程梁秋，張 蔚，方擁軍，秦莉真，秦 震，楊 戈

(1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點實驗室，南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098；3.中國人民解放軍92001部隊41分隊，青島 266011)

珠江口伶仃洋西槽(伶仃水道)是整個黃埔出海航道最重要的一部分，其地貌演變對航道的疏浚與維護(hù)、船舶的通航以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。近幾十年來由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，在西灘進(jìn)行了大量的圍墾工程和港口工程，在西槽進(jìn)行了多次大規(guī)模的航道整治工程，這勢必會對西槽的地貌產(chǎn)生較大的影響。所以研究伶仃洋西槽的地貌演變有著重要的經(jīng)濟(jì)、社會和科學(xué)價值[1]。以往的研究更多集中于對整個河口的沖淤演變規(guī)律分析，本文對西槽長期地貌演變規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的研究，可為航道的開發(fā)與維護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

位于珠江三角洲東南部的伶仃洋是珠江最大也是最重要的河口灣，其形狀為喇叭形，走向為NNW—SSE，北部邊界為虎門，寬度約為4 km。由北向南逐漸變寬，南部邊界為淇澳島—內(nèi)伶仃島—赤灣連線，寬度約為21 km。南北跨度35 km。水域面積約為1 000 km2[2]。來自上游的徑流和泥沙通過東四口門(虎門、蕉門、洪奇瀝、橫門)進(jìn)入伶仃洋。在潮流和來自上游的徑流還有人類工程活動的共同作用下，伶仃洋現(xiàn)已形成了“三灘兩槽”的水下地形格局；三灘分別為西灘、中灘和東灘，兩槽指的是伶仃水道(西槽)，礬石水道(東槽)，本文以伶仃洋西槽作為研究區(qū)域，對其近50 a的地貌演變規(guī)律進(jìn)行分析(研究區(qū)域見圖1)[3]。

珠江多年平均徑流總量為3 020億m3，平均年輸沙量約8 800萬t。經(jīng)東四口門注入伶仃洋的年徑流總量為1 670 億m3，占年總徑流量的55.3%。年輸沙量為3 664萬t，占年輸沙量的41.6%[4]。徑流在東四口門的分配，以洪奇瀝最小，蕉門最大，西部三口門徑流量約占伶仃洋總徑流量的70%。沙量主要分配在蕉門和橫門，虎門和洪奇瀝相對較少，西部三口門來沙量約占總沙量的80%[5]。沙量在各口門的分配不勻，使得伶仃洋海域含沙量具有西北高，東南低，西槽大于東槽的分布規(guī)律[6]。上游來沙條件對河口沖淤演變有著重要影響。近幾十年中，珠江上游來沙經(jīng)歷了兩個階段[7]。第一個階段為20世紀(jì)80年代之前，上游來沙量呈遞增的趨勢。第二個階段為20世紀(jì)80年代以后，上游水土保持工作的加強、多座水利樞紐的建設(shè)以及河網(wǎng)內(nèi)水道的大規(guī)模人工采沙導(dǎo)致在上游徑流量無明顯變化的情況下來沙量開始減少，并從20世紀(jì)90年代開始上游來沙顯著減少。2000年以后，珠江上游來沙量僅有40.70×106t/a，大約是1980年的一半[8-9]。

圖1 研究區(qū)域示意圖(珠江基面)Fig.1 Study area(datum of pearl river)

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)

應(yīng)用將海圖數(shù)據(jù)化得到的不同年份的地形資料對地貌演變進(jìn)行定量或者定性的分析是一個比較準(zhǔn)確可靠的方法。本文選取了1960～1970, 1980, 1990, 1999, 2005, 2012年6個年份的海圖作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將海圖數(shù)字化，并將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到珠江基面，對近50 a伶仃洋西槽的地貌演變進(jìn)行了分析與研究。隨著測量技術(shù)的逐步成熟，現(xiàn)代回聲探測儀在水深小于5 m時的誤差約為±2～5 cm，當(dāng)水深大于5 m時的測量誤差小于1%，可以保證數(shù)據(jù)的精確性[10]。

2.2 研究方法

Surfer軟件是美國Golden Software公司編制的一款繪制三維圖的軟件，具有強大的插值功能、繪圖和計算能力。Surfer可以將地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成三維地形圖，繪制等值線圖等。其中的克里金(Kriging)插值法又稱空間自協(xié)方差最佳插值法，它是以法國D.G.Krige的名字命名的一種最優(yōu)內(nèi)插法?？死锝鸱◤V泛地應(yīng)用于地下水模擬、土壤制圖等領(lǐng)域，是一種很有用的地質(zhì)統(tǒng)計格網(wǎng)化方法。

圖2 斷面分布示意圖Fig.2 Section distribution

應(yīng)用Surfer軟件中的克里金(Kriging)插值法對各年代的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行45 m×45 m的高密度網(wǎng)格化，保證了模型的精度，建立了數(shù)字高程模型(DEM)。本文將珠江基面-7 m以下的部分定義為深槽，應(yīng)用Surfer繪制了歷年的等深線圖以及沖淤分布圖，分析了西槽平面上的變化以及沖淤分布規(guī)律；然后在西槽等距離取了12個斷面P1～P12，將西槽分成了11部分WC1～WC11(圖2)，分析了各部分的體積變化規(guī)律、典型斷面歷年形態(tài)的變化以及深泓線平面位置上的變化。

3 西槽地貌演變分析

3.1 水深圖變化分析

西槽歷年水深圖如圖3所示。1960～1970年水深較淺，大部分水深都在-8～-9 m之間，-7 m等深線曲折。1980年西槽整體沖刷，深槽中部水深集中在-9 m～-10 m，局部水深達(dá)到了-10 m以上，-7 m等深線變得順直，并明顯的向西移動。1990年西槽平面形態(tài)以及水深基本保持不變。1999年明顯沖刷，西槽中部整體達(dá)到了-10 m以下，且中灘沖刷嚴(yán)重，中灘頂部由P1處下移到了P2下部。2005年西槽有所淤積，西槽形態(tài)與1990年相似。2012年西槽由淤積轉(zhuǎn)為沖刷，P9以上深槽明顯縮窄變深，P9以下深槽變寬，深槽整體達(dá)到了-13 m以下。

3.2 沖淤分布分析

圖4為西槽歷年沖淤分布圖，圖中負(fù)值代表沖刷。由圖4可知1960～1980年西槽整體沖刷，P4以上沖刷較嚴(yán)重。1980～1990年西槽沖淤分布較亂，有沖有淤，但沖刷區(qū)域面積明顯大于淤積區(qū)域面積，總體表現(xiàn)為沖刷特征。1990～1999年西槽及其兩側(cè)水域都表現(xiàn)為沖刷特征，只有在P5～P9之間局部有所淤積。1999～2005年西槽整體呈淤積趨勢，在P3～P9之間西槽兩側(cè)水域略有沖刷。2005～2012年，P8以上西槽兩側(cè)水域繼續(xù)淤積，西槽則由淤積轉(zhuǎn)為沖刷，P8以下灘槽都處于沖刷狀態(tài)?？傮w來講在1960～2012年這50 a間，西槽處于一個沖刷加深的趨勢。

3.3 體積變化

用12個斷面將西槽分為11個部分，利用Surfer分別計算西槽各部分以及總體歷年的體積和沖刷速率(見表1和表2)，進(jìn)而分析西槽不同部位的沖淤演變特征。表中WC代表西槽，“-”代表淤積。

圖3 西槽歷年水深圖Fig.3Bathymetriccharts圖4 西槽歷年沖淤分布圖Fig.4Erosionanddepositiondistribution

近幾十年西槽呈沖刷加深趨勢，2012年與1960年相比西槽體積增加了12 296萬m3，沖刷速率為293萬m3/a。本文將西槽的沖淤變化分為3個階段，第一個階段為1960年到1999年，這一階段深槽體積平穩(wěn)上升，不斷的沖刷，平均沖刷速率為334 萬m3/a。第二階段為1999年到2005年，深槽體積減少，不斷淤積，平均淤積速率為958 萬m3/a。第三個階段是2005年到2012年，這一階發(fā)生了嚴(yán)重的沖刷，沖刷速率高達(dá)1 195萬m3/a。

表1 西槽體積Tab.1 Volume of western channel (×106 m3)

表2西槽沖刷速率

Tab.2 Erosion rate of western channel (×106m3/a)

編號1980-19601990-19801999-19902005-19992012-20052012-1960WC10.270.070.94-1.263.130.62WC20.28-0.090.72-0.690.520.19WC30.300.040.54-0.920.810.20WC40.070.030.45-0.600.560.13WC50.300.010.90-1.260.490.17WC60.420.070.28-0.290.460.21WC70.360.000.430.120.050.20WC80.240.120.37-0.030.580.26WC90.270.160.44-1.261.650.29WC100.510.280.43-1.661.940.36WC110.490.170.40-1.741.760.29WC3.520.865.89-9.5811.952.93

由表1和表2可知西槽每一部分的體積變化規(guī)律與總體變化規(guī)律相一致，基本滿足3個階段的變化規(guī)律。然而在徑流與潮流的影響下，上游和下游的體積隨時間的變化規(guī)律卻有所不同。1960到1990年之間斷面P6以上的部分沖刷速率要低于P6以下的部分，這是因為來自西灘的泥沙主要在西槽上游落淤，所以導(dǎo)致了上游沖刷速率要小于下游。1990到2005年的情況與之前相反，可以明顯的看出1990年到1999年西槽上游的沖刷速率要高于下游，1999年到2005年西槽上游的淤積速率要小于下游。這是因為1990年后在西灘的雞抱沙、萬頃沙、橫門灘進(jìn)行了大量的圍墾工程，使得水沙在蕉門、洪奇瀝、橫門的入海流路延長并加速流入伶仃洋，這一過程使得西槽受到一定程度的沖刷，且淤積中心向南移動。

3.4 深泓線平面變化

圖5 西槽深泓線平面變化Fig.5 Variation of thalweg

伶仃洋西槽歷年深泓線平面變化圖如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)除了1960～1970年深泓線位置與其他年份相差較大以外，1980年以后深泓線平面位置變化不大，只有局部有所移動。P3到P7之間，P10到P12之間深泓線位移相對較小，比較穩(wěn)定。P1到P3，P7到P10的部分深泓線歷年位移相對較大。雖然西槽深泓線歷年來的平面變化規(guī)律不是很明顯，但是可以發(fā)現(xiàn)P5處深泓線位置歷年來變化最小，其上游以及下游的深泓線以P5為中心擺動，中心點在圖5中已用矩形框標(biāo)出。由深泓線歷年平面位置變化分析可知近幾十年伶仃水道航槽呈穩(wěn)定趨勢。

3.5 橫斷面分析

3.5.1 典型斷面沖淤變化分析

圖6 典型斷面沖淤變化Fig.6 Variation of the sections

選取P6，P10兩個深槽橫斷面(圖6)進(jìn)行沖淤變化分析，圖6橫坐標(biāo)代表距離斷面起點的距離，縱坐標(biāo)代表斷面底高程。分析結(jié)果可知近幾十年來西槽一直處于不斷沖刷加深的狀態(tài)，1960～1970年西槽水深較小，維持在-8 m左右。1980年兩個斷面均有所加深，水深在-10 m左右，且各斷面均向西偏移。1990年各斷面均有所沖刷，斷面有所加寬，水深維持在-11 m左右。1999年西槽明顯刷深，水深在-11～-13 m之間，斷面寬度有所增加。2005年西槽發(fā)生了淤積，水深恢復(fù)到了1990年的水平,且寬度變小。2012年的西槽刷深十分嚴(yán)重，斷面深度在-19 m左右，且寬度明變小。

3.5.2 斷面寬深比分析

圖7 寬深比匯總Fig.7 Aspect ratios

寬深比為斷面寬度的均方根與斷面最大深度的比值，寬深比能夠很好的反應(yīng)斷面特征，寬深比的值越小則代表斷面越窄深，為了分析西槽的橫斷面隨時間的變化規(guī)律，本文分別計算了P1～P12總共12個西槽橫斷面歷年的寬深比，并將不同時間段的斷面寬深比與斷面最大深度組成坐標(biāo)繪制成圖(圖7)，對斷面寬深比進(jìn)行了統(tǒng)計分析。分析結(jié)果表明，1960～1970年寬深比主要集中在5～7之間，最大深度主要在-8 m左右。1980年寬深比更多地集中在了3～5之間，水深更多地集中在-10 m左右，這說明西槽受到?jīng)_刷。1990年寬深比分布與1980年相似。1999年發(fā)生了沖刷，有更多的斷面水深在-11 m以下，斷面寬深比主要分布在3～5之間，并且出現(xiàn)了一個斷面的寬深比小于3，這說明這一斷面附近的區(qū)域沖刷嚴(yán)重。2005年斷面寬深比的分布規(guī)律與1990年相似，這說明發(fā)生了淤積。2012年斷面寬深比集中分布在1～3之間，寬深比在3～9范圍內(nèi)的斷面僅有3個，水深主要分布在-20 m左右，這說明西槽在2012年發(fā)生了嚴(yán)重的沖刷，并且深槽寬度變窄。

4 西槽地貌演變原因分析

4.1 人類工程活動概況

在1978～2003年期間，伶仃洋的土地圍墾面積達(dá)2.598×104hm2[11]，在珠江口4個水域中土地圍墾面積最高，伶仃洋西部岸線向海迅速推移，泗東灣，蕉門和橫門附近有大量的土地形成，使得口門向海推進(jìn)，入海流路延長，入海泥沙加速流入伶仃洋水域[12]。

1975～1979年，為滿足黃埔新港建設(shè)的需求，對伶仃航道進(jìn)行了拓寬浚深，工程后航道底寬160 m，水深8.6 m。1996年6月至1997年12月進(jìn)行了廣州港出海航道預(yù)備工程，對航道按底寬160 m，底高程-10.5 m的標(biāo)準(zhǔn)浚深。隨后在1998～2000年間進(jìn)行了廣州港出海航道一期工程，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為底寬160 m，底高程-11.5 m。2004～2006年進(jìn)行了廣州港出海航道二期工程，按照底寬160 m，底高程-13.0 m 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行浚深[13]。為配合南沙港區(qū)建設(shè)，在2006年按照底寬250 m，底高程-13.0 m的標(biāo)準(zhǔn)對伶仃航道進(jìn)行了拓寬[14]。2007～2011年按照航道有效寬度為243 m，設(shè)計底高程為-17.0 m的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了廣州港出海航道三期工程[15]

4.2 各時期演變原因分析

1960～1970年間西槽體積為歷年來的最小值(表1)，深泓線位置較其他年份更偏向東邊(圖5)，斷面水深也處于歷年來的最小值(圖6)，斷面寬深比較大，主要集中在5～7之間，說明深槽較寬淺(圖7)。在這一時間段內(nèi)人類工程較少，上游來沙量較大，西槽在這個時間段內(nèi)受自然因素所主導(dǎo)，大量泥沙在西灘落淤，因西灘的壓迫導(dǎo)致西槽不斷地淤淺，萎縮，東移。

1970～1980年間西槽兩側(cè)水域明顯淤積(圖4)，西槽體積明顯增加(表1)，深泓線西移(圖5)，斷面加深(圖6)，斷面寬深比更多地集中在了3～5之間，說明深槽變深(圖7)。這期間上游來沙量增大，使得西槽附近水域以淤積為主，1975年在西槽進(jìn)行的拓寬浚深工程，直接導(dǎo)致了西槽沖刷與西移。在上游來沙量增加以及拓寬浚深工程共同作用下使西槽在這一時間段內(nèi)表現(xiàn)為深槽沖刷，淺灘淤積的地貌演變特征。

1980～1990年間西槽體積略有上升(表1)，深槽整體呈現(xiàn)沖淤平衡且輕微沖刷趨勢。這一時期沒有大型的航道整治工程，上游的來沙量也呈逐年下降趨勢，在西灘進(jìn)行大量的圍墾工程使得大量泥沙淤積在圍墾區(qū)域，導(dǎo)致流入伶仃洋水域的泥沙明顯減少，進(jìn)而降低了西槽的淤積速率，因此西槽在這一段時間表現(xiàn)為沖淤平衡且輕微沖刷的地貌演變特征。

1990～1999年西槽體積明顯增加(表1)，深槽整體刷深(圖6)。這一階段上游來沙量顯著減少，西灘圍墾力度加大，使得水沙入海流路延長并加速流入伶仃洋，促進(jìn)了西槽的沖刷，西槽淤積中心南移(表2)，期間進(jìn)行的廣州港出海航道預(yù)備及一期工程為西槽沖刷的直接原因。

1999～2012年西槽進(jìn)一步?jīng)_刷，期間進(jìn)行的廣州港出海航道三期工程為深槽沖刷的主要原因。上游來沙量繼續(xù)減少，但由于當(dāng)?shù)卣O(jiān)管力度加強，圍墾力度大大減弱，這使得流入伶仃洋水域的泥沙有所上升，進(jìn)而導(dǎo)致西灘發(fā)育，有所淤積。

總體來說，伶仃洋西槽20世紀(jì)80年代前在自然因素的主導(dǎo)下呈淤積態(tài)勢。20世紀(jì)80年代以后受上游水庫大壩建設(shè)，西灘圍墾，航道工程等人類工程的影響，西槽呈沖深發(fā)展態(tài)勢。

5 結(jié)論

(1)20世紀(jì)80年代以前上游來沙量較大，西槽不斷淤積變淺。80年代以后上游大規(guī)模的水庫大壩建設(shè)使得上游來沙量逐年減少，降低了西槽的淤積速率，對航道的穩(wěn)定與維護(hù)起到了積極的作用。(2)西灘圍墾工程使得口門向海推移，入海流路延長，入海泥沙加速流入伶仃洋水域，這一過程使得西槽受到一定程度的沖刷，且淤積中心向南移動。(3)20世紀(jì)80年代以后，為滿足廣州港出海航道通航要求，在西槽進(jìn)行了一系列較大規(guī)模的航道整治工程，并持續(xù)對其進(jìn)行疏浚維護(hù)，使得西槽的地貌演變主要受航道整治工程影響而不斷沖刷加深。持續(xù)對西槽進(jìn)行疏浚維護(hù)以及上游來沙量的減少使得西槽內(nèi)的淤積速率較低且呈沖深發(fā)展態(tài)勢，該趨勢有利于航道的穩(wěn)定和維護(hù)。

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