珠江河口磨刀门马骝洲水道两岸防洪（潮）体系提升研究

2022-11-23张琼海王腾飞刘学明

中国防汛抗旱 2022年11期

常赜张琼海王腾飞刘学明

（珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州 510611）

1 概况

磨刀门是西江干流的主要出海口，其泄流量和输沙量均居珠江八大口门之首位，26.6%的径流量由此宣泄入海，是珠江流域的重要泄洪口门[1]。马骝洲水道位于澳门半岛的西南方，地处珠海市湾仔与横琴岛之间，河道全长约11 km，是磨刀门水道的一条支流，分洪量约占磨刀门径流量的12%～18%，同时也是澳门通往珠江三角洲、粤西沿海及海南岛的重要航道[2]。马骝洲水道原是河口汇潮区，1992 年后，建社南北导堤及实施疏浚整治措施后，水面宽由1.5～3.5 km 束窄为宽500 m 的规则水道，由于束水归槽，水动力条件改善明显，将流态多变的汇流区潮流，改变为规则的往复流，增加了河道的单宽动力，流速加大，河道淤积明显减少[3-4]。

马骝洲水道以北分属保税区和香洲区，包括十字门北片区、保税区、跨境工业园、洪湾商贸物流中心、洪湾港、洪湾渔港等多个板块。现状一体化片区城市建设缺乏统筹引导，亟待进一步加强防洪体系的建设。马骝洲水道以南隶属于横琴新区，包括高端产业园区、国际居住区、十字门南片区等主要功能板块。目前，马骝洲水道以南澳门以及金融岛已建地区基本形成现代、精致的城市形象。

受201713 号台风“天鸽”、201822 号台风“山竹”引发的高潮大浪影响，马骝洲水道北岸中珠联围堤防护栏、护坡、亲水平台护面及堤脚抛石等均有不同程度的损毁，导致现状海堤存在较为严重的漫堤或越浪损毁风险。6-9月既是台风出现频率大的季节，又是洪峰集中的月份，当台风暴潮遇上洪峰，导致潮位猛升，防洪压力激增[5]。为进一步提升北岸防洪能力，对沿线堤岸进行堤身加高、加强外江消浪防冲措施、完善堤后排水等提标整治措施，结合堤后建设项目共同提高堤防洪（潮）能力，共同实现100年一遇防洪（潮）功能，对保障横琴新区可持续发展具有重大战略意义。工程具体位置及遥感影像见图1。

图1 工程具体位置及遥感影像图

本研究采用二维数学模型计算的方法分析堤岸提标工程实施后珠江河口及有关河道潮位、潮汐动力的变化情况，对河口地区河道整治、堤防提标改造、水利工程规划建设、防灾减灾、防洪体系构建等方面具有重要指导意义。

2 数学模型构建与工况

研究区域地处磨刀门口门处，水（潮）流条件极其复杂，既受控于上游磨刀门水道以上水域下泄径流，又受外海上溯潮流的影响[6]。本研究拟采用河口二维潮流数学模型进行计算，考虑到马骝洲水道特殊的地理位置及数学模型计算的时间、精度等要求，共建立两个数学模型，一个是包含珠江东四口门及磨刀门、伶仃洋、深圳湾、香港水域等大范围模型，主要为局部模型提供边界条件和验证；另一个是口门处局部模型，主要为了精确概化工程以及模拟研究区域的流态[7]。

2.1 二维潮流数学模型建立

（1）基本方程。二维潮流基本方程包括连续方程和动量方程，正交曲线坐标系下的潮流控制方程形式如下：

连续方程：

动量方程：

式中：u、v为ζ、η方向流速分量，m/s；h为水位，m；H为水深，m；g为重力加速度，m/s2；f为柯氏力系数；t为时间，s；q为单元汇入汇出流量，m3/s；C为谢才系数，C=1/n×H1/6；n为曼宁糙率，m1/3·s。拉梅系数Cζ、Cη计算如下：

σζζ、σηη、σζη、σηζ为应力项，其表达式如下：

式中：vt为紊动黏性系数，vt=au*H；a为系数；u*为摩阻流速，m/s。

（2）计算方法。模型方程离散求解采用ADI（Alternating Direction Implicit）法，采用的网格格式如图2所示。

图2 ADI法网格格式示意图

（3）研究范围及网格布置。大范围数学模型研究范围包括整个伶仃洋水域、深圳湾水域、磨刀门及其出口水域、深圳河流域及大沙河，其中伶仃洋上边界取自东四口门相应水文站：大虎（虎门）、南沙（蕉门）、冯马庙（洪奇门）和横门；磨刀门上边界取自灯笼山潮位站；深圳河上边界取布吉河入口上游约1 km，包括了整个深圳河主流段，深圳河各支流将以边界形式给定；下边界取至外海约30 m等深线处，模型计算区域东西宽约103 km，南北长约120 km。

局部数学模型研究范围上边界为灯笼山站，下边界为磨刀门水道的横琴站和马骝洲水道的马骝洲站。模型控制水域计算面积约45 km2，二维模型网格布置见图3。模型计算水域的平面网格划分粗细不等，根据研究需要在拟建工程水域附近的网格较密，而在其他水域则较粗。对研究范围内随水落水涨而出没的滩地，计算时采用动边界技术，即将水位下降期间出露的区域转化为滩地，同时形成新边界；反之，将水位上升期间淹没的滩地转化成计算水域。

图3 局部二维数学模型网格布置图

2.2 计算水文条件

如表1 所示，本研究选取“2005.6”洪水、“2002.6”中洪水、“2001.2”枯水和“9316”风暴潮（1993 年9 月16 日0：00至9月19日20：00，总时段为88 h）共4种典型水文条件，包括洪水、中洪水、枯水（包括大、中、小潮）和风暴潮等珠江口近年来口门治理研究的代表水文组合，分析研究堤防提标工程对河道防洪、排涝、灌溉的影响。

表1 4种典型水文组合

2.3 数学模型验证

二维潮流数学模型的验证包括潮位、流速、流向，根据研究需要及马骝洲水道所在水域特点，河口二维潮流数学模型验证主要选用以下各组水文组合：

（1）“1998.6”洪水组合，计算时段为：1998年6月25日20：00至28日22：00；

（2）“2002.6”中洪水组合，计算时段为：2002年6月27日16：00至28日23：00。

经验证，两组水文条件下各潮位站模型与原型的潮位过程线吻合较好，模型计算涨、落潮历时和相位与原型实测资料基本一致，潮位特征值验证误差一般都小于±0.10 m，满足计算精度要求；模型计算的流速和流向验证过程与原型实测过程吻合较好，相位基本一致，流速误差基本在±10%以内，流向误差基本在±10°以内，本文仅列出金星门“1998.6”洪水组合条件下流速、流向及潮位验证结果，见图4至图6。

图4“1998.6”洪水流速验证图

图5“1998.6”洪水流向验证图

图6“1998.6”洪水潮位验证图

综上所述，通过原型实测资料与“1998.6”“2002.6”两组水文组合的验证和对比，本研究使用的河口二维潮流数学模型在潮位、流速及流向等方面，验证结果基本满足相关技术规程规定的精度要求，本研究采取原型实测资料较新的“2005.6”典型洪水水文组合进行模型计算。

3 结果分析

（1）研究区域水流流态分析。研究区域涨潮流主要受经十字门水道和澳门水道上溯潮流的影响，落潮流主要受马骝洲水道分泄磨刀门洪水及洪湾涌下泄洪水的影响。由于河道宽度沿程差异不大，马骝洲河道水流整体较为平顺，受两岸堤围的约束，流向基本与河岸走向一致。

由图7可知，各典型水文条件下，水流流路清晰、流态顺畅，主流基本位于河道中心主槽区域，左、右两岸浅滩处流势略弱。上下游段，河道较为顺直，河道横断面呈中间低两侧高的U 形，沿程河床高程无明显起伏，东西段河道水流流态基本一致。主流位于河道中央的深槽区，水流流向与河道走向基本一致；洪湾水闸泄流入马骝洲水道后，与马骝洲水道左侧水流混合后，在主流挤压下迅速向左侧折转，河道中央及右侧水流受洪湾水闸泄流影响较小，主流仍位于河道中央主槽内。

图7 各种典型水文条件下的水流流态示意图

具体而言，在不同频率洪水下同一采样点流向差异较小。在“2005.6”洪水和“2002.6”中洪水条件下，落潮流的流向位于76.96°～83.30°之间，与各频率洪水条件下的落潮流向相差在1°以内。“2001.2”枯水条件下，落潮流向与前述水文组合也较为接近，基本位于76.77°～83.82°之间，涨潮流呈西南偏西向，流向位于258.54°～261.78°之间。“9316”风暴潮条件下，涨潮流流向位于261.10°～273.68°之间。

（2）研究区域水流流速分析。从数模计算结果来看，各水文条件下，上下游河段主流最大流速为2.67 m/s，边滩处流速较小，基本在0.60 m/s 以下。“2005.6”洪水条件下，上游来流较大，因此研究区域主流区流速较大，平均1.5 m/s左右，最大2.12 m/s。“2002.6”中洪水条件下，整体流速相比“2005.6”洪水有所减小，主流区平均落潮流速约0.9 m/s，最大2.04 m/s，边滩流速则更小。“2001.2”枯水水文条件的计算结果表明，落潮流速普遍小于涨潮流速，主流区尤其明显，最大落潮流速为1.47 m/s；最大涨潮流速0.79 m/s。“9316”风暴潮条件下，西段河段主流区出现最大落潮流速为1.38 m/s。