矾石航道建设对水动力和冲淤演变的影响研究

赵昊毅，林凯荣，谭 超

(1.中山大学 土木工程学院，广东 珠海 519082；2.广东省航道事务中心，广州 510115；3.广东省深圳航道事务中心，广东 深圳 518031；4.广东省水利水电科学研究院，广州 510635)

1 概述

伶仃洋附近的沿海航道对粤港澳大湾区的经济社会发展起着重要作用。尤其是伶仃航道和南沙港的建设带动了广州航运繁荣发展。在伶仃航道的东边是矾石航道，是广东省的重要沿海航道，规划等级为10万t级，现状维护等级为500 t级，矾石航道的建设也列入了交通运输部和广东省的“十四五”水运重点项目库。

在国家“九五”攻关时期，曾经与伶仃航道进行综合比选：早在1985年，杨振寰[1]指出矾石水道航线短，涨落潮流速大，呈现冲刷趋势，适合开挖，对经济发展有优势；罗肇森[2]通过数模验证了其按照12.5 m浚深，其第一年回淤量与伶仃航道相比减少43.7%，建设该航道具有经济经济可行性；尹毅[3]采用了中子活化示踪砂技术得出矾石水道的泥沙沿矾石浅滩南移沉积，部分流向伶仃航道；徐君亮[4]在潮动力研究上证实了罗肇森提出的观点。但最终经多方考虑还是决定建设伶仃航道。进入21世纪，吴明阳等[5]利用定床淤积试验证明伶仃航道的平均淤强和淤积量大于矾石水道，但总量仅相差0.08 m/a和36 m3/a，均属同一量级变化。但在综合比选后国家决定建设伶仃航道，矾石航道关注度日渐降低。

直到深中通道的建设，产生了采用桥隧结合方式建设大型通道将会影响广州港的通航能力的问题以后，关于矾石水道的有关研究又重新启动。何用[6]、李团结[7]、姚海元[8]等的论文指出：西滩整体向东南方向淤积发展，淤积发展速率最快；中滩整体呈北端略有侵蚀，淤积下移，其淤积发展速率小于西滩；东滩淤积速率较小，淤积发展速率相对缓慢；陈静[9]等使用了伶仃洋整体潮流物理模型验证了深中通道人工岛的建设会略微增强矾石水道的流速，受人工岛及索塔、锚碇的影响，矾石水道内流速普遍增大，推荐方案对矾石水道影响幅度最大增幅为0.09 m/s；上述研究证明了矾石水道回淤不强，适合开发。韩志远[10]根据深中通道勘察、水文测验和数模成果推断矾石水道附近区域表层沉积物自北向南的输移趋势较明显，东西向输移趋势不明显，河流来沙和潮流动力是泥沙输移的主要影响因素。李孟国[11]的论文系统总结了今年伶仃洋区域的河流变化情况，指出矾石水道受控于潮流，矾石水道水域含沙量整体较低，表层含沙量多在0.05 kg/m3以下，并且在矾石水道施工区域进行的试挖槽实验表明该段整体淤积强度不大。

整体而言，专门针对矾石航道冲淤演变的研究并不多，因此，本文以矾石水道航道工程[12]为例，通过使用FVCOM数学模型进行耦合，对矾石开展三维潮流数值模拟试验[13]，预测分析矾石航道工程实施后对区域水流的影响情况。

2 研究区域概况与模型范围

伶仃洋分三滩两槽，东槽为矾石水道，西槽为伶仃航道(广州港出海航道)，深中通道横跨中间。矾石水道位于珠江口伶仃水道东侧，北连接龙穴水道，南至大铲岛灯桩以西约0.5海里，连接大铲水道北端，长约9.1海里，南段最窄处5 m以上水深宽约1 000 m，是珠江水网中、小型船舶往返香港、深圳的重要航路。拟建矾石航道北起虎门沙角，南至蛇口港区，全长约38 km，详细地理位置见图1。

本研究拟通过国际上应用比较成熟的FVCOM数学模型对该航段进行数值模拟。模型网格尺度采用渐变形式，外海采用大尺度网格，最大尺度为3 000 m，在矾石水道、人工岛、桥墩等细部构筑物附近采用小尺度网格，最小尺度约2 m。在工程局部的三维模型中，模型垂向分15层，底部适当加密。模型模型计算域及网格剖分见图2。

3 模型理论

本文的潮流数学模型计算采用国际广泛应用的开源代码程序FVCOM。FVCOM模型是基于有限体积法、自由表面、三维原始方程的海洋数值模式。在垂向上采用σ坐标系，该坐标系可以更好的拟合复杂的海底地形；在水平方向上采用非结构化网格，该网格可以更好的拟合复杂的岸线，该模型被广泛应用于近岸和区域海洋模拟中，取得了良好的模拟效果。

3.1 模型基本理论

FVCOM数学模型的主要方程是基于自由表面的原始控制方程。

动量方程为：

(1)

(2)

(3)

连续性方程为：

(4)

其中：

x，y，z——笛卡尔坐标系下的坐标，分别为东西方向、南北方向以及垂向的坐标；

u，v——分别为水平方向的东分量速度和北分量速度；

w——垂向速度；

g——重力加速度；

t——时间；

ρ0——平均密度；

f——科氏参数；

Km——垂向涡粘系数；

Fu和Fv——水平动量扩散系数。

工程海域泥沙运动以悬移质为主，悬沙运动控制方程采用考虑沉降的对流扩散方程：

(5)

其中：

AH和Kh——分别为水平和垂向泥沙质量扩散系数；

u，v，w——分别为x、y、z向水流速度；

C——悬浮泥沙浓度；

wS——泥沙沉速。

海床冲淤模型采用以下公式：

(6)

其中：

F——泥沙净通量；

ρs——泥沙干容重；

zb——计算时间T内单位长度上海床冲淤强度。

3.2 模型数据来源

本文地貌数据来源于以及深圳航道局2016—2017年对深圳矾石水道的测量数据成果[15]；径流数据来源于杨明远[16]等于2008年编写的《珠江口水流泥沙运动模拟研究》中1956—2000年径流的分析结果和流域水文站的水文统计数据；洪水和输沙数据是马口、博罗、三水站1960—2016年的水文统计数据整理而成；风数据来源于赤湾站1995—2005年的的统计数据；波浪数据来源于九澳波浪观测站1986—2001年的统计数据、桂山北海洋观测站2010—2011年的统计数据、珠海海洋环境监测站2018年的统计数据；潮汐数据来源于潮汐表金星门、赤湾、桂山岛、内伶仃和舢板洲站的数据(潮汐表)；潮流数据和盐度数据来自本项目2016年开展的水文测验数据；海上悬沙数据来源于本项目2016年开展的水文测验数据和2016—2017年高分一号的影像数据；疏浚区域海床底质数据来源于2017年本项目开展的地勘数据和水文测验数据。

4 模型验证结果

4.1 潮流泥沙验证

本研究曾验证了多个工况，受限于篇幅，本次仅介绍利用2016年和2017年广东省航道事务中心组织开展的两次水文泥沙测验资料[17]作为实测资料对FVCOM模型进行验证，验证的主要内容包括：FVCOM模型模拟的2016年6月洪季和11月枯季的潮位、流速流向、含沙量等变化过程。水文测站位置见图3。

图3 水文测验测站位置示意

验证结果见图4～图6，验证结果表明：采用FVCOM模型的验证结果与水文测验的实测值相对接近，洪枯季的大、小潮潮位验证结果较为准确；洪枯季的大、小潮流速、流向验证结果准确，仅有少量点在低潮位时与实测值有所偏差；洪季大潮验证在高潮位含沙量偏小，中低潮位含沙量验证结果准确。整体而言，该模型能够比较好地模拟矾石水道地区的潮流泥沙变化情况。

图4 2016年6月洪季和11月枯季大、小潮潮位验证示意

图5 2016年6月洪季大(左)、小(右)潮流速、流向验证示意

图6 2016年6月洪季大(左)、小(右)含沙量验证示意

4.2 冲淤验证

4.2.1伶仃航道段冲淤验证

伶仃航道在2012年期间未进行过施工或疏浚活动，该年度航道的泥沙回淤情况可作为数学模型泥沙回淤验证的依据。上游边界采用2012年马口、三水和博罗实际流量过程(见图7)，外海边界采用大、中、小潮循环过程，模拟时间1 a。具体位置和模拟结果见表1和图8所示。

图7 流量过程线示意

图8 测试航段位置示意

表1 伶仃航道回淤验证计算

从表1可看出，模拟结果与实测结果量级比较接近，除KP28(F)-KP44(G)段有一定变化外，其他模拟结果都比较近似，可认为模型能够较好模拟该区域的回淤变化情况。

4.2.2整体冲淤验证

以2016年水情为例，上游边界采用2016年马口、三水和博罗实际流量过程，外海边界采用实测大、中、小潮循环过程，模拟时间1 a，海床冲淤模拟结果见图9右图。根据计算结果可知：伶仃洋海床有冲有淤，海床冲刷部位多发生在浅滩和水流较为集中、流速较大的水域；淤积部位主要发生在天然或人工形成的深槽、深坑水域，例如航道、港池的开挖水域以及伶仃洋中部的挖砂坑水域，伶仃航道淤积较为明显，从北到南沿程均表现为淤积态势，年淤厚多在1.0 m以下；铜鼓航道沿程也表现为淤积态势，其中北段连接西部公共航道的部分航段淤积超过1.5 m/a；大铲湾港池的淤积强度也超过1.5 m/a。南沙港池淤积多在1 m/a左右，部分区域超过1 m/a。经与实测值(见图9左图)对比，本模型的泥沙数模海床冲淤模拟结果本文研究海域实际海床冲淤变化基本相符。

5 矾石航道工程实施对水动力及海床冲淤影响分析

利用FVCOM模型对航道工程实施后水位、流速、三维流场和冲淤影响进行分析，分析航道工程建设对区域水文及地形冲淤的影响。

5.1 流态分析

为了更好地复演伶仃海域滩槽地貌格局下其复杂的流场特征，本项目在矾石水道航道工程所在海域采用了三维精细化模型，垂向分15层，底部进行了适当加密。图10中选取表层、水下-5 m层，水下-10 m层展示了其涨落潮流场分布。

图10 矾石水道流态变化分析示意

从轴线纵切面流态可以看出，落急时刻矾石航道上段流速较强劲，涨急时刻大铲岛南侧航段流速较强劲。二者之间的航段流速略小于首尾两处航段的流速。

从航道中轴线纵切面流态可以看出，表层至中层之间的流场由于未受到海底复杂滩槽地貌格局的影响，表现为层流平顺流态，中层至底部海床之间的流态由于受海底复杂滩槽地形的影响，流态相对较乱，流向随水深变化有明显的俯冲上仰现象。

从不同里程处航道横切面跨槽流态可以看出，大铲岛以南的航段基本是西侧中滩滩面，东侧深槽，大铲岛以北的航段基本是东侧东滩滩面，西侧东槽深槽。横切面流态反应了不同航道里程处跨槽流态的特征，滩槽之间地形突变处，归槽水流现象显著，流速较大，深槽区流速明显减小。

5.2 工程后的三维流场研究

伶仃洋是一个准喇叭状的河口湾，潮波自南海北部传入伶仃洋后潮汐由不正规日潮转为不正规半日潮性质，在一个太阴日(约24 h 50 min)，有两次高潮和两次低潮，但潮差、涨落潮历时不等，日不等现象显著。本海域潮流以不正规半日潮流为主，具有较为明显的日不等现象，表现为往复流。研究区域水域涨、落潮平均流速分别为0.23 m/s和0.43 m/s，涨潮流速小于落潮流速；其中大潮涨、落潮段平均流速分别为0.33 m/s和0.51 m/s，中潮涨、落潮段平均流速分别为0.22 m/s和0.42 m/s，小潮涨、落潮段平均流速分别为0.15 m/s和0.36 m/s。矾石水道航道工程借助伶仃洋海域“东槽”、“多处不连续挖砂坑”的“深水”有利条件，虽然航道里程长，但开挖工程量量级上与原伶仃航道等工程相比并不算大。本文方案航道总里程为37.19 km，需开挖的航道里程占航道总里程百分比为32%，最大挖深为3.70 m，平均挖深约1.43 m。涨落潮现象见图11和图12。

图11 工程方案实施后工程区域涨落急流场分布示意(左图为涨急，右图为落急)

图12 矾石航道沿航道中轴线纵切面涨落潮流场(上图为深圳侧视角，下图为南沙侧视角)

伶仃洋涨落潮流呈典型往复流运动规律，主流向近乎南北，落潮流强于涨潮流，主槽水流普遍大于边滩水流。东、西槽的潮流流向与深槽走向基本一致；东部浅滩涨潮流经大铲岛附近后沿岸线平行上溯，略有偏向东槽的趋势；西滩因受海区地形和口门来水的影响，涨落潮流与主槽有一定交角，涨潮流介于330°～350°之间，落潮流介于120°～160°之间。本文方案全程航道轴线走向与涨落潮主流向夹角均较小，最大夹角16°，航道沿程最大横流流速整体较小，最大横流流速0.30 m/s。从航道中轴线纵切面流态可以看出，落急时刻矾石航道上段流速较强劲，涨急时刻大铲岛南侧航段流速较强劲。二者之间的航段流速略小于首尾两处航段的流速。表层至中层之间的流场由于未受到海底复杂滩槽地貌格局的影响，表现为层流平顺流态，中层至底部海床之间的流态由于受海底复杂滩槽地形的影响，流态相对较乱，流向随水深变化有明显的俯冲上仰现象。矾石航道方案实施后对周围水流动力的影响范围仅局限在航道沿程有开挖浚深里程段，流速最大增幅为0.08 m/s，流速最大减幅为0.19 m/s，大部分水域流速增减幅度均在0.10 m/s以内。

5.3 工程实施后泥沙回淤及海床冲淤影响分析

本文方案实施后，会引起工程区及附近区域水动力条件发生一定程度改变，当工程后新流速的挟沙力能力小于工程前流速的起悬型平衡含沙量，且工程后流速小于不淤流速，则海床发生淤积；当工程后新流速相应的挟沙能力大于工程前流速的沉降型平衡含沙量，且工程后流速大于泥沙的起动流速，则海床发生冲刷；当工程后新流速相应的挟沙能力介于工程前流速的起悬平衡含沙量和沉降型平衡含沙量之间，则海床发生微冲微淤，冲淤基本平衡。根据工程方案，选用正常年水文数据进行全年模拟，模拟结果如图13所示。

图13 实施后周围海床冲淤变化示意(“”表示淤积，“-”表示冲刷)

从模拟结果可看出，本文工程实施后引起的海床冲淤变化影响范围仅局限在航道线沿程区域，未影响到深圳西部港区、赤湾港区、蛇口港区、妈湾港区、西部公共航道，南沙港区、深中通道等周边工程。回淤的主要位置为4.2介绍的水动力下降的位置，经计算，航段建设后年淤厚区间约0.21～0.65 m；年平均淤厚约0.43 m；年回淤量约62万m3。施工阶段和航道建成初期由于航道边坡尚未稳定，年回淤量为正常情况下年回淤量的1.5～2.0倍。

5.4 航道工程实施后对水位的影响

本文设计了11个断面观测点，取2016年6月洪季大潮作为代表水情进行分析，观测点位置和水位变化见图14和表2。由计算结果可知：本文工程实施后，对于11个断面观测点的水位的影响并不大，航道沿程高潮位仅CW6位置增高0.1 cm，其余位置未发生变化，航道沿程低潮位变化幅度也不大，降低幅度为0～0.2 cm。

表2 矾石水道沿程潮位变化 m

5.5 工程实施后对流速的影响

本文方案实施后会改变局部地貌特征，水流动力条件也会随之发生改变。取2016年6月洪季大潮作为代表水情进行分析(模拟结果见图15)，根据模拟结果，选线方案实施后对周围水流动力的影响范围仅局限于航道沿程有开挖浚深里程段，流速最大增幅为0.08 m/s，最大减幅为0.19 m/s，大部分水域流速增减幅度在0.10 m/s以内。但值得关注的是，大铲岛北附近是大铲岛北航道与矾石水道的交界处，其水流流速有所下降，会引起大铲岛北航段淤积，不利于行船安全。其他水动力条件下降位置主要位于茅洲河口航道与矾石水道交界处，此处主要是径流与海流交汇处，水动力条件较弱，在疏挖后径流水动力逐渐下移，会在此引起淤积。

图15 工程实施后对周围海域水流动力影响示意

6 结语

矾石水道航道工程起点位于东莞沙角，穿越大铲岛和孖洲岛，终点位于蛇口港，全长约38 km。该航道的开发是解决“西桥东隧”导致的广州港出海航道通航净高限制问题的重要手段，对广州港、深圳港、东莞港的发展具有重大意义。

本文通过数学模型研究，析航道建设对区域水动力和冲淤演变的影响。研究发现，航道工程实施后对水位的影响不大，航道中部高潮位增高约0.1 cm，低潮位降低幅度为0～0.2 cm；工程实施后对周围水动力的影响范围仅局限在航道沿程有开挖浚深里程段，流速最大减幅约0.19 m/s，但范围较小，大部分水域流速增减幅度在0.10 m/s以内；航道建设后年淤厚区间约0.21～0.65 m，年平均淤厚约0.43 m，年回淤量约62万m3，施工阶段和航道建成初期由于航道边坡尚未稳定，回淤量是正常年份下的1.5～2.0倍。

该航道开发后，年淤强相对总疏浚量643万m3而言量级较小，但能够使该航道从当前通航3 000 t船舶提升至可通航10 000 t船舶，所产生经济和社会效益高于开发成本，对珠三角港口群发展和船舶交流具有重大意义。建议工程实施过程要做好与深中通道的衔接，沉管浮运前后应暂停航道工程施工，防止河床演变影响沉管施工。此外，航道开挖对伶仃洋区域咸潮上溯的影响还需要进一步研究。