楊聿, 胡曉張, 王漢崗,陳軍

(1 珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州510611； 2 水利部珠江河口動(dòng)力學(xué)及伴生過程調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510611；3 水利部珠江水利委員會，廣東廣州510611)

蕉門河口地處珠江三角洲中心區(qū)域，是粵港澳大灣區(qū)的幾何中心，區(qū)域位置優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)達(dá)。蕉門是珠江八大口門之一，其凈泄量和輸沙量占珠江三角洲的20%左右，是珠江三角洲重要的泄洪排沙口門，蕉門口的整治對珠江河口泄洪納潮和河勢穩(wěn)定具有重要影響，歷年來都是珠江河口治理與開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。

蕉門口整治始于20世紀(jì)70年代末，早期對蕉門口的整治，一是開發(fā)灘涂資源,二是考慮盡可能減少由蕉門鳧洲水道進(jìn)入伶仃洋的泥沙，減輕伶仃洋淤積。經(jīng)過對蕉門口整治方案進(jìn)行論證分析，水利部珠江水利委員會于20世紀(jì)90年代編制了《伶仃洋治導(dǎo)線規(guī)劃》，提出了蕉門口治導(dǎo)線方案，蕉門延伸段進(jìn)口控制河寬800 m、鳧洲水道進(jìn)口控制河寬1 200 m[1]。20世紀(jì)90年代以來，由于河口水沙動(dòng)力條件復(fù)雜，人類活動(dòng)影響加劇，珠江河口出現(xiàn)泄洪不暢、灘槽不穩(wěn)、口門淤積及三角洲腹地局部河段水位壅高、水污染加劇、生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問題。水利部珠江水利委員會編制了《珠江河口綜合治理規(guī)劃》，對蕉門口治導(dǎo)線進(jìn)一步優(yōu)化，提出了蕉門河口泄洪整治規(guī)劃方案，蕉門泄洪整治以確保洪水暢泄，適度調(diào)整主、支分流比，加強(qiáng)蕉門延伸段泄洪能力，減少鳧洲水道出流干擾虎門的漲落潮流為原則[2]。

在珠江河口綜合治理規(guī)劃期，部分學(xué)者對蕉門河口水沙運(yùn)動(dòng)和發(fā)育演變進(jìn)行過研究，為蕉門河口整治提供了較好借鑒[3-6]?！吨榻涌诰C合治理規(guī)劃》批復(fù)近10 a來,由于受到人類活動(dòng)的影響，珠江三角洲來水來沙發(fā)生了較大變化，蕉門河口水文、泥沙和地形等相對之前也發(fā)生了較大變化，出現(xiàn)了一些新問題，對今后蕉門口整治提出了新的要求[7-8]。胡曉張等[9]通過水文觀測、資料分析、模型試驗(yàn)等手段，系統(tǒng)分析了蕉門河口當(dāng)前水文、地形、水流條件、泥沙淤積等情勢變化，指出蕉門河口當(dāng)前存在四大問題：①鳧洲水道分流較大，且有增加趨勢，不利于河口泄洪排沙；②鳧洲水道和蕉門延伸段進(jìn)口岸線尚不規(guī)整，分流點(diǎn)位置上下?lián)u擺不定，不利于河勢穩(wěn)定；③鳧洲水道出口與虎門水道交匯角偏大，落潮流相互干擾，不利于洪水下泄和虎門潮汐通道穩(wěn)定；④在上游來沙減小情況下，南沙港淤積強(qiáng)度相對較大，仍需進(jìn)一步對蕉門河口水沙分配進(jìn)行調(diào)節(jié)。研究認(rèn)為，當(dāng)前蕉門口治理的核心問題是控制和減小鳧洲水道分流比，加大蕉門延伸段分流。從治理思路上，宜對鳧洲水道南側(cè)岸線進(jìn)行整治和理順，盡早固定蕉門延伸段和鳧洲水道分流咀，穩(wěn)定分流比，同時(shí)規(guī)整鳧洲水道出口段走向，改善出流與虎門匯流角度，減輕鳧洲水道與虎門漲落潮流的相互干擾，維持虎門潮汐通道穩(wěn)定。在河口治理和相關(guān)問題研究上，潮流泥沙數(shù)學(xué)模型已成為一個(gè)應(yīng)用廣泛的模型。通過構(gòu)建潮流泥沙數(shù)學(xué)模型來研究珠江河口問題的報(bào)道已不少見[10-13]。本文在胡曉張等[9]對當(dāng)前蕉門河口問題和整治思路研究成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建珠江河口潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，研究蕉門口具體整治方案和配套措施，對整治方案進(jìn)行論證分析，豐富相關(guān)研究成果。

1 研究區(qū)概況

蕉門位于廣州市南沙區(qū)，內(nèi)伶仃洋西側(cè)，是蕉門水道的出口，承泄西、北江水沙。蕉門水道由雁沙尾至南沙，全長16 km，上游有沙灣水道分出的欖核涌、西樵涌和騮崗涌3條水道在亭角匯入，下游有洪奇門水道分出的上橫瀝、下橫瀝匯入。蕉門口外分兩條水道與伶仃洋相通，主干為東西向的鳧洲水道，長約5 km，直接匯入內(nèi)伶仃洋頂部，支汊蕉門南支長約12 km，沿萬頃沙墾區(qū)向東南向延伸，匯入內(nèi)伶仃洋中部(圖1)。

圖1 蕉門河口形勢

2 研究方法及水文組合

蕉門河口處于徑潮交匯區(qū)，河口水文、泥沙動(dòng)力復(fù)雜，基于研究區(qū)域2017年河口地形資料，構(gòu)建了珠江河口潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，結(jié)合多組水文實(shí)測資料對模型進(jìn)行了率定與驗(yàn)證。

2.1 模型原理

本模型采用貼體正交曲線坐標(biāo)下的水流運(yùn)動(dòng)方程及懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)方程，本文主要介紹模型控制方程，模型數(shù)值求解及相關(guān)問題處理詳見文獻(xiàn)[14-16]。

水流運(yùn)動(dòng)方程：

(1)

式中U——守恒向量；Eadv、Gadv——x、y方向?qū)α魍肯蛄?；Ediff、Gdiff——x、y方向雷諾應(yīng)力引起的擴(kuò)散通量向量；Edis、Gdis——分別為x、y方向二次流引起的擴(kuò)散通量向量；S——源項(xiàng)向量。

(2)

式中h——水深；u、v——垂直方向平均流速在x、y方向的分量；b——底高程；r——降雨強(qiáng)度；i——入滲強(qiáng)度；νt——水平方向的紊動(dòng)黏性系數(shù)；Dxx、Dxy、Dyx、Dyy——二次流引起的擴(kuò)散應(yīng)力項(xiàng)；g——重力加速度；f——柯氏力系數(shù)，f=2wsinφ；w——地球自轉(zhuǎn)角速度；φ——當(dāng)?shù)鼐暥?；τs——風(fēng)應(yīng)力；Sxx、Sxy、Syy——波浪輻射應(yīng)力；Sfx、Sfy——摩阻斜率；S0x、S0y——底坡斜率。

將泥沙連續(xù)方程沿水平積分，即可得沿水深的二維連續(xù)方程，亦為懸移質(zhì)對流擴(kuò)散方程：

(3)

式中S——垂線平均含沙量；vsx、vsy——紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；FS——沖淤項(xiàng)；QL、SL——水平單位面積源量及源含沙量。

懸移質(zhì)泥沙在液面的通量一般為0，而懸移質(zhì)泥沙在河床底面的單位通量等于懸移質(zhì)河床變形。沖淤項(xiàng)可用沖淤函數(shù)表示，以挾沙力表示的沖淤函數(shù)及底床變形方程為：

(4)

式中α1、α2——含沙量、挾沙力恢復(fù)飽和系數(shù)；α3——泥沙沉降機(jī)率；ω——泥沙沉速；S*——飽和狀態(tài)下含沙量(即水流挾沙力)；ρs——泥沙密度(2 650 kg/m3)。

2.2 模型范圍

模型范圍涵蓋了伶仃洋整個(gè)水域。上邊界取自虎門水道大虎水文站、蕉門水道亭角和上橫瀝站、洪奇瀝馮馬廟站、橫門口橫門站及磨刀門燈籠山站；下邊界取至外海-30 m等高線；西邊界自磨刀門三灶珠海機(jī)場；東邊界至香港水域。研究范圍包括：香港水域、伶仃洋淺海區(qū)、深圳灣、澳門淺海區(qū)、磨刀門淺海區(qū)，研究范圍詳見圖2。模型區(qū)域?qū)捈s112 km，長約125 km，模擬水域面積約7 000 km2。

圖2 研究范圍及水文測驗(yàn)站點(diǎn)分布

2.3 模型率定與驗(yàn)證

選取珠江口近年資料較齊全的“2007·8”實(shí)測水文資料對模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，從驗(yàn)證結(jié)果來看，模型計(jì)算的潮位過程線與各測站實(shí)測潮位過程線吻合較好，相位基本一致，高高潮位和低低潮位誤差最大值為0.06 m；流速過程線與各測站的實(shí)測流速過程線吻合較好，相位基本一致，漲、落潮平均流速誤差分別為3%、4%；流向過程線與各測站的實(shí)測流向過程線吻合較好，相位基本一致，漲、落潮平均流向誤差分別為2°、3°；模型計(jì)算含沙量過程線趨勢與實(shí)測過程線較為吻合，平均誤差為26 %。模型驗(yàn)證結(jié)果滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》精度要求，部分驗(yàn)證結(jié)果見圖3—5。

a) 赤灣潮位

b) 鳧洲潮位

c) 內(nèi)伶仃島潮位

d) 金星門潮位圖3 潮位驗(yàn)證

a) 伶仃2站流速圖4 流速、流向驗(yàn)證(2007.08.13.12∶00—08.17.13∶00)

b) 伶仃2站流向

c) 礬石站流速

d) 礬石站流向續(xù)圖4 流速、流向驗(yàn)證(2007.08.13.12∶00—08.17.13∶00)

a) 伶仃2號

b) 西灘站

c) 礬石站

2.4 水文條件

由于蕉門口位于洪潮交匯區(qū)，為充分論證不同水文條件下整治方案效果及其影響，分別選取珠江河口近年來典型的洪、中、枯、潮水文條件對整治方案進(jìn)行論證(表1)。

3 研究結(jié)果分析

3.1 整治方案分析

蕉門口整治核心問題是控制和減小鳧洲水道分流比，實(shí)現(xiàn)該整治目的需要理順鳧洲水道南側(cè)岸線，其關(guān)鍵在于確定鳧洲水道和蕉門延伸段分流咀的位置，分流咀位置一旦確定，也就確定了鳧洲水道南側(cè)岸線起點(diǎn)，基本可以控制鳧洲水道和蕉門延伸段分流比。以此為基礎(chǔ)，整治方案擬定思路和過程如下。

表1 論證水文組合

a) 研究鳧洲水道和蕉門延伸段分流位置。分流咀的位置確定應(yīng)基于2個(gè)原則，一是適當(dāng)縮小鳧洲水道過于寬淺的斷面，減小鳧洲水道分流比；二是不應(yīng)對上游河道造成較大壅水，增加上游防洪壓力。基于該原則，以尊重蕉門口水流自然分流規(guī)律為依據(jù)來確定分流咀位置，既控制鳧洲水道進(jìn)口河寬，又順應(yīng)水流流態(tài)，不會對上游造成大的壅水影響。

為此，先通過模型試驗(yàn)來研究蕉門口洪水落潮流態(tài)，通過對洪水落潮不同時(shí)期蕉門口流態(tài)變化進(jìn)行觀察，找出蕉門口落潮自然分流點(diǎn)，以此為依據(jù)來擬定整治方案分流咀位置。試驗(yàn)選取“2005·06”洪水水文組合，模擬洪水初落、落急、落憩時(shí)刻蕉門口流態(tài)見圖6，從試驗(yàn)結(jié)果來看，蕉門口洪水期間分流點(diǎn)位置相對固定，在洪水初落時(shí)刻，分流點(diǎn)位置偏南；在洪水落急和落憩時(shí)刻，分流點(diǎn)位置偏北；落急和落憩時(shí)刻分流點(diǎn)位置變化不大。可根據(jù)洪水初落和落急2個(gè)不同時(shí)刻水流分流點(diǎn)位置，在不縮減蕉門延伸段河寬的前提下，確定分流咀亦即鳧洲水道右岸岸線起點(diǎn)位置。

a) 初落 b) 落急 c) 落憩圖6 蕉門口洪季落潮流態(tài)示意

b) 擬定鳧洲水道右岸岸線平面方案。從保障水流流態(tài)暢通和下游出流角度，對依據(jù)洪水初落和落急分流方案確定的鳧洲水道右岸岸線起點(diǎn)與下游現(xiàn)狀岸線頂點(diǎn)之間的岸線，考慮一定河道拓寬率，按照岸線平順和引導(dǎo)水流向下偏轉(zhuǎn)的原則，擬定鳧洲水道右岸岸線整治方案。

綜上，研究提出初落分流和落急分流2個(gè)整治方案見圖7。其中，初落分流方案蕉門延伸段入口寬度950 m、鳧洲水道進(jìn)口寬度1 800 m；落急分流方案蕉門延伸段入口寬度950 m、鳧洲水道進(jìn)口寬度1 500 m。兩個(gè)方案均對劃定的鳧洲水道南側(cè)輪廓控制線北側(cè)拋石堤進(jìn)行清障，考慮到鳧洲水道左岸淺灘現(xiàn)高程大部分在-4 m左右，為保持河道的穩(wěn)定性，將右岸剩余部分淺灘區(qū)恢復(fù)至-4 m高程。

圖7 蕉門口整治方案示意

3.2 整治方案優(yōu)選論證

整治方案實(shí)施可能會對蕉門河口水動(dòng)力、泥沙輸移、河勢穩(wěn)定等造成影響，整治方案是否可行，一要評估整治效果，二要分析對河口水沙動(dòng)力等可能帶來的不利影響。因此，對蕉門河口初落分流方案、落急分流方案下的整治效果及其影響進(jìn)行分析論證、優(yōu)選方案。

3.2.1整治效果分析

根據(jù)前文所述蕉門口整治思路，蕉門口整治方向是減小鳧洲水道分流比，加大蕉門延伸段的分流，規(guī)整鳧洲水道出口段走向，改善出流與虎門的匯流角度，減輕鳧洲水道與虎門漲落潮流的相互干擾，維持虎門潮汐通道穩(wěn)定，故從以下幾個(gè)方面分析整治效果。

a) 鳧洲水道和蕉門延伸段分流比變化?！?005·6”洪水期間，2個(gè)整治方案實(shí)施后鳧洲水道和蕉門延伸段兩汊分流比變化統(tǒng)計(jì)情況見表2。從整治效果來看，初落分流方案和落急分流方案實(shí)施后均能減小鳧洲水道分流比，現(xiàn)狀條件下洪水期間鳧洲水道分流比為73.5%，初落、落急分流方案下分流比分別減小為71.3%、69.4%?！吨榻涌诰C合治理規(guī)劃》曾提出將鳧洲水道分流比控制在70.0%以內(nèi)，從控制鳧洲水道分流比效果上，落急分流方案較優(yōu)。

表2 治理方案實(shí)施前后鳧、蕉兩汊分流比變化統(tǒng)計(jì) %

b) 鳧洲水道與虎門水道出流交角變化。統(tǒng)計(jì)“2005·6”洪水期間鳧洲水道落潮流動(dòng)力軸線與虎門落潮流動(dòng)力軸線之間的夾角變化情況見表3，現(xiàn)狀條件下洪水期間鳧洲水道落潮主流與虎門落潮主流平均夾角為70°～75°，初落、落急分流方案分別減小為64°～68°、60°～65°，從改善出流與虎門的匯流角度效果看，落急分流方案效果更加明顯。

表3 治理方案實(shí)施前后鳧洲水道出流與虎門落潮流夾角變化統(tǒng)計(jì) (°)

c) 虎門—伶仃洋潮汐通道漲落潮量變化。治理方案實(shí)施前后“2005·6”洪水、“2001·2”枯水水文組合下虎門漲落潮量變化見表4，治理方案實(shí)施后，虎門漲落潮動(dòng)力有所增加，漲落潮量均有增加趨勢，初落分流方案下洪水、枯水漲潮量分別增加0.01%、0.02%，落急分流方案下洪水、枯水漲潮量分別增加0.02%、0.03%，從維持虎門—伶仃洋潮汐通道通暢和穩(wěn)定效果上，落急分流方案較優(yōu)。

表4 治理方案實(shí)施前后虎門漲落潮量變化統(tǒng)計(jì) %

3.2.2可能不利影響分析

a) 壅水影響分析。整治方案實(shí)施后，鳧洲水道河寬減小，會造成上游水位一定程度的壅高，有可能會增加上游防洪壓力，統(tǒng)計(jì)整治方案實(shí)施后上游蕉門水道南沙水文站的洪(潮)水位變化見表5。由于2個(gè)整治方案進(jìn)口分流點(diǎn)依據(jù)蕉門口自然分流規(guī)律擬定，總體上2個(gè)方案造成的上游水位壅高幅度均不大。各個(gè)水文條件下，落急分流方案上游洪(潮)水位壅高幅度均要大于初落分流方案，其中“2005·6”大洪水時(shí)南沙站高高潮壅高0.011 m、低低潮壅高0.025 m。

表5 各水文條件下南沙站洪(潮)水位變化值 m

b) 沖淤變化分析。為研究整治方案是否會導(dǎo)致蕉門河口沖淤發(fā)生變化，利用珠江河口潮流泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析了蕉門口整治前和兩個(gè)整治方案下河口沖淤形態(tài)變化，三者計(jì)算結(jié)果對比見圖8。

a) 整治前

b) 初落分流方案

c) 落急分流方案圖8 角門河口區(qū)附近水域沖淤計(jì)算分布

從計(jì)算結(jié)果來看，整治方案實(shí)施后與現(xiàn)狀相比蕉門口河道沖淤變化規(guī)律基本一致，蕉門延伸段以上段淤積、下段沖刷為主，上段淤積強(qiáng)度約0.05～0.10 m/a、下段沖刷強(qiáng)度約為0.03～0.10 m/a，整治前后變化不大；鳧洲水道沖淤規(guī)律有輕微差別，整治方案實(shí)施后鳧洲水道主槽沖刷范圍和幅度會有一定幅度增加，平均沖刷強(qiáng)度在0.1～0.2 m/a之間，其中落急整治方案鳧洲水道沖刷幅度略大于初落整治方案，說明整治方案后鳧洲水道主槽水動(dòng)力有一定增加。從河口沖淤變化來看，2個(gè)整治方案均不會對蕉門口沖淤變化造成較大改變，不會破壞現(xiàn)有河口沖淤演變特征，整治方案實(shí)施對蕉門口附近河勢穩(wěn)定影響較小。

3.2.3方案優(yōu)選

綜合兩個(gè)整治方案對蕉門河口汊道分流比、鳧洲水道與虎門出流交匯角、虎門漲落潮量等整治效果及可能存在的上游洪(潮)水位壅高、河勢沖淤變化等影響分析對比，落急分流整治方案整治效果要明顯優(yōu)于初落分流方案，尤其是在重點(diǎn)關(guān)注的鳧洲水道分流比上。落急分流方案可將洪水期鳧洲水道分流比減小為69.4%，而初落分流方案下鳧洲水道洪水期間分流比為71.3%，仍然超過70.0%，對控制鳧洲水道分流比作用效果不明顯。因此，從蕉門河口整治目的的角度建議推薦落急分流方案。

與此同時(shí)，落急分流方案造成的上游水位壅高要大于初落分流方案，該方案下南沙站洪水期低低潮位最大壅高0.025 m，雖然該壅水幅度總體上并不大，不會對上游防洪產(chǎn)生明顯的影響，但河道治理應(yīng)盡量不產(chǎn)生負(fù)面影響，建議進(jìn)一步研究整治配套措施來減小或消除該方案帶來的不利影響。

3.3 整治配套措施分析

為降低整治方案帶來的對蕉門上游洪(潮)水位壅高影響，根據(jù)蕉門河口的現(xiàn)狀情況和自然條件研究配套整治措施。降低河道水位雍高最有效措施是加大河道過流斷面，通常有兩種方法，一是加大河道寬度，二是降低河底高程，從蕉門口兩岸現(xiàn)狀來看，蕉門延伸段和鳧洲水道河道岸線基本固化，河道拓寬不太現(xiàn)實(shí)，最可行的方式是對河道進(jìn)行疏浚，貫通上下游河槽，增強(qiáng)河道過流能力。為此，結(jié)合蕉門河口3 000 t級航道整治方案，提出蕉門口疏浚整治方案作為蕉門口整治方案的配套措施見圖9，具體方案如下。

①蕉門口：疏浚通往蕉門延伸段的深槽至-10.0 m，邊坡1∶20，底寬360 m，長2 150 m(圖9青色所示范圍)。②蕉門延伸段：上段，深槽疏浚至-10.0 m，邊坡1∶15，底寬425 m，長13 360 m(圖9粉色所示范圍)；下段，結(jié)合3 000 t級航道，深槽疏浚至-10.0 m，邊坡1∶5，底寬80 m，長12 900 m (圖9黑色所示范圍)。③鳧洲水道：結(jié)合3 000 t級航道，疏浚至-10.0 m，邊坡1∶5，底寬80 m，長7 150 m(圖9藍(lán)色所示范圍)。

配套整治措施重點(diǎn)研究上游洪(潮)水位壅高變化幅度，以“2005·6”洪水組合為代表，配套整治措施實(shí)施后，南沙站高低潮位變化見表6，從計(jì)算結(jié)果看，配套疏浚措施實(shí)施后，可明顯降低上游蕉門水道壅水，在“2005·6”洪水條件下，南沙站高高潮位最大壅高從0.011 m降低到0.006 m、低低潮位最大壅高從0.025 m降至0.008 m，配套疏浚方案實(shí)施后，南沙站高低潮位最大壅高均控制在0.008 m以內(nèi)，整治方案造成的壅水影響基本可以忽略。

圖9 整治方案及配套整治范圍示意

m

4 結(jié)論

本文構(gòu)建珠江河口潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，研究了蕉門河口整治方案及配套措施，形成主要認(rèn)識如下。

a) 識別了蕉門河口現(xiàn)狀條件下洪水期間初落、落急和落憩不同時(shí)刻的自然分流點(diǎn)和流態(tài)，可依據(jù)初落、落急(或落憩)時(shí)刻自然分流點(diǎn)來擬定鳧洲水道和蕉門延伸段分流咀位置。

b) 鳧洲水道進(jìn)口落急分流整治方案對減小鳧洲水道分流比、改善鳧洲水道出流與虎門出流相互干擾程度、維持虎門—伶仃洋潮汐通道通暢等方面具有較好的治理效果，可將洪水期間鳧洲水道分流比減小為69.4%，整治效果較明顯。

c) 在采取蕉門口疏浚整治方案作為配套措施的情況下，整治方案造成的上游洪潮水位壅高可大幅降低，洪水期最大壅水影響可控制在0.008 m以內(nèi)，影響基本消除。