强人类活动驱动下珠江磨刀门河口径潮 动力的季节性异变特征*

张先毅 杨 昊 黄竞争 傅林曦 王 恒 刘俊勇 欧素英 刘 锋 蔡华阳 ① 杨清书

(1. 中山大学 海洋工程与技术学院 河口海岸研究所 广州 510275； 2. 河口水利技术国家地方联合工程实验室 广州 510275； 3. 广东省海岸与岛礁工程技术研究中心 广州 510275； 4. 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 珠海 519000； 5. 珠江水利科学研究院 广州 510611)

河口处陆地与海洋的交界地带， 受上游径流和外海潮波等自然因素共同作用， 径潮动力非线性相互作用及多时空尺度变化显著(Guoet al， 2014， 2015； Jayet al， 2015， 2016； 蔡华阳等， 2018； Caiet al， 2018a)。然而， 由于自然资源丰富及交通条件便利， 河口地区人口高度集中， 经济及城镇化发展迅速， 人类活动成为改变河口环境的第三驱动力(陈吉余等， 2008)。我国自20 世纪以来河口地区人类活动大幅加剧， 位于黄河的工农业引水引沙、干流水库建设等人类活动影响了黄河口的水沙分配， 导致水库上游主槽淤积萎缩， 下游来水来沙减小， 海岸侵蚀加剧(陈沈良等， 2004； 胡春宏等， 2008； 彭俊等， 2009)。长江流域兴建的三峡工程， 导致入海泥沙急剧减少， 河床发生侵蚀， 同时改变了长江河口流量的季节分配， 径潮动力对三峡工程的响应具有显著的季节性变化(陈吉余等， 1995； Daiet al， 2013； Caiet al， 2018a)。珠江河网区高强度采砂活动显著改变了西江和北江的水沙分配， 增大了河槽容积进而使潮汐动力显著增强， 而口门处滩涂围垦使河口三角洲淤积速率明显加快(张蔚等， 2008； Liuet al， 2014； Zhanget al， 2015)。本文把上述各种人为干预定义为强人类活动， 即对河口环境的影响大大超过河口自身的调节和修复能力， 使河口环境发生剧烈异变的高强度人类活动。在强人类活动影响下， 河口“动力-沉积-地貌”格局发生异变， 潮波振幅、余水位等潮波变量的变化特征不同于自然演变阶段， 即河口径潮动力格局发生异变。研究全球气候变化背景下强人类活动对河口海岸环境的影响及异变问题， 为河口环境保护与水资源可持续开发利用等提供科学依据， 已成为当今世界河口海岸研究的重要课题(陈吉余等， 2002； Jayet al， 2011； Caiet al， 2019)。

国内外学者对河口区径潮动力的相互作用已有颇多研究， 成果丰硕。研究表明， 河口潮波传播变化主要受外海潮汐动力、河口地形及上游径流的非线性影响， 且越往上游径流的季节性影响越显著(Jayet al， 2015； Caiet al， 2018a； 张先毅等， 2019)。径潮动力相互作用强度的改变直接影响河口区的泥沙输移及河口沿程悬沙浓度的分布和沉积动态， 进而改变河口地貌形态(Guoet al， 2014)。径流输入相当于增加涨潮阻力， 使潮波传播能量损耗增大， 导致潮波衰减增强， 感潮河段的潮能也相应减小(Guoet al， 2015； 欧素英等， 2016， 2017)。受径流影响强度较大的上游河段洪枯季流量差异明显， 相应的潮波传播特征值(如潮差、水位等)亦有显著的季节性变化(刘新成等， 1999； 李国芳等， 2006)。径潮动力相互作用还直接影响河口盐水界、潮区界、潮流界和滞流点等特征动力界的移动， 这些动力界距口门的距离基本与流量输入呈负相关关系， 与外海潮汐动力呈正相关关系(Anet al， 2009； 黄李冰等， 2015； 路川藤等， 2016； 石盛玉等， 2018； 刘鹏飞等， 2018)。就河口区径潮动力的自然演变及其对外部动力的响应已有较多研究成果， 然而强人类活动驱动下地形改变引起的径潮动力季节性异变过程及机制仍是尚待深入研究的科学问题。

珠江是我国第三大河， 主要由西江、北江和东江三江汇流， 并由崖门、虎跳门、鸡啼门、磨刀门、横门、洪奇门、蕉门和虎门八大口门汇入南海。位于西江下游的磨刀门河口是珠江输水输沙量最大的河口， 径流作用强， 是珠江最重要的泄洪通道。自20 世纪60 年代以来珠江流域上游建设水库9000 余座， 总蓄水量高达65km3， 占珠江年均流量的23%(Daiet al， 2008)。水库的建设使西江来沙量大幅减少， 加剧下游河床的冲刷侵蚀作用(Zhanget al， 2012)。同时由于西江干流的高强度采砂活动， 其年均挖沙量已超过249万m3， 加之珠江航道内实施的河道整治工程， 使磨刀门河口底床严重下切(Luoet al， 2007； 张蔚等， 2008)。位于磨刀门口门处的围垦工程(如白藤堵海工程和八一大围等)使口门滩地淤积， 河宽束窄， 磨刀门河口逐渐向窄深化演变(钱挹清， 2004； 贾良文等， 2007； 梁 娟 等， 2010； Tanet al， 2015； 胡 煌 昊 等， 2016)。强人类活动驱动下的地形异变直接改变磨刀门河口的径潮动力相互作用过程， 河床下切使河口中上段水位显著下降， 而海平面上升背景下滩涂围垦使口门附近水位略有抬升， 最终导致磨刀门河口沿程平均水位坡度变缓(贾良文等， 2006； Caiet al.， 2018b)， 对潮波传播的衰减效应减弱， 潮汐动力明显增强(Liuet al， 2019)。而底床下切和水深增大则进一步减小潮波上溯过程所受的底床摩擦， 加剧盐水界、潮流界和潮区界的上移， 导致近年来磨刀门河口盐水入侵加剧(贾良文等， 2007； 韩志远等， 2010)。

综上所述， 对强人类活动驱动下磨刀门河口的地貌及动力格局演变已取得丰富研究成果， 然而针对异变格局下径潮动力的季节性变化特征及其对强人类活动的响应过程与机制还有待进一步探索。本文通过对1960—2016 年磨刀门河口沿程5 个测站的月均高、低潮位资料及上游马口水文站的月均流量数据进行统计分析， 重点分析强人类活动影响下磨刀门河口径潮动力的季节性异变过程及机制， 为磨刀门河口的水沙调控及水资源高效开发利用等提供技术支撑。

1 研究区域概况

本文研究区域为珠江磨刀门河口， 包括西江干流水道和磨刀门水道(图1)。其中， 思贤滘西滘口至百顷头约86km 河段称为西江干流水道， 百顷头至磨刀门口门约 60km 河段称为磨刀门水道(罗宪林， 2002)。上游流量控制站为马口水文站， 沿程有甘竹、竹银、灯笼山、三灶4 个潮位站(如图1 所示)。磨刀门河口每日基本有两次涨潮两次落潮， 口门附近灯笼山站的潮性系数为1.5(梁娟等， 2010)， 属于不规则半日混合潮。位于口门处的三灶站多年平均潮差为1.09m， 属于弱潮型河口。磨刀门河口是珠江输水输沙量最大的口门， 多年平均径流量达923 亿m3， 约占马口站径流量的三分之一(蔡华阳等， 2009)。西北江 水在思贤滘汇合分流后经过马口站进入西江干流水道， 而后大部分通过磨刀门水道流入外海。据马口水文站1960—2016 年月均资料统计， 其多年平均流量为7078m3/s， 最大月均流量达29000m3/s， 最小月均流量为1210m3/s， 流量季节性变化显著。

图1 研究区域图 Fig.1 Map of the study area (in red)

2 研究资料与方法

2.1 研究资料

本文收集了1960—2016 年马口、甘竹、竹银、灯笼山和三灶5 个测站的逐月高、低潮位， 以及马口站的月均流量数据。所用数据来源于《广东省水文年鉴》和广东省水文局。潮位原始数据高程基面为冻结基面， 已统一转换至珠江基面。

2.2 研究方法

为分析磨刀门河口径潮动力的时空变化特征， 基于沿程各站位的月均高潮位(HHW)和低潮位(HLW)数据， 统计得到各个站位的月平均水位(m)， 即月均高潮位与月均低潮位的平均值

和潮波振幅(m)

Δη为两潮位站之间的振幅之差， 即

ηi+1(m)为河口上游站点的潮波振幅，ηi(m)为河口下游站点的潮波振幅。

双累积曲线方法是检验两个参数之间关系一致性及其变化的常用方法， 目前常用于水文气象要素一致性或长期演变趋势分析(穆兴民， 2009)。所谓双累积曲线就是在直角坐标系中绘制出两个相关参数累积值的关系线， 其斜率发生突变的点就是两参数累积关系出现突变的时间。本文采用双累积曲线方法， 确定强人类活动驱动下磨刀门河口月均水位坡度与流量、潮波振幅衰减率与流量之间累积关系的突变点， 从而对径潮动力的异变过程进行阶段性划分， 并进行对比研究。

本文采用一维动量守恒方程对强人类活动驱动下磨刀门河口的径潮动力异变特征进行机制分析， 其方程如下(Caiet al， 2019)：

式中， 上划线表示潮周期平均。由式(9)可见潮平均条件下月均水位坡度主要与底摩擦项相平衡。

3 磨刀门河口径潮动力的季节性异变过程分析

3.1 异变过程的阶段性划分

通过双累积曲线关系图， 可以探究因变量(如月均水位坡度和潮波振幅衰减率)和主要控制变量(如流量)之间的趋势性变化， 从而根据转折点确定强人类活动对河口径潮动力的累积影响及其异变时间节点。图2为磨刀门河口灯笼山-马口河段累积月均水位坡度与潮波振幅衰减率绝对值随累积流量的趋势变化， 对月均水位坡度、潮波振幅衰减率绝对值和流量均作归一化处理， 即变量减去最小值， 再除以最大值与最小值的差值。由图2 可见， 累积月均水位坡度和潮波振幅衰减率绝对值随流量变化的斜率值分别在1990 年与2000 年发生明显改变。其中， 累积月均水位坡度的斜率由1990 年前的0.97 减小至2000 后的0.52， 累积潮波振幅衰减率绝对值的斜率由1990 年前的2.37 减小至2000 后的0.66， 表明在强人类活动影响下， 相同流 量条件下月均水位坡度减缓， 潮波振幅衰减率绝对值减小(即衰减效应减弱)。磨刀门河口径潮动力的阶段性变化与强人类活动强度有关， 1990 年前磨刀门河口人类活动影响相对较弱， 属自然演变阶段， 1990—2000 年为强人类活动干预最剧烈的时期， 磨刀门河口处于过渡阶段， 其中， 高强度采砂、围垦等强人类活动对河口系统的累积效应最终在2000 年使径潮动力发生异变， 而2000 年后部分环保政策(如禁止采砂)的提出， 使磨刀门河口受强人类活动的影响有所减弱， 河口进入恢复调整阶段。因此， 根据月均水位坡度-流量和潮波振幅衰减率绝对值-流量的双累积曲线关系变化， 可把1990 年前划分为强人类活动影响前的自然演变阶段， 2000 年后划分为受强人类活动影响后的恢复调整阶段， 1990—2000 年为过渡阶段。

图2 灯笼山-马口月均水位坡度与流量的累积关系(a)和潮波振幅衰减率绝对值与流量的累积关系(b) Fig.2 Cumulative relationship between monthly average water level slope and river discharge (a)， absolute value of tidal damping rate and river discharge (b) in the Denglongshan-Makou gauging station

3.2 磨刀门河口月均水位和振幅的异变过程分析

为揭示强人类活动驱动下磨刀门河口径潮动力的季节性异变过程， 以1990 年和2000 年作为磨刀门受强人类活动作用发生异变的分界年份， 1990 年前为自然演变阶段， 2000 年后为恢复调整阶段， 1990—2000 年为过渡阶段， 分别对比自然演变阶段与恢复调整阶段月均水位和潮波振幅的差异。图3 为不同季节条件下月均水位(图3a—d)和振幅(图3e—h)在强人类活动前后(分别对应自然演变阶段与恢复调整阶段)的时空变化。由图3a—d 可见， 月均水位在口门处三灶站最小， 往上游逐渐上升； 沿程月均水位在夏季上升幅度最大， 从口门三灶至上游马口站月均水位增幅大于2m， 其次为春季和秋季， 月均水位增幅约为1m， 而冬季月均水位增幅最小， 在0.5m 以下； 受强人类活动影响月均水位总体减小， 且越往上游减小幅度越大， 其中夏季减小幅度最大(甘竹和马口站分别减小0.86m 和1.53m)， 其次为春、秋两季， 冬季最小， 这主要受河道不均匀采砂影响； 但冬季靠近下游端的三灶、灯笼山和竹银站在强人类活动影响后略有增大(见表1)， 这主要与海平面的季节性变化及口门围垦的共同作用有关。图3e—h 显示的磨刀门沿程各站点月均潮波振幅的时空变化可见， 潮波振幅在三灶站最大， 向上游逐渐减小， 表明潮波沿河口向上传播过程逐渐衰减； 强人类活动影响后磨刀门河口全河段潮波振幅普遍增大， 仅在口门三灶站略有减小， 且越往上游强人类活动前后的振幅差异越大， 表明河口中上段受强人类活动的影响较显著； 由表1 统计结果可知， 强人类活动影响后灯笼山-马口沿程各站点月均振幅增幅最明显的是秋季(沿程平均潮波振幅增大0.086m)， 其次是春季和夏季(沿程平均潮波振幅分别增大0.073m 和0.065m)， 冬季最小； 值得注意的是， 强人类活动影响后夏季马口站的振幅增幅最小， 仅为0.103m， 这可能与磨刀门河口夏季流量较大有关， 相同地形下切条件下， 潮波振幅增大的趋势受高流量影响反而有所抑制。

图3 磨刀门河口沿程站点月均水位(a—d)与月均振幅(e—h)的时空变化箱线图 Fig.3 Spatial-temporal variational boxplot of monthly averaged water level (a—d) and tidal amplitude (e—h) in the Modaomen estuary

表1 自然演变阶段与恢复调整阶段不同季节平均水位与潮波振幅变化的差值 Tab.1 Seasonal variation in monthly average water level and tidal amplitude in pre-and post-human periods

3.3 磨刀门河口月均水位坡度和潮波振幅衰减率的时空变化特征

图4—5 分别为月均水位坡度和潮波振幅衰减率随流量的时空变化箱线图， 图中横坐标表示以5000m3/s 间隔的流量区间， 每个箱线表示月均水位坡度或潮波振幅衰减率在相应流量区间内的变化情况。流量区间介于25000—30000m3/s 内的只显示代表自然演变阶段的蓝色箱， 这是因为强人类活动干扰后(即2000—2016 年)， 受上游水库调蓄影响， 马口站最大月均流量未超过25000m3/s。由图4 可见， 月均水位坡度随流量增大而增大， 且越往上游月均水位坡度对流量的响应越明显； 对比自然演变与恢复调整阶段的月均水位坡度可见， 磨刀门河口月均水位坡度普遍变缓， 靠近口门的三灶-灯笼山段月均水位坡度变缓幅度最小， 灯笼山-竹银、竹银-甘竹及甘竹-马口河段月均水位坡度随流量增大其减小幅度亦增大， 但当流量大于20000m3/s 时， 强人类活动影响下甘竹-马口段的月均水位坡度减小幅度反而减小， 表明强人类活动干扰下月均水位坡度随流量的变化呈现非线性。

图4 自然演变阶段与恢复调整阶段沿程月均水位坡度随上游流量的变化关系 Fig.4 Relationship between monthly average water level and river discharge in pre- and post-human periods in the Modaomen estuary

潮波振幅衰减率绝对值表示潮波所受衰减作用的强弱。由图5 可见， 衰减作用基本与流量呈正相关关系， 即随着流量增大， 潮波振幅衰减率绝对值亦增大； 下游潮波振幅衰减率绝对值明显大于上游， 表明潮波在下游所受衰减作用较上游强； 由各河段潮波振幅衰减率随流量变化的幅度可知， 靠近口门的三灶-灯笼山段随流量变化的幅度最大， 减小幅度可达1×10-5， 越往河口上游其变化幅度越小， 表明潮波衰减效应增强对流量增大的响应程度逐渐减弱。从自然演变阶段与恢复调整阶段箱线大小来看， 灯笼山-马口段箱线大小在恢复调整阶段明显减小， 表明强人类活动后磨刀门河口潮波振幅衰减率对流量的响应减弱。此外， 甘竹-马口段潮波振幅衰减率随流量变化有先减小后上升的特点， 即存在阈值效应。自然演变阶段在5000—10000m3/s 流量条件时潮波振幅衰减率达到最小值(即衰减作用最强)， 随后逐渐上升， 即潮波振幅衰减减弱； 而恢复调整阶段， 在流量15000—20000m3/s 条件时潮波振幅衰减率才出现上升， 即受强人类活动影响后达到潮波振幅衰减率阈值所需的流量增大。

图5 自然演变阶段与恢复调整阶段沿程潮波振幅衰减率随上游流量的变化关系 Fig.5 Relationship between tidal damping rate and river discharge in pre- and post-human periods in the Modaomen estuary

图6 为自然演变阶段与恢复调整阶段季节平均的月均水位坡度与潮波振幅衰减率的沿程变化。总体来看， 平均水位坡度在夏季最大， 春、秋两季次之， 冬季最小， 这与流量的季节性变化基本一致； 平均水位坡度在自然演变阶段从下游至上游有逐渐增大趋势， 在春、夏、秋三季竹银站下游河段水位坡度变化不大， 而在竹银站上游河段水位坡度发生明显抬升， 冬季水位坡度沿程上升不明显； 强人类活动影响后的恢复调整阶段月均水位坡度基本不再出现明显上升的河段， 从下游至上游坡度逐渐变缓， 仅在夏季甘竹-马口段有所上升。潮波振幅衰减率绝对值在下游三灶-灯笼山站最大， 且夏季衰减率明显大于其他三个季节， 表明夏季潮波在口门处所受衰减作用最强； 恢复调整阶段潮波振幅衰减率绝对值在三灶-灯笼山、灯笼山-竹银河段出现明显减小(表示潮波衰减效应减弱)， 但在竹银以上河段变化较下游小(见表2)， 表明竹银站以下河段潮波振幅衰减率受强人类活动的影响较上游河段大。

表2 是月均水位坡度与潮波振幅衰减率由自然演变阶段过渡到恢复调整阶段的变化值。由表2 可见， 受强人类活动驱动， 月均水位坡度减小幅度在冬季最小， 沿程平均仅减小6.75×10-7； 夏季减小幅度最大， 沿程平均减小幅度达8.93×10-6； 春、秋两季减小幅度相似， 沿程平均分别减小4.66×10-6和5.07×10-6， 介于夏、冬之间。恢复调整阶段潮波振幅衰减率在竹银-甘竹河段增幅最小(表明衰减效应减弱不明显)， 但增幅在甘竹-马口河段增大， 衰减率增幅沿程有先减小后增大的特点， 仅夏季和冬季在灯笼山-竹银段增幅较下游三灶-灯笼山段有所增大。

图6 自然演变阶段与恢复调整阶段不同季节平均水位坡度和潮波振幅衰减率的时空变化 Fig.6 Seasonal changes in monthly average water level slope and tidal damping rate in pre- and post-human periods

表2 自然演变阶段与恢复调整阶段季节平均水位坡度与潮波振幅衰减率的差值 Tab.2 Seasonal variations in monthly average water level slope and tidal damping rate in pre- and post-human periods

4 强人类活动驱动下径潮动力的异变机制分析

通过上述对月均水位、潮波振幅及其空间梯度值时空变化的统计分析， 可知强人类活动驱动下磨刀门河口径潮动力有以下基本特征： (1)潮波振幅在三灶站减小， 而在灯笼山-马口段均有所增大； (2)月均水位普遍减小， 但在冬季竹银以下河段增大； (3)潮波衰减效应减弱， 但随流量变化的幅度不大； (4)月均水位坡度明显减小， 且灯笼山-甘竹段月均水位坡度随流量的变化幅度显著减小。

磨刀门口门西侧(白藤湖等)的围填海工程使浅滩明显淤积， 导致口门三灶站水深变浅， 三灶湾内海区纳潮量仅剩约3×106m3， 仅为原来的1/4(贾良文等， 2007)， 由式(8)可知口门处底床摩擦增大， 潮波振幅衰减增强， 最终使潮差减小。而灯笼山-马口河段为磨刀门河口的主干道， 受高强度采砂活动影响， 加之上游水库建设导致来沙减少， 底床严重下切， 过渡阶段平均下切量在竹银-甘竹段高达1.73m(罗宪林， 2002； Luoet al， 2007)。水位为适应底床坡度的改变而下降， 导致磨刀门河道月均水位坡度减小。由式(9)可知月均水位坡度减小等效于减弱潮波沿河口传播所受的底床摩擦， 导致磨刀门河道的潮波振幅衰减减弱， 潮差明显增大。同时， 采砂活动和水库建设等强人类活动引起的河槽容积增大， 导致月均水位坡度对径流的响应减弱， 只有在靠近上游的甘竹-马口段才随流量发生明显变化。可见， 强人类活动驱动下磨刀门河口底床发生显著下切， 月均水位为适应底床坡度变化， 月均水位坡度变缓， 潮波振幅衰减效应减弱， 最终导致潮动力显著增强。

在强人类活动驱动下磨刀门河口的径潮动力还具有明显的季节性变化。月均水位坡度在夏季明显大于其他季节， 这与磨刀门河口流量主要集中在6—8 月有关。图6 显示月均水位坡度在自然演变阶段， 向上游沿程基本呈上升趋势， 表明越往上游径流对潮波传播的影响越大； 而冬季流量较小， 月均水位抬升微弱， 因此坡度增大不明显。在强人类活动驱动下竹银以上河段底床下切严重， 导致月均水位下降， 月均水位坡度明显变缓， 仅在流量较大的夏季月均水位坡度才会有较小的抬升。在冬季， 竹银站及其下游河段受围垦及全球海平面上升影响， 月均水位有明显抬升， 且这种抬升现象在竹银最明显， 导致灯笼山-竹银段月均水位坡度大于自然演变阶段， 而在竹银-甘竹段月均水位坡度则急剧减小(较灯笼山-竹银段减小57%)。

图7 自然演变阶段与恢复调整阶段潮波振幅衰减率与月均水位坡度的变化关系 Fig.7 Relationship between tidal damping rate and monthly average water level slope due to intensive human activities in the Modaomen estuary

另外， 值得注意的是夏季马口站潮波振幅的年际差异有所减小(图3)， 这是由于自然演变阶段甘竹-马口站潮波振幅衰减率随流量的变化存在阈值现象， 即当夏季流量超过阈值后潮波振幅衰减效应反而减弱， 潮波振幅随流量增大的下降幅度反而减小， 导致其潮波振幅年际差异减小。为分析潮波振幅衰减率随流量产生阈值现象的原因， 做出月均潮波振幅衰减率随月均水位坡度变化的关系曲线(图7)。随着月均水位坡度的增大， 二次拟合线呈上凹形， 即上游甘竹-马口河段潮波振幅衰减率先减小后增大(图7d)。由式(9) 可知， 月均水位坡度与潮波传播所受的底床摩擦相平衡， 随着月均水位坡度的增大潮波振幅衰减率应减小(即衰减效应增强)， 但甘竹-马口段潮波振幅衰减率随月均水位坡度的增大有先减小后增大的现象。这是由于月均水位增大导致水深增大， 河口的横截面积亦增大， 虽然潮波传播所受的底床摩擦随流量和月均水位坡度的增大而增强， 但横截面积增大导致的河道辐散效应(即从上游至下游横截面积逐渐减小)有利于径流势能(与月均水位成正比)的汇聚， 使潮波振幅衰减率反而增大， 即衰减效应减弱(Caiet al， 2016， 2019)。当径流增大引起的底床摩擦效应(增大衰减效应)与水深增加引起的横截面积辐散效应(减小衰减效应)相平衡时， 潮波衰减达到阈值。随着流量进一步增大， 上游河道横截面积继续增大， 导致横截面积辐散效应强于径流增大引起的底床摩擦效应， 潮波振幅衰减率的绝对值反而减小(表明潮波衰减效应减弱)， 潮波振幅下降幅度减小。由图7 可见， 潮波振幅衰减的阈值现象在上游甘竹-马口河段最为明显， 竹银-甘竹段现象较弱， 而竹银以下河段基本无阈值现象。另外， 由不同季节的散点可知阈值现象主要出现在春夏秋三季， 冬季(蓝色散点)流量较小导致月均水位坡度较小， 潮波振幅衰减难以达到阈值。此外， 图7d 显示甘竹-马口段在恢复调整阶段潮波振幅衰减率达到阈值所对应的月均水位坡度有所增大， 即所需阈值流量增大， 主要原因在于受强人类活动(特别是河道采砂)影响磨刀门河口的河槽容积增大， 需要更大的流量条件才能达到潮波振幅衰减率的阈值。

5 结论和讨论

5.1 结论

本文基于珠江磨刀门河口沿程5 个潮位站(水文站)1960—2016 年的月均潮位数据以及马口站月均流量数据， 对河口的月均水位、潮波振幅、月均水位坡度及潮波振幅衰减率的时空变化特征进行统计分析， 揭示强人类活动驱动下磨刀门河口径潮动力的季节性异变过程， 并进行初步的机制探讨， 得到以下主要结论：

(1) 由流量-月均水位坡度及流量-潮波振幅衰减率绝对值的双累积曲线可知， 受强人类活动影响， 磨刀门河口月均水位坡度及潮波振幅衰减率绝对值随流量变化的趋势在1990 年与2000 年发生明显变化， 据此判定1990 年和2000 年为磨刀门河口径潮动力受强人类活动影响发生异变的年份。

(2) 受高强度采砂导致的河床下切及上游水库截流导致的来沙减少影响， 强人类活动影响前后磨刀门河口总体月均水位及月均水位坡度在夏季差异最大(沿程平均值分别减小0.53m 和8.93×10-6)， 冬季受影响最小。而月均水位坡度主要与潮波传播所受的有效摩擦相平衡， 其显著减小导致磨刀门河口潮波振幅衰减效应在夏季也有较明显的减弱。

(3) 在人类活动驱动下磨刀门河口径潮动力相互作用具有明显的季节性差异。仅在夏季大流量下泄条件下， 月均水位坡度在上游甘竹-马口段出现明显抬升； 而冬季流量输入较少条件下， 竹银站以下河段月均水位受口门围垦作用及全球海平面上升影响略有抬升， 进而导致竹银-甘竹段月均水位坡度明显减小(较灯笼山-竹银段减小57%)。

(4) 流量增大导致月均水位坡度及月均水位随之增大， 因此， 随着流量增大潮波振幅衰减率绝对值增大(表示衰减作用增强)。但当流量超过一定阈值时， 月均水位坡度引起的底床摩擦增大效应不足以抵消因水深增大而引起的横截面积辐散效应， 潮波衰减效应反而减弱。

5.2 讨论

本文将磨刀门河口作为一个整体系统， 上边界为上游马口站的流量， 下边界为口门三灶站的潮位， 探讨磨刀门河口在地形边界和动力边界改变情况下径潮动力的季节性异变特征。由于珠江河网系统纵横河道交错发展， 西江流量从马口站输入后在天河、南华等位置经历多次分流， 马口流量对不同河段的影响程度不同， 分汊河道的作用及其对磨刀门河口径潮动力的季节性演变影响将在后续解析与数值模型研究中进一步深入探讨。