變化環(huán)境下的西北江三角洲河流情勢(shì)和水文要素研究

劉幼萍

(廣東省水文局佛山水文分局，廣東佛山528000)

珠江三角洲河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，相互溝通，大小汊道數(shù)以千計(jì)，呈扇狀水系，具有“三江匯流、網(wǎng)河密布、八口出海”的獨(dú)特特征，其水流泥沙運(yùn)動(dòng)和河床演變受徑流、潮流和波浪等動(dòng)力作用，并受網(wǎng)河區(qū)的諸多水道及八大出?？诘幕?dòng)影響，情況十分復(fù)雜[1-3]。研究西北江三角洲近年河流情勢(shì)與水文要素變化趨勢(shì)，對(duì)河道治理、防洪、水資源保護(hù)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、城市建設(shè)和合理開發(fā)利用航道資源等，都具有一定的參考價(jià)值，是保證該區(qū)域生態(tài)水利的基礎(chǔ)。

自20世紀(jì)90年代中期開始，珠三角社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，人類涉水活動(dòng)加劇，使上游來(lái)水來(lái)沙條件和三角洲河道自然形態(tài)發(fā)生快速變異，河網(wǎng)河道原有的行洪納潮態(tài)勢(shì)發(fā)生了較大變化；咸潮入侵加強(qiáng)，河道污染嚴(yán)重，水質(zhì)性缺水問(wèn)題日益突出，水生態(tài)環(huán)境急需修復(fù)[4-5]。

當(dāng)前中國(guó)黃河、長(zhǎng)江流域，均在河道治理方面將保障防洪安全作為首要目標(biāo)，將穩(wěn)定河勢(shì)河床作為基本要求:黃河采用調(diào)水沖沙防止河流改道與河床淤積；長(zhǎng)江則采用加固堤壩預(yù)防塌崩和嚴(yán)禁偷采河砂來(lái)穩(wěn)定河勢(shì)河床。長(zhǎng)江流域特別強(qiáng)調(diào)在三峽工程建成后，研究不同水沙條件下泥沙輸移質(zhì)變化規(guī)律、洪水下泄對(duì)下游河道造成沖刷規(guī)律、河道新的演變趨勢(shì)及采取的對(duì)策。國(guó)外經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的國(guó)家在河道治理方面，從20世紀(jì)70至80年代起，已由防洪安全為主過(guò)渡到關(guān)注河流環(huán)境條件與生態(tài)保護(hù)：美國(guó)從20世紀(jì)70年代起，實(shí)行河道可持續(xù)發(fā)展理念，由開發(fā)、利用向保護(hù)轉(zhuǎn)變；日本在20世紀(jì)80年代起，河流管理者意識(shí)到快速的城市化和工業(yè)化對(duì)河流水質(zhì)、生態(tài)的損害，并認(rèn)識(shí)到保護(hù)景觀和生物多樣性的重要，強(qiáng)調(diào)恢復(fù)河流環(huán)境自然特性作為治理河道的首要任務(wù)。中國(guó)長(zhǎng)江流域順應(yīng)經(jīng)濟(jì)、自然的治理理念，國(guó)外可持續(xù)發(fā)展的河道治理理念，都值得學(xué)習(xí)[6-8]。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)方法

本文主要研究區(qū)域?yàn)槲?、北江三角洲集水面積8 370 km2的范圍，見圖1。本文利用趨勢(shì)分析、頻率分析、洪水特征分析等水文統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)河床演變趨勢(shì)、分流分沙比、咸潮入侵等方面進(jìn)行分析。資料主要來(lái)源于廣東省水文局佛山水文分局監(jiān)測(cè)、編制的技術(shù)成果，包括西北江三角洲21個(gè)潮位站近60 a的水文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，近10 a大范圍的多波束水下地形監(jiān)測(cè)成果等[9-10]。

2 河流水文情勢(shì)變化分析

2.1 河床演變趨勢(shì)

從西北江三角洲上游控制站三水水文站近60 a的監(jiān)測(cè)成果和相關(guān)資料看，在20世紀(jì)50至60年代初，河道普遍處于輕微的自然淤積狀態(tài)；60年代后期普遍的大規(guī)模聯(lián)圍筑閘工程，簡(jiǎn)化河道縮短防洪堤線的目的，造成河寬變窄和水位升高，產(chǎn)生束水攻沙效應(yīng)使河床受沖刷，但河床沖刷深度與沖刷量都不大；70年代后期至80年代初，河床經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整，普遍由輕微沖刷轉(zhuǎn)為輕微淤積；80年代中期后，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，河道出現(xiàn)大規(guī)模的人工河道挖砂活動(dòng)，河床迅速下切，由原來(lái)的淤積為主轉(zhuǎn)為沖刷為主。20世紀(jì)末期至21世紀(jì)初，中上游的河床年下切量達(dá)到峰值，強(qiáng)度遠(yuǎn)超河床的自然演變過(guò)程[11-15]。

圖1 研究區(qū)域示意

另一方面，輸沙的大量積聚和人類活動(dòng)對(duì)河口灘涂圍墾的共同影響，河道不斷向口門延伸。八大口門向外海自然延伸的速度，最快的磨刀門約190 m/a，洪奇門約125 m/a，橫門、雞啼門和虎跳門約100 m/a，虎門、蕉門和崖門潮流作用較強(qiáng)，自然延伸不明顯；近年來(lái)對(duì)河口灘涂大肆圍墾，河口延伸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了自然延伸的速度，磨刀門、橫門的河口延伸長(zhǎng)度幾乎都超過(guò)10 km以上[16]，近30 a口門的延伸長(zhǎng)度相當(dāng)于100 a的口門自然延伸長(zhǎng)度。由于河口不斷淤積延伸，攔門沙不斷淤積擴(kuò)展，影響泄洪納潮、潮排潮灌、生態(tài)環(huán)境等，甚至影響網(wǎng)河區(qū)水沙分配和河流情勢(shì)變化。

2.2 河床垂向沖深嚴(yán)重

河床的演變有諸多因素，超規(guī)模、超范圍的大量采砂是河床演變、沖深下切的主要原因，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料分析，近40 a的采砂大致可以分為前10 a、中間20 a與后10 a 三個(gè)階段。

20世紀(jì)90年代，無(wú)序采砂達(dá)到峰值。經(jīng)調(diào)查珠三角每年采砂總量達(dá)6 000萬(wàn)m3，而泥沙淤積量?jī)H905萬(wàn)m3，即中間的20 a，河道采砂總量為近100多年的自然淤積量[17]，區(qū)域采砂直接導(dǎo)致珠三角河床大面積下切，是造成珠三角網(wǎng)河區(qū)河流情勢(shì)急劇變化主要原因。

從西北江三角洲控制站馬口、三水水文站多年大斷面監(jiān)測(cè)圖可以直觀地反映出河床下切量最大達(dá)到10 m以上，在0.00 m水位以下的河道斷面面積分別增大約30 %與50 %，總體北江區(qū)域下切量大于西江區(qū)域，中上游的下切量大于中下游[18]，見圖2。

a) 馬口站

b) 三水站圖2 西北江三角洲控制站大斷面沖深

2.3 河流橫向深槽迫岸

西北江三角洲的平原是沖積平原，其河道是自然沖積形成的河道，天然狀態(tài)大多呈V字形，河道的主槽在中弘且相對(duì)較深，左右兩岸較淺。由于大量且無(wú)序采砂，即使采砂位置離大堤有一定距離，主河床下切后，兩側(cè)不斷坍塌，斷面面積不斷增大，相當(dāng)一部分河道已呈U字形，表現(xiàn)出深槽迫岸，主槽離護(hù)岸越來(lái)越近，堤圍邊坡越來(lái)越陡甚至達(dá)1∶1，形成新的堤圍險(xiǎn)段，見圖3。

圖3 某堤圍險(xiǎn)段整治前水下地形

2.4 河道縱向負(fù)坡降

西江河道平均陂降0.45‰，北江河道平均陂降0.70‰，到網(wǎng)河區(qū)后相對(duì)平緩，往下至出?？陂T全程為正坡降，但近年受到偷挖濫采河砂的影響，往往在開寬河段，出現(xiàn)不規(guī)則的深坑與深槽。

西江干流水道下游的磨刀門出?？跓艋\山站平均水深低于-10 m，中游天河站以上的東海水道與西海水道分叉處水深約-30 m，中游甘竹站上游的九江大橋附近最大水深約-50 m，馬口站附近最大水深約-50 m，沿程出現(xiàn)不規(guī)則且嚴(yán)重的負(fù)坡降。其余河道自口門起到西北江三角洲頂點(diǎn)，均不同程度出現(xiàn)類似的負(fù)坡降且沿程槽蓄增大情況。

3 水文極端事件演變分析

3.1 汛期水位流量關(guān)系呈非對(duì)稱性

馬口、三水站自有實(shí)測(cè)流量以來(lái)水位流量關(guān)系基本穩(wěn)定，變幅不超過(guò)5%，20世紀(jì)80年代末至90年代初河流情勢(shì)變異后，原來(lái)相對(duì)應(yīng)的水位流量關(guān)系呈非對(duì)稱性，水位～流量關(guān)系綜合線不斷往右偏移。即同級(jí)水位流量偏大，同級(jí)流量水位偏低，見圖4。

“05·6”洪水是河流情勢(shì)急劇變化后迎來(lái)的第一場(chǎng)特大洪水，馬口、三水站的最高洪峰水位分別是8.97、9.21 m，水位重現(xiàn)期分別是20、30 a，相應(yīng)流量分別為53 200、16 300 m3/s，流量重現(xiàn)期為100 a，與“94·6”洪水相近[19]。

比較“94·6”與“05·6”兩場(chǎng)洪水，馬口、三水站的洪峰水位，“05·6”比“94·6”分別降低1.09、1.17 m，流量卻增大6 200、100 m3/s，馬口站“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，流量與水位的重現(xiàn)期不匹配，呈現(xiàn)流量重現(xiàn)期高而水位重現(xiàn)期低的非對(duì)稱現(xiàn)象，見表1和圖5、6。

圖4 三水站H～Q關(guān)系變化趨勢(shì)

表1 馬口、三水水文站“94·6”與“05·6”洪峰水位與洪峰流量重現(xiàn)期對(duì)比

注：根據(jù)《西北江三角洲洪潮水面線》查算

a) 馬口站

b) 三水站圖5 馬口、三水水文站“94·6”與“05·6” 洪峰水位與洪峰流量對(duì)比

a) 馬口站水位頻率曲線

b) 馬口站流量頻率曲線圖6 馬口、三水水文站60 a年最高水位、最大流量頻率曲線

c) 三水站水位頻率曲線

d) 三水站流量頻率曲線續(xù)圖6 馬口、三水水文站60 a年最高水位、最大流量頻率曲線

3.2 上下游年平均水位關(guān)系改變

從西北江三角洲頂部至中部的三水站、瀾石站多年平均水位關(guān)系圖反映，自20世紀(jì)70年代起，年平均水位均呈降低趨勢(shì)，平均水位差也呈遞減趨勢(shì)，由70年代的平均水位落差1.36 m，遞減至目前的0.44 m，而且1994年是一個(gè)突變點(diǎn),1994年前多年平均水位差為1.23 m，1994年后多年平均水位差為0.58 m，上下游水位關(guān)系的改變，直接影響了其年際來(lái)水來(lái)沙量的關(guān)系，見圖7。

圖7 三水、瀾石站多年年平均水位關(guān)系

3.3 非汛期年最低水位的明顯下降

水文站的年最高水位與當(dāng)年的洪水水位直接相關(guān)，年際變化較大；年最低水位與上游枯季來(lái)水有關(guān)，一般情況下，年際變化不大。受河床下切、槽蓄增大等因素的共同影響，網(wǎng)河區(qū)從上游控制站到下游出?？陂T站，均呈現(xiàn)年最低水位逐年向下的趨勢(shì)，馬口、三水站的非汛期的年最高、最低水位逐年?duì)幭嗵降住ｑR口站1996年發(fā)生超歷史最低水位-0.52 m，至2014年的18 a間，2002—2010年共9 a的年最低水位低于-0.50 m，數(shù)次刷新歷史最低水位記錄，2004年發(fā)生歷史最低水位-0.63 m；年平均水位和年最高水位整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，見圖8。

圖8 馬口站多年最低、最高、平均水位

3.4 網(wǎng)河區(qū)中部洪水水位異常壅高

自1994年6月的“94·6”大洪水后，頻頻發(fā)生了諸如“98·6”“05·6”“08·6”等大洪水，在洪水過(guò)程中呈現(xiàn)的共同特點(diǎn)，是同級(jí)流量時(shí)水位普遍偏低，同時(shí)水位沿程波動(dòng)，中游水文站洪水位異常壅高，對(duì)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的珠三角人民生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。如上游馬口、三水站低于警戒水位的情況下，中部的站點(diǎn)比較容易出現(xiàn)接近甚至超過(guò)警戒水位。用“98·6”與“05·6”洪水比較，馬口站的洪水位前比后高0.46 m，中部的板沙尾站洪水位卻是后比前高0.01 m；再如比較“06·5”與“08·6”洪水，上游三水站的洪水位前比后高出0.73 m，中部瀾石站的洪水位前比后只高出0.01 m。洪水位的異常壅高，水文資料系列的不一致，傳統(tǒng)的水面線未能滿足當(dāng)前洪水分析與預(yù)報(bào)的需求。

3.5 西北江網(wǎng)河區(qū)水沙分配的改變

西江干流和北江干流在西北江三角洲網(wǎng)河區(qū)頂點(diǎn)的思賢滘相會(huì)后，思賢滘就成了兩江水沙聯(lián)系的紐帶，其分流分沙的調(diào)整，可謂“牽一發(fā)動(dòng)全身”[20]。20世紀(jì)90年代初，北江網(wǎng)河區(qū)的采砂量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于西江網(wǎng)河區(qū)，致使原來(lái)比西江網(wǎng)河區(qū)高的河床，率先出現(xiàn)大量下切，河床形態(tài)的重大變化，導(dǎo)致了西北江網(wǎng)河區(qū)頂點(diǎn)的分流分沙格局重大調(diào)整[21-25]。

分流比年際變化，根據(jù)1959—2017年馬口、三水站長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)資料，以年平均徑流量占“馬口+三水”徑流量的百分比進(jìn)行對(duì)照分析，1959—1989年馬口與三水站多年分流比基本穩(wěn)定，三水約占15%，馬口約占85%；1993年之后，三水占20%以上，馬口占80%以下，見表2。

表2 馬口、三水站分流比變化

分沙比年際變化，以10 a為一個(gè)尺度，1981—1990年之前，在河道形態(tài)沒(méi)有改變前，西北江分流分沙比相對(duì)穩(wěn)定；1991—2000年和2001—2010年分流分沙比與河道形態(tài)變化相對(duì)應(yīng)，三水站逐步變大，馬口站逐步變?。?011—2017年西北江網(wǎng)河區(qū)河床下切基本穩(wěn)定后(政府全面禁止采砂)，北江分流比呈輕微回調(diào)狀態(tài)。在三水站分流比增大的同時(shí)，年際分沙增加趨勢(shì)與分流比相似，均從20世紀(jì)90年代起大幅增加，增加比例稍弱于分流，見表3。

在西北江三角洲網(wǎng)河區(qū)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)三水、馬口站分流分沙比改變的同時(shí)，北江非汛期流量的增加幅度大于汛期，即北江網(wǎng)河區(qū)下游得到的有效水資源量大幅增加。20世紀(jì)90年代前期，為調(diào)節(jié)西北江網(wǎng)河區(qū)的水資源分配比，有關(guān)主管部門擬在思賢滘修筑水利樞紐，在汛期阻擋西江的洪水，配合北江大堤確保省會(huì)城市及經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)地區(qū)的防洪安全；在非汛期攔截北江的優(yōu)質(zhì)水資源，防止無(wú)效流失，提供給水資源緊缺的地區(qū)使用。西北江三角洲河流情勢(shì)的改變，導(dǎo)致了三水、馬口分流比的改變，水文要素的改變，促使水利樞紐建設(shè)及一系列決策方案的改變與調(diào)整。

表3 馬口、三水站分沙比變化

3.6 豐水年咸潮入侵勢(shì)頭不減

由于河道的負(fù)坡降造成內(nèi)河的槽蓄增大，河道的吐納量增加，使咸潮的上溯距離延長(zhǎng)，咸潮的濃度增強(qiáng)。2011年中山市屬偏枯水年，受咸潮影響的時(shí)期共跨越8個(gè)月份，影響時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣，其中磨刀門水道的南鎮(zhèn)水廠、全祿水廠分別距離口門32、51 km，全年累計(jì)受咸潮影響時(shí)數(shù)分別為1 526.0、619.5 h，最大連續(xù)超標(biāo)時(shí)數(shù)分別是308.0、96.5 h，測(cè)得最大咸度為7 230、6 989 mg/L；2011年2月咸潮最嚴(yán)重，橫門水道的咸潮上溯越過(guò)小欖水道的大豐水廠，磨刀門水道的咸潮越過(guò)稔益水廠，南鎮(zhèn)水廠測(cè)得最大咸度為7 230 mg/L，是取水標(biāo)準(zhǔn)值250 mg/L的29倍，嚴(yán)重影響了水資源的有效利用。

近年來(lái)，珠海、中山等市為了防預(yù)咸潮的影響，新建一批供水水庫(kù)，受咸潮影響的報(bào)道已經(jīng)不是熱門話題，從實(shí)際監(jiān)測(cè)資料可知，咸潮入侵的勢(shì)頭一直沒(méi)有消減。2016年屬豐水年，但中山市受咸潮影響的時(shí)期跨越6個(gè)月(1—3、10—12月)，南鎮(zhèn)水廠、全祿水廠全年累計(jì)受咸潮影響時(shí)數(shù)分別為545.0、59.5 h，最長(zhǎng)連續(xù)超標(biāo)時(shí)數(shù)分別是196.0、14.0 h，測(cè)得最大咸度為3 376、3 086 mg/L，豐水年咸潮的入侵影響依然嚴(yán)重[26-29]。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

a) 西北江三角洲近60 a的河道環(huán)境變化，前20 a變化緩慢穩(wěn)定，后40 a波動(dòng)較大，與40 a來(lái)廣東省經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展的進(jìn)程接近。20世紀(jì)90年代的前10 a，河道采砂略大于淤積呈沖刷狀；中間20 a采砂量是淤積量的6.6倍，河道嚴(yán)重下切；后10 a實(shí)行全面禁止采砂與大力治理，處于恢復(fù)狀態(tài)的河道受自然演變慣性的影響，河道環(huán)境依然不容樂(lè)觀。

b) 河道環(huán)境的變化與自然演變有關(guān)，局部情勢(shì)的急劇變化是人類社會(huì)活動(dòng)的過(guò)度開采，在基于沖積而形成的西北江三角洲河道，進(jìn)一步加強(qiáng)河道管理是河流情勢(shì)穩(wěn)定與水安全的基本前提。

c) 水文要素的變化與大氣環(huán)流、厄爾尼諾等大尺度氣象要素有關(guān)，局部、急劇的河流情勢(shì)改變是誘因，水文要為社會(huì)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，更要準(zhǔn)確及時(shí)地掌握區(qū)域河流情勢(shì)的變化。

4.2 建議

a) 水文要素變化常常伴隨自然災(zāi)害的產(chǎn)生，要實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)，對(duì)洪水與枯水的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是治標(biāo)，對(duì)河流情勢(shì)與防洪能力的分析是治本。

b) 加強(qiáng)河道全方位監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響其穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)，保障河道的整體安全和可持續(xù)發(fā)展。

c) 順應(yīng)河流情勢(shì)的發(fā)展規(guī)律，才能有效發(fā)揮其水資源效益和水環(huán)境效益，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展作必要的支撐，為了人類生存環(huán)境的良性發(fā)展，人類活動(dòng)更要遵循自然環(huán)境的可承載能力。