常 賾 張瓊海 王騰飛 劉學明

（珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣州 510611）

1 概 況

磨刀門是西江干流的主要出?？?，其泄流量和輸沙量均居珠江八大口門之首位，26.6%的徑流量由此宣泄入海，是珠江流域的重要泄洪口門[1]。馬騮洲水道位于澳門半島的西南方，地處珠海市灣仔與橫琴島之間，河道全長約11 km，是磨刀門水道的一條支流，分洪量約占磨刀門徑流量的12%～18%，同時也是澳門通往珠江三角洲、粵西沿海及海南島的重要航道[2]。馬騮洲水道原是河口匯潮區(qū)，1992 年后，建社南北導堤及實施疏浚整治措施后，水面寬由1.5～3.5 km 束窄為寬500 m 的規(guī)則水道，由于束水歸槽，水動力條件改善明顯，將流態(tài)多變的匯流區(qū)潮流，改變?yōu)橐?guī)則的往復流，增加了河道的單寬動力，流速加大，河道淤積明顯減少[3-4]。

馬騮洲水道以北分屬保稅區(qū)和香洲區(qū)，包括十字門北片區(qū)、保稅區(qū)、跨境工業(yè)園、洪灣商貿(mào)物流中心、洪灣港、洪灣漁港等多個板塊?，F(xiàn)狀一體化片區(qū)城市建設缺乏統(tǒng)籌引導，亟待進一步加強防洪體系的建設。馬騮洲水道以南隸屬于橫琴新區(qū)，包括高端產(chǎn)業(yè)園區(qū)、國際居住區(qū)、十字門南片區(qū)等主要功能板塊。目前，馬騮洲水道以南澳門以及金融島已建地區(qū)基本形成現(xiàn)代、精致的城市形象。

受201713 號臺風“天鴿”、201822 號臺風“山竹”引發(fā)的高潮大浪影響，馬騮洲水道北岸中珠聯(lián)圍堤防護欄、護坡、親水平臺護面及堤腳拋石等均有不同程度的損毀，導致現(xiàn)狀海堤存在較為嚴重的漫堤或越浪損毀風險。6-9月既是臺風出現(xiàn)頻率大的季節(jié)，又是洪峰集中的月份，當臺風暴潮遇上洪峰，導致潮位猛升，防洪壓力激增[5]。為進一步提升北岸防洪能力，對沿線堤岸進行堤身加高、加強外江消浪防沖措施、完善堤后排水等提標整治措施，結合堤后建設項目共同提高堤防洪（潮）能力，共同實現(xiàn)100年一遇防洪（潮）功能，對保障橫琴新區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。工程具體位置及遙感影像見圖1。

圖1 工程具體位置及遙感影像圖

本研究采用二維數(shù)學模型計算的方法分析堤岸提標工程實施后珠江河口及有關河道潮位、潮汐動力的變化情況，對河口地區(qū)河道整治、堤防提標改造、水利工程規(guī)劃建設、防災減災、防洪體系構建等方面具有重要指導意義。

2 數(shù)學模型構建與工況

研究區(qū)域地處磨刀門口門處，水（潮）流條件極其復雜，既受控于上游磨刀門水道以上水域下泄徑流，又受外海上溯潮流的影響[6]。本研究擬采用河口二維潮流數(shù)學模型進行計算，考慮到馬騮洲水道特殊的地理位置及數(shù)學模型計算的時間、精度等要求，共建立兩個數(shù)學模型，一個是包含珠江東四口門及磨刀門、伶仃洋、深圳灣、香港水域等大范圍模型，主要為局部模型提供邊界條件和驗證；另一個是口門處局部模型，主要為了精確概化工程以及模擬研究區(qū)域的流態(tài)[7]。

2.1 二維潮流數(shù)學模型建立

（1）基本方程。二維潮流基本方程包括連續(xù)方程和動量方程，正交曲線坐標系下的潮流控制方程形式如下：

連續(xù)方程：

動量方程：

式中：u、v為ζ、η方向流速分量，m/s；h為水位，m；H為水深，m；g為重力加速度，m/s2；f為柯氏力系數(shù)；t為時間，s；q為單元匯入?yún)R出流量，m3/s；C為謝才系數(shù)，C=1/n×H1/6；n為曼寧糙率，m1/3·s。拉梅系數(shù)Cζ、Cη計算如下：

σζζ、σηη、σζη、σηζ為應力項，其表達式如下：

式中：vt為紊動黏性系數(shù)，vt=au*H；a為系數(shù)；u*為摩阻流速，m/s。

（2）計算方法。模型方程離散求解采用ADI（Alternating Direction Implicit）法，采用的網(wǎng)格格式如圖2所示。

圖2 ADI法網(wǎng)格格式示意圖

（3）研究范圍及網(wǎng)格布置。大范圍數(shù)學模型研究范圍包括整個伶仃洋水域、深圳灣水域、磨刀門及其出口水域、深圳河流域及大沙河，其中伶仃洋上邊界取自東四口門相應水文站：大虎（虎門）、南沙（蕉門）、馮馬廟（洪奇門）和橫門；磨刀門上邊界取自燈籠山潮位站；深圳河上邊界取布吉河入口上游約1 km，包括了整個深圳河主流段，深圳河各支流將以邊界形式給定；下邊界取至外海約30 m等深線處，模型計算區(qū)域東西寬約103 km，南北長約120 km。

局部數(shù)學模型研究范圍上邊界為燈籠山站，下邊界為磨刀門水道的橫琴站和馬騮洲水道的馬騮洲站。模型控制水域計算面積約45 km2，二維模型網(wǎng)格布置見圖3。模型計算水域的平面網(wǎng)格劃分粗細不等，根據(jù)研究需要在擬建工程水域附近的網(wǎng)格較密，而在其他水域則較粗。對研究范圍內隨水落水漲而出沒的灘地，計算時采用動邊界技術，即將水位下降期間出露的區(qū)域轉化為灘地，同時形成新邊界；反之，將水位上升期間淹沒的灘地轉化成計算水域。

圖3 局部二維數(shù)學模型網(wǎng)格布置圖

2.2 計算水文條件

如表1 所示，本研究選取“2005.6”洪水、“2002.6”中洪水、“2001.2”枯水和“9316”風暴潮（1993 年9 月16 日0：00至9月19日20：00，總時段為88 h）共4種典型水文條件，包括洪水、中洪水、枯水（包括大、中、小潮）和風暴潮等珠江口近年來口門治理研究的代表水文組合，分析研究堤防提標工程對河道防洪、排澇、灌溉的影響。

表1 4種典型水文組合

2.3 數(shù)學模型驗證

二維潮流數(shù)學模型的驗證包括潮位、流速、流向，根據(jù)研究需要及馬騮洲水道所在水域特點，河口二維潮流數(shù)學模型驗證主要選用以下各組水文組合：

（1）“1998.6”洪水組合，計算時段為：1998年6月25日20：00至28日22：00；

（2）“2002.6”中洪水組合，計算時段為：2002年6月27日16：00至28日23：00。

經(jīng)驗證，兩組水文條件下各潮位站模型與原型的潮位過程線吻合較好，模型計算漲、落潮歷時和相位與原型實測資料基本一致，潮位特征值驗證誤差一般都小于±0.10 m，滿足計算精度要求；模型計算的流速和流向驗證過程與原型實測過程吻合較好，相位基本一致，流速誤差基本在±10%以內，流向誤差基本在±10°以內，本文僅列出金星門“1998.6”洪水組合條件下流速、流向及潮位驗證結果，見圖4至圖6。

圖4“1998.6”洪水流速驗證圖

圖5“1998.6”洪水流向驗證圖

圖6“1998.6”洪水潮位驗證圖

綜上所述，通過原型實測資料與“1998.6”“2002.6”兩組水文組合的驗證和對比，本研究使用的河口二維潮流數(shù)學模型在潮位、流速及流向等方面，驗證結果基本滿足相關技術規(guī)程規(guī)定的精度要求，本研究采取原型實測資料較新的“2005.6”典型洪水水文組合進行模型計算。

3 結果分析

（1）研究區(qū)域水流流態(tài)分析。研究區(qū)域漲潮流主要受經(jīng)十字門水道和澳門水道上溯潮流的影響，落潮流主要受馬騮洲水道分泄磨刀門洪水及洪灣涌下泄洪水的影響。由于河道寬度沿程差異不大，馬騮洲河道水流整體較為平順，受兩岸堤圍的約束，流向基本與河岸走向一致。

由圖7可知，各典型水文條件下，水流流路清晰、流態(tài)順暢，主流基本位于河道中心主槽區(qū)域，左、右兩岸淺灘處流勢略弱。上下游段，河道較為順直，河道橫斷面呈中間低兩側高的U 形，沿程河床高程無明顯起伏，東西段河道水流流態(tài)基本一致。主流位于河道中央的深槽區(qū)，水流流向與河道走向基本一致；洪灣水閘泄流入馬騮洲水道后，與馬騮洲水道左側水流混合后，在主流擠壓下迅速向左側折轉，河道中央及右側水流受洪灣水閘泄流影響較小，主流仍位于河道中央主槽內。

圖7 各種典型水文條件下的水流流態(tài)示意圖

具體而言，在不同頻率洪水下同一采樣點流向差異較小。在“2005.6”洪水和“2002.6”中洪水條件下，落潮流的流向位于76.96°～83.30°之間，與各頻率洪水條件下的落潮流向相差在1°以內?！?001.2”枯水條件下，落潮流向與前述水文組合也較為接近，基本位于76.77°～83.82°之間，漲潮流呈西南偏西向，流向位于258.54°～261.78°之間。“9316”風暴潮條件下，漲潮流流向位于261.10°～273.68°之間。

（2）研究區(qū)域水流流速分析。從數(shù)模計算結果來看，各水文條件下，上下游河段主流最大流速為2.67 m/s，邊灘處流速較小，基本在0.60 m/s 以下。“2005.6”洪水條件下，上游來流較大，因此研究區(qū)域主流區(qū)流速較大，平均1.5 m/s左右，最大2.12 m/s?！?002.6”中洪水條件下，整體流速相比“2005.6”洪水有所減小，主流區(qū)平均落潮流速約0.9 m/s，最大2.04 m/s，邊灘流速則更小?！?001.2”枯水水文條件的計算結果表明，落潮流速普遍小于漲潮流速，主流區(qū)尤其明顯，最大落潮流速為1.47 m/s；最大漲潮流速0.79 m/s。“9316”風暴潮條件下，西段河段主流區(qū)出現(xiàn)最大落潮流速為1.38 m/s。

4 結 語

（1）本研究通過構建珠江河口整體及馬騮洲水道局部二維潮流數(shù)學模型，模擬成果與原型實測過程基本吻合，能夠較好地模擬水動力情況。

（2）馬騮洲水道實施堤防加固提升后，“2005.6”洪水、“2002.6”中洪水、“2001.2”枯水和“9316”風暴潮共4 組典型水文條件下，河道整體水流路清晰、流態(tài)順暢。

（3）本研究構建的數(shù)學模型對珠江河口磨刀門水動力模擬具有良好的適應性，本工程防洪潮體系提升方案對河口地區(qū)具有指導性意義。