楊聿, 胡曉張, 王漢崗,陳軍

(1 珠江水利科學研究院，廣東廣州510611； 2 水利部珠江河口動力學及伴生過程調(diào)控重點實驗室，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)濟社會發(fā)達。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)的重點區(qū)域。

蕉門口整治始于20世紀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行論證分析，水利部珠江水利委員會于20世紀90年代編制了《伶仃洋治導線規(guī)劃》，提出了蕉門口治導線方案，蕉門延伸段進口控制河寬800 m、鳧洲水道進口控制河寬1 200 m[1]。20世紀90年代以來，由于河口水沙動力條件復(fù)雜，人類活動影響加劇，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》，對蕉門口治導線進一步優(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，部分學者對蕉門河口水沙運動和發(fā)育演變進行過研究，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、模型試驗等手段，系統(tǒng)分析了蕉門河口當前水文、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口岸線尚不規(guī)整，分流點位置上下?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，南沙港淤積強度相對較大，仍需進一步對蕉門河口水沙分配進行調(diào)節(jié)。研究認為，當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)學模型已成為一個應(yīng)用廣泛的模型。通過構(gòu)建潮流泥沙數(shù)學模型來研究珠江河口問題的報道已不少見[10-13]。本文在胡曉張等[9]對當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)學模型，研究蕉門口具體整治方案和配套措施，對整治方案進行論證分析，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)學模型，結(jié)合多組水文實測資料對模型進行了率定與驗證。

2.1 模型原理

本模型采用貼體正交曲線坐標下的水流運動方程及懸移質(zhì)運動方程，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[14-16]。

水流運動方程：

(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)力引起的擴散通量向量；Edis、Gdis——分別為x、y方向二次流引起的擴散通量向量；S——源項向量。

(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——降雨強度；i——入滲強度；νt——水平方向的紊動黏性系數(shù)；Dxx、Dxy、Dyx、Dyy——二次流引起的擴散應(yīng)力項；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?shù)鼐暥?；τs——風應(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)對流擴散方程：

(3)

式中S——垂線平均含沙量；vsx、vsy——紊動擴散系數(shù)；FS——沖淤項；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站點分布

2.3 模型率定與驗證

選取珠江口近年資料較齊全的“2007·8”實測水文資料對模型進行率定和驗證，從驗證結(jié)果來看，模型計算的潮位過程線與各測站實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°；模型計算含沙量過程線趨勢與實測過程線較為吻合，平均誤差為26 %。模型驗證結(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 潮位驗證

a) 伶仃2站流速圖4 流速、流向驗證(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，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個原則，一是適當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?；谠撛瓌t，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，先通過模型試驗來研究蕉門口洪水落潮流態(tài)，通過對洪水落潮不同時期蕉門口流態(tài)變化進行觀察，找出蕉門口落潮自然分流點，以此為依據(jù)來擬定整治方案分流咀位置。試驗選取“2005·06”洪水水文組合，模擬洪水初落、落急、落憩時刻蕉門口流態(tài)見圖6，從試驗結(jié)果來看，蕉門口洪水期間分流點位置相對固定，在洪水初落時刻，分流點位置偏南；在洪水落急和落憩時刻，分流點位置偏北；落急和落憩時刻分流點位置變化不大?？筛鶕?jù)洪水初落和落急2個不同時刻水流分流點位置，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與下游現(xiàn)狀岸線頂點之間的岸線，考慮一定河道拓寬率，按照岸線平順和引導水流向下偏轉(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、鳧洲水道進口寬度1 500 m。兩個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

整治方案實施可能會對蕉門河口水動力、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個整治方案實施后鳧洲水道和蕉門延伸段兩汊分流比變化統(tǒng)計情況見表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%。《珠江河口綜合治理規(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 治理方案實施前后鳧、蕉兩汊分流比變化統(tǒng)計 %

b) 鳧洲水道與虎門水道出流交角變化。統(tǒng)計“2005·6”洪水期間鳧洲水道落潮流動力軸線與虎門落潮流動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 治理方案實施前后鳧洲水道出流與虎門落潮流夾角變化統(tǒng)計 (°)

c) 虎門—伶仃洋潮汐通道漲落潮量變化。治理方案實施前后“2005·6”洪水、“2001·2”枯水水文組合下虎門漲落潮量變化見表4，治理方案實施后，虎門漲落潮動力有所增加，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 治理方案實施前后虎門漲落潮量變化統(tǒng)計 %

3.2.2可能不利影響分析

a) 壅水影響分析。整治方案實施后，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)計整治方案實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個整治方案進口分流點依據(jù)蕉門口自然分流規(guī)律擬定，總體上2個方案造成的上游水位壅高幅度均不大。各個水文條件下，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)學模型計算分析了蕉門口整治前和兩個整治方案下河口沖淤形態(tài)變化，三者計算結(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)附近水域沖淤計算分布

從計算結(jié)果來看，整治方案實施后與現(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，上段淤積強度約0.05～0.10 m/a、下段沖刷強度約為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力有一定增加。從河口沖淤變化來看，2個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，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)生負面影響，建議進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，最可行的方式是對河道進行疏浚，貫通上下游河槽，增強河道過流能力。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藍色所示范圍)。

配套整治措施重點研究上游洪(潮)水位壅高變化幅度，以“2005·6”洪水組合為代表，配套整治措施實施后，南沙站高低潮位變化見表6，從計算結(jié)果看，配套疏浚措施實施后，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)學模型，研究了蕉門河口整治方案及配套措施，形成主要認識如下。

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

b) 鳧洲水道進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。