珠江河口水下三角洲冲淤演变分析

胡煌昊，徐 阳，官明开，蒋齐嘉

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.四川农业大学水利水电学院，雅安625014）

珠江河口水下三角洲冲淤演变分析

胡煌昊1，徐 阳1，官明开1，蒋齐嘉2

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.四川农业大学水利水电学院，雅安625014）

基于历史地形数据，建立珠江河口水下三角洲数字高程模型分析近期的水下地形变化。并分析上游径流来沙和人类工程活动对河口区水下地形冲淤演变的影响。结果显示在20世纪60年代到2000年左右期间，水下三角洲地形基本处于淤积状态，只有深槽等局部区域发生冲刷。20世纪90年代期间，黄茅海水域和伶仃洋水域的淤积强度有减弱的趋势，而鸡啼门水域淤积强度增强，磨刀门水域表现为滩淤槽冲的状态。上游径流来沙除伶仃洋水域外都表现出减少的趋势，一定程度上减弱了这些区域的淤积强度。而人类活动如土地围垦，航道整治对河口区水下地形的变化有十分重要的影响。

珠江河口；水下三角洲；地形变化；数字高程模型；人类活动

河口水下三角洲是整个海岸带动力作用最为活跃的地带。浅滩和深槽在动力条件的变化中发生冲刷或淤积，同时水动力条件又在滩槽的发展中发生变化，滩槽冲淤与动力条件相互适应而趋向平衡发展。因此掌握河口水下三角洲的冲淤演变规律，了解演变原因才能对河口未来的发展趋势进行预测，从而更好地保护和开发河口。河口水下三角洲冲淤演变最根本的原因在于沉积物的减少或是增多，影响沉积物变化的因素包括沉积物来源和沉积特征的变化、动力条件的改变以及挖沙、围垦等人类活动的影响。其中人类活动不仅能直接改变河口水下三角洲地形，还可以通过改变河口动力条件而间接长久地影响水下三角洲的冲淤演变。近年来，珠江河口地区人类活动较为剧烈，上游水库建设［1］、滩涂围垦［2］、航道整治［3］、挖沙［4］等多项工程的开展，对于河口演变的影响已经显著于河口的自然演变过程，使得河口水下三角洲的变化更为复杂。利用GIS软件通过离散点高程数据经空间插值建立的数字高程模型（DEM）是一种新兴的研究方法，An⁃tonio等［5］基于河口地形数据建立了西班牙东南部Adra河口1876年和2002年的DEM模型，进行了河口冲淤变化的计算分析，并讨论了气候变化和人类活动对河口演变的影响。本文基于历史地形数据，利用ArcGIS软件建立不同年代DEM模型，研究珠江河口水下三角洲的冲淤变化过程。

1 区域概况

珠江河口位于我国广东省东南近海。上游珠江流域主要由西江、北江和东江三大水系组成，其中西江水沙量居主导地位。珠江下游经崖门、虎跳门、鸡啼门、磨刀门、横门、洪奇门、蕉门和虎门共八大口门注入我国南海。在口外形成黄茅海水域、鸡啼门水域、磨刀门水域和伶仃洋水域（图1）。黄茅海水域位于珠江河口西南部，是崖门和虎跳门口外的喇叭形河口湾。鸡啼门水域位于黄茅海东侧，其鸡啼门是珠江八大出海口门中较小的一个，且其径流量在珠江八大口门中所占比例也很小。磨刀门的入海水沙通量在珠江口八大口门中均居首位，磨刀门水道也是珠江三角洲的首要泄洪通道和输沙出海通道。伶仃洋水域位于珠江口东部，上游来水包括西江、北江大部分径流和东江的全部径流，分别自横门、洪奇门、蕉门和虎门入海。珠江河口总体属于弱潮河口类型，只有崖门与虎门属于强潮弱径型河口，潮汐类型主要为不规则半日混合潮。

2 数据和研究方法

本文地形数据资料是珠江河口水下三角洲20世纪60～70年代、80年代、90年代以及2000年左右的海图资料。由于研究区域范围较大，所获得的整体数据是由相近年份的不同分区的数据而组成，所以在定义数据资料的时间时用大概的时间范围进行描述。通过对海图资料进行扫描、配准、建立图形文件、屏幕数字化、属性录入的数字化处理，得到矢量水下地形数据。为方便矢量数据的处理分析，对基准面和坐标系进行统一化处理，将基准面统一到珠江基准面，坐标统一采用UTM-WGS84坐标。通过对水下地形数据资料处理得到地形数据点的AutoCAD矢量文件，由于三个年代的数据点范围不同，为方便下一步对数字高程模型的冲淤计算和分析，对数据点范围边界进行处理。其中，各年代的陆地边界采用扫描得到的数据；水边界根据研究区域范围，确定共同的边界。利用ArcGIS软件的ArcInfo软件系统建立珠江河口水下数字高程模型（DEM）。首先将处理后的AutoCAD的数据点、岛屿轮廓线和边界线转换成ArcGIS所要求的shapefile格式。然后利用其3D Analysis工具，分别生成不同年代的水下三角洲DEM模型，作为之后研究水下地形冲淤变化的平台。

图1 珠江口地理信息Fig.1 Geographic information of the Pearl River Estuary

3 冲淤演变分析

3.1 水下三角洲地形变化

利用DEM模型分析珠江河口水下地形地貌格局，以2000年地形下的DEM模型为例（图2），可以看出从沿岸到湾内再到外海，海床高度逐渐降低，河口湾内滩槽相间格局明显。为更详细地分析水下地形变化，将不同年代DEM模型进行处理，并将整个研究区域划分为黄茅海水域、鸡啼门水域、磨刀门水域和伶仃洋水域分别研究。

图2 珠江河口2000年左右水下DEM模型Fig.2 The underwater DEM of the PRE around 2000

3.1.1 黄茅海水域

黄茅海水域水下地形呈三槽四滩格局，分别是西滩、西槽、拦门浅滩、主槽、东滩、东槽和大海环浅滩。在20世纪90年代之前，西滩表现为淤积状态（图3-a），而在20世纪90年代后西滩顶部有超过1 m的冲刷（图3-b）。西滩整体上一直向西槽淤展使得西槽变窄。拦门浅滩整体变化不明显，处于一个动态平衡状态（图3）。主槽上部在20世纪90年代前淤积超过2 m，其余部分则发生了轻微的冲刷，而在20世纪90年代后主槽上部有超过1 m的冲刷（图3-a，图3-b）。从20世纪60年代到00年代整个研究时期内，主槽上部有所淤积，中下部一直保持冲刷状态（图3-c）。东滩在20世纪90年代前北部淤积深度达到5 m，20世纪90年代后东滩淤积明显减弱（图3-a，图3-b）。整个研究时期内，东滩有超过5 m的淤积（图3-c）。东槽在20世纪90年代前为淤积状态，20世纪90年代后则转为冲刷状态。大环海浅滩的泥沙淤积在20世纪90年代后减弱且有北移的趋势，局部地区出现冲刷。黄茅海水域群岛在20世纪90年代前后由冲刷状态转变为淤积状态（图3）。

3.1.2 鸡啼门水域

鸡啼门水域地貌结构较为简单，从上到下依次是水道区，漏斗湾区和湾外区，有一条南向主槽。整个区域在20世纪90年代后发生了大规模的淤积（图3）。水道区主槽在20世纪90年代前有所冲刷，但在20世纪90年代后淤积超过2 m。在漏斗湾区内，2000年左右时主槽所在的位置以东，原60～70年代时主槽所在的位置表现为1～2 m的淤积，说明了主槽有向西岸移动的变化趋势。漏斗湾水域在90年代基本上表现为冲转淤或者淤积增强的状态。湾外区拦门沙在20世纪90年代前表现为0～0.5 m的淤积，而在20世纪90年代的十年间表现为0.2～2 m的淤积，淤积增强。20世纪90年代高栏岛沿岸有0～2 m的淤积，越向岸边淤积越强。总体上湾外区表现为淤积增强的状态。

图3 黄茅海和鸡啼门水域冲淤变化（后一时期水深减去前一时期水深）Fig.3 Bathymetric changes(depth of later time minus that of the previous time)in Huangmao Bay and Jitimen water area

3.1.3 磨刀门水域

磨刀门水域逐渐从内海浅滩演变成三角洲平原，主要有磨刀门水道和白龙河水道。20世纪90年代以前，磨刀门水道冲刷超过1 m，白龙河水道淤积超过2 m，拦门沙为淤积状态并向海淤展（图4-a）。20世纪90年代以后，白龙河水道南部浅滩有超过1 m的淤积，磨刀门水道则继续变深（图4-b）。整个时期内，磨刀门水道变深但白龙河水道变浅，水域西部有超过2 m的淤积，同时拦门沙有轻微的淤积并向外淤展（图4-c）。

图4 磨刀门水域冲淤变化（后一时期水深减去前一时期水深）Fig.4 Bathymetric changes(depth of later time minus that of the previous time)in Modaomen water area

3.1.4 伶仃洋水域

图5 伶仃洋水域冲淤变化（后一时期水深减去前一时期水深）Fig.5 Bathymetric changes(depth of later time minus that of the previous time)in Lingding Bay water area

伶仃洋水下地形呈三滩两槽格局，分别是西滩、西槽、中滩、东槽和东滩。西部浅滩因为冲刷和淤积的共同作用，形成了次级水道，次级水道形成于洪奇门东南端和蕉门南部（图5）。伶仃洋水域西滩在20世纪90年代前整体有大约1 m的淤积，20世纪90年代后则发生了强烈的冲刷（图5-a，图5-b）。整个时期内，西滩除次级水道以外总体上变浅（图5-c）。西槽在20世纪90年代前为冲刷状态，上部和中部冲刷大于1 m，下部冲刷较小（图5-a）。90年代后，西槽上部和下部变得更深，尤其是顶端川鼻水道的位置也有冲刷发生（图5-b）。整个时期内，西槽维持在冲刷状态（图5-c）。中滩在20世纪90年代前表现出淤积的特性，其东南部有超过2 m的显著淤积，西部和内伶仃岛东部则有一定程度的冲刷（图5-a）。20世纪90年代以后，中滩东南部继续保持淤积的状态（图5-b）。整个时期内，中滩向东南方向淤展（图5-c）。20世纪90年代以前，东槽中部和下部有冲刷，上部有淤积（图5-a）。20世纪90年代以后，东槽中部有淤积，上部有不到1 m的冲刷，下部则有冲有淤，冲淤变化超过2 m（图5-b）。整个时期内，东槽总体变深，上部有淤积，下部则有冲有淤（图5-c）。东滩大体上保持一个动态平衡的状态（图5）。

图6 珠江口-10 m等深线内泥沙冲淤体积变化Fig.6 Sediment volume changes of the Pearl River Estuary above-10 m isobath

3.2 地形变化原因

3.2.1 上游来沙

珠江含沙量小，但径流量大，每年进入网河三角洲的泥沙约有15%落淤［6］，其余85%输出口外，所以年均入河口泥沙通量仍较大。其中西江含沙量最大，是河口的主要泥沙来源。20世纪90年代以来随着珠江流域中上游大中型水库的建设以及网河区大规模的采砂活动，珠江网河区的来沙量逐渐减小［7］。到2000年以后，珠江上游来沙量仅有40.70×106t/a，大约是1980年的一半［8］。但由于三水马口的分水分沙比自20世纪80年代末以来呈上升趋势，东四口门的水沙分配比增大，使得伶仃洋水域上游径流来沙有所增加［9］。因此20世纪90年代以后珠江口除伶仃洋水域外的其它水域上游径流来沙都有大幅度减少。ArcGIS的3D Analysis计算结果显示，黄茅海水域、鸡啼门水域、磨刀门水域，伶仃洋水域和外海的-10 m等深线内水域的泥沙淤积速率分别由20世纪90年代前的6.33×106m3/a，4.63×106m3/a，-3.16×106m3/a，23.69× 106m3/a和-0.62×106m3/a变化为20世纪90年代后的2.89×106m3/a，2.74×106m3/a，-1.44×106m3/a，9.98×106m3/a 和17.83×106m3/a。发现磨刀门水域的冲刷减弱以及-10 m等深线内水域整体淤积增强的结果与上游来沙量减少的预期变化并不完全相符，而伶仃洋水域的淤积减弱与该水域的上游来沙量增加的预期变化也不符合，说明上游来沙变化不是珠江口地形冲淤变化的主导因素。

图7 1973，1995，1999和2007年珠江河口西部水域遥感图像（虚线部分为围垦区域）Fig.7 Remote sensing images of the western region of the PRE in 1973，1995，1999 and 2007

3.2.2 人类工程活动

部分人类工程活动可以通过不同时段卫星遥感图像识别，如土地围垦，堤坝建设。

黄茅海水域围垦工程的开展（图7），使水域过水断面缩窄，水流集中于主槽下泄，尤其西岸上凸下凹岸线的形成，使得落潮流动力增强，所以西滩淤积程度减弱。同时西滩向东南淤展，造成西槽北段出现萎缩。主槽作为主要的落潮冲刷槽，是整个河口湾动力最强劲的区域，但由于湾顶区域是入河口悬沙的主要沉积区域，所以在20世纪90年代前主槽中上段是呈淤积状态的，而中下段仍然是冲刷的。20世纪90年代期间随着泥沙通量的减小，尤其是在崖门出海航道整治后，主槽下泄动力增强，所以整体冲刷显著增强。两岸围垦等工程的建设，使水流更加集中于主槽下泄，冲刷保持较稳定状态。黄茅海东岸围垦后，凹形岸线形态变得较为平顺，改善了涨潮流的上溯情况，涨潮流动力加强，海域带来的泥沙沉积北移。东岸岸线围垦后变得更为平顺，从而改善了沿岸的涨落潮流态，水流更加顺畅，大大减轻了东滩和大海环浅滩上多处因回流和缓流造成的淤积，涨潮流动力的增强使海域带来的泥沙沉积北移。高栏—南水连岛大堤建成后，东槽主要受到东口潮汐射流作用，涨潮流动力强劲，改变了该区域轻度淤积的水动力环境，东槽冲刷增强。

鸡啼门上游围垦工程使白藤湖与河道分离后，河口纳潮量减小，潮汐动力减弱，为河口淤积创造了条件。高栏—南水连岛大堤建成后切断了东西向的沿岸流通道（图7），减弱了鸡啼门水域的动力条件，尤其是高栏岛以北区域，泥沙更易淤积。三灶岛北部围垦堵控大门水道后，来自大门水道的径流动力完全消失，漏斗湾东部淤积增强，深槽也有向西摆动的趋势。

磨刀门水域随着20世纪70～90年代鹤州浅滩的围垦（图7），过滩水流减小，白龙河径流动力条件减弱，逐渐淤积，尤其越往下游水道断面增宽，越容易淤积［10］。20世纪90年代至21世纪初期，三灶岛北部区域围垦，水沙集中于缩窄的白龙河水道，经龙屎窟下泄入海，径流的冲刷作用稍微增强。同时下泄挟沙水流从龙屎窟入海后遇到南侧的西汊水流，流速降低，泥沙易沉降，所以龙屎窟南部仍存在淤积趋势。主要航道的整治，改变了工程前径流水沙在内海湾扩散、主槽水流不集中的状态，而使得径流水沙主要集中在两个主要水道，拦门浅滩处淤积减弱。

图8 1979，1990，2000和2005年伶仃洋水域遥感图像（虚线部分为围垦区域）Fig.8 Remote sensing images of Lingding Bay water area

伶仃洋水域围垦工程的开展（图8），使伶仃洋逐渐形成大喇叭型河口形态，水流更加顺畅，川鼻水道缩窄，水流集中，挟沙能力增强，川鼻水道和西槽冲刷变强。同时万顷沙和鸡抱沙区域的围垦，加强了虎门潮汐通道的落潮动力，却削弱了其涨潮动力，使动力中心向下游移动。上述原因使得从内伶仃洋向外输出的泥沙增多，而不利于海域来沙的向内输移，减少了内伶仃洋的淤积，这也是20世纪90年代后西滩由淤转冲的原因。随着动力中心下移，泥沙淤积带也随着南移，所以中滩表现为东南向扩展。东槽主要受潮流作用，径流作用较弱，下游的暗士顿水道是主要的涨潮流通道，具有冲刷的特性，上段是下泄径流和涨潮流的交汇区，容易淤积，所以总体上东槽上段淤积下段冲刷。20世纪90年代期间，伶仃洋大喇叭形河口形态的形成增大了水流动力强度，东槽在上段出现冲刷，中段表现为淤积。此外，广州出海航道的整治也加强了西槽的动力和冲刷强度。

4 结论

基于历史地形数据，通过ArcGIS软件的ArcInfo平台建立各年代的水下DEM模型，详细分析近几十年珠江河口水下三角洲地形的冲淤变化。结果显示黄茅海水下三角洲在总体上呈现出淤积强度减弱的淤积变化趋势。鸡啼门水域水下三角洲总体上表现为淤积增强的变化趋势。磨刀门水域冲淤变化较为复杂，深槽区域基本呈现出冲刷状态，而拦门沙浅滩和近岸边滩多表现为淤积状态。伶仃洋水域水下三角洲淤积强度减弱，除西滩由淤转冲外，基本表现为滩淤槽冲的状态。

从河口自然条件来看，径流来沙是珠江河口淤积的主要泥沙来源，径潮动力交汇为河口创造了基本的淤积环境。近年来上游径流来沙逐渐减少，减弱了河口的淤积强度。人类活动影响方面，围垦等工程的建设导致岸线快速向海推进，使得整体水域面积的减小，从而下泄流动力加强而冲刷主槽，同时航道整治工程的建设更加剧了主槽的冲刷。本文认识珠江河口近期地形变化有重大意义，不仅能帮助了解珠江河口水下三角洲的冲淤演变规律，还有助于数学模型对于该地区未来演变的预测。

参考文献：

［1］戴仕宝，杨世伦，蔡爱民.51年来珠江流域输沙量的变化［J］.地理学报，2007，62（5）：545-554. DAI S B，YANG S L，CAI A M.Variation of sediment discharge of the Pearl River Basin from 1955 to 2005［J］.Journal of Geo⁃graphical Sciences，2007，62（5）：545-554

［2］陈小文，刘霞，张蔚.珠江口滩涂围垦动态及其影响［J］.河海大学学报，2011，39（1）：39-43. CHEN X W，LIU X，ZHANG W.Shore reclamation in Pearl River Estuary and its impact analysis［J］.Hohai Univ.Nat.Sci. 2011，39（1）：39-43.

［3］张蔚，严以新，诸裕良，等.人工采沙及航道整治对珠江三角洲水流动力条件的影响［J］.水利学报，2008，39（9）：1 098-1 104. ZHANG W，YAN Y X，ZHU Y L，et al.Impact of sand excavation and waterway regulation on hydrodynamics of Pearl River net⁃works［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2008，39（9）：1 098-1 104.

［4］Luo X L，Zeng E Y，Ji R Y，et al.Effects of in⁃channel sand excavation on the hydrology of the Pearl River Delta，China［J］.Jour⁃nal of Hydrology，2007，343：230-239.

［5］Antonio J，Francisco J，Antonio A，et al.Human⁃driven coastline changes in the Adra River deltaic system，southern Spain［J］. Geomorphology，2010，119（1-2）：9-22.

［6］杨明远，严以新，孔俊，等.珠江口水流泥沙运动模拟研究［M］.北京：海洋出版社，2008：9-20.

［7］Zhang W，Wei X Y，Zheng J H，et al.Estimating suspended sediment loads in the Pearl River Delta region using sediment rating curves［J］.Continental Shelf Research，2012（38）：35–46.

［8］Zhang W，Mu S S，Zhang Y，et al.Temporal variation of suspended sediment load in the Pearl River due to human activities［J］. Int.Sediment Research，2011（26）：487-497.

［9］胡德礼，杨清书，吴超羽，等.珠江网河水沙分配变化及其对伶仃洋水沙场的影响［J］.水科学进展，2010，21（1）：69-76. HU D L，YANG Q S，WU C Y，et al.Changing water and sediment dynamics in the Pearl River network and consequences on wa⁃ter and sediment regimes in the Lingdingyang estuary［J］.Advances in water science，2010，21（1）：69-76.

［10］梁娟，李春初，人类活动影响下磨刀门河口的泥沙输运沉积［J］.泥沙研究，2010（3）：67-72. LIANG J，LI C C.Tendency of sediment transport and sedimentation in the Modaomen Estuary under influence of human activi⁃ties［J］.Journal of Sediment Research，2010（3）：67-72.

Analysis on morphological evolution of underwater delta in the Pearl River Estuary

HU Huang⁃hao1,XU Yang1,GUAN Ming⁃kai1,JIANG Qi⁃jia2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Sichuan Agricultural University,Ya′an 625014,China）

Underwater Digital Elevation Models(DEM)of the Pearl River Estuary were built based on the his⁃torical bathymetric charts to analyze quantitatively morphological changes of underwater delta.The impacts of sedi⁃ment supply and human activities on morphological evolution of underwater delta were analyzed.During the period between 1960s and 2000s,the results suggest that the PRD experienced a major stage of accretion,with net erosion only in some local zones such as deep channels.During the 1990s,sedimentation in Huangmao Bay water area and Lingding Bay water area showed a decreasing trend,but increased in Jitimen water area.And Modaomen water area was in a state that shoals silted and deep troughs scoured during the 1990s.Sediment supply from upstream de⁃creased except Lingding Bay water area,which led to a weakening trend of sediment deposition in these regions.Hu⁃man activities such as land reclamation and waterway regulation have significant impacts on morphological evolu⁃tion of underwater delta.

Pearl River Estuary;underwater delta;morphological changes;Digital Elevation Model;human ac⁃tivities

TV 148

A

1005-8443（2016）06-0593-06

2016-04-25；

2016-07-05

胡煌昊（1992-），男，广东省韶关人，硕士研究生，主要从事河口水动力学研究。

Biography：HU Huang⁃hao（1992-），male，master student.