（自然地理学专业论文）磨刀门拦门沙近期演变及其排洪与拒咸效应初探.pdf

磨刀门拦门沙近期演变及其排洪与拒咸效应初探 专业：自然地理学 硕士生：谭超 指导老师：杨清书副教授 摘要 磨刀门是珠江八大口门中输水、输沙量最大的口门，也是珠江最重要的泄洪 通道，在珠江三角洲水系中占有极其重要的地位。近几十年来，磨刀门经历了一 系列高强度的人类活动，磨刀门从以前的浅海海湾环境转变成为有双导堤控制的 渠道化河道，口门迅速向海延伸，直面南海，成为珠江八大口门中唯一率先面海 的口门，口门演变除受到径流影响外、潮流、波浪及沿岸流的影响越来越显著。 本文收集了磨刀门整治工程完成后的4 套地形数据，建立了磨刀门河口的数 字地形高程模型( d e m ) ，在此基础上分析了磨刀门拦门沙近期演变特征；应用 实测水文测验资料和数学模型方法，初步探讨了磨刀门拦门沙近期演变对排洪及 拒咸的影响。 研究结果表明，2 0 世纪9 0 年代以来，磨刀门上游来水来沙量减少特别是来 沙量明显较少，而潮汐动力增强，波浪作用对河口的塑造作用也增强。近期磨刀 门拦门沙整体向海推进，洪季受洪水径流影响较大，枯季波浪的塑造作用较明显， 总体表现为洪冲枯淤。磨刀门河口不断分汉是基本规律，西汊将进一步发展，东 汊受洪水的冲决也将保持生命力，西汉前端次一级分汊体系也正在形成。在波浪 作用和沿岸流的影响下，磨刀门口门沉积中心向西转移，东侧拦门沙侵蚀后退， 西侧拦门沙淤积并岸。 磨刀门河口洪季受径流控制，水体层化较明显，表现为浮力射流。洪季径流 通过表层快速向海下泄迅速向海排泄，高盐陆架水( 盐度 3 0 ) 被拦门沙阻挡， 无法越过拦门沙上溯。数值模拟表明，拦门沙开挖对磨刀门河口局部水动力特征 的影响较小，拦门沙的开挖不能大幅增加洪水排泄的效率。修建导堤封堵东汊会 加大挂定角至大井角的水面比降，造成更严重的壅水，东西汉的浚深对排洪的影 响也较小。结合实测资料分析与数值模拟结果可以看出，虽然拦门沙的存在对于 泄洪有一定的阻碍作用，但是河口及其拦门沙可以通过地貌形态的自动调整来与 强大的洪水径流作用相适应。 磨刀门河口枯季拦门沙外坡表底层均被高盐陆架水控制，内坡高盐水伏于底 层，表层受径流控制，盐度随涨落潮波动较大，水体垂向分层较明显，表现出盐 水楔型河口性质，浮力射流仍占主导。数值模拟表明，拦门沙开挖后，盐水上溯 距离有所增加，拦门沙内坡垂向盐度梯度增加，层化更加明显。由此可见，拦门 沙对成潮上溯具有积极的抑制作用。 综上所述，拦门沙是陆海界面的一扇自然“防护墙”，拦门沙障碍的存在，既 卫护着河流，也卫护着海洋，其界面一侧为河流动力作用占优势，另一侧为海洋 动力占优势，可以说拦门沙是一个缓冲地带，洪季拦门沙通过自身调整使洪水更 快的向海排泄，如支汊冲决、次一级分汊发育等，另一方面拦门沙对风暴潮的壅 水有一定的屏障作用；枯季，由于拦门沙的阻挡，高盐陆架水( 盐度 3 0 ) 即使在 枯季只能伏于拦门沙外坡，很难翻越拦门沙上溯，可见磨刀门拦门沙演变是以一 种既适应洪季排洪又有利于枯季拒咸的模式发展。 关键词：磨刀门，拦门沙，近期演变，排洪效应，拒咸效应 t h er e c e n te v o l u t i o no fr i v e r m o u t hs a n d b a ri nm o d a o m e ne s t u a r y a n di t se f f e c to nf l o o dd r a i n a g ea n ds a l i n i t yi n t r u s i o n m a j o r ：p h y s i c a lg e o g r a p h y n a m e ：t a nc h a o s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f y a n gq i n g s h u a b s t r a c t m o d a o m e ne s t u a r yi st h el a r g e s tr u n o f fa n ds e d i m e n td i s c h a r g e se s t u a r ya m o n gt h ee i g h t m a j o rm o u t h so v e rt h ep e a r lr i v e ra n da l s ot h em o s ti m p o r t a n tf l o o d - r e l i e fc h a n n e l so ft h et h e p e a r lr i v e r i nt h er e c e n t y e a r s ，s t r o n gh u m a na c t i v i t i e s h a v e h a p p e n n e di n m o d a o m e n e s t u a r y m o d a o m e ne s t u a r yh a sb e e ng r e a t l yr e n o v a t e da r t i f i c i a l l y m o d a o m e ne s t u a r ye x t e n d s t o w a r d ss e ar a p i d l y f l u v i a ld y n a m i c a la n do c e a n i cd y n a m i c a li n c l u d i n gt i d e ，d i l u t e dw a t e r , c o a s t a lc u r r e n ta n dw a v ee x e r ti m p a c to nt h em o d a o m e ne s t u a r y t h em o d a o m e ne s t u a r yd i g i t a le l e v a t i o nm o d e i ( d e m ) w a sf o u n d e db a s e do nt h ew a t e r d e e pi n f o r m a t i o no f t h eh i s t o r ym a p si n2 0 0 0 ，2 0 0 5 ，2 0 0 7a n d2 0 0 8 w i t ht h eh e l po ft h ed e m ，t h e e v o l u t i o no ft h em o d a o m e ne s t u a r yi nr e c e n ty e a r sw a ss i m u l a t e d s e v e r a lt e c h n i q u e si n c l u d i n g h y d r o g r a p h i ca n dh y d r o d y n a m i cc o m p u t a t i o na r ec o m b i n e di nt h i sp a p e rt oe x a m i n et h ee f f e c to f r i v e r m o u t hs a n d b a ro nf l o o dd r a i n a g ea n ds a l i n i t yi n t r u s i o n t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t ：t h er u n o f fa n ds e d m e n tl o a dd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yf r o m 19 9 0 s t i d a la n dw a v ed y n a m i ce n h a n c e ds i g n i f i c a n t l yi nt h em o d a o m e ne s t u a r y m o d a o m e n e s t u a r yh a de x t e n d e dt ot h es e ar a p i d l y , i n d u c i n gt h es e a w a r de x t e n s i o no fi t sr i v e r m o u t hs a n d b a r e v o l u t i o no fr i v e r m o u t hs a n d b a ra r ei n f l u e n c e dm a i n l yb yf l o o di ns u m m e ra n da r ei n f l u e n c e d m a i n l yb yw a v ei nw i n t e r r i v e r m o u t hs a n d b a ra p p e a r e de r o s i o ni nf l o o ds e a s o n sa n dd e p o s i t i o ni n d r ys e a s o n s w e s tc h a n n e ls t i l lh a v ead e v e l o p i n gt r e n d e a s tc h a n n e la l s oe x t e n d st o w a r d ss e ad u e t ot h ee r o s i o ni nf l o o d t h es e c o n d a r yb r a n c h i n gs y s t e mh a v ef o r m e dg r a d u a l l yi nf r o n to ft h ew e s t c h a n n e l u n d e rt h ei n f l u e n c eo fw a v ea n da l o n g s h o r ec u r r e n t ，s e d i m e n tz o n et r a n s f e rt ot h ew e s t r i v e r m o u t hs a n d b a ri ne a s ti se r o d e da n dr i v e r m o u t hs a n d b a ri sd e p o s i t e di nw e s t i nf l o o ds e a s o n ，m o d a o m e ne s t u a r yi sc o n t r o l l e db yr u n o f f o b v i o u ss t r a t i f i c a t i o nh a v eb e e n f o u n d t h ee s t u a r i n ej e ti nt h ef l o o ds e a s o no ni nt h em o d a o m e ne s t u a r yi sb u o y a n t f l o o d i d i s c h a r g et o w a r dt h es e at h r o u g ht h es u r f a c el a y e r s a l t w a t e r ( s 3 0 ) s t a n do nt h eo u t e r - s l o p eo f t h e s a n d b a r s a l t w a t e rc a n n o tc l i m ba c r o s st h er i v e r m o u t hs a n d b a r n u m e r i c a le x p e r i m e n t ss h o wt h a t i fs a n db a ri se x c a v a t e d , d o n tm a k et h ef l o o dd i s c h a r g et o w a r dt h es e am o r eq u i c k l y b l o c k a g eo f e a s tc h a n n e lw i l l r e s u l t i n g i nal a r g e rh o r i z o n t a l s l o p eb e t w e e nh u a d i n g 五i aa n dd a j i n j i a o i n f l u e n c e so fc h a n n e ld r e d g i n go ne s a tc h a n n e la n dw e s tc h a n n e li ss m a l l t h ea c t u a lm e a s u r e m e n t d a t aa n dn u m e r i c a le x p e r i m e n t si n d i c a t et h a t ，t h r o u g hs e l f - r e g u l a t i n ge f f e c t ，r i v e r m o u t hs a n d b a r a d a p tt of l o o dd r a i n a g e i nd r ys e a s o n , s a l t w a t e rs t a n do nt h eo u t e r - s l o p eo ft h es a n d b a r t h es e as u r f a c ei sc o n t r o l l e d b yr u n o f fo nt h ei n n e r - s l o p eo ft h es a n d b a ra n dt h es e ab o t t o mi sc o n t r o l l e db ys a l t w a t e ro nt h e i n n e r - s l o p eo ft h es a n d b a n v e n i c a ls a l i n i t y - g r a d i e n ti sg r e a to nt h ei n n e r - s l o p eo ft h e s a n d b a r s a l t w a t e rw e d g ei sd e v e l o p m e n t n u m e r i c a le x p e r i m e n t ss h o wt h a ti fs a n db a ri se x c a v a t e d , b o t h o ft h ef l u xo ff l o o dt i d ea n de b bt i d ei n c r e a s e ，b u tt h e a v e r a g e f l u xi s c h a n g e l e s s t h e s a l tw a t e ri n t r u s i o np r i c k su pa n ds t r a t i f i c a t i o na n dc i r c u m f l u e n c ei sa d v a n c e d i ns u m ，r i v e r m o u t hs a n d b a ri san a t u r a li n t e r f a c eb e t w e e nl a n da n ds e a r i v e r m o u t hs a n d b a r j u s tl i k et h e ”p r o t e c t i v ew a l l ”w h i c hp r o t e c tb o t ht h es e aa n dl a n d s a n d b a rc a nb es a i dt ob ea b u f f e rz o n e i nf l o o ds e a s o n , t h r o u g hs e l b r e g u l a t i n ge f f e c t ，r i v e r m o u t hs a n d b a rc a l lm a k et h ef l o o d d i s c h a r g et o w a r dt h es e am o r eq u i c k l y d u et ot h er i v e r m o u t hs a n d b a r , s t o r ms u r g ec a nb e r e s t r a i n e d i nd r ys e a s o n , s a l t w a t e r ( s 3 0 ) c a n n o tc l i m ba c r o s st h er i v e r m o u t hs a n d b a r i to n l ys t a n d o nt h eo u t e r - s l o p eo ft h es a n d b a r e v o l u t i o no fr i v e r m o u t hs a n d b a rn o to n l ya d a p tt ot h ef l o o d d r a i n a g e ，b u ta l s oi si nf a v o ro fp r e v e n t i n gs a l i n i t yi n t r u s i o n k e yw o r d s ：m o d a o m e ne s t u a r y ，r i v e r m o u t hs a n d b a r ，r e c e n te v o l u t i o n , f l o o dd r a i n a g e ， s a l i n i t yi n t r u s i o n i v 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做作者躲书卑超 日期：2 卯7 年多月占je l 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少最复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 吵 导师躲州 吼知两每5 旯 日 中山大学硕士论文磨刀门拦门沙近期演变及其排洪与拒成效应初探 1 引言 1 1 研究意义 河口三角洲是地球四大圈层相互交汇、能量流和物质流的重要聚散地带。同 时也是世界上经济最发达、人口最集中、开发程度最高的区域，因而河口三角洲 的研究一直以来都是自然地理学研究的热点。对河口区河流来水来沙变化以及径 潮相互作用下的河口地形演变研究是陆海相互作用( l o i c z ) 的重要研究内容。 因此研究磨刀门近期发育演变规律具有重要的理论意义。由于河口独特的地理位 置和环境，它也是人类活动最为活跃的区域之一，在人类活动的强烈干预下，河 口的演变不再是纯粹的自然过程，而是自然和人类活动共同塑造的过程( 陈吉余， 2 0 0 2 ) 。 珠江由西江、北江、东江组成，其河网密布，水道纵横，流域总面积约达 4 6 x 1 0 3 k m l 。珠江三角洲内诸河自东而西汇集于虎门、蕉门、洪奇门、横门、 磨刀门、鸡啼门、虎跳门和崖门八个口门流入南海。磨刀门是珠江的重要出口和 主要泄洪通道，也是八大口门中输水输沙量最大的河口。 近5 0 年来，磨刀门河口经历了高强度的人类改造，2 0 世纪5 0 年代末至6 0 年代初进行的白藤堵海工程、8 0 年代至9 0 年代进行的磨刀门治理开发工程、8 0 年代中期开始的河道采沙等，这些人类活动对磨刀门河口的演变带来了不同程度 的影响。随着磨刀门整治工程的完成，磨刀门内海已基本围垦成陆，现河口已向 外延伸至开敞海域，是珠江八大口门中唯一一个率先面海的口门。由此，磨刀门 河口拦门沙除受径流、潮汐和潮流作用外，外海高盐陆架水和波浪动力对其的作 用影响亦愈来愈大，致使拦门沙的发育演变趋于复杂化，演变模式也随之改变。 磨刀门作为珠江三角洲重要的泄洪通道，泄洪安全一直是磨刀门口门整治的 头等大事。而磨刀门发育的大型拦门沙对洪水的迅速排泄存在一定的阻碍作用； 近些年来，由于磨刀f - j n 口的近期变化，令磨刀门河口在枯季又成为受咸潮影响 最显著的河口之一，磨刀门的咸潮问题直接影响周边城市的工业生产和居民的生 活用水，受到社会的普遍关注，由于磨刀门发育的大型拦门沙对河口潮波传播及 中山大学硕士论文 磨刀门拦门沙近期演变及其排洪与拒咸效应初探 咸潮上溯有一定的抑制作用，因此对磨刀门河口拦门沙近期演变的研究及其对排 洪和咸潮活动的影响具有重要的现实意义。 1 2 研究进展 1 2 1 国外拦门沙研究进展 2 0 世纪5 0 年代，p r i t c h a r d ( 1 9 5 2 ) 从盐度分布和河口环流的状况对河口区动力 和沉积进行了研究，把水流结构与地形差异结合起来进行分析，认为宽阔河口在 科氏力和离心力的作用下引起水流的水平分离，科氏力的作用使向海的水流向右 岸集中，而向陆的补偿流向左岸汇集，这种分流作用导致产生涨潮槽和落潮槽分 异，提出了涨潮槽和落潮槽的概念，在涨落潮槽之间则形成河口拦门沙从涨、落 潮动力解释拦门沙的形成；前苏联学者萨莫伊洛夫( 1 9 5 8 ) 通过对苏联各河口的研 究，将河口心滩按成因进行了分类，建立以河流作用为主的河口心滩成因理论， 而萨莫伊洛夫所说的河1 3 心滩指的就是河1 3 拦门沙；r o b i n s o n ( 1 9 6 0 ) 对砂质河1 3 的涨落潮槽系统进行了详细研究，并将潮流的变化与河口砂坝相结合，分析了河 口区涨落潮槽的形成演化；f i s h e r ( 1 9 6 9 ) 在对全新世滨岸三角洲沉积相的研究中， 划分出不同的亚相和微相，所划分的河口砂坝微相对应于现代河口拦门沙； k l e i n ( 1 9 7 0 ) 贝j j 是从影响潮间带河口砂坝沉积和泥沙输移的角度，对控制潮间带沙 体移动的有关水动力参数进行了分析和研究；w e l l s ( 1 9 9 5 ) 主要对潮控河口及有关 沉积进行了分析研究，认为中等潮差的河口因为潮间带较为宽阔，泥坪和沼泽发 育，在河槽中广泛发育水下砂坝。h u g u e s ( 1 9 9 8 ) 对法国西南g i r o n d e 河1 3 潮汐砂 坝进行了沉积相及沉积构造方面的研究，并对g i r o n d e 河口的现代河口砂坝的沉 积相和内部构造进行了描述，指出河口砂坝的演化具有向下游迁移和周期性废弃 的特点，认为当河口砂坝淤高到潮上带时，河口砂坝上开始发育沼泽湿地并使河 口砂坝成为河1 3 区的永久性岛屿；g e r h a r de i n s e l e ( 1 9 9 9 ) , 贝1 认为河口地貌是沉积 作用的产物，并对河口砂坝的沉积特征及有关沉积相特征进行了分析研究； j e u k e n ( 2 0 0 0 ) 对荷兰西斯海尔德河口的地貌过程进行了研究，分别通过大、中尺 度对该河口不同河段水动力、泥沙输运以及地貌过程进行观测和数值模拟，并对 i x 外沙坝及涨落潮槽动力条件和地貌演变特征进行了分析：t h o m a s ( 2 0 0 1 ) 等对英 2 中山大学硕士论文磨刀门拦门沙近期演变及其排洪与拒咸效应初探 国默西河口1 8 7 1 至1 9 9 7 年之间的地貌演变进行了分析，通过因子分析和水动力 数值模拟相结合的方法对河口沙坝演变过程做了机理上的探讨；m a l l e t ( 2 0 0 2 ) 等 对g k o n d e 河1 3 口外拦门沙的沉积特征与余流输运的关系进行了研究；d a p h n e a ( 2 0 0 2 ) 等运用海图、现场地形观测和遥感的资料阐明英国r i b b l e 河口拦门沙 长期的地貌演化过程，并对不同时期冲淤情况的异同进行解释；k r a g t w i j k ( 2 0 0 4 ) 等研究了人类活动对河口潮汐汉道的地貌响应，通过数值模拟等手段预测 w a d d e n 海潮汐三角洲地貌系统要达到新的平衡至少需要一个世纪之久。由于河 e l 拦门沙演变受陆( 径流) 、海( 潮流、波浪) 两大动力的控制，是陆海相互作用的 重要研究内容，因而是河口研究的热点之一。 1 2 2 国内研究进展 ( 1 ) 国内大河河口拦门沙研究进展 长江河口拦门沙是径潮动力均较强的河口拦门沙的典型代表。黄胜( 1 9 8 0 ) 在 研究长江河口泥沙及水动力特性的基础上，提出了长江口南支南北港稳定的必要 条件；陈吉余等( 1 9 8 6 ) 根据长江口拦门沙的发育历史结合对长江e 11 0 0 多年以来 水下地形演变和钻孔岩性资料分析，论述了长江口拦门沙的水下地形特征；陈吉 余( 1 9 8 8 ) 年指出，各个入海汊道拦门沙水深与它的分水分沙条件有密切的关系，一 般情况下，长江主流入海的水道分水多，滩顶水深就较好，而且主泓的摆动会引起 南北港河床的剧烈变化；李九发( 2 0 0 0 ) 等利用长江口水文泥沙和地形等资料进行 计算分析拦门沙泥沙沉降与再悬浮规律。在定量分析方面，黄卫凯等( 1 9 9 5 ) 则应用 经验特征函数分析和现代控制理论方法对长江口拦门沙地形变化进行了系统辨 识和预报。 黄河每年带入河e l 的泥沙为1 0 x1 0 8 t 左右，是世界上输沙量最多的河口，其拦 门沙的形态与国内外其他河口相比，具有3 个突出的特点：长度短，顶部水深浅以及 前缘坡度陡，整个拦门沙紧堵着河口口门，象一个滚水坝，对泄洪排沙具有很大的 阻碍作用，具有典型的径流优势型河口的拦门沙形态特征。刘风岳( 1 9 9 0 ) 根据黄 河历次流路的河口纵剖面图，揭示了拦门沙的地貌特征及形成机因；崔金瑞( 1 9 9 1 ) 在研究黄何口动力过程和泥沙运动特征的基础上探讨了黄河口拦门沙形成的机 制和演变规律。认为黄河口拦门沙主要形成于汛期河口区动力辐散引起的泥沙沉 3 中山大学硕士论文磨刀门拦门沙近期演变及其排洪与拒成效应初探 积；吉祖稳等( 1 9 9 5 ) 根据实测资料，对黄河口拦门沙区近期的演变情况进行了分 析；曹文洪等( 2 0 0 4 ) i 开究和探讨了黄河1 3 拦门沙疏浚后，尾闾河道水位、流速和水 面比降的变化以及疏浚部位的回淤过程。 钱塘江河口在纵剖面上存在着具有独特性质的沙坎，是强潮河口拦门沙形态 的典型代表。钱塘江河口沙坎的形成与杭州湾和钱塘江河1 2 1 的成长发育之间存在 着不可分割的唇齿关系。根据研究河口平面外形与径潮流比值间的关系，结合杭 州湾的发育过程，钱宁，李光炳等( 1 9 6 5 ) 对钱塘江河口沙坝的形成进行了分析；而 陈吉余等( 1 9 6 5 ) 对钱塘江河口沙坝的形成及其历史演变研究中指出，在历史上沙 坝的下界较稳定，上界向下移动，当潮流从南大门进出时沙坝成鞍形，经北大门以 后，沙坝滩顶河段潮势较南门为弱，江流作用增强，滩顶有下移之势。 ( 2 ) 河口排洪及拒咸效应相关研究进展 目前国内对河口排洪效应的研究，特别是拦门沙对排洪的影响主要集中在长 江口和黄河口，研究的主要问题集中在河口洪水的造床作用及水沙变异条件下的 拦门沙响应。巩彩兰( 2 0 0 2 ) 从长江河e l 河槽演变基本特征及南港、北槽底沙输移 强度引证长江洪水在河口地区的造床作用；刘文斌( 2 0 0 6 ) 建立了长江口d e m 模 型，探讨长江洪水对河口河床演变的影响；曹文洪( 2 0 0 4 ) 研究了黄河1 3 拦门沙疏 浚后，尾闾河道水位、流速和水面比降的变化以及疏浚部位的回淤过程；张治昊 ( 2 0 0 5 ) 分析包括极端洪水在内的水沙过程变异条件下黄河口拦门沙的演变响 应。 国内河口咸潮研究方面成果最丰硕的是长江河口，以沈焕庭为代表的众多学 者对长江口盐水入侵进行了长期深入的研究。沈焕庭( 2 0 0 3 ) 不仅对长江口盐水入 侵的来源、咸淡水混合类型以及盐度的时空变化规律进行较为全面、深入的探讨， 还对重大工程对盐水入侵的影响到以及减轻盐水入侵的对策进行了深入的研究； 茅志昌( 1 9 9 5 ，2 0 0 4 ) 依据实测资料，对长江口盐水入侵锋、盐水从北支倒灌南支的 通量及潮汐分汉河口入侵类型等多方面对盐水入侵进行了全面的探讨，从动力机 制上给出了解释；肖成猷( 1 9 9 8 ) 贝j j 分别对长江1 2 1 海面上升对盐水入侵的影响及其 影响因子进行了分析。 近年来，随着数学模型的广泛应用，作为一个有力工具，推动了有关盐水入 侵方面研究的发展，其中朱建荣( 2 0 0 1 ) 做了较多工作，利用e c o m s i 海洋模式对 4 中山大学硕士论文磨刀门拦门沙近期演变及其排洪与拒成效应初探 不同形状河口的盐水入侵做了大量的数值实验，研究河口形状对河口环流及盐水 入侵的影响，同时，也考虑到了在全球变暖，海平面上升情况下，对盐水入侵的 影响。另外，匡翠萍( 1 9 9 7 ) 、罗小锋( 2 0 0 5 ) 等人也分别在长江口盐水入侵和e c o m 模式的改进及工程应用方面做了一定的工作。 ( 3 ) 磨刀门河口相关研究 磨刀门河口是珠江八大口门中分水分沙量最大的河口，也是珠江最主要的泄 洪通道，同时，近几十年来，磨刀门经历了高强度的人类活动改造，因此备受学 界的关注，几十年来取得了丰硕的研究成果。 在人类活动对磨刀门地貌演变影响研究方面，曾昭璇( 1 9 8 7 ) 从磨刀门历史地 貌演变的基础上提出了磨刀门治理的原则；戴良生( 1 9 9 6 ) 研究了白藤堵海工程三 个阶段实施的具体过程及每个阶段完成后对磨刀门和泥湾门水文、水情影响；江 沛森( 1 9 8 6 ) 对磨刀门浅海二十年的滩槽演变及其影响、海滩演变与围垦实施的问 题进行了研究；罗章仁( 1 9 8 5 ) 研究了白藤堵海工程对河道河床演变的影响；黄镇 1 雪( 2 0 0 5 ) 分析了磨刀门整治工程对河e l 地貌演变的影响；陈文彪( 1 9 8 9 ) 等采用物 理模型、数学模型、实测资料分析及遥感技术应用等手段，对珠江磨刀门口门治 理的规划方案进行研究和论证；王琳等( 2 0 0 1 ) 分析了磨刀门整治工程对排洪的影 响。 在磨刀门沉积动力学研究方面，陈明豪( 1 9 8 4 ) 采用粒度概率曲线、频率曲线 与粒度基本参数相结合的方法，分析了磨刀门的沉积环境；贾良文等( 2 0 0 5 ) 利用 2 0 0 3 年枯季采集的磨刀门表层沉积物资料研究了磨刀门河口枯季表层沉积物组 成、分布、运动等特征及其动力环境指示作用；梁娟等( 2 0 0 6 ) 禾t j 用g a o c o l l i n s 模型计算了磨刀门河口沉积物净输运趋势，并分析了河口底质沉积特征。 在磨刀门拦门沙演变方面，李春初等( 2 0 0 4 ) 从现代珠江三角洲形成发展特点 出发，分析了珠江河口( 包括磨刀门) 的演变规律；罗宪林( 1 9 8 8 ) 分析了波浪作 用对磨刀门拦门沙泥沙输运的影响；敖大光( 1 9 8 3 ) 等利用历史海图对比，分析了 磨刀门v i 门冲淤变化特征；胡达( 2 0 0 5 ) 等利用历史海图阐述了磨刀门拦门沙演变 规律。 在磨刀门地形动力数学模型研究方面，吕海滨( 2 0 0 5 ) 利用磨刀门大规模整治 前后的地形，通过e c o m s e d 模型模拟了磨刀门海域洪、枯季水动力场，对潮流、 中山大学硕士论文磨刀门拦门沙近期演变及其排洪与拒成效应初探 余流、潮能通量进行了对比分析，研究磨刀门河口水动力对地形的响应；丘立国 ( 2 0 0 6 ) 应用十年尺度的长周期模型模拟了磨刀门1 9 7 7 - - 2 0 0 3 年间的地形演变， 并从河床演变学、海岸动力地貌学等角度，综合研究了磨刀门区域的动力一泥沙 运动一地形演变过程。何为等( 2 0 0 5 ) 应用实测资料和数学模型分析了磨刀门拦门 沙区域的动力特点和泥沙搬运趋势，并提出了相应的治理措施。 在磨刀门排洪效应研究方面，王世俊( 2 0 0 5 ) 通过分析珠江磨刀门分流河口水 动力结构及拦门沙的走向变化，解析磨刀门河口近期演变，并从河口的结构和功 能的角度，分析磨刀门河口的排洪功能和行为；王世俊( 2 0 0 7 ) 从河口界面理论出 发，研究了珠江河口的界面过程及排洪效应。 在磨刀门咸潮研究方面，胥加仕等( 2 0 0 5 ) 、吴亚帝等( 2 0 0 5 ) ，认为近年来珠 江三角洲( 磨刀门) 咸潮上溯加强的主要原因是枯季流域上游来水明显偏少、河口 及河道地形变化及河道分流比变化、河v i 地区供水规模扩大等；闻平等( 2 0 0 5 ) 认 为径流是造成磨刀水道咸潮上溯的主要原因；陈水森等( 2 0 0 7 ) 根据含氯度与径 流、潮流、河口地形等的关系，建立了珠江磨刀门水道咸潮上溯的经验模型。 1 3 研究范围和研究区域概况 1 3 1 研究范围 ，本文的研究范围是磨刀门河口段和口外拦门沙段，即为磨刀门水道灯笼山站 以下至磨刀门口外拦门沙段。 1 3 2 研究区域概况 珠江河口上承西江、北江、东江三江径流，下纳南海潮汐，具有“三江汇流， 网河如织，八口出海”的特色，是世界上水沙运动最复杂的河口之一。珠江由西 江、北江、东江、流溪河和潭江等多条河流组成，西北江思贤洛以下、东江石龙 以下为珠江三角洲网河区，网河区的河道经虎门、蕉门、洪奇沥、横门、磨刀门、 鸡啼门、虎跳门、崖门八大口门与南海相通。珠江三角洲地势低洼、河网纵横、 河汊繁多，成为其地貌特色。珠江三角洲网河区及磨刀门河口在珠江三角洲的位 置见图1 1 。 6 中山大学硕七论文磨刀门拦门沙近期演变及其排洪与于巨成效应初探 磨刀门是西江的主要入海口，也是珠江三角洲的主要泄洪通道。磨刀门河口 地形滩槽分异明显，口内有一系列的山丘、海岛，自东向西有茫洲、横琴岛、石 栏洲、鹤州、横洲、马鬃岛、三灶岛等，岛屿之间有洪湾水道、磨刀门水道、白 龙河水道和龙屎窟水道等( 见图1 2 ) 。磨刀门水道主槽位于鹤洲和横琴岛之间， 呈北西南东走向向海延伸。 磨刀门多年平均径流量为9 2 3 亿m 3 ，占马口站径流量的三分之一，占西、 北江径流的四分之一，居珠江八大口门之首。磨刀门潮汐属于不正规半日潮，日 不等现象显著，潮位潮期均不相等；磨刀门口门潮差小、潮流弱，年均潮差为 0 8 6 m ，多年最大潮差平均为2 0 4 m ，在八大口门中是最小的。磨刀门属径流强 潮流弱河口，多年平均山潮比为5 7 8 。洪水期以及平水期以径流作用为主，枯水 期流量低时则以潮流和波浪作用为主。磨刀门灯笼山站年均涨潮量为1 6 0 亿i n 3 ， 占八大口门总涨潮量的4 2 5 ，落潮量为1 0 8 3 亿m ? ，占八大口门总落潮量的 1 5 4 2 。磨刀门海区全年受波浪影响，大万山站各月平均波高大致1 0 1 1 3 2 m ， 平均周期为5 1 5 - - 5 7 s ，其中又以s e 向涌浪为主，出现频率占7 0 6 2 。冬半年 ( 枯季) 波浪动力较夏半年( 洪季) 强，口门受河流、波浪动力交替控制。 磨刀门河口内潮流为往复流，流向与河道走向基本一致，磨刀门口外主要潮 流方向为西北东南向，涨潮流为北西向，落潮流为南东向，作顺时针旋转。磨 刀门口外的沿岸流流速较大，流向稳定。沿岸流大致以佳蓬列岛为界，该岛以东 终年流向东北，以西终年流向西南，流幅夏宽冬窄，冬季约3 0 海里，夏季流幅 可增至6 0 海里 - 8 0 海里( 欧兴进，1 9 8 3 ) 。 7 m 太 tm 月j ij 近期演变其排洪拒咸r 初 ， ，i 。i!i ，- 1 ， 0 ，ed 4 图l - 1 珠江三角洲罔河概圈 图l o 磨刀门河口2 0 0 8 年地形圈 中山大学硕士论文磨刀门拦门沙近期演变及其排洪与拒咸效应初探 1 4 资料搜集 本文搜集的资料包括近期磨刀门口门地形资料、磨刀门口门附近验潮站长时 间序列资料以及中山大学河口海岸研究所及近岸海洋研究中心近期几次磨刀门 同步水文测验资料。 1 4 1 地形资料 磨刀门灯笼山到横洲口的地形资料包括：广东省航道勘查设计科研所测量的 1 9 9 4 年4 月挂定角小香洲1 ：5 0 0 0 航道平面图、2 0 0 0 年5 月珠江水利委员会勘 查设计研究院测量的1 ：1 0 0 0 0 磨刀门河口数字化测图、2 0 0 5 年9 月珠江水利委 员会勘查设计研究院测量的1 ：5 0 0 0 交杯沙水道数字化测图( 挂定角至交杯沙) 。 口外地形有1 9 9 4 年4 月l ：1 0 0 0 0 珠海市磨刀门横洲外地形图、2 0 0 0 年5 月珠江水利委员会勘查设计研究院测量的磨刀门河口数字化测图、2 0 0 5 年9 月l ： 1 0 0 0 0 广东省航道局磨刀门口外珠海机场澳门出海口数字化测图、2 0 0 7 年4 月 1 ：1 0 0 0 0 广东省航道局磨刀门口外数字化测图、2 0 0 8 年3 月广东省航道局1 ： 1 0 0 0 0 磨刀门口外数字化测图。 由于搜集到的以上地形资料成图比例尺、范围、数据格式、基面、坐标均不 一致，在进行地形演变研究时将各个水下地形高程数据统- n 珠江基面( 本文中 如未特别说明，均为珠江基面) 、坐标系统已转换成经纬度坐标。 1 4 2 水文泥沙资料 ( 1 ) 水文资料 19 6 0 - - - - 2 0 0 4 年马口、三水站月平均流量和含沙量；灯笼山、大横琴、三灶 站2 0 0 3 年逐时潮位数据；马口站2 0 0 3 年日均流量数据；竹银站2 0 0 3 年1 2 月逐 日高、低潮位和三灶、大横琴、挂定角、马骝洲站逐时潮位；竹银、灯笼山、大 横琴、三灶、马骝洲2 0 0 4 年7 月逐时潮位。 ( 2 ) 水文观测资料 2 0 0 3 年9 月中山大学河口海岸研究所磨刀门口外同步测验资料；2 0 0 5 年1 0 月磨刀门水道航道工可水文测验资料；2 0 0 7 年7 月中山大学河口海岸研究所磨 9 中山大学硕士论文磨刀门拦门沙近期演变及其排洪与拒咸效应初探 刀门口外同步观测资料。中山大学近岸海洋研究中心于2 0 0 3 年1 2 月9 - - 一，1 5 日及 2 0 0 4 年7 月3 0 - - 3 1 日在磨刀门口附近进行二次水文同步观测。 1 5 研究方法 本文的研究内容牵涉到河口动力、地貌过程。在研究方法上采取多学科交叉 的方法，采用河口动力学、地貌学、河床演变学等相结合，野外观测与室内分析 相结合，实测资料分析与数学模型模拟相结合，现代与历史相结合，微观分析与 宏观研究相结合，对磨刀门拦门沙近期演变及其排洪及拒咸效应进行探讨。具体 方法如下： ( 1 ) 实测资料分析 磨刀f - j m 口的河口动力过程，主要采用近几年实测的同步水文测验资料及磨 刀门口门附近主要验潮站的长时问序列资料对径流、潮汐和波浪动力进行分析。 ( 2 ) i ) e m 模型 d e m 是指数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l s ) ，它采用g i s 软件，将 研究区域内的纸质地形数据记录并存储，从而建立起所在区域的平面坐标与高程 间的映射关系。传统的河床地形演变研究，往往通过人工读取纸质地形图数据信 息，这样不仅耗费较多的时间，往往会出现许多误差。采用d e m ，将数字化的 地形数据通过计算机自动内插生成河床实地模型，在此基础上进行河床地形演变 研究，可以大大节省工作量，提高数据精度，并且可以得到很好的可视化效果。 本文根据1 9 9 4 年、2 0 0 0 年、2 0 0 5 年、2 0 0 7 年及2 0 0 8 年地形图，建立了d e m ( 数 字地形高程模型) 模型，在此基础上分析磨刀门河1 2 1 近期演变特征。 ( 3 ) e f d c 模型模拟 采用e f d c 模式建立了磨刀门河口洪季二维及枯季三维斜压模型，分别模拟 了磨刀门洪枯季水动力特征，以分析磨刀门口门的排洪效应和拒成效应。 模型水下地形有两部分组成：口内地形采用广东省航道局2 0 0 5 年测磨刀门 水道及口外的1 ：5 0 0 0 河道地形资料，平高控制采用1 9 5 4 北京坐标系3 度带， 高程系统采用珠基高程；口外地形采用海军司令保证部发行的2 0 0 1 年l ：7 5 0 0 0 的航海图。模型模拟的范围为1 1 3 2 2 - , 1 1 3 6 8 e ，2 1 7 8 - 2 2 3 7 n 之间，北至竹银， 南至高栏岛最南端一线( 3 0 m 等深线) ，洪湾水道东到马骝洲，西至三灶岛西侧。 1 0 一 - m m 十培女晰月rj 杜j # m 期演变其排m 拒教r 初株 模型水平方( o j 采用正交曲线网格，乖向方向为口啦标，垂向分为8 层，每层 相对厚度均分为01 2 5 。网格数为1 8 1 1 2 8 ，x 方向最小空间步长为2 2 m ，y 方向 最小空闻步长为1 2 3 m ，时问步长为3 0 s 。 对于潮汐河道水流的模拟如何布置阿格，使之贴台曲折边界，同时克服计 算域长宽比悬殊的阡 难，是一个关键问题。如果选择矩形刚格，为了顾及边界形 状及河道横断面上的地形，不得不采用众多尺度很小的单元，计算工作量显著增 加。本文采用正交贴体曲线阿格系统来克服边界复杂及计算域j t 度悬殊所引起的 困难。采用w 1 l l e m s 导出的难交曲线坐标方程为转换方程，以有限差分方法离 散和t d m a 技术即可求解。模拟河段的计算网格见图1 3 。 考虑到模拟河道地形复杂，水深变化大，多浅段，在潮位退落时易出露，模 型启用动边界条件，考虑浅滩地形的f ：湿交替，以接近真实的物理过程。 图1 - 3 模型计算范围殛眄格布设 - l lj j 大学十硷i蚺月fj 拦1