珠江磨刀門大道鹽水入侵原因分析

珠江磨刀門大道鹽水入侵原因分析

研磨門是珠江水系對(duì)西江的主要入?？?。在珠江的八個(gè)入口中，最大的輸沙量是。磨刀門上游的磨刀門水道,上起西江干流百頃頭,下至燈籠山河段,全長約44km,該水道受西江來水來沙的支配和南海潮汐的影響,屬于河口區(qū)徑、潮動(dòng)力相互作用的過渡性河段。該水道是中山、珠海和澳門的主要供水水源地,區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)的生活和生產(chǎn)用水需求量十分巨大,盡管該水道年徑流量達(dá)到923億m3,占珠江入海總徑流量的28.3%,但由于季節(jié)分布不均,主要集中于每年的汛期(4～9月)。非汛期,隨著上游徑流量的大幅度減少,當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活以及下游珠海、澳門的供水安全經(jīng)常受到咸潮災(zāi)害的威脅。鑒于磨刀門水道對(duì)沿線城市供水的重要性,為減少咸潮對(duì)磨刀門水道的入侵和危害程度,很多學(xué)者針對(duì)磨刀門水道的咸潮上溯問題開展了大量的研究。如劉杰斌等選取枯季磨刀門水道連續(xù)3個(gè)月表層鹽度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,得出了磨刀門水道枯季鹽水快速上溯的現(xiàn)象出現(xiàn)在小潮前后幾天的結(jié)論,并對(duì)其原因進(jìn)行了初步探討;聞平等研究認(rèn)為,影響磨刀門水道咸潮入侵的主要因素是徑流,并提出了保障沿海城市供水安全的最小壓咸流量范圍以及最佳壓咸補(bǔ)淡的時(shí)機(jī);路劍飛和陳子燊利用引入滯后因子的DE-RBF方法,探討了磨刀門水道咸潮預(yù)警預(yù)報(bào)的可行性問題;呂愛琴等根據(jù)磨刀門水道實(shí)測(cè)資料分析得出,磨刀門鹽度最大值多出現(xiàn)在農(nóng)歷大潮前3～4d,即出現(xiàn)在中潮期,并且從2004年后,鹽度最大值及上溯距離都有增大的趨勢(shì);陳榮力等根據(jù)磨刀門水道沿程實(shí)測(cè)資料分析磨刀門水道咸潮上溯規(guī)律顯示,潮差較小時(shí),咸潮上溯距離較長;潮差較大時(shí),咸潮上溯距離相對(duì)較短,并認(rèn)為大潮期間加大上游下泄流量是最好的壓咸時(shí)機(jī);水利部珠江水利委員會(huì)2005～2008年對(duì)磨刀門水道咸潮開展了多次原型觀測(cè)研究;何慎術(shù)和錢海強(qiáng)也采用實(shí)測(cè)資料對(duì)磨刀門水道的咸潮入侵規(guī)律進(jìn)行了初步探討;韓志遠(yuǎn)等對(duì)近年來磨刀門水道咸潮災(zāi)害加劇的原因進(jìn)行了分析,認(rèn)為嚴(yán)重咸潮災(zāi)害并非都發(fā)生在西、北江的枯季,因此枯季上游來水量變化并不是近年來咸潮災(zāi)害加劇的主要原因,而近些年的河道采砂以及河口圍墾才是導(dǎo)致磨刀門口門“調(diào)淡”作用的喪失才是主要因素。由以上介紹可見,有關(guān)磨刀門水道近年來的咸潮入侵規(guī)律的研究和分析成果越來越多,不同研究人員從自身的學(xué)術(shù)角度探討了磨刀門水道咸潮災(zāi)害活動(dòng)的規(guī)律,其主要成因的結(jié)論也有所不同,部分學(xué)者認(rèn)為是上游徑流減少所致,而部分學(xué)者則認(rèn)為是由于近年河道下切及口門外移導(dǎo)致“調(diào)淡”作用消失等因素所致。本文在以上學(xué)者對(duì)影響磨刀門水道咸潮入侵的徑流、河道演變以及口門攔門沙的演變過程研究的基礎(chǔ)上,探討了磨刀門水道咸潮入侵與各項(xiàng)影響因素的相互關(guān)系。1磨刀門攔門沙演化的動(dòng)態(tài)分析珠江河口八大口門中,磨刀門口門輸水輸沙量最大,平均下泄流量約為2500m3/s,20a一遇洪水下泄流量可達(dá)13380m3/s;年平均懸移質(zhì)輸沙量2341萬t,占珠江河口總輸沙量的30.4%,懸沙中徑0.017mm,其中80%～90%為黏土和粉砂。磨刀門攔門沙主要由汛期河流泥沙淤積而成。汛期磨刀門以洪水下泄為主,其攜帶的泥沙隨湍流擴(kuò)散,淤積于擴(kuò)散末端位置附近。20世紀(jì)80年代中期,磨刀門口門位于大井角附近。從20世紀(jì)80年代中后期開始,磨刀門內(nèi)海區(qū)實(shí)施了大規(guī)模圍墾,內(nèi)海區(qū)水流集中,動(dòng)力作用加強(qiáng),口門位置外移,已到交杯沙-石欄洲一線附近,攔門沙位置也隨之向外移動(dòng)。珠江水利科學(xué)研究院根據(jù)近30a(1978～2009)的遙感影像資料,對(duì)磨刀門攔門沙的演變特征進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析,將磨刀門口門攔門沙分為如圖1所示的A區(qū)(西側(cè)4沙)和B區(qū)(東側(cè))。研究顯示,A區(qū)(西側(cè)4沙)發(fā)育最早、最快,隨后從西向東逐步發(fā)育了一系列淺灘,1995年以后其外緣位置逐漸穩(wěn)定,其發(fā)展以向岸發(fā)育為主;B區(qū)零星分布幾個(gè)出露沙脊(群),這些沙脊北側(cè)逐漸蝕退,以離岸發(fā)育為主,與A區(qū)4沙相比,這些淺灘出露面積小,位置不穩(wěn)定,顯示現(xiàn)有灘槽格局還將經(jīng)歷一個(gè)調(diào)整階段。Y.K.Chau和C.S.Wong于1960年調(diào)查香港以南大陸架海區(qū)后認(rèn)為,由于伶仃洋河口存在天然深槽,夏季高鹽陸架水(鹽度為3%～4%)在伶仃洋區(qū)域可沿其東側(cè)的暗士頓水道和西側(cè)伶仃水道從底部侵入該河口口灣中心腹地,形成顯著的鹽水異重流和入侵現(xiàn)象。磨刀門雖屬徑流作用為主的河口,但研究顯示,夏季磨刀門攔門沙前緣斜坡也直接由鹽度為3.3%的高鹽陸架水控制,只是河口攔門沙阻擋了高鹽陸架水的進(jìn)一步向里推進(jìn)?？梢?磨刀門攔門沙的隆起阻擋了高鹽水向上游磨刀門水道的進(jìn)一步入侵。另有研究顯示,高鹽陸架水的入侵在河口形成的物理和化學(xué)作用也促進(jìn)了河口泥沙的落淤和攔門沙的形成。張志忠等對(duì)長江口動(dòng)水絮凝沉降與攔門沙的淤積關(guān)系進(jìn)行了分析,得到了漲落潮期間不同鹽度下,不同性質(zhì)的泥沙在河口鹽水楔頭部和尾部落淤的規(guī)律,揭示了攔門沙水平淤積的基本規(guī)律。夏季,伶仃洋及磨刀門口門徑流量大,泥沙豐富,而此時(shí)也正是口門外鹽水入侵的活躍期。無疑,該研究成果對(duì)磨刀門攔門沙形成特征的研究具有借鑒和參考價(jià)值。近百年來,磨刀門河口攔門沙下移至三灶-橫琴-橫洲島一線以南,面臨開闊的外海,受波浪作用的影響越來越大,在河口類型上有向以波浪影響作用為主的河口類型(河-波型)演化的趨勢(shì),攔門沙脊出現(xiàn)新的位移、歸并等現(xiàn)象,口門外水域出現(xiàn)一主一支灘槽格局發(fā)育的萌芽和趨勢(shì)。其中攔門沙東、中汊的發(fā)展不但有助于洪季水沙下泄出海,也有利于枯季潮流進(jìn)出。潮流順暢及東汊口走向與波浪方向基本一致,是近年咸潮入侵上溯更遠(yuǎn)的原因之一。2枯季時(shí)期的來水趨勢(shì)分析河口徑流量的大小是影響鹽水入侵的重要因素之一,如沒有足夠的淡水下泄,咸潮入侵的影響距離將越來越長,濃度越來越高。部分學(xué)者分析認(rèn)為,隨著珠澳地區(qū)城市用水量的顯著增加,特別是2004年以后,用水量增加至100萬m3/d以上,在上游來水量偏少時(shí),咸潮對(duì)供水的水源影響日益顯著。陳榮力等分析認(rèn)為,徑流是抑制磨刀門水道咸潮上溯的主要?jiǎng)恿?鹽度梯度力是促進(jìn)水道內(nèi)咸潮上溯的主要?jiǎng)恿?在枯季徑流量較小時(shí),潮汐動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng),咸淡水混合程度也相對(duì)增大,由此引發(fā)咸潮上溯,從而影響珠海和澳門地區(qū)的供水安全,并且認(rèn)為枯季大潮期間是調(diào)水壓咸的最佳時(shí)機(jī)。劉杰斌等分別選取枯季豐、枯水年的長系列實(shí)測(cè)鹽度資料進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果顯示無論豐水年還是枯水年,咸界和潮汐一樣都具有日周期和半月周期波動(dòng)的規(guī)律,不受徑流量大小的影響,區(qū)別僅在于豐水年咸潮很快能退出口門,枯水年咸潮長時(shí)間停留在磨刀門水道,且上溯的速度更快,距離更遠(yuǎn),從而嚴(yán)重影響取水口取水。因此,河口地形和潮汐動(dòng)力作用是影響磨刀門水道中鹽水上溯的主要因素。另外,磨刀門水道在枯季小潮期間前后2d會(huì)出現(xiàn)鹽水強(qiáng)烈上溯的現(xiàn)象,造成小潮期間咸潮災(zāi)害強(qiáng)而大潮期間咸潮災(zāi)害反而較弱的異?，F(xiàn)象,因此,此期間是采取適當(dāng)?shù)拇胧┮种颇サ堕T水道咸潮上溯的關(guān)鍵期。劉峰等通過資料分析顯示,20世紀(jì)70年代的年均徑流量、輸沙率分別為7825m3/s、2480kg/s,分別比60年代增加了10.2%,11.5%,而90年代與70年代相比,年平均徑流量變化不大,僅減少3.3%,而平均輸沙率卻減少23.4%,在徑流量幾乎不變的前提下來沙量的減少加劇了河道和攔門沙的沖刷,從而加劇了咸潮的上溯。韓志遠(yuǎn)等認(rèn)為,20世紀(jì)60～90年代初,雖然西、北江枯季來水量年際變化較大,但磨刀門水道的咸潮活動(dòng)卻呈下降趨勢(shì)。20世紀(jì)90年代中期以來,珠江磨刀門水道的咸潮上溯呈逐年加劇的趨勢(shì),但除1996年和2004年枯季流量偏枯外,其他年份均屬于枯季平水和豐水流量,即在平水流量和豐水流量下,也會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的咸潮災(zāi)害。因此,枯季上游來水量減少并不是引發(fā)咸潮災(zāi)害加劇的主要原因。綜上可見,毫無疑問,河口徑流與潮汐相互作用的消長對(duì)咸潮入侵有直接的影響,但磨刀門水道徑流量的變化是否是近年來磨刀門咸潮上溯加劇的主要原因則尚存在一定的爭(zhēng)論,說明了該問題的復(fù)雜性,也有待于進(jìn)一步的研究和論證工作。3海運(yùn)下切鹽水入侵機(jī)理20世紀(jì)60～80年代,由于河口向外海延伸,河床自然淤高,咸淡水界下移,磨刀門水道的咸潮活動(dòng)呈逐年減弱趨勢(shì)。但是自20世紀(jì)90年代以來,磨刀門水道咸潮災(zāi)害的影響范圍逐年擴(kuò)大、危害程度逐年加劇。調(diào)查顯示,20世紀(jì)80年代中期開始,珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模的河床采砂活動(dòng),1984～2003年,整個(gè)珠江三角洲的采砂總量約為13.4億m3,其中西、北江三角洲的采砂量約占采砂總量的70%。磨刀門水道采砂主要集中在竹銀至掛定角河段,1991～2000年采砂量達(dá)4320萬m3,大大超過了河床的自然淤積量,導(dǎo)致河床嚴(yán)重下切,水深和河槽容積大幅增加,直接改變了河床的形態(tài)。羅小峰和陳志昌曾采用三維數(shù)學(xué)模型對(duì)長江口北槽航道河底下切至-10.0,-12.5m和-15.0m的鹽水入侵情況進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析,結(jié)果顯示,航道下切增加了鹽水入侵強(qiáng)度,鹽水主要從航道底部上溯,但在-12.5～-15.0m范圍內(nèi),鹽水入侵繼續(xù)增強(qiáng)的趨勢(shì)不明顯,僅增加了航道的蓄鹽能力,且由于水深加大,阻力減小,進(jìn)出潮量明顯增加。劉峰等對(duì)磨刀門水道河床演變的分析顯示,1977～1999年,磨刀門水道整體表現(xiàn)為沖刷,共沖刷2553萬m3。百頃頭-竹洲頭段、竹洲頭-大排沙段、大排沙-燈籠山段0m等深線以下河槽容積分別增加14.5%,19.1%和7.0%,而河槽平面面積分別減少8.6%,3.7%和2.3%。整個(gè)磨刀門水道的中間深槽部分都沖刷比較嚴(yán)重,大部分沖刷厚度大于2m,這與河道大規(guī)模采砂活動(dòng)導(dǎo)致的河床下切密切相關(guān)。韓志遠(yuǎn)等通過對(duì)磨刀門水道不同年份地形資料和多年枯季潮位資料進(jìn)行對(duì)比分析后更是認(rèn)為,大規(guī)模河床采砂才是近年來磨刀門水道咸潮災(zāi)害加劇的主要原因。根據(jù)以上分析成果可知,磨刀門水道的下切一方面會(huì)加劇鹽水的入侵,鹽水的回蕩距離增大,另一方面導(dǎo)致蓄鹽能力得到一定程度的增強(qiáng)。而根據(jù)陳榮力等對(duì)磨刀門水道內(nèi)鹽水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析可知,小潮前后一段時(shí)間內(nèi),由于潮差小,潮動(dòng)力弱,鹽水無法退出而長時(shí)間滯留于水道中,在潮汐的振蕩作用下,底部高濃度鹽水在磨刀門水道內(nèi)垂向和縱向不斷擴(kuò)散,致使水道表層鹽度不斷增加,從而造成嚴(yán)重的咸潮災(zāi)害。4口攔門沙與河口徑流、徑流的相互作用針對(duì)近年來磨刀門水道咸潮災(zāi)害加劇的趨勢(shì),本文選取咸潮入侵的3個(gè)主要影響因素?cái)r門沙、徑流和河道演變對(duì)已有相關(guān)方面的研究成果進(jìn)行了總結(jié)和分析,得出以下主要研究結(jié)論。(1)近百年來,磨刀門河口攔門沙下移至三灶-橫琴-橫洲島一線以南,在河口類型上有向“河-波型”河口演化的趨勢(shì)。攔門沙的蝕退、潮流