張先毅 楊 昊 黃競爭 傅林曦 王 恒 劉俊勇 歐素英 劉 鋒 蔡華陽 ① 楊清書

(1. 中山大學 海洋工程與技術學院 河口海岸研究所 廣州 510275； 2. 河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室 廣州 510275； 3. 廣東省海岸與島礁工程技術研究中心 廣州 510275； 4. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海) 珠海 519000； 5. 珠江水利科學研究院 廣州 510611)

河口處陸地與海洋的交界地帶， 受上游徑流和外海潮波等自然因素共同作用， 徑潮動力非線性相互作用及多時空尺度變化顯著(Guoet al， 2014， 2015； Jayet al， 2015， 2016； 蔡華陽等， 2018； Caiet al， 2018a)。然而， 由于自然資源豐富及交通條件便利， 河口地區(qū)人口高度集中， 經(jīng)濟及城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速， 人類活動成為改變河口環(huán)境的第三驅(qū)動力(陳吉余等， 2008)。我國自20 世紀以來河口地區(qū)人類活動大幅加劇， 位于黃河的工農(nóng)業(yè)引水引沙、干流水庫建設等人類活動影響了黃河口的水沙分配， 導致水庫上游主槽淤積萎縮， 下游來水來沙減小， 海岸侵蝕加劇(陳沈良等， 2004； 胡春宏等， 2008； 彭俊等， 2009)。長江流域興建的三峽工程， 導致入海泥沙急劇減少， 河床發(fā)生侵蝕， 同時改變了長江河口流量的季節(jié)分配， 徑潮動力對三峽工程的響應具有顯著的季節(jié)性變化(陳吉余等， 1995； Daiet al， 2013； Caiet al， 2018a)。珠江河網(wǎng)區(qū)高強度采砂活動顯著改變了西江和北江的水沙分配， 增大了河槽容積進而使潮汐動力顯著增強， 而口門處灘涂圍墾使河口三角洲淤積速率明顯加快(張蔚等， 2008； Liuet al， 2014； Zhanget al， 2015)。本文把上述各種人為干預定義為強人類活動， 即對河口環(huán)境的影響大大超過河口自身的調(diào)節(jié)和修復能力， 使河口環(huán)境發(fā)生劇烈異變的高強度人類活動。在強人類活動影響下， 河口“動力-沉積-地貌”格局發(fā)生異變， 潮波振幅、余水位等潮波變量的變化特征不同于自然演變階段， 即河口徑潮動力格局發(fā)生異變。研究全球氣候變化背景下強人類活動對河口海岸環(huán)境的影響及異變問題， 為河口環(huán)境保護與水資源可持續(xù)開發(fā)利用等提供科學依據(jù)， 已成為當今世界河口海岸研究的重要課題(陳吉余等， 2002； Jayet al， 2011； Caiet al， 2019)。

國內(nèi)外學者對河口區(qū)徑潮動力的相互作用已有頗多研究， 成果豐碩。研究表明， 河口潮波傳播變化主要受外海潮汐動力、河口地形及上游徑流的非線性影響， 且越往上游徑流的季節(jié)性影響越顯著(Jayet al， 2015； Caiet al， 2018a； 張先毅等， 2019)。徑潮動力相互作用強度的改變直接影響河口區(qū)的泥沙輸移及河口沿程懸沙濃度的分布和沉積動態(tài)， 進而改變河口地貌形態(tài)(Guoet al， 2014)。徑流輸入相當于增加漲潮阻力， 使潮波傳播能量損耗增大， 導致潮波衰減增強， 感潮河段的潮能也相應減小(Guoet al， 2015； 歐素英等， 2016， 2017)。受徑流影響強度較大的上游河段洪枯季流量差異明顯， 相應的潮波傳播特征值(如潮差、水位等)亦有顯著的季節(jié)性變化(劉新成等， 1999； 李國芳等， 2006)。徑潮動力相互作用還直接影響河口鹽水界、潮區(qū)界、潮流界和滯流點等特征動力界的移動， 這些動力界距口門的距離基本與流量輸入呈負相關關系， 與外海潮汐動力呈正相關關系(Anet al， 2009； 黃李冰等， 2015； 路川藤等， 2016； 石盛玉等， 2018； 劉鵬飛等， 2018)。就河口區(qū)徑潮動力的自然演變及其對外部動力的響應已有較多研究成果， 然而強人類活動驅(qū)動下地形改變引起的徑潮動力季節(jié)性異變過程及機制仍是尚待深入研究的科學問題。

珠江是我國第三大河， 主要由西江、北江和東江三江匯流， 并由崖門、虎跳門、雞啼門、磨刀門、橫門、洪奇門、蕉門和虎門八大口門匯入南海。位于西江下游的磨刀門河口是珠江輸水輸沙量最大的河口， 徑流作用強， 是珠江最重要的泄洪通道。自20 世紀60 年代以來珠江流域上游建設水庫9000 余座， 總蓄水量高達65km3， 占珠江年均流量的23%(Daiet al， 2008)。水庫的建設使西江來沙量大幅減少， 加劇下游河床的沖刷侵蝕作用(Zhanget al， 2012)。同時由于西江干流的高強度采砂活動， 其年均挖沙量已超過249萬m3， 加之珠江航道內(nèi)實施的河道整治工程， 使磨刀門河口底床嚴重下切(Luoet al， 2007； 張蔚等， 2008)。位于磨刀門口門處的圍墾工程(如白藤堵海工程和八一大圍等)使口門灘地淤積， 河寬束窄， 磨刀門河口逐漸向窄深化演變(錢挹清， 2004； 賈良文等， 2007； 梁 娟 等， 2010； Tanet al， 2015； 胡 煌 昊 等， 2016)。強人類活動驅(qū)動下的地形異變直接改變磨刀門河口的徑潮動力相互作用過程， 河床下切使河口中上段水位顯著下降， 而海平面上升背景下灘涂圍墾使口門附近水位略有抬升， 最終導致磨刀門河口沿程平均水位坡度變緩(賈良文等， 2006； Caiet al.， 2018b)， 對潮波傳播的衰減效應減弱， 潮汐動力明顯增強(Liuet al， 2019)。而底床下切和水深增大則進一步減小潮波上溯過程所受的底床摩擦， 加劇鹽水界、潮流界和潮區(qū)界的上移， 導致近年來磨刀門河口鹽水入侵加劇(賈良文等， 2007； 韓志遠等， 2010)。

綜上所述， 對強人類活動驅(qū)動下磨刀門河口的地貌及動力格局演變已取得豐富研究成果， 然而針對異變格局下徑潮動力的季節(jié)性變化特征及其對強人類活動的響應過程與機制還有待進一步探索。本文通過對1960—2016 年磨刀門河口沿程5 個測站的月均高、低潮位資料及上游馬口水文站的月均流量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析， 重點分析強人類活動影響下磨刀門河口徑潮動力的季節(jié)性異變過程及機制， 為磨刀門河口的水沙調(diào)控及水資源高效開發(fā)利用等提供技術支撐。

1 研究區(qū)域概況

本文研究區(qū)域為珠江磨刀門河口， 包括西江干流水道和磨刀門水道(圖1)。其中， 思賢滘西滘口至百頃頭約86km 河段稱為西江干流水道， 百頃頭至磨刀門口門約 60km 河段稱為磨刀門水道(羅憲林， 2002)。上游流量控制站為馬口水文站， 沿程有甘竹、竹銀、燈籠山、三灶4 個潮位站(如圖1 所示)。磨刀門河口每日基本有兩次漲潮兩次落潮， 口門附近燈籠山站的潮性系數(shù)為1.5(梁娟等， 2010)， 屬于不規(guī)則半日混合潮。位于口門處的三灶站多年平均潮差為1.09m， 屬于弱潮型河口。磨刀門河口是珠江輸水輸沙量最大的口門， 多年平均徑流量達923 億m3， 約占馬口站徑流量的三分之一(蔡華陽等， 2009)。西北江 水在思賢滘匯合分流后經(jīng)過馬口站進入西江干流水道， 而后大部分通過磨刀門水道流入外海。據(jù)馬口水文站1960—2016 年月均資料統(tǒng)計， 其多年平均流量為7078m3/s， 最大月均流量達29000m3/s， 最小月均流量為1210m3/s， 流量季節(jié)性變化顯著。

圖1 研究區(qū)域圖 Fig.1 Map of the study area (in red)

2 研究資料與方法

2.1 研究資料

本文收集了1960—2016 年馬口、甘竹、竹銀、燈籠山和三灶5 個測站的逐月高、低潮位， 以及馬口站的月均流量數(shù)據(jù)。所用數(shù)據(jù)來源于《廣東省水文年鑒》和廣東省水文局。潮位原始數(shù)據(jù)高程基面為凍結(jié)基面， 已統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至珠江基面。

2.2 研究方法

為分析磨刀門河口徑潮動力的時空變化特征， 基于沿程各站位的月均高潮位(HHW)和低潮位(HLW)數(shù)據(jù)， 統(tǒng)計得到各個站位的月平均水位(m)， 即月均高潮位與月均低潮位的平均值

和潮波振幅(m)

Δη為兩潮位站之間的振幅之差， 即

ηi+1(m)為河口上游站點的潮波振幅，ηi(m)為河口下游站點的潮波振幅。

雙累積曲線方法是檢驗兩個參數(shù)之間關系一致性及其變化的常用方法， 目前常用于水文氣象要素一致性或長期演變趨勢分析(穆興民， 2009)。所謂雙累積曲線就是在直角坐標系中繪制出兩個相關參數(shù)累積值的關系線， 其斜率發(fā)生突變的點就是兩參數(shù)累積關系出現(xiàn)突變的時間。本文采用雙累積曲線方法， 確定強人類活動驅(qū)動下磨刀門河口月均水位坡度與流量、潮波振幅衰減率與流量之間累積關系的突變點， 從而對徑潮動力的異變過程進行階段性劃分， 并進行對比研究。

本文采用一維動量守恒方程對強人類活動驅(qū)動下磨刀門河口的徑潮動力異變特征進行機制分析， 其方程如下(Caiet al， 2019)：

式中， 上劃線表示潮周期平均。由式(9)可見潮平均條件下月均水位坡度主要與底摩擦項相平衡。

3 磨刀門河口徑潮動力的季節(jié)性異變過程分析

3.1 異變過程的階段性劃分

通過雙累積曲線關系圖， 可以探究因變量(如月均水位坡度和潮波振幅衰減率)和主要控制變量(如流量)之間的趨勢性變化， 從而根據(jù)轉(zhuǎn)折點確定強人類活動對河口徑潮動力的累積影響及其異變時間節(jié)點。圖2為磨刀門河口燈籠山-馬口河段累積月均水位坡度與潮波振幅衰減率絕對值隨累積流量的趨勢變化， 對月均水位坡度、潮波振幅衰減率絕對值和流量均作歸一化處理， 即變量減去最小值， 再除以最大值與最小值的差值。由圖2 可見， 累積月均水位坡度和潮波振幅衰減率絕對值隨流量變化的斜率值分別在1990 年與2000 年發(fā)生明顯改變。其中， 累積月均水位坡度的斜率由1990 年前的0.97 減小至2000 后的0.52， 累積潮波振幅衰減率絕對值的斜率由1990 年前的2.37 減小至2000 后的0.66， 表明在強人類活動影響下， 相同流 量條件下月均水位坡度減緩， 潮波振幅衰減率絕對值減小(即衰減效應減弱)。磨刀門河口徑潮動力的階段性變化與強人類活動強度有關， 1990 年前磨刀門河口人類活動影響相對較弱， 屬自然演變階段， 1990—2000 年為強人類活動干預最劇烈的時期， 磨刀門河口處于過渡階段， 其中， 高強度采砂、圍墾等強人類活動對河口系統(tǒng)的累積效應最終在2000 年使徑潮動力發(fā)生異變， 而2000 年后部分環(huán)保政策(如禁止采砂)的提出， 使磨刀門河口受強人類活動的影響有所減弱， 河口進入恢復調(diào)整階段。因此， 根據(jù)月均水位坡度-流量和潮波振幅衰減率絕對值-流量的雙累積曲線關系變化， 可把1990 年前劃分為強人類活動影響前的自然演變階段， 2000 年后劃分為受強人類活動影響后的恢復調(diào)整階段， 1990—2000 年為過渡階段。

圖2 燈籠山-馬口月均水位坡度與流量的累積關系(a)和潮波振幅衰減率絕對值與流量的累積關系(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 磨刀門河口月均水位和振幅的異變過程分析

為揭示強人類活動驅(qū)動下磨刀門河口徑潮動力的季節(jié)性異變過程， 以1990 年和2000 年作為磨刀門受強人類活動作用發(fā)生異變的分界年份， 1990 年前為自然演變階段， 2000 年后為恢復調(diào)整階段， 1990—2000 年為過渡階段， 分別對比自然演變階段與恢復調(diào)整階段月均水位和潮波振幅的差異。圖3 為不同季節(jié)條件下月均水位(圖3a—d)和振幅(圖3e—h)在強人類活動前后(分別對應自然演變階段與恢復調(diào)整階段)的時空變化。由圖3a—d 可見， 月均水位在口門處三灶站最小， 往上游逐漸上升； 沿程月均水位在夏季上升幅度最大， 從口門三灶至上游馬口站月均水位增幅大于2m， 其次為春季和秋季， 月均水位增幅約為1m， 而冬季月均水位增幅最小， 在0.5m 以下； 受強人類活動影響月均水位總體減小， 且越往上游減小幅度越大， 其中夏季減小幅度最大(甘竹和馬口站分別減小0.86m 和1.53m)， 其次為春、秋兩季， 冬季最小， 這主要受河道不均勻采砂影響； 但冬季靠近下游端的三灶、燈籠山和竹銀站在強人類活動影響后略有增大(見表1)， 這主要與海平面的季節(jié)性變化及口門圍墾的共同作用有關。圖3e—h 顯示的磨刀門沿程各站點月均潮波振幅的時空變化可見， 潮波振幅在三灶站最大， 向上游逐漸減小， 表明潮波沿河口向上傳播過程逐漸衰減； 強人類活動影響后磨刀門河口全河段潮波振幅普遍增大， 僅在口門三灶站略有減小， 且越往上游強人類活動前后的振幅差異越大， 表明河口中上段受強人類活動的影響較顯著； 由表1 統(tǒng)計結(jié)果可知， 強人類活動影響后燈籠山-馬口沿程各站點月均振幅增幅最明顯的是秋季(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別增大0.073m 和0.065m)， 冬季最??； 值得注意的是， 強人類活動影響后夏季馬口站的振幅增幅最小， 僅為0.103m， 這可能與磨刀門河口夏季流量較大有關， 相同地形下切條件下， 潮波振幅增大的趨勢受高流量影響反而有所抑制。

圖3 磨刀門河口沿程站點月均水位(a—d)與月均振幅(e—h)的時空變化箱線圖 Fig.3 Spatial-temporal variational boxplot of monthly averaged water level (a—d) and tidal amplitude (e—h) in the Modaomen estuary

表1 自然演變階段與恢復調(diào)整階段不同季節(jié)平均水位與潮波振幅變化的差值 Tab.1 Seasonal variation in monthly average water level and tidal amplitude in pre-and post-human periods

3.3 磨刀門河口月均水位坡度和潮波振幅衰減率的時空變化特征

圖4—5 分別為月均水位坡度和潮波振幅衰減率隨流量的時空變化箱線圖， 圖中橫坐標表示以5000m3/s 間隔的流量區(qū)間， 每個箱線表示月均水位坡度或潮波振幅衰減率在相應流量區(qū)間內(nèi)的變化情況。流量區(qū)間介于25000—30000m3/s 內(nèi)的只顯示代表自然演變階段的藍色箱， 這是因為強人類活動干擾后(即2000—2016 年)， 受上游水庫調(diào)蓄影響， 馬口站最大月均流量未超過25000m3/s。由圖4 可見， 月均水位坡度隨流量增大而增大， 且越往上游月均水位坡度對流量的響應越明顯； 對比自然演變與恢復調(diào)整階段的月均水位坡度可見， 磨刀門河口月均水位坡度普遍變緩， 靠近口門的三灶-燈籠山段月均水位坡度變緩幅度最小， 燈籠山-竹銀、竹銀-甘竹及甘竹-馬口河段月均水位坡度隨流量增大其減小幅度亦增大， 但當流量大于20000m3/s 時， 強人類活動影響下甘竹-馬口段的月均水位坡度減小幅度反而減小， 表明強人類活動干擾下月均水位坡度隨流量的變化呈現(xiàn)非線性。

圖4 自然演變階段與恢復調(diào)整階段沿程月均水位坡度隨上游流量的變化關系 Fig.4 Relationship between monthly average water level and river discharge in pre- and post-human periods in the Modaomen estuary

潮波振幅衰減率絕對值表示潮波所受衰減作用的強弱。由圖5 可見， 衰減作用基本與流量呈正相關關系， 即隨著流量增大， 潮波振幅衰減率絕對值亦增大； 下游潮波振幅衰減率絕對值明顯大于上游， 表明潮波在下游所受衰減作用較上游強； 由各河段潮波振幅衰減率隨流量變化的幅度可知， 靠近口門的三灶-燈籠山段隨流量變化的幅度最大， 減小幅度可達1×10-5， 越往河口上游其變化幅度越小， 表明潮波衰減效應增強對流量增大的響應程度逐漸減弱。從自然演變階段與恢復調(diào)整階段箱線大小來看， 燈籠山-馬口段箱線大小在恢復調(diào)整階段明顯減小， 表明強人類活動后磨刀門河口潮波振幅衰減率對流量的響應減弱。此外， 甘竹-馬口段潮波振幅衰減率隨流量變化有先減小后上升的特點， 即存在閾值效應。自然演變階段在5000—10000m3/s 流量條件時潮波振幅衰減率達到最小值(即衰減作用最強)， 隨后逐漸上升， 即潮波振幅衰減減弱； 而恢復調(diào)整階段， 在流量15000—20000m3/s 條件時潮波振幅衰減率才出現(xiàn)上升， 即受強人類活動影響后達到潮波振幅衰減率閾值所需的流量增大。

圖5 自然演變階段與恢復調(diào)整階段沿程潮波振幅衰減率隨上游流量的變化關系 Fig.5 Relationship between tidal damping rate and river discharge in pre- and post-human periods in the Modaomen estuary

圖6 為自然演變階段與恢復調(diào)整階段季節(jié)平均的月均水位坡度與潮波振幅衰減率的沿程變化?？傮w來看， 平均水位坡度在夏季最大， 春、秋兩季次之， 冬季最小， 這與流量的季節(jié)性變化基本一致； 平均水位坡度在自然演變階段從下游至上游有逐漸增大趨勢， 在春、夏、秋三季竹銀站下游河段水位坡度變化不大， 而在竹銀站上游河段水位坡度發(fā)生明顯抬升， 冬季水位坡度沿程上升不明顯； 強人類活動影響后的恢復調(diào)整階段月均水位坡度基本不再出現(xiàn)明顯上升的河段， 從下游至上游坡度逐漸變緩， 僅在夏季甘竹-馬口段有所上升。潮波振幅衰減率絕對值在下游三灶-燈籠山站最大， 且夏季衰減率明顯大于其他三個季節(jié)， 表明夏季潮波在口門處所受衰減作用最強； 恢復調(diào)整階段潮波振幅衰減率絕對值在三灶-燈籠山、燈籠山-竹銀河段出現(xiàn)明顯減小(表示潮波衰減效應減弱)， 但在竹銀以上河段變化較下游小(見表2)， 表明竹銀站以下河段潮波振幅衰減率受強人類活動的影響較上游河段大。

表2 是月均水位坡度與潮波振幅衰減率由自然演變階段過渡到恢復調(diào)整階段的變化值。由表2 可見， 受強人類活動驅(qū)動， 月均水位坡度減小幅度在冬季最小， 沿程平均僅減小6.75×10-7； 夏季減小幅度最大， 沿程平均減小幅度達8.93×10-6； 春、秋兩季減小幅度相似， 沿程平均分別減小4.66×10-6和5.07×10-6， 介于夏、冬之間?；謴驼{(diào)整階段潮波振幅衰減率在竹銀-甘竹河段增幅最小(表明衰減效應減弱不明顯)， 但增幅在甘竹-馬口河段增大， 衰減率增幅沿程有先減小后增大的特點， 僅夏季和冬季在燈籠山-竹銀段增幅較下游三灶-燈籠山段有所增大。

圖6 自然演變階段與恢復調(diào)整階段不同季節(jié)平均水位坡度和潮波振幅衰減率的時空變化 Fig.6 Seasonal changes in monthly average water level slope and tidal damping rate in pre- and post-human periods

表2 自然演變階段與恢復調(diào)整階段季節(jié)平均水位坡度與潮波振幅衰減率的差值 Tab.2 Seasonal variations in monthly average water level slope and tidal damping rate in pre- and post-human periods

4 強人類活動驅(qū)動下徑潮動力的異變機制分析

通過上述對月均水位、潮波振幅及其空間梯度值時空變化的統(tǒng)計分析， 可知強人類活動驅(qū)動下磨刀門河口徑潮動力有以下基本特征： (1)潮波振幅在三灶站減小， 而在燈籠山-馬口段均有所增大； (2)月均水位普遍減小， 但在冬季竹銀以下河段增大； (3)潮波衰減效應減弱， 但隨流量變化的幅度不大； (4)月均水位坡度明顯減小， 且燈籠山-甘竹段月均水位坡度隨流量的變化幅度顯著減小。

磨刀門口門西側(cè)(白藤湖等)的圍填海工程使淺灘明顯淤積， 導致口門三灶站水深變淺， 三灶灣內(nèi)海區(qū)納潮量僅剩約3×106m3， 僅為原來的1/4(賈良文等， 2007)， 由式(8)可知口門處底床摩擦增大， 潮波振幅衰減增強， 最終使潮差減小。而燈籠山-馬口河段為磨刀門河口的主干道， 受高強度采砂活動影響， 加之上游水庫建設導致來沙減少， 底床嚴重下切， 過渡階段平均下切量在竹銀-甘竹段高達1.73m(羅憲林， 2002； Luoet al， 2007)。水位為適應底床坡度的改變而下降， 導致磨刀門河道月均水位坡度減小。由式(9)可知月均水位坡度減小等效于減弱潮波沿河口傳播所受的底床摩擦， 導致磨刀門河道的潮波振幅衰減減弱， 潮差明顯增大。同時， 采砂活動和水庫建設等強人類活動引起的河槽容積增大， 導致月均水位坡度對徑流的響應減弱， 只有在靠近上游的甘竹-馬口段才隨流量發(fā)生明顯變化?？梢姡?強人類活動驅(qū)動下磨刀門河口底床發(fā)生顯著下切， 月均水位為適應底床坡度變化， 月均水位坡度變緩， 潮波振幅衰減效應減弱， 最終導致潮動力顯著增強。

在強人類活動驅(qū)動下磨刀門河口的徑潮動力還具有明顯的季節(jié)性變化。月均水位坡度在夏季明顯大于其他季節(jié)， 這與磨刀門河口流量主要集中在6—8 月有關。圖6 顯示月均水位坡度在自然演變階段， 向上游沿程基本呈上升趨勢， 表明越往上游徑流對潮波傳播的影響越大； 而冬季流量較小， 月均水位抬升微弱， 因此坡度增大不明顯。在強人類活動驅(qū)動下竹銀以上河段底床下切嚴重， 導致月均水位下降， 月均水位坡度明顯變緩， 僅在流量較大的夏季月均水位坡度才會有較小的抬升。在冬季， 竹銀站及其下游河段受圍墾及全球海平面上升影響， 月均水位有明顯抬升， 且這種抬升現(xiàn)象在竹銀最明顯， 導致燈籠山-竹銀段月均水位坡度大于自然演變階段， 而在竹銀-甘竹段月均水位坡度則急劇減小(較燈籠山-竹銀段減小57%)。

圖7 自然演變階段與恢復調(diào)整階段潮波振幅衰減率與月均水位坡度的變化關系 Fig.7 Relationship between tidal damping rate and monthly average water level slope due to intensive human activities in the Modaomen estuary

另外， 值得注意的是夏季馬口站潮波振幅的年際差異有所減小(圖3)， 這是由于自然演變階段甘竹-馬口站潮波振幅衰減率隨流量的變化存在閾值現(xiàn)象， 即當夏季流量超過閾值后潮波振幅衰減效應反而減弱， 潮波振幅隨流量增大的下降幅度反而減小， 導致其潮波振幅年際差異減小。為分析潮波振幅衰減率隨流量產(chǎn)生閾值現(xiàn)象的原因， 做出月均潮波振幅衰減率隨月均水位坡度變化的關系曲線(圖7)。隨著月均水位坡度的增大， 二次擬合線呈上凹形， 即上游甘竹-馬口河段潮波振幅衰減率先減小后增大(圖7d)。由式(9) 可知， 月均水位坡度與潮波傳播所受的底床摩擦相平衡， 隨著月均水位坡度的增大潮波振幅衰減率應減小(即衰減效應增強)， 但甘竹-馬口段潮波振幅衰減率隨月均水位坡度的增大有先減小后增大的現(xiàn)象。這是由于月均水位增大導致水深增大， 河口的橫截面積亦增大， 雖然潮波傳播所受的底床摩擦隨流量和月均水位坡度的增大而增強， 但橫截面積增大導致的河道輻散效應(即從上游至下游橫截面積逐漸減小)有利于徑流勢能(與月均水位成正比)的匯聚， 使潮波振幅衰減率反而增大， 即衰減效應減弱(Caiet al， 2016， 2019)。當徑流增大引起的底床摩擦效應(增大衰減效應)與水深增加引起的橫截面積輻散效應(減小衰減效應)相平衡時， 潮波衰減達到閾值。隨著流量進一步增大， 上游河道橫截面積繼續(xù)增大， 導致橫截面積輻散效應強于徑流增大引起的底床摩擦效應， 潮波振幅衰減率的絕對值反而減小(表明潮波衰減效應減弱)， 潮波振幅下降幅度減小。由圖7 可見， 潮波振幅衰減的閾值現(xiàn)象在上游甘竹-馬口河段最為明顯， 竹銀-甘竹段現(xiàn)象較弱， 而竹銀以下河段基本無閾值現(xiàn)象。另外， 由不同季節(jié)的散點可知閾值現(xiàn)象主要出現(xiàn)在春夏秋三季， 冬季(藍色散點)流量較小導致月均水位坡度較小， 潮波振幅衰減難以達到閾值。此外， 圖7d 顯示甘竹-馬口段在恢復調(diào)整階段潮波振幅衰減率達到閾值所對應的月均水位坡度有所增大， 即所需閾值流量增大， 主要原因在于受強人類活動(特別是河道采砂)影響磨刀門河口的河槽容積增大， 需要更大的流量條件才能達到潮波振幅衰減率的閾值。

5 結(jié)論和討論

5.1 結(jié)論

本文基于珠江磨刀門河口沿程5 個潮位站(水文站)1960—2016 年的月均潮位數(shù)據(jù)以及馬口站月均流量數(shù)據(jù)， 對河口的月均水位、潮波振幅、月均水位坡度及潮波振幅衰減率的時空變化特征進行統(tǒng)計分析， 揭示強人類活動驅(qū)動下磨刀門河口徑潮動力的季節(jié)性異變過程， 并進行初步的機制探討， 得到以下主要結(jié)論：

(1) 由流量-月均水位坡度及流量-潮波振幅衰減率絕對值的雙累積曲線可知， 受強人類活動影響， 磨刀門河口月均水位坡度及潮波振幅衰減率絕對值隨流量變化的趨勢在1990 年與2000 年發(fā)生明顯變化， 據(jù)此判定1990 年和2000 年為磨刀門河口徑潮動力受強人類活動影響發(fā)生異變的年份。

(2) 受高強度采砂導致的河床下切及上游水庫截流導致的來沙減少影響， 強人類活動影響前后磨刀門河口總體月均水位及月均水位坡度在夏季差異最大(沿程平均值分別減小0.53m 和8.93×10-6)， 冬季受影響最小。而月均水位坡度主要與潮波傳播所受的有效摩擦相平衡， 其顯著減小導致磨刀門河口潮波振幅衰減效應在夏季也有較明顯的減弱。

(3) 在人類活動驅(qū)動下磨刀門河口徑潮動力相互作用具有明顯的季節(jié)性差異。僅在夏季大流量下泄條件下， 月均水位坡度在上游甘竹-馬口段出現(xiàn)明顯抬升； 而冬季流量輸入較少條件下， 竹銀站以下河段月均水位受口門圍墾作用及全球海平面上升影響略有抬升， 進而導致竹銀-甘竹段月均水位坡度明顯減小(較燈籠山-竹銀段減小57%)。

(4) 流量增大導致月均水位坡度及月均水位隨之增大， 因此， 隨著流量增大潮波振幅衰減率絕對值增大(表示衰減作用增強)。但當流量超過一定閾值時， 月均水位坡度引起的底床摩擦增大效應不足以抵消因水深增大而引起的橫截面積輻散效應， 潮波衰減效應反而減弱。

5.2 討論

本文將磨刀門河口作為一個整體系統(tǒng)， 上邊界為上游馬口站的流量， 下邊界為口門三灶站的潮位， 探討磨刀門河口在地形邊界和動力邊界改變情況下徑潮動力的季節(jié)性異變特征。由于珠江河網(wǎng)系統(tǒng)縱橫河道交錯發(fā)展， 西江流量從馬口站輸入后在天河、南華等位置經(jīng)歷多次分流， 馬口流量對不同河段的影響程度不同， 分汊河道的作用及其對磨刀門河口徑潮動力的季節(jié)性演變影響將在后續(xù)解析與數(shù)值模型研究中進一步深入探討。