磨刀門河口在20世紀60至70年代的演變模擬與動力地貌過程分析

劉斌，呂海濱，吳超羽，包蕓，任杰

（1.珠江水資源保護科學研究所 規劃研究室，廣東 廣州510611；2.淮海工學院 測繪工程學院，江蘇 連云港222005；3.中山大學 海洋學院，廣東 廣州510275）

1 引言

在對磨刀門河口進行綜合整治（1984年）前，在磨刀門水道燈籠山以下存在著廣闊的淺海區，淺海區由“兩槽三灘”組成，分別是磨刀門水道深槽、龍屎窟水道深槽、鶴州—交杯沙淺灘、上溝淺灘、中心溝淺灘（見圖1）。

對本區域的動力地貌學研究較多，如趙煥庭等［1］通過分析沉積物的特征，研究了磨刀門攔門沙的發展、演變；曾昭璇［2］從磨刀門歷史地貌學的觀點分析了口門整治的問題；江沛霖和賓放［3］對磨刀門1962—1981年20 a間的水位、地貌的演變發展進行了研究，得出了河口各條深槽的演變及灘地的淤積發展趨勢，并闡述了人類圍墾對河口演變的影響。但從“動力－沉積－地貌”的角度進行多學科、著重過程、機制的量化與模型化的研究及動力地貌過程的分析相對較少。本文運用長周期動力地貌模型ZRD－LTMM（Zhujiang River Delta－long term morphodynamicmodel，2002）反演磨刀門河口1964—1977年13 a的演變過程，并對動力地貌過程作了探討。

2 長周期動力地貌模型

通過尺度分析，本文采用的長周期動力地貌模型除泥沙輸運、沉積和沖刷的動力地貌過程外，由于1953—1987年在磨刀門河口附近垂直地形變化的最大速率達到7.7 mm／a［4］和1972年圍墾使大小橫琴島中間的中心溝不再過水，故模型還模擬了地殼運動和中心溝圍墾。

模型以二維ECOM模式為基礎，計算范圍為西江磨刀門竹銀水文站和雞啼門黃金水文站，外海邊界從澳門以東10 km向南到20 m等深線。在輸入條件（代表潮）、模型計算（地形模塊步長）等方面進行了簡化（圖2）。選取1970年11月1—15日和1971年7月1—15日兩個時段分別作為豐水期和枯水期的代表潮［5－6］。

圖1 1964年磨刀門河口地形圖及輸沙率（106 m3／a）驗證點位

對代表潮進行驗證，得到燈籠山站位枯季和洪季水位平均誤差分別為0.05和0.07 m，三灶站位枯季和洪季水位平均誤差分別為0.03和0.04 m（圖3）；對于輸沙律驗證大部分站位的輸沙率相對誤差均在10%內，最大相對誤差僅為13.53%（圖4）；對于沉積速率驗證大部分站位的沉積速率相對誤差均在10%內，最大相對誤差僅為10.8%。模擬結果與實際狀況接近，可以用于計算分析（見表1）。

圖2 長周期模型計算網格

圖3 燈籠山和三灶水位（m，珠江基面）驗證

圖4 各站位輸沙率（10 6 m3／a）對比

表1 年均沉積量和沉積速率驗證

3 動力地貌過程分析

3.1 總體分析

從1964到1977年的演變趨勢上，磨刀門河口整體處于快速淤積狀態，僅在局部地區受沖刷（圖5）。淤積區域主要分布在橫洲水道兩側，以東側的上溝和西側的鶴州至交杯沙淺灘為代表。

圖5 磨刀門河口沖淤厚度（m）圖

在1964至1977年上溝的淤積速度比較快。長周期模型的計算所得上溝的平均淤積厚度是0.41 m，該結果與地圖對比得到的0.46 m比較吻合。在這13 a間上溝總體上處于淤積狀態，南北兩岸淺灘的淤積強度明顯強于中間深槽，導致深槽變窄。淤積厚度由深槽的10～30 cm向南北兩岸增加到50～70 cm。杧州島周圍的淺灘的淤積厚度為40～90 cm，淺灘面積增大，導致淺灘南北兩側的過水面積逐漸減小，上溝的落潮分流比也隨之減小。與上溝普遍淤積的規律不同，上溝東部靠近澳門一側的深槽沖深了20～40 cm。東部由于中心溝的圍堤，外海東邊界潮流只能通過澳門和夾馬口水道經過馬溜州水道進入內海區，使得潮流加強，因此在馬溜州東部出現一個較高動能區，導致此處的流速增大，形成沖刷。

圖6 基巖島嶼附近不同距離沉積狀況對比

鶴州至交杯沙淺灘的平均淤積厚度是0.39 m，該結果與地圖對比得到的0.41 m非常吻合。就淤積強度的空間分布來說，淺灘區的總體淤積趨勢是自東向西淤積強度逐漸增大，淤積厚度由橫洲水道附近的20 cm增加到淺灘西岸的60多厘米，但淺灘區的淤積并不只是自西向東單向發展，淺灘區的島嶼周圍也是淤積強度增強的區域。淺灘區有4個嚴重淤積的區域，即：淺灘西岸、三灶島附近、橫洲島至交杯沙附近和鶴州島附近。這4個區域的平均淤積厚度都超過了60 cm，個別區域甚至接近1 m，其中前兩個區域位于陸地或大島嶼的邊緣，而后兩個是位于小型基巖島嶼的周圍。這說明小型基巖島嶼使得內海區的淤積過程趨向多元化，而并不只是由陸向海的單向發展。

為進一步探討內海區中基巖島嶼對沉積過程的影響，本文在圖6a中鶴州島附近選擇了A、B、C三個對比點，它們與鶴洲島的距離依次增大。圖6b為三個對比點的淤積厚度（計算結果），3個點的沉積厚度分別為 A點0.94 m，B點0.76 m，C點0.43 m。雖然A點與C點的距離只有724 m，但A點的淤積厚度卻是C點的2.19倍。這表明越靠近島嶼的地方沉積作用越明顯。從動力上看，島嶼通常能給周圍水體提供相對穩定的環境，流經島嶼附近水體速度減緩，剪切作用降低，不利于泥沙的懸浮和輸移；同時外海傳入的波浪在島嶼附近容易發生破碎，形成高能耗區域，有利于泥沙的沉降。如此長時間作用下，形成了以島嶼為中心的快速沉積區域。

在數值模擬期間，局部區域沖刷明顯。主要包括龍屎窟水道峽口段、橫洲水道從大杧州到石欄州段及上溝東部近澳門段。從動力結構上看，龍屎窟水道峽口兩側均為島嶼，同時上下兩側是廣闊的水域，這使得通過“門”的水流運動方向與潮流漲落方向基本一致，形成以“門”為樞紐的雙向射流動力體系，流速在射流口附近較大，潮能通量在這里出現峰值，對床底形成沖刷。橫州水道受大小杧州、大小橫琴島、石欄州等島嶼的作用，形成單向射流系統，同時隨著鶴州至交杯沙淺灘淤積的加劇，橫洲水道漲落潮流得到進一步加強，沖刷現象更為明顯。上溝東部沖刷帶則受人類活動影響較為顯著，由于中心溝圍堤，外海東邊界潮流只能通過澳門和夾馬口水道經過馬溜州水道進入內海區，使得潮流加強，形成沖刷。

人類活動對局部地形的演變起重要作用。1964年時，中心溝的平均水深只有2 m左右，從單位面積潮能通量來看，整個中心溝都是一個低能區。在1972年中心溝圍墾工程前，中心溝就是整個磨刀門河口區淤積強度最大的區域之一，其年均淤積厚度為6 cm。圍墾工程后，整個中心溝與大小橫琴島連為一體。在中心溝的演變過程中，人類活動起到了決定性的作用。

3.2 季節性變化

磨刀門河口洪季演變特征表現為淺灘淤積、深槽沖刷。淺灘在洪季淤積明顯，最大淤積厚度為6 cm，出現在上溝西部近岸區、鶴州島附近及鶴州島以北近岸區域。磨刀門河口洪季最大淤積厚度為枯季最大淤積厚度的10倍以上，由此可見磨刀門淤積主要出現在洪季。同時受洪季大徑流量及峽口射流影響，磨刀門水道燈籠山段、橫洲水道及龍屎窟水道出現明顯沖刷。其中磨刀門水道的單向射流和龍屎窟水道峽口的北向射流為淺灘的淤積提供了主要的泥沙來源，塑造了淺灘的形態，形成了龍屎窟水道北部的環形沉積特征。

圖7 1976年枯季與洪季沉積厚度（m）

3.3 演變過程的水下地形分析

磨刀門河口演變過程呈現總體淤積、局部沖刷的特點，對其水下地形影響明顯。本文選取1964、1970、1977年模擬的水下地形與1977年實測地形作對比，它們分析數值模擬期間磨刀門河口水下地形演變過程（見圖8）。在1964年磨刀門河口分4個口與外海相通，分別是洪灣口、橫洲口、龍屎窟和大門口，其中龍屎窟水道北部與橫洲水道北部相通；相鄰口門間存在著淺灘，從西到東分別為三灶島北部淺灘、鶴州至交杯沙淺灘和上溝淺灘。與1964年水下地形相比，1970年淺灘區域水深總體變淺，龍屎窟水道北部受淤積變窄，三灶島北部淺灘與鶴州至交杯沙淺灘表現出相連趨勢，龍屎窟峽口處受沖刷變深；受鶴州至交杯沙淺灘和上溝淺灘水深變淺影響，橫洲水道深槽變窄變深。至1977年4月，龍屎窟水道北部水深明顯變淺，三灶島北部淺灘與鶴州至交杯沙淺灘相連，在龍屎窟水道北部形成相對封閉的水域，很大程度上限制了大門口和龍屎窟的出海徑流量和輸沙量，同時環形淺灘形成的高潮能耗散區域，有利于龍屎窟水道北向射流攜帶泥沙的沉積，此循環使磨刀門河口西側區域水下地形加速變淺。受基巖峽口射流影響，龍屎窟水道峽口處受沖刷變深；橫洲水道兩側地形變淺，過水面積變小，使經過橫洲水道入海徑流增加，加劇了深槽段的沖刷；同時大杧州和小橫琴島附近水深明顯變淺，使上溝深槽進一步收窄，逐漸形成了上游向東南、下游向東北的河道走向，形成了洪灣水道的雛形。

圖8 1964至1977年水下地形演變淤積厚度（m）

4 結論

（1）在1964至1977年間，磨刀門內海區的淺灘總體上處于淤積狀態；而深槽則命運各異，橫洲水道以沖深為主，龍屎窟逐漸萎縮只有峽口處沖刷，上溝深槽總體淤積東部深槽發育。

（2）橫洲水道是磨刀門河口由陸向海輸水輸沙的主要通道，而龍屎窟水道是由海向陸輸沙的主要通道。從橫洲水道入海的大量泥沙隨著漲潮流從龍屎窟進入磨刀門內海區，構成了磨刀門內海區的一大泥沙來源。

（3）散布于內海區的基巖島嶼對沉積物的空間分布有著深刻的影響。峽口地區基巖島嶼有助于形成以“門”為樞紐的雙向射流動力體系，流速在射流口附近較大，潮能通量在這里出現峰值；而在逆潮流運動方向或地形開闊的地方，潮能分散。潮能相對集中或分散的分布，影響著沉積物的沖淤沉積分布及水下地形的發育演變。

（4）內海區沒有形成“門”的基巖島嶼附近都形成了沉積中心，島嶼周圍的沉積厚度遠遠大于附近水域的淤積厚度。

（5）磨刀門河口季節性沖淤特點明顯。枯季演變特征為整體淤積，淤積厚度從河口往外海遞減；洪季演變特征為淺灘淤積深槽沖刷，且淺灘在洪季淤積厚度遠大于枯季淤積厚度。

（6）從水下地形演變上看，龍屎窟水道北部水深明顯變淺，三灶島北部淺灘與鶴州至交杯沙淺灘相連，在龍屎窟水道北部形成相對封閉的水域，環形淺灘形成的高潮能耗散區域使磨刀門河口西側區域水下地形加速變淺。

［1］趙煥庭，歐興進，宋朝景 .西江磨刀門河口動力地貌［G］∥中國科學院南海海洋研究所，南海海洋科學集刊（第3集）.北京：科學出版社，1982：1－21.

［2］曾昭璇 .從磨刀門歷史地貌學研究看口門整治問題（上、下）［J］.人民珠江，1982，5，6：11－15.

［3］江沛霖，賓放 .磨刀門水文地貌二十年［J］.人民珠江，1986，5：27－32.

［4］張虎男，郭欽華，陳偉光 .西江斷裂磨刀門段近期活動性研究［J］.華南地震，1990，10（1）：15－26.

［5］De Vriend H J，Capobiancom，Chesher T，et al.Approaches to long－term modeling of coastal mor phology：a review［J］.Jour nal of Coastal Engineering，1993，21：225－269.

［6］任杰 .末次海進盛期以來珠江三角洲演變的長周期動力地形模型及應用［D］.廣州：中山大學，2003.