徐洪波，覃 杰，朱 峰

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東廣州 510220）

引言

深圳機場第三跑道位于第二跑道以西，沿江高速以東，福永河以南。場地位于珠江口規(guī)劃治導(dǎo)線內(nèi)側(cè)，距沿江高速最小距離60 m。該填海工程將會對工程海域水動力條件和泥沙環(huán)境產(chǎn)生一定影響，灘槽演變規(guī)律也將隨之產(chǎn)生一定的調(diào)整和變化，因此有必要開展該項目的岸灘演變和潮流泥沙數(shù)學(xué)模型研究。

有關(guān)二維潮流場的數(shù)值模擬，已有學(xué)者利用特征理論、迎略金加權(quán)剩余原理、單元積分法建立了數(shù)學(xué)模型[1-2]。泥沙研究方面，學(xué)者已建立二維懸沙擴散方程、懸沙運移數(shù)學(xué)模型、非均勻沙懸移質(zhì)不平衡輸沙等研究模型[3]。本文利用二維潮流懸沙數(shù)學(xué)模型，選取典型水文泥沙觀察資料，進(jìn)行潮位、潮流、含沙量、地形等參數(shù)驗證，并計算工程前后海域潮流場及含沙量場，比較特征點的水流流速、流向，為同類工程提供參考。

1 平面二維潮流懸沙數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

笛卡爾直角坐標(biāo)系下，根據(jù)靜壓和勢流假定，沿垂向平均的二維潮流、懸沙基本方程可表述為如下形式[4]：

連續(xù)方程：

動量方程：

懸沙擴散輸移方程：

河床變形方程：

平面二維水沙運動方程：

其中：U=(d,du,dv,ds)T，d為全水深，d=h+ζ（h為水平面以下水深；ζ為潮位）。

其中：u，v和s分別表示x，y方向的流速和水體含沙量。

源項S表示如下：

其中：Sox、Soy分別為x、y方向的傾斜效應(yīng)項，即河床底部高程變化，zb為河床底面高程；Sfx、Sfy分別為x、y方向的底摩擦效應(yīng)項；Fs為床面沖淤函數(shù)。

1.2 模型范圍及模型參數(shù)

深圳機場處在伶仃洋東灘、深圳西海岸，所處位置比較敏感，該工程造成的水動力環(huán)境影響范圍很有可能會延伸到三角洲河網(wǎng)地區(qū)，因此有必要建立包含三角洲河網(wǎng)和河口水域的整體水流數(shù)學(xué)模型。為兼顧計算效率和計算精度[5-6]，采用整體與局部嵌套的數(shù)學(xué)模型開展數(shù)模研究。整體模型采用大尺度網(wǎng)格剖分，局部模型采用精細(xì)網(wǎng)格模擬建筑物局部的潮流泥沙運動效果，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。整體模型控制邊界采用上游流量和外海潮位過程，局部模型控制邊界則由整體模型提供[7]。整體水流數(shù)學(xué)模型范圍如圖1所示。

圖1 珠江三角洲及河口整體模型網(wǎng)格剖分示意

1.3 模型驗證

為驗證本文的潮流泥沙數(shù)學(xué)模型的可靠性，將工程區(qū)水域2011年6月份的汛期大潮水文泥沙實測資料與數(shù)模結(jié)果進(jìn)行對比[8-9]。本文選擇性列舉了靠近工程位置附近的典型測站，如圖2所示，對應(yīng)的水位、流速和泥沙含量測試結(jié)果如圖3所示。

圖2 工程區(qū)水域水文測點布置示意

圖3 典型測點驗證結(jié)果曲線

實測結(jié)果與模型模擬結(jié)果顯示：結(jié)合曲線線型及峰谷位置對比情況，本文數(shù)值模型所得潮位過程與天然情況基本吻合，高、低潮位計算值與實測值誤差均在±0.10 m范圍以內(nèi)；典型測點處垂線流速過程模擬與實測趨于相似，流速峰值和轉(zhuǎn)流時間二者也比較接近，漲潮、落潮平均流速的計算值與實測值相差均在10 %以內(nèi)；含沙量量級以及波動過程模型與實測數(shù)據(jù)基本保持一致，驗證潮型下平均含沙量的計算值和實測值誤差大都控制在30 %以內(nèi)。

由此可見，本文所用數(shù)學(xué)模型對洪季大潮期間的水沙驗證結(jié)果滿足對潮位、潮流和含沙量的模擬精度要求。

2 工程模擬

計算分析分采用SMS軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格剖分采用三角形單元對水域進(jìn)行離散，網(wǎng)格剖分過程中對小尺度橋墩和大尺度人工島進(jìn)行合理的邊界概化，力求模擬出工程建筑物的真實形狀。圖4顯示了計算區(qū)域局部的網(wǎng)格剖分效果。從圖4中可以看到：橋墩區(qū)域采用較為密集的網(wǎng)格，最小尺度為3.0 m，基本模擬出了涉水建筑物的形狀和尺寸。其他水域網(wǎng)格較粗，可以有效達(dá)到節(jié)省計算時間的目的。

圖4 沿江高速沿程水域橋墩網(wǎng)格剖分示意

模型控制水情變化采用2011年6月份洪季大潮的驗證潮型，深圳機場碼頭潮差為2.78 m（如圖5，該潮差屬于較大潮差，該水情條件每年都有出現(xiàn)的可能）；泥沙沖淤過程采用洪季和枯季水情各占一半的時間來模擬一個水文年的泥沙沖淤過程。

圖5 深圳機場碼頭潮位過程

3 計算結(jié)果分析

3.1 工程區(qū)流態(tài)變化

圖6分別為工程方案實施前后的伶仃洋水域在漲急和落急典型時刻的流態(tài)，通過對比可以看出：

圖6 工程前后漲落急時刻流速分布

深圳機場三跑道擴建工程潮流動力相對較弱，潮流流向基本與岸線走向一致；工程實施前，漲潮期間工程水域大部分流速在0.4～0.5 m/s；落潮期間工程水域南部流速在0.3～0.4 m/s、北部水域流速在0.1～0.2 m/s。沿江高速水域在大量橋墩的阻水作用下，高速沿程水域流速普遍較弱，大部分在0.2 m/s左右。

工程實施后，沿江高速沿程流速仍普遍較弱。受工程對水流的約束影響，工程西側(cè)水域流速有所增加。沿江高速與工程西側(cè)之間水域，漲急時刻工程水域南部流速在0.4～0.5 m/s，工程水域北部流速在0.5～0.6 m/s；落急時刻工程水域南部流速在0.4～0.5 m/s，工程水域北部流速在0.3～0.4 m/s。工程西側(cè)水域出現(xiàn)局部流速增加的趨勢。

為定量分析工程建設(shè)前后的水流條件變化情況，圖7給出了工程方案實施前后，計算區(qū)域一定范圍內(nèi)的特征流速變化情況。

圖7 工程前后漲落急時刻流速變化分布

通過對比可以看到：機場第三跑道擴建工程對伶仃洋水域流速的影響范圍主要集中在工程區(qū)及其附近水域，影響范圍僅限工程上下游2 km范圍；工程西側(cè)水域流速有所增加（西側(cè)變化范圍在2 km以內(nèi)），工程南、北兩側(cè)水域流速有所減小。

工程方案實施后，沿江高速各采樣點的流速變幅均在0.2 m/s以內(nèi)，且大都表現(xiàn)為減小趨勢；工程南北兩側(cè)大部分水域流速呈現(xiàn)出減小趨勢，減幅在0.3 m/s以內(nèi)；工程西側(cè)水域表現(xiàn)為漲潮期減小、落潮期增加的趨勢，變幅大都不超過0.1 m/s。

3.2 工程區(qū)含沙量變化

工程實施前后工程水域漲、落急時刻的含沙量平面分布變化如圖8所示。

圖8 工程前后漲落急時刻水流含沙量分布

從圖8中可以看到：總體而言，伶仃洋水域落急時刻的含沙量要比漲急時刻稍大；工程方案實施前工程區(qū)北部水域漲急時刻含沙量為0.10～0.15 kg/m3、南部大部分水域含沙量在0.05～0.10 kg/m3，落急時刻大部分水域的含沙量在0.05～0.10 kg/m3；沿江高速沿程部分水域含沙量在0.05 kg/m3以內(nèi)。

工程方案實施后，工程以西水域的含沙量在漲急時刻顯著高于工程實施前的狀態(tài)，南部大部分水域含沙量由工程實施前的0.05～0.10 kg/m3提升至0.10～0.15 kg/m3。

3.3 海床沖淤變化

為對比說明工程建設(shè)對附近海域基床沖淤的影響情況，研究分別列舉了未建工程情況下，經(jīng)過一年的水砂作用基床的沖淤情況以及建設(shè)工程后，經(jīng)過一年的水砂作用基床的沖淤情況。結(jié)果如圖9所示。為進(jìn)一步直觀表現(xiàn)工程方案建設(shè)對未來一年內(nèi)附近海域泥沙沖淤的影響，研究過程中針對工程建設(shè)前后的泥沙沖淤情況進(jìn)行差值，得到工程方案實施前后的泥沙沖淤差異分布情況如圖10所示。

圖9 工程實施與否一年后海床沖淤情況對比

圖10 工程前后海床沖淤相對變化分布

為準(zhǔn)確說明工程方案實施前后附近區(qū)域的泥沙沖淤情況，研究對工程區(qū)域典型位置進(jìn)行點位標(biāo)記。采用FY點標(biāo)記工程北側(cè)已有碼頭位置，采用GS點標(biāo)記沿江高速橋墩位置，采用W點標(biāo)記工程填海區(qū)域西側(cè)邊界，EQ點表示工程填海區(qū)域東側(cè)邊界，N點和S點分別表示工程填海區(qū)域北側(cè)局部區(qū)域和南側(cè)局部區(qū)域。標(biāo)記點位分布如圖11所示。

圖11 工程區(qū)附近采樣點位置示意

從結(jié)果中可以看到：工程方案實施前，擬建工程水域的大部分海床基本保持穩(wěn)定，每年的沖淤幅度在±0.1 m之間，局部地形起伏較大的位置區(qū)出現(xiàn)超過0.5 m的沖淤幅度；沿江高速最北端GS1點作為橋墩擾流得頭節(jié)點，在落急流作用下出現(xiàn)顯著沖刷；工程區(qū)域北側(cè)N點福永河河口基本保持不沖不淤的狀態(tài)，但是機場貨運碼頭YF區(qū)的港池呈淤積狀態(tài)，年回淤在0.2 m左右。

工程方案實施后，工程及周邊水域海床的沖淤分布趨勢并未發(fā)生改變，由于工程方案對水流的約束作用是的流速加快，導(dǎo)致工程西側(cè)水域采樣點W2～W8呈沖刷趨勢，其中W8點最大沖深0.63 m，平均沖刷0.15 m；工程南側(cè)水域海床多呈淤積狀態(tài)，淤厚不超過0.1 m；深圳海洋新興產(chǎn)業(yè)基地和寶安港一期水域W3～W5基本不受工程建設(shè)影響；深圳大鏟港、廣州南沙港以及深中通道的東、西人工島由于離工程位置較遠(yuǎn)，其沖淤情況不受工程建設(shè)影響。

4 結(jié)語

本文建立了珠江口二維水沙數(shù)學(xué)模型，在對珠江口近期實測水文資料進(jìn)行驗證的基礎(chǔ)上，對深圳機場第三跑道擴建工程對周邊區(qū)域水文泥沙條件的影響就行分析，研究得到的主要結(jié)論如下：

1）工程建設(shè)方案對周邊水流狀態(tài)影響較為有限，工程實施早餐周邊流速變化的影響范圍小于2 km，流速數(shù)值的變化普遍小于0.1 m/s，局部地區(qū)如沿江高速橋墩附近的流速增加達(dá)到0.5 m/s。工程建設(shè)對漲急時刻的水流影響大于對落急時刻的水流影響。

2）受到水流流速變化的影響，漲急時刻工程區(qū)域附近水流中的泥沙含量也顯著增加，由工程實施前的小于0.15 kg/m3增加至0.2 kg/m3；落急時刻的水體含沙量整體變化不顯著，僅在工程南端局部位置處含沙量有所減少。

3）受到工程建設(shè)對水流的影響以及水體含沙量的變化，工程西側(cè)水流流速增加，攜沙能力增強，導(dǎo)致沿江高速沿線海床淤厚與工程前相比有所減小，工程外海堤西側(cè)呈沖刷趨勢，局部最大沖深0.63 m，平均沖刷0.15 m；工程南北兩側(cè)受到水流流速減緩作用呈微淤狀態(tài)淤厚不超過0.1 m。