礬石航道建設(shè)對(duì)水動(dòng)力和沖淤演變的影響研究

趙昊毅，林凱榮，譚 超

(1.中山大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 珠海 519082；2.廣東省航道事務(wù)中心，廣州 510115；3.廣東省深圳航道事務(wù)中心，廣東 深圳 518031；4.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635)

1 概述

伶仃洋附近的沿海航道對(duì)粵港澳大灣區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展起著重要作用。尤其是伶仃航道和南沙港的建設(shè)帶動(dòng)了廣州航運(yùn)繁榮發(fā)展。在伶仃航道的東邊是礬石航道，是廣東省的重要沿海航道，規(guī)劃等級(jí)為10萬t級(jí)，現(xiàn)狀維護(hù)等級(jí)為500 t級(jí)，礬石航道的建設(shè)也列入了交通運(yùn)輸部和廣東省的“十四五”水運(yùn)重點(diǎn)項(xiàng)目庫。

在國家“九五”攻關(guān)時(shí)期，曾經(jīng)與伶仃航道進(jìn)行綜合比選：早在1985年，楊振寰[1]指出礬石水道航線短，漲落潮流速大，呈現(xiàn)沖刷趨勢(shì)，適合開挖，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有優(yōu)勢(shì)；羅肇森[2]通過數(shù)模驗(yàn)證了其按照12.5 m浚深，其第一年回淤量與伶仃航道相比減少43.7%，建設(shè)該航道具有經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)可行性；尹毅[3]采用了中子活化示蹤砂技術(shù)得出礬石水道的泥沙沿礬石淺灘南移沉積，部分流向伶仃航道；徐君亮[4]在潮動(dòng)力研究上證實(shí)了羅肇森提出的觀點(diǎn)。但最終經(jīng)多方考慮還是決定建設(shè)伶仃航道。進(jìn)入21世紀(jì)，吳明陽等[5]利用定床淤積試驗(yàn)證明伶仃航道的平均淤強(qiáng)和淤積量大于礬石水道，但總量僅相差0.08 m/a和36 m3/a，均屬同一量級(jí)變化。但在綜合比選后國家決定建設(shè)伶仃航道，礬石航道關(guān)注度日漸降低。

直到深中通道的建設(shè)，產(chǎn)生了采用橋隧結(jié)合方式建設(shè)大型通道將會(huì)影響廣州港的通航能力的問題以后，關(guān)于礬石水道的有關(guān)研究又重新啟動(dòng)。何用[6]、李團(tuán)結(jié)[7]、姚海元[8]等的論文指出：西灘整體向東南方向淤積發(fā)展，淤積發(fā)展速率最快；中灘整體呈北端略有侵蝕，淤積下移，其淤積發(fā)展速率小于西灘；東灘淤積速率較小，淤積發(fā)展速率相對(duì)緩慢；陳靜[9]等使用了伶仃洋整體潮流物理模型驗(yàn)證了深中通道人工島的建設(shè)會(huì)略微增強(qiáng)礬石水道的流速，受人工島及索塔、錨碇的影響，礬石水道內(nèi)流速普遍增大，推薦方案對(duì)礬石水道影響幅度最大增幅為0.09 m/s；上述研究證明了礬石水道回淤不強(qiáng)，適合開發(fā)。韓志遠(yuǎn)[10]根據(jù)深中通道勘察、水文測(cè)驗(yàn)和數(shù)模成果推斷礬石水道附近區(qū)域表層沉積物自北向南的輸移趨勢(shì)較明顯，東西向輸移趨勢(shì)不明顯，河流來沙和潮流動(dòng)力是泥沙輸移的主要影響因素。李孟國[11]的論文系統(tǒng)總結(jié)了今年伶仃洋區(qū)域的河流變化情況，指出礬石水道受控于潮流，礬石水道水域含沙量整體較低，表層含沙量多在0.05 kg/m3以下，并且在礬石水道施工區(qū)域進(jìn)行的試挖槽實(shí)驗(yàn)表明該段整體淤積強(qiáng)度不大。

整體而言，專門針對(duì)礬石航道沖淤演變的研究并不多，因此，本文以礬石水道航道工程[12]為例，通過使用FVCOM數(shù)學(xué)模型進(jìn)行耦合，對(duì)礬石開展三維潮流數(shù)值模擬試驗(yàn)[13]，預(yù)測(cè)分析礬石航道工程實(shí)施后對(duì)區(qū)域水流的影響情況。

2 研究區(qū)域概況與模型范圍

伶仃洋分三灘兩槽，東槽為礬石水道，西槽為伶仃航道(廣州港出海航道)，深中通道橫跨中間。礬石水道位于珠江口伶仃水道東側(cè)，北連接龍穴水道，南至大鏟島燈樁以西約0.5海里，連接大鏟水道北端，長約9.1海里，南段最窄處5 m以上水深寬約1 000 m，是珠江水網(wǎng)中、小型船舶往返香港、深圳的重要航路。擬建礬石航道北起虎門沙角，南至蛇口港區(qū)，全長約38 km，詳細(xì)地理位置見圖1。

本研究擬通過國際上應(yīng)用比較成熟的FVCOM數(shù)學(xué)模型對(duì)該航段進(jìn)行數(shù)值模擬。模型網(wǎng)格尺度采用漸變形式，外海采用大尺度網(wǎng)格，最大尺度為3 000 m，在礬石水道、人工島、橋墩等細(xì)部構(gòu)筑物附近采用小尺度網(wǎng)格，最小尺度約2 m。在工程局部的三維模型中，模型垂向分15層，底部適當(dāng)加密。模型模型計(jì)算域及網(wǎng)格剖分見圖2。

3 模型理論

本文的潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算采用國際廣泛應(yīng)用的開源代碼程序FVCOM。FVCOM模型是基于有限體積法、自由表面、三維原始方程的海洋數(shù)值模式。在垂向上采用σ坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系可以更好的擬合復(fù)雜的海底地形；在水平方向上采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，該網(wǎng)格可以更好的擬合復(fù)雜的岸線，該模型被廣泛應(yīng)用于近岸和區(qū)域海洋模擬中，取得了良好的模擬效果。

3.1 模型基本理論

FVCOM數(shù)學(xué)模型的主要方程是基于自由表面的原始控制方程。

動(dòng)量方程為：

(1)

(2)

(3)

連續(xù)性方程為：

(4)

其中：

x，y，z——笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，分別為東西方向、南北方向以及垂向的坐標(biāo)；

u，v——分別為水平方向的東分量速度和北分量速度；

w——垂向速度；

g——重力加速度；

t——時(shí)間；

ρ0——平均密度；

f——科氏參數(shù)；

Km——垂向渦粘系數(shù)；

Fu和Fv——水平動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)。

工程海域泥沙運(yùn)動(dòng)以懸移質(zhì)為主，懸沙運(yùn)動(dòng)控制方程采用考慮沉降的對(duì)流擴(kuò)散方程：

(5)

其中：

AH和Kh——分別為水平和垂向泥沙質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)；

u，v，w——分別為x、y、z向水流速度；

C——懸浮泥沙濃度；

wS——泥沙沉速。

海床沖淤模型采用以下公式：

(6)

其中：

F——泥沙凈通量；

ρs——泥沙干容重；

zb——計(jì)算時(shí)間T內(nèi)單位長度上海床沖淤強(qiáng)度。

3.2 模型數(shù)據(jù)來源

本文地貌數(shù)據(jù)來源于以及深圳航道局2016—2017年對(duì)深圳礬石水道的測(cè)量數(shù)據(jù)成果[15]；徑流數(shù)據(jù)來源于楊明遠(yuǎn)[16]等于2008年編寫的《珠江口水流泥沙運(yùn)動(dòng)模擬研究》中1956—2000年徑流的分析結(jié)果和流域水文站的水文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；洪水和輸沙數(shù)據(jù)是馬口、博羅、三水站1960—2016年的水文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)整理而成；風(fēng)數(shù)據(jù)來源于赤灣站1995—2005年的的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；波浪數(shù)據(jù)來源于九澳波浪觀測(cè)站1986—2001年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、桂山北海洋觀測(cè)站2010—2011年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、珠海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站2018年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；潮汐數(shù)據(jù)來源于潮汐表金星門、赤灣、桂山島、內(nèi)伶仃和舢板洲站的數(shù)據(jù)(潮汐表)；潮流數(shù)據(jù)和鹽度數(shù)據(jù)來自本項(xiàng)目2016年開展的水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)；海上懸沙數(shù)據(jù)來源于本項(xiàng)目2016年開展的水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)和2016—2017年高分一號(hào)的影像數(shù)據(jù)；疏浚區(qū)域海床底質(zhì)數(shù)據(jù)來源于2017年本項(xiàng)目開展的地勘數(shù)據(jù)和水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 模型驗(yàn)證結(jié)果

4.1 潮流泥沙驗(yàn)證

本研究曾驗(yàn)證了多個(gè)工況，受限于篇幅，本次僅介紹利用2016年和2017年廣東省航道事務(wù)中心組織開展的兩次水文泥沙測(cè)驗(yàn)資料[17]作為實(shí)測(cè)資料對(duì)FVCOM模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證的主要內(nèi)容包括：FVCOM模型模擬的2016年6月洪季和11月枯季的潮位、流速流向、含沙量等變化過程。水文測(cè)站位置見圖3。

圖3 水文測(cè)驗(yàn)測(cè)站位置示意

驗(yàn)證結(jié)果見圖4～圖6，驗(yàn)證結(jié)果表明：采用FVCOM模型的驗(yàn)證結(jié)果與水文測(cè)驗(yàn)的實(shí)測(cè)值相對(duì)接近，洪枯季的大、小潮潮位驗(yàn)證結(jié)果較為準(zhǔn)確；洪枯季的大、小潮流速、流向驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確，僅有少量點(diǎn)在低潮位時(shí)與實(shí)測(cè)值有所偏差；洪季大潮驗(yàn)證在高潮位含沙量偏小，中低潮位含沙量驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確。整體而言，該模型能夠比較好地模擬礬石水道地區(qū)的潮流泥沙變化情況。

圖4 2016年6月洪季和11月枯季大、小潮潮位驗(yàn)證示意

圖5 2016年6月洪季大(左)、小(右)潮流速、流向驗(yàn)證示意

圖6 2016年6月洪季大(左)、小(右)含沙量驗(yàn)證示意

4.2 沖淤驗(yàn)證

4.2.1伶仃航道段沖淤驗(yàn)證

伶仃航道在2012年期間未進(jìn)行過施工或疏?；顒?dòng)，該年度航道的泥沙回淤情況可作為數(shù)學(xué)模型泥沙回淤驗(yàn)證的依據(jù)。上游邊界采用2012年馬口、三水和博羅實(shí)際流量過程(見圖7)，外海邊界采用大、中、小潮循環(huán)過程，模擬時(shí)間1 a。具體位置和模擬結(jié)果見表1和圖8所示。

圖7 流量過程線示意

圖8 測(cè)試航段位置示意

表1 伶仃航道回淤驗(yàn)證計(jì)算

從表1可看出，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果量級(jí)比較接近，除KP28(F)-KP44(G)段有一定變化外，其他模擬結(jié)果都比較近似，可認(rèn)為模型能夠較好模擬該區(qū)域的回淤變化情況。

4.2.2整體沖淤驗(yàn)證

以2016年水情為例，上游邊界采用2016年馬口、三水和博羅實(shí)際流量過程，外海邊界采用實(shí)測(cè)大、中、小潮循環(huán)過程，模擬時(shí)間1 a，海床沖淤模擬結(jié)果見圖9右圖。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：伶仃洋海床有沖有淤，海床沖刷部位多發(fā)生在淺灘和水流較為集中、流速較大的水域；淤積部位主要發(fā)生在天然或人工形成的深槽、深坑水域，例如航道、港池的開挖水域以及伶仃洋中部的挖砂坑水域，伶仃航道淤積較為明顯，從北到南沿程均表現(xiàn)為淤積態(tài)勢(shì)，年淤厚多在1.0 m以下；銅鼓航道沿程也表現(xiàn)為淤積態(tài)勢(shì)，其中北段連接西部公共航道的部分航段淤積超過1.5 m/a；大鏟灣港池的淤積強(qiáng)度也超過1.5 m/a。南沙港池淤積多在1 m/a左右，部分區(qū)域超過1 m/a。經(jīng)與實(shí)測(cè)值(見圖9左圖)對(duì)比，本模型的泥沙數(shù)模海床沖淤模擬結(jié)果本文研究海域?qū)嶋H海床沖淤變化基本相符。

5 礬石航道工程實(shí)施對(duì)水動(dòng)力及海床沖淤影響分析

利用FVCOM模型對(duì)航道工程實(shí)施后水位、流速、三維流場(chǎng)和沖淤影響進(jìn)行分析，分析航道工程建設(shè)對(duì)區(qū)域水文及地形沖淤的影響。

5.1 流態(tài)分析

為了更好地復(fù)演伶仃海域?yàn)┎鄣孛哺窬窒缕鋸?fù)雜的流場(chǎng)特征，本項(xiàng)目在礬石水道航道工程所在海域采用了三維精細(xì)化模型，垂向分15層，底部進(jìn)行了適當(dāng)加密。圖10中選取表層、水下-5 m層，水下-10 m層展示了其漲落潮流場(chǎng)分布。

圖10 礬石水道流態(tài)變化分析示意

從軸線縱切面流態(tài)可以看出，落急時(shí)刻礬石航道上段流速較強(qiáng)勁，漲急時(shí)刻大鏟島南側(cè)航段流速較強(qiáng)勁。二者之間的航段流速略小于首尾兩處航段的流速。

從航道中軸線縱切面流態(tài)可以看出，表層至中層之間的流場(chǎng)由于未受到海底復(fù)雜灘槽地貌格局的影響，表現(xiàn)為層流平順流態(tài)，中層至底部海床之間的流態(tài)由于受海底復(fù)雜灘槽地形的影響，流態(tài)相對(duì)較亂，流向隨水深變化有明顯的俯沖上仰現(xiàn)象。

從不同里程處航道橫切面跨槽流態(tài)可以看出，大鏟島以南的航段基本是西側(cè)中灘灘面，東側(cè)深槽，大鏟島以北的航段基本是東側(cè)東灘灘面，西側(cè)東槽深槽。橫切面流態(tài)反應(yīng)了不同航道里程處跨槽流態(tài)的特征，灘槽之間地形突變處，歸槽水流現(xiàn)象顯著，流速較大，深槽區(qū)流速明顯減小。

5.2 工程后的三維流場(chǎng)研究

伶仃洋是一個(gè)準(zhǔn)喇叭狀的河口灣，潮波自南海北部傳入伶仃洋后潮汐由不正規(guī)日潮轉(zhuǎn)為不正規(guī)半日潮性質(zhì)，在一個(gè)太陰日(約24 h 50 min)，有兩次高潮和兩次低潮，但潮差、漲落潮歷時(shí)不等，日不等現(xiàn)象顯著。本海域潮流以不正規(guī)半日潮流為主，具有較為明顯的日不等現(xiàn)象，表現(xiàn)為往復(fù)流。研究區(qū)域水域漲、落潮平均流速分別為0.23 m/s和0.43 m/s，漲潮流速小于落潮流速；其中大潮漲、落潮段平均流速分別為0.33 m/s和0.51 m/s，中潮漲、落潮段平均流速分別為0.22 m/s和0.42 m/s，小潮漲、落潮段平均流速分別為0.15 m/s和0.36 m/s。礬石水道航道工程借助伶仃洋海域“東槽”、“多處不連續(xù)挖砂坑”的“深水”有利條件，雖然航道里程長，但開挖工程量量級(jí)上與原伶仃航道等工程相比并不算大。本文方案航道總里程為37.19 km，需開挖的航道里程占航道總里程百分比為32%，最大挖深為3.70 m，平均挖深約1.43 m。漲落潮現(xiàn)象見圖11和圖12。

圖11 工程方案實(shí)施后工程區(qū)域漲落急流場(chǎng)分布示意(左圖為漲急，右圖為落急)

圖12 礬石航道沿航道中軸線縱切面漲落潮流場(chǎng)(上圖為深圳側(cè)視角，下圖為南沙側(cè)視角)

伶仃洋漲落潮流呈典型往復(fù)流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，主流向近乎南北，落潮流強(qiáng)于漲潮流，主槽水流普遍大于邊灘水流。東、西槽的潮流流向與深槽走向基本一致；東部淺灘漲潮流經(jīng)大鏟島附近后沿岸線平行上溯，略有偏向東槽的趨勢(shì)；西灘因受海區(qū)地形和口門來水的影響，漲落潮流與主槽有一定交角，漲潮流介于330°～350°之間，落潮流介于120°～160°之間。本文方案全程航道軸線走向與漲落潮主流向夾角均較小，最大夾角16°，航道沿程最大橫流流速整體較小，最大橫流流速0.30 m/s。從航道中軸線縱切面流態(tài)可以看出，落急時(shí)刻礬石航道上段流速較強(qiáng)勁，漲急時(shí)刻大鏟島南側(cè)航段流速較強(qiáng)勁。二者之間的航段流速略小于首尾兩處航段的流速。表層至中層之間的流場(chǎng)由于未受到海底復(fù)雜灘槽地貌格局的影響，表現(xiàn)為層流平順流態(tài)，中層至底部海床之間的流態(tài)由于受海底復(fù)雜灘槽地形的影響，流態(tài)相對(duì)較亂，流向隨水深變化有明顯的俯沖上仰現(xiàn)象。礬石航道方案實(shí)施后對(duì)周圍水流動(dòng)力的影響范圍僅局限在航道沿程有開挖浚深里程段，流速最大增幅為0.08 m/s，流速最大減幅為0.19 m/s，大部分水域流速增減幅度均在0.10 m/s以內(nèi)。

5.3 工程實(shí)施后泥沙回淤及海床沖淤影響分析

本文方案實(shí)施后，會(huì)引起工程區(qū)及附近區(qū)域水動(dòng)力條件發(fā)生一定程度改變，當(dāng)工程后新流速的挾沙力能力小于工程前流速的起懸型平衡含沙量，且工程后流速小于不淤流速，則海床發(fā)生淤積；當(dāng)工程后新流速相應(yīng)的挾沙能力大于工程前流速的沉降型平衡含沙量，且工程后流速大于泥沙的起動(dòng)流速，則海床發(fā)生沖刷；當(dāng)工程后新流速相應(yīng)的挾沙能力介于工程前流速的起懸平衡含沙量和沉降型平衡含沙量之間，則海床發(fā)生微沖微淤，沖淤基本平衡。根據(jù)工程方案，選用正常年水文數(shù)據(jù)進(jìn)行全年模擬，模擬結(jié)果如圖13所示。

圖13 實(shí)施后周圍海床沖淤變化示意(“”表示淤積，“-”表示沖刷)

從模擬結(jié)果可看出，本文工程實(shí)施后引起的海床沖淤變化影響范圍僅局限在航道線沿程區(qū)域，未影響到深圳西部港區(qū)、赤灣港區(qū)、蛇口港區(qū)、媽灣港區(qū)、西部公共航道，南沙港區(qū)、深中通道等周邊工程?；赜俚闹饕恢脼?.2介紹的水動(dòng)力下降的位置，經(jīng)計(jì)算，航段建設(shè)后年淤厚區(qū)間約0.21～0.65 m；年平均淤厚約0.43 m；年回淤量約62萬m3。施工階段和航道建成初期由于航道邊坡尚未穩(wěn)定，年回淤量為正常情況下年回淤量的1.5～2.0倍。

5.4 航道工程實(shí)施后對(duì)水位的影響

本文設(shè)計(jì)了11個(gè)斷面觀測(cè)點(diǎn)，取2016年6月洪季大潮作為代表水情進(jìn)行分析，觀測(cè)點(diǎn)位置和水位變化見圖14和表2。由計(jì)算結(jié)果可知：本文工程實(shí)施后，對(duì)于11個(gè)斷面觀測(cè)點(diǎn)的水位的影響并不大，航道沿程高潮位僅CW6位置增高0.1 cm，其余位置未發(fā)生變化，航道沿程低潮位變化幅度也不大，降低幅度為0～0.2 cm。

表2 礬石水道沿程潮位變化 m

5.5 工程實(shí)施后對(duì)流速的影響

本文方案實(shí)施后會(huì)改變局部地貌特征，水流動(dòng)力條件也會(huì)隨之發(fā)生改變。取2016年6月洪季大潮作為代表水情進(jìn)行分析(模擬結(jié)果見圖15)，根據(jù)模擬結(jié)果，選線方案實(shí)施后對(duì)周圍水流動(dòng)力的影響范圍僅局限于航道沿程有開挖浚深里程段，流速最大增幅為0.08 m/s，最大減幅為0.19 m/s，大部分水域流速增減幅度在0.10 m/s以內(nèi)。但值得關(guān)注的是，大鏟島北附近是大鏟島北航道與礬石水道的交界處，其水流流速有所下降，會(huì)引起大鏟島北航段淤積，不利于行船安全。其他水動(dòng)力條件下降位置主要位于茅洲河口航道與礬石水道交界處，此處主要是徑流與海流交匯處，水動(dòng)力條件較弱，在疏挖后徑流水動(dòng)力逐漸下移，會(huì)在此引起淤積。

圖15 工程實(shí)施后對(duì)周圍海域水流動(dòng)力影響示意

6 結(jié)語

礬石水道航道工程起點(diǎn)位于東莞沙角，穿越大鏟島和孖洲島，終點(diǎn)位于蛇口港，全長約38 km。該航道的開發(fā)是解決“西橋東隧”導(dǎo)致的廣州港出海航道通航凈高限制問題的重要手段，對(duì)廣州港、深圳港、東莞港的發(fā)展具有重大意義。

本文通過數(shù)學(xué)模型研究，析航道建設(shè)對(duì)區(qū)域水動(dòng)力和沖淤演變的影響。研究發(fā)現(xiàn)，航道工程實(shí)施后對(duì)水位的影響不大，航道中部高潮位增高約0.1 cm，低潮位降低幅度為0～0.2 cm；工程實(shí)施后對(duì)周圍水動(dòng)力的影響范圍僅局限在航道沿程有開挖浚深里程段，流速最大減幅約0.19 m/s，但范圍較小，大部分水域流速增減幅度在0.10 m/s以內(nèi)；航道建設(shè)后年淤厚區(qū)間約0.21～0.65 m，年平均淤厚約0.43 m，年回淤量約62萬m3，施工階段和航道建成初期由于航道邊坡尚未穩(wěn)定，回淤量是正常年份下的1.5～2.0倍。

該航道開發(fā)后，年淤強(qiáng)相對(duì)總疏浚量643萬m3而言量級(jí)較小，但能夠使該航道從當(dāng)前通航3 000 t船舶提升至可通航10 000 t船舶，所產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益高于開發(fā)成本，對(duì)珠三角港口群發(fā)展和船舶交流具有重大意義。建議工程實(shí)施過程要做好與深中通道的銜接，沉管浮運(yùn)前后應(yīng)暫停航道工程施工，防止河床演變影響沉管施工。此外，航道開挖對(duì)伶仃洋區(qū)域咸潮上溯的影響還需要進(jìn)一步研究。