珠江河口水下三角洲沖淤演變分析

胡煌昊，徐 陽，官明開，蔣齊嘉

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098；2.四川農業大學水利水電學院，雅安625014）

珠江河口水下三角洲沖淤演變分析

胡煌昊1，徐 陽1，官明開1，蔣齊嘉2

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098；2.四川農業大學水利水電學院，雅安625014）

基于歷史地形數據，建立珠江河口水下三角洲數字高程模型分析近期的水下地形變化。并分析上游徑流來沙和人類工程活動對河口區水下地形沖淤演變的影響。結果顯示在20世紀60年代到2000年左右期間，水下三角洲地形基本處于淤積狀態，只有深槽等局部區域發生沖刷。20世紀90年代期間，黃茅海水域和伶仃洋水域的淤積強度有減弱的趨勢，而雞啼門水域淤積強度增強，磨刀門水域表現為灘淤槽沖的狀態。上游徑流來沙除伶仃洋水域外都表現出減少的趨勢，一定程度上減弱了這些區域的淤積強度。而人類活動如土地圍墾，航道整治對河口區水下地形的變化有十分重要的影響。

珠江河口；水下三角洲；地形變化；數字高程模型；人類活動

河口水下三角洲是整個海岸帶動力作用最為活躍的地帶。淺灘和深槽在動力條件的變化中發生沖刷或淤積，同時水動力條件又在灘槽的發展中發生變化，灘槽沖淤與動力條件相互適應而趨向平衡發展。因此掌握河口水下三角洲的沖淤演變規律，了解演變原因才能對河口未來的發展趨勢進行預測，從而更好地保護和開發河口。河口水下三角洲沖淤演變最根本的原因在于沉積物的減少或是增多，影響沉積物變化的因素包括沉積物來源和沉積特征的變化、動力條件的改變以及挖沙、圍墾等人類活動的影響。其中人類活動不僅能直接改變河口水下三角洲地形，還可以通過改變河口動力條件而間接長久地影響水下三角洲的沖淤演變。近年來，珠江河口地區人類活動較為劇烈，上游水庫建設［1］、灘涂圍墾［2］、航道整治［3］、挖沙［4］等多項工程的開展，對于河口演變的影響已經顯著于河口的自然演變過程，使得河口水下三角洲的變化更為復雜。利用GIS軟件通過離散點高程數據經空間插值建立的數字高程模型（DEM）是一種新興的研究方法，An?tonio等［5］基于河口地形數據建立了西班牙東南部Adra河口1876年和2002年的DEM模型，進行了河口沖淤變化的計算分析，并討論了氣候變化和人類活動對河口演變的影響。本文基于歷史地形數據，利用ArcGIS軟件建立不同年代DEM模型，研究珠江河口水下三角洲的沖淤變化過程。

1 區域概況

珠江河口位于我國廣東省東南近海。上游珠江流域主要由西江、北江和東江三大水系組成，其中西江水沙量居主導地位。珠江下游經崖門、虎跳門、雞啼門、磨刀門、橫門、洪奇門、蕉門和虎門共八大口門注入我國南海。在口外形成黃茅海水域、雞啼門水域、磨刀門水域和伶仃洋水域（圖1）。黃茅海水域位于珠江河口西南部，是崖門和虎跳門口外的喇叭形河口灣。雞啼門水域位于黃茅海東側，其雞啼門是珠江八大出海口門中較小的一個，且其徑流量在珠江八大口門中所占比例也很小。磨刀門的入海水沙通量在珠江口八大口門中均居首位，磨刀門水道也是珠江三角洲的首要泄洪通道和輸沙出海通道。伶仃洋水域位于珠江口東部，上游來水包括西江、北江大部分徑流和東江的全部徑流，分別自橫門、洪奇門、蕉門和虎門入海。珠江河口總體屬于弱潮河口類型，只有崖門與虎門屬于強潮弱徑型河口，潮汐類型主要為不規則半日混合潮。

2 數據和研究方法

本文地形數據資料是珠江河口水下三角洲20世紀60～70年代、80年代、90年代以及2000年左右的海圖資料。由于研究區域范圍較大，所獲得的整體數據是由相近年份的不同分區的數據而組成，所以在定義數據資料的時間時用大概的時間范圍進行描述。通過對海圖資料進行掃描、配準、建立圖形文件、屏幕數字化、屬性錄入的數字化處理，得到矢量水下地形數據。為方便矢量數據的處理分析，對基準面和坐標系進行統一化處理，將基準面統一到珠江基準面，坐標統一采用UTM-WGS84坐標。通過對水下地形數據資料處理得到地形數據點的AutoCAD矢量文件，由于三個年代的數據點范圍不同，為方便下一步對數字高程模型的沖淤計算和分析，對數據點范圍邊界進行處理。其中，各年代的陸地邊界采用掃描得到的數據；水邊界根據研究區域范圍，確定共同的邊界。利用ArcGIS軟件的ArcInfo軟件系統建立珠江河口水下數字高程模型（DEM）。首先將處理后的AutoCAD的數據點、島嶼輪廓線和邊界線轉換成ArcGIS所要求的shapefile格式。然后利用其3D Analysis工具，分別生成不同年代的水下三角洲DEM模型，作為之后研究水下地形沖淤變化的平臺。

圖1 珠江口地理信息Fig.1 Geographic information of the Pearl River Estuary

3 沖淤演變分析

3.1 水下三角洲地形變化

利用DEM模型分析珠江河口水下地形地貌格局，以2000年地形下的DEM模型為例（圖2），可以看出從沿岸到灣內再到外海，海床高度逐漸降低，河口灣內灘槽相間格局明顯。為更詳細地分析水下地形變化，將不同年代DEM模型進行處理，并將整個研究區域劃分為黃茅海水域、雞啼門水域、磨刀門水域和伶仃洋水域分別研究。

圖2 珠江河口2000年左右水下DEM模型Fig.2 The underwater DEM of the PRE around 2000

3.1.1 黃茅海水域

黃茅海水域水下地形呈三槽四灘格局，分別是西灘、西槽、攔門淺灘、主槽、東灘、東槽和大海環淺灘。在20世紀90年代之前，西灘表現為淤積狀態（圖3-a），而在20世紀90年代后西灘頂部有超過1 m的沖刷（圖3-b）。西灘整體上一直向西槽淤展使得西槽變窄。攔門淺灘整體變化不明顯，處于一個動態平衡狀態（圖3）。主槽上部在20世紀90年代前淤積超過2 m，其余部分則發生了輕微的沖刷，而在20世紀90年代后主槽上部有超過1 m的沖刷（圖3-a，圖3-b）。從20世紀60年代到00年代整個研究時期內，主槽上部有所淤積，中下部一直保持沖刷狀態（圖3-c）。東灘在20世紀90年代前北部淤積深度達到5 m，20世紀90年代后東灘淤積明顯減弱（圖3-a，圖3-b）。整個研究時期內，東灘有超過5 m的淤積（圖3-c）。東槽在20世紀90年代前為淤積狀態，20世紀90年代后則轉為沖刷狀態。大環海淺灘的泥沙淤積在20世紀90年代后減弱且有北移的趨勢，局部地區出現沖刷。黃茅海水域群島在20世紀90年代前后由沖刷狀態轉變為淤積狀態（圖3）。

3.1.2 雞啼門水域

雞啼門水域地貌結構較為簡單，從上到下依次是水道區，漏斗灣區和灣外區，有一條南向主槽。整個區域在20世紀90年代后發生了大規模的淤積（圖3）。水道區主槽在20世紀90年代前有所沖刷，但在20世紀90年代后淤積超過2 m。在漏斗灣區內，2000年左右時主槽所在的位置以東，原60～70年代時主槽所在的位置表現為1～2 m的淤積，說明了主槽有向西岸移動的變化趨勢。漏斗灣水域在90年代基本上表現為沖轉淤或者淤積增強的狀態。灣外區攔門沙在20世紀90年代前表現為0～0.5 m的淤積，而在20世紀90年代的十年間表現為0.2～2 m的淤積，淤積增強。20世紀90年代高欄島沿岸有0～2 m的淤積，越向岸邊淤積越強?？傮w上灣外區表現為淤積增強的狀態。

圖3 黃茅海和雞啼門水域沖淤變化（后一時期水深減去前一時期水深）Fig.3 Bathymetric changes(depth of later time minus that of the previous time)in Huangmao Bay and Jitimen water area

3.1.3 磨刀門水域

磨刀門水域逐漸從內海淺灘演變成三角洲平原，主要有磨刀門水道和白龍河水道。20世紀90年代以前，磨刀門水道沖刷超過1 m，白龍河水道淤積超過2 m，攔門沙為淤積狀態并向海淤展（圖4-a）。20世紀90年代以后，白龍河水道南部淺灘有超過1 m的淤積，磨刀門水道則繼續變深（圖4-b）。整個時期內，磨刀門水道變深但白龍河水道變淺，水域西部有超過2 m的淤積，同時攔門沙有輕微的淤積并向外淤展（圖4-c）。

圖4 磨刀門水域沖淤變化（后一時期水深減去前一時期水深）Fig.4 Bathymetric changes(depth of later time minus that of the previous time)in Modaomen water area

3.1.4 伶仃洋水域

圖5 伶仃洋水域沖淤變化（后一時期水深減去前一時期水深）Fig.5 Bathymetric changes(depth of later time minus that of the previous time)in Lingding Bay water area

伶仃洋水下地形呈三灘兩槽格局，分別是西灘、西槽、中灘、東槽和東灘。西部淺灘因為沖刷和淤積的共同作用，形成了次級水道，次級水道形成于洪奇門東南端和蕉門南部（圖5）。伶仃洋水域西灘在20世紀90年代前整體有大約1 m的淤積，20世紀90年代后則發生了強烈的沖刷（圖5-a，圖5-b）。整個時期內，西灘除次級水道以外總體上變淺（圖5-c）。西槽在20世紀90年代前為沖刷狀態，上部和中部沖刷大于1 m，下部沖刷較?。▓D5-a）。90年代后，西槽上部和下部變得更深，尤其是頂端川鼻水道的位置也有沖刷發生（圖5-b）。整個時期內，西槽維持在沖刷狀態（圖5-c）。中灘在20世紀90年代前表現出淤積的特性，其東南部有超過2 m的顯著淤積，西部和內伶仃島東部則有一定程度的沖刷（圖5-a）。20世紀90年代以后，中灘東南部繼續保持淤積的狀態（圖5-b）。整個時期內，中灘向東南方向淤展（圖5-c）。20世紀90年代以前，東槽中部和下部有沖刷，上部有淤積（圖5-a）。20世紀90年代以后，東槽中部有淤積，上部有不到1 m的沖刷，下部則有沖有淤，沖淤變化超過2 m（圖5-b）。整個時期內，東槽總體變深，上部有淤積，下部則有沖有淤（圖5-c）。東灘大體上保持一個動態平衡的狀態（圖5）。

圖6 珠江口-10 m等深線內泥沙沖淤體積變化Fig.6 Sediment volume changes of the Pearl River Estuary above-10 m isobath

3.2 地形變化原因

3.2.1 上游來沙

珠江含沙量小，但徑流量大，每年進入網河三角洲的泥沙約有15%落淤［6］，其余85%輸出口外，所以年均入河口泥沙通量仍較大。其中西江含沙量最大，是河口的主要泥沙來源。20世紀90年代以來隨著珠江流域中上游大中型水庫的建設以及網河區大規模的采砂活動，珠江網河區的來沙量逐漸減?。?］。到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］。但由于三水馬口的分水分沙比自20世紀80年代末以來呈上升趨勢，東四口門的水沙分配比增大，使得伶仃洋水域上游徑流來沙有所增加［9］。因此20世紀90年代以后珠江口除伶仃洋水域外的其它水域上游徑流來沙都有大幅度減少。ArcGIS的3D Analysis計算結果顯示，黃茅海水域、雞啼門水域、磨刀門水域，伶仃洋水域和外海的-10 m等深線內水域的泥沙淤積速率分別由20世紀90年代前的6.33×106m3/a，4.63×106m3/a，-3.16×106m3/a，23.69× 106m3/a和-0.62×106m3/a變化為20世紀90年代后的2.89×106m3/a，2.74×106m3/a，-1.44×106m3/a，9.98×106m3/a 和17.83×106m3/a。發現磨刀門水域的沖刷減弱以及-10 m等深線內水域整體淤積增強的結果與上游來沙量減少的預期變化并不完全相符，而伶仃洋水域的淤積減弱與該水域的上游來沙量增加的預期變化也不符合，說明上游來沙變化不是珠江口地形沖淤變化的主導因素。

圖7 1973，1995，1999和2007年珠江河口西部水域遙感圖像（虛線部分為圍墾區域）Fig.7 Remote sensing images of the western region of the PRE in 1973，1995，1999 and 2007

3.2.2 人類工程活動

部分人類工程活動可以通過不同時段衛星遙感圖像識別，如土地圍墾，堤壩建設。

黃茅海水域圍墾工程的開展（圖7），使水域過水斷面縮窄，水流集中于主槽下泄，尤其西岸上凸下凹岸線的形成，使得落潮流動力增強，所以西灘淤積程度減弱。同時西灘向東南淤展，造成西槽北段出現萎縮。主槽作為主要的落潮沖刷槽，是整個河口灣動力最強勁的區域，但由于灣頂區域是入河口懸沙的主要沉積區域，所以在20世紀90年代前主槽中上段是呈淤積狀態的，而中下段仍然是沖刷的。20世紀90年代期間隨著泥沙通量的減小，尤其是在崖門出海航道整治后，主槽下泄動力增強，所以整體沖刷顯著增強。兩岸圍墾等工程的建設，使水流更加集中于主槽下泄，沖刷保持較穩定狀態。黃茅海東岸圍墾后，凹形岸線形態變得較為平順，改善了漲潮流的上溯情況，漲潮流動力加強，海域帶來的泥沙沉積北移。東岸岸線圍墾后變得更為平順，從而改善了沿岸的漲落潮流態，水流更加順暢，大大減輕了東灘和大海環淺灘上多處因回流和緩流造成的淤積，漲潮流動力的增強使海域帶來的泥沙沉積北移。高欄—南水連島大堤建成后，東槽主要受到東口潮汐射流作用，漲潮流動力強勁，改變了該區域輕度淤積的水動力環境，東槽沖刷增強。

雞啼門上游圍墾工程使白藤湖與河道分離后，河口納潮量減小，潮汐動力減弱，為河口淤積創造了條件。高欄—南水連島大堤建成后切斷了東西向的沿岸流通道（圖7），減弱了雞啼門水域的動力條件，尤其是高欄島以北區域，泥沙更易淤積。三灶島北部圍墾堵控大門水道后，來自大門水道的徑流動力完全消失，漏斗灣東部淤積增強，深槽也有向西擺動的趨勢。

磨刀門水域隨著20世紀70～90年代鶴州淺灘的圍墾（圖7），過灘水流減小，白龍河徑流動力條件減弱，逐漸淤積，尤其越往下游水道斷面增寬，越容易淤積［10］。20世紀90年代至21世紀初期，三灶島北部區域圍墾，水沙集中于縮窄的白龍河水道，經龍屎窟下泄入海，徑流的沖刷作用稍微增強。同時下泄挾沙水流從龍屎窟入海后遇到南側的西汊水流，流速降低，泥沙易沉降，所以龍屎窟南部仍存在淤積趨勢。主要航道的整治，改變了工程前徑流水沙在內海灣擴散、主槽水流不集中的狀態，而使得徑流水沙主要集中在兩個主要水道，攔門淺灘處淤積減弱。

圖8 1979，1990，2000和2005年伶仃洋水域遙感圖像（虛線部分為圍墾區域）Fig.8 Remote sensing images of Lingding Bay water area

伶仃洋水域圍墾工程的開展（圖8），使伶仃洋逐漸形成大喇叭型河口形態，水流更加順暢，川鼻水道縮窄，水流集中，挾沙能力增強，川鼻水道和西槽沖刷變強。同時萬頃沙和雞抱沙區域的圍墾，加強了虎門潮汐通道的落潮動力，卻削弱了其漲潮動力，使動力中心向下游移動。上述原因使得從內伶仃洋向外輸出的泥沙增多，而不利于海域來沙的向內輸移，減少了內伶仃洋的淤積，這也是20世紀90年代后西灘由淤轉沖的原因。隨著動力中心下移，泥沙淤積帶也隨著南移，所以中灘表現為東南向擴展。東槽主要受潮流作用，徑流作用較弱，下游的暗士頓水道是主要的漲潮流通道，具有沖刷的特性，上段是下泄徑流和漲潮流的交匯區，容易淤積，所以總體上東槽上段淤積下段沖刷。20世紀90年代期間，伶仃洋大喇叭形河口形態的形成增大了水流動力強度，東槽在上段出現沖刷，中段表現為淤積。此外，廣州出海航道的整治也加強了西槽的動力和沖刷強度。

4 結論

基于歷史地形數據，通過ArcGIS軟件的ArcInfo平臺建立各年代的水下DEM模型，詳細分析近幾十年珠江河口水下三角洲地形的沖淤變化。結果顯示黃茅海水下三角洲在總體上呈現出淤積強度減弱的淤積變化趨勢。雞啼門水域水下三角洲總體上表現為淤積增強的變化趨勢。磨刀門水域沖淤變化較為復雜，深槽區域基本呈現出沖刷狀態，而攔門沙淺灘和近岸邊灘多表現為淤積狀態。伶仃洋水域水下三角洲淤積強度減弱，除西灘由淤轉沖外，基本表現為灘淤槽沖的狀態。

從河口自然條件來看，徑流來沙是珠江河口淤積的主要泥沙來源，徑潮動力交匯為河口創造了基本的淤積環境。近年來上游徑流來沙逐漸減少，減弱了河口的淤積強度。人類活動影響方面，圍墾等工程的建設導致岸線快速向海推進，使得整體水域面積的減小，從而下泄流動力加強而沖刷主槽，同時航道整治工程的建設更加劇了主槽的沖刷。本文認識珠江河口近期地形變化有重大意義，不僅能幫助了解珠江河口水下三角洲的沖淤演變規律，還有助于數學模型對于該地區未來演變的預測。

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Analysis on morphological evolution of underwater delta in the Pearl River Estuary

HU Huang?hao1,XU Yang1,GUAN Ming?kai1,JIANG Qi?jia2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Sichuan Agricultural University,Ya′an 625014,China）

Underwater Digital Elevation Models(DEM)of the Pearl River Estuary were built based on the his?torical bathymetric charts to analyze quantitatively morphological changes of underwater delta.The impacts of sedi?ment supply and human activities on morphological evolution of underwater delta were analyzed.During the period between 1960s and 2000s,the results suggest that the PRD experienced a major stage of accretion,with net erosion only in some local zones such as deep channels.During the 1990s,sedimentation in Huangmao Bay water area and Lingding Bay water area showed a decreasing trend,but increased in Jitimen water area.And Modaomen water area was in a state that shoals silted and deep troughs scoured during the 1990s.Sediment supply from upstream de?creased except Lingding Bay water area,which led to a weakening trend of sediment deposition in these regions.Hu?man activities such as land reclamation and waterway regulation have significant impacts on morphological evolu?tion of underwater delta.

Pearl River Estuary;underwater delta;morphological changes;Digital Elevation Model;human ac?tivities

TV 148

A

1005-8443（2016）06-0593-06

2016-04-25；

2016-07-05

胡煌昊（1992-），男，廣東省韶關人，碩士研究生，主要從事河口水動力學研究。

Biography：HU Huang?hao（1992-），male，master student.