都以NNE向为主，底层洪季涨潮主流向较枯季向东偏转；洪季表层余流流速略大于枯季，中、底层则总体相差不大；洪季涨潮历时长于枯季，落潮历时相反。

3 机场周边水域潮流态势分析

3.1 涨落潮流整体态势分析

图6给出了机场周边水域测点洪枯季的涨落潮流态势。

(1)涨潮流态势：澳门机场附近水域涨潮水流来自南面海区，洪季，表层涨潮流在澳门机场以南流向为NNE(巡2)，至机场东南侧受岸线影响向东偏转为NE向(机场浮标站)，至澳门水道出口，一部分涨潮流进入澳门水道(巡3，NW向)，另一部分涨潮流则继续北上(巡1，N向)；洪季机场东北侧、北侧和南侧底层涨潮流态势与表层基本一致，南侧水域底层(巡2)涨潮流向较表层显著向左偏转。枯季，机场周边水域表层涨潮流相较于洪季整体向西发生较大幅度的偏转，最为显著的如机场东南侧涨潮流向西偏转106°(机场浮标站)，枯季底层涨潮流向主要以N向和NNE向为主，较表层向右偏转明显，较洪季也呈现向东偏转。

(2)落潮流态势：澳门附近水域落潮流来自两方面，一部分是洪湾水道至澳门水道的径流，另一部分是伶仃洋湾口的落潮主流；洪季，来自伶仃洋西滩下泄径流以S向为主(巡1)，与澳门水道下泄径流(巡3)汇合后，至机场东南端受岸线走向影响，仍以S向为主(机场浮标站)，与伶仃洋主槽下泄径流汇合后向西偏转，以SSW向为主(巡2)，洪季表、底层落潮流向基本一致。枯季，来自径流的作用显著减弱，与洪季落潮流比较来看，呈现表、底层整体落潮流向东略有偏转的趋势；从表、底层落潮流向来看，机场东北侧水域表、底层落潮流向一致，机场南侧和东南侧水域底层落潮流较表层略向西偏转。

图6 澳门机场周边水域涨落潮特征矢量图Fig.6 The characteristic vector map during flood and ebb in water area surrounding the Macau Airport

(3)余流态势：澳门机场周边水域整体余流流态以S～SSW向为主，流向呈现环绕机场顺时针偏转态势，表层余流由北向南递增；从底层余流分布来看，整体呈现南侧水域大于北侧，与表层余流分布基本一致，但洪季底层余流明显要大于枯季；比较表、底层余流，不论洪、枯季，表层余流都要大于底层，且枯季表、底层余流相差较洪季大。整体来看，澳门水域表层余流变化范围为0.12～0.41 m/s，底层余流变化范围为0～0.21 m/s。

总体来看，澳门机场周边水域落潮流态都较为明确，北侧澳门水道出口以ESE向为主，东北侧伶仃洋水域以S向为主，南侧以SSW向为主，洪枯季流态及表、底层差别不大，落潮流速总体呈现南侧大于北侧；涨潮流态则变化较为复杂，相较于洪季，枯季涨潮流态整体向西偏转，洪季底层流向较表层向左偏转，枯季则向右偏转，涨潮流速总体呈现南侧小于北侧。由于珠江河口洪季盛行西南风或东南风，枯季盛行东北风，对涨落潮流态及余流影响显著[3]。另外，随着澳门半岛东侧的珠澳口岸人工岛和澳门填海A区(见图1)大规模围垦造陆的完成，机场北侧澳门水道出口水域涨、落潮动力由于人工岛将部分向北上溯的涨潮流导入澳门水道以及束流作用可能将有所增强，但对机场西侧水域影响不大；机场北端西侧客运码头防波堤以及氹仔岛北端浅滩的围垦工程将机场西侧水域北侧进口宽度缩短了近70%，将显著降低机场西侧水域的落潮流流势。

3.2 涨落潮历时分析

(1)澳门机场涨落潮历时之比同时受径潮动力影响明显，潮动力越强，涨潮历时也越长，径流动力越强，涨潮历时则越短；“97.9”中水大潮得到的该水域表、中、底层涨落潮历时之比分别为0.72，0.86和0.97，“97.3” 枯水中潮得到的该水域表、中、底层涨落潮历时之比分别为0.5，0.85和1.0，除表层略有差距外，中层和底层相差较小，得到澳门水域大潮和中潮表、中、底层平均涨落潮历时之比约为0.6，0.9和1.0；“94.7”获得的澳门水域小潮期的表、中、底层涨落潮之比为0.1～0.2，远小于大潮和中潮。

(2)澳门水域北侧涨潮历时整体大于南侧，落潮历时则整体小于南侧，且呈现潮型越小，南北侧涨落潮历时相差越大的趋势；从澳门机场周边水域“97.9”和“97.3”同步水文测验来看，“97.9”中水大潮(图3)得到的澳门北侧水域和南侧水域涨、落潮历时之比分别为0.87和0.81，“97.3”枯水中潮(图4)得到的澳门机场北侧水域和南侧水域涨、落潮历时之比分别为0.93和0.66。

(3)澳门机场周边水域表、中、底层涨落潮历时之比总体呈现由表层向底层增加的态势，显示：①在涨、落潮的交替时刻表、底层之间存在反向流动；②表、中、底层涨落潮历时之比基本都小于1说明了澳门水域基本呈现涨潮历时小于落潮历时，在平均落潮流速大于平均涨潮流速的实际情况下，显示物质净输出的方向指向落潮方向，与余流流向一致；③由于涨落潮历时之比随水深增加，与表层余流随水深方向减小的趋势相对应。