蕉门河口整治方案研究

2019-10-17杨聿胡晓张王汉岗陈军

人民珠江 2019年9期

杨聿, 胡晓张, 王汉岗,陈军

(1 珠江水利科学研究院，广东广州510611； 2 水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室，广东广州510611；3 水利部珠江水利委员会，广东广州510611)

蕉门河口地处珠江三角洲中心区域，是粤港澳大湾区的几何中心，区域位置优越、经济社会发达。蕉门是珠江八大口门之一，其净泄量和输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门，蕉门口的整治对珠江河口泄洪纳潮和河势稳定具有重要影响，历年来都是珠江河口治理与开发的重点区域。

蕉门口整治始于20世纪70年代末，早期对蕉门口的整治，一是开发滩涂资源,二是考虑尽可能减少由蕉门凫洲水道进入伶仃洋的泥沙，减轻伶仃洋淤积。经过对蕉门口整治方案进行论证分析，水利部珠江水利委员会于20世纪90年代编制了《伶仃洋治导线规划》，提出了蕉门口治导线方案，蕉门延伸段进口控制河宽800 m、凫洲水道进口控制河宽1 200 m[1]。20世纪90年代以来，由于河口水沙动力条件复杂，人类活动影响加剧，珠江河口出现泄洪不畅、滩槽不稳、口门淤积及三角洲腹地局部河段水位壅高、水污染加剧、生态环境恶化等一系列问题。水利部珠江水利委员会编制了《珠江河口综合治理规划》，对蕉门口治导线进一步优化，提出了蕉门河口泄洪整治规划方案，蕉门泄洪整治以确保洪水畅泄，适度调整主、支分流比，加强蕉门延伸段泄洪能力，减少凫洲水道出流干扰虎门的涨落潮流为原则[2]。

在珠江河口综合治理规划期，部分学者对蕉门河口水沙运动和发育演变进行过研究，为蕉门河口整治提供了较好借鉴[3-6]。《珠江河口综合治理规划》批复近10 a来,由于受到人类活动的影响，珠江三角洲来水来沙发生了较大变化，蕉门河口水文、泥沙和地形等相对之前也发生了较大变化，出现了一些新问题，对今后蕉门口整治提出了新的要求[7-8]。胡晓张等[9]通过水文观测、资料分析、模型试验等手段，系统分析了蕉门河口当前水文、地形、水流条件、泥沙淤积等情势变化，指出蕉门河口当前存在四大问题：①凫洲水道分流较大，且有增加趋势，不利于河口泄洪排沙；②凫洲水道和蕉门延伸段进口岸线尚不规整，分流点位置上下摇摆不定，不利于河势稳定；③凫洲水道出口与虎门水道交汇角偏大，落潮流相互干扰，不利于洪水下泄和虎门潮汐通道稳定；④在上游来沙减小情况下，南沙港淤积强度相对较大，仍需进一步对蕉门河口水沙分配进行调节。研究认为，当前蕉门口治理的核心问题是控制和减小凫洲水道分流比，加大蕉门延伸段分流。从治理思路上，宜对凫洲水道南侧岸线进行整治和理顺，尽早固定蕉门延伸段和凫洲水道分流咀，稳定分流比，同时规整凫洲水道出口段走向，改善出流与虎门汇流角度，减轻凫洲水道与虎门涨落潮流的相互干扰，维持虎门潮汐通道稳定。在河口治理和相关问题研究上，潮流泥沙数学模型已成为一个应用广泛的模型。通过构建潮流泥沙数学模型来研究珠江河口问题的报道已不少见[10-13]。本文在胡晓张等[9]对当前蕉门河口问题和整治思路研究成果的基础上，构建珠江河口潮流泥沙数学模型，研究蕉门口具体整治方案和配套措施，对整治方案进行论证分析，丰富相关研究成果。

1 研究区概况

蕉门位于广州市南沙区，内伶仃洋西侧，是蕉门水道的出口，承泄西、北江水沙。蕉门水道由雁沙尾至南沙，全长16 km，上游有沙湾水道分出的榄核涌、西樵涌和骝岗涌3条水道在亭角汇入，下游有洪奇门水道分出的上横沥、下横沥汇入。蕉门口外分两条水道与伶仃洋相通，主干为东西向的凫洲水道，长约5 km，直接汇入内伶仃洋顶部，支汊蕉门南支长约12 km，沿万顷沙垦区向东南向延伸，汇入内伶仃洋中部(图1)。

图1 蕉门河口形势

2 研究方法及水文组合

蕉门河口处于径潮交汇区，河口水文、泥沙动力复杂，基于研究区域2017年河口地形资料，构建了珠江河口潮流泥沙数学模型，结合多组水文实测资料对模型进行了率定与验证。

2.1 模型原理

本模型采用贴体正交曲线坐标下的水流运动方程及悬移质运动方程，本文主要介绍模型控制方程，模型数值求解及相关问题处理详见文献[14-16]。

水流运动方程：

(1)

式中U——守恒向量；Eadv、Gadv——x、y方向对流通量向量；Ediff、Gdiff——x、y方向雷诺应力引起的扩散通量向量；Edis、Gdis——分别为x、y方向二次流引起的扩散通量向量；S——源项向量。

(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——降雨强度；i——入渗强度；νt——水平方向的紊动黏性系数；Dxx、Dxy、Dyx、Dyy——二次流引起的扩散应力项；g——重力加速度；f——柯氏力系数，f=2wsinφ；w——地球自转角速度；φ——当地纬度；τs——风应力；Sxx、Sxy、Syy——波浪辐射应力；Sfx、Sfy——摩阻斜率；S0x、S0y——底坡斜率。

将泥沙连续方程沿水平积分，即可得沿水深的二维连续方程，亦为悬移质对流扩散方程：

(3)

式中S——垂线平均含沙量；vsx、vsy——紊动扩散系数；FS——冲淤项；QL、SL——水平单位面积源量及源含沙量。

悬移质泥沙在液面的通量一般为0，而悬移质泥沙在河床底面的单位通量等于悬移质河床变形。冲淤项可用冲淤函数表示，以挟沙力表示的冲淤函数及底床变形方程为：

(4)

式中α1、α2——含沙量、挟沙力恢复饱和系数；α3——泥沙沉降机率；ω——泥沙沉速；S*——饱和状态下含沙量(即水流挟沙力)；ρs——泥沙密度(2 650 kg/m3)。

2.2 模型范围

模型范围涵盖了伶仃洋整个水域。上边界取自虎门水道大虎水文站、蕉门水道亭角和上横沥站、洪奇沥冯马庙站、横门口横门站及磨刀门灯笼山站；下边界取至外海-30 m等高线；西边界自磨刀门三灶珠海机场；东边界至香港水域。研究范围包括：香港水域、伶仃洋浅海区、深圳湾、澳门浅海区、磨刀门浅海区，研究范围详见图2。模型区域宽约112 km，长约125 km，模拟水域面积约7 000 km2。

图2 研究范围及水文测验站点分布

2.3 模型率定与验证

选取珠江口近年资料较齐全的“2007·8”实测水文资料对模型进行率定和验证，从验证结果来看，模型计算的潮位过程线与各测站实测潮位过程线吻合较好，相位基本一致，高高潮位和低低潮位误差最大值为0.06 m；流速过程线与各测站的实测流速过程线吻合较好，相位基本一致，涨、落潮平均流速误差分别为3%、4%；流向过程线与各测站的实测流向过程线吻合较好，相位基本一致，涨、落潮平均流向误差分别为2°、3°；模型计算含沙量过程线趋势与实测过程线较为吻合，平均误差为26 %。模型验证结果满足《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》精度要求，部分验证结果见图3—5。

a) 赤湾潮位

b) 凫洲潮位

c) 内伶仃岛潮位

d) 金星门潮位图3 潮位验证

a) 伶仃2站流速图4 流速、流向验证(2007.08.13.12∶00—08.17.13∶00)

b) 伶仃2站流向

c) 矾石站流速

d) 矾石站流向续图4 流速、流向验证(2007.08.13.12∶00—08.17.13∶00)

a) 伶仃2号

b) 西滩站

c) 矾石站

2.4 水文条件

由于蕉门口位于洪潮交汇区，为充分论证不同水文条件下整治方案效果及其影响，分别选取珠江河口近年来典型的洪、中、枯、潮水文条件对整治方案进行论证(表1)。

3 研究结果分析

3.1 整治方案分析

蕉门口整治核心问题是控制和减小凫洲水道分流比，实现该整治目的需要理顺凫洲水道南侧岸线，其关键在于确定凫洲水道和蕉门延伸段分流咀的位置，分流咀位置一旦确定，也就确定了凫洲水道南侧岸线起点，基本可以控制凫洲水道和蕉门延伸段分流比。以此为基础，整治方案拟定思路和过程如下。

表1 论证水文组合

a) 研究凫洲水道和蕉门延伸段分流位置。分流咀的位置确定应基于2个原则，一是适当缩小凫洲水道过于宽浅的断面，减小凫洲水道分流比；二是不应对上游河道造成较大壅水，增加上游防洪压力。基于该原则，以尊重蕉门口水流自然分流规律为依据来确定分流咀位置，既控制凫洲水道进口河宽，又顺应水流流态，不会对上游造成大的壅水影响。

为此，先通过模型试验来研究蕉门口洪水落潮流态，通过对洪水落潮不同时期蕉门口流态变化进行观察，找出蕉门口落潮自然分流点，以此为依据来拟定整治方案分流咀位置。试验选取“2005·06”洪水水文组合，模拟洪水初落、落急、落憩时刻蕉门口流态见图6，从试验结果来看，蕉门口洪水期间分流点位置相对固定，在洪水初落时刻，分流点位置偏南；在洪水落急和落憩时刻，分流点位置偏北；落急和落憩时刻分流点位置变化不大。可根据洪水初落和落急2个不同时刻水流分流点位置，在不缩减蕉门延伸段河宽的前提下，确定分流咀亦即凫洲水道右岸岸线起点位置。

a) 初落 b) 落急 c) 落憩图6 蕉门口洪季落潮流态示意

b) 拟定凫洲水道右岸岸线平面方案。从保障水流流态畅通和下游出流角度，对依据洪水初落和落急分流方案确定的凫洲水道右岸岸线起点与下游现状岸线顶点之间的岸线，考虑一定河道拓宽率，按照岸线平顺和引导水流向下偏转的原则，拟定凫洲水道右岸岸线整治方案。

综上，研究提出初落分流和落急分流2个整治方案见图7。其中，初落分流方案蕉门延伸段入口宽度950 m、凫洲水道进口宽度1 800 m；落急分流方案蕉门延伸段入口宽度950 m、凫洲水道进口宽度1 500 m。两个方案均对划定的凫洲水道南侧轮廓控制线北侧抛石堤进行清障，考虑到凫洲水道左岸浅滩现高程大部分在-4 m左右，为保持河道的稳定性，将右岸剩余部分浅滩区恢复至-4 m高程。

图7 蕉门口整治方案示意

3.2 整治方案优选论证

整治方案实施可能会对蕉门河口水动力、泥沙输移、河势稳定等造成影响，整治方案是否可行，一要评估整治效果，二要分析对河口水沙动力等可能带来的不利影响。因此，对蕉门河口初落分流方案、落急分流方案下的整治效果及其影响进行分析论证、优选方案。

3.2.1整治效果分析

根据前文所述蕉门口整治思路，蕉门口整治方向是减小凫洲水道分流比，加大蕉门延伸段的分流，规整凫洲水道出口段走向，改善出流与虎门的汇流角度，减轻凫洲水道与虎门涨落潮流的相互干扰，维持虎门潮汐通道稳定，故从以下几个方面分析整治效果。

a) 凫洲水道和蕉门延伸段分流比变化。“2005·6”洪水期间，2个整治方案实施后凫洲水道和蕉门延伸段两汊分流比变化统计情况见表2。从整治效果来看，初落分流方案和落急分流方案实施后均能减小凫洲水道分流比，现状条件下洪水期间凫洲水道分流比为73.5%，初落、落急分流方案下分流比分别减小为71.3%、69.4%。《珠江河口综合治理规划》曾提出将凫洲水道分流比控制在70.0%以内，从控制凫洲水道分流比效果上，落急分流方案较优。

表2 治理方案实施前后凫、蕉两汊分流比变化统计 %

b) 凫洲水道与虎门水道出流交角变化。统计“2005·6”洪水期间凫洲水道落潮流动力轴线与虎门落潮流动力轴线之间的夹角变化情况见表3，现状条件下洪水期间凫洲水道落潮主流与虎门落潮主流平均夹角为70°～75°，初落、落急分流方案分别减小为64°～68°、60°～65°，从改善出流与虎门的汇流角度效果看，落急分流方案效果更加明显。

表3 治理方案实施前后凫洲水道出流与虎门落潮流夹角变化统计 (°)

c) 虎门—伶仃洋潮汐通道涨落潮量变化。治理方案实施前后“2005·6”洪水、“2001·2”枯水水文组合下虎门涨落潮量变化见表4，治理方案实施后，虎门涨落潮动力有所增加，涨落潮量均有增加趋势，初落分流方案下洪水、枯水涨潮量分别增加0.01%、0.02%，落急分流方案下洪水、枯水涨潮量分别增加0.02%、0.03%，从维持虎门—伶仃洋潮汐通道通畅和稳定效果上，落急分流方案较优。

表4 治理方案实施前后虎门涨落潮量变化统计 %

3.2.2可能不利影响分析

a) 壅水影响分析。整治方案实施后，凫洲水道河宽减小，会造成上游水位一定程度的壅高，有可能会增加上游防洪压力，统计整治方案实施后上游蕉门水道南沙水文站的洪(潮)水位变化见表5。由于2个整治方案进口分流点依据蕉门口自然分流规律拟定，总体上2个方案造成的上游水位壅高幅度均不大。各个水文条件下，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”大洪水时南沙站高高潮壅高0.011 m、低低潮壅高0.025 m。

表5 各水文条件下南沙站洪(潮)水位变化值 m

b) 冲淤变化分析。为研究整治方案是否会导致蕉门河口冲淤发生变化，利用珠江河口潮流泥沙数学模型计算分析了蕉门口整治前和两个整治方案下河口冲淤形态变化，三者计算结果对比见图8。

a) 整治前

b) 初落分流方案

c) 落急分流方案图8 角门河口区附近水域冲淤计算分布

从计算结果来看，整治方案实施后与现状相比蕉门口河道冲淤变化规律基本一致，蕉门延伸段以上段淤积、下段冲刷为主，上段淤积强度约0.05～0.10 m/a、下段冲刷强度约为0.03～0.10 m/a，整治前后变化不大；凫洲水道冲淤规律有轻微差别，整治方案实施后凫洲水道主槽冲刷范围和幅度会有一定幅度增加，平均冲刷强度在0.1～0.2 m/a之间，其中落急整治方案凫洲水道冲刷幅度略大于初落整治方案，说明整治方案后凫洲水道主槽水动力有一定增加。从河口冲淤变化来看，2个整治方案均不会对蕉门口冲淤变化造成较大改变，不会破坏现有河口冲淤演变特征，整治方案实施对蕉门口附近河势稳定影响较小。

3.2.3方案优选

综合两个整治方案对蕉门河口汊道分流比、凫洲水道与虎门出流交汇角、虎门涨落潮量等整治效果及可能存在的上游洪(潮)水位壅高、河势冲淤变化等影响分析对比，落急分流整治方案整治效果要明显优于初落分流方案，尤其是在重点关注的凫洲水道分流比上。落急分流方案可将洪水期凫洲水道分流比减小为69.4%，而初落分流方案下凫洲水道洪水期间分流比为71.3%，仍然超过70.0%，对控制凫洲水道分流比作用效果不明显。因此，从蕉门河口整治目的的角度建议推荐落急分流方案。

与此同时，落急分流方案造成的上游水位壅高要大于初落分流方案，该方案下南沙站洪水期低低潮位最大壅高0.025 m，虽然该壅水幅度总体上并不大，不会对上游防洪产生明显的影响，但河道治理应尽量不产生负面影响，建议进一步研究整治配套措施来减小或消除该方案带来的不利影响。

3.3 整治配套措施分析

为降低整治方案带来的对蕉门上游洪(潮)水位壅高影响，根据蕉门河口的现状情况和自然条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过流断面，通常有两种方法，一是加大河道宽度，二是降低河底高程，从蕉门口两岸现状来看，蕉门延伸段和凫洲水道河道岸线基本固化，河道拓宽不太现实，最可行的方式是对河道进行疏浚，贯通上下游河槽，增强河道过流能力。为此，结合蕉门河口3 000 t级航道整治方案，提出蕉门口疏浚整治方案作为蕉门口整治方案的配套措施见图9，具体方案如下。

①蕉门口：疏浚通往蕉门延伸段的深槽至-10.0 m，边坡1∶20，底宽360 m，长2 150 m(图9青色所示范围)。②蕉门延伸段：上段，深槽疏浚至-10.0 m，边坡1∶15，底宽425 m，长13 360 m(图9粉色所示范围)；下段，结合3 000 t级航道，深槽疏浚至-10.0 m，边坡1∶5，底宽80 m，长12 900 m (图9黑色所示范围)。③凫洲水道：结合3 000 t级航道，疏浚至-10.0 m，边坡1∶5，底宽80 m，长7 150 m(图9蓝色所示范围)。

配套整治措施重点研究上游洪(潮)水位壅高变化幅度，以“2005·6”洪水组合为代表，配套整治措施实施后，南沙站高低潮位变化见表6，从计算结果看，配套疏浚措施实施后，可明显降低上游蕉门水道壅水，在“2005·6”洪水条件下，南沙站高高潮位最大壅高从0.011 m降低到0.006 m、低低潮位最大壅高从0.025 m降至0.008 m，配套疏浚方案实施后，南沙站高低潮位最大壅高均控制在0.008 m以内，整治方案造成的壅水影响基本可以忽略。