珠江河口口门区滩槽演变及对泄洪的影响研究

何 用，卢 陈，杨留柱，叶荣辉，邹华志，王 华

（水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室 珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510611）

1 研究背景

河口口门区是泄洪尾闾，其顺畅与否直接关系到河口防洪安全［1］。近年来，珠江流域来水条件和河道边界条件发生了较大变化，珠江三角洲泄洪任务加重［2-3］。近年来发生的“94.6”、“94.7”、“98.6”、“05.6”大洪水反映出，在上游洪水量级相近的情况下，西江梧州控制站洪水量级不断加大，注入三角洲的洪水量级也随之加大［4-5］，另一方面，珠江三角洲河网河床下切后，关键节点及各口门分流分沙比发生较大改变［6-7］，加上河口径-潮-波的动力调整，致使“94.6”、“98.6”洪水期间，三角洲腹部洪水出现异常壅高［8］。受洪水、天文潮和风暴潮遭遇，径潮动力变化等各种因素影响，近年来，珠江河口潮水位有普遍抬升的趋势［9-11］。

河口口门区滩槽格局和采砂、岸线及滩涂开发利用等高强度人类活动直接影响到洪水的宣泄［12］。围垦、疏浚、码头建设以及水闸的不合理调度使得水量集中［13］，蓄滞洪能力减小，亦改变了网河河床及河口岸线边界条件，对滩槽演变和泄洪产生深远的影响［14］。与此同时，近50年来进入珠江河口区的泥沙通量呈现明显的下降趋势，三角洲上游来沙量1980年代为8 646万t/a、1990年代为7 231万t/a，21世纪初为4 070万t/a，较1980年代下降了近52.9%。（1）口门区滩槽近期究竟发生了哪些变化？（2）拦门沙是口门区特有地貌，其演变受径流、潮流、波浪和沿岸流等动力影响，新情势下拦门沙演变趋于复杂化，其演变动力机制如何？（3）河口不同类型涉水工程群对泄洪的累积效应如何？（4）河口口门区纵横向动力差异大，泄洪纳潮功能和敏感性差异大，如何从布局和布置上实行涉水工程的科学管控？这些影响河口防洪安全重大问题的研究，无疑将推动河口治理和管理水平的提升。

本文基于空间数据分析、物理模型试验和数学模型模拟研究等主要技术、研究手段的交叉应用，从珠江河口口门区滩槽格局变化、拦门沙演变和大型涉水工程群体效应等角度出发，研究口门泄洪形势的综合变化及影响因素。在此基础上，提出了工程建设管理的控制量化指标，以期为河口防洪安全和水行政管理提供科学的技术支撑。

2 珠江河口口门区滩槽近期演变及其对泄洪影响

2.1 口门区滩槽近期演变特征利用1978—2014年的系列影像数据进行岸线矢量化提取，统计分析岸线变化。分析表明，1978—2014年间共计围垦约582 km2，占1978年珠江河口水域面积（珠江河口管理范围）的12%，口门各区不同年代滩涂利用见表1。

表1 珠江河口历年岸线围垦面积变化统计表 （单位：km2）

珠江河口为堆积型河口，珠江三角洲的发育是不断向海延伸的过程。1980年代以前，河口口门淤积严重，特别是蕉门、横门和磨刀门浅海区［15］。1990年代以来河口滩槽演变呈现出一些新特征。结合RS、GIS技术，对珠江河口滩槽格局变化特征及口门浅滩、深槽的冲淤演变特点进行了综合分析。总体而言，1999—2011年间珠江河口水域面积虽呈不断减少，但容积呈增加态势，共计增加1.84亿m3，增加2.83%。河口滩槽格局基本不变，航道维护及两岸浅滩围垦使得主槽潮流集中，趋于稳定，口门进一步向海延伸，口外输沙动力增强，淤积区向湾外发展，流域来沙减少，使得淤积速度趋于减缓，局部存在侵蚀风险。

以伶仃洋为例，西滩沉积中心处于向南部转移的过程中，南部浅滩面积逐渐增多；中滩向东淤长放缓；东滩近期以淤积为主；东槽和西槽位置基本稳定，西槽处于下切加深状态。随着伶仃洋喇叭形河口形态的确立以及东西槽南北贯通，主槽向深海输沙能力增强，河口湾上部淤积趋于减少，中下部淤积强度将有所增加，但三滩两槽总体格局不变。

2.2 口门滩槽演变与来沙之间关系以伶仃洋河口湾和磨刀门为例，分析河口滩槽冲淤变化与上游来水来沙之间的关系（见图2）。统计马口、三水、博罗站1954—2011年序列径流、输沙量资料，分析表明，3站径流量变化不大，但输沙量在1990年代特别是1993年之后大幅度减少，1993—2011年间年均输沙量仅为多年平均输沙量的42%。综合来水来沙和冲淤变化过程来看，口门冲淤与流域来沙量呈正相关关系，随着上游来沙量逐年减少，滩槽淤积逐渐减少，甚至局部出现了侵蚀。以伶仃洋西滩为例，1954—1985年间3站年均输沙量之和为7 402.6万t/a，西滩年均淤积量为733.4万t/a；1985—1999年间输沙量减少12%，年均淤积量变化不大；1999—2005年间输沙量比上阶段减少71%，西滩则由淤转冲；2005年后输沙量比上阶段减少29%，冲刷强度则一步加大。

2.3 滩槽演变及其对河口泄洪影响口门区不同滩槽地形下泄洪分析表明，滩槽近期演变总体上有利于口门泄洪，受其影响网河区洪水位普遍降低，且下游洪水位降低幅度大于上游洪水位降低幅度，但受节点分流变化，三角洲网河区腹部洪水位略有升高。口门滩槽演变总体上有利于上游洪水的宣泄，同等历史条件下，八大口门总净泄量增加1.9%，从分配上看，东四口门洪水总分配比减小1.28%，西四口门洪水总分配比相应增加。与此同时，口门区滩涂围垦造成口门区风暴潮高潮位抬升，最大幅度接近0.05 m，其中以冯马庙、西炮台抬升幅度最为明显（见图1）。

图1 伶仃洋水域近期冲淤速率变化图（单位：m/a）

图2 伶仃洋西滩及磨刀门出口冲淤量与输沙量的关系

3 河口拦门沙演变及动力机制

3.1 拦门沙形态演变特征结合水文、泥沙、地形、卫星遥感数据等原型观测资料，对珠江河口主要拦门沙的历史发育过程、平面格局变化进行了研究［16］。研究表明人类活动影响显著以及上游来水来沙的变化和海洋动力的作用使得磨刀门拦门沙表现出了不同的演变特点，其总体趋势是拦门沙随着河口的延伸不断向外海推移。拦门沙在1984年之前尚未分汊，上游主槽呈NW-SE向直接入海，主槽水深在-4 m左右。1984—1994年间东汊开始发育，至1994年东汊初步形成，2000年形成一主一支的格局，经2005年百年一遇大洪水冲刷，东、西汊向海推进显著，至2011年东、西汊进一步拓宽、加深。2000年来磨刀门口外-4 m深槽发育过程见图3。图4反映了2000年以来磨刀门口外中心拦门沙纵向断面形态变化，中心拦门沙内坡以冲刷为主，内坡向海推进1 231 m，外坡基本稳定，滩顶淤高1.34 m。

3.2 拦门沙演变动力机制选取磨刀门口外拦门沙为典型，综合考虑拦门沙区域水沙环境特征，分析余流、近岸环流、洪水、波浪与泥沙输移通量和路径的响应关系，分析了磨刀门口外拦门沙冲淤动力机制和不同动力因素对拦门沙体塑造的过程，解析了其不同发育阶段的主控动力因素。以2011—2012年磨刀门口的洪、枯季定点观测资料为基础，分析磨刀门口洪枯季的欧拉余流、斯托克斯余流以及拉格朗日余流的分布特征［17］。分析表明，磨刀门水道欧拉余流和拉格朗日余流的大小和方向基本一致，磨刀门水道洪、枯季均以顺河道指向口外为主，洪季明显大于枯季。外海各点的欧拉余流和拉格朗日余流，枯季在各潮型下均为一致的西南沿岸方向，洪季的东、西汊道点在强径流下表现为顺汊道指向外海方向，其余外海各点仍以西南沿岸方向为主。洪季和枯季磨刀门口动力特征分析表明（图5），枯季磨刀门口海域具有稳定西南向沿岸流特征，南海东北季风的驱动作用是其形成的主要原因；洪季磨刀门口各潮型下沿岸流特征各异，其影响的主要因素为径流和风。研究指出，在常年西南沿岸流影响下，磨刀门口外径流沿西南方向宣泄，是拦门沙西汊发育的主要动力，洪水期，在伶仃洋东南向落潮流的影响下，磨刀门外径流向东南方向偏转，是拦门沙东汊发育的主要动力。

图4 磨刀门口外中心拦门沙区纵向形态变化

图5 大潮磨刀门口流场特征图

3.3 波流作用下中心拦门沙演变径流和波浪是塑造拦门沙纵剖面形态的主要动力因子。研究依托磨刀门拦门沙纵剖面物理模型，深入研究磨刀门口外拦门沙与洪水的响应关系［18］。研究表明，在洪水条件下拦门沙内坡及滩顶发生明显冲刷，其冲刷深度随洪水的增大而增大，拦门沙滩顶位置发生外移，拦门沙顶高程基本不变（图6）。其中，拦门沙内坡在“99.7”常年洪水、20%频率洪水作用拦门沙内坡平均冲刷分别为0.4 m和1.1 m，5%、2%和“05.6”等大洪水作用下，内坡平均冲刷深度接近2 m。

在洪水与波浪共同作用下，拦门沙内、外坡均发生明显冲刷，拦门沙顶淤高（图7）。增加波浪动力作用后，外坡床面受波浪的淘刷作用而发生明显冲刷，平均冲刷深度在0.5～0.8 m之间；内坡冲刷深度略小于无波浪时的冲刷深度。波浪不仅对拦门沙滩顶的径流有顶托作用，而且为其提供了新的泥沙来源，从而使拦门沙滩顶最高点高程有所抬高。

图6 洪水作用下拦门沙纵剖面冲淤变化

图7 波流共同作用下拦门沙剖面冲淤变化

4 河口不同类型涉水工程对泄洪累积影响与分离评估

4.1 涉水工程群对河口泄洪纳潮的累积影响珠江河口涉水工程分布广、数量大、种类多，如何全面、准确、高效地掌握涉水建筑物的基本情况，解决大范围数学模型大尺度网格与工程小尺度结构之间的矛盾，合理概化和模拟涉水工程，揭示工程群在网河及口门区阻水效应的叠加规律，是全面评价涉水工程群对泄洪累积影响的难点。

研究采用遥感影像解译技术，建立相关岸线、码头、桥梁、围垦等工程解译标志。在ArcGIS平台上，采用人机交互式解译方式进行岸线及工程利用信息解译，结合现场调查和资料分析，全面系统掌握了珠江河口已建涉水工程基本情况及分布规律。分析表明，2000年珠江河口有码头257座，至2011年码头增至499座。2000年珠江河口主干河道上仅大桥和特大桥总数67座，2011年增至114座，平均桥梁密度增加至0.165座/km。2000年珠江河口区的码头岸线占用率为5.57%，至2011年上升至10.7%。

针对珠江河口研究范围大、涉水建筑物多、工程类型多样的特点，本研究对码头、桥梁工程创新地分别采用码头桩群阻力效应法和等效糙率法进行概化，通过对不同类型工程结构的合理概化和阻水效应的精准模拟，成功实现了数模大尺度网格对小尺度桥墩阻水的准确模拟。研究表明［19］，涉水工程群对不同类型口门的洪潮水位影响呈现出不同的变化特征。虎门及崖门等潮优型河口，高潮位降低、低潮位抬高，潮差减小；磨刀门、蕉门、洪奇门、横门、鸡啼门、虎跳门等河优型河口，则表现为高、低潮位均有所抬高，潮差减小。潮位变化幅度以蕉门为最大，其次为洪奇门、横门及磨刀门。百年一遇洪水条件下河口高低潮位影响范围见图8。对分流比的影响，口门区以焦门为最大，网河区变化不明显；对净泄量的影响，东四口门净泄量减少，西四口门净泄量增加。对纳潮影响分析表明，各口门因河口湾形态、口门间互动、工程分布特征等因素的综合影响，对口门纳潮量影响的变化规律有所差异。总体趋势为：总纳潮量减少；潮量变化主要集中于伶仃洋-虎门-狮子洋以及黄茅海-崖门-银洲湖两大潮汐通道其中伶仃洋减少3%～5%，黄茅海减少0.3%～0.6%。

4.2 不同类型工程对河口泄洪影响的分离评估在综合考虑滩涂开发利用、特大桥梁与码头工程建设、深水航道开发的基础上，分离评估了不同类型涉水工程对河口泄洪的影响。研究表明，受工程群上分布的影响，在伶仃洋东四口门桥梁工程群对潮位影响大于围垦工程，而在西四口门围垦工程对潮位影响更大。特大桥梁对河口泄洪有较明显的叠加作用，滩涂围垦对潮位变化影响相对较小，其工程影响主要体现在对近岸动力的调整；而深水航道工程对低潮位降低有明显作用（图9）。在蕉门、横门和洪奇沥等三个径流型河口，桥梁工程对洪水高潮位的影响贡献率在50%以上，围垦工程的贡献率在20%以上，对于低潮位的影响，桥梁工程的影响贡献率在75%以上。

图8 百年一遇洪水条件下河口潮位影响范围分布

图9 不同类型涉水工程群对河口潮位的影响图

5 河口防洪潮敏感区与关键控制指标

5.1 河口防洪潮敏感区的划定河优型口门与潮优型口门有着不同的动力特征，前者主导动力为上游径流而后者则主要为潮汐动力所控制。目前河口类型的划分多采用多年平均山潮比的概念，其计算方法为完整潮周期内的净泄量除以涨潮量。为揭示珠江河口径潮动力格局分布，研究引入径潮动力比概念，其计算公式如下：

式中：k为径潮动力比；VEuler为N个潮周期内的平均Euler余流；Vn为N个潮周期内的逐时涨潮流速（其中n为涨潮历时）。与山潮比类似，当径潮动力比k＞1时表示径流动力强于潮汐动力，则该河口为河优型河口；当径潮动力比k＜1时表示潮汐动力强于径流动力，则该河口为潮优型河口；当k=1时表示该位置径潮作用基本相当。以此为判别标准，在计算分析多潮平均欧拉余流和涨潮流速的基础上，分析得到珠江河口径潮控制区分布见图10。以此为基础，结合珠江口泄洪整治规划总体要求、河口近期水文情势变化、涉水工程开发利用强度及其对防洪的影响、河道堤防险工险段分布等，划定河口防洪敏感河段。

对于口门外广阔的潮流控制区水域而言，其断面的行洪纳潮能力常可以由该断面的涨落潮流量反映，而在某一过水断面中，由于滩槽形态差异，不同位置的过流能力又随流速、水深的变化而有所不同，为反映断面中不同位置的行洪纳潮能力，研究引入单宽流量的概念，建立了基于单宽流量概念的工程阻水效应判断方法［20］。根据潮流模拟结果得到分析范围内各点的流速V（垂线平均）和水深H，得到区域洪水落潮最大单宽流量分布，以此评估区域的行洪、纳潮能力。在此基础上，采用单宽落潮平均流量梯度突变值，作为一般敏感区、较敏感区、敏感区的划分标准，绘制防洪影响敏感水域的分区（见图11）。

图10 珠江河口径潮动力分布

图11 珠江河口敏感水域分区示意

5.2 涉水工程防洪关键控制指标涉水工程群对河口防洪纳潮的影响，主要体现在对防洪水位及维系河床稳定的涨落潮量的影响［21］。为此，研究重点探讨了涉水工程水位控制指标和潮量控制指标。

基于珠江口涉水工程对河口泄洪累积影响的分析成果，根据《珠江河口综合治理规划》泄洪整治规划提出整治要求和整治效果及口门不同频率设计洪水差值，本着从严控制的原则，提出各敏感河段或水域的允许壅水高度等控制指标。以蕉门出口段为例，泄洪整治规划提出维持泄洪能力，通过实施泄洪整治工程，使得百年一遇条件下洪水位降低2 cm；河口涉水工程对蕉门南沙控制站泄洪水位累积影响为7.7 cm；而南沙站不同频率设计洪潮水位平均差值为7 cm，为此综合确定河段涉水工程防洪控制水位为1 cm。

根据国内外相关河口河相关系原理，采用珠江河口多年水文资料，深入研究了多种条件下河口过水面积变化与潮量之间的相关关系［22］。潮汐河口在来水来沙与河床长期相互作用下，经过河流的自动调整作用，河床形态经常处于平衡状态或接近平衡状态，其断面形态基本上与上下游来水来沙相适应。多年平均潮位下的断面面积称为临界断面面积。不同时段，水沙条件不同，河床形态也相应有所调整，可能形成与所在河段相适应的某种均衡形态，这种均衡状态的断面形态与来水来沙条件之间存在某种函数关系，其时段平均潮位下的过水面积称为均衡断面面积。对于已处于动平衡状态的潮汐河口，可建立一定的河相关系式A*～Qeα/Seβ，式中A*是平均潮位下的断面面积，Qe是多年平均落潮流量，Se是多年平均落潮含沙量，α、β为指数。基于河口近期实测洪、枯水水文资料，进一步分析近期口门均衡断面Ae经验关系式。

考虑河口口门控制宽度B变化不大，河床冲淤变化主要表现为平均水深H变化，由近期河口河相关系式（2），可以计算得到不同落潮流变幅下相应河口口门冲淤变化厚度。当河床冲淤调整引起水位变幅超过不同频率设计洪水之间差值时，意味防洪压力相应从一种量级增加到更高一量级的洪水。研究以维护河口断面的稳定为基础，提出潮量的综合控制指标：各类工程对河口口门潮量减小控制在1%～2%，才不致使口门淤积，引起防洪形势的变化。

6 结论与展望

本文研究珠江河口滩槽近期演变及其对泄洪的影响，探讨了河口工程建设管理的控制指标，为珠江河口滩涂开发和涉水工程管理等提供了技术支撑［23］，研究得到主要结论如下：

（1）珠江河口水域滩槽格局基本不变，滩涂面积减少，河床容积呈增加态势，口门进一步向海延伸，口外输沙动力增强，淤积区向湾外发展，流域来沙减少，使得淤积速度趋于减缓，在来沙大幅减少背景下，珠江河口滩涂存在侵蚀后退的可能。（2）口门滩槽演变总体上有利于上游洪水的宣泄，受滩槽演变的影响网河区洪水位普遍降低，同等来水条件下，东四口门洪水总分配比减小1.28%，西四口门洪水总分配比相应增加。与此同时，口门区滩涂围垦造成口门区风暴潮高潮位抬升。（3）季风成沿岸流和洪水径流是塑造磨刀门拦门沙东、西汊发育的主动力，两股动力的遭遇时机是东、西汊交替发育的主要原因，洪水与波浪共同作用是形成拦门沙内坡冲刷，拦门沙顶淤高的主要成因；（4）涉水工程群对河口泄洪存在累积影响，表现为潮优型河口，高潮位降低、低潮位抬高，潮差减小；河优型河口，则表现为高、低潮位均有所抬高，潮差减小。伶仃洋东四口门桥梁工程群对潮位影响贡献率大于围垦工程，而在西四口门围垦工程对潮位影响更大；（5）引入径潮动力比概念，提出珠江河口径潮控制分区，划分防洪影响敏感水域；，综合分析提出了各敏感河段或水域的涉水工程的允许壅水高度，基于口门均衡断面的河相关系，提出涉水工程引起的潮量减幅应控制在1%～2%以内。

本研究主要集中于口门区，而珠江河口口门区和网河区是一个有机的整体，其动力过程、泥沙输移与滩槽演变机理极为复杂。下阶段研究将扩大至河网区，进一步深化河口水沙变异及滩槽演变规律，还原自然条件下的河口滩槽演变，预测珠江河口河床调整的程度与历时，同时阐明河口区海岸侵蚀的机理，为新时期河口治理开发与保护提供技术支撑。

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