英羅灣潮汐水道演變及其穩(wěn)定性分析

黃廣靈，黃本勝，邱 靜，黃錦林

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州，510635；3.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635)

0 前 言

英羅灣位于廣東與廣西交界處，北部灣東北部。英羅灣海岸屬臺(tái)地溺谷海岸(圖1)，此類海岸地勢(shì)低平，岸線曲折，溺谷亦呈“大灣套小灣”形態(tài)，潮汐水道一般狹長(zhǎng)。英羅灣海域潮差較大，納潮量也大，因此潮流動(dòng)力強(qiáng)勁，潮汐水道發(fā)育良好。英羅灣內(nèi)發(fā)育有水深5～8 m左右的深槽，灣外有向海突出的扇狀攔門(mén)沙堆積體。英羅灣由于陸域或岸帶泥沙來(lái)源不多，其潮汐水道長(zhǎng)期保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。此外英羅灣岸段比較隱蔽，波浪作用較弱，少受臺(tái)風(fēng)強(qiáng)浪影響，沿岸漂沙活動(dòng)不劇，海積地貌不甚發(fā)育。同時(shí)由于基巖岬角發(fā)育，潮間帶有巨礫堆積，對(duì)岸線有保護(hù)作用，目前未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模蝕退現(xiàn)象，岸線處于相對(duì)平衡狀態(tài)。

國(guó)外對(duì)潮汐水道的研究始于20世紀(jì)早期，而國(guó)內(nèi)則始于20世紀(jì)80年代，對(duì)潮汐水道的地貌結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力與輸沙特征、通道的穩(wěn)定性、口門(mén)整治及人類活動(dòng)的影響等方面進(jìn)行了研究[1-16]。英羅灣潮汐水道是灣內(nèi)水域與海洋之間能量和物質(zhì)交換的必經(jīng)途徑，對(duì)灣內(nèi)的紅樹(shù)林保護(hù)、旅游開(kāi)發(fā)、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)等意義重大。然而，該潮汐水道有一定的活動(dòng)性，對(duì)英羅灣的開(kāi)發(fā)利用形成一定的制約。目前鎮(zhèn)對(duì)英羅灣的研究主要關(guān)注其灣內(nèi)紅樹(shù)林的生態(tài)環(huán)境及歷史演化問(wèn)題[17-21]，而對(duì)于英羅灣潮汐水道及河口動(dòng)力地貌的研究目前僅在其附近海域相關(guān)研究中略有涉及[22-24]，而專門(mén)針對(duì)英羅灣潮汐水道動(dòng)力地貌的研究還未見(jiàn)有報(bào)道，因此開(kāi)展英羅灣潮汐水道動(dòng)力地貌演化過(guò)程及其未來(lái)穩(wěn)定性的研究不僅彌補(bǔ)相關(guān)方面的空白，同時(shí)也為英羅灣內(nèi)紅樹(shù)林生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供必要的科學(xué)依據(jù)。

本文收集了英羅灣附近海域1984所測(cè)的海圖資料、2013年12月1∶1 000水域測(cè)量地形以及研究海域2013.11-2014.10的周年水文觀測(cè)數(shù)據(jù)，此外還收集了1973年、1983年、1991年2000年及2010年的遙感影像資料等。依據(jù)有關(guān)資料，采用歷史地形、岸線對(duì)比和潮汐汊道整體穩(wěn)定性分析方法重點(diǎn)對(duì)英羅灣地貌演變及潮汐水道的穩(wěn)定性進(jìn)行分析討論。為英羅灣潮汐水道維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 動(dòng)力場(chǎng)概況

英羅灣北部有兩省的界河----洗米河以及高橋河、賣皂河(大壩河)、江背河等河流流入灣內(nèi)，最大的河流高橋河歷史實(shí)測(cè)最大流量為1 210 m3/s(發(fā)生于1994年6月9日)，近年來(lái)由于流域下游興建有大沖水陂和公安陂等攔河建筑，導(dǎo)致出海徑流量減小。根據(jù)本區(qū)域河流含沙量數(shù)據(jù)，河流含沙量最大為1.50 kg/m3左右，最小為0.002 kg/m3左右，一般為0.2～0.3 kg/m3。由于英羅灣地形狹長(zhǎng)，影響英羅灣中部及南部灣口區(qū)域的水動(dòng)力因素主要是潮汐、潮流和波浪。

圖1 英羅灣潮汐水道海岸體系Fig.1 Coastal system of tidal waterways in Yingluo bay

1.1 潮汐特征

研究區(qū)域附近海域潮汐主要是太平洋潮波經(jīng)巴士海峽和巴林塘海峽進(jìn)入南海后形成的。根據(jù)研究區(qū)域附近潮位測(cè)站周年潮位觀測(cè)(測(cè)站位置見(jiàn)圖1)資料的調(diào)和分析可知：觀測(cè)海區(qū)潮汐性質(zhì)的判據(jù)值為3.26，故研究區(qū)域潮汐屬“不規(guī)則日潮”的類型：每月當(dāng)中，約有三分之二的天數(shù)潮汐的漲、落呈現(xiàn)1日1次的“日潮”變化，僅有約三分之一天數(shù)的潮汐漲、落呈現(xiàn)1日2次的“半日潮”變化。此外，該區(qū)潮汐尚有一定淺水效應(yīng)現(xiàn)象。觀測(cè)期間最大潮差為5.42 m，平均潮差為2.38 m；年平均落潮歷時(shí)為7 h 29 min，年平均漲潮歷時(shí)為7 h 49 min，二者相差約20 min，平均落潮歷時(shí)略短于其平均漲潮歷時(shí)。

1.2 潮流特征

根據(jù)研究海域周年觀測(cè)站流速資料：研究海域潮流具有顯著的周期性，漲潮流主要集中在NE～E向，落潮流主要集中在SW～W向，“往復(fù)流”明顯。實(shí)測(cè)潮流垂向平均值統(tǒng)計(jì)表明：月平均落潮流速介于0.32～0.39 m/s，月平均漲潮流速介于0.28～0.33 m/s；各月最大落潮流速介于0.82～0.99 m/s，各月最大漲潮流速介于0.74～1.46 m/s；總體看落潮流速略大于漲潮流速；周年內(nèi)的極值流速一般出現(xiàn)于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響期間，如遇強(qiáng)臺(tái)風(fēng)則表層的最大實(shí)測(cè)流速可達(dá)1.55 m/s(流向65°)。由潮流的調(diào)和分析可知：觀測(cè)海區(qū)潮流性質(zhì)的判據(jù)值介于1.5～1.7，即測(cè)區(qū)潮流屬“不規(guī)則半日潮流”的類型；但總體看，日潮流分量仍大于半日潮流分量。測(cè)區(qū)全年余流不大，表層多數(shù)月份為0.2 m/s，其他各月、各層余流多為0.1 m/s或不足0.1 m/s。此外研究海區(qū)垂向上表層以落潮流占優(yōu)，而底層以漲潮流占優(yōu)；潮位、潮流相互關(guān)系的駐波特征較為明顯；漲、落潮流之間，流速與歷時(shí)均存在一定的不對(duì)稱性。

1.3 波浪特征

據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)資料，該海域常浪向?yàn)镹，強(qiáng)浪向?yàn)镾W，每年9月至翌年3 月，以N向浪居多，4～8月則以SW至SE 浪為主。由氣象資料推算，研究海域平均波高約0.35 m，最大波高達(dá)2.5 m平均周期2.0s左右，最大周期可達(dá)6.0S。

研究海區(qū)常年波浪觀測(cè)站為潿洲島海洋站。對(duì)收集到的潿洲島海洋站1983-2002年共20 a的波浪觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，本海域的常浪向?yàn)镹NE向，多年出現(xiàn)頻率16.9%；次常浪向?yàn)镾SW、NE向，出現(xiàn)頻率分別為11.5%、10.7%，WSW～W～NWW向波浪出現(xiàn)較少。

2 海域海床演變

2.1 研究海域等深線變化

圖2和圖3為研究區(qū)域1984-2013年-3、-5、-10和-13 m等深線變化情況(85高程)。從圖2可以看出，近30年來(lái)，研究海域-3 m、-10 m等深線均在向岸推移，其中-3 m等深線向岸推移的幅度大于-10 m；從-3 m等深線推移方向來(lái)看，等深線向安鋪港東部及東北部推移距離最大，其向東最大推進(jìn)距離為3.29 km，向東北最大推移距離為4.04 km；從深槽的變化來(lái)看，-3 m深槽在加大；由2013年的-3 m等深線分布可見(jiàn)，沙田鎮(zhèn)以南的網(wǎng)流沙淺灘已發(fā)育有-3 m以下的槽。相對(duì)來(lái)說(shuō)研究海域-10 m等深線向岸推移的距離較小，最大推移距離約1.24 km，位于安鋪港主槽南汊前端。

圖3為近30年來(lái)研究海域-5 m和-13 m等深線的變化。從圖3中可見(jiàn)，與-3、-10 m等深線的變化規(guī)律一致，30年來(lái)研究海域-5 m和-13 m等深線均向岸推移。其中安鋪港內(nèi)-5 m等深線主要是向東部推移，最大推移距離為1.33 km，位于安鋪港深槽北汊的前端；網(wǎng)流沙淺灘西側(cè)的-5 m等深線也有較大距離向東推移，近30年最大推移了2.61 km，網(wǎng)流沙淺灘在萎縮。1984年英羅灣內(nèi)-5 m等深線包絡(luò)面積比較小，深槽也不發(fā)育；至2013年，英羅灣內(nèi)-5 m等深線包絡(luò)面積有很大幅度的增加，-5 m等深線幾乎已經(jīng)貫穿南北，形成了-5 m以下的東、西兩槽的格局。近30年來(lái)該海域-13 m等深線的變化主要位于安鋪港深槽中部，從等深線的變化來(lái)看，安鋪港深槽范圍在擴(kuò)大，其中深槽東側(cè)-13 m等深線向東推移的最大距離為0.97 km，深槽北側(cè)-13 m等深線向北推移的最大距離為0.25 km，深槽南側(cè)-13 m等深線向南推移的最大距離為1.03 km。

綜上所述，英羅灣海域近30年來(lái)的海床等深線的變化表明，該海域在過(guò)去30年中的海床演變趨勢(shì)以海床沖刷、深槽發(fā)育、淺灘萎縮為主。其中以英羅灣口雙汊道潮汐水道系統(tǒng)的發(fā)育尤為顯著。

圖2 研究海域1984-2013年-3 m、-10 m等深線變化Fig.2 Comparison of the contour -3 m, -10 m from 1984 to 2013

圖3 研究海域1984-2013年-5 m、-13 m等深線變化Fig.3 Comparison of the contour -5 m, -13 m from 1984 to 2013

2.2 研究海域地形沖淤變化

基于研究海區(qū)1984年和2013年的地形資料，建立不同年代地形的數(shù)字高程模型(DEM)，利用surfer軟件對(duì)兩套地形的DEM進(jìn)行地形沖淤量計(jì)算，將結(jié)果繪制成地形沖淤變化分布圖，如圖4所示。從圖中可以看出，研究海域近30年來(lái)海床演變的趨勢(shì)以沖刷為主，局部區(qū)域有小幅度的淤積。 研究海域30年來(lái)的沖刷幅度主要在1～2 m之間，其中沖刷幅度在1 m以內(nèi)的區(qū)域占了研究海域的60%左右，沖刷幅度最大區(qū)域出現(xiàn)在網(wǎng)流沙淺灘南側(cè)及西南側(cè)，最大沖刷幅度達(dá)到6 m左右，主要原因是深槽深泓逐步北移，淺灘南側(cè)逐漸演變成深槽。英羅灣灣口附的沖淤變化主要表現(xiàn)為出口潮汐通道的沖深和加寬。研究海域主要的淤積范圍在研究海域的北部(英羅灣北部)、東南部(安鋪港東部深槽南汊)及西南部。

圖4 研究海域1984-2013年地形沖淤變化分布圖Fig.4 Distribution of topographic changes of study area from 1984 to 2013

圖5 1973年至2010年英羅灣海域岸線變化過(guò)程Fig.5 The process of coastline change in the bay of Yinluo from 1973 to 2010

2.3 研究海域岸線變化

收集了1973年、1983年、1991年2000年及2010年的遙感影像資料，通過(guò)遙感影像資料的對(duì)比，分析附近海域岸線的變遷。圖5所示為，1973-2010年研究海域岸線變化過(guò)程圖。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的情況來(lái)看，研究海域附近岸線變化的主要原因是附近岸段的圍墾。其中圍墾區(qū)域主要集中在安鋪港的北岸營(yíng)仔鎮(zhèn)岸段以及營(yíng)仔河、安鋪河出海口之間岸段。從時(shí)間上看，圍墾主要集中在20世紀(jì)80年代以前，如1973-1983年間的圍墾面積最大，達(dá)10.28 km2，圍墾區(qū)域主要是在安鋪港北岸；1983-1991年圍墾面積1.13 km2，圍墾區(qū)域主要是安鋪河出海口附近；1991-2000年圍墾面積2.02 km2，圍墾區(qū)域主要是營(yíng)仔河出海口附近；2000-2010年間，圍墾面積較小，為0.17 km2，圍墾區(qū)域主要是營(yíng)仔河出海口。

2.4 海床沖淤變化影響因素分析

(1)海洋動(dòng)力作用。影響研究海域沖淤變化的主要?jiǎng)恿κ浅绷骷安ɡ恕Ｔ摵Ｓ虺绷鲃?dòng)力作用相對(duì)較強(qiáng)，各月最大落潮流速介于0.82～0.99 m/s，各月最大漲潮流速介于0.74～1.46 m/s，輸沙潮流較強(qiáng)。該海區(qū)底質(zhì)以黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂和砂為主，屬于較松散土質(zhì)，在強(qiáng)水流作用下，沉積物容易被起動(dòng)沖走。一般情況不該海區(qū)由于良好的遮蔽作用，波浪并不大，對(duì)海床的沖淤作用不大，但是風(fēng)暴潮天氣產(chǎn)生的風(fēng)浪和涌浪以及形成的增減水則常引起海床快速侵蝕或者淤積。研究海域深槽走向基本跟潮流方向平行，與強(qiáng)浪向亦相平行，因此在風(fēng)暴潮天氣時(shí)深槽反而不易淤積。

(2)泥沙來(lái)源及人類活動(dòng)影響。英羅灣的泥沙來(lái)源主要有潮流侵蝕海岸及地表水切割、沖刷沿岸地層來(lái)沙和陸域徑流來(lái)沙等2個(gè)方面。英羅灣內(nèi)的波浪作用動(dòng)力較弱，波浪對(duì)海岸的侵蝕作用不明顯，而潮流動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)，往往在英羅灣沿岸形成高潮位、大潮差、強(qiáng)潮流，有利于海岸侵蝕和潮流搬運(yùn)物質(zhì)，但由于近幾十年來(lái)，隨著海堤工程的建設(shè)，英羅灣海岸侵蝕的泥沙量大幅減少。英羅灣沿岸沒(méi)有大的河流注入，只有數(shù)條小河流，分別是高橋河、賣皂河、江背河等，其流量均較小，流量最大的高橋河的平均流量才5.7 m3/s；這些河流不僅徑流量小而輸沙率很小，而且河流中還建有大沖水陂和公安陂等攔河建筑，大量攔截了河流上游來(lái)沙，使河流入海泥沙進(jìn)一步減少。

3 英羅灣潮汐水道演變的動(dòng)力過(guò)程分析

英羅灣潮汐水道的動(dòng)力條件為波潮混合能型，口門(mén)外受波流共同作用為主，灣內(nèi)及潮汐水道則以潮流作用為主，潮流中又以落潮流的作用略占優(yōu)勢(shì)，落潮流是維持潮汐水道深槽的主要?jiǎng)恿σ蛩亍?/p>

英羅灣落潮流沿潮汐水道出口門(mén)后，由于岸線擴(kuò)寬，水流變緩，泥沙落淤而形成中心攔門(mén)沙(落潮三角洲)，落潮流也因此分為東西兩支分汊，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)了東、西兩汊深槽，其中西汊為落潮主通道，東汊為漲潮流主要通道。一般而言，多汊道(包括雙汊道)的穩(wěn)定性是很差的，有向單汊道演變的趨勢(shì)。在英羅灣潮汐水道出海口門(mén)外西側(cè)，常浪向是SW向，沿岸輸沙優(yōu)勢(shì)方向?yàn)樽晕飨驏|方向。因此口門(mén)外西汊深槽西側(cè)邊緣淺灘、沙壩沿優(yōu)勢(shì)輸沙方向自西向東延伸，西汊深槽(落潮主水道)也因此東延。英羅灣口外東側(cè)，常向浪在此發(fā)生繞射，沿岸泥沙向西反向輸運(yùn)，形成所謂“反向輸沙”，在反向輸沙作用下，同時(shí)漲潮流相對(duì)較弱，英羅灣出口潮汐水道東汊將逐漸被淤填。在洪水或天文大潮作用下東汊將再次沖決連通，重新形成潮汐雙汊道體系，如圖6所示。這種雙汊道能否保持延續(xù)性取決于所出現(xiàn)的極端事件的強(qiáng)度、沿岸輸沙量與橫向輸沙量以及下一次極端事件的出現(xiàn)距該次事件的時(shí)間間隔等因素。而英羅灣海區(qū)水域近幾十年的來(lái)沙量在減少，該區(qū)域風(fēng)暴潮及洪水極端事件出現(xiàn)頻率較大(基本上每年都會(huì)遭遇風(fēng)暴潮及洪水)，這些均是英羅灣灣口潮汐水道近幾十年不斷沖深、加寬，發(fā)育成目前形態(tài)，并保持兩支分汊的重要因素。

圖6 英羅灣潮汐水道演變動(dòng)力模式Fig.6 Evolution of tidal channel in Yinglo bay

4 英羅灣潮汐水道穩(wěn)定性分析

湖汐水道的穩(wěn)定性主要應(yīng)包括3個(gè)方面：一是口門(mén)位置，二是在平均海平面以下的過(guò)水?dāng)嗝娣e，三是落潮主水道穿過(guò)落潮三角洲的位置[25]。英羅灣口門(mén)位于沙田鎮(zhèn)和車板鎮(zhèn)南端臺(tái)地之間，口門(mén)位置相對(duì)比較固定，穩(wěn)定性較高。而落潮三角洲也基本保持在口門(mén)外，相對(duì)也比較穩(wěn)定。因此需通過(guò)平均海平面以下的過(guò)水?dāng)嗝娣e來(lái)了解英羅灣潮汐水道整體的穩(wěn)定性。

(1)

實(shí)際上該關(guān)系式表達(dá)的是通道內(nèi)納潮體可能最大漲潮量與理論最大納潮量之比，雖然其流速的計(jì)算作了概化處理，然其物理概念清晰，不受地區(qū)環(huán)境差異的影響，因而具有普遍應(yīng)用的意義。

納潮量P和口門(mén)截面流量Q的計(jì)算公式分別為：

P=2abAb

(2)

(3)

式中：ab為口門(mén)內(nèi)潮汐振幅；Ac為口門(mén)截面高潮時(shí)過(guò)水面積；V′m為口門(mén)潮流流速系數(shù)。沿岸輸沙總量M采用CERC的沿岸輸沙率公式計(jì)算。本次選取龍頭沙碼頭所在位置斷面作為潮汐水道穩(wěn)定計(jì)算斷面，該口門(mén)斷面平均海平面下過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA為8 016 m2，斷面寬度B為2 916 m，斷面平均水深R約2.75 m。湖(港區(qū))納潮面積Ab為22.69 km2，根據(jù)該海域2016年實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)，外海潮汐振幅a0為1.15 m，口門(mén)內(nèi)潮汐振幅ab為1.44 m，潮汐周期T為16.3 h，口門(mén)斷面位置的理論最大流速為1.03 m/s。計(jì)算得到英羅灣口近岸輸沙率約為20 萬(wàn)m3。通過(guò)上述各式計(jì)算可得英羅灣口門(mén)斷面的飽滿系數(shù)K為1.46，而飽滿系數(shù)K的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)為K>0.8；英羅灣P/M數(shù)為326，而P/M穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為>200；英羅灣Q/M數(shù)計(jì)算結(jié)果為0.010，而Q/M穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為>0.006。由此可見(jiàn)，英羅灣潮汐水道穩(wěn)定性數(shù)據(jù)能滿足穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，在目前條件下，潮流足以維持英羅灣潮汐水道不被淤積，從而確保了其口門(mén)截面平均海平面下的過(guò)水面積的穩(wěn)定性，上文的地貌演變分析結(jié)論充分證明了這一點(diǎn)。因此，目前英羅灣潮汐水道口門(mén)的穩(wěn)定性較高，在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生泥沙淤問(wèn)題。

5 結(jié) 論

綜上所述，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)英羅灣動(dòng)力條件為波潮混合能型，其中灣內(nèi)以潮流動(dòng)力為主，口門(mén)以外區(qū)域受波流動(dòng)力共同作用。在口門(mén)潮汐水道中以潮流作用為主，其中落潮流又略占優(yōu)勢(shì)，落潮流是維持潮汐水道的主要?jiǎng)恿σ蛩亍?/p>

(2)研究海域在過(guò)去30年中的海床演變趨勢(shì)以海床沖刷、深槽發(fā)育、淺灘萎縮為主。海床沖淤變化的影響因素包括強(qiáng)勁的潮流動(dòng)力、波浪動(dòng)力輸沙作用較弱、海域來(lái)沙和徑流來(lái)沙均較少且在人類活動(dòng)影響下入海泥沙進(jìn)一步減少。

(3)英羅灣落潮流沿潮汐水道出口門(mén)后，水流變緩，泥沙落淤而形成中心攔門(mén)沙(落潮三角洲)，落潮流也因此分為東西兩支分汊，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)了東、西兩汊深槽。在英羅灣潮汐水道出海口門(mén)外西側(cè)，沿岸輸沙優(yōu)勢(shì)方向?yàn)樽晕飨驏|方向，因此口門(mén)外西汊深槽西側(cè)邊緣淺灘、沙壩沿優(yōu)勢(shì)輸沙方向從西向東延伸，西汊深槽(落潮主水道)也因此東延。英羅灣口處東側(cè)，沿岸泥沙自東向西反向輸運(yùn)，同時(shí)漲潮流相對(duì)較弱，英羅灣出口潮汐水道東汊將逐漸被淤填。在洪水或天文大潮作用下東汊將再次沖決連通，重新形成潮汐雙汊道體系。

(4)因?yàn)橛⒘_灣口門(mén)位于沙田鎮(zhèn)和車板鎮(zhèn)南端臺(tái)地之間，其位置比較穩(wěn)定，在當(dāng)前條件下，英羅灣的潮流足以維持其潮汐汊道不淤積，因此口門(mén)截面海平面下的過(guò)水面積可以得到保證，也是穩(wěn)定的。

當(dāng)然，穩(wěn)定性都是相對(duì)的，隨著人類活動(dòng)規(guī)模的增強(qiáng)，英羅灣潮汐水道穩(wěn)定性因素也在不斷變化，必須在開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中注意保持和增加其穩(wěn)定性因素，提高其穩(wěn)定性，才能達(dá)到可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用的目標(biāo)。

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