茅洲河口灘槽自生性物理模型試驗研究

劉國珍，盧 陳，吳 堯，3，佟曉蕾，吳門伍

（1.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510610；2.水利部珠江河口治理與保護(hù)重點實驗室，廣州 510610；3.河海大學(xué)港口海岸與近岸工程學(xué)院，南京 210098）

0 引 言

茅洲河口位于伶仃洋東北角，河勢演變受徑流、潮汐、波浪［1］等水動力因子綜合作用；河口兩側(cè)分別為東莞和深圳，沿海開發(fā)強度高，受人類活動影響大，為此，茅洲河持續(xù)開展了河道整治［2］、水環(huán)境治理［3］、生境研究［4］等工作，相應(yīng)的在河口水域也有河口建閘［5］、堤防防控［6］、治導(dǎo)線方案［7］等配套治理措施研究。茅洲河匯入伶仃洋，伶仃洋水域水情復(fù)雜［8］，泥沙絮凝［9］與風(fēng)暴潮等極端水動力條件相互作用，季節(jié)性變化［10］與不可預(yù)測的非周期性變化因素交織作用，加之自20 世紀(jì)80年代后，內(nèi)伶仃洋水域進(jìn)行了大量的航道開挖［11］、陸域圍墾［12］以及無序挖沙，河床演變過程多變［13］。其中，圍填工程改變河口岸線，直接影響局部水動力環(huán)境，河勢將隨之發(fā)生調(diào)整，防洪、納潮等問題亦會凸顯。

本次研究采用自生性過程的試驗方法［14-16］，以水沙相互作用和自我調(diào)整為主導(dǎo)，針對茅洲河口岸線的改變，模擬河床演變，研究深槽的自生性，根據(jù)試驗成果，提出河口治理方案。

1 研究背景

深圳作為我國第一個經(jīng)濟(jì)特區(qū)，現(xiàn)又成為中國特色社會主義先行示范區(qū)，經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，人口不斷增加，城市發(fā)展戰(zhàn)略隨之進(jìn)行調(diào)整，其中，深圳市西北角臨海片區(qū)規(guī)劃為空港新城，戰(zhàn)略定位為粵港澳大灣區(qū)新城、國際一流空港都市區(qū)，是粵港澳大灣區(qū)經(jīng)濟(jì)核心區(qū)、國際航空樞紐、海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展示范基地，根據(jù)前海深港現(xiàn)代服務(wù)業(yè)合作區(qū)改革開放方案，該區(qū)域并入前海合作區(qū)。

伶仃洋東灘-3 m 等高線從東莞交椅灣向深圳西海岸側(cè)延伸，與茅洲河入?？谏畈墼诳崭坌鲁俏鱾?cè)水域交匯，茅洲河入?？?3 m 等高線貫通，深泓線最深位置為-4.2 m（珠基，下同），深槽從茅洲河口向下游穿過伶仃洋東灘，匯入伶仃洋東槽。

空港新城［17］將現(xiàn)狀養(yǎng)殖區(qū)及近岸水域圍填成陸，深圳西海岸岸線向海推進(jìn)，切斷茅洲河與伶仃洋之間的深槽，-3 m 等高線被切斷約2.7 km。

2 模型試驗

2.1 模型建立

物理模型試驗采用珠江河口大范圍模型，模型的上邊界為：西、北江上游至兩江交匯處思賢滘附近，廣州水道上游至老鴉崗，東江至石龍，并分別向上游延伸2 km作為過渡段；茅洲河模擬從河口向上游的10 km河段。上邊界以上用扭曲水道與量水堰連接，用以模擬潮區(qū)界段納潮的長度和容積。模型包括整個伶仃洋水域，下邊界為外海區(qū)-25 m 等高線。所有上、下游邊界的過渡段都按實測地形模擬，保證上下游可較好的模擬徑流、潮汐過程，盡可能的保證模型與原型相似。模型范圍及布置見圖2。

根據(jù)試驗場地面積、供水能力，選定模型的平面比尺為1∶700。垂直比尺根據(jù)模型水流處于紊流阻力平方區(qū)的水深比尺條件來確定，并參考國內(nèi)大型河口模型設(shè)計，確定模型的垂直比尺為1∶100，相應(yīng)的變率為7；水流時間比尺為1∶70，沖刷時間比尺為1∶559。

2.2 模型沙

根據(jù)研究水域的泥沙、水流特性，綜合南科院、珠科院的分析成果［18］，本次泥沙模擬試驗床沙選擇比重為1.22 t/m3、中值粒徑為0.23 mm、起動流速約4.3～5.2 cm/s 的塑料沙。研究對象所在水域的其他工程試驗中，該級配的模型沙多次使用，能較好的滿足工程所在水域動床試驗研究的要求，在珠科院的珠江河口大范圍整體模型試驗中已得到驗證［18，19］。

2.3 模型驗證

模型驗證水文條件選取1999年7月中洪水組合（以下簡稱“997”）和2001年1月枯水組合（以下簡稱“012”），這兩種水文邊界是珠江河口具有代表性的中洪水和枯水徑潮組合。

典型測點布置見圖1，潮位過程驗證成果見圖3～6，流速過程驗證成果見圖7、8。驗證成果表明，潮位過程線吻合情況較好，相位偏差一般在0.5 h 以內(nèi)，高、低潮位誤差一般在±0.05 m以內(nèi)，最大誤差一般在±0.10 m 以內(nèi)，符合技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，滿足潮位相似的要求；流速過程驗證成果與原型基本相似，基本滿足動力相似的要求。誤差在技術(shù)規(guī)程要求的范圍之內(nèi)［20］，滿足潮位、流速、流向等方面的相似要求，可進(jìn)行模擬試驗。

圖1 研究水域水系及驗證測點布置Fig.1 Water system of study area and distribution of verification measuring points

圖2 物理模型平面布置圖Fig.2 Physical model layout plan

圖3 “997”大虎潮位過程驗證成果Fig.3 Validation of“997”Dahu tidal level process

圖4 “997”南沙潮位過程驗證成果Fig.4 Validation of“997”Nansha tidal level process

圖5 “012”大虎潮位過程驗證成果Fig.5 Validation of“012”Dahu tidal level process

圖6 “012”南沙潮位過程驗證成果Fig.6 Validation of“012”Nansha tidal level process

圖7 “012”V3流速過程驗證成果Fig.7 Validation of“012”V3 flow direction

圖8 “012”V3流向過程驗證成果Fig.8 Validation of“012”V3 flow direction

茅洲河口近期總體表現(xiàn)為微淤［18］，本次試驗中，只進(jìn)行河床沖刷研究，在滿足水動力相似的前提下，進(jìn)行合理的選沙，滿足泥沙起動相似基本可滿足底沙輸移相似要求。

3 試驗設(shè)計

3.1 地形邊界條件

物理模型采用清水動床沖刷試驗，模擬現(xiàn)狀茅洲河口地形，再疊加空港新城岸線規(guī)劃方案，此時，深槽被截斷。

3.2 試驗水文條件

試驗水文組合為“997”中水徑潮組合（含大、中、小潮）+“012”枯水徑潮組合（含大、中、小潮），其中，“997”中水組合施測原型時段為1999年7月15日23∶00-7月23日13∶00，時段長182 h；“012”枯水組合施測原型時段為2001年2月7日17∶00-2月15日7∶00，時段長182 h。

3.3 試驗方案

通過示蹤試驗，分析新的岸線邊界條件下，落潮流平面擴(kuò)散分布狀態(tài)。

在新的陸域邊界條件下，采用長序列的徑潮水文組合，開展清水動床沖刷試驗，模擬自然條件下一年后，茅洲河口河床演變。模擬“997”水文組合時，茅洲河施放2年一遇頻率的洪水流量，下游采用實測潮型控制；模擬“012”水文組合時，茅洲河枯水徑流量較小，由于模擬的河道、過渡段及扭曲水道距離較長，納潮區(qū)間大，模型試驗中概化流量，枯季不再添加徑流量，下游為實測潮汐過程（見表1）。

表1 模擬試驗徑潮水文組合Tab.1 Hydrological combination of runoff and tide in simulation test

在研究水域選取河床地形比測斷面，沖刷試驗后，測量斷面形態(tài)的變化，分析自生性條件下，深槽的發(fā)育和分布。

4 試驗成果及分析

4.1 水流流態(tài)及示蹤試驗

漲潮流順著新岸線上溯，在茅洲河口右岸凸角導(dǎo)流作用下，分為兩股，一股向西偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過交椅灣進(jìn)入虎門水道；另一股進(jìn)入茅洲河。與之相反，落潮時，茅洲河徑流與交椅灣落潮流在空港新城堤防西側(cè)水域匯流，向伶仃洋下泄，其中，交椅灣側(cè)水流流勢強，茅洲河出流受到壓制，貼著深圳西海岸下泄。

水流示蹤試驗，在茅洲河加入羅丹明染色劑，觀測落潮時徑流輸移路線，水流擴(kuò)散路徑見圖9。成果表明，受交椅灣側(cè)水流擠壓，茅洲河徑流貼岸下泄，交椅灣水流向下游歸槽，隨著兩股水流的摻混，茅洲河徑流擴(kuò)散面逐漸散開，但擴(kuò)散路線總體還是貼近深圳西海岸一側(cè)。

圖9 徑流擴(kuò)散示蹤試驗流場Fig.9 Flow field of runoff diffusion tracer test

4.2 深槽自生性泥沙試驗

沿新岸線布置4 條測量斷面，斷面分布見圖10，沖刷試驗前后各斷面河床泥面線變化見圖11～14。

圖10 泥沙試驗測量斷面分布Fig.10 Section distribution of sediment test measured

圖11 1號斷面沖刷前后泥面線Fig.11 Section1 mud line before and after scouring

圖12 2號斷面沖刷前后泥面線Fig.12 Section 2 mud line before and after scouring

圖13 3號斷面沖刷前后泥面線Fig.13 Section 3 mud line before and after scouring

1 號、2 號、3 號斷面位于現(xiàn)狀茅洲河出口深槽被占用段，4號斷面位于工程下游段。1 號斷面深泓線靠左岸，斷面最深位置-3.8 m，約40%的深槽被侵占；岸線外推后，在自然沖刷演變條件下，深泓線西側(cè)灘面沖刷變深，深槽向西側(cè)發(fā)展、擴(kuò)寬，但深槽仍然靠近左側(cè)堤岸，沖刷后河床深槽底高程-3.3 m。2 號斷面位置，現(xiàn)狀深槽最深位置為-3.3 m；圍填后-3 m 深槽全部被侵占，沖刷試驗后，近岸20～190 m 范圍內(nèi)沖刷形成-2 m 深槽，深泓線最低高程-2.6 m，深泓線距離堤腳位置約100 m，深槽基本貼岸分布。3 號斷面位置，現(xiàn)狀-3 m 深槽距離岸線約490～680 m，最深位置-3.6 m，近岸被侵占后，深槽大部分得以保留；沖刷后，深泓線向西擺動約70 m，近岸發(fā)生淤積，西側(cè)淺灘貼近深槽段形成沖刷，斷面最低點高程-3.4 m，-3 m 深槽縮窄約65 m。4號斷面位置，從岸線向西側(cè)水域逐漸變深，現(xiàn)狀灘面無明顯深槽分布；沖刷試驗后，河床整體表現(xiàn)為沖刷，近岸灘面平均下切約0.09 m/a。沖刷后，深泓線平面分布見圖15。

圖15 茅洲河口沖刷后深泓線走向及深槽開挖治理方案Fig.15 Deep trench excavation treatment scheme of Maozhou estuary

圖14 4號斷面沖刷前后泥面線Fig.14 Section 4 mud line before and after scouring

5 討 論

5.1 與現(xiàn)狀深槽分布關(guān)系

動床水流示蹤試驗及動床沖刷結(jié)果均表明，岸線外推后，近岸形成新的深槽，其分布區(qū)域與現(xiàn)狀較為類似，靠近堤岸，呈西南-東北向分布，2 號斷面位置最大沖深1.4 m。3 號斷面附近，新岸線附近呈淤積態(tài)勢，深槽西側(cè)淺灘表現(xiàn)為近端沖刷遠(yuǎn)端淤積。

岸線改變后，在平面形態(tài)上，出現(xiàn)了上下游貫通的新深槽，雖然沖刷發(fā)展明顯，但-3 m 等高線無法貫通，總體河槽比現(xiàn)狀淺。

研究水域位于伶仃洋東灘，現(xiàn)狀在自然演變條件下表現(xiàn)為微淤態(tài)勢。岸線外推改變了局部水流泥沙運動路線，新深槽的出現(xiàn)，表明灘槽格局發(fā)生較大調(diào)整，客觀上，水沙輸移通道改變。

5.2 水動力分布與灘槽分布

茅洲河徑流貼岸下泄，主流平面分布與新沖刷的深槽分布水域基本一致。在漲落潮流的綜合作用下，-3 m 深槽從上下游兩端向中間發(fā)育。經(jīng)沖刷，自然演變形成新的深槽，1號斷面位置，-2 m深槽寬150 m，-3 m深槽寬70 m；2號斷面位置，-2 m深槽寬170 m；3 號斷面位置，-2 m 深槽寬280 m，-3 m 深槽寬約130 m。其中，1號、2號之間-2 m深槽擴(kuò)寬率為1.62%，1號、3號之間-3 m深槽擴(kuò)寬率為2.43%，總體擴(kuò)寬率?。?］（見表2）。

表2 深槽擴(kuò)寬率Tab.2 Deep trough widening rate

本試驗反映了茅洲河徑流和漲潮流的造床特性，新深槽的出現(xiàn)也印證了水沙交互作用的適應(yīng)過程，試驗成果可為茅洲河口治理方案提供科學(xué)依據(jù)。

5.3 茅洲河口治理方案探討

通過試驗，與現(xiàn)狀相比，新沖刷的深槽束窄，-2 m 深槽寬度150～280 m，-3 m 深槽寬度70～130 m；現(xiàn)狀深泓線位于-3.3～-4.2 m，新岸線條件下，深槽變淺，介于-2.6～-3.4 m。

根據(jù)河道整治經(jīng)驗，深槽開挖時預(yù)留回淤空間，根據(jù)現(xiàn)狀及沖刷試驗后深泓線分布，可將挖深初定在-4 m。平面上，起點寬度參考1號斷面-2 m 深槽寬度，初步擬定150 m，在-2 m 深槽基礎(chǔ)上進(jìn)行浚深，上下游采用1.25%的小擴(kuò)寬率方案。方案平面布置見圖15。

6 結(jié)論與展望

（1）本次研究中，采用物理模型清水動床沖刷試驗，研究自然沖刷條件下，灘槽演變趨勢和新深槽的形成過程，結(jié)果表明，新深槽基本沿外推后的岸線貼岸分布，局部河床發(fā)生明顯沖刷，但-3 m等高線未貫通。

（2）空港新城使岸線外推，現(xiàn)有深槽被切斷，建議河口治理方案以河床自然演變?yōu)榛A(chǔ)，結(jié)合發(fā)展需求，整治起點為茅洲河出口，與上游深槽對接，下游接現(xiàn)狀-4 m 等高線，全長約4.0 km，推薦深槽開挖至-4.0 m，基本沿著本次研究成果中新沖刷出現(xiàn)的深槽布置，上游底寬150 m，下游底寬200 m，邊坡1∶7。

（3）不足與下一步研究計劃。根據(jù)試驗成果可知，岸線外推后，如果沒有人工干預(yù)，近岸河勢在短期內(nèi)將進(jìn)行明顯調(diào)整，堤腳沖深不利于新建海堤的穩(wěn)定，可能出現(xiàn)堤腳淘刷。鑒于本次研究未開展懸沙淤積試驗，河口治理方案實施后，深槽回淤及其穩(wěn)定性尚需進(jìn)行試驗研究，物理模型試驗也未加入波浪要素，下一步，根據(jù)實際治理需求，增加其他變量，開展淤積試驗，提出合理的深槽清淤與維護(hù)方案。