西江中下游水沙变异与磨刀门响应

西江中下游水沙变异与磨刀门响应

河口是海陆相互作用的中心和典型区域。国际河口研究的重点逐渐从河口状态研究转向河口过程研究。其中，河口水沙化进程是河口过程中最基本的过程之一。河口的结构、功能和性质取决于上游的水沙条件。因此,研究河口水沙过程对认识河口的结构和功能有重要的理论意义。西江是珠江三角洲重要的组成部分,其出海口门磨刀门在珠江河口排洪减灾方面起着极其重要的作用。但同时也存在许多的问题,如尾闾不畅、咸潮问题严重、航运发展受限等。加强西江出海口门水沙变异及其口门响应研究,对合理利用河口资源、降低河口灾害风险、保持河口永续健康发展、指导河口管理具有现实的应用价值。另外,磨刀门河口自20世纪60年代开始白藤堵海工程,到现今拦门沙开挖(2005年12月29日实地调查),人类活动持续不断。口门向外海延伸了约16km,人类活动对磨刀门河口形态产生了很大的影响。磨刀门河口的口门形态变化,不再是单纯的自然适应,人为活动成为其主要的驱动力之一。马口是西江进入珠江三角洲后的主要控制站,尽管马口至磨刀门口之间有向东的南华分流、向西的睦洲分流存在,但磨刀门仍是西江最主要的出海口门。因此,马口站的水沙变异可做为磨刀门变化的边界条件。研究人类活动影响下西江水沙变异与磨刀门口门响应问题,主要研究以下几个方面:1)西江下游马口控制站月平均流量、含沙量与年平均流量、输沙率变化及其原因与趋势分析;2)西江下游水沙组合类型与变化趋势;3)磨刀门河口对水沙变化的响应机理;4)磨刀门河口动力、沉积与地貌的适应性分析。1研究资料及方法磨刀门是西江主要的出海口门,径流量大,潮差小,潮汐动力弱,属径流优势型河口。最近数十年间,磨刀门河口水沙条件发生了很大的变化,为研究西江马口控制站水沙变化及其对磨刀门河口的影响,建立磨刀门河口水沙变异与口门形态的响应模式,开展了野外观测、沉积物采样分析、历史地图对比等多方面研究,其数据包括:1)马口1960～1997年月平均流量及含沙量资料。马口位于珠江三角洲顶点附近西江河道,据磨刀门河口口门约150km,使西江干流三角洲地区主要的控制站。本次研究收集了1960～1997年38年的月平均流量及月平均含沙量资料,用以分析西江马口站流量、含沙量变化及水沙组合变化;2)2003年洪季实测水文资料及表层沉积物采样资料。2003年9月23～29日水文观测采用三船同步定点垂向5层观测法,观测指标有流速、流向、盐度、水温等。表层沉积物样品取样采用抓斗获取,共获得拦门沙内外120个表层沉积物样品。所有样品都进行了沉积物粒度分析,分析方法见参考文献;3)1977、1997和2003年磨刀门口外地形图。2结果分析2.1径流动力的季节变化根据1960～1997年月平均流量统计,马口站多年平均径流量7271m3/s,其中4～9月为洪季,平均流量11400m3/s,径流总量占全年径流总量的76.9%。因此,磨刀门河口径流动力存在明显的季节变化。从年平均流量变化情况(图1)来看,马口流量变化可分为三个阶段:1960～1986年洪季月平均流量约11480m3/s(除1963年极端干旱年外);1986～1990年洪季月平均流量降至8000m3/s以下;1991～1998年洪季月平均流量约11540m3/s。可知,马口流量存在持续几年的丰、枯水变化。2.2干部输沙情况马口月平均含沙量显示,1960～1997年平均含沙量0.193kg/m3,而洪季平均含沙量达0.357kg/m3。可见磨刀门河口悬移质输沙主要集中在洪季(4～9月)。月平均输沙率计算结果显示,1960～1997年间洪季输沙量占总输沙量的94%。从年平均状态来看,1960～1982年间除极端干旱(1963)年外,洪季月平均输沙率基本上保持在2500kg/s左右,与洪季月平均流量变化基本保持一致;1987～1997年间,马口洪季月平均输沙率降至2000kg/s,而此时平均径流量却是上升的(见图2)。2.3河流水沙组合变化曹文洪将河流含沙量S(kg/m3)与流量Q(m3/s)之比S/Q(kgs/m6)称之为来沙系数,反映来水来沙搭配关系。为反映水沙组合的长时间尺度变化,在来沙系数的基础上,构建一个无量纲数水沙组合系数来表示水沙组合多年变化,其表达式如下:ζ=sˉs/dˉdζ=ss¯/dd¯式中:ζ为水沙组合系数;s为年平均含沙量;ˉss¯为多年平均含沙量;d为年平均流量;ˉdd¯为多年平均流量。在河流水沙组合不发生大的变异时,ζ趋近于1。1960～1997年水沙组合系数变化见图3。从图中可见,1960～1981年,ζ在1附近波动,水沙组合关系比较稳定;1982～1992年,ζ明显高于1,显示单位流量输沙量增大;而在1993年之后,ζ值始终低于1,说明单位流量输沙量减小。因此,磨刀门河口的水沙组合近十年来有变小的趋势。河流水沙组合系数不仅反映河流来水来沙变化情况,而且与河道冲淤变化有密切的关系。为分析磨刀门河口冲淤演变,选取1977年、2000年历史地图进行磨刀门河口河道断面变化分析(图4)。1977年磨刀门河道断面形态自上而下由“W”型向“U”型过渡,主槽东偏。2000年河道形态与1977年相比,灯笼山上下沙浅滩高程加高,并整体向下游移动。鹤洲冲口西滩发育迅速。横向上,河道缩窄,向窄深方向发展。纵向上,主槽向东偏移,河槽水深加大。3河流水沙变化及河口动力作用机理河口是陆地系统和海洋系统之间的界面,是陆海相互作用研究的典型区域,动力上既受河流动力影响,又受海洋动力的作用,且不同季节、不同年份存在此消彼长的变化。对于径流优势型河口,尽管物质(泥沙)主要来源于径流携带,但河口地貌形态的变化是径流动力和海洋动力共同作用的结果。河流的来水来沙及泥沙性质会影响河口形态、改变河口结构,从而影响河口的功能。但究竟通过何种方式、采用哪些途径来适应上游水沙变化及外海海洋动力,还须从河口的适应机理方面进行深入地研究。河口对上游来水来沙的适应可理解为河口对水沙的过滤和渗透功能。河口功能取决于河口的结构,河口结构的改变是河口动力作用的结果。即动力塑造地貌结构,决定河口过程与功能;而地貌的改变为河口动力提供了新的边界条件,影响水体的运动方式和方向。因此加强不同时空尺度的河口动力、沉积及其反馈机制的河口过程研究,将有助于加深河口过程及其功能的认识。3.1河口动力特性河口动力变化有不同的时间尺度,如涨落潮、大小潮、洪枯季及多年变化。由于本文所用的数据是西江控制站马口的月平均资料,因此主要讨论磨刀门河口对上游来水来沙月变化及年变化的响应。据Wright对Mississippi河口的研究,径潮比(Qf/Qt)较大的河口,主要通过淡水流速和咸淡水交界面深度的调节以适应淡水径流的变化。洪季径流加大时,径流流速加快而交界面的深度降低;枯季径流减弱时,径流流速减慢,同时交界面深度升高。其调整的趋势是使密度弗汝德数趋近于1。Fr′=Uf/√γgh′→1式中:Uf为淡水流速;γ=1-ρf/ρ,ρf为表层淡水密度,ρ为海水密度;h′为交界面深度。动力是河口适应的基础,其相互作用的强弱变化会引起河口内部各元素的相应调整,以适应外界环境的变化。河流系统和海洋系统基本的物质差异是盐度,河口水体混合方式和强度决定盐度的分布特征。因此,可用盐度表示径流动力与海洋动力相对强弱。根据2003年洪季实测盐度资料,应用surfer软件绘制盐度纵向等值线图,并与1977年枯季盐度资料对比(图5)。洪季落憩时,表、底层盐度差异明显,垂向盐度梯度大于纵向梯度;枯季涨憩时,表底层盐度差异小,垂向盐度差异小于纵向上的差异。1‰的盐度等值线纵向延伸约9km,在洪季时以楔状进入口内,前端水深约在-5.5m左右。而在枯季涨憩时,纵向延伸不超过3km,表底层盐度差异小,前端水深在-2m左右。河口的动力包括径流、潮汐、波浪及风动力,洪季时径流动力占优,枯季径流作用减弱情况下海洋动力相对增强。磨刀门河口多年平均潮差0.7m,属弱潮河口,因此海洋动力变化主要体现为对波浪动力的增强。在白藤堵海、修建双导流堤之前,磨刀门出口位于灯笼山以南,由于口外诸多岛屿对波浪有一定的遮挡作用,波浪动力对口门的影响较小;而口门向外延伸16km以后,失去岛屿的遮挡,直接暴露在波浪动力作用之下,波浪动力的作用逐渐显现。对此,罗宪林应用河口流量有效指标(河口单宽流量与单宽波峰波力之比)分析了磨刀门河口的波浪动力对河口形态的影响;王世俊等从河口沉积地貌结构和功能的角度探讨了磨刀门河口的动力特征,结果显示磨刀门河口正向河流-波浪型河口转变。总体上,磨刀门河口的动力发生了较大变化,洪季仍以径流动力为主,但水沙组合系数变小;枯季则口外波浪动力增强,河口动力结构向河流-波浪型转变。这一转变将对磨刀门口门形态及功能产生重大影响。3.2干部罪犯中的泥沙对水动力的适应性径流动力和海洋动力在河口区交汇,彼此消能,因此总体上属于堆积环境。由于河口动力季节性的变化,因此河口泥沙对动力的适应性也存在时间上的变化。洪季时上游径流携带的泥沙,进入河口地区后,由于流速降低,悬移质泥沙中较粗的泥沙发生沉降成为床沙质,而较细的部分只有在遇到咸水时发生絮凝作用时才可能发生沉降,另外还有部分泥沙通过河口悬浮羽排至外海。因此,河流来沙并不等于入海泥沙通量,河口对泥沙的“过滤器”效应使得部分泥沙在河口区而不是在海洋中沉积。枯季时上游泥沙来量减少,波浪动力相对增强,则波浪对泥沙的修饰和改造作用加强:波浪搅动拦门沙外坡细颗粒泥沙使之再悬浮,悬浮泥沙在西南沿岸流的作用下向西搬运,拦门沙外坡遭受侵蚀,泥沙经过分选后变粗;另一方面,波浪破碎产生冲流(swash),挟带泥沙在滩顶沉积从而使沙坎高程增加,部分细颗粒泥沙越过拦门沙顶在内坡沉降,因此拦门沙内坡泥沙颗粒较外坡细(图6)。河口泥沙对水动力的适应性,可概括为洪季时河口对泥沙的分选和过滤,枯季时对泥沙的重新分配。为具体分析磨刀门河口对泥沙的适应性,对磨刀门河口的河床底质进行洪枯季和年际间的比较分析。为分析河口底质变化,2003年9月23～29日采集了120个沉积物样品,并全部作了粒度分析。从分析结果来看,磨刀门表层沉积物有如下特征(图7(a)):纵向上由口内经拦门沙向外海,主要沉积物类型依次为粘土质粉砂(YT)、淤泥-极细砂-粉砂(YVFST)、细砂(FS)、极细砂(VFS)、粘土质粉砂(YT),即存在细-粗-细的变化。在垂直河口水流方向上(自东向西),主要沉积物类型依次为粘土质粉砂(YT)、极细砂(VFS)或细砂(FS)、粉砂质粘土(TY),也存在细-粗-细的变化规律。贾良文对磨刀门2003年枯季表层沉积物类型进行过分析,从沉积物类型图(图7(b))枯季磨刀门河道沉积物主要为粘土质粉砂(YT),泥砂颗粒较洪季时细。对比磨刀门河口段2003年洪枯季表层沉积物含量,发现洪季细砂含量比枯季增大9.6%,而粉砂、淤泥成分降低(13.3%),呈现洪粗枯细的变化特点。比较1977年和2003年洪季磨刀门水道拦门沙附近沉积物组分,发现2003年洪季拦门沙细砂含量70.3%,粉沙含量12.1%;而1977年洪季细砂含量95.6%,粉砂含量1.06%,拦门沙呈现明显的细化现象。由以上分析可知,洪季在马口含沙量及输沙率减小的情况下,河口对泥沙的分选和过滤特征并未改变,但对细颗粒泥沙的过滤性增强,口门附近表层沉积物变细。枯季则波浪动力对口外泥沙的重分配能力提高,致使口外泥沙分布自东向西存在由粗到细的变化,与1977年洪季沉积特征(自东向西:细-粗-细)存在显著差异。3.3河口深槽向西偏转的影响在河口动力及来沙特征发生变化的情况下,河口的地貌结构也会产生相应的调整。河口的地貌适应性首先体现在河口拦门沙的变化上。根据拦门沙形态调查,2003年洪季拦门沙外移,枯季则在波浪动力作用下略向后退,延伸方向垂直于波向且拦门沙高程加高。在沉积特征上,磨刀门洪季拦门沙内坡表层沉积物以细砂等粗颗粒泥沙为主,枯季则相反(图6)。河口地貌形态对上游来水来沙适应的另一个重要特征为口内深槽的变化,在河道冲淤变化中已分析,口内深槽向窄深方向发展,河道边滩发育。通过历史地图比较,发现河道深槽自1977年以来,在向南延伸的过程中逐渐向西偏转(图8)。磨刀门河口口内深槽产生如此变化,是河口适应上游水沙组合及动力条件变化的要求。当磨刀门河口修筑导流堤而迅速向海延伸16km后,水流更加集中,洪季径流动力更强。但是,洪季时马口水沙组合系数减小,水体含沙量低于饱和含沙量,因此在不漫滩时发生沿程冲刷,深槽冲深;而流量继续增大、发生漫滩时,漫滩水流流速减小,挟沙能力降低,使得漫滩水流挟带的泥沙在滩地上沉降而淤高滩地。另一方面,磨刀门拦门沙在东南向浪作用下横向发育,向西南方向延伸,迫使口门深槽向西偏转。需要指出的是,河口对上游来水来沙的适应性是一个综合的过程,在分析问题时虽然单独讨论,实际上是彼此联系和相依并存的。例如在洪季遭遇大潮或台风暴潮时,河口局部地区水位壅高,在壅高水位区以上的河口区比降降低而以下的河口区比降升高,河口则通过比降的调整恢