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Journal of Tropical Oceanography >

2020 , Vol. 39 >Issue 6: 66 - 76

DOI: https://doi.org/10.11978/2019137

Marine Hydrology

Effects of human intervention on tidal dynamics in the Modaomen Estuary, Pearl River

  • JIANG Chenjuan , 1 ,
  • ZHOU Jianan 1 ,
  • YANG Qingshu 2, 3, 4
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  • 1. College of Hydraulic Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China
  • 2. Institute of Estuarine and Coastal Research, School of Marine Engineering and Technology, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, China
  • 3. State and Local Joint Engineering Laboratory of Estuarine Hydraulic Technology, Zhuhai 519082, China
  • 4. Guangdong Provincial Engineering Research Center of Coasts, Islands and Reefs, Zhuhai 519082, China
JIANG Chenjuan. email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2019-12-27

  Request revised date: 2020-04-30

  Online published: 2020-05-07

Supported by

National Key R&D Program of China(2016YFC0402601)

Natural Science Foundation of China(41806104)

Copyright

Copyright reserved © 2020.
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Abstract

The Modaomen Estuary is the main outlet of the Xijiang River, where large-scale human intervention occurred since the 1980s, including sand excavation in the river network and estuarine regulation project, which inevitably caused the variation of tidal dynamics in the Modaomen Estuary. In this paper, we investigate the variation of tidal dynamics and its response to human intervention in recent 50 years by using statistical analysis and harmonic analysis on hydrological data, and hydrodynamic numerical simulation. The results reveal that the variation of tidal dynamics indicates a natural evolution trend of a river-dominated estuary, characterized by increase in tidal level and decrease in tidal range prior to the 1980s. However, after the 1980s sand excavation in the river network induced a decrease in tidal level and increase in tidal dynamics, while estuarine regulation project resulted in an increase in tidal level and decrease in tidal dynamics. In the inner estuary, tidal dynamics was more affected by sand excavation, with decrease in tidal level and increase in tidal dynamics. In the central estuary, tidal dynamics was affected by both sand excavation and estuarine regulation project, with increase in tidal level and decrease in tidal dynamics during the regulation project (1983-1993) but increase in tidal dynamics after the regulation project (1993-2003). In the outer estuary, tidal dynamics was co-affected by global sea-level rise and estuarine regulation project, with increase in tidal level and decrease in tidal dynamics.

Key words： tidal dynamics; sand excavation; regulation project; Modaomen Estuary

Cite this article

JIANG Chenjuan , ZHOU Jianan , YANG Qingshu . Effects of human intervention on tidal dynamics in the Modaomen Estuary, Pearl River[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2020 , 39(6) : 66 -76 . DOI: 10.11978/2019137

河口是河流的尾闾, 它是对流域的自然变化和人为作用响应最敏感, 且与近岸海域环境变化密切相连的地区(陈吉余 等, 2002)。河口是在河口径流动力和海洋潮汐、波浪、近岸环流等综合作用下的复杂自然综合体, 上游河流开发导致河口来水来沙边界发生变化, 河口土地、航运、淡水等资源的开发利用使河口边界及动力过程发生变化, 而人类活动成为河口演变过程中重要的驱动力。美国哥伦比亚河口航道整治工程使潮间带和水下浅滩湿地面积大量减少, 潮棱体和河口混合强度减小, 河口动力明显减弱, 有从高能河口向高度发育的低能量河口发展的趋势(Sherwood et al, 1990)。美国诺福克港100年以来航槽疏浚使航槽的水深增大了1.8倍、泥沙沉积速率增大90倍、河口表面面积减小26%, 潮量和河口水交换减少(Nichols et al, 1991)。英国默塞河口由于导堤建设, 河口水动力和口外泥沙输运模式发生变化, 1906—1977年间河口发生了明显的淤积, 河口容积减小了10%(Thomas et al, 2002; Blott et al, 2006)。河口演变过程对人类活动驱动力的响应是河口海岸学研究的重要内容, 具有重要的科学意义。
磨刀门河口是珠江八大出海口之一, 是西江流域的主干入海口(图1), 磨刀门河口历史时期就有围垦滩涂、联围筑闸等大规模人类活动。20世纪80年代以来, 珠江三角洲网河区大规模无序采砂导致河床不均匀下切, 西、北江主干入海口的分流比发生变化, 从而改变了磨刀门的径流动力; 1983年开始的磨刀门综合整治工程使河口地形边界发生巨大变化, 口门人为快速向外海延伸(图2); 20世纪90年代磨刀门河口采砂使其地形发生变化, 影响潮波传播过程。近几十年来在人类活动的强烈影响下, 磨刀门河口快速向海伸展, 其动力地貌过程及其对人类活动的响应是珠江三角洲地区研究的重要内容之一。20世纪80年代以前的研究主要集中于磨刀门河口历史时期的地形演变和水文特征变化, 其中大部分是为磨刀门口门治理提供依据(曾昭璇, 1982a, 1982b; 欧兴进等, 1983; 程明豪, 1984; 江沛霖 等, 1986a, b; 珠江水利委员会, 1986; 陈文彪 等, 1989); 而近期磨刀门河口动力地貌过程的研究则侧重于对磨刀门治理工程实施后的效益(戴良生 等, 1996; 王琳 等, 2001)及其对磨刀门地形和动力的影响(黄镇国 等, 2004, 2005; 吕海滨 等, 2006; 贾良文 等, 2007; 韩志远 等, 2010; Liu et al, 2019)。以上研究均指出磨刀门河口在人类活动影响下其河道地形和水动力过程已发生明显调整, 但针对河口潮汐动力过程对人类活动的响应仍未有研究。鉴于此, 本文对近五十年以来磨刀门河口潮汐动力变化过程及其对人类活动的响应进行研究, 可为磨刀门综合整治规划提供理论参考, 具有现实意义。
图1 磨刀门河口位置及其概图

Fig. 1 Map of Modaomen Estuary

图2 磨刀门河口挖沙和围垦区

据珠江水利科学研究院(2005)转绘

Fig. 2 Areas of sand excavation and reclamation in Modaomen Estuary

1 研究区域概况及人类活动

1.1 区域概况

磨刀门河口为西江的主要泄洪通道, 多年平均径流量为9.2×1010m3, 居珠江三角洲八大口门之首。磨刀门潮汐属于不正规半日潮, 多年平均潮差为0.86m, 多年最大潮差平均为2.04m。磨刀门海区全年受波浪影响, 以SE向涌浪为主; 口外大万山站各月平均波高为1.01~1.32m, 平均周期为5.15~5.7s。受全面海平面上升的影响, 磨刀门口外相对海平面上升速率约为2.6mm·a-1(Cheng et al, 2016; 陈特固 等, 2008)。
磨刀门河口地形滩槽分异明显, 口内有一系列的山丘、海岛, 岛屿之间有洪湾水道、磨刀门水道、白龙河水道和龙屎窟水道等。磨刀门水道主槽位于鹤洲和横琴岛之间, 呈NW—SE走向向海延伸(图1)。磨刀门河口洪季潮区界位于竹银站附近, 枯季咸水界位于灯笼山附近, 根据河口动力条件的差异, 将河口分为竹银-灯笼山的近口段、灯笼山-大横琴的河口段和大横琴以外的口外海滨段(李春初, 1997)。

1.2 主要人类活动

磨刀门河口近半个世纪以来的人类活动影响最为集中, 对其河口演变和水动力变化影响较大的人类活动主要有: 1959年完成的白藤湖海堤堵口工程、1975年围垦白藤湖工程即河湖“分家”工程、20世纪80年代开始的网河区大规模无序采砂活动、1983年开始的磨刀门口门治理工程及近期实施的防洪工程。白滕堵海工程使泥湾门水流改由鸡啼门入海, 极大减弱了磨刀门内海区西部和西北部的水流动力条件, 加快了西部滩地(白藤堤外滩地)的淤积速度(罗章仁, 1985), 对磨刀门水道和洪湾水道影响较小。
珠江三角洲大规模的河道采砂开始于20世纪80年代, 在20世纪80年代中期至90年代初期达到高峰, 2000年后渐止。珠江三角洲网河区1984—1999年采砂总量约为8.7×108m3, 相当于该区70~125年的自然淤积总量(罗宪林 等, 2002), 网河区河床由普遍缓慢淤积转为快速冲刷的“异变”, 河槽容积增大。1986—2003年间, 西江、北江和东江河床分别平均下切0.59~1.73m、0.34~4.43m和1.77~6.48m, 年平均水位下降1.59~3.12m(Luo et al, 2007), 其中西江马口-灯笼山河段1977-1999年间河道深泓线平均下切2.5m(Liu et al, 2019)。珠江三角洲无序采砂所致河床不均匀下切导致三角洲顶点西江马口站和北江三水站分流比出现变化, 西江马口站分流比在20世纪60到80年代时保持在84.7%~86.2%, 从1990—1992年开始下降, 1993年后大幅下降, 1997年达最低值73.8%, 之后又小幅回升, 但在1997—2005年均保持在78%以下(Luo et al,2007; Liu et al,2019)。
磨刀门水道采砂主要集中在珠海大桥以北, 1991—1994年(采砂高峰期)和1994—2000年(采砂禁止期)从“竹银至珠海大桥”24.4km河段分别挖河沙2.4×107m3和1.92×107m3, 年均每公里河道挖沙量分别为3.3×105m3和1.3×105m3(贾良文, 2005)。磨刀门水道珠海大桥以南河段采砂主要为1997年横洲水道北口左侧河床采砂1×107m3(图2), 为建设“洪湾北保税区”时吹填基础所用(贾良文, 2005)。1999年起, 水利部门对磨刀门实施疏浚、清障、护岸、控导等防洪工程措施, 疏浚工程包括: 磨刀门与洪湾水道分汊口段和交杯沙头部(图2), 其中前者疏浚量为5×106m3。
1983年起, 珠江水利委员会对磨刀门河口开始分期分批实施治理开发工程, 主要工程包括: 在直通横洲口门的干道上沿南北方向建造东、西两导堤, 东西导堤分别长9.6km和18.6km, 导堤距宽2.2~2.3km; 在洪湾水道内沿东西向建造南、北两支导堤, 南北两堤总长24.3km, 堤距宽500m; 同时封堵大二门水道。1992年磨刀门水道的东、西治导石堤和洪湾水道的支堤基本完工, 形成一主一支河道格局(图2)。磨刀门河口人工治导工程使原磨刀门内海区河道化, 原内海水域面积和蓄洪纳潮容积锐减, 面积由173km2降为37.8km2, 减小78.6%, 纳潮容积由2.7×108m3降为1.7×108m3, 减小37% (中山大学河口海岸研究所 等, 2006), 磨刀门河口纳潮能力下降。

2 材料与方法

2.1 资料及其来源

本文搜集了磨刀门河口大量的地形资料和水文资料。地形资料包括: 1977年海图(1∶75000)和2003磨刀门口地形图(1∶5000)。水文资料包括: 1960—2003年磨刀门河口竹银、灯笼山、大横琴和三灶四站的年平均高潮位、年平均低潮位和年均潮差数据, 数据来源于珠江水文年鉴和广东省水文局; 1977—2003年竹银、灯笼山、大横琴三站12月逐日高、低潮位, 数据来自珠江水文年鉴; 1982年3月竹银、灯笼山、大横琴、三灶四站逐日高、低潮位, 2003年12月竹银站逐日高、低潮位和马骝洲、挂定角、大横琴、三灶站逐时潮位, 高、低潮位数据来自珠江水文年鉴, 逐时潮位为中山大学近岸海洋研究中心实测数据。以上潮位数据均统一到珠江基面, 各潮位站位置见图1。

2.2 研究方法

本文研究方法包括对潮汐特征值的时间序列分析、潮位调和分析、基于ECOMSED水动力数值模拟的潮能通量计算。以下对时间序列分析方法和潮能通量计算方法做简要介绍。
2.2.1 潮汐特征值的时间序列分析
时间序列分析主要应用定性的滑动平均趋势分析法和定量的Mann-Kendall趋势检验法。
1) 滑动平均法趋势分析。连续水文数据由于受到复杂因素的影响而存在较大波动, 为找出时间序列的长期变化规律, 常用滑动平均法滤去资料中短周期的不规则变化(王文圣 等, 2008; 赵军凯, 2011)。时间序列经滑动平均处理后, 短于滑动长度的周期成分大大削弱, 长期变化趋势更明显。本文对潮汐特征值的时间序列应用五年滑动平均的方法。
2) Mann-Kendall 趋势检验法。Mann-Kendall (M-K法)是非参数统计分 析法, 亦称无分布检验。M-K趋势分析不需要样本遵从一定的分布, 也不受少数异常值的干扰, 适用于类型变量和顺序变量的趋势分析(黄锡荃, 1993; 张建云 等, 2007)。本文对潮汐特征值的整个时间序列和分阶段时间序列进行M-K趋势分析, 并对其进行置信度为95%的显著性检验, 通过检验的为具有显著趋势, 未通过检验的则趋势不显著。
2.2.2 潮能通量的计算
潮能通量是潮波在海洋或河口推进时, 单位时间通过单位宽度断面的潮能, 又称能通量密度(方国洪 等, 1994)。潮能通量可分解为相互正交的两个分量(Harari et al, 2003; Horrevoets et al, 2004):
$\left\{ \begin{matrix} & \psi \left( U \right)=\rho UD\left[ \frac{{{U}^{2}}+{{V}^{2}}}{2}+g\eta \right] \\ & \psi \left( V \right)=\rho VD\left[ \frac{{{U}^{2}}+{{V}^{2}}}{2}+g\eta \right] \\ \end{matrix} \right.$
其中, ψ为潮波单位时间通过单位宽度断面的能量, 其单位为J·s-1, ρ为水体密度, U、V为速度分量, D为水深, η为水面波动值, g为重力加速度。
磨刀门河口动力条件年内变化显著, 洪季受径流作用控制, 枯季潮汐动力较强, 故应用Ecomsed模型对整治工程前、后枯季的水动力进行模拟, 研究其潮能通量变化。整治工程前、后的模拟时段分别为1982年3月1日9时—15日9时和2003年12月1日10时—15日10时, 计算时间长度为28个潮周期。模型模拟的范围北起竹银, 南抵高栏岛, 东至大马骝洲岛, 西至鸡啼门, 南北长约53km, 东西宽约42km(图3)。模型网格采用正交曲线网格, 网格步长为500m左右, 对重点关注区域局部加密至100~200m。模型上游为竹银水位边界, 下游为半日分潮(M2、S2、N2、K2)和全日分潮(K1、O1、P1、Q1)调和常数合成的潮位边界, 各边界点调和常数根据桂山岛、高栏岛、三灶岛、大万山4点调和常数差值而得, 并选用灯笼山、大横琴、三灶、挂定角潮位数据进行验证(图4), 潮位相对误差小于5%, 拟合程度较好。
图3 Ecomsed模型边界点和验证点

Fig. 3 Ecomsed model boundary points and verification points

图4 Ecomsed模型潮位验证

Fig. 4 Tide level verification using Ecomsed model

3 结果

3.1 潮汐特征值变化

3.1.1 高、低潮位变化
近口段竹银站(图5)高潮位总体呈波动变化, 变化趋势不明显; 1960—1982年, 高潮位有明显的上升趋势; 1993—2005年, 高潮位有明显的下降趋势(表1)。竹银站低潮位总体呈波动减小的趋势,1960—1982年呈不显著的上升趋势, 1993—2005年低潮位大幅减小, 降幅达0.2m, 下降趋势显著(表1)。河口段灯笼山站(图5)高、低潮位总体上呈小幅波动上升趋势; 1960—1982年高、低潮位均呈上升趋势, 且低潮位上升趋势显著; 1983年以后, 出现高潮位上升、低潮位下降的趋势, 但趋势不显著(表1)。河口段大横琴站(图5)高、低潮位均呈显著的上升趋势, 1983—1992年低潮位上升幅度较大, 1993—2003年高潮位上升趋势显著(表1)。口外三灶站(图5)高、低潮位变化较一致, 呈显著的波动上升趋势, 其中高潮位1993—2003年间上升较显著, 但总体上低潮位上升幅度略大于高潮位。1983年前, 河口各段高、低潮位均呈现不同程度的上升趋势。1983—1992年, 河口整治段大横琴站高、低潮位均上升, 且低潮位上升显著。1993—2003年, 近口段高、低潮位显著下降, 且低潮位减幅较大; 河口段灯笼山站高潮位上升, 低潮位下降; 河口段大横琴站和口外三灶站高、低潮位均上升, 高潮位上升趋势显著, 大横琴站上升幅度较大。河口各段潮位的不同步变化使水面坡降发生变化, 1980年以来, 近口段和河口段各站间潮位差减小, 竹银和大横琴之间高、低潮位差分别减小0.1m和0.3m, 水面坡降减小, 潮波传播阻力减小。
图5 年平均高潮位和低潮位变化过程

Fig. 5 Variation of annual mean high water level and low water level

表1 潮汐特征值不同阶段的变化趋势

Tab. 1 Trend of tidal characteristic values at different stages

站点 潮汐要素 变化趋势
1960—1982 1983—1992 1993—2003 1960—2003
竹银 高潮位 增大 显著 减小 不显著 减小 显著 减小 不显著
低潮位 增大 不显著 减小 不显著 减小 显著 减小 显著
潮差 增大 不显著 增大 不显著 增大 显著 增大 显著
灯笼山 高潮位 增大 不显著 增大 不显著 增大 不显著 增大 显著
低潮位 增大 显著 减小 不显著 减小 不显著 增大 显著
潮差 减小 不显著 增大 不显著 增大 显著 减小 不显著
大横琴 高潮位 - - 增大 不显著 增大 显著 增大 显著
低潮位 - - 增大 显著 增大 不显著 增大 显著
潮差 - - 减小 显著 增大 不显著 减小 显著
三灶 高潮位 增大 不显著 增大 不显著 增大 显著 增大 显著
低潮位 增大 不显著 增大 不显著 增大 不显著 增大 显著
潮差 减小 不显著 减小 显著 增大 不显著 减小 显著

注: 大横琴站1975年前无数据, 故1960—1982年时段不作分析

3.1.2 潮差变化
磨刀门河口潮差从口外到口内逐渐减小, 不同河口分段的潮差变化规律各异(图6)。近口段竹银站, 1983年后潮差有小幅上升, 1993年后潮差显著上升, 1960—1992年和1993—2005年平均潮差分别为0.66m和0.74m, 后者增大0.09m。河口段, 灯笼山站潮差呈波动变化, 1993—2003年间潮差呈明显上升的趋势; 大横琴站1993年前平均潮差呈显著减小的趋势, 1993年后潮差有小幅回升; 大横琴站潮差的变幅较大, 1975—1983年间平均潮差为1.03m, 1983—1992年间平均潮差为1.0m, 1993—2003年间平均潮差为0.93m。口外海滨段三灶站, 年平均潮差1983—1992年间减小趋势显著, 但变化幅度不大。
图6 年平均潮差变化过程

Fig. 6 Variation of annual mean tidal range

3.2 潮汐调和常数变化

磨刀门河口主要潮汐分潮为M2、S2、K1、O1, 且以M2分潮为主, 其次为K1、O1分潮。选取潮汐动力较强的枯水期12月份的潮位资料进行调和分析, 分析不同年代主要分潮波振幅和传播速度变化。
3.2.1 分潮振幅变化
从分潮振幅年际变化来看, M2分潮振幅1977—1993年逐渐减小, 但1993年后变化不大; S2、K1、O1分潮振幅则均呈波动变化, 1993年达最小值, 1993—2002年增大(表2)。从沿程衰减幅度来看, 半日分潮衰减较全日分潮快, 河口段仅S2分潮衰减较快, 近口段则各分潮均有显著衰减, 且衰减程度随时间呈小幅波动下降趋势。
表2 各站潮汐分潮振幅(单位: cm)变化

Tab. 2 Amplitude variation of tidal components at each station. Units: cm

站位 分潮 1977年 1983年 1987年 1993年 2002年
竹银 O1 20.7 22.3 24 17.9 22.4
K1 28.7 29.8 30.4 26.2 28.2
M2 34.2 30.9 30.7 27.8 28.2
S2 11.3 13.3 12.8 8.1 10.5
灯笼山 O1 25.6 25.7 29.1 21.4 26.1
K1 34.3 34.6 33.8 30.8 31.7
M2 42.3 38.1 38.3 35.1 34.7
S2 14 16.9 13 11.2 12.5
大横琴 O1 26.1 27.2 28.7 23.4 27.9
K1 35.1 36.9 37.1 32.4 32.7
M2 43.7 42 41.7 38.7 37.3
S2 17.8 21.3 19.1 14.4 14.9
3.2.2 分潮传播速度变化
根据迟角差计算大横琴-灯笼山、灯笼山-竹银各主要分潮的传播时间(表3), 半日分潮传播速度较全日分潮大, 河口段不同年代的传播速度变化较大, 近口段则变化不大, 故重点讨论分潮振幅占比较大的M2、K1分潮在河口段传播速度变化。河口段1977—1983年M2、K1分潮传播时间分别增加0.44、0.6h; 1983—1993年分潮传播时间减小, 其中1987—1993年减小幅度大, M2、K1分别减少0.44、0.75h; 1993—2002年变化不明显。1983年前, 潮波传播速度减慢为河口向海自然延伸、口门潮汐动力渐缓所致; 1993年分潮传播速度较1987年明显增加, 与整治工程使宽阔内海区变为狭窄水道有关。
表3 不同年代各分潮的传播时间(单位: h)

Tab. 3 Propagation time of tidal constituents in different years. Units: h

河口分段 分潮 1977 1983 1987 1993 2002
灯笼山-竹银
(近口段)		 O1 1.55 1.19 1.21 1.41 1.21
K1 1.38 1.09 1.15 1.22 1.22
M2 1.02 0.74 0.93 0.87 0.87
S2 1.08 0.79 0.74 0.77 0.68
大横琴-灯笼山
(河口段)		 O1 1.93 2.24 1.72 1.01 0.85
K1 1.23 1.83 1.66 0.91 0.95
M2 0.87 1.31 1.15 0.71 0.69
S2 0.57 1.09 0.57 0.56 0.32

3.3 潮能通量变化

潮波在河口中传播时, 受到非线性摩擦和径流耗能、河口截面变窄所致潮能辐聚作用, 二者的相对大小决定潮能通量的增减, 潮能通量以涨潮流方向为正, 落潮流方向为负(Horrevoets et al, 2004; 蒋陈娟, 2008)。应用Ecomsed模型对整治工程前(1982年)、后(2003年)枯季的水动力进行模拟, 计算典型断面潮能通量(图7)。
图7 整治工程前后枯季潮能通量(单位: ×103J·s-1)分布

Fig. 7 Tidal energy flux distribution before and after regulation project. Units: ×103J·s-1

整治工程前, 磨刀门口外各潮汐通道的潮能通量由强到弱依次为: 大横琴-三灶断面、洪湾水道(上沟)和大二门水道。潮波由潮汐通道进入内海区, 由于非线性摩擦和径流耗能, 潮能通量减小; 挂锭角-灯笼山以截面大幅缩减所致潮能辐聚为主导, 潮能通量增大; 灯笼山-竹银以径流和摩擦耗能占主导, 潮能通量减小。
整治工程后, 磨刀门河口各潮汐通道的潮能通量由强到弱依次为: 磨刀门水道、十字门水道和白龙河水道。潮波由口外进入磨刀门水道和白龙河-鹤洲水道时, 由于前者水深远大于后者, 潮波主要由前者传入。磨刀门水道入口处由于河口截面突然缩窄使得潮能通量突然增大, 潮波向上游传播时由于摩擦和径流耗能潮能通量逐渐减小; 潮波进入十字门水道后, 潮能通量减小, 进入洪湾水道后, 潮能通量进一步减小, 其中洪湾水道上段以落潮流占优势、潮能通量为负值。
整治工程实施前后, 磨刀门河口潮能分布出现显著变化。整治工程使宽阔内海区成为导堤控制的水道, 河口纳潮量大幅下降, 大横琴-三灶断面潮能通量降低57.5%, 口外潮汐动力减弱; 河口段河床断面突然缩窄所致潮能辐聚处由灯笼山下游附近下移至磨刀门水道出口处, 河口整治段潮能通量增大, 灯笼山-竹排沙尾潮能通量减小; 竹排沙以上潮能通量增大, 潮汐动力增强。

4 讨论

以上结果分析表明磨刀门河口不同河段潮汐动力呈现不同步的异变, 为河口自然演变、人类活动以及外海潮汐多年变化和海平面上升综合作用的结果。三灶站处于口外海滨, 高、低潮位变化过程与口外大万山站年平均海平面变化总体趋势一致, 但上升幅度小于大万山站(图8), 故其潮汐动力主要受外海潮汐长期变化和海平面上升的影响。对于口内近口段和河口段, 河口整治段大横琴站的潮位变幅远大于三灶站, 而上游灯笼山站和竹银站自20世纪80年代以来并非呈现单调上升趋势, 表明人类活动对近口段和河口段潮汐动力影响较大。已有研究成果指出: 珠江三角洲网河区无序采砂所致西江分流比减小导致磨刀门河口径流动力减弱, 潮汐动力加强(Zheng et al, 2014; Yuan et al, 2015); 西江网河区采砂所致河床大规模下切导致余水位坡度大幅变缓, 坡度变缓导致潮波传播所受有效摩擦减小, 潮波衰减作用减弱, 潮汐动力增强(Cai et al, 2018; 张先毅 等, 2019); 河口整治工程加速水位抬升, 使河口整治段断面平均径流流速增大, 减弱河口潮汐动力(贾良文 等, 2007)。
图8 三灶站年平均高、低潮位与大万山年平均海平面变化过程

图中各数据均以1984年数据作为零点, 大万山数据来自魏晓宇 等(2010)

Fig. 8 Variation of annual mean high water level, low water level of Sanzao and annual mean sea level of Dawanshan

1983年前, 人类活动影响较小, 近口段和河口段潮位抬升、潮差减小、潮波传播速度减慢, 为径流优势型入海水道向海延展的自然演变结果。1983—1992年, 河口整治段高、低潮位上升, 但低潮位上升幅度更大, 潮差减小, 潮波传播速度加快, 为磨刀门整治工程使水道向外延伸和承洪纳潮的内海区消失的双重作用所致。1993年后, 近口段高、低潮位下降, 主要与挖沙所致河床下切有关, 低潮位减幅较大是因为其对河床变化更为敏感; 河口段高、低潮位上升, 且整治段变化更为显著, 为整治工程导堤建设使径流动力向海推进所致; 近口段和河口段潮差增大, 潮汐动力有所增强, 这与西江网河区顶点马口站分流比减小和网河区大规模采砂引起的河床下切、满槽容量增大有关。
外海潮汐多年变化和海平面上升是河口潮汐动力变化的重要驱动力之一, 本研究未能将外海潮汐多年变化和海平面上升对河口不同段潮汐动力的影响从人类活动影响中分离出来, 外海潮汐多年变化和海平面上升对磨刀门河口潮汐动力的影响有待进一步研究。

5 结论

20世纪80年代以前, 磨刀门河口总体上呈现出高、低潮位缓慢上升、潮差逐渐减小的趋势, 潮汐动力变化呈现出径流优势型入海口门水道向海延展的自然演变趋势。20世纪80年代以来, 磨刀门河口潮汐动力受到网河区无序采砂和磨刀门整治工程的双重影响, 前者使西江网河区顶点分流比减小、满槽容量增大、水位下降、潮汐动力增强, 后者使河口快速向海延伸、水位上升、潮汐动力减弱。由于河口不同段受到人类活动以及外海潮汐多年变化和海平面上升的干扰程度不同, 其潮汐动力变化呈现出不同特征。
近口段受网河区采砂影响较大, 1993年后高、低潮位显著下降, 潮差显著增大, 主要分潮振幅增大, 潮能通量增大, 潮汐动力增强。河口段受网河区采砂和磨刀门整治工程的影响均较明显, 河口整治段则受整治工程的影响较大, 高、低潮位明显上升, 低潮位的上升幅度较大; 整治工程实施期间(1983—1993), 原宽阔的内海区变为由导堤控制的狭窄水道,河口纳潮量减小, 河口段潮差减小、主要分潮振幅减小, 潮汐动力减弱, 但潮波传播速度加快; 整治工程后(1993—2002), 受网河区采砂影响较大, 河口段潮差增大、主要分潮振幅增大, 潮汐动力增强, 潮波传播速度进一步加快, 潮能通量增大。口外海滨段受全球海平面上升影响, 高、低潮位均呈显著的波动上升趋势, 整治工程实施期间潮差有小幅下降, 潮能通量减小, 潮汐动力减弱。

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