伶仃洋水沙变化及对铜鼓航道回淤的影响研究

(珠江水利科学研究院，广东广州510611)

铜鼓航道是深圳西部港区重要的出海航道，穿越伶仃洋中滩南侧铜鼓浅滩，长16 km(图1)，位于粤港澳大湾区环珠江口核心区，在推动湾区内核心枢纽港发展、强化世界级大港强港方面具有重要意义。铜鼓航道一期工程从2004年底动工，2007年12月19日竣工并开始试通航，2010年1月1日正式验收通航。

铜鼓航道位于伶仃洋“三滩两槽”地貌格局中的中滩(图2)，属于虎门潮汐通道动力沉积体系与陆架水入侵动力趁机体系之间的过渡地带[1]。径流、潮汐、波浪动力相互作用过程复杂。在铜鼓航道前期论证当中，秦崇仁、张金凤对铜鼓浅滩泥沙在波浪、潮流共同作用下起动、运移形态进行了试验研究，认为铜鼓浅滩泥沙具有典型的淤泥质泥沙的运移特征，波、流共同作用下，泥沙以悬移质形态运移，少有推移质泥沙运移[2]。林健、杨树森(1996)根据伶仃洋铜鼓海区的水流、泥沙实测资料和水下地形图分析，认为铜鼓航道区波浪掀沙能力低，计算铜鼓航道的年淤积量为103～131万m3,年平均淤强为0.33～0.42 m[3]。康苏海等(2003)应用潮流泥沙物理模型试验研究了铜鼓航道泥沙问题，结果铜鼓西航道年回淤120万m3左右，铜鼓中航道100万m3左右[4]。

2008—2009年铜鼓航道5次水下地形测量资料分析显示，年平均回淤量约为573万m3，平均年淤强为0.82 m，试运行期间实测回淤量远大于预期。贾雨少、何杰、辛文杰(2011)分析了伶仃航道的回淤特征[5]，但对于其回淤成因未进行深入探讨。本文通过对近20 a来伶仃洋水动力变化分析，探讨铜鼓航道泥沙来源变化及回淤成因。

1 伶仃洋水沙动力条件变化分析

1.1 径流动力变化分析

伶仃洋是一个呈NNW—SSE方向的喇叭形河口湾，汇集虎门、蕉门、洪奇沥和横门4个口门的径流。水下地形西北高、东南低，水深从湾内向湾口逐步增加。湾内浅滩和深槽相间，自西向东有西部浅滩—伶仃水道—中部浅滩(矾石浅滩)—矾石水道—东部浅滩，水下地形构成三滩二槽结构(图2)。各口门不同年代分流比见表1，尽管不同年代之间分流比存在一定的波动，但总体上东四口门多年平均分流约占58%，为珠江河口最主要的承洪纳潮通道。近十年来，随着河道无序挖沙得到有效控制，河道分流比基本保持稳定。

表1 八大口门断面水量分配比年际变化 %

注：20世纪80、90年代资料采用广东省水电设计院计算的分配比；1999—2007年为实测资料，采用三水、马口逐级分配水量分配比

径流输沙方面，根据西江高要、北江石角、东江博罗水文站资料统计，进入珠江三角洲的多年平均流量数十年来一直保持9 020 m3/s，但多年平均年输沙量却呈现显著减少趋势，2000年以后多年平均输沙量仅为3 670万t，较输沙峰值期20世纪80年代减少了52.9%(表2)。据《珠江三角洲综合利用规划报告》统计，每年进入珠江三角洲的泥沙约有80%输出口门外，约20%留在网河区内。珠江河口八大口门多年平均输沙量占比见表3，以此估算进入伶仃洋河口湾的径流年输沙量约为1 400万t。铜鼓航道年淤积量573万m3，相当于伶仃洋总体的径流输沙量。

表2 珠江三角洲多年平均流量及输沙量

1.2 潮汐动力

伶仃洋潮汐类型属不正规半日潮混合潮型，日不等现象明显，湾口潮差较小、湾顶附近最大的分布特征，已有较多的研究及论述[6-7]，不再赘述。本次潮汐分析主要调查铜鼓航道所在外伶仃洋断面横向潮汐差异，以及由此对铜鼓航道回淤产生的影响。

表3 八大口门多年平均输沙占比 %

注：东四口门、西四口门输沙量占比和分别为47.7%、52.3%

根据2013年7月铜鼓航道定点潮汐观测，潮汐近似驻波，在平均潮位附近流速最大，而在高、低潮位附近流速最大(图3)，最大落潮流速近1.3 m/s，最大涨潮流速0.79 m/s。从淇澳岛—内伶仃—赤湾断面3站同步实测潮位过程来看，东侧赤湾站涨、落潮时刻较西侧淇澳岛站提前约1～2 h。从伶仃洋东、西岸同步潮位来看，内伶仃岛测站始终高于赤湾站，最大水位差0.23 m，即使是在大潮期间，内伶仃岛与赤湾站之间的潮位差始终在10 cm以上。远大于20世纪90年代末的5～6 cm水位差(图4)。

2008年7月实测流速结果显示，伶仃水道下段涨潮平均流速大于落潮平均流速，表层为落潮优势流，中、底层均为涨潮优势流，反映近年来伶仃航道疏浚挖深，经伶仃水道上溯的潮流动力增强。即潮汐动力增强表现为2个方面：一是西槽上溯潮流增强；二是径流、潮汐共同作用下，伶仃洋东西岸横向水位差增大。

1.3 陆域边界变化

据统计，伶仃洋1970年代至2014年滩涂资源量减少389.8 km2，减少25.5%，伶仃洋西滩已填海造地近120 km2，东滩近50 km2(图5)；大面积的滩涂围垦导致伶仃洋陆域边界发生显著变化。伶仃洋近岸围垦主要在西部口门，包括蕉门口外浅滩围垦、横门口外浅滩围垦，伶仃洋西滩北部年平均向东延伸190 m，导致西滩径潮相互作用区域有南移之势。伶仃洋东、西槽-7 m等深线保持南北贯通则是径流动力增强的证明。

2 伶仃洋水沙变化对铜鼓航道回淤影响分析

2.1 动力架构调整

铜鼓航道自西南向东北穿越铜鼓浅滩。前人的研究认为，伶仃洋西滩及西槽以径流动力为主，承泄蕉门、洪奇沥、横门的水沙，东滩和东槽则以海洋动力为主，中滩(伶仃拦江沙及矾石浅滩)是两种动力相互消能区域，主要泥沙来源于虎门下泄泥沙扩散。随着伶仃洋西北侧浅滩快速围垦及伶仃洋深水航道开挖，径流、潮汐动力在伶仃洋北部短兵相接，一方面伶仃洋西滩北部围垦使得深槽径流动力增强，水位壅高，且绝大多数时间西侧水位高于东侧(图4)，伶仃洋东西岸之间的横向水位差显著增大。从1979—2013年实测潮量分配比来看(表4)，无论是涨潮量，还是落潮量，内伶仃、赤湾占比均略有增大，而金星门涨潮量占比减小较多，可见径流对伶仃洋中、东部的影响增强，从海图等深线亦可看出，现状-5 m等深线已从南沙港向东南贯穿伶仃洋北部至深圳妈湾港区(图6)；二是伶仃洋湾内航道开挖使得西航道航槽涨潮动力增强。东四口门下泄径流在湾顶受潮汐顶托，涨潮初期东向流速分量增大，部分径流自东槽下泄(图7)，使得中滩附近尤其是中滩南侧有形成顺时针环流之势，改变了原有的东槽先涨、铜鼓浅滩区域主要受陆架水控制的格局，径流水沙对铜鼓航道回淤影响增强(图8)。

表4 伶仃洋涨落潮量断面占比变化情况 %

除径流、潮汐动力外，波浪对铜鼓航道回淤亦有一定的影响。伶仃洋水域东侧以风浪为主。2008年6—10月实测波浪统计结果显示，铜鼓航道南段附近测点年平均有效波高Hs达到0.37 m，月平均有效波高的最大值为0.43 m，出现在2008年6 月份。常浪向为SE、NE、SSW，强浪向为SSW，实测最大波高(H4%)为1.9 m。相关研究普遍认为洋波浪动力不强，在铜鼓航道开发过程中，较少考虑波浪动力对航道泥沙回淤的影响。随着伶仃航道的开发，波浪向伶仃洋北侧传播过程中，波能通量增加，伶仃洋波浪动力略有增强。伶仃洋波浪传播数值模拟结果显示，铜鼓航道附近5年一遇SSW向浪基本不受珠江口外诸岛的遮挡，H1/10达3 m。随着伶仃航道进一步挖深扩宽，湾内波浪影响有增强趋势。

2.2 泥沙来源调整

徐君亮研究结果显示，20世纪90年代伶仃洋中滩泥沙主要来源于蕉门和虎门，海域来沙占有明显地位[8]。海域来沙可沿深槽上溯至虎门和交椅湾。而铜鼓浅滩泥沙主要受东槽涨潮流的影响。从沉积物特征来看，中滩的矿物组合类型不仅包括钛铁矿、褐铁矿等优势矿物，而且有黄铁矿、角闪石含量较多，表明海域来沙对中滩尤其是矾石浅滩的发育具有明显影响。铜鼓海域表层泥沙特征表明，大壕岛西向铜鼓海区中心泥沙颗粒组成有变小的规律, 反映上溯流向陆搬运趋势,有海向泥沙的沉积。

随着西部滩涂围垦,西滩在淤高的同时将迅速向东南延伸，西滩过流能力减弱。径流、潮汐动力相互作用平衡线位置东移，导致伶仃洋河口湾内水流更集中于西槽。当上游出现中等洪水，伶仃洋又处于大潮落急阶段，从蕉门经凫洲水道泄出的悬沙，大部分直接排入川鼻深槽，并与虎门下泄的悬沙向东部海域输运。洪季径流来沙时，内伶仃岛北侧为高含沙区，径流来沙对伶仃洋中滩、东滩的影响逐渐加强(图9)。伶仃洋中滩为径潮相互作用耗散区，上游径流携带泥沙在横向流作用下输运至中滩，部分改变了原铜鼓浅滩区域初涨阶段少沙陆架水上溯情形，而顺时针环流为相对高含沙径流水体，对于中滩北部冲刷、南侧淤积具有显著影响。径流携带泥沙对铜鼓航道附近水域泥沙淤积的影响日益凸显。

波浪对伶仃洋尤其是外伶仃区域浅滩泥沙活动性有一定的影响。按佐藤公式计算波浪作用下海床泥沙起动水深，3 m大浪可全面起动15 m水深左右的海底泥沙。在波、流共同作用下，该地泥沙一旦起动，即“悬扬”后将以悬移质形态运移。因此，波流共同作用下局地泥沙活动对铜鼓航道回淤的影响亦不可忽视。

2.3 重大人类活动影响分析

伶仃洋岸线及地形变化受人类活动影响显著。除面积围垦改变岸线边界外，还包括广州出海航道、中山港航道、深圳西部航道浚深外，以及港珠澳大桥、深中通道建设、桂山风电项目建设、深圳大屿山围填海工程等一系列重大工程(图10)，叠加人为采砂洗沙活动等，对伶仃洋的水沙活动会产生一定的累积效应。

21世纪初广州港出海航道二期工程西航道浚深至-13 m。2010年至2012年的出海航道三期工程西航道浚深至-18 m，宽度由243 m扩宽至385 m。西航道水深从解放前5 m已浚深至2012年的18 m，浚深总水深达13 m，为自然水深的2.6倍。2009年之前东航道浚深强度不大，水深保持在7 m左右，2009年之后，东航道北段由7 m浚深至15 m。

伶仃航道二期及拓宽工程导致沿伶仃航道潮汐动力增强，落潮时伶仃洋东西两岸潮位横比降增大，导致东四口门下泄水沙对东滩影响增大，在涨潮初期，铜鼓航道涨潮流、暗士敦水道涨潮流与深圳湾下泄流在铜鼓航道北段共同形顺时针环流，多种动力相互消能而河流来沙影响增强，使得铜鼓航道北段成为淤积最为严重的区域。珠江水利科学研究院研究成果显示，伶仃水道中南段净输沙由1978年的向海方向于2003年后逆转变为向陆方向，平均流输沙贡献剧减。2013年9月实测水文资料显示，铜鼓航道大潮涨潮平均流速(0.53 m/s)大于落潮平均流速(0.48 m/s)，表层余流向海而中底层流速向陆，表明底部潮汐余流海向来沙对铜鼓航道淤积有明显影响。

港珠澳大桥西侧桥墩阻水导致广州出海航道涨潮流偏向东侧，抑制了东航道的涨潮流，而东西岸之间的横向水位差使得径流对中滩及东滩的影响增大。徐群(2012)等通过物理模型试验研究，发现港珠澳大桥建设后，铜鼓航道内淤积厚度及淤积量略有增加[9]。

另外伶仃洋内采砂洗沙活动增加了局部泥沙浓度，对铜鼓航道的回淤亦有一定的影响，2014年11月港珠澳大桥E15节沉管安装过程中发现基槽回淤严重，沉管无法安装。后经多方论证，发现伶仃洋局部泥沙含量的显著变化(高达1 kg/L)主要源于内伶仃洋大量采砂洗沙活动。

3 结论

a) 伶仃洋西滩北侧大面积围垦，使得伶仃洋东西岸潮位横比降增大，径流对伶仃洋中滩、东滩的影响增强。

b) 伶仃航道二期及拓宽工程导致伶仃航道潮汐上溯动力增强，对下泄径流有一定的顶托作用，使得东槽净泄量占比增大，在涨潮初期，铜鼓航道涨潮流、暗士敦水道涨潮流与深圳湾下泄流在铜鼓航道北段共同形顺时针环流，使得铜鼓航道北段成为淤积最为严重的区域。

c) 收缩型河口湾使得波浪辐聚增强，此前的研究对波流共同作用下局地泥沙悬扬起动后在航道内落淤未充分考虑。

d) 频繁的采砂活动导致局部泥沙浓度骤升，伶仃洋内重大工程对铜鼓航道回淤亦有不利影响。