英罗湾潮汐水道演变及其稳定性分析

黄广灵，黄本胜，邱 静，黄锦林

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广州，510635；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510635)

0 前 言

英罗湾位于广东与广西交界处，北部湾东北部。英罗湾海岸属台地溺谷海岸(图1)，此类海岸地势低平，岸线曲折，溺谷亦呈“大湾套小湾”形态，潮汐水道一般狭长。英罗湾海域潮差较大，纳潮量也大，因此潮流动力强劲，潮汐水道发育良好。英罗湾内发育有水深5～8 m左右的深槽，湾外有向海突出的扇状拦门沙堆积体。英罗湾由于陆域或岸带泥沙来源不多，其潮汐水道长期保持相对稳定状态。此外英罗湾岸段比较隐蔽，波浪作用较弱，少受台风强浪影响，沿岸漂沙活动不剧，海积地貌不甚发育。同时由于基岩岬角发育，潮间带有巨砾堆积，对岸线有保护作用，目前未发现大规模蚀退现象，岸线处于相对平衡状态。

国外对潮汐水道的研究始于20世纪早期，而国内则始于20世纪80年代，对潮汐水道的地貌结构、水动力与输沙特征、通道的稳定性、口门整治及人类活动的影响等方面进行了研究[1-16]。英罗湾潮汐水道是湾内水域与海洋之间能量和物质交换的必经途径，对湾内的红树林保护、旅游开发、海洋生态环境保护等意义重大。然而，该潮汐水道有一定的活动性，对英罗湾的开发利用形成一定的制约。目前镇对英罗湾的研究主要关注其湾内红树林的生态环境及历史演化问题[17-21]，而对于英罗湾潮汐水道及河口动力地貌的研究目前仅在其附近海域相关研究中略有涉及[22-24]，而专门针对英罗湾潮汐水道动力地貌的研究还未见有报道，因此开展英罗湾潮汐水道动力地貌演化过程及其未来稳定性的研究不仅弥补相关方面的空白，同时也为英罗湾内红树林生态环境的保护提供必要的科学依据。

本文收集了英罗湾附近海域1984所测的海图资料、2013年12月1∶1 000水域测量地形以及研究海域2013.11-2014.10的周年水文观测数据，此外还收集了1973年、1983年、1991年2000年及2010年的遥感影像资料等。依据有关资料，采用历史地形、岸线对比和潮汐汊道整体稳定性分析方法重点对英罗湾地貌演变及潮汐水道的稳定性进行分析讨论。为英罗湾潮汐水道维护提供科学依据。

1 动力场概况

英罗湾北部有两省的界河----洗米河以及高桥河、卖皂河(大坝河)、江背河等河流流入湾内，最大的河流高桥河历史实测最大流量为1 210 m3/s(发生于1994年6月9日)，近年来由于流域下游兴建有大冲水陂和公安陂等拦河建筑，导致出海径流量减小。根据本区域河流含沙量数据，河流含沙量最大为1.50 kg/m3左右，最小为0.002 kg/m3左右，一般为0.2～0.3 kg/m3。由于英罗湾地形狭长，影响英罗湾中部及南部湾口区域的水动力因素主要是潮汐、潮流和波浪。

图1 英罗湾潮汐水道海岸体系Fig.1 Coastal system of tidal waterways in Yingluo bay

1.1 潮汐特征

研究区域附近海域潮汐主要是太平洋潮波经巴士海峡和巴林塘海峡进入南海后形成的。根据研究区域附近潮位测站周年潮位观测(测站位置见图1)资料的调和分析可知：观测海区潮汐性质的判据值为3.26，故研究区域潮汐属“不规则日潮”的类型：每月当中，约有三分之二的天数潮汐的涨、落呈现1日1次的“日潮”变化，仅有约三分之一天数的潮汐涨、落呈现1日2次的“半日潮”变化。此外，该区潮汐尚有一定浅水效应现象。观测期间最大潮差为5.42 m，平均潮差为2.38 m；年平均落潮历时为7 h 29 min，年平均涨潮历时为7 h 49 min，二者相差约20 min，平均落潮历时略短于其平均涨潮历时。

1.2 潮流特征

根据研究海域周年观测站流速资料：研究海域潮流具有显著的周期性，涨潮流主要集中在NE～E向，落潮流主要集中在SW～W向，“往复流”明显。实测潮流垂向平均值统计表明：月平均落潮流速介于0.32～0.39 m/s，月平均涨潮流速介于0.28～0.33 m/s；各月最大落潮流速介于0.82～0.99 m/s，各月最大涨潮流速介于0.74～1.46 m/s；总体看落潮流速略大于涨潮流速；周年内的极值流速一般出现于强台风影响期间，如遇强台风则表层的最大实测流速可达1.55 m/s(流向65°)。由潮流的调和分析可知：观测海区潮流性质的判据值介于1.5～1.7，即测区潮流属“不规则半日潮流”的类型；但总体看，日潮流分量仍大于半日潮流分量。测区全年余流不大，表层多数月份为0.2 m/s，其他各月、各层余流多为0.1 m/s或不足0.1 m/s。此外研究海区垂向上表层以落潮流占优，而底层以涨潮流占优；潮位、潮流相互关系的驻波特征较为明显；涨、落潮流之间，流速与历时均存在一定的不对称性。

1.3 波浪特征

据气象统计资料，该海域常浪向为N，强浪向为SW，每年9月至翌年3 月，以N向浪居多，4～8月则以SW至SE 浪为主。由气象资料推算，研究海域平均波高约0.35 m，最大波高达2.5 m平均周期2.0s左右，最大周期可达6.0S。

研究海区常年波浪观测站为涠洲岛海洋站。对收集到的涠洲岛海洋站1983-2002年共20 a的波浪观测资料进行统计分析，本海域的常浪向为NNE向，多年出现频率16.9%；次常浪向为SSW、NE向，出现频率分别为11.5%、10.7%，WSW～W～NWW向波浪出现较少。

2 海域海床演变

2.1 研究海域等深线变化

图2和图3为研究区域1984-2013年-3、-5、-10和-13 m等深线变化情况(85高程)。从图2可以看出，近30年来，研究海域-3 m、-10 m等深线均在向岸推移，其中-3 m等深线向岸推移的幅度大于-10 m；从-3 m等深线推移方向来看，等深线向安铺港东部及东北部推移距离最大，其向东最大推进距离为3.29 km，向东北最大推移距离为4.04 km；从深槽的变化来看，-3 m深槽在加大；由2013年的-3 m等深线分布可见，沙田镇以南的网流沙浅滩已发育有-3 m以下的槽。相对来说研究海域-10 m等深线向岸推移的距离较小，最大推移距离约1.24 km，位于安铺港主槽南汊前端。

图3为近30年来研究海域-5 m和-13 m等深线的变化。从图3中可见，与-3、-10 m等深线的变化规律一致，30年来研究海域-5 m和-13 m等深线均向岸推移。其中安铺港内-5 m等深线主要是向东部推移，最大推移距离为1.33 km，位于安铺港深槽北汊的前端；网流沙浅滩西侧的-5 m等深线也有较大距离向东推移，近30年最大推移了2.61 km，网流沙浅滩在萎缩。1984年英罗湾内-5 m等深线包络面积比较小，深槽也不发育；至2013年，英罗湾内-5 m等深线包络面积有很大幅度的增加，-5 m等深线几乎已经贯穿南北，形成了-5 m以下的东、西两槽的格局。近30年来该海域-13 m等深线的变化主要位于安铺港深槽中部，从等深线的变化来看，安铺港深槽范围在扩大，其中深槽东侧-13 m等深线向东推移的最大距离为0.97 km，深槽北侧-13 m等深线向北推移的最大距离为0.25 km，深槽南侧-13 m等深线向南推移的最大距离为1.03 km。

综上所述，英罗湾海域近30年来的海床等深线的变化表明，该海域在过去30年中的海床演变趋势以海床冲刷、深槽发育、浅滩萎缩为主。其中以英罗湾口双汊道潮汐水道系统的发育尤为显著。

图2 研究海域1984-2013年-3 m、-10 m等深线变化Fig.2 Comparison of the contour -3 m, -10 m from 1984 to 2013

图3 研究海域1984-2013年-5 m、-13 m等深线变化Fig.3 Comparison of the contour -5 m, -13 m from 1984 to 2013

2.2 研究海域地形冲淤变化

基于研究海区1984年和2013年的地形资料，建立不同年代地形的数字高程模型(DEM)，利用surfer软件对两套地形的DEM进行地形冲淤量计算，将结果绘制成地形冲淤变化分布图，如图4所示。从图中可以看出，研究海域近30年来海床演变的趋势以冲刷为主，局部区域有小幅度的淤积。 研究海域30年来的冲刷幅度主要在1～2 m之间，其中冲刷幅度在1 m以内的区域占了研究海域的60%左右，冲刷幅度最大区域出现在网流沙浅滩南侧及西南侧，最大冲刷幅度达到6 m左右，主要原因是深槽深泓逐步北移，浅滩南侧逐渐演变成深槽。英罗湾湾口附的冲淤变化主要表现为出口潮汐通道的冲深和加宽。研究海域主要的淤积范围在研究海域的北部(英罗湾北部)、东南部(安铺港东部深槽南汊)及西南部。

图4 研究海域1984-2013年地形冲淤变化分布图Fig.4 Distribution of topographic changes of study area from 1984 to 2013

图5 1973年至2010年英罗湾海域岸线变化过程Fig.5 The process of coastline change in the bay of Yinluo from 1973 to 2010

2.3 研究海域岸线变化

收集了1973年、1983年、1991年2000年及2010年的遥感影像资料，通过遥感影像资料的对比，分析附近海域岸线的变迁。图5所示为，1973-2010年研究海域岸线变化过程图。从现场调查的情况来看，研究海域附近岸线变化的主要原因是附近岸段的围垦。其中围垦区域主要集中在安铺港的北岸营仔镇岸段以及营仔河、安铺河出海口之间岸段。从时间上看，围垦主要集中在20世纪80年代以前，如1973-1983年间的围垦面积最大，达10.28 km2，围垦区域主要是在安铺港北岸；1983-1991年围垦面积1.13 km2，围垦区域主要是安铺河出海口附近；1991-2000年围垦面积2.02 km2，围垦区域主要是营仔河出海口附近；2000-2010年间，围垦面积较小，为0.17 km2，围垦区域主要是营仔河出海口。

2.4 海床冲淤变化影响因素分析

(1)海洋动力作用。影响研究海域冲淤变化的主要动力是潮流及波浪。该海域潮流动力作用相对较强，各月最大落潮流速介于0.82～0.99 m/s，各月最大涨潮流速介于0.74～1.46 m/s，输沙潮流较强。该海区底质以黏土质粉砂、粉砂质砂和砂为主，属于较松散土质，在强水流作用下，沉积物容易被起动冲走。一般情况不该海区由于良好的遮蔽作用，波浪并不大，对海床的冲淤作用不大，但是风暴潮天气产生的风浪和涌浪以及形成的增减水则常引起海床快速侵蚀或者淤积。研究海域深槽走向基本跟潮流方向平行，与强浪向亦相平行，因此在风暴潮天气时深槽反而不易淤积。

(2)泥沙来源及人类活动影响。英罗湾的泥沙来源主要有潮流侵蚀海岸及地表水切割、冲刷沿岸地层来沙和陆域径流来沙等2个方面。英罗湾内的波浪作用动力较弱，波浪对海岸的侵蚀作用不明显，而潮流动力相对较强，往往在英罗湾沿岸形成高潮位、大潮差、强潮流，有利于海岸侵蚀和潮流搬运物质，但由于近几十年来，随着海堤工程的建设，英罗湾海岸侵蚀的泥沙量大幅减少。英罗湾沿岸没有大的河流注入，只有数条小河流，分别是高桥河、卖皂河、江背河等，其流量均较小，流量最大的高桥河的平均流量才5.7 m3/s；这些河流不仅径流量小而输沙率很小，而且河流中还建有大冲水陂和公安陂等拦河建筑，大量拦截了河流上游来沙，使河流入海泥沙进一步减少。

3 英罗湾潮汐水道演变的动力过程分析

英罗湾潮汐水道的动力条件为波潮混合能型，口门外受波流共同作用为主，湾内及潮汐水道则以潮流作用为主，潮流中又以落潮流的作用略占优势，落潮流是维持潮汐水道深槽的主要动力因素。

英罗湾落潮流沿潮汐水道出口门后，由于岸线扩宽，水流变缓，泥沙落淤而形成中心拦门沙(落潮三角洲)，落潮流也因此分为东西两支分汊，对应出现了东、西两汊深槽，其中西汊为落潮主通道，东汊为涨潮流主要通道。一般而言，多汊道(包括双汊道)的稳定性是很差的，有向单汊道演变的趋势。在英罗湾潮汐水道出海口门外西侧，常浪向是SW向，沿岸输沙优势方向为自西向东方向。因此口门外西汊深槽西侧边缘浅滩、沙坝沿优势输沙方向自西向东延伸，西汊深槽(落潮主水道)也因此东延。英罗湾口外东侧，常向浪在此发生绕射，沿岸泥沙向西反向输运，形成所谓“反向输沙”，在反向输沙作用下，同时涨潮流相对较弱，英罗湾出口潮汐水道东汊将逐渐被淤填。在洪水或天文大潮作用下东汊将再次冲决连通，重新形成潮汐双汊道体系，如图6所示。这种双汊道能否保持延续性取决于所出现的极端事件的强度、沿岸输沙量与横向输沙量以及下一次极端事件的出现距该次事件的时间间隔等因素。而英罗湾海区水域近几十年的来沙量在减少，该区域风暴潮及洪水极端事件出现频率较大(基本上每年都会遭遇风暴潮及洪水)，这些均是英罗湾湾口潮汐水道近几十年不断冲深、加宽，发育成目前形态，并保持两支分汊的重要因素。

图6 英罗湾潮汐水道演变动力模式Fig.6 Evolution of tidal channel in Yinglo bay

4 英罗湾潮汐水道稳定性分析

湖汐水道的稳定性主要应包括3个方面：一是口门位置，二是在平均海平面以下的过水断面积，三是落潮主水道穿过落潮三角洲的位置[25]。英罗湾口门位于沙田镇和车板镇南端台地之间，口门位置相对比较固定，稳定性较高。而落潮三角洲也基本保持在口门外，相对也比较稳定。因此需通过平均海平面以下的过水断面积来了解英罗湾潮汐水道整体的稳定性。

(1)

实际上该关系式表达的是通道内纳潮体可能最大涨潮量与理论最大纳潮量之比，虽然其流速的计算作了概化处理，然其物理概念清晰，不受地区环境差异的影响，因而具有普遍应用的意义。

纳潮量P和口门截面流量Q的计算公式分别为：

P=2abAb

(2)

(3)

式中：ab为口门内潮汐振幅；Ac为口门截面高潮时过水面积；V′m为口门潮流流速系数。沿岸输沙总量M采用CERC的沿岸输沙率公式计算。本次选取龙头沙码头所在位置断面作为潮汐水道稳定计算断面，该口门断面平均海平面下过水断面面积A为8 016 m2，断面宽度B为2 916 m，断面平均水深R约2.75 m。湖(港区)纳潮面积Ab为22.69 km2，根据该海域2016年实测潮位数据，外海潮汐振幅a0为1.15 m，口门内潮汐振幅ab为1.44 m，潮汐周期T为16.3 h，口门断面位置的理论最大流速为1.03 m/s。计算得到英罗湾口近岸输沙率约为20 万m3。通过上述各式计算可得英罗湾口门断面的饱满系数K为1.46，而饱满系数K的稳定性标准为K>0.8；英罗湾P/M数为326，而P/M稳定标准为>200；英罗湾Q/M数计算结果为0.010，而Q/M稳定标准为>0.006。由此可见，英罗湾潮汐水道稳定性数据能满足稳定性标准，在目前条件下，潮流足以维持英罗湾潮汐水道不被淤积，从而确保了其口门截面平均海平面下的过水面积的稳定性，上文的地貌演变分析结论充分证明了这一点。因此，目前英罗湾潮汐水道口门的稳定性较高，在较长时期内不会产生泥沙淤问题。

5 结 论

综上所述，可以得出以下几点结论。

(1)英罗湾动力条件为波潮混合能型，其中湾内以潮流动力为主，口门以外区域受波流动力共同作用。在口门潮汐水道中以潮流作用为主，其中落潮流又略占优势，落潮流是维持潮汐水道的主要动力因素。

(2)研究海域在过去30年中的海床演变趋势以海床冲刷、深槽发育、浅滩萎缩为主。海床冲淤变化的影响因素包括强劲的潮流动力、波浪动力输沙作用较弱、海域来沙和径流来沙均较少且在人类活动影响下入海泥沙进一步减少。

(3)英罗湾落潮流沿潮汐水道出口门后，水流变缓，泥沙落淤而形成中心拦门沙(落潮三角洲)，落潮流也因此分为东西两支分汊，对应出现了东、西两汊深槽。在英罗湾潮汐水道出海口门外西侧，沿岸输沙优势方向为自西向东方向，因此口门外西汊深槽西侧边缘浅滩、沙坝沿优势输沙方向从西向东延伸，西汊深槽(落潮主水道)也因此东延。英罗湾口处东侧，沿岸泥沙自东向西反向输运，同时涨潮流相对较弱，英罗湾出口潮汐水道东汊将逐渐被淤填。在洪水或天文大潮作用下东汊将再次冲决连通，重新形成潮汐双汊道体系。

(4)因为英罗湾口门位于沙田镇和车板镇南端台地之间，其位置比较稳定，在当前条件下，英罗湾的潮流足以维持其潮汐汊道不淤积，因此口门截面海平面下的过水面积可以得到保证，也是稳定的。

当然，稳定性都是相对的，随着人类活动规模的增强，英罗湾潮汐水道稳定性因素也在不断变化，必须在开发利用过程中注意保持和增加其稳定性因素，提高其稳定性，才能达到可持续开发利用的目标。

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