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热带海洋学报 >

2023 , Vol. 42 >Issue 2: 9 - 20

DOI: https://doi.org/10.11978/2022106

海洋水文学

珠江黄茅海河口地貌形态变化及其动力响应

  • 严静 , 1 ,
  • 韦惺 , 1, 2
展开
  • 1.中国科学院南海海洋研究所, 广东 广州 510301
  • 2.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458
韦惺。email:

严静(1980—), 女, 广西壮族自治区北海市人, 助理研究员, 从事海洋环境数值模拟研究。email:

Copy editor: 殷波

收稿日期: 2022-05-10

  修回日期: 2022-06-10

  网络出版日期: 2022-06-13

基金资助

国家基金重大项目(41890851)

南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0303)

热带海洋环境国家重点实验室自主研究项目(LTOZZ2202)

收起

Geomorphological changes and dynamic responses of the Huangmaohai Estuary in the Pearl River Delta

  • YAN Jing , 1 ,
  • WEI Xing , 1, 2
Expand
  • 1. South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China
WEI Xing. email:

Copy editor: YIN Bo

Received date: 2022-05-10

  Revised date: 2022-06-10

  Online published: 2022-06-13

Supported by

National Natural Science Foundation of China(41890851)

Key Special Projects for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou)(GML2019ZD0303)

Project of State Key Laboratory of Tropical Oceanography(LTOZZ2202)

Fold

摘要

黄茅海是位于珠江三角洲西南部的一个喇叭形溺谷河口湾。近几十年来在自然过程和人类活动共同作用下河口的地貌形态发生了巨大变化。文章基于1972—2016年地形图和卫星遥感影像, 对河口岸线和水下地形的变化进行了量化分析, 并构建了三维水动力模型对河口动力对地貌形态变化的响应进行了讨论。结果显示, 土地围垦使得黄茅河口的口门和岸线急剧向海延伸, 水域面积大面积减少。受此影响, 河口的纳潮量减少了近19.61%, 由1972年的11.13亿m3减少为2016年的8.95亿m3。河口的束窄和形态的变化也使得河口出现水位抬升、径流动力增强, 潮差增加, 涨潮历时缩短, 落潮历时延长等变化。未来, 随着河口的淤积充填, 河口的潮汐动力将受到进一步削弱。

关键词： 黄茅海河口; 地貌形态变化; 动力响应; 数值模拟

本文引用格式

严静 , 韦惺 . 珠江黄茅海河口地貌形态变化及其动力响应[J]. 热带海洋学报, 2023 , 42(2) : 9 -20 . DOI: 10.11978/2022106

Abstract

The Huangmaohai Estuary (HE) is a horn-shaped estuary in the southwest of the Pearl River Delta. In the last few decades, the morphology of the HE has undergone tremendous changes under the combined action of natural processes and human activities. Based on the historical charts and satellite remote sensing images from 1972 to 2016, this paper quantitatively analyzes the changes of the coastline and underwater topography, and constructs a three-dimensional hydrodynamic model to discuss the dynamic response to the topographic changes. The results showed that land reclamation caused the mouth and coastline of the outlet to extend sharply to the sea, and the water area was greatly reduced. As a result, the tidal volume of the estuary decreased from 1.113 billion cubic meters in 1972 to 895 million cubic meters in 2016, a decrease of nearly 19.61%. At the same time, the narrowing of the estuary also causes changes in the hydrological dynamics, such as the rise of the water level, the enhancement of the runoff power, the reduction of the tidal range, the shortening of the high tide duration, and the extension of the ebb tide duration. In the future, with the silting and filling of the estuary, the tidal power of the estuary will be further weakened.

Key words： Huangmaohai Estuary; Morphological changes; Dynamic response; Numerical modeling

黄茅海是位于珠江三角洲西南部的一个喇叭型溺谷河口湾(图1)。崖门和虎跳门交汇于湾顶, 上通潭江和西江, 湾口由两列EEM—WWS岛屿屏障, 并把湾口分割成3个出海口门。它们分别为西口(大襟岛以西水道)、中口(大襟岛至荷包岛)和东口(荷包岛至高栏岛)。湾内水下地形则呈现“三滩两槽”的基本地貌格局, 其中三滩分别指西滩、东滩和拦门沙浅滩, 两槽分别指主槽(又可进一步分为北槽和东槽)和中口深槽。注入河口湾的多年(1954—2018年)平均径流量和输沙量分别为398×108m3·a-1和8.7×106t·a-1。受亚热带季风气候影响年内分配不均, 洪季(4—9月)的径流量和输沙量分别约占全年的80%和95%。河口湾的潮汐属于不规则半日潮, 位于湾顶的崖南站多年平均潮差为1.25m。波浪以涌浪为主, 风浪次之, 湾口荷包岛实测年均波高为0.56m, 平均周期为5.1s。
图1 珠江三角洲(a)和黄茅海河口2016年岸线地形(b)

该图基于中华人民共和国海事局2016年2月版海图(图号84204)绘制, 底图无修改。图a中的红色方框为图b位置

Fig. 1 The Pearl River Delta (a) and the bathymetry of the Huangmaohai Estuary (b)

自20世纪90年代以来, 人们对黄茅海河口的水文动力开展了诸多的研究工作。对于黄茅海河口的盐度特征(黄方 等, 1994)、小尺度动力结构(吴超羽, 1995; Wei et al, 2011)、潮波传播及变化机理(吴创收 等, 2010; 武亚菊 等, 2011; 龚文平 等, 2012)、侧向余环流特征(杨名名 等, 2016)、悬沙变化(杨雪舞 等, 1994; 林中源 等, 2014)以及表层沉积物特性与输移(Wu et al, 1999; 贾良文 等, 2013; 赵峰 等, 2015)等方面进行了研究和探讨, 增加了人们对黄茅海河口地区水文动力过程的认识。近几十年来, 随着地区经济的飞速发展, 黄茅海河口的地貌形态在自然过程和人类活动的共同作用下发生了巨大的变化。尤其是自1989年大规模围垦工程的出现加剧了东、西两侧岸线的向外延伸(罗丹, 1998; Wei et al, 2021)并导致了河口中部拦门沙发生冲刷外移(贾良文 等, 2012)。与此同时, 河口区域港池的建设和航道疏浚工程的投入也促使了河口的水下地形呈现出与伶仃洋河口相类似的“浅滩愈浅, 深槽愈深”的特点(赵荻能, 2017)。河口地貌与动力是一个耦合互动的过程, 地貌形态的变化一方面地将影响河口水动力结构的分布, 另一方面水动力结构的变化反过来又作用于地貌使其发生调整。因此, 深入了解黄茅海河口的地貌形态变化及其动力的响应对于河口航道的维护、生态环境的保护和可持续发展将具有重要的意义。然而目前对黄茅海河口动力对地貌变化响应的研究依然鲜有报道。
本文基于历史卫星遥感资料和海图, 对近几十年来黄茅海河口的地貌变化进行深入的量化分析, 并在此基础上构建三维水动力模型, 揭示水动力对河口地貌演变的响应。本研究的成果将有助于加深我们对黄茅海河口地貌动力过程的认识, 同时也可为河口的开发利用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 数据资料

1.1.1 地形图资料

收集了1972和2016年两个时期的历史地形图用于量化和对比近45年来的黄茅海河口区地貌变化。其中1972版海图(图号15-1041)比例尺1 : 150000, 海域水深的测量年份为1963—1965年; 2016年版海图(图号84204)比例尺1 : 75000, 海域水深的测量年份为2015年。对于海图首先对其进行扫描, 然后利用ArcGIS对扫描图件岸线及水深点进行数字化, 统一坐标系和高程基面, 最后利用克里金法将水深数据插值成并构建黄茅海河口的数字高程模型(50m×50m分辨率)。

1.1.2 卫星影像资料

收集了1973年12月25日的Landsat-1 MSS (multispectral scanner, 多光谱扫描仪)影像(分辨率78m)和2016年2月7日的Landset-8 OLI (operational land imager, 陆地成像仪)(分辨率30m)影像作为岸线分析的补充数据。在影像处理过程中统一采用了世界大地测量系统(world geodetic system-1984 coordinate system)坐标系和高斯-克吕格投影, 并采用直方图拉伸方式对图像进行增强处理, 最后以最低潮位作为参考对岸线信息进行提取。

1.1.3 水文观测资料

收集了2016年6月在黄茅海河口区的两个定点同步流速观测资料以及3个站点的潮位观测数据。各站点分布见图1。其中逐时流速观测数据采用了六点法进行观测, 观测时间为一个全潮时6月7日15:00至6月8日15:00。这些水文数据主要用于数值模型的验证。

1.2 数值模拟

1.2.1 模型简介

为探讨黄茅海河口动力结构及动力平衡特性对地形变化的响应, 本文基于三维水动力模型MIKE3 构建了黄茅海河口区的三维水动力模型并进行了实际模拟。MIKE3模型由丹麦水利研究所开发(DHI, 2012), 目前已被广泛应用于河口近岸海域的水文环境的研究中(Wei et al, 2013; Waldman et al, 2017; 李娜 等, 2019)。该模型基于Bousinessq净水压力假定, 平面上采用有限元无结构三角网格以能够更好地拟合复杂岸线的变化, 垂向上则采用σ网格。由于采用了单元中心的有限体积法对浅水方程进行求解, 因此模型具有较好的通量守恒。此外, 模型能对干、湿节点和单元进行相应的设置, 因此可以很好地处理潮滩的动边界问题。

1.2.2 模型设置

基于2016年地形构建的三维水动力模型网格如图2所示。网格水平分辨率由近岸河口区的10m逐渐向外海递减到800m。垂向上等距分11个σ层。模型外海边界和河流边界分别由潮汐和流量进行驱动。其中潮位数据取自俄勒冈的潮汐反演软件(Egbert et al, 2002), 河流流量数据取自对应潮位站点。由于缺乏配套的盐度输入资料和验证资料, 本模型暂不考虑斜压过程。模型在计算过程中的拖曳系数取0.0014, 时间步长设置为60s。
图2 珠江河口(a)和黄茅海河口(b)的模型计算网格

图a中的方框为图b的位置

Fig. 2 The computation grid of numerical model for the Pearl River Estuary and the Huangmaohai Estuary

1.2.3 结果验证

模型模拟时间从2016年3月1日至2016年6月30日。模拟结果通过与实测水文数据的对比以检验合理性。图3为潮位对比结果, 可以看出模型模拟的水位过程与实测的潮位曲线很好拟合。以水位平均绝对误差作为检验指标, 则各潮位站点的平均绝对误差在0.03~0.1m。图4为流速的对比结果, 可以看出模型的计算值与实测值也能够较好的吻合。垂向各层的各特征时刻(涨急、落急)的流速与实测值相比, 偏差基本小于10%。流向误差小于15°, 相位误差小于0.2h。水位和流速的对比结果表明所构建的模型能够较真实地反映黄茅海河口区的潮汐动力过程, 其结果可作为水动力学分析的依据。
图3 水位模拟值与实测值的比较

a. 崖南站; b. 三虎站; c. 高栏站。图中横实线表示0m水位线

Fig. 3 Comparison of the modeled and measured water level at the Yanan Station (a), Sanhu Station (b) and Gaolan Station (c)

图4 流速模拟值与实测值的比较

Fig. 4 Comparison of the modeled and measured velocity

1.2.4 情景设计

基于以上模型, 在不改变其他边界输入的前提下, 将2016年的地形边界替换为1972年的地形并进行相同时长的模拟计算。虽然此方法并不能够真实地反映1972年水动力情况, 但通过两次模拟结果的对比分析, 可以较好地获得黄茅海河口的潮汐、潮流以及动力平衡特性对地貌形态变化的响应。

2 结果

2.1 河口地形变化特征

2.1.1 岸线变化

历史海图和卫星遥感影像的统计显示(表1), 黄茅海河口的岸线长度从1972年的94.27km增长到了2016年的115.62km。与岸线的增长相对应, 河口的滩涂面积和水域面积呈现减少趋势。1972—2016年, 水域面积减少了约17.1%; 滩涂面积(统计水深范围0~2m)从1972年的118.22km2急剧减少为2016年的44.90km2, 减少了将近62%。河口原有的几何形态也因此发生了巨大改变, 岸线大幅向海大幅延伸(图5)。其中最为显著的区域分别为河口湾湾头和东侧海岸。一方面河口湾的湾头由于崖南垦区和𧒽蛛垦区的围垦作用, 加速了两侧岸线延伸和湾头的束窄, 2016年湾头与1972年相比缩窄了近60%; 另一方面东岸由于南虎垦区的围垦作用, 先前表现为内凹弧形的边滩变为了顺直的海岸。此外, 位于湾口东侧的南水与高栏岛间的峡口由于围垦工程的实施, 使得原有的鸡啼门与黄茅海之间水体的联系受到了阻断。
表1 1972年与2016年黄茅海河口岸线长度、滩涂与水域面积、水体体积以及平均水深信息的对比

Tab.1 Comparison of the coastline length, tidal flat area, water area, water volume and average water depth of the Huangmaohai Estuary in 1972 and 2016

时间 岸线长度/km 滩涂面积/km2 水域面积/km2 水体体积/km3 平均水深/m
1972 94.27 118.22 562.22 2.82 5.14
2016 115.62 44.90 466.12 2.21 4.79
图5 1972和2016年黄茅海河口岸线的变化

a. 1972和2016年岸线叠加; b. 2016年遥感影像; c. 1973年卫星遥感影像

Fig. 5 Changes of the coastline in the Huangmaohai Estuary from 1972 to 2016. Overlay of shoreline in 1972 and 2016 (a), remote sensing image in 2016 (b) and 1973 (c)

2.1.2 水下地形变化

由表1可知, 从1972年至2016年黄茅海的平均水深和水体体积表现为不断减小趋势。1972年, 河口的平均水深约为5.14m, 至2016年减少为了4.79m, 水体体积也由1972年的2.821km3减少为2016年的2.2 km3, 减少了约21.6%。
形态上, 1972年以来河口的水下地形呈现出“浅滩愈浅, 深槽愈深”的变化特点, 但“三滩两槽”的格局基本不变(图6)。其中对于浅滩, 其主要变化特征为: 1) 西滩受淤积作用, -2m和-3m等深线向东南推进; 2) 东滩除了受大量围垦而面积较少之外, -2m、-3m等深线基本没有太大的变动; 3) 拦门沙浅滩表现为分别向东西两边延伸。河道深槽的变化特征则主要表现为: 1) 中口深槽-5m等深线由北向南后退; 2) 东槽-5m等深线表现为向北延伸, 逐渐与北槽贯通; 3) 从高栏岛东侧(珠海港)至电厂码头人工开挖出了一条长约16km平均水深超过10m的深槽航道。
图6 1972和2016年黄茅海河口水下地形的变化

a. -2m等深线; b. -3m等深线; c. -5m等深线; d. -10m等深线。

Fig. 6 Changes in the underwater bathymetry of the Huangmaohai Estuary from 1972 to 2016. (a) -2 m contour; (b) -3 m contour; (c) -5 m contour; (d) -10 m contour

2.2 河口动力过程对地形变化的响应

2.2.1 潮位与纳潮量

受喇叭形的地貌形态的影响, 黄茅海河口的潮差表现出由湾口向湾头增大的特征。然而1972年以来随着河口的束窄和水深的变浅, 潮汐过程发生了相应的改变。图7为3个潮位站点2016年与1972年潮位过程的比较。与1972年相比, 各站点的潮位在2016年均呈现升高的趋势。不过由于空间的差异, 各站点的抬升幅度有所差异。其中抬升幅度最大的是位于湾头的崖南站, 平均高潮位升高幅度超过了0.36m; 位于河口湾中部的三虎站次之, 升高了约为0.19m; 抬升幅度最小的是位于湾口的高栏站, 平均高潮位升高幅度仅为0.05m。从潮差变化来看, 2016年的潮差与1972年的相比有所增加。其中位于湾头的崖门站潮差变化幅度最大, 涨、落潮潮差的增加幅度约为0.18m, 位于河口湾中部的三虎站潮差增加幅度次之, 涨、落潮潮差减幅约为0.11m, 而位于湾口的高栏站潮差增加幅度最小, 涨、落潮潮差减小幅度小于0.02m。此外, 各站点的潮时大体呈现出涨潮历时减小、落潮历时增加的趋势。相较于1972年, 崖门站的涨潮历时减小了10min, 落潮历时增加了8min, 三虎站的涨潮历时减小了9min, 落潮历时增加了6min, 高栏站涨潮历时减小了5min, 落潮历时增加了4min。
图7 1972年和2016年潮位过程对比

a. 崖南站; b. 三虎站; c. 高栏站

Fig. 7 The comparison of tidal height in 1972 and 2016

纳潮量(P)是潮周期内水域可容纳的潮水的体积, 是指示海湾与外海的水体交换强度的重要参数指标, 可通过公式(1)进行计算(杨美卿, 1993):
P=△HS
式中: S为水域面积(单位: m2), △H为平均潮差(单位: m)。依据水动力模型, 1972年和2016年黄茅海河口的平均潮差分别为1.98m和1.92m。结合河口水域面积进行计算, 可以得出黄茅海河口1972年和2016年的纳潮量分别为11.13亿m3和8.95亿m3。纳潮量减少了近19.61%。

2.2.2 潮流与潮能通量

图8和图9分别为黄茅海1972年和2016年特征时刻(涨急和落急)的流场分布。受复杂边界的影响, 黄茅海河口水动力的分布整体上呈现出复杂性和多样性特点。其中河口湾上段主要受崖门和虎跳门射流的影响, 水流表现出强劲往复流的特点; 河口湾中段的西部浅滩无论涨、落潮, 水动力都相对较弱, 而东槽水流则较为集中, 且涨潮流相对占优势; 河口湾下段受岛屿地形的影响和控制, 水流具有岛间射流、岛屿尾流、涡旋等结构特征。2016年河口湾的水流流势与1972年相比大体保持一致, 但局部区域由于地形变化影响, 水流强度和流向发生了相应的调整。
图8 1972年与2016年涨急流场的对比

a. 1972年表层涨急; b. 2016年表层涨急; c. 1972年底层涨急; d. 2016年底层涨急

Fig. 8 Comparison of the flood-tide maximum current field in 1972 and 2016. (a) surface in 1972; (b) surface in 2016; (c) bottom in 1972; (d) bottom in 2016

图9 1972年与2016年落急流场的对比

a. 1972年表层落急; b. 2016年表层落急; c. 1972年底层落急; d. 2016年底层落急

Fig. 9 Comparison of the ebb-tide maximum current field in 1972 and 2016. (a) surface in 1972; (b) surface in 2016; (c) bottom in 1972; (d) bottom in 2016

在河口湾的湾顶, 由于两侧岸滩的围垦, 过水断面大大缩窄, 水流更为集中, 动力强度大大增强。数值模型计算显示, 河口湾湾顶深槽处的落潮最大流速在1972年为0.8m·s-1, 在2016年由于断面束窄, 最大流速达到了1.3m·s-1, 形成的落潮射流动力可影响至三虎附近水域。
在河口湾中部的东侧, 受东岸浅滩围垦的影响, 岸线由先前的凹形形态变为自上而下较为平顺。受此形态变化的影响, 从东口上溯涨潮流动力得以增强。此外, 受珠海电厂码头航道开挖的影响, 吸引了从东口上溯的涨潮流沿航道上溯, 该股水流经三角─南水峡口后, 仍保持较强的动力。
在河口湾湾口, 南水-高栏垦区未开发之前, 涨潮时外海水流分4股进入湾内, 其中3股分别从黄茅海的东、中、西三口上溯, 另外一股则由南水-高栏峡口进入黄茅海海区, 落潮时由鸡啼门下泄的水流部分也由南水-高栏峡口经黄茅海东口下泄入海。南水-高栏峡口被围垦之后, 这一水流路径随之消失。此外, 受河口湾纳潮量和几何形态的变化, 一方面无论涨落潮, 河口湾东、中、西三口处的水流流速均呈减小趋势, 另一方面经中口下泄的落潮主动力轴逐渐由SSW向转变为S向。
潮能通量, 又称通量密度, 是单位时间通过自海底至海面单位密度宽度断面的动能和势能, 可通过公式(2)进行计算(Joseph et al, 2003):
Φ = − ρ s g h T ∫ 0 T η v d t
式中: Φ为潮能通量(单位: J·m-2); v为流速(单位: m·s-1); η为未扰动海面上的潮汐(单位: m); h为海底自海面水深(单位: m); T为潮周期(单位: s); ρ s为海水密度(单位: kg·m-3); t为时间 (单位: s); g为重力加速度, 取值10m·s-2。依据公式(2)计算了研究区域5个潮平均的潮能通量。图10为黄茅海1972年与2016年潮能通量的分布图。由图10可以看出, 外海的潮波能量主要由黄茅海的东口和中口进入河口湾, 在向上传递过程中受下泄径流的作用而逐渐衰减。河口湾中局部地形的变化对潮能的空间分布具有重要影响。整体上, 潮能通量较大的区域主要分布在河槽和峡口地区, 而在滩地和岛屿流影区的潮能通量较小。
图10 1972年与2016年潮能通量的对比

a. 1972年潮能通量; b. 2016年潮能通量

Fig. 10 Comparison of the tide energy in 1972 (a) and 2016 (b)

与1972年相比, 2016年潮能通量的大小及分布发生了改变。1972年由外海传入河口湾的潮能约为38.4MW, 然而受地形变化的影响, 2016年传入的潮能减少为了31.3MW。中口及大杧岛与三角山岛之间峡口的单宽潮能通量在1972年均超过了10kJ·m-2, 这一强度在2016年有所减少, 其中大杧岛与三角山岛之间峡口的单宽潮能通量已不足7.8kJ·m-2。1972年由河口湾东口上溯的潮能经大杧岛与三角山岛峡口向湾顶构成一条显著的高能带。受河口湾纳潮量及河道深槽变化的影响, 2016年这一高能带的南段逐渐消失。此外, 受珠海电厂码头航道开挖的影响, 形成了一条沿航道并经三角─南水峡口向上的潮能高能带。

2.3 河口动力平衡特性对地形变化的响应

对于动力平衡方程, 其在纵向(沿河道方向)和侧向上(垂直河道方向)可分别表示为:
$\begin{aligned} & \overbrace{\frac{\partial u}{\partial t}}^1+\overbrace{u \frac{\partial u}{\partial x}+v \frac{\partial u}{\partial y}}^2-\overbrace{w \frac{\partial u}{\partial z}}^3+\overbrace{f v}^4+\overbrace{g \frac{\partial \eta}{\partial x}}^5-\overbrace{\frac{\partial}{\partial y}\left[2 A_{\mathrm{M}} \frac{\partial u}{\partial y}\right]+\frac{\partial}{\partial x}\left[2 A_{\mathrm{M}} \frac{\partial u}{\partial y}+\frac{\partial v}{\partial x}\right]}^6-\overbrace{\frac{\partial}{\partial z}\left(K_{\mathrm{M}} \frac{\partial u}{\partial z}\right)}^7=0 \end{aligned}$
$\begin{aligned} & \overbrace{\frac{\partial v}{\partial t}}^1+\overbrace{u \frac{\partial v}{\partial x}+v \frac{\partial v}{\partial y}}^2+\overbrace{w \frac{\partial v}{\partial z}}^3+\overbrace{f v}^4+g \overbrace{\frac{\partial \eta}{\partial y}}^4-\overbrace{\frac{\partial}{\partial x}\left[2 A_{\mathrm{M}} \frac{\partial v}{\partial y}\right]+\frac{\partial}{\partial x y}\left[2 A_{\mathrm{M}} \frac{\partial u}{\partial y}+\frac{\partial v}{\partial x}\right]}^5-\overbrace{-\frac{\partial}{\partial z}\left(K_{\mathrm{M}} \frac{\partial v}{\partial z}\right)}^7=0.\end{aligned}$
式中: x、y和z分别为纵向、横向和垂向的空间坐标; u、v和w分别为纵向、横向和垂向的平均流速(单位: m·s-1); t为时间(单位: s); η为水位(单位: m); g为重力加速度, 取值 10m·s-2; f为科氏力参量; AM和KM分别为水平和垂向分子涡动黏性系数。公式(3)和(4)中相应各项的物理意义分别为: 1是局地加速度项; 2是水平对流项; 3是垂向对流项; 4是科氏力项; 5是正压力项; 6是水平涡动项; 7是垂向涡动项。一定的地形边界往往形成较为稳定的动力结构, 通过对动力平衡方程各项的分析, 可以有效了解动力结构的主导驱动力及其平衡关系(Wei et al, 2011)。本文利用水动力模型分别对1972年和2016年的平衡方程各项进行计算, 并在研究区域内选取了10个代表性站位(各动力平衡分析站位见图1), 通过比较分析以获取黄茅海河口的动力平衡特性及其对地形变化的响应。
图11为1972年和2016年黄茅海河口多潮平均状态下动力平衡各项的沿程变化。由图11可以看出, 黄茅海河口的动力平衡整体上表现为: 1) 在纵向和侧向, 量级最大的始终为正压力项和水平对流项, 且互为平衡项, 其他项均为小量; 2) 纵向正压力总体指向外海并沿程递减, 在站8和站10, 由于峡口地形造成的水位壅高和流速增大, 出现了压力反指上游且量值增大的异变。
图11 1972与2016年动力平衡各项的沿程变化的对比

a. 1972年纵向动量平衡特征; b. 2016年纵向动量平衡特征; c. 1972年横向动量平衡特征; d. 2016年横向动量平衡特征

Fig. 11 Comparison of the changes of the dynamic equilibrium items along the estuary in 1972 and 2016. (a) longitudinal momentum balance characteristics in 1972; (b) longitudinal momentum balance characteristics in 2016; (c) latitudinal momentum balance characteristics in 1972; (d) latitudinal momentum balance characteristics in 1972

受地形变化的影响, 2016年动力平衡与1972年相比主要差异有: 1) 2016年站1~3水平对流项的量值较1972年大, 这一变化与湾头束窄相对应; 2) 站9的侧压力项由1972年的负值转为2016年的正值, 这一变化实际反映了南水-高栏峡口地形变化的结果。在南水-高栏峡口未围垦时, 无论涨落潮时均有水流经峡口上溯或下泄, 因此1972年该处的侧压力指向西岸且量值较2016年大; 3) 站10的水平对流项的量值较1972年的小, 这一变化则与河口湾纳潮量以及潮汐动力减弱的变化相对应。

3 讨论

河口“地貌-动力”的变化是相互作用和相互耦合的过程。从自然因素来看, 影响河口演变的动力可分为短周期和长周期动力。其中短周期动力要素包括波浪、径流、潮流等, 长周期影响因素包括海平面上升、新构造运动等。对黄茅海河口来说, 首先由于受湾口岛屿的屏蔽作用, 湾内受波浪动力的作用较弱。但随着河口不断的向前发展, 未来波浪动力对三角洲前缘的影响将越来越大。磨刀门河口就是典型的案例, 由于拦门沙目前已向前伸展突出岛群之外, 波浪对拦门沙的沉积和向西迁移具有深刻的影响(Jia et al, 2013; He et al, 2022)。其次, 珠江三角洲年均径流量自1954年以来基本保持一致, 但年均输沙量却在20世纪90年代后因流域水坝的建设以及水土保持政策的实施而急剧减少, 2018年的年均输沙量已不足90年代前的1/3 (Wei et al, 2021), 输沙量的减少势造成了河口的供沙不足, 岸线向前推进的速度将减缓。但目前为止, 无论伶仃洋河口(赵荻能, 2017; Yang et al, 2019)、磨刀门河口(罗丹, 1998; 罗军, 2010)还是黄茅海河口, 这一影响还不明显。相反, 各河口的口门和岸线却由于大面积的滩涂围垦以数十倍于自然状态下的速度向海推进。受围垦工程的影响, 一方面河口水域面积不断减少, 河口纳潮量随之减小; 另一方面, 受口门束窄和岸线延伸的影响, 河口呈现出水位抬升、径流动力增强, 潮差减小, 涨潮历时缩短, 落潮历时延长的变化。结果河口潮能通量不断减小、潮汐动力不断减弱。类似的, 这一变化特征也出现在磨刀门河口(蒋陈娟 等, 2020)。最后, 对于河口来说地壳下降以及海平面相对上升将促进河口水位抬升及海洋动力加强。据中国海平面公报(自然资源部, 2021), 我国沿海海平面在过去的40年以3.4mm·a-1的速率上升。然而, 黄茅海河口的潮汐动力却呈现不断减少趋势。对于河口水位抬升, 如果扣除海平面上升的影响, 黄茅海河口崖门站的潮位在过去40年里仍以约4.8mm·a-1的速率上升。这些都说明了人类活动对河口地貌和动力变化的影响远大于自然过程。如果将各种人类活动看作是河口形态动力变化的外因, 那么特定边界条件下的水流运动规律则是内因。人类活动不会改变规律, 而是通过改变边界, 使水流在新的边界条件下在原有的内在运动规律下做出调整。未来, 随着社会经济的进一步发展, 人类活动对河口的影响将愈发强烈。因此需要通过机制分析研究人类活动对其动力机制的影响以及河口动力形态之间为达到新的平衡所作出的响应, 把握其机理寻求其变化规律, 方能预测在自然动力与人类活动、重大工程的作用下河口地貌形态的演变趋势。

4 结论

本文基于历史地形图及卫星遥感影像对1972—2016年黄茅海河口的地貌变化进行了对比分析, 并应用三维水动力模型的机制分析对河口动力过程对地貌变化的响应进行了研究, 得出以下主要结论:
1) 地貌变化的主要特征: ① 受围垦的影响, 口门及岸线向海急速延伸、水域面积大面积减少; ② “三滩两槽”的格局基本不变但受航道疏浚的影响呈现出“浅滩愈浅, 深槽愈深”的变化; ③ 南水-高栏岛峡口因土地围垦而消失。
2) 受地形变化的影响, 河口动力表现出纳潮量减少、水位抬升、径流动力增强, 潮差增加, 涨潮历时缩短, 落潮历时延长的变化特征。鸡啼门与黄茅海之间水体的联系也因南水-高栏岛峡口的围垦而遭受阻断。
3) 河口动力平衡特性对地形变化的响应表现为: 河口湾上部, 正压力项和水平对流项因口门的束窄而呈现变大趋势; 河口湾下部东口与三角山之间水域受南水-高栏峡口地形变化的影响, 侧压力项由负值转变为正值。

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