珠江蕉門分汊河口分流比水槽實驗研究

姚鵬 ，余志斌，蘇敏, ，安欣禧，周曾

(1.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200241)

1 引言

分汊河口是指來自上游的徑流在河口區(qū)分汊，通過兩個或兩個以上的汊道入海，是一種常見的河口形態(tài)[1]。分汊河口在我國潮汐河口中占有重要的地位，如長江口、珠江口和閩江口是典型的分汊河口[2]。金元歡[3]通過分析河口汊道的拓撲學性質(zhì)，將分汊河口分為4 種基本模式：少汊型、多汊型、河網(wǎng)型和游蕩型。每種分汊模式河口形成機制不盡相同，分汊河口的演變受到河口邊界條件、水流動力條件和泥沙輸移條件等因素的共同影響，是河口動力與地貌格局雙向適應的過程。國內(nèi)外學者的相關研究歷經(jīng)3 個階段：純動力條件和邊界因素分析階段[1,3-4]，考慮泥沙運動分析階段[2,5-6]，關聯(lián)河槽地貌動態(tài)演變分析階段[7-11]。研究分汊河口的分流比變化及主支汊轉(zhuǎn)變的閾值不僅可完善河口研究理論，而且可為河口整治及河口資源保護與利用提供理論依據(jù)。

珠江河口東四口門中的蕉門為分汊河口研究的典例之一。在過去百余年內(nèi)，蕉門口外發(fā)育了橫向的鳧洲水道。鳧洲水道作為蕉門與虎門的連通汊道（圖1），由支汊逐漸演變?yōu)橹縻鈁12]，在很大程度上影響虎門和其北側(cè)的獅子洋、南側(cè)伶仃航道的泥沙沉積和地貌演變[13]。目前，針對鳧洲水道分流比的研究主要集中于鳧洲水道的整治、岸線規(guī)劃、分流點位置、分汊處流態(tài)、蕉門下泄水沙量對鳧洲水道主支汊轉(zhuǎn)變的影響等，且多認為鳧洲水道分流比與分汊形態(tài)、蕉門的來水豐沛程度等有關[14-16]。但鑒于鳧洲水道亦聯(lián)通虎門（圖1），其發(fā)育演變，尤其是分流比是否受到虎門動力環(huán)境影響尚未可知；若有影響，鳧洲水道在現(xiàn)有地貌形態(tài)下是否會發(fā)生分流比突變，淪為支汊的可能性及閾值等也有待深入研究。因此，本文從蕉門的分流比入手，通過簡化鳧洲水道附近的動力與地貌形態(tài)，設計系列水槽物理模型實驗，探究鳧洲水道分流比隨虎門、蕉門兩口門流量的演變特征，探究鳧洲水道主支汊轉(zhuǎn)變的臨界點。

圖1 珠江三角洲蕉門與虎門、鳧洲水道位置示意圖Fig.1 The location of Jiaomen and Humen outlets,Fuzhou Channel of the Zhujiang River Delta

2 研究區(qū)域概況

2.1 蕉門河口區(qū)域概況

珠江三角洲位于我國粵港澳大灣區(qū)的核心位置區(qū)，其水系結構和動力特性較為復雜，呈“三江匯流，八口出海，兩灣納潮，徑潮交匯”的水系特點[17]。八大口門可分為東、西兩部分，其中東四門為虎門、蕉門、洪奇門和橫門，一同注入伶仃洋；西四門為磨刀門、雞啼門、虎跳門和崖門，磨刀門和雞啼門直接注入南海，虎跳門和崖門注入黃茅海，形成了河流優(yōu)勢型河口和潮汐優(yōu)勢型河口共存的復雜河口形態(tài)[16,18]。

蕉門和虎門地處珠江三角洲中心區(qū)域，是珠江八大口門中的泄洪排沙的主要通道口門。虎門河口屬于潮汐優(yōu)勢型河口，內(nèi)接獅子洋，外連伶仃洋，是伶仃洋重要的納潮和泄洪通道。蕉門河道分為兩汊：一條沿萬頃沙東側(cè)向南延伸，即蕉門南水道；一條沿南沙尾向東延伸與虎門交匯，即鳧洲水道（圖1）。東四口門的年均徑流量和輸沙量如表1 所示[19]。在匯入伶仃洋的四大口門中，虎門與蕉門的輸水輸沙量占比最大，對伶仃洋的發(fā)育演變至關重要。

表1 伶仃洋東四口門水沙分配表Table 1 Distribution of water and sediment discharge of the east four outlets in the Lingding Bay

2.2 蕉門河口發(fā)育演變

據(jù)1927 年的海圖，蕉門附近尚未發(fā)育鳧洲水道橫向支汊。雞抱沙淺灘、龍穴淺灘已經(jīng)發(fā)育，并與大虎山相連，此時蕉門河口為潮流優(yōu)勢型河口[12]。自20 世紀50 年代以來，受高強度人類活動影響，洪奇瀝水道泄流能力減弱，從蕉門水道下泄入伶仃洋的水沙通量增大[20]。由于地形與水沙通量的不匹配，蕉門水道淤積明顯，口門外延，導致蕉門泄流能力逐漸減弱。在洪水作用下，口門主泄洪道沖缺，發(fā)育形成了橫向汊道即鳧洲水道，水流可經(jīng)鳧洲水道分流下泄進入伶仃洋，至20 世紀70 年代，鳧洲水道仍為支汊[21]。80 年代開始的蕉門口整治工程及雞抱沙圍墾工程后，蕉門口分流格局發(fā)生改變，至90 年代末鳧洲水道分流比躍變?yōu)?∶3，甚至8∶2[12-13]，鳧洲水道由支汊發(fā)展為主汊，出現(xiàn)“強支奪干”。蕉門河口鳧洲水道分流比不斷增大的原因主要有以下兩點：（1）龍穴島的圍墾工程導致蕉門南水道不斷延伸，河道比降逐漸減小，使得鳧洲水道的分流比進一步加大；（2）近年來珠江來水量穩(wěn)定，但來沙量大幅減小，導致蕉門河口河床受到?jīng)_刷下切，河道主槽和深泓線偏向左岸，鳧洲水道下切幅度要明顯大于蕉門南水道[15]，并且鳧洲水道過流斷面面積大于蕉門南水道過流斷面面積[22]，導致鳧洲水道過流能力要大于蕉門南水道。但隨著鳧洲水道分流比不斷增加，通過鳧洲水道下泄的水沙逐漸增多，可能威脅影響虎門-伶仃洋潮汐通道的穩(wěn)定[22]，因此已有相關研究通過工程手段（例如整治鳧洲水道岸線、疏浚蕉門南水道等）探究蕉門口的整治方案及措施[15,23]，以期減小鳧洲水道分流比。

3 水槽模型實驗

3.1 模型實驗介紹

河口汊道分流比受潮動力的影響隨漲落潮過程而變化，落潮過程對感潮河段及河口分汊格局的演變尤為突出，故汊道分流比常用落潮過程的平均分流比表征[24-25]。蕉門河口泥沙運動受徑流和潮流共同作用，水沙運動規(guī)律較為復雜。潮汐主要控制蕉門南水道的末端，漲潮流的頂托對蕉門分汊口及鳧洲水道的影響較小。因此，本研究重點關注落潮情況下鳧洲水道分流比變化，通過設計水槽物理模型實驗，探究落潮情況下兩口門流量對鳧洲水道主支汊轉(zhuǎn)變的影響機制。

據(jù)已有針對河流汊道的概化物理模型實驗研究，實驗室尺度下的概化河道與天然河道雖存在差異（例如天然河道的寬深比一般為模型河道數(shù)倍甚至數(shù)十倍），但實驗得到的分汊口的動力參數(shù)-形態(tài)參數(shù)相關關系等與天然汊道趨于一致[26-27]。基于此，本實驗對蕉門河口水流動力運動條件亦進行了一定概化，將天然河道概化為順直定床河道，通過設置穩(wěn)流柵保證水流均勻流動（圖2）?；谙盗蓄A實驗研究發(fā)現(xiàn)，概化過程中各河道地貌特征的差異對鳧洲水道分流比的影響不可忽略，因此本實驗采用不透水隔板模擬各河道地形抬高（圖2），實驗參數(shù)的設定均滿足流態(tài)特征，即實驗水流為紊流，表面張力作用可以忽略，重力對水流起主導作用，實驗水流可按明渠水流處理。

圖2 水槽模型設計及儀器布置平面圖（a）與正視圖（b）Fig.2 Top view (a) and front view (b) of flume experiment design and instruments layout

實驗水槽為矩形水槽，尺寸為24 m（長）×1.2 m（寬）×0.6 m（高）。水槽設計及測量儀器布置見圖2，其中斷面1 模擬虎門，斷面2 模擬蕉門，斷面3 模擬川鼻水道，斷面4 模擬蕉門南水道，斷面5 模擬鳧洲水道。實驗中斷面1 處水深設為40 cm，水槽側(cè)面設有刻度尺，精度為1 mm，用于讀取水深。首先，對水槽的生流系統(tǒng)進行改造（圖2），通過分別控制兩側(cè)生流系統(tǒng)（例如水泵功率和閥門啟閉等），調(diào)節(jié)兩側(cè)來流，在水槽兩側(cè)分別生成恒定的循環(huán)水流。

由前文所述的鳧洲水道在百余年間，經(jīng)歷了未發(fā)育-支汊-主汊的演變過程，各個時期的形態(tài)特征均不一樣。本次模型實驗以近期（2008 年）的海圖為依據(jù)，根據(jù)若干控制斷面，按照一定的寬度比和深度比進行縮放?？刂茢嗝娣植紙D如圖3 所示。其中，斷面寬度比考慮d1 至d7 共7 個斷面（代表鳧洲水道附近蕉門、虎門、大虎山、雞抱沙等形態(tài)特征），將各斷面簡化為矩形斷面，且各斷面的寬度比與真實平均寬度比一致，本實驗中水平比例尺為1∶8 000?；?008 年海圖，運用Mapinfo 數(shù)字化海圖并通過Surfer 提取斷面形態(tài)，可得到各斷面的平均水深。調(diào)整水槽內(nèi)d1 至d5 斷面的底部高程，保證各斷面的深度比與實際平均深度比一致，斷面間采用線性方式過渡，本實驗中垂向比例尺為1∶25。因此，本實驗設計的物理模型中，各過水斷面的過水面積之比也與真實過水斷面面積之比一致。

圖3 控制斷面分布Fig.3 Distribution of the control section

3.2 模型實驗布設與工況設計

本實驗布設1 個聲學多普勒點式流速儀（Acoustic Doppler Velocimetry，ADV）和8 個旋槳流速儀，用于各控制斷面（圖2 中斷面1 至斷面4）測量斷面流速，具體儀器布置如圖2 所示。ADV 配備三維側(cè)視式探頭，可用于水深較淺的工況。實驗中，ADV 固定在測量支架上，測量支架在垂向可通過步進電機控制升降，精度為1 mm，用于測量流速剖面，進行斷面平均流速計算。通過對4 個控制流速剖面的測量，發(fā)現(xiàn)所有斷面平均流速近似等于0.6h處的流速。因此，8 個旋槳流速儀分別架設于實驗斷面1 至斷面4 的中軸線位置，測量距底0.6h處流速。同一斷面設置兩個測點，相鄰測點相距約1 m，用于測量結果的相互校正。

本實驗可通過分別控制兩側(cè)生流系統(tǒng)，分析兩側(cè)口門不同來流工況下，鳧洲水道的分流特征。據(jù)文獻[28-29]，虎門與蕉門的年均落潮流量比為3.25～4.22，2005 年前后虎門大虎斷面與蕉門南沙斷面的過水面積比為4[30]，計算得虎門與蕉門的年均落潮平均流速比為0.81～1.01。以該流速比作為基準實驗，逐步調(diào)整斷面流速比，具體實驗工況設計見表2，其中，V1指斷面1 的平均流速，V2指斷面2 的平均流速。

表2 實驗工況設計表Table 2 Parameter setting of experiments

各組工況下，待斷面1 至斷面4 實時流速穩(wěn)定后，開始同時采集8 個旋槳流速儀的實時流速數(shù)據(jù)。根據(jù)得到的各個斷面的實時流速，計算各斷面時均流速，進而得到斷面5 的斷面分流比：

式中，μ為斷面分流比；A為各斷面面積，單位為cm2；V為平均流速，單位為cm/s，Q為斷面平均流量，單位為cm3/s；下標代表斷面序號。

模型實驗中，為保證模型實驗的可重復性，對各工況實驗數(shù)據(jù)進行誤差分析。實驗誤差 ε采用下式計算：

計算得到各工況誤差在0.34%～5.29%之間，平均誤差為4%。因此，實驗結果誤差處于合理范圍。

4 實驗結果與討論

4.1 模型驗證

根據(jù)實驗工況設計表（表2），設計與實測的斷面流速比及斷面5 的分流比如表3 所示。根據(jù)11 種工況繪制的鳧洲水道分流比與虎門、蕉門流速比之間的相關關系如圖4 所示。

表3 實驗流速比與分流比結果Table 3 Measured flow division ratio under various velocity ratios

模型實驗結果表明，當斷面1 與斷面2 流速比為0.81～1.01（即虎門與蕉門的年均落潮流速比）時，所測的斷面5（鳧洲水道）的分流比為66%～73%。據(jù)1998-1999 年在蕉門附近的水文測驗結果，鳧洲水道落潮平均分流比為69%～72%[12,31]（圖4 中白色框）。由此可見，雖然本實驗在設置過程中有一定程度的簡化和概化，但模擬的分流比結果與鳧洲水道的年均分流情況吻合較好，證明了模型的可靠性。

圖4 鳧洲水道分流比隨斷面流速比的變化Fig.4 Variation of flow division ratio of Fuzhou Channel with velocity ratio between Humen and Jiaomen outlets

針對洪季大流量情況，據(jù)2006 年與2017 年洪季觀測結果，虎門與蕉門落潮最大流速比約為1.08～1.16[32-33]。據(jù)2002 年和2017 年兩次對鳧洲水道的洪季觀測，洪季鳧洲水道的分流比為70%～75%[22]（圖4中灰色框）。模型實驗結果顯示，該流速比對應的斷面5 分流比為75%～77%，與實測結果吻合性較好。

因此，通過上述年均及洪季大流量兩種工況下的落潮分流比對比驗證，基本保證該水槽物理模型實驗可準確模擬鳧洲水道的分流特征。此外，從鳧洲水道歷史成因來看，相關研究認為鳧洲水道是原蕉門主泄洪道決口分汊沖刷而成[16]，本文實驗結果亦證實，洪季時鳧洲水道分流比較年均工況下增大5%～10%，側(cè)面證明了流域洪水事件是影響蕉門分汊河口演變的關鍵因子之一。

4.2 蕉門河口分流比演變

根據(jù)圖4 鳧洲水道分流比與虎門、蕉門流速比相關關系可知，整體上，鳧洲水道的分流比與虎門和蕉門斷面平均流速比成正相關關系，相關系數(shù)為0.99。即虎門與蕉門相對流速越大，則鳧洲水道分流比越大。這主要是由于虎門與蕉門相對流速越大，虎門水道過水能力越強，進而導致鳧洲水道下泄越通暢，分流比增大。根據(jù)實驗結果，在現(xiàn)狀地貌形態(tài)特征下，當虎門與蕉門相對流速大于1.7 時，鳧洲水道的分流比可達90%，蕉門南水道有萎縮消亡的趨勢；當虎門與蕉門相對流速小于0.35 時，鳧洲水道分流比小于50%，為鳧洲水道主支汊轉(zhuǎn)換的閾值。

當虎門流速不變時，鳧洲水道分流（流量與分流比）與蕉門流速的相關關系曲線如圖5 所示。當虎門流速不變，蕉門斷面流速增大時，通過鳧洲水道的流量增加，而鳧洲水道分流比隨蕉門流速的增大而減小。前人根據(jù)現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)洪季鳧洲水道分流較枯季增大[22]，因此多認為鳧洲水道的分流比隨蕉門流量及流速的增大而增大。本實驗發(fā)現(xiàn)，當虎門流速不變，蕉門流速逐步增大時，鳧洲水道的分流比反而減小。這主要是因為，鳧洲水道為連接珠江兩大口門的關鍵橫向汊道，其下泄是否順暢、下泄的流速等亦受到虎門流速的影響。即使蕉門流速增大，如果虎門流速不變，經(jīng)過鳧洲水道下泄不暢，造成局部壅水，反而有利于蕉門南水道的分流比增大。因此，在討論河網(wǎng)型分汊河口分流比時，不應僅考慮所在河道的流量變化，也應考慮相鄰河道、河口的影響。在討論鳧洲水道的演變規(guī)律時，應同時考慮蕉門和虎門的影響。

圖5 鳧洲水道分流比及流量隨虎門、蕉門斷面流速比變化（虎門流速不變）Fig.5 The relationship between variation of flow division ratio,water discharge of Fuzhou Channel and flow discharge of Humen and Jiaomen outlets（in case of constant Humen velocity）

4.3 討論

4.3.1 分汊河口分流比影響因素

在我國的主要入海河流中，分汊河口占37.5%[1]。長江河口和珠江河口同屬于分汊河口，但具體的分汊等級、分汊角度、分汊形態(tài)和尺度等都不盡相同。分汊河口的發(fā)育受到諸多因子，如流路、科氏力、潮差、來水來沙、邊界條件、河道特性等共同作用。前人學者多針對某一分汊河口，縱向探究某個因子對其發(fā)育演變的貢獻[1-11,34]，且多關注少汊型河口的分汊格局。但對于河網(wǎng)型河流，在河道和河口存在多條支汊匯流點和分流點一致的情況，如珠江的上橫瀝和下橫瀝、蕉門的鳧洲水道等。該類型分汊河口的發(fā)育除了受上述影響因素的作用外，是否受到相鄰河道的影響尚未有深入探究。

本實驗結果證實，針對諸如鳧洲水道、上下橫瀝水道之類的多口汊道，相鄰河道對分汊格局的影響不可忽略，甚至可能會影響分汊格局的主支汊地位。根據(jù)本實驗結果，在現(xiàn)有的地貌格局下，當虎門與蕉門的流速比小于0.35 時，鳧洲水道和蕉門南水道會發(fā)生主支汊地位的轉(zhuǎn)變。而且，當蕉門流量增大時，雖然在鳧洲水道分流流量持續(xù)增大，但增大幅度逐漸減小。在考慮到相鄰河道的影響后，其分流比呈現(xiàn)減小的趨勢。造成分流比減小的直接因素是當?shù)氐孛才c動力的不匹配，累積到一定程度后，必然會發(fā)生動力地貌的協(xié)同演變，即增大泄流剖面尺寸，以適應大流量條件。這也揭示了系列洪水過程為何會引發(fā)汊道沖刷、新汊發(fā)育。

前文提到，長江河口亦為分汊河口，分汊形態(tài)為單支入海、多級分汊，其與珠江河口存在一定的差異。從分汊形態(tài)特征來看，珠江口為“三江交匯、八口入?！?，長江口則不存在多河交匯、共同入海的情形；從分汊誘因來看，長江口分汊是由于漲落潮流路分離，泥沙在中間落淤形成淺灘，形成河口分汊[35]；珠江口多由于洪水沖缺而成的橫向分汊[16]，例如蕉門的鳧洲水道，且橫向汊道又與附近的河網(wǎng)相連，進而造成了其分汊河口分流比影響因素更為復雜；從分汊演變來看，長江口會在分汊后的南汊不斷發(fā)育新的汊道，形成有規(guī)律的多級分汊；珠江口隨著縱向汊道的延伸，會不斷發(fā)育新的橫向分汊。相對于單支入海、多級分汊的河口而言，本實驗探索了多口入海分汊河口分流比的影響因素及變化趨勢。以蕉門鳧洲水道為例，蕉門與虎門的流速比是影響鳧洲水道分流比的重要因子，從而證實多口門相互作用對河口分流比的重要影響，這也是多口入海河口區(qū)別于單支入海分汊河口的重要特征。

4.3.2 鳧洲水道整治建議

鳧洲水道是蕉門口重要的泄洪通道。肖洋等[36]針對珠江三角洲防洪問題，探討了現(xiàn)代珠江三角洲地貌條件下是否可以推行“洪水就近入海”的治理方案，即在珠江三角洲的東四口門中選擇泄流路徑最短的蕉門鳧洲水道為排洪主要通道。據(jù)其研究，該方案實施后蕉門和虎門的泄流量分別增加0.2%和0.27%，即虎門與蕉門的流速比為1.17。據(jù)本研究，此工況下鳧洲水道的分流比增大為0.77。即從河網(wǎng)型分汊河口分流的角度，此方案可增強鳧洲水道的主汊地位，達到快速降低東四口門防汛壓力的目的。

另一方面，胡曉張等[22]、楊聿等[23]通過現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬、物理模型等多手段分析近期蕉門河口分汊格局的特點，認為蕉門口治理的核心問題是控制和減小鳧洲水道的分流比。因此，從整治鳧洲水道的角度，上述“洪水就近入?！钡闹卫矸桨笗娀D洲水道的主汊地位，與鳧洲水道的整治目標相悖。一般來說，從分流分沙的角度看，分流比與分沙比的變化是正相關的。鳧洲水道的分流比、分沙比增大后，是否會造成伶仃洋淤積萎縮？由鳧洲水道分流的泥沙主要沉積的區(qū)域和泥沙輸移趨勢等仍需要更加細致的研究，可借助動力地貌數(shù)值模型或動床物理模型。鳧洲水道分流的泥沙對蕉門、虎門和伶仃洋的演變造成的影響需持續(xù)關注。

5 結論

本文重點關注珠江蕉門河口分流比及其變化規(guī)律。通過對蕉門分汊河口的概化，設計水槽模型實驗，得到鳧洲水道分流比隨蕉門流速、虎門與蕉門流速比的變化特征，探討了鳧洲水道分流比的影響因素。通過分析實驗數(shù)據(jù)，得到了如下結論。

（1）在保證分汊河口各特征斷面的寬度比、平均水深比和上游兩條河道的流量比相似的前提下，在水槽內(nèi)構建的概化分汊河口模型，并通過驗證年均情況、極端情況分流比，證實該模型可較高精度地復演分汊河口的分流形態(tài)。

（2）鳧洲水道分流比受蕉門與相鄰虎門共同影響，虎門、蕉門的相對流速越大，鳧洲水道分流比越大，鳧洲水道主汊地位越明顯。在當前地形條件下，相對流速比為0.35是鳧洲水道發(fā)生主支汊地位轉(zhuǎn)換的臨界閾值。

（3）根據(jù)模型結果，當珠江流域發(fā)生洪水時，鳧洲水道分流比會增大5%～10%，證實洪水是影響蕉門分汊河口演變的關鍵因子之一。珠江“洪水就近入?！钡闹卫矸桨缚梢员ＷC鳧洲水道的主汊地位更加明顯，但由于分流比增大造成的分沙比增大，進而導致的泥沙輸移趨勢及主要沉積的區(qū)域等仍需要更加細致的研究，需要持續(xù)關注。