人类活动对近期磨刀门腔地形和潮汐动力变化的影响

人类活动对近期磨刀门腔地形和潮汐动力变化的影响

人类活动对河口环境的影响是陆地和海洋相互作用研究的热点问题。随着社会经济的发展,人类活动对人类对河口作用的强度也越来越大,人类活动已经成为河口过程中的第三驱动力。河口地区的人类活动诸如口门治理、航道整治、防洪工程、滩涂围垦和河道采沙等都对河口海岸环境演变产生巨大影响。20世纪80年代以后,随着社会经济的发展,珠江网河区的人类活动开始逐渐加剧,一系列口门围垦整治、滩涂围垦以及大规模挖沙活动,珠江河口区产生了巨大影响,并引发了诸如咸潮上溯、水质恶化等环境问题。西江磨刀门水道是珠江三角洲的主要入海水道,在人类活动的强烈作用下,磨刀门水道的水文地貌情势发生了巨大变化。已有相关研究主要集中在口门附近。本文把磨刀门上游河段和口门区作为整体,深入探讨近年来人类活动对磨刀门水道河床地形和潮汐动力变化的影响机制。1潮差、潮流界磨刀门河口灯笼山站年均净泄量为923×108m3,占珠江径流总量的28.3%。磨刀门河口潮汐属于不规则半日混合潮,潮差1m左右,口内潮流为往复流,涨潮历时小于落潮历时。洪季时磨刀门水道以径流作用为主,潮流界在灯笼山站附近;枯季潮流作用显著增强,潮流界可到达西江三榕峡附近。本文研究的磨刀门水道包括两个部分(图1),灯笼山水文站以上的磨刀门上游河段(百顷头至灯笼山)和灯笼山水文站以下至入海口的磨刀门口门区。1.1磨刀门治理开发工程20世纪80年代以前,磨刀门地区大规模围垦活动主要有白藤堵海、联围筑闸及以后的河湖分家工程,导致使得磨刀门、坭湾门和鸡啼门之间潮流的天然联系被截断。磨刀门治理开发工程从1984年开始实施,到1995年先后完成了横洲水道东西导堤和洪湾水道南北导堤工程,口门区大片水域围垦成陆(图2)。20世纪90年代中后期,珠海市在磨刀门口外东、西两侧进行了一些围垦活动。水利部门则从1999年开始在磨刀门口门区实施疏浚、清障、护岸、控导等一系列工程措施。1.2研磨刀门扩大的采沙来源20世纪80年代中期开始,由于城市建设、填海造地等建筑用沙需求激增,在珠江网河区开始出现大规模的河床采沙活动,至90年代初期达到高峰。据调查,1984~2003年期间,整个珠江三角洲的采沙总量约13.4×108m3,年均采沙量6700×104m3,其中西、北江三角洲约占70%1。磨刀门水道的采沙活动主要集中在珠海大桥以北河段,1991~2000年10a内共挖沙420×104m32;在珠海大桥以南河段,1997年因在洪湾水道中段建洪湾北保税区的需要,从横洲水道北口左侧河床采沙1000×104m3,另外拦门沙附近也有小规模的挖沙活动。2最近，磨坊门自来水区地形和潮汐动力学变化2.1最近的河床地形发生了变化1上游河段泥沙性及变形(1)深泓高程和平均水深变化。1962~1977年河床呈上段缓慢冲刷、中下段淤积的变化(表1):平均深泓高程上段降低0.43m,中段淤高0.63m,下段基本不变;平均水深上段增加0.46m,中段基本不变,下段减小0.37m;1977~1999年,磨刀门上游河段河床大幅下切,水深大幅增大:上段平均深泓高程降低0.59m,平均水深增加0.99m;中段平均深泓高程降低2.25m,平均水深增加1.38m;下段平均深泓高程降低0.62m,平均水深增加1.54m。(2)河槽容积变化。1962~1977年,上游河段河槽容积共减小14.76×106m3,其中上段增大2.58×106m3,中、下段分别减小8.14×106m3、9.21×106m3。1977~1999年,全河段河槽容积共增大31.93×106m3,其中上段河槽容积增大10.91×106m3,中段增加8.91×106m3,下段增大12.11×106m3。(3)底坡降变化。1962~1977年,由于磨刀门上游河段中下段处于自然淤积状态,河床缓慢淤高,因此底坡降变化不大。1977~1999年,由于河床大幅下切,使得上游河段底坡降明显变缓。特别是竹洲头至竹排沙河段由于下切幅度更大,出现倒坡降。(4)总体而言。1962~1977年上游河段的河床地形变化特点,与河口向海延伸、水面坡降降低、泥沙落淤增加从而导致河床自然淤积抬高的演变趋势是一致的。而1977~1999年的河床地形变化显然与河流自然演变趋势相反,其变化原因值得进一步探讨。2口门区截面积(1)水域面积减小。整治围垦后,原内海区大片浅滩成陆,形成横洲水道和洪湾水道“一主一支”的出海格局,横洲水道河宽缩窄为2300m,洪湾水道缩窄为500m。口门区水域面积减少80%,河槽容积减少40%3(表2)。(2)入海口门向海延伸。口门围垦整治前磨刀门水道入海口在挂定角附近。整治后,入海口门南移至石栏洲附近,外移约16km,平均每年外移800m。(3)入海水道河槽大幅加深。由于口门整治及河口自动调整的作用,横洲水道和洪湾水道河底深槽加深,洪湾水道深泓高程平均加深1.80m,洪湾水道深泓高程平均加深1.24m。2.2近年来旱季潮汐的动力变化1磨刀门沿程各站潮位或平均潮位变化根据磨刀门水道大横琴、灯笼山和竹银站(见图1)不同年份枯季(1、2和12月)潮水位分析(见表1)可知:20世纪80年代以前,灯笼山和竹银站潮水位逐渐升高,这主要与河口向海延伸、河床自然淤高导致水位抬升有关。20世纪80年代之后,磨刀门沿程各站各站高潮位缓慢升高,其中大横琴升高4.5cm,灯笼山升高2.0cm,竹银升高1.4cm;低潮位变化趋势是口门附近升高、而上游河段降低,其中大横琴升高10.1cm,灯笼山降低0.9cm,竹银降低7cm;平均潮位则是大横琴和灯笼山站升高,而竹银站降低。总的来说,磨刀门水道沿程近期水位变化特点是,口门附近升高,上游河段降低,水面坡降减小。2潮差不断增潮差变化是潮汐动力强弱变化的主要表现。根据大横琴、灯笼山和竹银站枯季多年潮差变化(表3和图3)可知:1970~1990年,各站潮差逐渐减小;1990年以后,大横琴站潮差继续减小,而灯笼山和竹银站潮差则不断增大。与20世纪80年代相比,2000年以后竹银站潮差增大8.4cm,灯笼山站增大2.9cm,大横琴站则减小5.7cm。从各站潮差变化可以看出,磨刀门上游河段潮汐动力明显增强。3横洲瞳胶绿渠进潮量变化(1)口门区潮量分配变化。口门整治前,龙屎窟为枯季最主要的进潮口,约占口门区进潮总量的60%~65%,而横洲水道约占22%~28%。口门整治后,横洲水道成为主要进潮口,其进潮量约占磨刀门进潮总量的61%。(2)上游河段进潮量变化。对不同年份灯笼山站枯季进潮量进行对比(表4)可知,近年来灯笼山站的进潮量明显增大,在相似流量下,如2001年进潮量大幅超过1967、1976和1983年等年份的年最大进潮量,近期上游河段枯季进潮量大大增加。4传播时间的变化对大横琴和竹银站不同年份枯季潮位资料进行调和分析,计算出4个主要分潮的迟角,再根据二站之间的潮波传播的位相差计算出各个分潮的传播时间(见表5)。由表5可以看出:从20世纪80年代初至21世纪初,潮波在大横琴和竹银站之间的传播时间明显缩短,潮波传播速度大大增加。与1983年相比,2002年12月主要分潮的传播时间明显减少,其中O1减幅最大,减少约1.5h,K1减少约0.7h,M2减少约0.5h,S2减少约0.9h。这表明潮波从口门向上游传播过程中,传播速度明显增大,潮汐动力明显增强。5磨刀门挂定角至80年代末,磨刀门不断上升至80年代中期,磨刀门挂定角至80年代末,磨刀门挂定角周边。至80年代中期,磨刀门挂定角,至80年代末,磨刀门挂定角,至80年代末,磨刀门挂定角,至80年代末,磨刀门挂定角。至80年代末,磨刀门挂定角,至80年代末,磨刀门挂定角,至80年代末,磨刀门挂定角。至80年代,20年代中期,20年代中期,20年代中期,20年代中期,20年代初,20年代中期,20年代初至80年代末,20年代中,20年代中期,20年代初,20年代中期,20年代初,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20年代中,20世纪50~80年代,受磨刀门水道向海延伸和河床淤高的影响,枯季咸水界不断下移,至80年代末,咸水界位于磨刀门挂定角附近。但从20世纪90年代中期开始,咸水界不断向上游推移,2006年咸水界上移至中山市全禄水厂附近,上移约37km。3讨论3.1人类活动对河床地形变化的影响1自然堆积量据前文分析,1962~1977年,竹洲头-灯笼山河段河槽容积共减小约为1735×104m3,据此可知其年均淤积量约为116×104m3,根据河流自然演变规律,可推算出该河段1977~1999年间自然淤积量约为2550×104m3。而1991~1999年间该河段采沙量超过3900×106m3,远远超过其自然淤积量,因此大规模河床挖沙是引起近期上游河段河床大幅下切的根本原因。2口门围垦整治后的人类活动强度口门围垦整治必然导致口门向海延伸。磨刀门水道口门向海推进速率,1946~1962年为49.9m/a,而1984~2003年则为800m/a,人类活动强度远远大于河口自然演变过程。口门围垦整治后,口门区仅剩余横洲水道和洪湾水道两个入海水道,过水断面大幅缩窄,河口边界发生巨大改变。由于磨刀门水道属于径流优势型河口,河口过水断面束窄必然会引起主流集中、流速增大,加大水流挟沙能力,导致河床产生强烈的冲刷下切。这个过程主要是由于整治工程引起的河口边界形态的剧烈改变,河口发生自动调整过程而造成的。3.2枯季流量趋势河口潮汐是潮汐动力和径流动力以及底部边界相互作用的结果,河口潮汐动力变化主要由外海潮汐、上游径流和河床地形变化引起。磨刀门潮汐由南海传入,短期内不会发生变化。根据西江马口站(1960~2004年)枯季(1、2月及12月)平均流量(图4)进行分析:马口站枯季流量虽有明显的年际变化,但是其长期趋势变化不明显,且呈略微增加的趋势,增幅约为0.19m3/s。枯季流量增加是会减弱潮汐动力的,但是枯季流量增加的趋势与90年代以后磨刀门水道潮汐动力逐渐增强的趋势是相反的,因此流量变化并不是枯季潮汐动力增强的主要原因。综上可知,外海潮汐和枯季流量变化并不是近期磨刀门水道枯季潮汐动力明显增强的原因,河道挖沙和口门围垦整治引起的河床地形变化才是主导因素。3.3河床地形的变化对潮汐动力学的影响1潮波向上游传播上游河段河床高程大幅降低,河床坡降减小,同时河床下切引起的枯季水位下降导致水面坡降减小,因此,潮波向上游传播过程中的能量消耗减小,潮汐就更容易向口门上游河道上溯,从而引起潮汐动力增强。枯季咸水界也会上移,并引发咸潮灾害。2潮量增加,潮势恶化上游河段大量挖沙增加了河槽容积,河槽的纳潮容积也随之扩大,导致枯季进潮量增加,潮汐动力趋于增强。1977~1999年上游河段河槽容积共增加了31.93×106m3,大幅增加了纳潮空间,潮汐动力也会相应地增强。3潮波传播的水流速度由河口地区的潮波传播速度公式(C为波速,h(x)为沿程水深)可知,河口潮波传播速度主要与外海潮汐和河道地形有关,磨刀门水道沿程水深增加会显著增大潮波的传播速度,同时底部的阻力也会减小。因此,上游河段潮汐动力增强会大大增强。4潮能集中使水位偏高,促使上游河段潮波传播口门整治后,枯季横洲水道成为主要进潮口,潮能集中使水位壅高,致使上下游水面比降减小,并出现倒比降,有利于潮波向上游河段传播,从而导致上游河段潮汐动力增强。