珠江河口磨刀門(mén)馬騮洲水道兩岸防洪（潮）體系提升研究

常 賾 張瓊海 王騰飛 劉學(xué)明

（珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611）

1 概 況

磨刀門(mén)是西江干流的主要出海口，其泄流量和輸沙量均居珠江八大口門(mén)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(mén)[1]。馬騮洲水道位于澳門(mén)半島的西南方，地處珠海市灣仔與橫琴島之間，河道全長(zhǎng)約11 km，是磨刀門(mén)水道的一條支流，分洪量約占磨刀門(mén)徑流量的12%～18%，同時(shí)也是澳門(mén)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(dǎo)堤及實(shí)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(dòng)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(fù)流，增加了河道的單寬動(dòng)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(mén)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(gè)板塊?，F(xiàn)狀一體化片區(qū)城市建設(shè)缺乏統(tǒng)籌引導(dǎo)，亟待進(jìn)一步加強(qiáng)防洪體系的建設(shè)。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(guó)際居住區(qū)、十字門(mén)南片區(qū)等主要功能板塊。目前，馬騮洲水道以南澳門(mén)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(hào)臺(tái)風(fēng)“天鴿”、201822 號(hào)臺(tái)風(fēng)“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(hù)欄、護(hù)坡、親水平臺(tái)護(hù)面及堤腳拋石等均有不同程度的損毀，導(dǎo)致現(xiàn)狀海堤存在較為嚴(yán)重的漫堤或越浪損毀風(fēng)險(xiǎn)。6-9月既是臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)頻率大的季節(jié)，又是洪峰集中的月份，當(dāng)臺(tái)風(fēng)暴潮遇上洪峰，導(dǎo)致潮位猛升，防洪壓力激增[5]。為進(jìn)一步提升北岸防洪能力，對(duì)沿線堤岸進(jìn)行堤身加高、加強(qiáng)外江消浪防沖措施、完善堤后排水等提標(biāo)整治措施，結(jié)合堤后建設(shè)項(xiàng)目共同提高堤防洪（潮）能力，共同實(shí)現(xiàn)100年一遇防洪（潮）功能，對(duì)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(jiàn)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(xué)模型計(jì)算的方法分析堤岸提標(biāo)工程實(shí)施后珠江河口及有關(guān)河道潮位、潮汐動(dòng)力的變化情況，對(duì)河口地區(qū)河道整治、堤防提標(biāo)改造、水利工程規(guī)劃建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)、防洪體系構(gòu)建等方面具有重要指導(dǎo)意義。

2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建與工況

研究區(qū)域地處磨刀門(mén)口門(mén)處，水（潮）流條件極其復(fù)雜，既受控于上游磨刀門(mén)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(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，考慮到馬騮洲水道特殊的地理位置及數(shù)學(xué)模型計(jì)算的時(shí)間、精度等要求，共建立兩個(gè)數(shù)學(xué)模型，一個(gè)是包含珠江東四口門(mén)及磨刀門(mén)、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(yàn)證；另一個(gè)是口門(mén)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(xué)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(dòng)量方程，正交曲線坐標(biāo)系下的潮流控制方程形式如下：

連續(xù)方程：

動(dòng)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(shí)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(jì)算如下：

σζζ、σηη、σζη、σηζ為應(yīng)力項(xiàng)，其表達(dá)式如下：

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

（2）計(jì)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(xué)模型研究范圍包括整個(gè)伶仃洋水域、深圳灣水域、磨刀門(mén)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(mén)相應(yīng)水文站：大虎（虎門(mén)）、南沙（蕉門(mén)）、馮馬廟（洪奇門(mén)）和橫門(mén)；磨刀門(mén)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(gè)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(jì)算區(qū)域東西寬約103 km，南北長(zhǎng)約120 km。

局部數(shù)學(xué)模型研究范圍上邊界為燈籠山站，下邊界為磨刀門(mén)水道的橫琴站和馬騮洲水道的馬騮洲站。模型控制水域計(jì)算面積約45 km2，二維模型網(wǎng)格布置見(jiàn)圖3。模型計(jì)算水域的平面網(wǎng)格劃分粗細(xì)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(duì)研究范圍內(nèi)隨水落水漲而出沒(méi)的灘地，計(jì)算時(shí)采用動(dòng)邊界技術(shù)，即將水位下降期間出露的區(qū)域轉(zhuǎn)化為灘地，同時(shí)形成新邊界；反之，將水位上升期間淹沒(méi)的灘地轉(zhuǎn)化成計(jì)算水域。

圖3 局部二維數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格布置圖

2.2 計(jì)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(fēng)暴潮（1993 年9 月16 日0：00至9月19日20：00，總時(shí)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(fēng)暴潮等珠江口近年來(lái)口門(mén)治理研究的代表水文組合，分析研究堤防提標(biāo)工程對(duì)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(xué)模型驗(yàn)證

二維潮流數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)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(diǎn)，河口二維潮流數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證主要選用以下各組水文組合：

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

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

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

圖4“1998.6”洪水流速驗(yàn)證圖

圖5“1998.6”洪水流向驗(yàn)證圖

圖6“1998.6”洪水潮位驗(yàn)證圖

綜上所述，通過(guò)原型實(shí)測(cè)資料與“1998.6”“2002.6”兩組水文組合的驗(yàn)證和對(duì)比，本研究使用的河口二維潮流數(shù)學(xué)模型在潮位、流速及流向等方面，驗(yàn)證結(jié)果基本滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)程規(guī)定的精度要求，本研究采取原型實(shí)測(cè)資料較新的“2005.6”典型洪水水文組合進(jìn)行模型計(jì)算。

3 結(jié)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(mén)水道和澳門(mén)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(mén)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(shì)略弱。上下游段，河道較為順直，河道橫斷面呈中間低兩側(cè)高的U 形，沿程河床高程無(wú)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(cè)水流混合后，在主流擠壓下迅速向左側(cè)折轉(zhuǎn)，河道中央及右側(cè)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(nèi)。

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(diǎn)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(nèi)?！?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?！?316”風(fēng)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(jì)算結(jié)果來(lái)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?！?005.6”洪水條件下，上游來(lái)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(jì)算結(jié)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?！?316”風(fēng)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(jié) 語(yǔ)

（1）本研究通過(guò)構(gòu)建珠江河口整體及馬騮洲水道局部二維潮流數(shù)學(xué)模型，模擬成果與原型實(shí)測(cè)過(guò)程基本吻合，能夠較好地模擬水動(dòng)力情況。

（2）馬騮洲水道實(shí)施堤防加固提升后，“2005.6”洪水、“2002.6”中洪水、“2001.2”枯水和“9316”風(fēng)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(gòu)建的數(shù)學(xué)模型對(duì)珠江河口磨刀門(mén)水動(dòng)力模擬具有良好的適應(yīng)性，本工程防洪潮體系提升方案對(duì)河口地區(qū)具有指導(dǎo)性意義。