珠江河网典型横向汊道水面线演变及成因

doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.07.013

珠江河网典型横向汊道水面线演变及成因

王博芝^,, 李博, 魏稳, 欧素英, 蔡华阳^,, 杨清书

1. 中山大学河口海岸研究所，广东广州 510275

2. 河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东广州 510275

3. 广东省海岸与岛礁工程技术研究中心，广东广州 510275

4. 南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东珠海 519000

Water surface profile dynamics and underlying mechanism of typical transverse channels in Pearl River channel network

WANG Bo-zhi^,, LI Bo, WEI Wen, OU Su-ying, CAI Hua-yang^,, YANG Qing-shu

1. Institute of Estuarine and Coastal Research, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

2. State and Local Joint Engineering Laboratory of Estuarine Hydraulic Technology, Guangzhou 510275, China

3. Guangdong Provincial Engineering Research Center of Coasts, Islands and Reefs, Guangzhou 510275, China

4. Southern Laboratory of Ocean Science and Engineering (Zhuhai), Zhuhai 519000, China

通讯作者: 蔡华阳，男，副教授. orcid.org/0000-0001-7327-4879. E-mail： caihy7@mail.sysu.edu.cn

收稿日期: 2021-07-10

基金资助:

国家重点研发计划资助项目（2016YFC0402600）；国家自然科学基金资助项目（51979296）

Received: 2021-07-10

Fund supported:

国家重点研发计划资助项目（2016YFC0402600）；国家自然科学基金资助项目（51979296）

作者简介 About authors

王博芝（1995—），女，博士生，从事河口海岸动力学的研究.orcid.org/0000-0002-0505-8506.E-mail：wangbzh5@mail2.sysu.edu.cn , E-mail：wangbzh5@mail2.sysu.edu.cn

摘要

以珠江河网中下游腹地的“四横两纵”横向汊道体系为研究靶区，采用余水位曲率、潮波衰减率公式及双累积曲线法，分析1960—2016年洪枯季的水面线演变过程及其与余水位曲率变化的对应关系，探究与之密切相关的人类活动影响机制. 结果表明，1993年前人类活动以联围筑闸为主，此时水面线在中下游“南沙-容奇”洪季呈下凹型，枯季呈微上凸型（洪季曲率为正，均值为1.50×10⁻¹⁰ m⁻¹，枯季曲率为−6.64×10⁻¹² m⁻¹）. 在中上游“板沙尾-南华”洪枯季均为下凹型（曲率均为正，洪季均值为1.92×10⁻¹⁰ m⁻¹，枯季为5.37×10⁻¹² m⁻¹）. 1993年后，中下游河道受人为采砂和航道疏浚的影响，导致水位降低. 围垦叠加海平面上升影响导致口门水位抬升，使得水面线在洪季的下凹程度增大（曲率为正，均值为3.98×10⁻¹⁰ m⁻¹），枯季由微凸变凹（曲率为正，均值为1.85×10⁻¹⁰ m⁻¹）. 中上游由于强烈的河道采沙和疏浚，导致中游来流量增大，另叠加桥梁建设对径潮流的阻滞作用，因而水面线在洪季和枯季均转为上凸型（曲率均为负，洪、枯季均值分别为−6.87×10⁻¹⁰和−0.55×10⁻¹⁰ m⁻¹）.

关键词： 余水位坡度 ; 余水位曲率 ; 潮波衰减率 ; 水面线 ; 人类活动

Abstract

The “four horizontal and two vertical” transverse channel system in the Pearl River channel networks was selected as the study area. The dynamics of the water surface profiles of the “four horizontal and two vertical” system during the flood season and dry season from 1960 to 2016 was analyzed by using the approaches relating to curvature, tidal damping and double mass curve. The underlying mechanism of human interventions was analyzed. Results showed that human activities before 1993 were mainly related to building sluices. Then the water surface profiles were mainly concave in the middle and lower reaches ("Nansha-Rongqi") during the flood season, while were slightly convex during the dry season (the curvature during the flood season is positive with mean value of 1.50×10⁻¹⁰ m⁻¹, while during the dry season being −6.64×10 ⁻¹² m⁻¹). The water surface profiles during the flood and dry seasons were generally concave in the middle and upper reaches ("Banshawei-Nanhua") (curvatures are positive, with the mean values during the flood and dry seasons being 1.92×10⁻¹⁰ m⁻¹ and 5.37×10⁻¹² m⁻¹, respectively). After 1993, the middle and lower reaches of the system were considerably affected by sand excavation and channel dredging, leading to a decrease in water level. The water level near the outlet was increased due to the combined impacts from both sea level rising and land reclamations. The degree of concave of the water surface profiles during the flood season was slightly increased (the curvature is positive with the mean value being 3.98×10⁻¹⁰ m⁻¹), while the profiles changed from slightly convex to concave during the dry season (curvature is positive with a mean value of 1.85×10⁻¹⁰ m⁻¹). The flow in the middle reaches increased due to the intense sand excavation and dredging activities in the middle and upper reaches of the system. The bridge construction and other obstacles exerted a negative impact on the transport of river and tidal flows. The water surface profiles became convex during both the flood season and the dry seasons (curvatures were negative with mean values of the flood and dry seasons being −6.87×10 ⁻¹⁰ m⁻¹ and −0.55×10 ⁻¹⁰ m⁻¹, respectively).

Keywords： residual water level slope ; residual water level curvature ; tidal damping rate ; water surface profile ; human activity

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本文引用格式

王博芝, 李博, 魏稳, 欧素英, 蔡华阳, 杨清书. 珠江河网典型横向汊道水面线演变及成因. 浙江大学学报(工学版)[J], 2022, 56(7): 1375-1384 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.07.013

WANG Bo-zhi, LI Bo, WEI Wen, OU Su-ying, CAI Hua-yang, YANG Qing-shu. Water surface profile dynamics and underlying mechanism of typical transverse channels in Pearl River channel network. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2022, 56(7): 1375-1384 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.07.013

珠江河网横向汊道是受多条河流多向汇聚和外海潮流强烈顶托作用所产生的纵横交错网状结构中的横向支汊体系，是耦合径潮（指径流与潮汐潮流）作用、连通纵向河道及维持河网稳态机制的特殊河口地貌单元. 珠江河网区域的径潮交汇作用强烈，河流往往择路而泄，因此横向汊道发育明显. 西北江主干流与口门之间形成的余水位坡度，通过影响分汊口分流比及潮能分配，改变横向汊道水面线变化. 尤其在洪季，洪水挤压作用较强而潮流顶托作用较弱，枯季反之，因此研究洪枯季水面线的变化特征具有典型的代表性^[1].

国内外学者围绕横向汊道的径潮动力耦合和维持河网稳态等功能，开展相关研究. 研究表明，洪枯季横向汊道与纵向主干道水位过程的差异和径潮动力演变直接影响河网区的泄洪纳潮过程^[2-3]. 在潮平均条件下，根据一维动量守恒方程，余水位坡度越陡，有效摩擦越大，相应的潮波衰减效应越强^[4-5]. 潮汐动力的增强将减小横向汊道与主干河道之间的余水位坡度，为盐水入侵横向汊道提供动力^[6].

20世纪60—90年代，在联围筑闸、航道整治、河道采沙等人类活动的强烈干预下，珠江河网横向汊道的水沙通量、径潮动力、河床地貌等变化巨大^[7-10]，显著改变了水面线形态，导致洪涝、咸潮上溯等灾害加剧，因此有必要深入探讨横向汊道的水面线演变特征及其对人类活动干预的响应过程及机制. 本文的研究靶区为位于珠江河网腹地的“四横两纵”横向汊道体系，以余水位曲率和潮波衰减率为切入点，量化研究该区域洪枯季水面线演变及其对人类活动的响应，研究成果可以为珠江三角洲水沙治理与调控、咸潮上溯防控等提供重要的技术支撑.

1. 研究区域概况

以珠江河网区“四横两纵”横向汊道独特地貌体系（简称“四横两纵”，包括4条横向汊道，即容桂水道、上横沥水道、下横沥水道和凫洲水道，及2条纵向河道，即洪奇门水道和蕉门水道）为研究区域，该体系河道总长约为61 km. 根据1960—2016年西北江三角洲水文控制站——马口及三水站的月均流量统计数据，两站多年平均体积流量为8 616 m³/s，最大月均体积流量可达21 880 m³/s，最小月均体积流量为3 988 m³/s，年内分配显著不均，在洪季常出现洪潮相叠、水位涨势迅猛，在枯季常出现咸潮上溯、航道淤积的现象^[11]. 研究区内的潮汐为不规则半日潮，口门南沙站1960—2016年年均潮差约为1.3 m，属于弱潮型河口. “四横两纵”位于径、潮双向动力挤压的珠江三角洲腹地，沟通西北江干流与伶仃洋河口湾，在提高西北江干流河道的渗透性、维持珠江河网动力平衡、保证粤港澳大湾区水安全等方面发挥着重要作用.

2. 数据与方法

2.1. 数据组成及来源

收集1960—2016年珠江河网“四横两纵”的南华、容奇、板沙尾和南沙站月均余水位与潮差数据以及上述4个站点1990—1992、2015年的横断面地形数据. 收集伶仃洋东岸赤湾潮位站1965—2016年的月均余水位数据和西北江河网水文控制站点（马口站和三水站）的月均流量数据. 数据资料来源于广东省水文局，潮位原始数据高程基面（冻结基面）均校正为珠江基面.

2.2. 余水位曲率与潮波衰减率公式

余水位坡度S，即余水位自口门向上游延伸方向的变化率，是检验径潮动力变化的重要指标之一，计算公式为

(1) $ S = \frac{{{z_2} - {z_1}}}{{\Delta x}}. $

式中：z₁和z₂分别为下游与上游站点的余水位（同一站点相邻月均高、低潮位的平均值），x为距口门的距离，∆x为两站点间的距离. 定义余水位曲率C，即余水位坡度的沿程变化率. 具体计算方法如下：以口门为起点，对余水位坡度作河道水平延伸方向的一阶偏导，用于反映水面线的凹凸形态. 公式如下：

(2) $ C = {{\partial S}}/{{\partial x}}. $

余水位曲率可以定义为两相邻河段的余水位坡度之差与两河段长度之和的比值（至少需要3个站点的余水位才可求得曲率）：

(3) $ \begin{split} C =& \frac{{{S_2} - {S_1}}}{{\Delta {x_1} + \Delta {x_2}}} = \frac{{\dfrac{{{z_3} - {z_2}}}{{\Delta {x_2}}} - \dfrac{{{z_2} - {z_1}}}{{\Delta {x_1}}}}}{{\Delta {x_1} + \Delta {x_2}}} = \\ & \frac{{{z_3}\Delta {x_1} - {z_2}\left( {\Delta {x_1} + \Delta {x_2}} \right) + {z_1}\Delta {x_2}}}{{\Delta {x_1}\Delta {x_2}\left( {\Delta {x_1} + \Delta {x_2}} \right)}}. \end{split} $

式中：z₁、z₂、z₃分别为两河段下、中、上游站点的余水位，S₁和S₂分别为中下游与中上游河段的余水位坡度，Δx₁和Δx₂分别为中下游与中上游河段的距离. 当C＜0时，水面线（采用的水面线实质为横向汊道沿程站点月均余水位的连线，经过3次样条插值处理，是对实际水面线的近似）形态为上凸型，此时余水位坡度自口门向上游方向变缓. 当C＞0时，水面线形态为下凹型，余水位坡度自口门向上游方向变陡. 余水位曲率越大，沿程余水位坡度的变化率越大. 若余水位曲率C仅在数值上波动而不发生正负变化，则表明水面线形态的凹凸性质没有发生改变；反之，则表明水面线形态的凹凸性质（曲率正，水面线下凹；曲率负，水面线上凸）发生转变.

潮波振幅η（η = |H_HW−H_LW|/2，其中H_HW为高潮位，H_LW为低潮位，即潮差的1/2）可以揭示潮汐动力的强弱. 潮波衰减率（负值）表示潮波振幅随距离的变化速率，用于反映潮汐动力的空间梯度变化，通常值越小（或绝对值越大），表明潮汐动力的衰减效应越明显. 潮波衰减率的计算公式为

(4) $ \delta =\frac{{\eta }_{2}-{\eta }_{1}}{\Delta x}. $

式中：η₁和η₂分别为下游站点和上游站点的潮波振幅.

2.3. 双累积曲线方法

双累积曲线是在直角坐标系中绘制同时期内2个变量（两者互为因果且正相关）的连续累积值的关系曲线. 设有2个变量x、y，在n年观测期内，有观测值x_i和y_i，其中i = 1，2, ······, n. 分别计算变量x、y按时间序列的逐年累积值：

(5) $ X = \sum\limits_{i = 1}^n {{x_i}} , $

(6) $ Y = \sum\limits_{i = 1}^n {{y_i}} . $

在直角坐标系中，以X为横坐标，Y为纵坐标，绘制相应的双累积曲线. 该曲线可以用于水文气象要素一致性的检验、缺值的插补或资料校正及其突变点的分析等. 采用双累积曲线的突变点检测这一功能，曲线斜率的转折点为突变点，表明2个累积变量的关系在对应年份发生突变. 当斜率增大时，表明参考变量对因变量的贡献率增大；反之，贡献率减小. 采用幂函数代替一阶线性方程，用于拟合双累积曲线^[12-14]：

(7) $ Y = a{X^b}. $

式中：Y为拟研究的水文变量的累积值，X为参考变量的累积值，a、b分别为基于最小二乘法确定的回归系数和回归指数.

突变点的检验可以通过双累积曲线两点间的变化率k（即斜率）来确定，定义为^[15]

(8) $ {k}_{j-1}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{j}{y}_{i}}-{\displaystyle \sum _{i=1}^{j-1}{y}_{i}}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{j}{x}_{i}}-{\displaystyle \sum _{i=1}^{j-1}{x}_{i}}}. $

式中：j = 2，3，······，n. 通过最小二乘法拟合，输出突变年份前、后的拟合参数，建立相应的回归方程，得到双累积变量的均值. 通过突变年份前、后的横纵坐标累积均值，计算不同时段的参考变量对因变量的贡献率^[16]：

(9) $ \frac{{{Y_2} - {Y_1}}}{{{X_2} - {X_1}}} \times 100{\text{%}} . $

式中：Y₁、Y₂分别为突变前（或后）的对应时段起始年份和终点年份的纵坐标累积均值，X₁、X₂分别为突变前（或后）的对应时段起始年份和终点年份的横坐标累积均值.

3. 结果分析

3.1. 检验“四横两纵”径潮动力突变年份

基于1960—2016年南华、容奇、板沙尾及南沙的月均余水位和潮差数据，计算“四横两纵”余水位坡度和潮波衰减率. 通过分析余水位坡度或潮波衰减率绝对值与流量的双累积曲线（变量经过离差标准化处理，为0~1.0）随时间的转折节点，确定“四横两纵”径潮动力的突变年份. 从图1可知，研究期间的累积曲线约在1993年发生一次突变. 采用式（8），检验双累积曲线中斜率的突变年份. 结果表明，在南沙-南华区段，流量Q -S的双累积曲线斜率k在1993年前后由0.90骤减至0.61，相同时段内Q-|δ|的双累积曲线斜率由1.12骤减至0.53. 上述结果表明，研究期间（1960—2016年）该区段的径潮动力在1993年发生突变.

图 1

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图 1 余水位坡度、潮波衰减率绝对值与流量的累积关系

Fig.1 Cumulative relationship between residual water level slope and absolute values of tidal damping rate and river discharge

为了定量分析“四横两纵”流量与余水位坡度或潮波衰减率绝对值累积关系的时空变化，基于式（7）对实测资料进行拟合，拟合参数如表1所示. 将突变前、后的拟合参数a、b与Q代入式（7），可得某一流量对应的S和|δ|. 通过式（9），计算流量对余水位坡度或潮波衰减率绝对值的贡献率. 从表1可知，突变后，南沙-南华区段的Q对S的贡献率减小了68%，Q对|δ|的贡献率减小了97%.

表 1 双累积曲线拟合参数及Q对S或|δ|的贡献率

Tab.1 Double cumulative curve fitting parameters and contribution rate of Q toS and | δ |

变量	时间段	a	b	贡献率/%
Q-S	1960—1992	1.00	1.03	109
Q-S	1993—2016	0.85	0.71	41
Q-\|δ\|	1960—1992	1.50	0.97	138
Q-\|δ\|	1993—2016	0.00	2.73	41

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上述结果表明，在同流量条件下，“四横两纵”的径潮动力格局发生明显变化. 1993年后，在同流量条件下，余水位坡度较1960—1992年下降了约36%，潮波衰减率增大了约23%，即潮波衰减效应减弱，潮汐动力增强. 随着流量的增大，1993年前、后的余水位坡度或潮波衰减率的差距更加明显，如图2所示.

图 2

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图 2 1993年前、后同流量条件下余水位坡度与潮波衰减率的变化

Fig.2 Changes of residual water level slope and tidal damping rate under condition of identical river discharge before and after 1993

3.2. 河道径-潮动力的洪枯季时空演变特征

如图3所示为“四横两纵”中南沙-容奇、板沙尾-南华区段的余水位Z和潮差H在突变前、后的洪季（6—8月）和枯季（12月—次年2月）的时空变化结果. 图中，x为距口门的距离. 如图3（a）、（b）所示为南沙-容奇的余水位和潮差洪枯季变化，与突变前相比，洪季南沙-容奇区段的余水位在南沙附近上升0.10 m，在板沙尾附近却下降约0.03 m；枯季南沙-容奇整个区段的余水位均有所上升. 对应河段的潮差变化与突变前相比，洪、枯季潮差的变化不显著. 其中南沙站潮差在洪、枯季分别减小0.10 m和0.06 m；板沙尾潮差在洪、枯季分别上升了0.05 m和0.01 m；容奇站潮差在洪季增大了0.05 m，在枯季减小0.02 m. 上述结果表明南沙站枯季受到下游海平面上升的影响较洪季明显，而板沙尾在洪季的径潮顶托作用较枯季明显，容奇站潮波传播过程在枯季受到上游径流增加的影响较洪季明显. 如图3（c）、（d）所示为板沙尾-南华的余水位变化特征. 该河段余水位在洪季下降，且越往上游，下降幅度越大（板沙尾、容奇基本不变，南华下降了0.40 m），板沙尾、容奇余水位在枯季上升，但是在南华下降了0.02 m. 可知，突变后，板沙尾-南华区段的洪、枯季余水位的变化趋势相反，枯季河流动力较突变前增大. 对应区段的潮差（见图3（c）、（d））在洪、枯季均有所增大（容奇站枯季除外），且具有下游向上游累积的效应，其中洪季较枯季上升幅度大，洪、枯季差异减小，但洪季潮差始终小于枯季. 突变前，洪、枯季差异最大可达0.29 m，突变后减为0.23 m. 以上结果表明，突变过后，“四横两纵”洪季余水位总体下降，且上游较下游降幅明显；枯季余水位总体抬升，且下游较上游增幅明显. 洪枯季潮差在南沙-容奇区段无明显变化，在板沙尾-南华区段均呈上升的趋势.

图 3

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图 3 “四横两纵”洪枯季余水位及潮差时空变化

Fig.3 Temporal and spatial changes of residual water level and tidal range of "four horizontal and two vertical" system in flood and dry seasons

以突变年份为分界点，量化分析在同等流量的条件下，“四横两纵”余水位坡度和潮波衰减率在洪枯季的变化，如图4所示. 图中，Q、S和δ的下标flood或dry分别表示洪季和枯季. 从图4（a）、（b）可见，余水位坡度随流量的变化率（斜率）明显减小，洪季尤为明显. 可知，突变后，在同等流量条件下，洪枯季余水位坡度均较突变前明显减小. 1993年前、后，洪季的多年平均余水位坡度的减小程度（减小了6%）大于枯季（减小了3%）. 与余水位坡度随流量的变化趋势相反，潮波衰减率随流量的变化率在洪枯季均呈增长趋势，如图4（c）、（d）所示. 可知，突变后，在同等流量条件下，洪枯季的多年平均潮波衰减率较突变前增大. 洪、枯季多年平均潮波衰减率分别增大了4%和3%，即潮波振幅的衰减效应减弱，潮汐动力增强.

图 4

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图 4 突变前、后余水位坡度与潮波衰减率随三水和马口总流量的变化

Fig.4 Changes of residual water slope and tidal damping rate with total river discharge of Sanshui and Makou Stations

3.3. “四横两纵”的水面线洪枯季演变特征

基于式（2）及余水位曲率与水面线凹凸形态的对应关系，探讨1993年前、后“四横两纵”的洪枯季余水位曲率及相应的水面线演变特征. 从图5可知，南沙-容奇、板沙尾-南华的曲率在洪、枯季的增减趋势基本一致，曲率基本满足“洪季>全年>枯季”的基本变化规律. 在南沙-容奇区段（见图5（a）），洪枯季曲率在1960—2016年基本为正值，1993年前、后的洪季曲率分别为1.50×10⁻¹⁰ m⁻¹和3.98×10⁻¹⁰ m⁻¹，枯季曲率分别为−6.64×10⁻¹² m⁻¹和1.85×10⁻¹⁰ m⁻¹. 在板沙尾-南华区段（见图5（b）），洪枯季曲率在1993年前基本为正值，1993年后转为负值，对应的洪季曲率分别为1.92×10⁻¹⁰和−6.87×10⁻¹⁰ m⁻¹，枯季曲率分别为5.37×10⁻¹²和−0.55×10⁻¹⁰ m⁻¹.

图 5

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图 5 “四横两纵”余水位曲率在不同河段的洪枯季及全年平均变化

Fig.5 Changes of residual water level curvature in different reaches at flood and dry seasons and annual scale for "four horizontal and two vertical" system

如图6所示为1993年前、后洪枯季水面线的形态变化. 可知，南沙-容奇洪季水面线形态在1993年前、后均为下凹型，但1993年后下凹程度较之前加剧；枯季水面线由1993年前的微凸型转变为微凹型. 板沙尾-南华区段的洪枯季水面线凹凸形态均发生质变，即由1993年前的下凹型转变为上凸型. 在“四横两纵”整个区段，突变后的洪枯季水位差异缩小（见图6的阴影部分），即1993年前、后水面线演变特征为洪季下降而枯季上升，水面线高程（或水位）的洪、枯季差异减小.

图 6

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图 6 1993年前、后的“四横两纵”洪枯季水面线形态变化

Fig.6 "Four horizontal and two vertical" changes of water surface profile in flood and dry seasons before and after 1993

4. “四横两纵”水面线时空演变原因探讨

上述研究结果表明，1960—2016年“四横两纵”洪枯季水面线演变特征为1993年后洪季水位下降而枯季水位抬升，洪季和枯季水面坡度均减小. 水面线形态表现如下：在南沙-容奇区段，1993年前后的洪季水面线下凹程度增大；枯季水面线由微凸型转变为微凹型. 在板沙尾-南华区段，1993年前后洪、枯季水面线皆由下凹型转变为上凸型. 基于上述变化，可以将影响“四横两纵”水面线及余水位曲率演变过程的因素分为以下2个方面. 1）外部因素，主要包括1993年前后体系上游顶端、北部支流和下游口门附近的动力变化. 2）体系内部因素，主要包括由联围筑闸、河道采沙、航道疏浚等系列人类活动导致的动力地貌变化：如20世纪50年代初—70年代中期的联围筑闸^[17]（如甘竹溪、磨碟头、眉蕉头等大型水闸的建设）；20世纪80年代—90年代的河道采沙（如容桂水道、上下横沥水道、凫洲水道等）、航道疏浚、桥梁码头（如七滘大桥、容奇大桥、德胜大桥、上、下横沥大桥）等大型涉水工程及口门围垦.

20世纪50年代初—70年代中期，“联围筑闸”使得西江主干“马口-南华”分流比增大；1971—1974年，甘竹溪洪潮电站使得甘竹溪堵塞严重，导致南华水位抬升14 cm^[18-19]. 中游北部的支流由于北江分流比（三水-容奇）减小，导致容奇输入的流量减小，因此“四横两纵”水面线表现为上游水位抬升而中游水位下降. 尽管产生束水攻沙效应，但河床冲刷幅度轻微^[19-20]. 这一举措对径潮动力产生影响. 一方面，使得“四横两纵”洪季流量增加，径流动力增强；另一方面，筑闸导致纳潮水道的数量减少，使得口门潮波上溯能量耗散减弱，潮汐动力增强，从而使得径潮作用相互抵消，潮区界的位置基本维持稳定状态^{[1, 21]}. 该时期河口三角洲保持向海淤进、河道延长的趋势，潮汐动力对南沙附近水位的抬升作用不明显^[22-23]. 对应时期的水面线，在靠近口门的容奇-南沙区段洪季呈下凹型，枯季受潮流顶托呈上凸型，南华-板沙尾区段的洪枯季水面线均呈现近似自然形态的下凹型.

20世纪80年代后，联围筑闸对径潮动力相互作用的影响基本被河口自适应调整所抵消^[24]. 影响“四横两纵”水面线变化的主要人类活动已转变为河道采沙、航道疏浚、桥梁建设及口门围垦^[25]. 自20世纪90年代初，“四横两纵”经历强烈的人为挖沙和航道疏浚，据黄镇国等^[26]统计可知，1984—1999年，西北江河网区主要河道的年均采沙体积为4.6×10⁷~5.3×10⁷ m³，远大于年均淤积量. 1996—2006年，马口-天河的疏浚量超过1.27×10⁷ m³. 上述人类活动导致整个研究区的河道宽深比（平滩宽度B的均方根与平滩水深h的比值，即B^1/2/h）减小，尤其是1993年左右，容桂水道的强烈采沙，使得南华-容奇区段的河道底床较“四横两纵”的其他河段加深约1~7倍（见表2，表中水面均宽、平均水深“+”为增加，“−”为减少；冲淤量、冲淤速率“+”为淤积，“−”为冲刷）. 该现象导致西江主干天河站分流减小，支流南华站分流和过水面积大幅增大^{[9, 27-28]}. 表2中，W_mean为水面均宽变化，D_mean为平均水深变化，r为宽深比，V为年均冲淤体积，v为冲淤速率. 如图7所示为1990—1992和2015年洪季南华、容奇、板沙尾、南沙的基本水尺断面. 图中，d为距左岸的距离，h为底床高程. 2015年的基本水位较1993年前分别下降了1.18、−0.38、0.81、0.79 m，即除板沙尾横断面水位略有上升外，其余站点的断面水位均明显下降.

表 2 “四横两纵” 20世纪80与90年代沿程河道的冲淤变化^[28]

Tab.2 Changes of erosion and deposition along "four horizontal and two vertical" in 1980s and 1990s

河道	W_mean/m	D_mean/m	r		V/（万m³·a⁻¹）	v/（cm·a⁻¹）
河道	W_mean/m	D_mean/m	80年代	1999年	V/（万m³·a⁻¹）	v/（cm·a⁻¹）
容桂水道	−26	2.455	3.17	2.52	−197.92	−15.75
洪奇门水道	−57	1.94	5.19	3.84	−104.52	−10
上横沥	−25	0.96	3.40	2.83	−13.29	−3.7
下横沥	−5	0.46	2.06	1.96	−7.91	−2.1
蕉门水道	−83	0.31	4.90	4.49	20.62	1.6
凫洲水道	−10	0.55	6.84	6.21	−30.32	−3.9

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图 7

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图 7 1993年前、后洪季“四横两纵”沿程站点的横断面变化

Fig.7 Cross-section changes at different stations along "four horizontal and two vertical" in flood season before and after 1993

截至2001年，研究区域的大型桥梁分布密度约为5座/12 km，这导致河道阻水效应增强，洪季不利于洪水下泄，枯季不利于潮流上溯. 综上所述，1993年后，板沙尾-南华区段在洪、枯季由于上游河道河床下切，中游径流或潮流的来流量增大，径潮流相汇导致排水不畅，因此洪枯季水面线均由下凹型渐变为上凸型. 南沙-容奇区段水面线的变化一方面受到人类活动如采沙、疏浚、桥梁建设及围垦的影响，尤其是鸡抱沙和孖沙的围垦（2003年后），导致蕉门水道80%以上的水量从凫洲水道汇入伶仃洋^[29]. 另一方面受到体系下游边界海平面上升的影响，从伶仃洋东岸赤湾站的余水位指示口门海平面变化可知，1993年后口门海平面上升了约0.07 m. 上述原因共同导致“四横两纵”的下游边界南沙站在洪枯季均发生水位抬升^[30-31]. 中下游的中段，即板沙尾-上下横沥区段挖沙强度较高，使得南沙-容奇的中段在洪季水位明显下降（见图7）^{[9, 32]}，相应的水面线下凹程度加强. 枯季因口门潮位抬升作用较强，水面线转变为下凹型.

5. 结　论

（1）1993年后“四横两纵”的潮汐动力增强，其中流量对余水位坡度和潮波衰减率绝对值的贡献率分别减小了68%和97%.

（2）1993年前后，中下游洪季水面线下凹程度增大，枯季由微凸转下凹（洪季余水位曲率由1.50×10⁻¹⁰增至3.98×10⁻¹⁰，枯季由−6.64×10⁻¹²增至1.85×10⁻¹⁰). 中上游洪枯季水面线均由下凹转为上凸（洪季余水位曲率由1.92×10⁻¹⁰转为−6.87×10⁻¹⁰，枯季由5.37×10⁻¹²转为−0.55×10⁻¹⁰）.

（3）上述变化成因主要为：1993年前，研究区域径潮动力相对均衡，此时各河段水面线（曲率）均呈自然发育的状态. 1993年后，中下游因局部河床下切严重、口门围垦、海平面上升的共同作用，导致口门附近的水位抬升. 中上游因高强度采砂使得河床加深了约1~7倍，叠加大型桥梁的阻水效应，导致中游径潮流的来流量增大、水位雍高.

综上，河口整治宜将河网区视为有机联系的整体. 横向汊道是维系珠江河网稳定的重要组分，因此进一步探讨多条横向汊道的径潮动力转换及水面线演变是实现该区域科学高效治理的关键. 基于以上研究，以期防御枯季口门水面线坡度变缓使咸潮上溯加剧，洪季上游水面线下降使污染物滞留河道的风险增大等消极影响.

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