珠江河口口门洪水分流比变化及成因

黄伟杰，刘 霞，卢 陈，杨裕桂

(珠江水利委员会 珠江水利科学研究院，广州 510611)

1 研究背景

“三江汇流、八口入海”的珠江三角洲水系被认为是世界上水系结构、动力特性、人类活动最复杂的河口水系之一(图1)。西江、北江和东江三大支流汇流形成珠江河网区，经虎门、蕉门、洪奇门、横门(东四口门)、磨刀门、鸡啼门、虎跳门和崖门(西四口门)八大口门汇入南海，形成了径流型河口和潮流型河口相互依存、耦合共生的复杂河口形态。各个口门之间互相关联和影响，对河网区的泄洪、纳潮具有不同的敏感性[1]。

图1 珠江河口各口门断面位置示意图Fig.1 Location of river mouths in the Pearl River Estuary

珠江流域洪、涝、风暴潮灾害频繁，防洪减灾问题极为突出[2]。珠江流域洪水主要由暴雨形成。由于流域面积广，暴雨强度大，上中游高山丘岭地区洪水汇流快，中游又无湖泊调蓄,在遭遇大面积连续暴雨的情况下，往往形成峰高、量大、历时长的流域性大洪水[3]。由于降雨的年内分配不均，年际变化也较大，且往往出现连续丰水或连续枯水年的情况，水旱灾害频繁[4]。近几年来，“05·6”“06·7”“08·6”“09·7”等流域性和区域性洪水灾害不断威胁着珠江人民群众的生命安全，关系到珠江三角洲及港澳地区的经济发展。在河口变化的水文情势以及大规模的人类活动影响下，亟需研究复杂多变的河口口门泄洪情势[5-6]。因此，开展珠江河口各个口门洪水分流比变化分析具有重要的科学意义和实际意义。

2 口门泄洪分配

近20 a以来，珠江河口在1998年6月和2005年6月遭遇2次大洪水(“98·6”和“05·6”)，接近100 a一遇量级，选取该洪水作为典型洪水，依据口门控制站实际流量观测，计算各个口门的流量分配比及相应的八大口门净泄量。

图2为八大口门在“98·6”和“05·6”洪水中的泄洪分配比例，图2上数字表示泄洪比例变化值。从图2可以看出，2次洪水作用下各个口门的流量分配比例较为接近。其中东四口门中的虎门(大虎断面)、蕉门(南沙断面)和横门(横门断面)泄洪分配比变化相对较大。虎门(大虎断面)、蕉门(南沙断面)泄洪比分别增大了2.2%和1.8%，横门泄洪比减小2.0%。其他口门的变化值都在1%以内。珠江河口的洪水主要来自其两大支流西江和北江，其中西江的洪水占比75%以上。在河口上部，西江干流洪水经过网河向东分流，河口下部洪水经磨刀门水道不断向西分流。在网河区河道边界变化不大的情况下，河道的过水断面面积关系到行洪情势。尤其是各个口门附近河道控制断面的变化对口门泄洪分流比产生较大影响。

图2 珠江河口八大口门在“98·6”和“05·6”洪水中的泄洪分配比例Fig.2 Flood flow allocation ratio of 98·6 and 05·6floods at eight mouths in the Pearl River Estuary

3 泄洪控制断面变化

珠江河口各个口门泄洪断面的形态归结起来不外以下几种类型：处于弯道段的断面形态一般呈偏“V”型，如处于虎跳门水道弯道上的西炮台泄洪断面；处于顺直单一河段或者过渡段的断面形态一般呈“U”或“V”型；处于分汊段呈“W”型，如处于蕉门水道和下横沥交叉处的南沙泄洪断面。对于东四口门,从图3和图4可以看出：①大虎断面形态呈不规则“U”型发育，变化较为平缓，1999年以来断面不断冲刷，主要表现在-5 m以下河床加深，过水面积逐渐加大，至2007年增大至35 353.36 m2，河道宽深比减小，变化幅度较平缓;1999—2004年间冲刷更为明显，其过水面积增大1 653.24 m2，增幅为4.95%,河道宽深比减少0.21，减幅4.33%，河床平均下切约0.51 m，最大冲深2.49 m;2004—2007年断面相对较为稳定，过水面积增大572.67 m2，宽深比减少0.077。②蕉门南沙断面形态整体上呈现以右汊为主汊的不规则“W”型发育，1999—2007年过水面积增加了2 583 m2，冲刷较为明显的区域主要集中在右汊深槽及靠右岸的河床部分，使得右汊不断加深扩展，向右岸拓宽；1999—2004年过水面积增大1 227.19 m2，增幅为16.62%，河床平均下切0.95 m，最大冲深5.60 m，河道宽深比减少0.89，减幅14.25%；2005—2007年间河道相对较为稳定，整体仍呈冲刷状态。③东四口门中同样为“U”型发育的另外2个口门洪奇门(冯马庙断面)和横门在1999—2007年间则呈现冲淤交替的相对平衡状态，断面宽深比略为增大。

图3 1999—2007年间各口门典型泄洪断面形态变化Fig.3 Variations of cross sections at different mouths during 1999-2007

图4 各站点断面过水面积和宽深比变化趋势Fig.4 Variations of flow area and width-depth ratio at different mouths

对于西四口门，从图3和图4可以看出：①磨刀门(竹银断面)在1999—2004年间以冲刷为主，过水面积增至8 164.87 m2，增幅为26.23%，河床平均下切2.74 m，尤其是-15 m附近的深槽段加深；2004—2007年间断面呈轻微淤积状态，过水面积减幅在2%以内，宽深比变化不明显，断面形态较为稳定。②虎跳门的西炮台断面呈“V”型发育，1999—2007年整体呈冲刷;其中1999—2005年间深槽淤积，河道宽深比增大0.29，增幅8.40%；2005—2007年间深槽基本稳定，河道宽深比减少0.33。③鸡啼门黄金断面和崖门官冲断面在研究期内同样整体以冲刷为主，过水面积总体呈增大态势，宽深比减小，但是变化幅度轻微，大致为5%以内，基本保持稳定。进一步从河道纵断面变化上看，以西江干流出口磨刀门槽道纵断面变化为例(图5)，相比1999年河道纵断面，2005年河道底高程明显降低，纵向上河道断面面积明显加大，与磨刀门横断面面积变化规律一致。

图5 西江干流挂定角水文站以下河道纵断面Fig.5 Variation of longitudinal profile in the down-stream of Guadingjiao station in the mainstream of Xijiang River

总体来看，1999—2007年期间河口区主要控制断面宽度保持稳定，河槽冲刷变深，断面面积增大，宽深比减小。其中1999—2004年间过水面积增加幅度、宽深比减小幅度较明显，2004—2007年间过水面积及宽深比变化幅度相对平缓，南沙、冯马庙和竹银断面冲刷幅度最为显著。

4 泄洪能力变化及影响因素分析

4.1 口门泄洪能力变化分析

基于各口门典型断面的分析可知，八大口门控制断面宽度保持稳定，河槽冲刷变深，断面面积增大，有利于河道泄洪。但河道的不均匀变化使得各口门泄洪比例发生调整，虎门和蕉门的泄洪量增大，其他口门分流量不同程度减小。因此，需要对行洪断面增大情况下的各口门泄洪压力作进一步分析。口门泄洪能力由谢才公式和曼宁公式计算，断面流量计算的经验公式为

(1)

式中Q、n、A、R、J分别为流量、糙率、断面面积、水力半径、坡降。

假设坡降和河段糙率变化很小的情况下，断面变化导致的泄流能力变化百分比为

λDC=(A2/A1)(R2/R1)2/3(J2/J1)1/2-1=

(1+λA)(1+λR)2/3(1+λJ)1/2-1 。

(2)

式中λDC、λA、λR、λJ分别为断面泄流能力、断面面积、水力半径、水面坡降的变化百分比。水力半径R由水深计算；断面面积和宽深比变化的百分比根据断面统计特征计算；水深变化的百分比由面积和宽深比变化百分比计算；各口门水面坡降由口门站与上游站之间的潮周期平均水位差进行计算；由于口门分流比增大而新增的分流量变化百分比则根据图2中数据进行计算。其中“98·6”洪水分配比代表断面变化前的分流状态，“05·6”洪水相同流量条件下的洪水分配比代表断面变化后的分流状态，从而计算各个口门的泄流能力变化。

从表1可以看出，受河道泄洪断面面积显著增大的影响，大虎、南沙、冯马庙和竹银断面所在口门的泄洪能力显著增强。其中，蕉门南沙断面的泄流能力增幅最大，为63.7%，其变化主要是受过水断面面积增大的影响，其典型断面的泄洪面积在八大口门中增幅最大(35%)。大虎、冯马庙和竹银断面的口门泄流能力大致增大30%左右，其中大虎所在虎门的行洪能力主要受坡降变化百分比λJ显著增大的影响，冯马庙和竹银的泄洪能力变化则同样是由于泄洪断面面积增大所致。值得注意的是，横门虽然泄洪断面面积略有增大，但其泄洪能力却相对减小。这是由于横门的泄洪能力主要受坡降变化百分比λJ的控制，其在研究期内减小了13%。其余口门(虎跳门和鸡啼门)泄洪能力略有增大，相对较为稳定。

表1 1999—2007年各口门泄流能力变化百分比Table 1 Variations of percentage of flood release ability at different mouths during 1999-2007

综合分析各口门泄洪情势，在各口门控制断面面积增大的情况下，口门泄洪情势还受到分流量变化、口门尾闾及洪潮顶托的影响。径流型河口口门中、横门尾闾不畅，水面坡降对行洪影响效果较为明显，洪水位呈升高趋势且泄洪压力增大；蕉门、洪奇门和磨刀门断面面积增幅较大，泄洪压力较小。而潮流型河口中虎门泄洪任务加重，但其泄洪能力增强幅度大于泄洪量的增大幅度，具有较强的排洪能力；崖门、虎跳门和鸡啼门洪水分配比较小且泄洪能力变化不大，排洪压力较轻。

4.2 泄洪能力变化影响因素分析

河道断面面积变化是影响珠江河口各个口门泄洪流量分配和泄洪能力变化的最主要因素。潮汐河口河道断面的变化不仅直接响应流域来水来沙等自然因素变化，还受到河口开发利用尤其是大规模河道采砂等人类活动的影响。下面从来水来沙等自然因素以及河道采砂等人为干扰的角度探讨珠江河口泄洪能力变化。

选取珠江两大支流西江和北江的上游控制站高要和石角在1960—2012年的径流量和输沙量作为统计资料，结合Mann-Kendall方法趋势检验分析水沙通量的变化特征。非参数趋势检验Mann-Kendall广泛应用于水文序列趋势检验分析。假定水文序列不存在趋势(H0)，可选假设为水文序列存在单调趋势(H1)。检验方法为

(3)

其中，

(4)

式中：Z为标准化的检验统计量；σ为统计量S的标准差；x(i)和x(j)为水文序列；n为水文序列长度。

在95%的置信区间内，若Z<|Z1-α/2|，则接受H0。反之，接受存在趋势的可选假设H1。当满足显著性水平时，即|Z|>1.96，则存在显著趋势；当Z>0时，水文序列具有增大趋势，反之为减小趋势。

根据Mann-Kendall趋势检验结果可知，高要和石角站的径流序列检验结果分别为Z=-0.18和Z=0.74，均不满足显著性要求。而含沙量的趋势检验计算结果分别为Z=-6.64和Z=-4.15，呈现显著的减小趋势。对于冲积型河道而言，来水来沙条件是影响河道冲淤调整的最直接、最重要的因素。当上游来沙量很少时，不能满足水流挟沙能力，在径流量不变的情况下，泥沙难以淤积，有利于河道冲刷，导致泄洪断面面积增大，与上文分析的断面形态变化及口门泄洪能力增强具有较好的响应。

从人为因素干扰的角度来看，珠江河口从20世纪80年代中期开始出现大规模采掘河床泥沙的现象并持续至今。据相关研究统计，至2003年珠江三角洲的采砂总量约有13亿m3，其中约有8亿m3用于建筑，5亿m3用于填地，采沙总量十分巨大，对河道水文情势造成了极大的改变。最明显和直接的影响是河道挖沙致使河床普遍下切且河槽容积扩大。在珠江网河区，河道深槽体积每年大约增大7.3×107m3。西江和北江河道平均下切深度分别为0.59～1.73 m和0.34～4.43 m[7]。采砂等人类活动显著增大了河道断面面积，提高了河道泄洪能力，河道不均衡挖沙是导致不同口门分流比变化的主要成因。由于挖沙位置通常为粗砂河道，而粗砂河道往往是流速较大的自然冲刷河道，因此河道的冲刷作用也存在部分影响。此外，与河道自然冲刷相关的流速和比降也是口门分流比变化的原因之一，以虎门、蕉门为例，比降大引起其分流比加大，相应地横门、洪奇门分流比被动减少。但值得注意的是，河道容积增大同样加剧河口纳潮作用。研究表明在河口中部，由于河槽容积增大，纳潮量增大对下泄洪水造成顶托作用，其各个频率的极值洪水发生概率显著增大，珠江三角洲的洪水风险同样不可忽视[8]。

5 结 论

基于近年来珠江河口典型洪水实测资料和地形变化资料，分析各个口门泄洪分配和泄洪情势变化，可得出如下结论：

(1)东四口门中，虎门和蕉门的泄洪分配比增大，横门泄洪分配比减小，变化幅度均为2%左右，西四口门的泄洪分配比例变化相对较小。

(2)1999—2007年间各个口门河道下切，断面面积普遍增大，使得大部分口门泄洪能力增强。横门由于断面面积增幅相对较小且水面坡降明显减小，因此泄洪能力减弱。

(3)近年来，在珠江河口来水量变化不大的情况下，来沙量显著减少，利于河道冲深。另外大规模的采砂活动使得河床普遍下切，两者共同作用下使得珠江口门区泄洪断面面积增大，行洪能力增强。然而纳潮量同样增大，加剧了对河口中部洪水的顶托作用，珠江三角洲的洪水风险同样不可忽视。