馮立文，姚清河, 蘇煒， 王生, 徐文兵

(中山大學(xué)航空航天學(xué)院，廣東 廣州 510275)

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，廣東珠江口附近進(jìn)行著廣泛的圍海造陸工程。這雖緩解了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和用地不足的問(wèn)題，卻在一定程度上改變了潮流的流速、流向和水文條件，人為加劇了航道的淤塞情況?？梢?，河口、海岸的泥沙輸移問(wèn)題是河口海岸工程研究的重要內(nèi)容，泥沙輸移問(wèn)題與港口的選址規(guī)劃布置、海岸線的淤積侵蝕、海洋環(huán)境保護(hù)都密切相關(guān)。因數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)不存在比例尺的限制，其成為了解決海岸、河口工程泥沙問(wèn)題所廣泛采用的方法。如：辛文杰[1]進(jìn)行了潮流波浪綜合作用下河口二維懸沙數(shù)學(xué)模型的研究；竇國(guó)仁[2]對(duì)河口海岸全沙模型相似理論進(jìn)行了研究；朱志夏等[3]進(jìn)行了海岸懸沙運(yùn)移數(shù)學(xué)模型的研究。以上成果為采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行潮流作用下泥沙運(yùn)動(dòng)的研究提供了重要理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。然而，泥沙輸移的影響因素較多，如波浪、水流、紊流強(qiáng)度、水下地形、泥沙類型及泥沙的沉積等，且現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)困難。關(guān)于泥沙運(yùn)動(dòng)的基本問(wèn)題還沒(méi)解決，亦無(wú)成熟的輸沙公式。泥沙輸移的數(shù)學(xué)模型雖在一定程度上可作為實(shí)際工程的依據(jù)，卻仍有許多問(wèn)題需要深入研究。

洪灣漁港工程地處珠江河口，位于磨刀門水道和洪灣水道交匯處的左岸，靠近入?？?，所以其既受珠江流域徑流的影響，又受珠江磨刀門外海的潮汐作用，水域水動(dòng)力特性復(fù)雜。受來(lái)自上游磨刀門水道排沙、以及西南沿岸洋流所攜帶的伶仃洋淺灘水沙的影響，水域河道及堤岸不斷變化；受徑流攜帶的水沙、外海潮汐動(dòng)力的影響，泥沙沖淤變化速度較快[4-5]。本文根據(jù)收集到的實(shí)測(cè)資料、歷史地形資料，建立了一維、二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行了潮位、潮流、含沙量等方面的驗(yàn)證；計(jì)算了工程前后其附近水域的潮流、泥沙運(yùn)動(dòng)特征，預(yù)測(cè)分析了工程建設(shè)后的泥沙回淤情況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了優(yōu)化措施。

1 研究對(duì)象與控制方程

洪灣漁港位于珠海市洪灣建材碼頭西北側(cè)、掛定角山東南側(cè)，洪灣水道與磨刀門水道交匯處，具體位置如圖1所示。規(guī)劃陸域面積為0.6 km2，海域面積為0.4 km2；碼頭岸線和漁用岸線長(zhǎng)度均超過(guò)1 000 m；規(guī)劃可停泊漁船1 000艘以上，年卸港量8萬(wàn)t以上。規(guī)劃方案中，洪灣漁港口門位于港池西北方，向西面對(duì)磨刀門水道?？陂T寬度約150 m。港池內(nèi)水域北寬南窄，內(nèi)航道寬度為60 m?？陂T處航道略寬于港池內(nèi)，達(dá)90 m，通過(guò)支航道與磨刀門航道相接，支航道長(zhǎng)度約350 m。規(guī)劃方案見圖2。

圖1 工程地理位置圖Fig.1 Geographic location of this project

圖2 規(guī)劃方案總平面布置圖Fig.2 The general layout of the construction plan

為了分析工程所在河段的水沙特性以及預(yù)測(cè)工程建設(shè)對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)的影響，本文采用二維潮流泥沙模型的方法。選取特征水文組合作為計(jì)算條件，用工程河段的二維潮流泥沙模型，計(jì)算詳細(xì)的水動(dòng)力特性及泥沙沖淤變化情況。

1.1 控制方程

一般而言，由于水流對(duì)沖流動(dòng)所引發(fā)的泥沙輸運(yùn)和遷移，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泥沙的自然擴(kuò)散，所以我們采用簡(jiǎn)化的二維平面懸沙運(yùn)動(dòng)方程[6]：

(1)

式中：h為水深，C為水體含沙量，t為時(shí)間，u和v分別為x和y方向的速度，k為泥沙恢復(fù)飽和系數(shù)，W為泥沙沉降速度，C0為水流挾沙能力。而，

(2)

式中：α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.023。β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.000 4。γs為泥沙容重，γ為水的容重，Cz為謝才系數(shù)，T為波浪周期，hw為波浪高。

水流連續(xù)方程：

(3)

式中：ζ為水面高程；p，q為x、y方向的單寬流量m3/(s·m-1) ；S為源匯項(xiàng)[7-8]。

水流運(yùn)動(dòng)方程：

(4)

式中：g為重力加速度，f為風(fēng)摩擦系數(shù)。V、Vx、Vy分別為風(fēng)速及其在x、y方向上的分量；Ω為柯氏力參數(shù)；Pa為大氣壓強(qiáng)；ρ為水的密度；S、Six、Siy分別為源匯項(xiàng)及其在x、y方向上的分量；τxx、τxy、τyy為有效剪切力分量[9-10]。

泥沙連續(xù)方程：

(5)

其中，n為河床孔隙率，z為河床高程，Sx為全沙或懸移質(zhì)沿x方向輸移量，Sy為全沙或懸移質(zhì)沿y方向輸移量，△S為河床沖淤量[11-12]。模型采用不平衡輸沙模式，這種模式下對(duì)流擴(kuò)散方程可以寫成如下形式：

ΔS=Φ0(η0)ωs(c-cε)

(6)

其中，η0是流速為零的床面，Φ0為單位河底高程線函數(shù)，ωs為懸移質(zhì)泥沙沉速，c為床沙沿深度方向平均值，cε為垂向平均的飽和含沙量。該式表示，如果水體中的含沙量大于飽和含沙量則發(fā)生淤積，如果水體中的含沙量小于飽和含沙量則發(fā)生沖刷[13-14]。

1.2 水動(dòng)力模型邊界

水動(dòng)力邊界條件分為開邊界與閉邊界兩種[15]。開邊界是指有水流出入的邊界，如分洪口門等；閉邊界是指不過(guò)水的邊界，如堤防。處理洪水問(wèn)題通常要引入干濕邊界。當(dāng)水深小時(shí)，把單元格動(dòng)量置為零，僅僅計(jì)算質(zhì)量。當(dāng)水深小到可以忽略時(shí)，則該單元格不考慮在計(jì)算中[16-17]。水深在每個(gè)單元格的值是可以監(jiān)測(cè)的，根據(jù)水深的大小，單元格被分為干、半干和濕單元格。如果單元格水深比特定水深hdry小，并且單元格沒(méi)有濕邊界，則這個(gè)單元格不再計(jì)算；如果單元格水深比hdry小，另一個(gè)面是濕邊界，認(rèn)為動(dòng)量為零僅僅計(jì)算質(zhì)量；如果單元格水深比hwet大，是濕單元格，則動(dòng)量和質(zhì)量都將被計(jì)算。hwet和hdry必須滿足hdry

默認(rèn)的值是hdry=0.005 m，hwet=0.1 m。如果把hwet值設(shè)置的很小，則可能出現(xiàn)偏離實(shí)際的大流速值從而引起不穩(wěn)定的問(wèn)題[18-19]。

2 模型建立與驗(yàn)證

2.1 計(jì)算域及模型的動(dòng)邊界條件

二維潮流模型的長(zhǎng)約60 km、寬約25 km，從上游的磨刀門水道的控制站-竹銀至下游口門, 如圖3所示。模型范圍既包含了擬建工程的影響范圍，又可以充分考慮河道水流的特征。研究采用三角形網(wǎng)格劃分程序?qū)ΧS模型計(jì)算區(qū)域剖分，并對(duì)港址所在水域局部網(wǎng)格進(jìn)行了加密，共布置網(wǎng)格26 315個(gè)。最小網(wǎng)格尺寸為10 m，如圖4所示。

研究水域內(nèi)有江心洲和邊灘，為了正確模擬這些江心洲和邊灘在漲、落潮期間淹沒(méi)及出露的不同狀況，模型采用動(dòng)邊界技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理。即，將落潮期間出露的區(qū)域轉(zhuǎn)化為灘地，同時(shí)形成新邊界；反之，將漲潮期間淹沒(méi)的灘地轉(zhuǎn)化成計(jì)算水域[20-22]。

圖3 二維網(wǎng)格模型Fig.3 Two-dimensional mesh

圖4 工程附近局部二維網(wǎng)格Fig.4 Local two-dimensional mesh near the project

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 潮位 從圖5可知，在該水文條件下，模型與原型的潮位過(guò)程線吻合良好，模型的漲、落潮歷時(shí)和相位與原型實(shí)測(cè)資料一致，潮位特征值驗(yàn)證誤差都小于±0.10 m，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的精度要求。

2.2.2 含沙量 各測(cè)站含沙過(guò)程見圖6。從圖中可以看出，模型計(jì)算所得的各垂線懸沙濃度變化過(guò)程與觀測(cè)資料的趨勢(shì)一致。

圖5 燈籠左的水位實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.5 Comparison of measured and calculated water levels on the left side of Denglongzuo

圖6 燈籠左含沙量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.6 Comparison of measured and calculated sediment concentration at the left of Denglongzuo

以上結(jié)果表明：模型能夠較好的模擬工程水域的潮流運(yùn)動(dòng)、懸沙分布等情況，其精度滿足驗(yàn)證要求，說(shuō)明模型概化和計(jì)算參數(shù)選擇合理，可以用于工程方案的潮流泥沙計(jì)算分析。

3 結(jié)果分析

根據(jù)已有資料及二維潮流模型的計(jì)算結(jié)果，可對(duì)工程前后的流場(chǎng)變化情況進(jìn)行分析。流場(chǎng)變化分析中涉及工程附近水域整體流態(tài)、港池和航道等位置的流速特征，及工程特征點(diǎn)位置的潮流變化情況等等。為此，需布置若干采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)位置如圖7所示。模型中共布設(shè)有52個(gè)流速采樣點(diǎn)，1#-12#采樣點(diǎn)布置在港池內(nèi)，13#-15#采樣點(diǎn)在口門中心，16#-27#采樣點(diǎn)位于進(jìn)港支航道上，28#-34#采樣點(diǎn)位于磨刀門航道上，35#-43#與44#-52#采樣點(diǎn)分別位于工程上、下游。

圖7 流速采樣點(diǎn)位置圖Fig.7 Sample point locations of velocity

3.1 工程前后洪季大潮漲急時(shí)刻流場(chǎng)分析

“99·7”洪水水文條件下，工程前后大潮漲急時(shí)刻流場(chǎng)及流速變化，如圖8所示。工程口門附近地形為淺灘，水深較淺，加上上游掛錠角水閘凸出岸線的挑流作用，口門及航道受該挑流作用流速不大。港池內(nèi)，由于水域納潮量不大，進(jìn)出口門流量小，其流速更小。

圖8 方案實(shí)施前后，洪季大潮漲急時(shí)刻的流場(chǎng)和流速Fig.8 The flow field (a) and velocity (b) when the tide rises sharply in flood season

洪季大潮漲急時(shí)刻，工程建設(shè)前各特征點(diǎn)的最大流速為0.34 m/s，出現(xiàn)在靠近主流的磨刀門航道上。工程建設(shè)后，新增加的港池水域內(nèi)流速一般不超過(guò)0.02 m/s。進(jìn)港支航道內(nèi)流速均有所減少，最大減少值為0.08 m/s，出現(xiàn)在19#點(diǎn)。工程下游流速有所增大，最大增幅為0.03 m/s(口門正南側(cè)靠岸位置，46#采樣點(diǎn))。流向的變化主要發(fā)生在進(jìn)港支航道位置，由于進(jìn)港支航道走向與水流方向基本垂直，隨著航道的浚深，水深在小范圍內(nèi)出現(xiàn)較大幅度的變化，對(duì)水流有折射作用。

3.2 工程前后洪季大潮落急時(shí)刻流場(chǎng)分析

“99·7”洪水水文條件下，工程前后大潮落急時(shí)刻流場(chǎng)及流速變化，如圖9所示。相比于漲急時(shí)刻，洪季大潮落急時(shí)刻，漁港口門及航道處水動(dòng)力有所增強(qiáng)；工程建設(shè)前各特征點(diǎn)的最大流速為0.92 m/s，出現(xiàn)在靠近主流的磨刀門航道上；港池內(nèi)流速量值變化不大，流速一般不超過(guò)0.03 m/s。進(jìn)港支航道內(nèi)流速均有所減少，最大減少值為0.22 m/s，出現(xiàn)在22#點(diǎn)。工程下游流速有所增大，最大增幅為0.06 m/s(口門正南側(cè)淺灘，45#、46#采樣點(diǎn))。

流向的變化主要發(fā)生在進(jìn)港支航道位置，主要表現(xiàn)在靠近主流一側(cè)的采樣點(diǎn)流向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，而靠近口門一側(cè)的采樣點(diǎn)流速順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，后者與主流和港池經(jīng)口門向外的落潮流交匯有關(guān)。

3.3 工程前后枯季大潮漲急時(shí)刻流場(chǎng)分析

圖10為“01·2”枯水水文條件下，工程前后漲急時(shí)刻流場(chǎng)及流速變化情況。

圖9 方案實(shí)施前后，洪季大潮落急時(shí)刻的流場(chǎng)和流速Fig.9 The flow field (a) and velocity (b) when the tide ebbs in flood season

圖10 方案實(shí)施前后，枯季大潮漲急時(shí)刻的流場(chǎng)和流速Fig.10 The flow field (a) and velocity (b) at the high tide in dry season

由計(jì)算結(jié)果可知，在枯季大潮漲急時(shí)刻，工程建設(shè)前各特征點(diǎn)的最大流速為0.59 m/s，出現(xiàn)在靠近航道下游的47#點(diǎn)。工程建設(shè)后，新增加的港池水域內(nèi)流速一般不超過(guò)0.03 m/s。特征點(diǎn)流速值的變化規(guī)律與流速等值線變化趨勢(shì)基本相同，進(jìn)港支航道內(nèi)流速均有所減少，平均減少值約0.1 m/s；最大減少值為0.18 m/s，出現(xiàn)在靠近口門的航道主槽(20#采樣點(diǎn))。工程上下游流速有所增大，最大增幅為0.06 m/s，出現(xiàn)在航道上游，口門西北方的淺灘(42#采樣點(diǎn))。水流流向變化與洪季大潮趨勢(shì)一致。

3.4 工程前后枯季大潮落急時(shí)刻流場(chǎng)分析

圖11為“01·2”枯水水文條件下，工程前后落急時(shí)刻流場(chǎng)及流速變化情況。

圖11 方案實(shí)施前后，枯季大潮落急時(shí)刻的流場(chǎng)和流速Fig.11 The flow field (a) and velocity (b) of spring tide in the dry season

從計(jì)算結(jié)果可知，在枯季大潮落急時(shí)刻，工程建設(shè)前各特征點(diǎn)的最大流速為0.66 m/s，出現(xiàn)在靠近主流的磨刀門航道上。工程建設(shè)后，新增加的港池水域內(nèi)流速一般不超過(guò)0.04 m/s。特征點(diǎn)流速值的變化規(guī)律與流速等值線變化趨勢(shì)基本相同，進(jìn)港支航道靠近主流的位置流速均有所減少，最大減少值為0.20 m/s，出現(xiàn)在中部航道的主槽內(nèi)(22#采樣點(diǎn))。流向的變化主要發(fā)生在進(jìn)港支航道位置，其流向多為順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。

3.5 工程水域泥沙回淤計(jì)算與分析

工程附近的沖淤平面分布，如圖12所示。從圖中可以看出，在正常年份的來(lái)水來(lái)沙條件下，工程方案實(shí)施后，淺灘仍然呈現(xiàn)淤積態(tài)勢(shì)，淤積呈帶狀分布，平均淤積厚度約0.30 m。擬建工程的進(jìn)港支航道靠近口門位置出現(xiàn)明顯的淤積，淤積的分布比較集中，最大淤積厚度達(dá)0.92 m；口門內(nèi)和港池淤積則逐漸減小。

圖12 規(guī)劃方案實(shí)施后，年淤積分布圖Fig.12 Years siltation distribution after the implementation

4 結(jié) 論

本文主要研究洪灣漁港工程建設(shè)對(duì)周圍水域潮流運(yùn)動(dòng)和泥沙淤積的影響，經(jīng)計(jì)算可以得出以下結(jié)論：

1)工程對(duì)于水流流速的影響主要在港池、口門及航道附近，流速相比工程前有所減小，漲落急時(shí)刻減小值約0.05-0.20 m/s。

2)工程對(duì)于水流流向的影響主要發(fā)生在進(jìn)港支航道位置，對(duì)主流的影響較小。

3)規(guī)劃方案實(shí)施后，港池內(nèi)年平均淤積厚度為0.21 m，淤積量為8.5萬(wàn)m3；進(jìn)港支航道主槽部分淤積厚度較大，年平均淤積0.53 m，淤積量2.0萬(wàn)m3；進(jìn)港支航道邊坡的年平均淤積厚度為0.26 m，淤積量為0.8萬(wàn)m3；工程開挖水域內(nèi)一年總淤積量為11.3萬(wàn)m3。最大淤積強(qiáng)度約0.9 m，出現(xiàn)在口門外側(cè)。

4)工程實(shí)施后進(jìn)港支航道的平均回淤?gòu)?qiáng)度較大，最大淤積部位在口門附近，約為0.92 m。淤積的原因一方面是因?yàn)榭陂T靠近岸邊，且上下游有不斷發(fā)育的淺灘，需要通過(guò)疏浚才能達(dá)到設(shè)計(jì)水深。另一方面是因?yàn)榭陂T附近流速緩慢，動(dòng)力很弱，這些因素會(huì)導(dǎo)致口門附近出現(xiàn)較明顯的淤積。

5)針對(duì)口門淤積的問(wèn)題，可通過(guò)以下措施進(jìn)行優(yōu)化：a.出口大范圍開挖。按照設(shè)計(jì)深度，在約2倍口門寬度范圍開挖，按照1∶10斜坡放坡，向兩側(cè)均等延伸；b. 兩側(cè)開挖區(qū)，具有預(yù)留沉砂池的功能，避免上游淤泥直接進(jìn)入航道；c.砌筑短丁壩?？陂T兩側(cè)上下各20 m處，設(shè)20 m長(zhǎng)的丁壩，淺灘淤泥可能在風(fēng)浪條件下匯入航道，短丁壩主要是攔截近岸淤泥。