茅洲河口灘涂開發(fā)對(duì)洪潮及河勢(shì)的影響與對(duì)策研究

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(珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州510611)

河口海岸灘涂不僅是重要的后備土地資源，也是濕地資源的重要組成部分。國內(nèi)外對(duì)沿海灘涂資源的開發(fā)由來已久，并隨著沿海地區(qū)的人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)灘涂利用提出了更多需求[1-3]。可見，河口海岸灘涂的演變受到自然過程及人類活動(dòng)的雙重作用，耦合著不同級(jí)次的正負(fù)反饋過程。因此灘涂資源的合理開發(fā)利用和有效管理，對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，保障防洪安全、維護(hù)河口河勢(shì)穩(wěn)定和保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面具有十分重要的意義[4]。

灘涂區(qū)域的圍填開發(fā)改變了局地的水文和沉積環(huán)境，進(jìn)而對(duì)區(qū)域的防洪、河床沖淤和河勢(shì)穩(wěn)定等產(chǎn)生影響，因此引起相關(guān)的研究關(guān)注，以獲得合理的規(guī)劃，使開發(fā)利用活動(dòng)對(duì)灘涂演變的影響可控[5-8]。在珠江河口地區(qū)岸線、灘涂的開發(fā)利用中，也明確提出了必須樹立“防洪優(yōu)先”的觀念，維護(hù)河勢(shì)穩(wěn)定，保障岸線及灘涂資源的可持續(xù)利用[9]。從20世紀(jì)90年代至今，珠江河口的灘涂開發(fā)利用活動(dòng)和影響研究一直備受關(guān)注[10-12]。

為緩解土地與社會(huì)發(fā)展的矛盾，基于深圳市海洋新興產(chǎn)業(yè)基地項(xiàng)目，深圳市擬對(duì)近岸灘涂進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)區(qū)域位于伶仃洋東灘、茅洲河出口。在此背景下，研究項(xiàng)目對(duì)珠江口伶仃洋和相鄰茅洲河行洪納潮、河勢(shì)穩(wěn)定的影響顯然十分必要。

1 基本情況

1.1 區(qū)域概況

伶仃洋平面上呈北北西—南南東走向的喇叭形，是珠江最大的河口灣。灣內(nèi)匯集了珠江八大口門中的東部4個(gè)口門——虎門、蕉門、洪奇門和橫門，接納東江、流溪河全部及北江大部分、西江部分來水。伶仃洋水下地形存在“兩槽三灘”格局，即東槽和西槽，東灘、中灘和西灘，總的變化趨勢(shì)是西灘向東南方向擴(kuò)展，中灘向東淤長(zhǎng)，東灘向西略有擴(kuò)展，深槽向東漸淤，并有下移趨勢(shì)。

規(guī)劃區(qū)位于伶仃洋東岸、茅洲河出口左岸下游。茅洲河出口斷面上游1.5 km處河寬約270 m，至出口斷面放寬至700 m，口外主槽偏南布置，底高程低于-3 m，出口西北側(cè)為大范圍淺灘，頂高程在-1.5 m以下。

1.2 規(guī)劃方案布置

在不超出茅洲河河口控制線的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)狀地形、已有灘涂控制性規(guī)劃、利于泄洪納潮等角度擬定了3個(gè)比選方案，見圖1。

方案1：北端從廣深沿江高速外緣開始，往西南方向基本沿茅洲河河口右側(cè)-2 m等高線，往南走基本沿-3.5 m等高線直至深圳寶安綜合港區(qū)一期工程，圍填面積為8.06 km2。方案2：北端從廣深沿江高速外緣開始，往西南方向基本沿茅洲河河口右側(cè)-2 m等高線，往南走基本沿-3 m等高線直至深圳寶安綜合港區(qū)一期工程，圍填面積為7.44 km2。方案3：北端從廣深沿江高速外緣開始，往西南方向走基本沿茅洲河出口-3 m等高線，往南走基本沿-2.5 m等高線直至深圳寶安綜合港區(qū)一期工程，圍填面積為6.65 km2。

1.3 研究方法

數(shù)學(xué)模型具有簡(jiǎn)便快速、前瞻可控的特點(diǎn)，在多方案比選研究中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，也是本次研究的主要技術(shù)手段。研究采用的一、二維聯(lián)解潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型已在珠江河口的多個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用，其中較大型的規(guī)劃項(xiàng)目有深圳市大小鏟島港區(qū)規(guī)劃[13-14]。

1.3.1研究范圍

一維數(shù)學(xué)模型研究范圍：包括東、西、北江三角洲網(wǎng)河區(qū)、廣州水道、潭江水道及茅洲河等，模擬河道長(zhǎng)度約1 765 km，其中茅洲河上游延至距河口約15 km。二維數(shù)學(xué)模型研究范圍：包括伶仃洋淺海區(qū)、大亞灣、大鵬灣、香港水域、深圳灣、澳門淺海區(qū)、磨刀門淺海區(qū)，模擬水域面積約6 514 km2。

一、二維模型聯(lián)解點(diǎn)設(shè)在虎門的大虎斷面、蕉門的南沙斷面、洪奇門的馮馬廟斷面、橫門的橫門斷面、磨刀門的燈籠山站斷面以及茅洲河排澇河口下游約0.7 km處的河道斷面。聯(lián)解模型是使連接斷面處滿足以下條件：一維斷面的水位、流量和泥沙通量與二維各節(jié)點(diǎn)的平均水位、積分流量和泥沙通量相等。

1.3.2計(jì)算方法

一維水流連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程的離散采用Preissmann四點(diǎn)偏心隱式差分格式;對(duì)流擴(kuò)散方程先按差分格式離散，對(duì)流項(xiàng)采用迎風(fēng)差分格式, 其余用中心差分格式。二維模型采用曲線網(wǎng)格模擬研究區(qū)域,借助ADI法離散基本方程，基本方程組離散格式的求解采用追趕法進(jìn)行。

1.4 模型驗(yàn)證

驗(yàn)證內(nèi)容包括聯(lián)解模型的水沙驗(yàn)證和二維模型的水沙驗(yàn)證、河床沖淤驗(yàn)證。詳細(xì)的驗(yàn)證內(nèi)容見相關(guān)研究報(bào)告[13,15]，在此僅介紹交椅灣內(nèi)規(guī)劃開發(fā)方案附近河床沖淤驗(yàn)證的成果，驗(yàn)證區(qū)域分布見圖2?？紤]年內(nèi)的洪、枯變化，河床沖淤驗(yàn)證選取代表性的洪、枯水文條件，即“99·7”中水和“2001·2”枯水，驗(yàn)證范圍內(nèi)的誤差統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 規(guī)劃區(qū)附近河床沖淤驗(yàn)證誤差統(tǒng)計(jì)

計(jì)算結(jié)果表明，規(guī)劃區(qū)附近處于沖淤基本平衡的微淤態(tài)勢(shì)，實(shí)測(cè)地形資料統(tǒng)計(jì)年均回淤厚度為0.043 m，模型計(jì)算結(jié)果為0.038，誤差為11.6%，滿足相關(guān)規(guī)范要求?？梢?，潮流泥沙數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證是成功的，模型可以用于規(guī)劃方案的計(jì)算研究。

2 方案比選論證

2.1 壅水影響

各規(guī)劃方案實(shí)施后，將占用茅洲河口主槽，縮窄茅洲河潮流通道面積，造成茅洲河口及其上游河道高、低潮位均出現(xiàn)壅高，潮差減?。痪嚯x規(guī)劃區(qū)較遠(yuǎn)的口門和伶仃洋其他水域潮位則變化很小。百年一遇洪水下茅洲河高潮位抬升0.04～0.06 m在以內(nèi)，相差不大；低潮位抬升則較明顯，方案1—3升幅依次為0.459、0.459、 0.352 m，方案1、2茅洲河低潮位壅高值在10 cm以上、方案3低潮位壅高值在6 cm以上的影響距離可至河道上游3 km范圍?？梢?，各方案都在不同程度上占用了茅洲河出口主槽，不利于茅洲河洪水宣泄，以方案1影響最大，方案3影響最小。

2.2 河勢(shì)影響

2.2.1流速

受茅洲河出口主槽被占、過流斷面束窄的阻流影響，茅洲河上游河道流速普遍減小；規(guī)劃圍墾區(qū)近岸及其下游水域，流速也主要表現(xiàn)為減??；而更多水流則往規(guī)劃區(qū)域西側(cè)、北側(cè)擠壓，這些水域則呈現(xiàn)流速增大趨勢(shì)。茅洲河流速最大減小值約0.20 m/s，規(guī)劃圍墾區(qū)西側(cè)水域流速最大增加值約0.50 m/s，寶安港區(qū)前沿水域流速變化值基本不超過0.05 m/s。由于各規(guī)劃方案占用水域面積與位置的不同，對(duì)流速的影響程度和范圍存在差異，流速變化等值線分布見圖3?？傮w來看，方案1占用水域面積最大，方案3占用最小，對(duì)流速的影響，方案1最大、方案2次之，方案3最小。

2.2.2流態(tài)

現(xiàn)狀下，茅洲河河口深圳側(cè)岸線自南至北由西北向偏轉(zhuǎn)為東北向，茅洲河漲落潮流在此形成彎道水流。規(guī)劃方案實(shí)施后，岸線進(jìn)一步向西外擴(kuò)，彎道水流的特征進(jìn)一步凸顯。受規(guī)劃區(qū)岸線凸出的挑流作用，茅洲河落潮流和伶仃洋落潮流交匯點(diǎn)不同程度地往西和往北偏移。方案1西端點(diǎn)向西移動(dòng)距離達(dá)750 m，對(duì)漲潮流的影響最大，漲急時(shí)刻漲潮流在慣性的作用下進(jìn)一步向西北流動(dòng)，繞過挑流點(diǎn)后，部分漲潮流東偏經(jīng)茅洲河出口下游右側(cè)淺灘后上溯進(jìn)入茅洲河；落潮時(shí)在岸線的挑流下，落潮流對(duì)伶仃洋東槽落潮流頂托作用較明顯。方案2西端點(diǎn)向西移動(dòng)距離為490 m，對(duì)流態(tài)的影響較方案1顯著減?。环桨?西端點(diǎn)向西移動(dòng)距離為280 m，變化相對(duì)較小(圖3)。各規(guī)劃方案實(shí)施導(dǎo)致的漲、落潮流態(tài)變化見圖4。

受規(guī)劃方案布置的影響，茅洲河出口主槽被占，河口區(qū)伶仃洋東岸灘涂被占，因此規(guī)劃區(qū)域附近水動(dòng)力軸線總體呈向西北移動(dòng)的趨勢(shì)，變化以方案1最大，方案2、3相對(duì)較小。

2.2.3潮量

灘涂開發(fā)規(guī)劃方案占用了茅洲河出口主槽和伶仃洋東側(cè)近岸水域，導(dǎo)致茅洲河口斷面和伶仃洋東部水域漲、落潮量都有所減小。茅洲河口3個(gè)方案落潮量最大減幅分別為3.54%、3.44%、2.65%，漲潮量最大減幅分別為2.86%、2.84%、2.26%。河口區(qū)規(guī)劃區(qū)域所處的龍穴島東斷面，3個(gè)方案落潮量最大減幅分別為0.63%、0.50%、0.35%，漲潮量最大減幅分別為0.71%、0.58%、0.41%?？梢?，對(duì)潮量的影響也是方案1最大，方案2次之，方案3最小。

2.2.4沖淤

灘涂開發(fā)方案實(shí)施前后區(qū)域的河床沖淤分布見圖5。可見，規(guī)劃方案實(shí)施前，茅洲河出口-3.0 m槽道全線貫通，主槽處于微沖態(tài)勢(shì)，主槽西北側(cè)的交椅灣淺灘呈現(xiàn)淤積趨勢(shì)。規(guī)劃方案實(shí)施后，因斷面水流動(dòng)力強(qiáng)勁，茅洲河出口右側(cè)淺灘沖刷加劇；灘涂開發(fā)區(qū)近岸上段方案1和方案2下沖刷強(qiáng)度減弱，方案3下沖刷強(qiáng)度與現(xiàn)狀基本持平；中下段淤積加強(qiáng)，河口-3.0 m槽道消失。同時(shí)，茅洲河出口原近岸主槽輸沙通道被占用，更多水沙往主槽以西、以北的淺灘輸移，導(dǎo)致茅洲河口外西側(cè)的交椅灣淺灘淤強(qiáng)增加較為明顯，出現(xiàn)淤強(qiáng)為0.40 m/a淤積帶。在灘涂開發(fā)區(qū)域南段，圍墾區(qū)西側(cè)近岸流速減小，淤積也有所加強(qiáng)，因方案1西擴(kuò)范圍最大，從而淤積帶也相對(duì)最為明顯。

并對(duì)茅洲河口附近進(jìn)行分區(qū)(圖6)，統(tǒng)計(jì)各區(qū)域的沖淤變化，見表2。由表可見，規(guī)劃方案近岸區(qū)域下段(2區(qū))淤積加強(qiáng)，現(xiàn)狀淤積強(qiáng)度為0.001 m/a，方案1、2、3實(shí)施后淤積強(qiáng)度分別為0.068、0.084、0.103 m/a；茅洲河出口北汊延伸段(6區(qū))也呈現(xiàn)淤積加強(qiáng)的趨勢(shì)，方案1、2、3實(shí)施后淤積厚度分別為0.161、 0.159、 0.143 m/a； 茅洲河口北側(cè)淺灘(4、5區(qū))淤積也有加強(qiáng)趨勢(shì)，各方案實(shí)施后淤積厚度分別為0.296、0.294、0.257 m/a。

總體上看，由于各規(guī)劃方案處于凹形灣弱流區(qū)，方案實(shí)施對(duì)茅洲河出口局部的河勢(shì)穩(wěn)定有一定影響，但對(duì)伶仃洋水域的整體灘槽穩(wěn)定影響不大。其中，方案1影響最大、方案2次之，方案3影響最小。

2.3 比選分析

各規(guī)劃方案都在不同程度上占用了茅洲河口主槽，造成潮位的壅升，不利于茅洲河泄洪。短期內(nèi)新的主槽難以形成，為了確保茅洲河泄洪和排澇安全，在灘涂開發(fā)規(guī)劃實(shí)施的同時(shí)必須進(jìn)行茅洲河河口整治。從對(duì)伶仃洋納潮量和流勢(shì)影響來看，方案1西側(cè)外緣線南段西拓最多，占用灘涂面積最大，對(duì)伶仃洋納潮量、茅洲河漲落潮流與伶仃洋東槽潮流交匯影響較大，對(duì)東槽落潮流形成一定頂托，不利于伶仃洋東槽的穩(wěn)定；方案2、3對(duì)伶仃洋東槽的影響相對(duì)較小。從各方案對(duì)伶仃洋河勢(shì)穩(wěn)定來看，方案2、3均可接受，但均存在茅洲河洪水位抬升的問題，需要進(jìn)行茅洲河泄洪整治?？紤]到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，提高灘涂開發(fā)利用效果，在整治措施可行的基礎(chǔ)上選擇方案2作為推薦方案。

3 對(duì)策方案及效應(yīng)

根據(jù)比選論證結(jié)果，在灘涂開發(fā)利用的同時(shí)須進(jìn)行茅洲河泄洪整治，因此灘涂開發(fā)綜合方案包含了灘涂開發(fā)利用方案2和泄洪整治方案。其中，泄洪整治方案如下：整治河長(zhǎng)4.0 km，底高程-4.0 m，上游底寬150 m，下游底寬200 m，邊坡1∶7，上游端在廣深沿江高速附近與現(xiàn)有深槽平順銜接，下游端至-4 m等高線，見圖7。

模型計(jì)算結(jié)果表明，綜合方案實(shí)施后，茅洲河百年一遇洪水時(shí)高潮位最大壅高值僅為0.012 m，低潮位則從壅高轉(zhuǎn)為降低，表明新槽道能夠減小灘涂開發(fā)方案2單獨(dú)實(shí)施對(duì)茅洲河洪澇排泄的不利影響。從潮量變化來看，“2001·2”枯水條件下茅洲河口斷面漲、落潮量比現(xiàn)狀輕微增大，增幅為0～0.04%，說明新的主槽疏通后，能夠顯著減少灘涂開發(fā)利用方案對(duì)茅洲河納潮的影響，有利于維持茅洲河的水體交換能力。并模擬了開挖槽道的中期演變情況，時(shí)間尺度為5 a。計(jì)算結(jié)果表明，綜合方案實(shí)施5 a后，整治槽道淤積量不大，上段仍有所沖刷，中下段淤積，5 a后累積淤厚約0.215 m，總體上5 a后新開主槽平均高程仍低于-3.5 m，并基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)?？梢?，新開槽道能夠保持穩(wěn)定。

整體來看，包括灘涂開發(fā)利用和泄洪整治措施的綜合方案實(shí)施對(duì)茅洲河泄洪、納潮影響很小，流速、流態(tài)影響集中在規(guī)劃區(qū)域西側(cè)水域，對(duì)其他水域影響較小，同時(shí)新開槽道也較穩(wěn)定。說明結(jié)合開展茅洲河河口整治，對(duì)近岸的灘涂開發(fā)是可行的。

4 結(jié)語

本研究基于潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)了深圳市海洋新興產(chǎn)業(yè)基地項(xiàng)目茅洲河口灘涂開發(fā)利用對(duì)區(qū)域泄洪納潮和灘槽穩(wěn)定的影響。鑒于灘涂開發(fā)規(guī)劃方案的不利影響較大，必須同時(shí)開展茅洲河河口整治。研究提出了初步的河口泄洪整治措施，結(jié)合該措施，推薦了可行的灘涂開發(fā)利用方案。規(guī)劃區(qū)域處于茅洲河下泄流與伶仃洋潮流的交匯地帶，潮流泥沙動(dòng)力環(huán)境較為復(fù)雜。為了指導(dǎo)茅洲河有序延伸，穩(wěn)定茅洲河河口河勢(shì)，有必要進(jìn)一步完善茅洲河河口泄洪整治規(guī)劃；并開展灘涂綜合開發(fā)方案實(shí)施前后的水文、地形觀測(cè)，以掌握茅洲河河口灘槽演變的未來變化趨勢(shì)及開發(fā)方案對(duì)河口防洪、河勢(shì)穩(wěn)定的實(shí)際影響，為區(qū)域?yàn)┩抠Y源的可持續(xù)開發(fā)利用提供基礎(chǔ)研究資料。