變化環境下的西北江三角洲河流情勢和水文要素研究

劉幼萍

(廣東省水文局佛山水文分局，廣東佛山528000)

珠江三角洲河網縱橫交錯，相互溝通，大小汊道數以千計，呈扇狀水系，具有“三江匯流、網河密布、八口出海”的獨特特征，其水流泥沙運動和河床演變受徑流、潮流和波浪等動力作用，并受網河區的諸多水道及八大出海口的互動影響，情況十分復雜[1-3]。研究西北江三角洲近年河流情勢與水文要素變化趨勢，對河道治理、防洪、水資源保護、生態環境保護、城市建設和合理開發利用航道資源等，都具有一定的參考價值，是保證該區域生態水利的基礎。

自20世紀90年代中期開始，珠三角社會經濟的快速發展和城市化進程的推進，人類涉水活動加劇，使上游來水來沙條件和三角洲河道自然形態發生快速變異，河網河道原有的行洪納潮態勢發生了較大變化；咸潮入侵加強，河道污染嚴重，水質性缺水問題日益突出，水生態環境急需修復[4-5]。

當前中國黃河、長江流域，均在河道治理方面將保障防洪安全作為首要目標，將穩定河勢河床作為基本要求:黃河采用調水沖沙防止河流改道與河床淤積；長江則采用加固堤壩預防塌崩和嚴禁偷采河砂來穩定河勢河床。長江流域特別強調在三峽工程建成后，研究不同水沙條件下泥沙輸移質變化規律、洪水下泄對下游河道造成沖刷規律、河道新的演變趨勢及采取的對策。國外經濟較為發達的國家在河道治理方面，從20世紀70至80年代起，已由防洪安全為主過渡到關注河流環境條件與生態保護：美國從20世紀70年代起，實行河道可持續發展理念，由開發、利用向保護轉變；日本在20世紀80年代起，河流管理者意識到快速的城市化和工業化對河流水質、生態的損害，并認識到保護景觀和生物多樣性的重要，強調恢復河流環境自然特性作為治理河道的首要任務。中國長江流域順應經濟、自然的治理理念，國外可持續發展的河道治理理念，都值得學習[6-8]。

1 研究區域及數據方法

本文主要研究區域為西、北江三角洲集水面積8 370 km2的范圍，見圖1。本文利用趨勢分析、頻率分析、洪水特征分析等水文統計學方法對河床演變趨勢、分流分沙比、咸潮入侵等方面進行分析。資料主要來源于廣東省水文局佛山水文分局監測、編制的技術成果，包括西北江三角洲21個潮位站近60 a的水文實測數據，近10 a大范圍的多波束水下地形監測成果等[9-10]。

2 河流水文情勢變化分析

2.1 河床演變趨勢

從西北江三角洲上游控制站三水水文站近60 a的監測成果和相關資料看，在20世紀50至60年代初，河道普遍處于輕微的自然淤積狀態；60年代后期普遍的大規模聯圍筑閘工程，簡化河道縮短防洪堤線的目的，造成河寬變窄和水位升高，產生束水攻沙效應使河床受沖刷，但河床沖刷深度與沖刷量都不大；70年代后期至80年代初，河床經過動態調整，普遍由輕微沖刷轉為輕微淤積；80年代中期后，隨著經濟社會的高速發展，河道出現大規模的人工河道挖砂活動，河床迅速下切，由原來的淤積為主轉為沖刷為主。20世紀末期至21世紀初，中上游的河床年下切量達到峰值，強度遠超河床的自然演變過程[11-15]。

圖1 研究區域示意

另一方面，輸沙的大量積聚和人類活動對河口灘涂圍墾的共同影響，河道不斷向口門延伸。八大口門向外海自然延伸的速度，最快的磨刀門約190 m/a，洪奇門約125 m/a，橫門、雞啼門和虎跳門約100 m/a，虎門、蕉門和崖門潮流作用較強，自然延伸不明顯；近年來對河口灘涂大肆圍墾，河口延伸速度遠遠超出了自然延伸的速度，磨刀門、橫門的河口延伸長度幾乎都超過10 km以上[16]，近30 a口門的延伸長度相當于100 a的口門自然延伸長度。由于河口不斷淤積延伸，攔門沙不斷淤積擴展，影響泄洪納潮、潮排潮灌、生態環境等，甚至影響網河區水沙分配和河流情勢變化。

2.2 河床垂向沖深嚴重

河床的演變有諸多因素，超規模、超范圍的大量采砂是河床演變、沖深下切的主要原因，根據監測資料分析，近40 a的采砂大致可以分為前10 a、中間20 a與后10 a 三個階段。

20世紀90年代，無序采砂達到峰值。經調查珠三角每年采砂總量達6 000萬m3，而泥沙淤積量僅905萬m3，即中間的20 a，河道采砂總量為近100多年的自然淤積量[17]，區域采砂直接導致珠三角河床大面積下切，是造成珠三角網河區河流情勢急劇變化主要原因。

從西北江三角洲控制站馬口、三水水文站多年大斷面監測圖可以直觀地反映出河床下切量最大達到10 m以上，在0.00 m水位以下的河道斷面面積分別增大約30 %與50 %，總體北江區域下切量大于西江區域，中上游的下切量大于中下游[18]，見圖2。

a) 馬口站

b) 三水站圖2 西北江三角洲控制站大斷面沖深

2.3 河流橫向深槽迫岸

西北江三角洲的平原是沖積平原，其河道是自然沖積形成的河道，天然狀態大多呈V字形，河道的主槽在中弘且相對較深，左右兩岸較淺。由于大量且無序采砂，即使采砂位置離大堤有一定距離，主河床下切后，兩側不斷坍塌，斷面面積不斷增大，相當一部分河道已呈U字形，表現出深槽迫岸，主槽離護岸越來越近，堤圍邊坡越來越陡甚至達1∶1，形成新的堤圍險段，見圖3。

圖3 某堤圍險段整治前水下地形

2.4 河道縱向負坡降

西江河道平均陂降0.45‰，北江河道平均陂降0.70‰，到網河區后相對平緩，往下至出海口門全程為正坡降，但近年受到偷挖濫采河砂的影響，往往在開寬河段，出現不規則的深坑與深槽。

西江干流水道下游的磨刀門出海口燈籠山站平均水深低于-10 m，中游天河站以上的東海水道與西海水道分叉處水深約-30 m，中游甘竹站上游的九江大橋附近最大水深約-50 m，馬口站附近最大水深約-50 m，沿程出現不規則且嚴重的負坡降。其余河道自口門起到西北江三角洲頂點，均不同程度出現類似的負坡降且沿程槽蓄增大情況。

3 水文極端事件演變分析

3.1 汛期水位流量關系呈非對稱性

馬口、三水站自有實測流量以來水位流量關系基本穩定，變幅不超過5%，20世紀80年代末至90年代初河流情勢變異后，原來相對應的水位流量關系呈非對稱性，水位～流量關系綜合線不斷往右偏移。即同級水位流量偏大，同級流量水位偏低，見圖4。

“05·6”洪水是河流情勢急劇變化后迎來的第一場特大洪水，馬口、三水站的最高洪峰水位分別是8.97、9.21 m，水位重現期分別是20、30 a，相應流量分別為53 200、16 300 m3/s，流量重現期為100 a，與“94·6”洪水相近[19]。

比較“94·6”與“05·6”兩場洪水，馬口、三水站的洪峰水位，“05·6”比“94·6”分別降低1.09、1.17 m，流量卻增大6 200、100 m3/s，馬口站“05·6”流量超100年一遇，相比“94·6”流量超50年一遇，水位反而更低，流量與水位的重現期不匹配，呈現流量重現期高而水位重現期低的非對稱現象，見表1和圖5、6。

圖4 三水站H～Q關系變化趨勢

表1 馬口、三水水文站“94·6”與“05·6”洪峰水位與洪峰流量重現期對比

注：根據《西北江三角洲洪潮水面線》查算

a) 馬口站

b) 三水站圖5 馬口、三水水文站“94·6”與“05·6” 洪峰水位與洪峰流量對比

a) 馬口站水位頻率曲線

b) 馬口站流量頻率曲線圖6 馬口、三水水文站60 a年最高水位、最大流量頻率曲線

c) 三水站水位頻率曲線

d) 三水站流量頻率曲線續圖6 馬口、三水水文站60 a年最高水位、最大流量頻率曲線

3.2 上下游年平均水位關系改變

從西北江三角洲頂部至中部的三水站、瀾石站多年平均水位關系圖反映，自20世紀70年代起，年平均水位均呈降低趨勢，平均水位差也呈遞減趨勢，由70年代的平均水位落差1.36 m，遞減至目前的0.44 m，而且1994年是一個突變點,1994年前多年平均水位差為1.23 m，1994年后多年平均水位差為0.58 m，上下游水位關系的改變，直接影響了其年際來水來沙量的關系，見圖7。

圖7 三水、瀾石站多年年平均水位關系

3.3 非汛期年最低水位的明顯下降

水文站的年最高水位與當年的洪水水位直接相關，年際變化較大；年最低水位與上游枯季來水有關，一般情況下，年際變化不大。受河床下切、槽蓄增大等因素的共同影響，網河區從上游控制站到下游出海口門站，均呈現年最低水位逐年向下的趨勢，馬口、三水站的非汛期的年最高、最低水位逐年爭相探底。馬口站1996年發生超歷史最低水位-0.52 m，至2014年的18 a間，2002—2010年共9 a的年最低水位低于-0.50 m，數次刷新歷史最低水位記錄，2004年發生歷史最低水位-0.63 m；年平均水位和年最高水位整體呈現下降趨勢，見圖8。

圖8 馬口站多年最低、最高、平均水位

3.4 網河區中部洪水水位異常壅高

自1994年6月的“94·6”大洪水后，頻頻發生了諸如“98·6”“05·6”“08·6”等大洪水，在洪水過程中呈現的共同特點，是同級流量時水位普遍偏低，同時水位沿程波動，中游水文站洪水位異常壅高，對經濟較為發達的珠三角人民生命財產構成嚴重的威脅。如上游馬口、三水站低于警戒水位的情況下，中部的站點比較容易出現接近甚至超過警戒水位。用“98·6”與“05·6”洪水比較，馬口站的洪水位前比后高0.46 m，中部的板沙尾站洪水位卻是后比前高0.01 m；再如比較“06·5”與“08·6”洪水，上游三水站的洪水位前比后高出0.73 m，中部瀾石站的洪水位前比后只高出0.01 m。洪水位的異常壅高，水文資料系列的不一致，傳統的水面線未能滿足當前洪水分析與預報的需求。

3.5 西北江網河區水沙分配的改變

西江干流和北江干流在西北江三角洲網河區頂點的思賢滘相會后，思賢滘就成了兩江水沙聯系的紐帶，其分流分沙的調整，可謂“牽一發動全身”[20]。20世紀90年代初，北江網河區的采砂量遠遠大于西江網河區，致使原來比西江網河區高的河床，率先出現大量下切，河床形態的重大變化，導致了西北江網河區頂點的分流分沙格局重大調整[21-25]。

分流比年際變化，根據1959—2017年馬口、三水站長系列實測資料，以年平均徑流量占“馬口+三水”徑流量的百分比進行對照分析，1959—1989年馬口與三水站多年分流比基本穩定，三水約占15%，馬口約占85%；1993年之后，三水占20%以上，馬口占80%以下，見表2。

表2 馬口、三水站分流比變化

分沙比年際變化，以10 a為一個尺度，1981—1990年之前，在河道形態沒有改變前，西北江分流分沙比相對穩定；1991—2000年和2001—2010年分流分沙比與河道形態變化相對應，三水站逐步變大，馬口站逐步變小；2011—2017年西北江網河區河床下切基本穩定后(政府全面禁止采砂)，北江分流比呈輕微回調狀態。在三水站分流比增大的同時，年際分沙增加趨勢與分流比相似，均從20世紀90年代起大幅增加，增加比例稍弱于分流，見表3。

在西北江三角洲網河區第一個節點三水、馬口站分流分沙比改變的同時，北江非汛期流量的增加幅度大于汛期，即北江網河區下游得到的有效水資源量大幅增加。20世紀90年代前期，為調節西北江網河區的水資源分配比，有關主管部門擬在思賢滘修筑水利樞紐，在汛期阻擋西江的洪水，配合北江大堤確保省會城市及經濟較為發達地區的防洪安全；在非汛期攔截北江的優質水資源，防止無效流失，提供給水資源緊缺的地區使用。西北江三角洲河流情勢的改變，導致了三水、馬口分流比的改變，水文要素的改變，促使水利樞紐建設及一系列決策方案的改變與調整。

表3 馬口、三水站分沙比變化

3.6 豐水年咸潮入侵勢頭不減

由于河道的負坡降造成內河的槽蓄增大，河道的吐納量增加，使咸潮的上溯距離延長，咸潮的濃度增強。2011年中山市屬偏枯水年，受咸潮影響的時期共跨越8個月份，影響時間長、范圍廣，其中磨刀門水道的南鎮水廠、全祿水廠分別距離口門32、51 km，全年累計受咸潮影響時數分別為1 526.0、619.5 h，最大連續超標時數分別是308.0、96.5 h，測得最大咸度為7 230、6 989 mg/L；2011年2月咸潮最嚴重，橫門水道的咸潮上溯越過小欖水道的大豐水廠，磨刀門水道的咸潮越過稔益水廠，南鎮水廠測得最大咸度為7 230 mg/L，是取水標準值250 mg/L的29倍，嚴重影響了水資源的有效利用。

近年來，珠海、中山等市為了防預咸潮的影響，新建一批供水水庫，受咸潮影響的報道已經不是熱門話題，從實際監測資料可知，咸潮入侵的勢頭一直沒有消減。2016年屬豐水年，但中山市受咸潮影響的時期跨越6個月(1—3、10—12月)，南鎮水廠、全祿水廠全年累計受咸潮影響時數分別為545.0、59.5 h，最長連續超標時數分別是196.0、14.0 h，測得最大咸度為3 376、3 086 mg/L，豐水年咸潮的入侵影響依然嚴重[26-29]。

4 結論與建議

4.1 結論

a) 西北江三角洲近60 a的河道環境變化，前20 a變化緩慢穩定，后40 a波動較大，與40 a來廣東省經濟社會高速發展的進程接近。20世紀90年代的前10 a，河道采砂略大于淤積呈沖刷狀；中間20 a采砂量是淤積量的6.6倍，河道嚴重下切；后10 a實行全面禁止采砂與大力治理，處于恢復狀態的河道受自然演變慣性的影響，河道環境依然不容樂觀。

b) 河道環境的變化與自然演變有關，局部情勢的急劇變化是人類社會活動的過度開采，在基于沖積而形成的西北江三角洲河道，進一步加強河道管理是河流情勢穩定與水安全的基本前提。

c) 水文要素的變化與大氣環流、厄爾尼諾等大尺度氣象要素有關，局部、急劇的河流情勢改變是誘因，水文要為社會提供優質服務，更要準確及時地掌握區域河流情勢的變化。

4.2 建議

a) 水文要素變化常常伴隨自然災害的產生，要實現防災減災，對洪水與枯水的預測預報是治標，對河流情勢與防洪能力的分析是治本。

b) 加強河道全方位監測，能夠及時發現影響其穩定性的變化趨勢，保障河道的整體安全和可持續發展。

c) 順應河流情勢的發展規律，才能有效發揮其水資源效益和水環境效益，為經濟社會的可持續發展作必要的支撐，為了人類生存環境的良性發展，人類活動更要遵循自然環境的可承載能力。