变化环境下的西北江三角洲河流情势和水文要素研究

2019-05-21刘幼萍

人民珠江 2019年5期

刘幼萍

(广东省水文局佛山水文分局，广东佛山528000)

珠江三角洲河网纵横交错，相互沟通，大小汊道数以千计，呈扇状水系，具有“三江汇流、网河密布、八口出海”的独特特征，其水流泥沙运动和河床演变受径流、潮流和波浪等动力作用，并受网河区的诸多水道及八大出海口的互动影响，情况十分复杂[1-3]。研究西北江三角洲近年河流情势与水文要素变化趋势，对河道治理、防洪、水资源保护、生态环境保护、城市建设和合理开发利用航道资源等，都具有一定的参考价值，是保证该区域生态水利的基础。

自20世纪90年代中期开始，珠三角社会经济的快速发展和城市化进程的推进，人类涉水活动加剧，使上游来水来沙条件和三角洲河道自然形态发生快速变异，河网河道原有的行洪纳潮态势发生了较大变化；咸潮入侵加强，河道污染严重，水质性缺水问题日益突出，水生态环境急需修复[4-5]。

当前中国黄河、长江流域，均在河道治理方面将保障防洪安全作为首要目标，将稳定河势河床作为基本要求:黄河采用调水冲沙防止河流改道与河床淤积；长江则采用加固堤坝预防塌崩和严禁偷采河砂来稳定河势河床。长江流域特别强调在三峡工程建成后，研究不同水沙条件下泥沙输移质变化规律、洪水下泄对下游河道造成冲刷规律、河道新的演变趋势及采取的对策。国外经济较为发达的国家在河道治理方面，从20世纪70至80年代起，已由防洪安全为主过渡到关注河流环境条件与生态保护：美国从20世纪70年代起，实行河道可持续发展理念，由开发、利用向保护转变；日本在20世纪80年代起，河流管理者意识到快速的城市化和工业化对河流水质、生态的损害，并认识到保护景观和生物多样性的重要，强调恢复河流环境自然特性作为治理河道的首要任务。中国长江流域顺应经济、自然的治理理念，国外可持续发展的河道治理理念，都值得学习[6-8]。

1 研究区域及数据方法

本文主要研究区域为西、北江三角洲集水面积8 370 km2的范围，见图1。本文利用趋势分析、频率分析、洪水特征分析等水文统计学方法对河床演变趋势、分流分沙比、咸潮入侵等方面进行分析。资料主要来源于广东省水文局佛山水文分局监测、编制的技术成果，包括西北江三角洲21个潮位站近60 a的水文实测数据，近10 a大范围的多波束水下地形监测成果等[9-10]。

2 河流水文情势变化分析

2.1 河床演变趋势

从西北江三角洲上游控制站三水水文站近60 a的监测成果和相关资料看，在20世纪50至60年代初，河道普遍处于轻微的自然淤积状态；60年代后期普遍的大规模联围筑闸工程，简化河道缩短防洪堤线的目的，造成河宽变窄和水位升高，产生束水攻沙效应使河床受冲刷，但河床冲刷深度与冲刷量都不大；70年代后期至80年代初，河床经过动态调整，普遍由轻微冲刷转为轻微淤积；80年代中期后，随着经济社会的高速发展，河道出现大规模的人工河道挖砂活动，河床迅速下切，由原来的淤积为主转为冲刷为主。20世纪末期至21世纪初，中上游的河床年下切量达到峰值，强度远超河床的自然演变过程[11-15]。

图1 研究区域示意

另一方面，输沙的大量积聚和人类活动对河口滩涂围垦的共同影响，河道不断向口门延伸。八大口门向外海自然延伸的速度，最快的磨刀门约190 m/a，洪奇门约125 m/a，横门、鸡啼门和虎跳门约100 m/a，虎门、蕉门和崖门潮流作用较强，自然延伸不明显；近年来对河口滩涂大肆围垦，河口延伸速度远远超出了自然延伸的速度，磨刀门、横门的河口延伸长度几乎都超过10 km以上[16]，近30 a口门的延伸长度相当于100 a的口门自然延伸长度。由于河口不断淤积延伸，拦门沙不断淤积扩展，影响泄洪纳潮、潮排潮灌、生态环境等，甚至影响网河区水沙分配和河流情势变化。

2.2 河床垂向冲深严重

河床的演变有诸多因素，超规模、超范围的大量采砂是河床演变、冲深下切的主要原因，根据监测资料分析，近40 a的采砂大致可以分为前10 a、中间20 a与后10 a 三个阶段。

20世纪90年代，无序采砂达到峰值。经调查珠三角每年采砂总量达6 000万m3，而泥沙淤积量仅905万m3，即中间的20 a，河道采砂总量为近100多年的自然淤积量[17]，区域采砂直接导致珠三角河床大面积下切，是造成珠三角网河区河流情势急剧变化主要原因。

从西北江三角洲控制站马口、三水水文站多年大断面监测图可以直观地反映出河床下切量最大达到10 m以上，在0.00 m水位以下的河道断面面积分别增大约30 %与50 %，总体北江区域下切量大于西江区域，中上游的下切量大于中下游[18]，见图2。

a) 马口站

b) 三水站图2 西北江三角洲控制站大断面冲深

2.3 河流横向深槽迫岸

西北江三角洲的平原是冲积平原，其河道是自然冲积形成的河道，天然状态大多呈V字形，河道的主槽在中弘且相对较深，左右两岸较浅。由于大量且无序采砂，即使采砂位置离大堤有一定距离，主河床下切后，两侧不断坍塌，断面面积不断增大，相当一部分河道已呈U字形，表现出深槽迫岸，主槽离护岸越来越近，堤围边坡越来越陡甚至达1∶1，形成新的堤围险段，见图3。

图3 某堤围险段整治前水下地形

2.4 河道纵向负坡降

西江河道平均陂降0.45‰，北江河道平均陂降0.70‰，到网河区后相对平缓，往下至出海口门全程为正坡降，但近年受到偷挖滥采河砂的影响，往往在开宽河段，出现不规则的深坑与深槽。

西江干流水道下游的磨刀门出海口灯笼山站平均水深低于-10 m，中游天河站以上的东海水道与西海水道分叉处水深约-30 m，中游甘竹站上游的九江大桥附近最大水深约-50 m，马口站附近最大水深约-50 m，沿程出现不规则且严重的负坡降。其余河道自口门起到西北江三角洲顶点，均不同程度出现类似的负坡降且沿程槽蓄增大情况。

3 水文极端事件演变分析

3.1 汛期水位流量关系呈非对称性

马口、三水站自有实测流量以来水位流量关系基本稳定，变幅不超过5%，20世纪80年代末至90年代初河流情势变异后，原来相对应的水位流量关系呈非对称性，水位～流量关系综合线不断往右偏移。即同级水位流量偏大，同级流量水位偏低，见图4。

“05·6”洪水是河流情势急剧变化后迎来的第一场特大洪水，马口、三水站的最高洪峰水位分别是8.97、9.21 m，水位重现期分别是20、30 a，相应流量分别为53 200、16 300 m3/s，流量重现期为100 a，与“94·6”洪水相近[19]。

比较“94·6”与“05·6”两场洪水，马口、三水站的洪峰水位，“05·6”比“94·6”分别降低1.09、1.17 m，流量却增大6 200、100 m3/s，马口站“05·6”流量超100年一遇，相比“94·6”流量超50年一遇，水位反而更低，流量与水位的重现期不匹配，呈现流量重现期高而水位重现期低的非对称现象，见表1和图5、6。

图4 三水站H～Q关系变化趋势

表1 马口、三水水文站“94·6”与“05·6”洪峰水位与洪峰流量重现期对比

注：根据《西北江三角洲洪潮水面线》查算

a) 马口站

b) 三水站图5 马口、三水水文站“94·6”与“05·6” 洪峰水位与洪峰流量对比

a) 马口站水位频率曲线

b) 马口站流量频率曲线图6 马口、三水水文站60 a年最高水位、最大流量频率曲线

c) 三水站水位频率曲线

d) 三水站流量频率曲线续图6 马口、三水水文站60 a年最高水位、最大流量频率曲线

3.2 上下游年平均水位关系改变

从西北江三角洲顶部至中部的三水站、澜石站多年平均水位关系图反映，自20世纪70年代起，年平均水位均呈降低趋势，平均水位差也呈递减趋势，由70年代的平均水位落差1.36 m，递减至目前的0.44 m，而且1994年是一个突变点,1994年前多年平均水位差为1.23 m，1994年后多年平均水位差为0.58 m，上下游水位关系的改变，直接影响了其年际来水来沙量的关系，见图7。

图7 三水、澜石站多年年平均水位关系

3.3 非汛期年最低水位的明显下降

水文站的年最高水位与当年的洪水水位直接相关，年际变化较大；年最低水位与上游枯季来水有关，一般情况下，年际变化不大。受河床下切、槽蓄增大等因素的共同影响，网河区从上游控制站到下游出海口门站，均呈现年最低水位逐年向下的趋势，马口、三水站的非汛期的年最高、最低水位逐年争相探底。马口站1996年发生超历史最低水位-0.52 m，至2014年的18 a间，2002—2010年共9 a的年最低水位低于-0.50 m，数次刷新历史最低水位记录，2004年发生历史最低水位-0.63 m；年平均水位和年最高水位整体呈现下降趋势，见图8。

图8 马口站多年最低、最高、平均水位

3.4 网河区中部洪水水位异常壅高

自1994年6月的“94·6”大洪水后，频频发生了诸如“98·6”“05·6”“08·6”等大洪水，在洪水过程中呈现的共同特点，是同级流量时水位普遍偏低，同时水位沿程波动，中游水文站洪水位异常壅高，对经济较为发达的珠三角人民生命财产构成严重的威胁。如上游马口、三水站低于警戒水位的情况下，中部的站点比较容易出现接近甚至超过警戒水位。用“98·6”与“05·6”洪水比较，马口站的洪水位前比后高0.46 m，中部的板沙尾站洪水位却是后比前高0.01 m；再如比较“06·5”与“08·6”洪水，上游三水站的洪水位前比后高出0.73 m，中部澜石站的洪水位前比后只高出0.01 m。洪水位的异常壅高，水文资料系列的不一致，传统的水面线未能满足当前洪水分析与预报的需求。

3.5 西北江网河区水沙分配的改变

西江干流和北江干流在西北江三角洲网河区顶点的思贤滘相会后，思贤滘就成了两江水沙联系的纽带，其分流分沙的调整，可谓“牵一发动全身”[20]。20世纪90年代初，北江网河区的采砂量远远大于西江网河区，致使原来比西江网河区高的河床，率先出现大量下切，河床形态的重大变化，导致了西北江网河区顶点的分流分沙格局重大调整[21-25]。

分流比年际变化，根据1959—2017年马口、三水站长系列实测资料，以年平均径流量占“马口+三水”径流量的百分比进行对照分析，1959—1989年马口与三水站多年分流比基本稳定，三水约占15%，马口约占85%；1993年之后，三水占20%以上，马口占80%以下，见表2。

表2 马口、三水站分流比变化

分沙比年际变化，以10 a为一个尺度，1981—1990年之前，在河道形态没有改变前，西北江分流分沙比相对稳定；1991—2000年和2001—2010年分流分沙比与河道形态变化相对应，三水站逐步变大，马口站逐步变小；2011—2017年西北江网河区河床下切基本稳定后(政府全面禁止采砂)，北江分流比呈轻微回调状态。在三水站分流比增大的同时，年际分沙增加趋势与分流比相似，均从20世纪90年代起大幅增加，增加比例稍弱于分流，见表3。

在西北江三角洲网河区第一个节点三水、马口站分流分沙比改变的同时，北江非汛期流量的增加幅度大于汛期，即北江网河区下游得到的有效水资源量大幅增加。20世纪90年代前期，为调节西北江网河区的水资源分配比，有关主管部门拟在思贤滘修筑水利枢纽，在汛期阻挡西江的洪水，配合北江大堤确保省会城市及经济较为发达地区的防洪安全；在非汛期拦截北江的优质水资源，防止无效流失，提供给水资源紧缺的地区使用。西北江三角洲河流情势的改变，导致了三水、马口分流比的改变，水文要素的改变，促使水利枢纽建设及一系列决策方案的改变与调整。

表3 马口、三水站分沙比变化

3.6 丰水年咸潮入侵势头不减

由于河道的负坡降造成内河的槽蓄增大，河道的吐纳量增加，使咸潮的上溯距离延长，咸潮的浓度增强。2011年中山市属偏枯水年，受咸潮影响的时期共跨越8个月份，影响时间长、范围广，其中磨刀门水道的南镇水厂、全禄水厂分别距离口门32、51 km，全年累计受咸潮影响时数分别为1 526.0、619.5 h，最大连续超标时数分别是308.0、96.5 h，测得最大咸度为7 230、6 989 mg/L；2011年2月咸潮最严重，横门水道的咸潮上溯越过小榄水道的大丰水厂，磨刀门水道的咸潮越过稔益水厂，南镇水厂测得最大咸度为7 230 mg/L，是取水标准值250 mg/L的29倍，严重影响了水资源的有效利用。

近年来，珠海、中山等市为了防预咸潮的影响，新建一批供水水库，受咸潮影响的报道已经不是热门话题，从实际监测资料可知，咸潮入侵的势头一直没有消减。2016年属丰水年，但中山市受咸潮影响的时期跨越6个月(1—3、10—12月)，南镇水厂、全禄水厂全年累计受咸潮影响时数分别为545.0、59.5 h，最长连续超标时数分别是196.0、14.0 h，测得最大咸度为3 376、3 086 mg/L，丰水年咸潮的入侵影响依然严重[26-29]。

4 结论与建议

4.1 结论

a) 西北江三角洲近60 a的河道环境变化，前20 a变化缓慢稳定，后40 a波动较大，与40 a来广东省经济社会高速发展的进程接近。20世纪90年代的前10 a，河道采砂略大于淤积呈冲刷状；中间20 a采砂量是淤积量的6.6倍，河道严重下切；后10 a实行全面禁止采砂与大力治理，处于恢复状态的河道受自然演变惯性的影响，河道环境依然不容乐观。

b) 河道环境的变化与自然演变有关，局部情势的急剧变化是人类社会活动的过度开采，在基于冲积而形成的西北江三角洲河道，进一步加强河道管理是河流情势稳定与水安全的基本前提。

c) 水文要素的变化与大气环流、厄尔尼诺等大尺度气象要素有关，局部、急剧的河流情势改变是诱因，水文要为社会提供优质服务，更要准确及时地掌握区域河流情势的变化。