（物理海洋学专业论文）珠江虎门河口近二十年来的水沙特性变化及地貌动力分析.pdf

摘要 随着经济技术的发展，虎门已成为广州港主要的出海通道，是广州重要的 经济命脉线。虎门两岸基岩石矗立，具有珠江三角洲的典型动力- 沉积- 地貌 体系门，门的存在使其水、沙动力特性有别于其它河口地区而发育双向 不对称射流，且在人力和自然力的共同作用下，尤其是从二十世纪七十年代朱 以来由于人类活动如围垦、航道疏浚等的影响，虎门地形发生了很大的改变， 河槽加深、河宽束窄；鸡抱沙浅滩被围垦成陆，凫洲水道受垦区堤坝的束缚， 水道岸线稳定，河床形态趋于稳定；万倾沙垦区形成促使蕉门南支水道往东南 方向延长数公里。地形的显著变化必定影响区域的水动力和泥沙输运特性。在 本文运用历史海图对比法比较二十世纪七十年代与二十世纪九十年代的地形差 异，并分别模拟两个年代的代表水沙场，根据实渊资料和数值模拟结果分析二 十世纪九十年代的水动力和泥沙输移特性，并与二十世纪七十年代水沙特性进 行对比，探求在地形变化条件下的水动力和泥沙变化规律；同时运用地貌动力 学、沉积学、河口学、河流动力学等多个学科的理论为指导对虎门的地貌动力 特性进行初步探讨。 研究结果表明虎门的水动力特性与虎门的独特地形是分不开的，喇叭型河 口和狭口的聚能作用是虎门双向不对称射流发育的基础，地形的变化是虎门水 动力变化的主要原因。二十世纪九十年代凫洲水道受岸线束缚水动力相较二十 世纪七十年代增强。挤迫虎门射流水体使射流集聚程度加大，口门处射流轴 线东偏，往南则因为鸡抱沙垦区对虎门射流卷吸的限制导致了射流轴线的西偏。 虎门射流是在径、潮相互作用下的产物，随着径流的季节变化，虎门射流发生 季节性的变化，冬季射流强度一般弱于夏季，射流的不对称性减弱，根据实测 资料还发现在虎门存在季节性的密度环流。在虎门独特的水动力条件下，泥沙 搬运也有其本身的独特性，根据悬沙场的计算和底质的分析发现在虎门口门东 侧泥沙主要沿着川鼻水道向外海搬运，西侧则由于虎门对鬼洲水道水体的卷吸 作用泥沙向口门内搬运，在鸡抱沙东侧则由于补偿流的存在泥沙也北向搬运， 在口门川鼻水道由于双向射流的存在，泥沙存在南向和北向两个搬运趋势，泥 沙粒径在狭口最租，向南向北逐渐细化。 关键词：虎f n l a 地貌动力 数值模拟双向不对称射流 湖能通量 i a b s t r a c t h u m e r ir i v e rm o u t ha so n eb r a n e l ao fp e a r lr i v e re s t u a r yh a st y p i c a l d y n a m i c s e d i m e n t - m o r p h o l o g y u n i t g a t e g a t e n a l i k c st l a ch y d r o d y n a m i c so f h u m e nd i f f e rf r o mo t h e ra l r c l l sa n dd e v e l o pb i - d i r e e t i o na s y m m e t r yj e t u n d e rt h e e f f e c to fn a t u r ea n dh u m a n , t h em o r p h o l o g ya n dh y d r o d y n a m i c so fh u m c nc h a n g e g r e a t l y i nt h i sp a p e r , t h el a i s t o r i e a lc o m p a r i s o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , a n ds p o td a t a a n a l y s i se t cs c i e n t i f i cm e t h o d sa r eu s e dt od i s c u s st h ch y d r o d y l l a m i c s 、s e d i m e n ta n d m o r p h o l o g yc h a r a c t e r s t h cr e s u l t ss h o wt h a th y d r o d y m m i e s 啪tb cd e p a r t e df r o mi - u m e n s m o r p h o l o g y , t h ec h a n g eo fm o r p h o l o g yi st h ek e yf a c t o r sl e a d i n gt oh y d r o d y n a m i c s c h a n g e t h cc h a n n e li sc l e c p e n i n ga n dw i d e n i n gs h 瞄1 9 7 0 s t h ej i b a o s h ah a s b c c o l l l el a n da n dt h ew a t e ra r e ai nl i n g d i n g y a l gi sd e e e a s i n g a l lt h e s ee n h a n c et h e h y d r o d y m m i e s 证f u z l l o c l 丝n n e l , , l l i c he n l s y an 碡i c tt oe 蜮砬dc o n e e 蛳a t et b e j e t i nt h el i a g d i n g y a n ga r e a , b c , c a u s i oo f t l a ej i b a o s h ar e s t r i c t st h ee n t r a i n m e n to f j e t ， t h ej e t se e n t e r l i n ei sd e f l e c t e dt ow e s ta n dt h ew e s tc h a n n e lo fl i n g d i n g y a n g t l t 圮o l r l l c $ t h ec e n t c r l i n eo fj e t t h eb i - d i r e c t i o na s y m m c t r yj e ti st h eo t t t c o m eo f i n t e r - a c t i o nb e t w e e nr i v e r f l o wa n dt i d e , r i v e r f l o w ss e a s o n a lv a r i a b i l i t ym a k e sj c t s c h a r a c t e re l a a n g ew i t hs e a i l km i n t c m i t yo fi c ti ss t r o n g e ri ns l l l l l l l l l b l rt h a ni n w i n t e r , a n dt h ea s y m m e t r yi sl l l o r eo b v i o u si as u l d l l i i 圮i a e c o r c , n gt ot h es p o td a t a s e a s o n a ld e n s i t yf l o wc a l la n 量v et oi - i u m e ni nw i n t e r , w h i c ha l s oc a l li m p a c tt h e j e t u n d e rt h es p e c i a lh y d r o d y n a m i c s , t h es e d i m e n td y n a m i c si sa l s ou n l c l e ，i nt h e e a s tp a r to fh u m e r i , s c d i m c n ti sm o v e do u tm o u t ht ol i n g d i g y a n gw h e r e a si nt h e w e s tp a r ts e d i m e n ti sm o v e dn o r t h w a r di n t om o u t l lo nt h ec a s to fj i b a o s h a , t h c s e d i m e n ti sa l s om o v e dt on o r t h b e c a u s co f t h ei m p a c to f b i - d i r e c t i o na s y m m e t r y j e t s e d i m e n ti nc h u a n b ic h a n n e lh a st w od i r e c t i o nl l n o v c m e l l l t n o r t h w a r da n d s o u t h w a r d ，i nt h ec l o n t c ro fj a w s , t h ed i a m e t e ro fs e d i m e n ti sc o l - - - s ea n db e c o m e t h i n n e rt on o r t ha n ds o u t h k e yw o r d s ：h u m e r ir i v e rm o u t h b i - d i r e c t i o na s y m m e t r y j e t t i d a le n e r g yf l u x i i n t t m c r l c a ls i m u a t i o n m o p h o d y l l a m i c s 第1 章概述 第1 章概述 河口水动力特性一直是河口学的研究热点之一。世界各国著名大河口如美国的 j a m e s 河，我国的长江等都得到较为深入的研究，这些大河河口多发育在平原地区 且注入到宽广海湾，因此常在河口处发育射流。珠江三角洲河口不同于世界上其它 的大河河口，是发育在丘陵地区的多口门组成的河口体系，门是珠江三角洲 在过去数千百年来相对稳定的独特的动力沉积地貌单元，有其特殊的动力结构、沉 积类型与地貌形态，在潮汐、亚潮与多年沉积时间尺度均有特殊的组合，从地貌动 力的角度来看，门的存在极大的改变了塑造三角洲的海洋与河流动力及其复杂的 相互关系( 1 1 。 虎门既具有珠江口门的普遍特性，两岸基岩蠢立，又有其本身的独特性。在口 门最窄处两侧矗立基岩山脉，河宽仅3 2 k m ，口门南接具有宽广水面的伶仃洋，早在 6 0 0 0 年前，口门以内也为宽广的内河口湾，虎门发育典型的双向射流。随着珠江三 角洲的沉积演变，内河口湾逐渐被填满，现在的虎门口门以内不再为宽广水域，而 是具有河流性质的潮成水道，水遭蜿蜒曲折，河宽多变呈藕节状，在这样的地形边界 控制下，虎门涨潮射流逐渐弱化，已经脱离典型双向射流阶段而向单向射流阶段演 变。尤其是七十年代l ；上来人类活动对河口的干预强度增大，在短短的二十年问口门 形态发生了显著的变化，在自然力和人力的共同作用下，当前虎门水动力有着怎样 的特性? 在这样的水动力条件下泥沙又是如何搬运扩散的? 水沙特性及其变化与区 域的地形的改变又有怎样的联系? 科学的回答这一系列问题将有助于我们对珠江三 角洲口门演变发展的了解，丰富珠江三角洲河口学的研究内容，具有一定的学术意 义。在经济上，虎门口川鼻深水航道是广州港出海轮船的必经之路，是联系广州港 与外海航运的纽带。是广州经济发展，乃至整个华南地区经济发展的重要生命线， 对该区域开展一系列的基础研究能够为区域的经济建设，特别是区域的港口建设、 航道整治、污染物排放、围垦等方针政策的制定提供科学参考，具有较强的现实意 义。 1 1 国内外研究进展 1 吴超羽等珠江河e l 门的地貌动力学初探，特刊 l 第1 章概述 1 1 1 河口的地貌动力学研究 逾貌动力学是近年河口海岸学研究中使用较多的术语。一般意义上的地貌动力 学指研究对塑造地貌有重要作用的动力过程与机制，以及地貌对动力的作用的科学。 1 9 6 9 年o b r i e n 提出在潮汐特性不变的河口，河口过水面积的发展是趋近于均 衡过水面积的，均衡过水面积与最大纳潮量之间存在一定的对应关系，这一观点强 调了水动力对地形的再塑造作用。河口区的短时间尺度的水动力特性深刻地影响着 区域泥沙搬运沉积和河口的冲淤特性【1 3 】，这种短期效应在长时间尺度上累积后引起 河口过水面积的变化 4 - 6 1 、河1 ：3 拦门沙的形成和演变 79 1 ，乃至影响整个河口或者三角 洲的千百年的演变1 1 0 - 1 2 。反之，这种长时间形成的地形地貌对短时间尺度的水动力 也存在一定的约束作用，地形边界对海洋与河流动力有改造与重塑的作用。如岛屿 对波浪的屏蔽、边界与水深使潮波发生变形，潮流不对称【1 3 1 7 1 。m 4 分潮是潮波变形 和潮不对称的主要因子，底部非线性效应是m 4 分潮生成和增长的主要控制因子【1 8 】。 河口湾存在的独特地形也可能对潮波的传播产生影响，钱塘江水下大沙坎的存在是 钱塘江涌潮形成的关键因子 1 9 】。地形边界对能量的辐散与辐聚作用可能整体上改变 河口湾动量场的分布l 丑吼】，在海岸线突出的地方往往能量辐聚，沿岸流流速增大， 在由湾口到湾顶过水面积逐渐减小的变化湾宽河口，余流速度由湾口到湾顶逐渐增 大【2 羽。另外地质地貌边界往往造成某个具体河口特有的小尺度动力结构而使它有别 于其它河1 2 1 1 2 3 1 。如水流在从河口汇入到宽广海域时候由于水面的突然拓宽形成河1 3 射流f 弘2 5 1 ，在珠江三角洲由于由基岩控制的具有门地貌单元的虎门和崖门e l 发 育双向射流闭，在两侧有基岩岛屿控制的的舟山马岙狭道也发育有双向射流并深刻 影响狭道附近区域的泥沙冲淤特性1 2 7 棚】。从长时间尺度来看，地形地貌和动力两者 是相互影响、相互适应的一个耦合的共进系统。 1 1 2 射流理论在河口环流研究中的应用 射流理论是由a l b e r t s o n 等在1 9 5 0 年提出来的，其后s c h l i c h t i n g ，a b r a m o v i c h ， s t o l z e n b a c h 等对其理论进行了发展 2 93 。这一时期对射流理论本身的研究多是以实 验为主采用量纲分析整理实验资料求得实用的经验关系式，或者求解射流紊动边界 层偏微分方程，或者采用动量积分方法将偏微分方程变为常微分方程来求解，动量 积分方法常见于工程应用。1 9 5 3 年b a t e s 第一次将射流理论引入到河口出流的扩散 模式研究，首次依据底部边界对射流垂向扩散的影响程度将河口射流模式分为平面 射流以及轴向射流，并且认为河口地区由于水下沙坝的存在射流多为平面射流，垂 向扩散由于底部边界的限制发育并不明显【3 2 1 。实验室理想射流理论认为在射流的起 始段存在一核心区，在该区域出流水体与环境水体不发生混合。核心区中心轴线流 2 第1 章概述 速保持不变，但是在实际的河口由于底部摩擦力的作用，动量消耗，流速是递减的。 m i k h a f l o v ( 1 9 7 1 ) 认为由于摩擦力的作用垂向平均流速以及出流水体扩散的半宽度沿 程呈指数关系递减 3 3 1 。w r i g h t ( 1 9 7 1 ，1 9 7 4 ) 提出流速的递减还因为受到入侵盐水的影 响，并且认为盐水的入侵使得出流水体受到浮力的作用，从而垂向扩散减弱，侧向 扩散增强，在1 9 7 4 年的研究中，m i g h t 主要从原动力的时空交化季节变化讨论了密 西西比河河口射流的特点，以及射流对河口地貌的演变的影响1 8 卅。田向平在1 9 9 0 年的时候根据w r i g h t 研究得来的一些河1 ：3 射流变化的相关公式对水东泻湖湾的射流 扩散模式进行了研究，绘制了该区域射流扩散的基本形态，以及射流对区域拦门沙 形成的影响，并且就工程改造对射流的影响进行了预测脚l 。目前射流理论已经在水 利工程领域、环境水利学领域褥到了广泛的应用，且主要集中在挑漉消能、水垫塘 冲刷坑1 3 5 蚓、以及射流冲沙清淤等三个方面的研究1 3 7 、蚓。 1 1 3 虎门的研究现状 珠江三角洲河口在自然形态和形成因素上是一种特殊类型的河口，也是世界少 有的大河河口。在这个河口遍布着工厂、企业，是人类活动最为活跃的河口三角洲 之一，是我国经济发展的重要基地。由于其在认识上和经济发展上的重要性，在过 去的几十年里，人们对该区域进行了大量的研究【3 9 - 4 4 1 ；以往的研究多集中在网河和 河口湾区，口门作为连接网河区和河口湾区纽带虽然在研究中有所涉及，但其研究 精度和力度相对比较薄弱，二十世纪八十年代时有对口门的潮汐特性进行研究脚l ， 中山大学海洋中心在近几年致力于珠江三角洲的口门研究，并取得一定的进展。虎 门作为八口门之一，是整个珠江三角洲一个重要的组成部分，具有重要的经济地位 和科学研究价值，但对该口门的专门的基础性研究并不多见，笔者所查阅到的有孙 连成在1 9 9 6 年1 日对珠江干流( 黄埔虎门段河道) 的自然条件，包括上游来水来沙、 潮流潮汐、盐水入侵等进行了简单描述，新沙港建港时也对珠江干流水段的自然特 性进行了一定的研究m ，另外在一些工程研究领域，如珠江口的口门整治、航道开 发与维护、伶仃洋治理的等专题研究中对虎门有所涉及。总的来说，虎门缺少专门 而系统的河口学研究，本文从地形、动力、沉积等三个方面对虎门进行较为深入细 致的研究在一定程度上弥补了这一不足。 1 2 研究内容与研究方法 1 2 1 研究内容 本文的研究区域北至黄埔( 1 1 3 。2 7 e ，2 3 。0 8 n ) 南n ：i i ；纬2 2 。2 3 n 的内伶仃岛 一淇澳岛一线( 图1 - 1 ) ，以虎门为研究对象。运用历史海图对比法比较二十世纪七十 3 第1 章概述 年代( 后文简称七十年代) 与二十世纪九十年代( 后文简称九十年代) 的地 形差异，并分别模拟两个年代的代表水沙场，根据实测资料和数值模拟结果分析九 十年代的水动力和泥沙输移特性，并与七十年代水沙特性进行对比，探求在地形变 化条件下的水动力和泥沙变化规律；同时运用地貌动力学、沉积学、河口学、河流 动力学等多个学科的理论为指导对虎门的地貌动力特性进行初步探讨。在本文将着 重解决以下几个问题： 1 ) 七十年代到九十年代研究区域地形的变化规律。 2 ) 虎门水动力具有怎样的特性及其对泥沙输运带来怎样的影响。 3 ) 地形、动力、沉积三因素之间是如何相互影响的。 文章共分为七章，第一章是对文章的一个概述，第二章主要介绍研究区域的自 然背景，第三章对研究区域水动力和泥沙场进行二维数值模拟和验证，第四章分析 虎门的水动力和泥沙特性，第五章则主要从地貌动力的角度对虎门水动力、地形以 及沉积三方面的相互关系进行讨论，最后一章对全文进行总结以及对以后工作的展 望。 1 2 2 研究方法 由于研究区域跨度网河区和河口区，因此以河流、河口学的研究方法为基础， 综合运用历史海图对比法，数理统计方法等分析区域自然条件的变化，以数值模拟 为主要研究手段模拟区域的水、沙分布场，结合河流动力学、地貌动力学、沉积学、 河口学等学科理论展开综合分析讨论，具体安排如下： 1 ) 运用历史海图对比法对比七十年代地图与九十年代航道图，分析区域七十年 代以来地形的变化。 2 ) 运用数理统计方法对三水、马口、博罗三站输沙率和流量的月均序列进行分 析，总结上游来水来沙的的年内变化和年际变化规律。 3 ) 运用修改过的e c o m s e d 模型模拟七十年代和九十年代的水动力和泥沙分布 场。 4 ) 结合实测资料和模型计算结果分析虎门水动力和泥沙特性及其变化。 5 ) 紧密结合研究区域地形及其变化探讨地形、动力、和沉积之间的相互关系。 1 3 资料来源 4 第1 章概述 1 3 1 地图 共收集地图1 6 张，其中七十年代6 张，九十年代1 0 张，具体见表1 - 1 。 图1 - 1 地图列表 图名比例尺测量年份出版者 沙角一桂山岛i ：7 5 0 1 9 9 8 中华人民共和国海事局 榕树头一龙鼓洲 1 ：2 5 0 1 9 9 8 中华人民共和国海事局 大铲岛一伶仃岛1 ：2 5 咖 1 9 9 8 中华人民共和国海事局 小铲岛一龙穴岛 1 ：2 5 0 1 9 9 8 中华人民共和国海事局 舳板渊附近l ；l o d 1 9 9 e 9 中华人民共和国海事局 川鼻水道 1 ：1 0 0 1 9 9 7 中华人民共和国交通部安全监督局 大虎水道1 ：l 咖o 1 9 9 7 中华人民共和国交通部安全监督局 坭洲水道1 l1 1 9 9 6 中华人民共和胃交通部安全监督局 莲花山水道1 ：1 0 o 1 9 9 1 6 中华人民共和国交通部安全监督局 赤沙水道 l ：1 0 o 1 9 9 6 中华人民共和国交通部安全监督局 内伶仃一虎门 1 ：5 m o 1 9 7 4 1 9 8 0 中国人民解放军海军司令部航海保证部 黄埔港l ：1 0 0 0 0 1 9 8 2 中国人民解放军海军司令部航海保证部 赤沙水道及附近l ：2 5 0 ( m 1 9 8 0 中国人民解放军海军司令部航海保证部 江鸥沙及附近 l ：2 5 0 0 0 1 9 中国人民解放军海军司令部航海保证部 大虎门水道附近 1 2 5 0 1 9 7 8 1 9 8 0 中国人民解放军海军司令部航海保证部 虎门附近1 ：2 5 咖 1 9 8 0 中墨人民解放军海军司令部航海保证部 1 3 2 实测水文资料 1 ) 1 9 7 8 年模型计算的开边界逐时潮位、泥沙资料以及虎门、舢板洲的验证资料 选自1 9 7 8 - - 1 9 7 9 年伶仃洋水文调查资料以及同一时期的水文年鉴天文潮资料。 2 ) 1 9 9 9 年模型计算的开边界逐时潮位、泥沙资料以及虎门站的验证资料均选白 珠江水文局和广东省水文局在1 9 9 9 年7 月实施的西、北江下游及其三角洲网河河道 同步水文测验资料。 3 ) 2 0 0 0 年模型计算的开边界以及虎门站的验证资料由省水文局各潮位站的实测 潮位值提供。 4 ) 对虎门地区进行水动力的初步分析的流速资料为中山大学近岸海洋科学与技 术研究中心( 后文简称海洋中心) 分别在2 0 0 0 年1 月1 3 日一2 0 日和2 0 0 4 年7 月2 9 日8 月4 日在虎门1 ：3 附近海域的五船同步固站水文测验，五站的测验内容包 括流速、风速以及水样。流速用直读海流计每小时测量一次，海流计观测时间长度 统一设为3 0 秒。观测采用6 层法，即表层( 水面以下0 5 m 处) 、0 2 h 、o 4 h 、0 6 1 4 、 5 第1 章概述 0 8 1 - 1 ( h 为水深) 和底层( 离底1 m ) ，每次观测记录3 次流速、流向，取其平均值， c 站还用a d c p 进行连续测量，2 0 0 0 年的实测资料用于2 0 0 0 的模型计算验证，具体 站点位置见图1 2 。 1 3 3 悬沙和底质资料 悬沙：用海洋中心2 0 0 0 年2 0 0 4 年虎门1 ：3 固站所采水样进行悬沙分析，分析方 法主要采用杭州第二海洋研究所生产的微孔滤膜( 1 5 妒) 过滤处理，再放置在4 0 0 c 的烘箱中恒温4 小时，装入干燥器待其常温用万分之一分光天平称重，然后计算悬 沙的含沙量。 底质：主要包括海洋中心2 0 0 0 年1 月和2 0 0 4 年7 月在虎门1 ：3 附近海域( 主要 是深槽) 的三个剖面的采样，具体采样点分布与位置见图1 3 ，用g p s 定位采样点 后，用容积0 2 5 m 3 的抓斗进行采样，两次各采集底质样品3 6 和3 2 个。每个样品不 少于2 0 0 克重，并用双层塑料袋封好，分别送请中国科学院青岛海洋研究所地质实 验室和中国科学院南海海洋研究所应用激光粒度分析仅进行粒度分析。 6 第2 章 研究背景及近期变化 第2 章研究背景及近期变化 虎门是珠江八大口门之一，位于伶仃洋河口湾湾顶，虎门作为连接网河区和 河口湾的枢纽，与河口湾和网河区存在密切的物质和能量交换，因此对其上游的 来水来沙以及外海的潮汐特性的了解是十分必要的，在这一章中将介绍区域的潮 汐特性以及上游径流和泥沙的供给情况。在人类活动的影响下，近二十年来区域 地形是各种自然因素中变化最为显著的因子，地形的显著变化必然对水沙运动带 来不可忽视的影响，因此区域的地形特点及其近二十年来的变化是本章的重点分 析内容。 2 1 潮汐特点 潮汐性质的划分我国沿用潮性系数的比值作为判别标准 f 丝s ! 丝盟 h u 2 f s 0 5 为半日潮； 2 0 f s 4 0 为不正规日潮； 0 5 f 2 0 为不正规半i ：t 潮 f ，4 o 为日潮 根据上式求得根据舢板洲和三灶的潮性系数值为1 1 1 和1 4 7 ( 宋定昌，1 9 8 6 ) ， 珠江河口区的潮汐类型为不正规半日混合潮。潮汐本身有多种周期变化，如目、 月、年、年际交化等，不正规半日潮以半日和半月周期最明显，且有日、月不等 现象，一天中有两涨两落、在一个周期内，涨潮历时与落潮历时不等，一天中两 次涨潮历时不等，潮差不等，一天中有大、小潮之分，半月中亦有大、小潮汛之 分，历时各三天，分别出现在塑、望月和上、下弦月前后。潮的传播是依靠潮波 来传播的，在开敞海域，潮波为行进波，水位传播过程与流速的变化过程一致， 两者的相位差为零，高高潮时刻为涨潮最大流速，低低潮时刻为落潮最大流速。 但当潮波传入到河口湾之后，由于湾顶对潮波的反射作用，使得河口湾中的潮波 具有一定的驻波性质，高高潮与流速最大出现的时刻不一致，存在一定的相位差， 从舢板洲1 9 7 8 年的实测水位过程线和流速过程线来看，高高潮出现落后于最大 流速的1 2 小时。 在开敞的海湾或者河1 3 湾，潮波在传播的过程中，由于边界( 侧边界和底边 界) 摩擦作用消耗潮能，潮差减小，但在虎门伶仃洋海湾为一喇叭型河口，湾宽 和过水面积由外海往1 3 门逐渐柬窄，潮波在传播的过程中由于湾宽过水面积急剧 7 第2 章研究背景及近期变化 束窄，潮能聚集，潮差增大。因此在伶仃洋边界对潮差的影响具有两面性，总的 表现为地形聚能作用大于边界耗能，由外海往口门潮差增大。且由于地形柬窄较 为显著，潮波在进入口门后潮差仍然保持增大趋势，到某一点达到最大，往上潮 差耗能作用大于聚能潮差逐渐减小。以宋定昌1 9 8 6 年的研究来看，潮差变化方 向的转折点发生在口门以内的大虎( 见表2 - 1 ) 。在河口区，径流也是影响潮位和 潮差的主要因素之一，潮位随着径流量的增大而上升，潮差则因为克服径流阻力 作用而随着径流量的增大而减小。因此潮差和潮位在年内有比较明显的季节变 化，最高潮位和最小潮差绝大部分出现于汛期，最低潮位和最大潮差潮出现在汛 后或枯季，且潮波由河口下游往上游的传播过程中，径流的阻滞作用相应加强了 潮差往上游逐渐减小的趋势。在径流、地形以及外海潮汐本身特性的共同作用下， 伶仃洋区潮汐还存在横向变化，等潮位线沿西南一东北方向延升。涨潮时，东部 潮位高于蘧部，落潮时相反，且由于西滩水深较浅以及大量的径流作用，西滩传 播的潮波受到阻力大于西部，潮能衰减迅速，同一纬度，西滩潮差小于东部。 表2 - 1 珠江河口区潮差“ 潮差( m )赤湾舢板洲虎门蕉门洪奇门横门泗盛围大盛黄埔 年平均 1 3 7 1 6 0 1 6 9 1 3 6 1 2 11 1 01 6 31 5 41 6 4 最大3 4 4 3 6 43 6 4 2 8 12 5 72 4 83 3 93 3 43 3 8 2 2 来水来沙 2 2 1 总量 珠江三角洲地处低纬地带，属南亚热带季风气候，全年受季风控制，雨量 充沛，雨、旱季分明，珠江流域的多年平均降水量为1 4 7 0 m m ，雨季主要集中在 4 9 月，旱季在1 0 月到翌年3 月。每年从珠江三角洲入海的径流量分别为 3 2 6 0 x 1 0 8 m 3 ，泥沙总量8 8 7 2 1 0 t ，其中位于珠江三角洲网河区顶部的三水、马 口以及博罗三站来水来沙量总合分别占了整个珠江三角渊网河区入海径流的 9 2 1 和9 8 2 2 ，尤其是西江马口站来水来沙量占了三分之二强( 表2 - _ 2 ) ，因 而整个珠江三角洲网河和口门区的水情变化受西江水情影响最为显著。 1 据广东省水文总站 8 第2 章研究背景及近期变化 表2 _ _ 2 网河区来水来沙分配情况 、河道 西江北江东江其它小河总量 指 绝对( 1 0 s m 3 a )2 3 舳 3 9 5 2 2 92 5 63 2 径流 百分比 7 31 2 1 77 91 绝对量( 1 0 4 t a )7 6 0 08 1 72 9 41 6 18 8 7 2 泥沙 百分比 8 5 79 2 3 3 1 8 1 0 0 2 2 2 年内变化 受流域降雨条件的影响，径流量年内分配极不均匀，季节变化明显，有明显 的洪、枯季之分，计算西、北、东江的多年( 1 9 6 0 - 1 9 9 7 年) 月平均流量( 图2 - 1 ) ， 三水、马口流量主要集中在6 墙月，流量最大月都在7 月，分别占全年总量的 1 9 7 4 和1 6 0 9 ；东江汛期比西、北早，汛期内分布也比较均匀，最大流量月 在六月，占全年总量的1 6 3 7 ；径流的年内分配都不均匀，存在明显的洪、枯 季变化，不均匀程度队三水站最大，其次是马口，最小的是博罗。 三站径流分配的年内变化与各自流域面积中的气候有关之外，上游蓄水工程 建设也是一重要影响因素。珠江流域水库库容只有珠江流域径流的七分之一左 右，调洪库容更小，水库对整个流域的径流不足以起到调控作用，但是水库建设 在各流域的分布并不均匀，其中东江流域共有蓄水工程7 5 6 2 宗，总库容量为 1 9 2 3 x l o s m 3 ，其中库容在1 0 一以上的大型水库就有新丰江、枫树坝水、白盆珠 三座，占全省大型水库总库容量的6 3 4 1 鹌1 ，其中新丰江水库总库容为东江年径 流量的二分之一，调洪库容为3 3 x l o s m 3 ，再加上其它水库的调洪库容，对东江 径流能起到调控作用。西江流域从5 0 年代以来建立水库3 1 座，总库容 1 4 2 7 9 0 6 x 1 0 8 m 3 ，只有西江年径流量的十六分之一，对西江径流不足以起到调控 作用，北江流域总库容3 8 8 9 6 5 x i 0 8 m 3 ，仅占北江径流的9 8 ，亦未能对流域径 流起到控制性调节作用删 引用指标输沙率来分析上游输沙的年内分配情况，单位时间内的输沙量为输 沙率，单位为k g s 。从图2 - 1 ( b ) 的输沙率月平均含量来看，输沙的年内分配与 流量一样，季节变化分明，流量最大月也为输沙量最大月，且由于大流量的时候 往往伴随着高含沙量，所以输沙集中在汛期的趋势更为明显，导致输沙年内分配 更不均匀。每年的4 _ _ 9 月为流域汛期，径流集中了全年流量的7 5 以i - ，输沙 9 第2 章研究背景及近期变化 量所占比例更大，占全年输沙量的9 2 以上。表2 - 3 为西江马口站，东江博罗站 以及北江三水站洪枯季水沙分配比。 表2 - 3 珠江河口各测站洪枯季水沙分配比 蚤 径流量( )输沙量( ) 西江北江东江西江北江东江 高要马口石角 三承 博罗高要马口石角三水博罗 洪季7 9 6 07 7 77 9 88 9 27 6 89 4 89 4 69 2 49 6 09 1 7 枯季 2 0 4 2 2 3 2 0 21 0 8 2 3 25 25 47 6 4 o 8 3 全年l 1 0 0 2 2 3 年际变化 流量( 含沙量) 变差系数a 是用来判断水( 沙) 年际变化的常用指标之一， c 。越大，多年变化也越大，即水( 沙) 过程变幅大，一般山溪性河流的变差系 数大于平原河流。a 值的计算公式为： c ，t q ：区( q 一一砑2 佑一1 舻 q 一是年最大流量；q 一为多年年平均流量的平均值；n 为统计年数。 根据上式，表2 4 为西、北东江各站的q 值，各站的c 值的变化来看，水 ( 沙) 多年变化的显著程度为东江 北江 西江，且泥沙的多年变幅大于流量。 表2 - 4 各站水沙的变差系数“ 、站位 指标 三水马口 博罗 流量0 3 9 5 00 2 9 5 0 5 0 输沙量0 5 0 8 0 3 8 4 0 5 1 5 1 具有明显流量年际变化的河流有丰、中、桔水年之分，丰、中、枯水年的划 分标准是年径流量大于1 2 倍多年平均径流量为丰水年，小于0 8 个多年平均径 流量为枯水年，介于两者之间的为中水年。根据三站的年平均流量按丰、中、枯 水年进行归类，从三站年平均流量变化曲线来看( 图2 2 ) ，马口、三水站流量曲 1 耐商自罗宪林、杨清书等1 9 卵年著书，摘自东江三角洲河床演变研究中山大学硕士论文，王 1 0 第2 章研究背景及近期变化 线变化幅度明显小于博罗，除1 9 6 3 年逢全国大干早，三站都是明显的枯水年， 三水、马口没有特别显著的丰水年，而博罗1 9 8 4 年年平均流量为1 3 1 0 m 3 s ，为多 年平均流量的1 8 4 倍，为典型丰水年，最丰水年与最枯水年的年径流量比值达 4 9 8 。 珠江三角洲的来水来沙包含着各种周期变化，其中以半年、年变化周期较明 显，还有多年变化，这些波动对确定来水来沙的长期变化趋势产生影响，因而对 三水、马口以及博罗三站流量和含沙量的年均序列运用五年移动平均法来消除季 节变化周期以及五年周期内偶然因素的干扰，得到一个新的序列( 图2 - 3 ( a ) ) 。 从新的序列可以发现在9 0 年代以前流量交幅很小，表现稳定，从1 9 9 0 年以后流 量呈上升趋势，三站总流量上升率为6 3 1 5 2 m 3 s a ，相对上升幅度为6 4 1 ，尤其 是三水站，上升的更为剧烈，这与三水、马口两站分流比的变化分不开，7 0 年 代三水站占两站总流量的1 5 不到，到9 0 年代分流比却激增到2 5 1 4 9 。含沙量 移动平均序列不及流量序列稳定( 图2 - 3 ( b ) ) ，1 9 9 0 年以前呈波浪型波动，且 从1 9 8 6 年以后含沙量呈现下降的趋势，下降幅度为0 。0 0 6 2 5 k g m 3 a ，相对下降 率为4 9 6 。 2 2 4 四口门分水分沙比 上游的水、沙在进入珠江网河后进行再一次分配，从珠江口八大口门分泄入 到伶仃洋和黄茅海，因此各口门的实际水、沙下泄量不仅与上游的来水量泥沙浓 度有关，还与水、沙在口门的分配有关。虎门至黄埔河道称为珠江干流，源头为 流溪河，沿程注入到该河道的径流主要有东江干流、沙湾水道、东莞水道等，其 中东莞水道和东江干流承纳了东江网河区的绝大部分流量，这些在珠江干流相汇 的径流均从虎门泄入伶仃洋，虎门是八口门主要的下泄流口之一，且近几十年来 随着人类活动的影响，各口门的分流分沙比发生了变化，见表2 - 5 。 表2 - 5 珠江1 2 1 八1 2 1 门分流分沙比“ 口门 瓤 虎门 蕉门洪奇沥 横门 磨刀门 鸡啼门 虎跳门崖门 年代 1 8 51 7 36 4i i 22 8 3& 1 6 2 6 o 分流比 9 0 年代 1 8 01 9 6lo 01 3 92 6 83 93 54 7 2 0 0 2 年 2 5 11 2 61 1 31 4 s2 4 92 83 94 8 舳年代 9 3 1 8 17 31 3 03 3 07 o7 25 1 分沙比年代4 7 2 4 41 0 71 4 23 6 84 13 31 8 2 0 0 2 在 1 2 01 3 61 2 21 9 o 2 9 3 4 4 4 7 4 9 1 注：6 0 、7 0 年代分流比以6 8 6 洪水思贤窖洪峰流量5 3 8 0 0 m 3 s 。如年代以1 9 9 9 年7 月广东省水 文局以及珠江水利委员会水文局联合观测八大口门全潮平均挣泄量计算 n 第2 章研究背景及近期变化 八十年代到九十年代，东四口门的分水分沙比递增，分沙比由八十年代的 4 7 7 递增到5 4 0 5 ，分流比由5 3 4 递增到6 1 0 8 。六十年代到八十年代虎 门和蕉门的分流、分沙比都是缓慢增大的，且虎门递增的速度快于蕉门，八十年 代后蕉门分水比增大，而虎门却略有减小，总的趋势是六十年代到九十年代虎门、 蕉门分流比都增大，且蕉门递增速率大于虎门。按珠江三角洲年径流总量 3 2 6 0 x i o s m 3 计算，每年从虎门( 大虎断面) 的下泄流为6 0 3 i x l o sm 3 ，蕉门下泄 流为5 6 3 9 8 x l 护m 3 。从虎f l j l l 鼻水道下泄的洪水除虎门上游的径流之外，还有 来自蕉门北支凫洲水道的洪水，在9 0 年代以前，凫i f i l 水道与龙穴南水道分蕉门 的流量比为6 4 ；3 6 ，鸡抱沙和万倾沙围垦区完成以后，流量分配比为7 3 ：2 7 ， 也就说在9 0 年代每年从凫洲水道泄入川鼻水道的流量为4 1 1 7 5 x 1 0 8 0 ，与虎门上 游流量的比值为0 6 8 ，如此巨大的旁侧入流对虎门口的流场将带来怎样的冲击 作用呢? 这在文章的后面将有进一步讨论。蕉门的下泄洪水含沙量高，因此长期 以来蕉门分沙比一直以来都大于虎门，八十年代后，由于东江水体含沙量的减小， 虎门分沙比也减小，而蕉门分沙比却大增，1 9 9 9 年实测资料显示蕉门分沙比是 虎门的近6 倍。 2 3 地形 虎门位于伶仃洋河口湾湾顶，下接伶仃洋上连狮子洋，整个地形的中轴线 呈西北一东南走向。伶仃洋海湾为一喇叭型河口湾，且水面宽广，约为2 1 1 0 1 u n 2 。 虎门以南，赤湾、内伶仃岛、淇澳岛以北内伶仃洋区域水面面积约1 0 4 1k i n 2 。狮 子洋亦是一比较宽敞水面，且也深槽发育，潮床容量大。丽虎门口门河道深窄， 最窄处仅3 2 k m ( 南北台一威远炮台山一线) ，且两岸基岩山丘矗立，河道对侧 边界的侵蚀作用不显著。黄埔虎门河口段居于珠江干流( 广州白鹅潭一虎门) 下段，为继承性河道，是在珠江三角洲形成以前( 约7 0 0 0 年前) 就已经存在河 道基础上发育过来的，黄埔虎门水道是由潮流动力控制的淤进型潮汐通道，河 道蜿蜒啦折，多潮汐汉道，河床地貌为典型的滩槽二元结构( 图1 1 ) ，近岸水 域有宽阔潮滩发育，中间为潮流冲刷深槽，滩主要由淤泥物质组成，低潮时出露， 潮商朝时被淹没，冲刷深槽为广州港和黄埔港的主要进出口航道，现阶段水深均 深于l o m ，川鼻水道末端最深处近3 0 m 。 伶仃洋海湾为一弱潮海湾，发育了典型的滩槽型潮流地貌。呈三滩两槽的 格局。 三滩分别指东、中、西部潮滩及其下延的水下浅滩，被称为东滩、 西滩及中滩，东滩为自虎门沙角旗山经大铲岛至赤湾角一线以东浅滩，呈条带状 第2 章研究背景及近帮变化 与岸线平行分布，自北而南为交椅沙、公沙和横沙，从七十年代以来东滩一直往 南往西淤长；中滩即矾石浅滩，为河口湾的拦门沙，从七十年代以来由于伶仃岛 北滩地的北向淤长，中滩面积主要向东向南增长，面积增大；西滩为位于番禺南 沙大角山嘴经舢板洲至内伶仃深槽西侧一线以西的广大浅滩。二槽分别指西 槽矾石水道一暗士顿水道和东槽伶仃水道，七十年代以前，东槽为伶仃洋的主动 力槽，但七十年代以来两深槽都有淤积发生，东槽淤积速率大于西槽，到九十年 代，西槽已经成为伶仃洋的主动力槽。水下浅滩分布在水道两侧或水道之间，向 湾顶和湾侧过渡为潮滩，组成物质多为粉砂淤泥，但粗颗粒物质来源丰富时，也 可形成砂质浅滩或砂泥混合滩。东、西滩水深普遍浅于5 m ，中滩稍深，在5 到 1 0 m 之间，而冲刷深槽和水道水深明显大于周围水域，一般深于1 0 m ，最深近 3 0 m ，是连贯虎门以上网河区与外海的主要潮汐动力通道，尤其是西槽伶仃水道 段，北与虎门口川鼻水道，蕉门龙穴水道相接，平均水深达1 1 5 m ，目前是南方 大港广州黄埔港对外交通的主要航道。 近四十年来由于人类活动的干扰，如挖沙与航道疏浚，滩地围垦等，网河区 河床形态以及伶仃洋区域水下地形均发生了较为显著的改变。笔者运用历史海图 对比的方法，分析比较了两个年代珠江干流河段以及蕉门水道河床形态的变化。 选用代表七十年代末和九十年代末大比例尺海图和航道图两套，沿程各河段的具 体测量年份以及比例尺稍有不同，七十年代地形测于1 9 7 8 1 9 8 0 年问，九十年代 地形测于1 9 9 6 1 9 9 8 年间，珠江干流下段( 虎门一黄埔，包括浮莲岗水道) 以约 2 k i n 的间隔共选取2 5 个横断面，其中浮莲岗水道取6 个，凫洲水道以2 k m 间隔 选取断面4 个，逐点读取各断面的水深，绘制断面形态图。在伶仃洋区域选用 1 9 9 8 年1 ：7 5 0 0 0 的海图，以3 k m 的间距选取1 3 个断面，对这部分断面仅读取 河宽，以主动力流线为界，分别读取各断面两岸线到中泓线的水面宽度，分别计 算主动力流线东侧和西侧的水面放宽率，各断面分布图见图2 _ 4 。 2 3 1 伶仃洋水面变化及放宽率 伶仃洋海湾为西北走向( 约n n w 3 0 ) 的喇叭型河口湾，虎门位于伶仃洋湾 项，由虎门口门往南，水深和水面宽度都发生变化，导致海湾的过水面积发生变 化，沿程河宽的变化显著度大于永深的变化，海湾过水面积的变化基本上由海湾 宽度控制，因此过水面积的变化趋势与海面宽