珠江河口岸線變化對潮動力的影響

王宗旭， 喬 煜， 季小梅*， 張 蔚， 姚 鵬， 方擁軍， 程梁秋

(1.河海大學江蘇省海岸海洋資源開發與環境安全重點實驗室，南京 210098；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，3.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098；4.中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，合肥 230601；5.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

珠江河口是中國七大江河流域河口之一，其水域面積達4 220 km2，大陸岸線長450 km[1]。自20世紀70年代起，珠江河口區域圍填海[2]等人類活動的開展使得岸線變化明顯超過其自然演變過程，這不僅改變了岸線的形態，而且引起沿岸生態系統和動力環境的顯著變化[3]。根據美國Landsat Mss TM (maximum segment size)等遙感數據及圖片資料分析，1978—2003年，珠江河口灘涂圍墾的總面積約5.61×104hm2[4]，平均圍墾強度達0.224×104hm2/a。其中，大規模的圍墾工程主要分布在蕉門、橫門、磨刀門、雞啼門西灘、崖門等處。

劇烈的圍墾活動給河道泄洪、航運及河口灘涂發育演變等帶來諸多問題，因此，越來越多的學者開始注重該領域。為了研究潮灘圍墾對東中國海地區和較遠地區產生的影響，Song等[5]使用POM(parallel ocean model)計算發現，由于江蘇省的潮灘圍墾工程，韓國西海岸的潮能輸運得到增強，可見潮灘的破壞會導致“遠場”效應。韓國學者Suh等[6]看到此結論后，聚焦韓國西海岸，發現由于填海工程的影響，仁川港區由落潮占優變為漲潮占優且新萬錦工程對山東半島產生“遠場”效應，使其半日分潮M2振幅增大。Gao等[7]從潮灘圍墾順序入手，利用FVCOM(finite-volume community ocean model)模型模擬不同的圍墾順序，發現潮汐不對稱指標γM2-M4對圍墾的位置十分敏感。李鵬輝等[8]建立FVCOM數值模型為甌江河口連島工程提供參考。吳堯等[9]建立二維模型研究大豐港圍墾工程對水動力環境的影響，結果表明圍墾工程導致附近海域的水動力強度減弱。Li等[10]利用FVCOM模型研究象山港區的潮灘減少對潮汐、潮流特性的影響，研究證明，潮灘變化對分潮的振幅、相位及潮汐不對稱性等均有影響。李莉等[11]基于FVCOM建立杭州灣三維數學模型，分析近四十年來杭州灣-長江口岸線變化對附近海域的潮汐、潮能等潮汐特征的影響。針對珠江河口，Mao等[12]根據實測資料，描述了珠江河口的潮位和流速在洪枯季的變化。胡煌昊等[13]和張曉浩等[14]對珠江河口的岸線變化和圍填海工程動態進行分析，方擁軍等[15]建立數學模型模擬龍穴南航道整治工程對潮流泥沙的影響。Zhang等[16]對幾十年來珠江河口的地貌和岸線變化做了定量闡明，指出伶仃洋具有“三灘兩槽”的地貌演變規律且土地圍墾對珠江三角洲的地形變化影響深遠。但是珠江河口的岸線變化對河口及鄰近海域潮動力的影響尚鮮見報道。

為研究并預測珠江河口的岸線變化對潮汐過程的影響，提取20世紀70年代、20世紀90年代、2010年和整治規劃階段治導線情況[17]四種岸線數據(圖1)。而相比于其他數學模型，由于最新D-Flow FM(Delft3D-flow flexible mesh)[18]可采用三角形與四邊形組成的混合網格，能夠更好地模擬岸線形態，因此基于該模塊建立珠江河口高分辨率二維水動力數值模型分析近幾十年來珠江河口岸線變化對潮流、潮能和潮汐不對稱等潮汐特征的影響，以期為該地區沿海岸線規劃使用提供參考。

圖1 珠江河口岸線變化及驗潮站位置分布

1 D-Flow FM水動力數值模型

D-Flow FM為Deltares公司最新推出的流體動力學模擬程序[18]。該模塊是Deltares系統中的多個建模套件的一部分，能進行沿海、河流和河口地區的一維、二維和三維計算并對水流、波浪、水質和生態進行模擬。其名稱中的靈活網格是指由三角形、四邊形或曲線擬合網格組成的直線或曲線網格和非結構化網格組成的靈活組合。模型采用有限體積方法，有效結合有限元方法處理復雜邊界的優點和有限差分方法高計算效率的優點。D-Flow FM采用判斷干濕網格的方法，適合模擬具有大面積灘涂的區域，能夠充分體現海水淹沒以及露出灘涂區域的過程。

1.1 基本方程

D-Flow FM水動力模型主要控制方程為

(1)

(2)

1.2 模型配置

模型網格如圖2所示，大區域范圍為110.2°E～ 120.4°E，18.7°N～24.7°N，包括海南島和臺灣島之間的部分中國南海海域。大范圍水深提取為ETOPO1水深與2010年珠江河口實測水深的組合。4組實驗網格均使用上述水深插值，其網格參數如表1所示。四組實驗使用相同的邊界條件，其南、東、西邊界均為使用TPXO8模型[19]得到的潮位時間序列，上邊界分別為高要、石咀、石角、老鴉崗、博羅和新家埔的徑流。模型最小分辨率約為10 m，最大分辨率約為90 km，計算時間為2007年7月7日—9月1日，初始時間步長為1 s，最大時間步長為30 s。模型使用冷啟動，起始潮位為1.5 m，起始流速為0 m/s，溫度為15 ℃，不考慮鹽度。

圖2 模型網格

表1 4組實驗網格的年份和網格數

2 模型驗證

模型驗證采用2007年8月13、14、16、17日的實測潮位和流速數據，數據的時間間隔為1 h。

驗潮站的具體位置分布如圖1所示。其中，赤灣、橫門、蕉門、大虎山、大萬山、金星門、內伶仃和萬頃沙為潮位站，伶仃1、伶仃2、伶仃3、大濠島、礬石、拋泥地、銅鼓航道、珠海、外海1和外海2為潮流站。模型驗證包括水位驗證和流速驗證。驗證結果的量化評價根據模型精度檢測參數(skill score，SS)[20]，計算公式如式(3)所示：

(3)

2.1 水位驗證

模擬結果與實測水位數據的比較如圖3所示。由圖3可知，模擬結果與實測水位數據整體趨勢較吻合。8個潮位站的評價系數中萬頃沙的評價系數最小，為0.83；赤灣的評價系數最大，為0.95。8個潮位站的評價系數均大于0.80，潮位驗證結果良好。

2.2 流速驗證

采用10個潮流站的實測數據驗證流速和流向。圖4為對比擬合結果，整體趨勢吻合。除伶仃1和伶仃3外，其余潮流站的流速、流向的評價系數均大于0.70，潮流驗證結果良好。

3 結果分析

3.1 水動力

3.1.1 潮位和潮流

珠江河口的漲落潮過程中潮位和垂向平均潮流分布如圖5所示。漲急時刻如圖5(a)所示，灣口潮位大、灣內潮位小，灣頂水位為0.7～1 m，海水從外海流進灣內，灣內流速較大，為0.8～1.3 m/s。漲停時刻，灣口附近海水流向大海，灣頂潮位達到最大，最大潮位為1.5 m左右，流速為1 m/s，灣口流速較小，如圖5(b)所示。落急時刻如圖5(c)所示，灣內水流整體流向外海，在灣口出現最小潮位，最小潮位為-1.5 m左右。落停時刻如圖5(d)所示，灣內整體潮位較小，為-1.2 m左右，灣口附近流速小于0.3 m/s，灣內流速為0.8 m/s左右。

圖3 測站模擬與實測水位對比

圖4 測站模擬與實測流速流向對比

RGB表示潮位；箭頭表示流速

3.1.2 M2和M4分潮

由于珠江河口是弱潮河口，以半日潮為主[21]，而M4分潮為M2分潮在淺水效應中產生的第一個倍潮[22]，因此利用T-Tide調和分析方法[23]對珠江河口區域的計算潮位過程進行調和分析，得到M2和M4分潮的空間分布特征并加以分析。珠江河口內M2振幅在0.55 m左右。在黃茅海，M2振幅由灣口向上游納潮河道呈先減小后增大的變化趨勢，這與吳創收等[24]結論基本一致。在伶仃洋，M2分潮振幅從灣口的0.49 m左右，逐漸增大到灣頂的0.65 m左右，與Mao等[12]結論基本相同。M2分潮在伶仃洋的傳播速度比在黃茅海要快，如圖6(a)所示。而在雞啼門和磨刀門水域，M2振幅無顯著變化，基本保持在0.5 m左右。

在黃茅海，M4振幅由灣口至灣頂呈先增大后減小的趨勢，在灣口約為0.04 m，逐漸增大到0.054 m后，在灣頂處降至0.048 m。在伶仃洋，M4振幅呈先減小后增大的趨勢，在灣口約為0.04 m，逐漸減小至0.018 m后，在灣頂處增大至0.038 m。M4分潮在伶仃洋的傳播速度大于黃茅海，如圖6(b)所示。對于雞啼門和磨刀門水域，原三灶島、鶴州南片圍墾區、橫琴島附近地勢較淺，由于淺水效應，M4振幅最大可達0.06 m。

3.1.3 潮能通量

使用一個潮周期的單寬潮能通量來計算珠江河口的潮能分布，將北向和東向流速分開計算來確定潮能傳播方向，計算公式如式(4)所示[5]：

(4)

式(4)中：Ef為一個潮周期的單寬潮能通量；ζ為潮位；D為水深；v為流速；t為時間；T為潮周期。

圖6 2010年珠江河口M2、M4同潮圖、潮能通量和潮汐不對稱

在伶仃洋，中間的伶仃航道以及東側的銅鼓航道單寬潮能較大，如圖6(c)所示，尤其是銅鼓航道，其單寬潮能通量最大達1.15×105W/m。由于河口的輻聚作用，潮能在灣頂處增至最大，可達1.42×105W/m。在黃茅海和雞啼門，雖然潮能通量相對較小，仍呈現出主槽處較大，淺灘處較小，且隨著河口縮窄，在灣頂處增至最大的特點。而在磨刀門水域，由于上游來水在橫洲水道(磨刀門主水道)右偏，泥沙在西部淺灘落淤[25]，導致潮能通量在東部深槽處較大，在西部淺灘處較小。潮能通量在珠江河口的分布，總體表現為伶仃洋所占比重最大，島嶼間大于開闊海域，且潮能通量的傳播方向與河口地形走向大體一致，與倪培桐等[26]結論相符合。

3.1.4 潮汐不對稱

潮汐不對稱性是海岸潮汐過程中最重要的性質之一，會對潮汐河口和海灣中的物質輸運產生影響。由于珠江河口以半日潮為主，使用M2、M4的振幅比和相位差這一傳統方法[27]來研究該區域的潮汐不對稱特征。

Ar=αM4/αM2

(5)

Dr=2φM2-φM4

(6)

式中：αM2、αM4分別為M2、M4振幅；φM2、φM4分別為M2、M4的相位。Ar為振幅比，Ar>0.01表明潮波發生較為顯著的變形。Dr為相位差，Dr在0°～180°為漲潮占優，在180°～360°為落潮占優。

珠江河口內振幅比大于0.01，表明該地區的潮汐不對稱現象較顯著。在大部分地區，隨著潮波從外海向近岸傳播，振幅比呈增大的趨勢，表明隨著水深變淺，潮汐不對稱性加劇。但是在雞啼門水域和伶仃洋中部地區，由于地形原因，局部水深增加，導致振幅比減小。

在黃茅海，相位差小于180°，表明該區域漲潮歷時短于落潮歷時，表現為漲潮占優。雞啼門和磨刀門水域亦如此。而在伶仃洋，以淇澳島-內伶仃島斷面為界，向灣頂方向，相位差小于180°，表現為漲潮占優；反之，向灣口方向，相位差大于180°，表現為落潮占優，如圖6(d)所示。總體來看，珠江河口表現為漲潮歷時短于落潮歷時，呈漲潮占優趨勢，這與Zhang等[28]結論基本相符。

3.2 岸線變化對潮汐過程的影響

3.2.1 M2分潮對比

天葬師實在太蒼老了，那骷髏一般的身子，似乎隨時都會被山風掀上天。他一步一步地走，顫顫巍巍地，寬大的黑色羽袍，像黑鷹迎風鼓起的翅膀。

在黃茅海，20世紀70年代到2010年，潮灘減少，導致M2振幅增大，其增幅在0.016 m左右；治導線情況下，由于灣頂處河口斷面急劇縮窄，徑流作用距離增加，導致M2振幅的增幅降至0.01 m左右(圖7)。

在雞啼門水域，20世紀70年代—90年代，由于潮灘圍墾，口門處M2振幅略微增大[圖7(a)]；20世紀90年代后，雖然潮灘減少，但由于岸線變化改變河口斷面形態，徑流作用增大，潮汐作用減弱，導致M2振幅減小，如圖7(b)、圖7(c)所示。

在磨刀門水域，20世紀70年代—90年代，M2振幅增大，尤其是在鶴州南片圍墾區附近，M2振幅增加最大，為0.08 m；20世紀90年代到2010年，由于磨刀門附近岸線無明顯變化，M2振幅幾乎無變化；在治導線情況下，由于鶴州南片圍墾區附近進一步圍墾，鶴州南部M2振幅增大，其增幅在0.025 m左右。

在伶仃洋，隨著岸線變化，M2振幅增大，且其增幅分布隨著灣口向灣頂增大；而在萬頃沙附近，由于灘涂圍墾，自20世紀90年代起，由地形束窄導致峽道水深增大，形成峽道效應[29]，對M2分潮的傳播起阻礙作用，促進了M2分潮向M4分潮的轉化，導致M2分潮振幅減小，在治導線情況下，其減幅出現最大值，為0.091 m。

圖7 不同年代岸線之間M2振幅之差與相位對比

由于岸線變化對局部的河口形態、徑流作用等均有影響，導致局部地區的M2分潮振幅減小，但總體上，由于潮灘移除，珠江河口大部分地區的M2分潮振幅增大，M2分潮相位提前。

3.2.2 M4分潮對比

在黃茅海，20世紀70年代到2010年，由于潮灘減少使得底摩阻減小，M4振幅增大，其增幅最大，達0.008 m[圖8(a)、圖8(b)]；而在治導線情況下，灣頂處河口斷面縮窄導致徑流作用增大，且水深增大，導致淺水效應減弱，M4振幅減小，降幅最大，可達0.007 5 m[圖8(c)]。

在雞啼門水域，20世紀70年代—90年代，由于潮灘圍墾，使得口門處M4振幅增大；在90 s以后，由于口門處控制工程的實施[30]，水流條件改變，徑流作用增大，使得潮汐作用減弱，M4振幅減小。

在伶仃洋，萬頃沙附近的圍墾工程致使河道束窄，水深增大，形成“峽道效應”，使得該區域的M4分潮雖然在非線性作用下得到發展，但由于峽道對潮汐的阻礙作用，其振幅的增幅較其他地區要小。在開闊水域，由于圍墾區附近的非線性效應增強[29]，M4振幅的增幅逐漸變大，而在離圍墾區較遠處，M4振幅呈現出減小的趨勢，且值得注意的是，這一區域的位置隨著岸線的推進而后移且區域面積也逐漸增大，這種現象可能與不同年代下伶仃洋的圍墾規模有關。

圖8 不同年代岸線之間M4振幅之差與相位對比

總體來看，隨著岸線變化，在珠江河口的大部分地區，因為M4是M2分潮在淺水效應中產生的倍潮，M4振幅增加與M2振幅增加正相關，而由于M4分潮的頻率更高，對地形變化更敏感，因此，在局部區域，M4的振幅呈現出與M2不同的變化。在珠江河口，隨著岸線推進，M4相位在灣口處滯后，在灣頂處提前。

3.2.3 潮能通量對比

潮灘具有儲存能量、耗散能量和促進淺水分潮三種作用，其中潮灘對能量的耗散作用十分微弱，其儲能作用更顯著[5]，隨著岸線變化，潮灘被圍墾后，其儲能作用消失，所儲存的潮能被釋放并分布到其他水域。如圖9所示，由于潮能通量受水深和流速影響，因此，潮能通量在深槽處較大，在淺灘處較小。綜上，由于潮灘圍墾，珠江河口的潮能通量減小，而且，在深槽處下降的幅度大，在淺灘處下降的幅度小。而在河口的灣頂處，由于河口斷面縮窄，灣頂處潮能輻聚作用增大，導致了局部潮能通量增大。

圖9 不同年代岸線之間潮能通量對比

圖10 不同年代岸線之間振幅比之差與相位差對比

3.2.4 潮汐不對稱Ar、Dr對比

在黃茅海，隨著岸線變化，大部分地區的振幅比增大，潮汐不對稱現象加劇；而在治導線情況下，由于灣頂處M4振幅有明顯的減小，導致該區域的振幅比減小，如圖10(c)所示。在雞啼門水域，20世紀70年代—90年代，振幅比增大，潮汐不對稱現象加劇，如圖10(a)所示；20世紀90年代以后，隨著口門處徑流作用的增大，雞啼門的振幅比減小，潮汐不對稱現象減弱。在磨刀門水域，橫州水道處振幅比的變化與雞啼門相同，在鶴州南部，振幅比始終保持增大的趨勢。在伶仃洋，振幅比的變化規律與M4振幅的變化規律相近，隨著岸線推進，潮灘被移除，伶仃洋潮汐不對稱現象加劇。

在黃茅海和伶仃洋，相位差的變化均呈現出漲潮占優增強的趨勢，值得注意的是，在淇澳島與內伶仃島附近的水域，隨著岸線變化，由落潮占優變為漲潮占優。在雞啼門和磨刀門水域，20世紀70年代—90年代，漲潮占優增強；20世紀90年代以后，由于口門處徑流作用增大，潮汐作用減弱，漲潮占優減弱。

總體來看，岸線推進會導致珠江河口的潮汐不對稱現象加劇，且漲潮占優趨勢也得到增強；但在局部地區，由于河口斷面形態變化顯著，徑流作用改變，導致其潮汐不對稱現象減弱，漲潮占優減弱。

4 結論

為更精確地模擬岸線變化對潮汐特征的影響，引入最新推出的D-Flow FM建立珠江河口高分辨率二維水動力數值模型，并應用混合網格以達到精確模擬岸線形態的效果。利用實測數據對模擬的水位、流速和流向進行驗證，模型驗證結果表明，D-Flow FM的模擬精度可以滿足研究需要。得到以下結論。

(1)利用D-Flow FM模型對珠江河口在20世紀70年代、20世紀90年代、2010年和治導線四種岸線形態下的水位和流速進行計算。研究表明，岸線變化對分潮的振幅相位、潮能和潮汐不對稱性等潮汐特征均產生顯著影響。

(2)隨著潮灘圍墾，岸線推進，珠江河口大部分地區的M2振幅增大，相位提前；在局部地區，岸線變化改變徑流作用、引起峽道效應等，導致M2振幅減小。由于M4是M2在淺水效應中產生的第一個倍潮，在珠江河口的大部分地區，M4振幅與M2振幅變化呈正相關，而由于M4分潮的頻率更高，對地形變化更敏感，因此，在局部區域，M4振幅呈現出與M2不同的變化。在珠江河口，隨著岸線變化，M4相位在灣口處滯后，在灣頂處提前。

(3)由于潮灘圍墾，潮灘的儲能作用被破壞，珠江河口的潮能通量減小并通過鄰近水道耗散到其他水域，且由于潮能通量受水深和流速的影響，在深槽處降幅大，在淺灘處降幅小。在灣頂處，由于河口斷面縮窄，潮能輻聚作用增大，導致局部潮能通量增大。

(4)隨著岸線變化，珠江河口的潮汐不對稱現象加劇，由于振幅比的分布規律受M4分潮影響，因此，在局部地區，其變化規律與M4振幅的規律相似。潮灘圍墾導致黃茅海和伶仃洋的漲潮占優趨勢增強，而在雞啼門和磨刀門，由于20世紀90年代以后，徑流作用增強，導致漲潮占優趨勢減弱。

(5)如果珠江河口岸線繼續向海推進，在黃茅海和伶仃洋等區域，潮汐不對稱現象將會加劇，漲潮占優趨勢將更加明顯，這將會導致泥沙的向岸凈輸移，從而造成河口和港口的淤積問題。而且由于岸線推進，隨著潮灘被移除，河口的潮汐振幅可能會上升，這可能會加劇風暴潮等沿海災害，帶來安全隱患。因此，在規劃河口海岸地區工程時，必須謹慎考慮其可能會給岸線和鄰近水域水動力環境帶來的影響。