洪季伶仃洋水域徑潮動力作用機制及演變探討

方神光，喻豐華

（1. 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學院, 廣東 廣州 510635；2. 珠江水利委員會 珠江水利科學研究院, 廣東 廣州 510611）

從19 世紀末至20 世紀70 年代，伶仃洋河口灣“三灘兩槽”格局即已演變成型（趙煥庭, 1981），它是上游來水來沙與河口特定岸線邊界和潮汐動力相互作用的必然結(jié)果（夏真, 2005）。從20 世紀80 年代開始，灘涂大面積圍墾、河網(wǎng)聯(lián)圍筑閘、航道整治及河道采砂等人類活動造成伶仃洋河口水域水沙情勢、河床地形及岸線邊界等發(fā)生了顯著改變（楊清書等, 2003; 胡德禮等, 2010; 謝麗莉等,2015），水域面積較19 世紀末減少約35%（趙荻能, 2017），中灘自2008 年以來則形成了容積達7 億m3的巨大采砂坑（應強等, 2019）。受此影響，伶仃洋灣口斷面漲落潮量較1981 年累計減少4.9%～6.0%（侯慶志等, 2019），河口岸線邊界急劇變化致使潮汐不對稱現(xiàn)象加劇，淺水分潮M4振幅總體呈增大趨勢（Wong et al, 2003; 王宗旭等, 2020）；潮位在落潮時最大減少約0.3 m，漲潮時最大增加約0.26 m，且漲急流速呈減小趨勢（劉晉濤等, 2020）；港珠澳大橋建設進一步削弱了伶仃洋河口灣水域的潮汐動力（方神光等, 2011）。與20 世紀80 年代相比，由東四口門匯入伶仃洋的徑流量至90 年代末增大了32.6%，隨后至2007 年則減少了12.2%，來沙量總體呈減小趨勢（謝麗莉等, 2015; 袁菲等, 2018）。

伶仃洋水域潮汐動力和徑流動力的變化最終反映在水流運動及其引起的沖淤演變。當前采用數(shù)學模型和物理模型等手段開展伶仃洋水域潮流動力演變、咸潮入侵等方面的研究極為豐富（陳子燊,1993; 陳文彪等, 1999; 包蕓等, 2005; 韓西軍等, 2008; 何杰等, 2012; 陳文彪等, 2013; 歐素英等, 2016; 何用等, 2018），本文則主要基于伶仃洋水域歷年洪季定點同步觀測數(shù)據(jù)，研究潮周期平均流速對潮汐動力、徑流動力及其他動力因子的響應機制，探討伶仃洋水域近些年洪季動力變化趨勢及其對灘槽沖淤規(guī)律產(chǎn)生的影響。

1 研究區(qū)域

伶仃洋河口灣（113°30′～113°54′E，22°06′～22°42′N）呈NNW—SSE 走向的喇叭形，如圖1 所示（圖中為2016 年至2019 年水深等值線，珠江基面），自東向西依次為虎門、蕉門、洪奇門、橫門，其中虎門屬潮汐型河口，蕉門、洪奇門、橫門屬徑流型河口；水下地形存在“三灘兩槽”格局，東槽為礬石水道，平均水深9 m；西槽為伶仃水道，平均水深18 m，是廣州港出海航道的主槽，東、西兩槽將河口灣分割為東、中、西三灘。本世紀以來，由于廣州出海航道等級提升，西槽槽寬向兩側(cè)擴展，東槽中下段水深有所加大，中灘在大規(guī)模采砂下分割成上部伶仃攔江沙和下部礬石淺灘，東、西槽在中灘中部有貫通之勢（應強等, 2019）。伶仃洋西部水沙自蕉門起，沿西南方向輸移，沿途接納洪奇門、橫門落潮水沙，經(jīng)澳門附近水域后向西南方向輸運。

圖1 伶仃洋河口水域水深地形及水文觀測站點位置Fig. 1 Bathymetric terrain and locations of hydrometric stations in the Lingdingyang Estuary

2 資料來源及水文背景分析

收集廣州港務局于1992 年7 月、2007 年8 月和2013 年9 月（分別簡稱“92.7” “07.8” “13.9”）洪季在伶仃洋河口灣3 次航道測站的周日同步水文觀測數(shù)據(jù)，其中“92.7”期間布測有15 個站點，“07.8”期間布測21 個站點，“13.9”期間布測17 個站點。這3 次同步觀測中有7 個測點位置相同，分別是礬石站、伶仃1 站、伶仃2 站、伶仃3 站、拋泥地站、珠海站和大濠島站（圖1）。3 次同步觀測期間，流速流向觀測采用SLC9-2 型直讀式海流儀和ADCP/ADP 施測，各測點流速、流向每整點測量1 次，每次測量歷時不少于50 s；水深采用液位儀讀取數(shù)據(jù)；各垂線測點數(shù)根據(jù)實際水深情況采用分層法施測，即當水深d＜5 m 時，用三點法（0.2d、0.6d、0.8d）分層觀測流速流向；當5 m≤d＜10 m 時，用五點法（表層、0.2d、0.6d、0.8d、底層）分層觀測；當d≥10 m 時，用六點法（表層、0.2d、0.4d、0.6d、0.8d、底層），其中表層為水面下0.5 m，底層為離底0.5 m。同期，收集了西、北江網(wǎng)河區(qū)頂端國家重點水文站馬口站和三水站基于走航式聲學多普勒流速剖面儀ADCP 施測得到的逐日流量數(shù)據(jù)；收集了伶仃洋河口灣大虎站、內(nèi)伶仃島站、赤灣站和桂山島站共5 個潮位站自動驗潮儀逐時潮位觀測數(shù)據(jù)。

伶仃洋水域“92.7” “07.8” “13.9”三次同步觀測期間上游西江馬口站和北江三水站來流，以及主要潮位站點潮周期平均潮差，如表1 所示。上游來流用兩站流量之和（馬口站+三水站）代表；考慮洪水從控制水文站演進到伶仃洋水域大概要1 天，采用當天與前一天流量的平均值的方式，利用該流量之和來衡量進入伶仃洋的徑流動力強度。3 次同步觀測期間，以“92.7”大潮期間上游來流量最大，達到18 655 m3/s，為珠江河口常遇洪水量級。伶仃洋河口灣潮差較小，平均為0.86～1.69 m，屬弱潮型，潮汐系數(shù)在0.96～1.77，為不正規(guī)半日混合潮型，在一個太陰日內(nèi)出現(xiàn)2 次高潮和2 次低潮，潮高和潮時存在日內(nèi)不等現(xiàn)象?？臻g分布來看，大虎站、內(nèi)伶仃島站、赤灣站和桂山島站平均潮差呈現(xiàn)由下游向上游遞增且東側(cè)大于中部的空間分布特征；內(nèi)伶仃島站與赤灣站、桂山島站潮差之間的相關系數(shù)均達到0.998（圖2，含2018 年8 月洪季部分潮周期時段數(shù)據(jù)），說明它們之間的相關性極好；桂山島站位于伶仃洋口門外側(cè)，受伶仃洋地形地貌影響相對較小，所以選取該站潮周期平均潮差代表外海潮動力強度。

表1 伶仃洋同步觀測期間徑流和潮差統(tǒng)計Table 1 Statistics of the runoff and the tidal range observed simultaneously in the Lingdingyang Estuary

圖2 伶仃洋主要站點潮差相關性分析Fig. 2 Correlation analysis of tidal ranges at main stations in the Lingdingyang Estuary

為比較動力因子作用規(guī)律的變化，還收集了洪季伶仃洋水域4 座浮標站（站點位置見圖1 中A1～A4）2018 年8 月26 日至9 月10 日（農(nóng)歷七月十六至八月初一）共16 d 的同步觀測數(shù)據(jù)。在浮標站使用1 MHz 浪龍聲學多普勒海流剖面儀采集流向、流速、水深等數(shù)據(jù)，垂向設置為每層0.3～0.5 m，垂向測量范圍為0.41～25.0 m。按珠江河口潮周期約24.8 h 計算，同步觀測時長可包含15個完整潮周期。統(tǒng)計各潮周期內(nèi)上游馬口站和三水站來流量之和及下游桂山島站平均潮差（圖3）可見，桂山島站潮周期平均潮差隨天文潮變化而變化，平均潮差最大值出現(xiàn)在農(nóng)歷八月初一（公歷9月9 日至10 日，第15 個潮周期）大潮期間，為1.5 m；上游馬口站和三水站來流量在10 000～18 000 m3/s 變化，最大來流量出現(xiàn)在農(nóng)歷七月廿五至廿六日（公歷9 月4 日至5 日，第10 個潮周期）小潮期間。

圖3 A1～A4 浮標站同步觀測期間上游來流量和下游潮差Fig. 3 Upstream flow rate and downstream tidal ranges observed simultaneously at the buoy stations A1-A4

3 研究方法

3.1 潮周期平均動力特征值計算方法

為準確計算潮周期動力特征值，引入主潮通量斷面概念（方神光等, 2020），主潮通量斷面對應潮流橢圓短軸且單寬潮通量最大（漲潮通量和落潮通量之和），將主潮通量斷面兩側(cè)潮流矢量定義為漲潮流或落潮流。主潮通量斷面尋找方法介紹如下。

任選一個斷面，以其位置與N 軸正向夾角（ θ1）來定位，通過該斷面的單寬總潮量為：

式中：Fnθ1和Fj分別為單寬總通量和潮段通量；m為漲落潮時段的總個數(shù)；Qin、vin和hi分別為i時刻的單寬流量、平均流速和水深；tj和tj-1為漲（落）潮段起止時刻。在0～180°范圍內(nèi)按順（逆）時針旋轉(zhuǎn)，可得到不同位置的斷面，采用式（1）計算出通過不同短軸斷面的單寬總潮通量{Fnθ1,Fnθ2, ···,Fnθk, ···,Fn(θ1+180°)}，選取最大潮通量作為主潮通量斷面。確定主潮通量斷面位置后，可區(qū)分各時刻觀測數(shù)據(jù)的漲落潮矢量，并分解為N 分量和E 分量。采用沿時間軸積分法求出指定時段或潮周期內(nèi)的動力特征值。

3.2 河口徑潮動力作用的線性回歸定量分析方法

洪季，潮動力和徑流動力主導珠江河口近岸水域水流運動。山潮比被用來辨識珠江河口八大口門類型及水域主導動力因子（陳子燊, 1993; 陳文彪等, 2013），其他影響因素如海面風、鹽度斜壓梯度力、科氏力、底部摩擦阻力等均會影響水流動能與勢能的轉(zhuǎn)化及耗散（Zhong et al, 2006），引導河口潮流物質(zhì)的凈輸移方向（歐素英等, 2016）。為定量區(qū)分和探討潮汐動力、徑流動力和其他動力對伶仃洋水域潮流運動的作用規(guī)律，結(jié)合上游徑流量和河口控制水文站潮差，本文采用線性回歸法定量擬合潮流運動特征值與主要動力因子的關系，線性回歸方程（李靜萍, 2015）為：

式中：vDF為潮周期垂向平均流速，單位為m/s；Δz為潮周期平均潮差，單位為m；Q為徑流量，單位為m3/s；a、b、c為主要動力因子對vDF值的貢獻權(quán)重，可用來定量剝離和分析水域的動力作用貢獻。采用3.1 節(jié)的方法可計算得到“92.7” “07.8” “13.9”三次同步觀測期間的潮周期平均漲潮和落潮流速值（vDF），采用同步觀測期間珠江河口桂山島站的實測值可計算得到Δz，采用馬口站和三水站當天與前一天的日平均流量之和可計算得到Q?；趘DF、Δz、Q系列數(shù)據(jù)，采用線性回歸方法進行擬合，便可得動力作用系數(shù)a、b、c的值。

4 潮流動力變化特征

4.1 潮周期水深平均漲落潮流變化規(guī)律

由主要測站潮周期I～VI（表1）垂線平均漲潮和落潮矢量圖（圖4）可見，伶仃洋水域內(nèi)流態(tài)總體呈現(xiàn)漲潮流朝北、落潮流朝南；伶仃1 站和礬石站流態(tài)受岸線約束基本無變化，蕉門南支向南延伸導致西灘站漲落潮流態(tài)從2007 年的WNW—SE 轉(zhuǎn)變?yōu)?013 年的NW—SSE，順岸變化趨勢顯著。以金星門—內(nèi)伶仃島—赤灣為界，1992 年至2013 年6 次周日觀測中，洪季，分界線以北的內(nèi)伶仃洋水域潮動力軸線呈順時針偏轉(zhuǎn)、以南外伶仃洋水域呈逆時針偏轉(zhuǎn)，如：內(nèi)伶仃洋水域伶仃2 站，漲潮流向往東最大偏轉(zhuǎn)29°（第III 潮周期），落潮流向往西最大偏轉(zhuǎn)25°（第III 潮周期）；外伶仃洋水域伶仃3 站正好相反，漲潮流向往西最大偏轉(zhuǎn)達22°（第VI 潮周期），落潮流向往東最大偏轉(zhuǎn)12°（第III 潮周期），伶仃洋口外水域測站旋轉(zhuǎn)流明顯。除伶仃3 站和大濠島站外，洪季其他站點潮周期落潮平均流速均大于漲潮平均流速，伶仃3 站漲潮平均流速始終大于落潮平均流速，大濠島站潮周期平均漲、落潮流速總體相差不大，僅在上游洪水流量較大時表現(xiàn)落潮流速大于漲潮流速。珠海站水域開闊，水深較淺，位于伶仃洋東四口門洪水向西輸送和潮汐主通道的交界位置，徑、潮動力相互作用復雜，導致同一水文觀測期間2 次潮周期漲、落潮主流向相差較大，但漲潮流朝北、落潮流朝南的總規(guī)律仍維持不變。

圖4 “92.7” “07.8” “13.9”三次周日同步觀測的垂線平均漲、落潮流矢量分布Fig. 4 Vector distributions of vertical average rising and falling flows observed simultaneously in the periods of “92.7” “07.8” “13.9”

4.2 二元線性回歸擬合方程的驗證及動力系數(shù)變化規(guī)律

為分析伶仃洋水域主槽和西灘的潮流動力特征，選取“92.7” “07.8” “13.9”三次同步觀測中5 個共同測點（礬石站、伶仃2 站、伶仃3 站、大濠島站、拋泥地站）的數(shù)據(jù)，其中礬石站、伶仃2 站、伶仃3 站、大濠島站沿主槽從上游向河口布置，拋泥地站布置在西灘。采用線性回歸擬合方法，得到各測站中a、b、c值（式（2）），如表2 所示。比較利用擬合公式得到的計算值與潮周期的統(tǒng)計值（圖5），結(jié)果表明，擬合值與潮周期統(tǒng)計值極為接近且相關性較好，這驗證了伶仃洋水域潮周期平均漲潮和落潮流速可通過二元線性擬合來較好地表達。

表2 “92.7” “07.8” “13.9”周日同步觀測部分站徑潮動力影響線性回歸參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Table 2 List of linear regression parameters for the affection of runoff and tidal dynamics observed simultaneously at part of the stations in the periods of “92.7” “07.8” “13.9”

圖5 航道測站周日觀測的潮周期平均流速統(tǒng)計值與擬合值比較Fig. 5 Comparison between statistical values and fitting values of average flow velocities of tidal cycles observed at the waterway station

沿伶仃洋主槽水域，落潮階段的潮差動力作用系數(shù)（a）總體大于漲潮階段，這與伶仃洋喇叭形河口聚能作用相關。在漲潮階段，口外潮汐動能在向上游傳播過程中部分動能轉(zhuǎn)化為勢能，如內(nèi)伶仃島站平均潮差比口外桂山島站潮差增大了20%～30%，而在落潮階段，其過程逆轉(zhuǎn)為勢能向動能的轉(zhuǎn)換（表1）。徑流動力作用系數(shù)（b）在漲潮階段和落潮階段均為負值，其中，在漲潮階段，徑流動力作用系數(shù)沿主槽從上游向下游遞減，而在落潮階段，該系數(shù)呈先減小后增大的趨勢，這是由西灘洪水徑流沿程不斷匯入主槽所致。其他動力因子作用系數(shù)（c）在漲潮階段為正值而在落潮階段為負值，且從上游向下游方向，該系數(shù)在漲潮階段呈遞增趨勢，這與洪季盛行西南季風和咸潮運動有關，因為西南季風與漲潮流方向一致而與落潮流方向相反，且風速呈河口灣外大于灣內(nèi)，同時向下游方向西灘洪水沿程不斷匯入主槽也會不斷增強底層指向上游方向的鹽度斜壓密度梯度力。

西灘水域的拋泥地站距伶仃洋灣頂較遠，喇叭形河口聚能效應不明顯，a值在漲潮和落潮階段相差不大。b值在漲潮和落潮階段均為負，表明洪季徑流形成的沖淡水在西灘以自由漂流狀態(tài)隨潮汐擴散。c值漲潮階段為負、落潮階段為正，與主槽水域變化規(guī)律相反，且漲潮階段的|c|很小且遠小于落潮的|c|，表明西灘水域其他主導動力因子與主槽明顯不同，西灘水域面積廣、水深淺、岸線曲折且床面阻力大，因此形成“潮汐捕集”（Fischer, 1976）和儲能機制（王宗旭等, 2020）導致漲潮時潮水儲存聚集、落潮時集中釋放，進而導致落潮階段c值遠大于漲潮階段。

4.3 潮周期平均流速中的動力分項貢獻分析

為分析各測站漲潮期和落潮期平均流速中徑流貢獻與潮汐貢獻之比(bQ)/(aΔz)隨徑流量的變化特征，選取桂山島站的潮差值，大、中、小潮平均潮差實測值分別為1.6 m、1.2 m 和0.8 m，上游來流量分別采用0、5 000、10 000、15 000 和20 000 m3/s，根據(jù)擬合系數(shù)值（表2）和式（2），得到漲潮期和落潮期各測站(bQ)/(aΔz)～Q關系（圖6 和圖7），結(jié)果顯示，伶仃洋河口灣潮周期平均流速中徑流動力的負貢獻占比隨來流量增加呈線性增大趨勢，且潮汐動力越小，徑流動力負貢獻占比越大。這說明往年洪季不論漲潮階段還是落潮階段，進入伶仃洋河口灣的洪水徑流以隨潮運動為主，削弱了河口灣內(nèi)的潮流流速。

圖6 漲潮期平均流速中的徑流動力與潮汐動力貢獻之比Fig. 6 Ratios of runoff dynamic to tidal dynamic contributions in the average flow velocities during the flood period

圖7 落潮期平均流速中的徑流動力與潮汐動力貢獻之比Fig. 7 Ratios of runoff dynamic to tidal dynamic contributions in the average flow velocities during the ebb period

統(tǒng)計圖6 和圖7 中漲潮期和落潮期的(bQ)/(aΔz)～Q關系線斜率kf和ke，結(jié)果如表3 所示。漲潮期，沿主槽水域越往下游，kf越小，徑流影響越顯著；小潮期且上游來流量為20 000 m3/s 時，大濠島站水域出現(xiàn)|bQ|＞aΔz，說明潮汐動力不足以驅(qū)動漲潮流；但上游來流量越大，主槽縱向鹽度密度差形成的斜壓梯度力越大，咸潮上溯動力也越強勁，疊加河口西南季風作用，同樣能驅(qū)動漲潮流，如大濠島站c值最大，達到0.21（表2）。落潮期，主槽水域以伶仃3 站ke最小，徑流動力影響最大，小潮期間上游來流為20 000 m3/s 時，該水域落潮流速接近0，泥沙極易落淤；西灘拋泥地站斜率ke均小于主槽其他測站，說明徑流影響較主槽更強，小潮期間來流20 000 m3/s 時，徑流動力對落潮流速的負貢獻基本抵消了潮汐動力作用，但西灘的“潮汐捕集”機制形成的落潮水位差仍會驅(qū)使潮流繼續(xù)向口外運動，體現(xiàn)其作用的c值達到最大，為0.22（表2）。

表3 “92.7” “07.8” “13.9”周日觀測期徑潮貢獻比隨來流量線性變化對應的斜率kf 和keTable 3 Slopes kf and ke corresponding to the linear changes of the contribution ratios of runoff and tidal dynamics with the incoming flow rate in the periods of “92.7” “07.8” “13.9”×10-5

4.4 洪水期徑潮動力變化對伶仃洋水域泥沙沖淤影響的討論

珠江河口東四口門洪季輸入伶仃洋水域的徑流量和泥沙量分別占全年輸入總量的約80%和90%（韓西軍等, 2008），且約60%的泥沙淤積在伶仃洋灣內(nèi)（陳文彪等, 1999）。上游徑流由東四口門進入伶仃洋后，受密度分層影響，以沖淡水形態(tài)由表層隨潮流向東、西方向擴散，并以西向擴展為主（陳希榮等, 2018）。因此，結(jié)合徑流貢獻系數(shù)b均為負，說明進入伶仃洋水域的淡水徑流主要以“搭車”的形態(tài)隨潮汐運動，在動量守恒條件下，潮流流速會相應減小。洪水期，大量泥沙隨徑流進入伶仃洋水域，若徑流量大且潮汐動力弱，會顯著削弱伶仃洋灣內(nèi)潮流流速，極易導致泥沙落淤。伶仃洋河口水域以懸移質(zhì)為主（吳門伍等, 2012），年平均含沙量為0.1～0.2 kg/m3，平均中值粒徑約6 μm（李孟國等, 2021），根據(jù)羅肇森和羅勇（羅肇森等, 1997）適應浮泥起動公式：

式中：vc為起動流速，單位為m/s；d為泥沙粒徑，單位為mm；H為水深，單位為m；γw為濕容重，單位為kN/m3。采用實測大、中、小潮平均水深，計算泥沙起動流速vc，得到西灘水域拋泥地站約為0.35 m/s；主槽水域在0.35～0.45 m/s，并以主槽下游大濠島站最大。將泥沙起動流速作為河床沖淤的臨界值，在給定潮差后，采用式（2）反推伶仃洋水域各站的徑流量臨界值Qc：

采用桂山島站的潮差值，大潮、中潮和小潮的潮差值分別取1.6 m、1.2 m 和0.8 m，結(jié)合擬合參數(shù)值（表2），應用式（4）計算各站徑流量臨界值Qc，結(jié)果如表4 所示。在潮差不變時，當上游徑流量小于Qc，懸沙不易落淤，反之，則會形成淤積；當計算的Qc小于0 時，全部以0 代替（表4），表示任何徑流量下，都會形成淤積。除伶仃3 站外，Qc均為落潮＞漲潮，說明伶仃洋大部分水域在漲潮階段比落潮階段更容易出現(xiàn)泥沙落淤；伶仃3 站的Qc為落潮＜漲潮，說明該站所處位置的外伶仃洋主槽段在落潮階段更容易出現(xiàn)淤積，原因與主槽沿線兩側(cè)徑流不斷匯入密切相關。徑流量臨界值Qc還呈現(xiàn)大潮＞中潮＞小潮的特征，說明潮汐動力越弱，伶仃洋河口灣內(nèi)泥沙越容易落淤，如小潮落潮階段，主槽水域沿線站點Qc值基本為0，漲潮階段的Qc值基本不超過5 000 m3/s，西灘拋泥地站漲潮階段的Qc值都為0。

表4 “92.7” “07.8” “13.9”周日觀測期的臨界流量Table 4 Calculated results of critical flow rates in the periods of “92.7” “07.8” “13.9”×104 m3·s-1

洪水期，珠江河口的洪水主要來自西江和北江，多年平均洪水流量Qave為8 800 m3/s，多年平均洪峰流量Qfp為37 240 m3/s（歐素英等, 2016），將二者與臨界流量Qc（表4）進行比較，結(jié)果如表5 所示。應用Qc與來流量之差表示是否會出現(xiàn)淤積，若Qc－Qave＞0 或Qc－Qfp＞0，表示不會形成淤積；反之，若Qc－Qave＜0 或Qc－Qfp＜0，則會形成泥沙落淤。當上游來流量為多年平均洪水流量Qave時，小潮期間，伶仃洋主槽水域都容易形成淤積，西灘淤積主要出現(xiàn)在小潮期漲潮階段；大潮期和中潮期的伶仃洋水域泥沙都不容易落淤。當上游出現(xiàn)多年平均洪峰流量Qfp時，中潮期和小潮期的伶仃洋河口灣灘、槽水域都會出現(xiàn)泥沙淤積；大潮期間，伶仃洋主槽水域淤積主要出現(xiàn)在外伶仃洋段，西灘水域漲潮階段和落潮階段均處于淤積狀態(tài)。因此，通過引入臨界流量Qc的概念，較好地揭示了以往伶仃洋水域的沖淤變化規(guī)律；但3 次同步觀測期間（“92.7” “07.8” “13.9”），上游最大來流量均未超過20 000 m3/s，因此，擬合式（2）及參數(shù)表2 的適用性有待進一步檢驗。另外，夏季伶仃洋水域懸浮泥沙平均濃度為0.03 kg/m3（賈淇文等, 2021），空間分布上呈現(xiàn)“西高東低，北高南低，槽低灘高”的態(tài)勢，因此，有關伶仃洋灘、槽水域的沖淤規(guī)律，本文主要針對存在泥沙淤積的動力環(huán)境。

表5 臨界流量與特征流量比較后的沖淤趨勢Table 5 Erosion or deposition trend obtained after comparing the critical flow rate with the characteristic flow rate

5 近年伶仃洋水域徑潮動力特征變化分析

5.1 浮標站徑潮動力影響線性回歸擬合及驗證

為分析近年伶仃洋河口灣洪季徑潮動力作用規(guī)律，采用伶仃洋水域A1～A4 站（圖1）2018 年8月26 日至9 月10 日實測數(shù)據(jù)，得到了式（2）中的A1～A4 站的a、b、c擬合參數(shù)（表6），結(jié)果表明擬合值和實測統(tǒng)計值相關性很好。由A1～A4 站潮周期平均流速的擬合值和實測統(tǒng)計值的比較結(jié)果（圖8）可知：兩者差別基本都在10%以內(nèi)，因此證實了采用線性回歸方法能很好地擬合近年伶仃洋水域洪季潮周期平均流速的變化特征，亦說明洪季半月時段內(nèi)的潮周期垂向平均流速隨天文潮呈周期性變化，表現(xiàn)出潮型越強、流速越大的變化特征；位于礬石水道的A1 站的漲潮平均流速和落潮平均流速相差不大，位于橫門匯合延伸段水域的A2 站的漲潮平均流速大于落潮平均流速，位于西灘水域的A3 站和位于主槽水域的A4 站均為落潮平均流速大于漲潮平均流速。比較各站潮周期平均流速大小，以A2 站所處的水域漲潮平均流速最大，A3 站的落潮平均流速最大。

表6 A1～A4 浮標站徑潮動力影響線性回歸參數(shù)統(tǒng)計Table 6 List of linear regression parameters for the affections of runoff and tidal dynamics at the buoy stations A1-A4

5.2 近年伶仃洋水域徑潮動力作用特征討論

伶仃洋水域岸線變化及圍填海主要出現(xiàn)在2015 年之前，2000 年左右岸線增長和圍填海速度最快，2008 年至2015 年岸線趨于穩(wěn)定，但工業(yè)填海達到最大，主要出現(xiàn)在深圳寶安國際機場擴建工程用海（張曉浩等, 2016）。水深地形變化主要出現(xiàn)在2012 年之前，原因為伶仃洋出海航道三期疏浚工程完成及中灘挖沙（應強等, 2019; 李孟國等, 2021）。2015 年之后，伶仃洋岸線及灘槽水深趨于穩(wěn)定，2017 年港珠澳大橋建成后，對伶仃洋水域動力環(huán)境也存在一定的影響（方神光等, 2011）。近年伶仃洋水域布設的觀測站（圖1）中，A1 站和礬石站均位于礬石水道，兩站距離約7.0 km。內(nèi)伶仃島東北側(cè)主槽水域A4 站位于伶仃2 站下游，相距約4.1 km。西灘A3 站與拋泥地站直線距離約4.0 km。本文通過比較處于相同水域附近的A1 站-礬石站、A3 站-拋泥地站和A4 站-伶仃2 站之間的徑流動力和潮汐動力影響作用系數(shù)變化，來探討伶仃洋河口灣主要動力因子作用的變化規(guī)律，比較結(jié)果如圖9 所示。

圖9 主要水域近年與歷年動力作用系數(shù)變化比較Fig. 9 Comparison of the dynamic action coefficient changes in the main waters in recent years and calendar years

伶仃洋河口灣近年和歷年潮汐動力作用系數(shù)a值均為正（圖9），但近年得到的a值較歷年結(jié)果呈明顯減小趨勢，說明伶仃洋水域漲落潮流速與潮汐動力正相關的規(guī)律不變，但潮汐動力對灣內(nèi)水域漲潮和落潮流速的影響在顯著下降，這與伶仃洋水域航道整治、中灘采砂以及灘槽沖刷（何用等, 2018）等造成的河口灣水深增大密切相關，同時港珠澳大橋在一定程度上削弱了灣內(nèi)潮汐動力（何杰等, 2012）。近年，伶仃洋河口灣水域徑流作用系數(shù)b值漲潮期為負值、落潮期為正值，與以往均為負值呈現(xiàn)明顯差異；說明近年來徑流動力對河口灣流速的作用規(guī)律較以往發(fā)生了明顯變化，當前徑流動力對漲潮流速和落潮流速的作用呈現(xiàn)更多的河道水流動力特征，這與近些年圍墾及水深增大導致伶仃洋河口灣朝窄深型發(fā)展趨勢密切相關。近年和歷年，主槽水域（含礬石水道）的c值均在漲潮期為正值、落潮期為負值，但近年|c|值顯著增大，說明洪季珠江河口季風、主槽鹽度斜壓密度梯度力等因素對潮流速作用規(guī)律不變，但其影響較以往明顯增強，同樣與近些年伶仃洋主航道整治導致水深增大密切相關；近年來，西灘水域的c值呈現(xiàn)漲潮期為正值、落潮期為負值，較歷年發(fā)生逆轉(zhuǎn)，表明近些年由潮灘圍墾及沖刷加深等導致伶仃洋西灘的潮汐捕集和儲能作用（王宗旭等, 2020）正在減弱。

因此，近些年對伶仃洋河口灣流速的影響呈現(xiàn)潮汐動力作用在減弱、徑流動力影響在增強的變化趨勢，主要與伶仃洋水域近些年水深地形變化密切相關。與20 世紀相比，珠江河口上游來沙量顯著減少約70%（張子昊等, 2020）；伶仃洋水域面積減少約22%，分維數(shù)和形狀指數(shù)下降，束窄率上升（宮清華等, 2019），河槽容積增加11.4 億m3，以中灘下切最為明顯，平均下切3.7 m，局部下切達20 m（何用等, 2022）；表明伶仃洋河口灣逐漸演變?yōu)檎钚偷摹傲尕旰印被颉傲尕旰?，這導致徑流動力對河口灣內(nèi)水流運動的作用方式較以往發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變，洪水期進入河口灣的沖淡水由以往的“搭車”形態(tài)變?yōu)椤伴_車”形態(tài)，致使河湖型水流動力特征顯著。因此，伶仃洋河口灣灘、槽沖淤變化規(guī)律較以往相應發(fā)生改變，結(jié)合式（3）泥沙起動的臨界流速概念，當前在河口灣內(nèi)，漲潮階段和落潮階段均呈潮汐動力越小越容易落淤；漲潮階段，上游徑流量越大越容易落淤；落潮階段，徑流量越大反而越容易沖刷。

6 結(jié) 論

基于伶仃洋河口灣歷年航道測站同步觀測數(shù)據(jù)和近年浮標站實測水文數(shù)據(jù)，采用二元線性回歸法擬合了潮周期平均流速與上游來流量和平均潮差之間的關系，比較顯示，擬合值與實測統(tǒng)計值符合好且相關性高，證實了該方法的有效性。通過定量剝離出潮汐動力、徑流動力和其他動力因子對潮周期平均流速的影響系數(shù)，系統(tǒng)分析了伶仃洋河口灣主要動力因子的作用規(guī)律。

分析歷年航道測站同步觀測數(shù)據(jù)，對洪季伶仃洋河口灣潮周期平均流速的影響中，反映潮汐動力貢獻的系數(shù)a始終為正值，說明潮汐動力越強、灣內(nèi)流速越大；反映徑流動力貢獻的系數(shù)b始終為負值，呈現(xiàn)上游來流量越大灣內(nèi)流速越小。受伶仃洋喇叭形河口沿程勢能與動能相互轉(zhuǎn)化，落潮階段主槽水域內(nèi)潮汐動力對流速的貢獻大于漲潮階段。隨著主槽沿程不斷接納西灘徑流的匯入，徑流動力對主槽水域流速的削弱不斷增強。其他動力因子對西灘和主槽水域流速的貢獻呈現(xiàn)不同的作用規(guī)律，主槽水域的c值漲潮階段為正值、落潮階段為負值，與咸潮入侵及西南季風密切相關；西灘水域c值漲潮階段為負值、落潮階段為正值，與西灘岸線及床面阻力形成的“潮汐捕集”和儲能機制有關。引入臨界來流量的概念來分析伶仃洋河口灣沖淤規(guī)律，內(nèi)伶仃洋主槽及西灘水域在漲潮階段更容易形成泥沙落淤，外伶仃洋主槽水域落潮階段更容易形成淤積；潮汐動力越弱，河口灣水域越容易發(fā)生淤積，其中小潮期主槽以泥沙落淤為主，西灘泥沙落淤主要出現(xiàn)在漲潮階段。

比較來看，近年來，伶仃洋河口灣潮周期平均流速與潮汐動力正相關的規(guī)律不變，但洪季潮汐動力對河口灣潮流流速的驅(qū)動作用在減弱；徑流動力作用較歷年發(fā)生明顯變化，進入河口灣的沖淡水由以往的“搭車”形態(tài)變?yōu)橹赶蚝涌跒惩夂７较虻摹伴_車”形態(tài)；主槽水域內(nèi)的其他動力因子對潮流流速呈漲潮階段為正貢獻、落潮階段為負貢獻的規(guī)律不變，但其作用強度較歷年有顯著增強趨勢；其他動力因子對西灘水域的潮流流速作用規(guī)律較歷年發(fā)生逆轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)漲潮期為正貢獻、落潮期為負貢獻，這說明淺灘固有的潮汐捕集和儲能作用被顯著削弱。主要動力因子對潮流流速作用反映了伶仃洋河口灣因圍墾及灘槽整體沖刷下切而呈朝窄深型河口灣演變的趨勢。因此，洪季伶仃洋河口灣潮汐動力越小越容易落淤的規(guī)律不變，但徑流動力增強變化為漲潮階段更易落淤、落潮階段更易沖刷，明顯有別于往年的不論漲潮階段還是落潮階段河口灣均以落淤為主的特征。