第２期 广东水利水电 Ｎｏ．２ ２０１１年２月 ＧＵＡＮＧＤ０ＮＧ ＷＡＴＥＲ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ ＡＮＤ ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ Ｆｅｂ．２０１１ 河口区重大工程活动对河床演变影响的数值模拟研究 卢素兰，蒋星科，吴 琼 （珠江水利科学研究院，广东广州５１０６４０） 摘要：应用一、二维联解潮流泥沙数学模型和局部二维潮流泥沙数学模型，选取合适的水文条件，模拟分析河口区重大工 程活动对河口滩槽演变乃至上游口门输沙等宏观水沙条件的影响。计算结果表明，该研究思路和成果是合理可取的，既可 从宏观上把握工程活动的基本影响，又能较为详细地反映工程水域河床的具体变化，可作为相关研究的借鉴和参考。 关键词：河口；工程活动；河床演变；数值模拟 中图分类号：ＴＶ１４７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８一Ｏ１１２（２０１１）０２—０００５—０４ １问题的由来 对于河口区的大型涉水工程，其影响可能波及河口 近年来，伶仃洋东西两岸的开发活动频繁，包括西部 区乃至上游三角洲网河区，因此研究考虑先应用一维网 口门的整治开发、大铲湾港区工程、深圳机场工程、深圳 河区、二维河口区联解的潮流泥沙数学模型，再从联解 沿海高速建设等；同时航道升级和开发也在逐步实施，如 模型计算结果中提取水沙边界，应用局部二维潮流泥沙 广州港出海航道三期工程、深圳西部公用航道工程等；另 数学模型开展相关细致的研究。 外，举世瞩目的港珠澳大桥工程也已开工建设。如此众 ２．１．１一维网河区潮流泥沙数学模型 多的工程建设，无疑会导致伶仃洋水域水沙动力环境的 １）模型控制方程 变化。而其中不乏规模宏大的建设项目，如广州港出海 连续方程： 航道三期工程和港珠澳大桥工程。以往的研究，多以口 ＋曰 门为界，分析工程建设对伶仃洋水域滩槽变化的影响。 ｄ ｄ 但对于前述的大型工程，应用上边界至东四口门的二维 运动方程： 模型开展相关河床冲淤演变的研究，显然是有所欠缺的， Ｏｔ＋ （。 ２）＋ 因为它首先就假定工程影响在口门以下，而在实际的研 意＋ ＝。 （２） 究成果出现之前，对大型工程影响范围的任何假定依据 泥沙对流扩散方程： 都不充分。因此，针对河口区的大型工程活动，考虑先应 Ｏｔ ＋ Ａ Ｏｘ ・ 一 Ａ Ｏｘ ・Ｏ（ＤＡ Ｏｓ）＋口 Ｂ（ＳＯｘ Ｊ —ｓ ）＋ ， 用一维网河区、二维河口区联解的潮流泥沙数学模型，研 究工程对宏观水沙条件的影响；在此基础上，在工程主要 Ａ ：０ （３）、 影响水域再应用局部二维潮流泥沙数学模型进行河床冲 淤变化的详细研究。笔者认为，这个研究思路是合理可 节点方程： 取的，既全面又有侧重点。伶仃洋水域的开发建设将继 续下去，重大项目必不可少，如近期重新提上议事日程的 ∑Ｑ＝０； ＝Ｚ２一．． 大小铲岛规划港区项目。本研究既可为工程项目的方案 ∑Ｑ Ｓ ＝０（ｍ：节点断面） （４） 比选和确定提供必要的依据，又可为管理部门的宏观决 策提供科学支撑，具有重要的现实意义。 式中 Ｑ为断面流量，ｍ ／ｓ；ｚ为断面水位，ｍ；曰为河宽， ２模型建立和验证 １１３；ｇ 为单位河段长的侧向人流，ｍ ／ｓ；Ａ为断面面积， ２．１模型构建 ｍ ； 为流量模数， ＝ 亍／ｎ， 其中 为水力半径，ｍ， 收稿日期：２０１１—０１—０２； 修回日期：２０１１—０１—１４ 作者简介：卢素兰（１９７７一），女，硕士，工程师，主要从事水动力与水环境数值模拟研究。 ・５・ ２０１１年２月 第２期 卢素兰，等：河口区重大工程活动对河床演变影响的数值模拟研究 Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１１ ｎ为河道糙率；口为动量修正系数，。＝ ∑ ；ｓ为断 面含沙量，ｋ＃ｍ ；Ｄ为泥沙扩散系数；０ 为冲淤系数； ５ ｋ （ｋｇ・ｓ／ｍ ）、 （ｋｇ・ｍ～・ｓ。）为挟沙能力系数； 为泥沙沉速，ｍ／ｓ；Ｓ￣为水流挟沙能力，ｋｇ／ｍ ，Ｓ ＝ｋ Ｕ３ ，为垂线平均流速； 为波高，ｍ；Ｓ为含沙量，ｋｇ／ｍ。；ｔｏ 为泥沙沉速，在河口区考虑絮凝作用，取值为 ０．０００ ４ｍ／ｓ；Ｓ。为泥沙源强，ｋｇ・（ｍ～・ｓ ）。 河床变形方程： ０ ＝ａ２∞（Ｓ—ｓ ） （８） 其中 为挟沙能力系数，ｋｇ￣ｓ／ｍ４，Ｕ为断面平 均流速，ｍ／ｓ，Ｈ为断面平均水深，ｍ；‘ｓ 为侧向人流的含 沙量。 ２）计算方法 水流连续性方程和运动方程的离散采用Ｐｒｅｉｓｓ． ｍａｎｎ四点偏心隐式差分格式；对流扩散方程先按差分 格式离散，对流项采用迎风差分格式，其余用中心差分 格式。 ２．１．２二维河口区潮流泥沙数学模型 １）控制方程 水流连续方程： Ｏｈ＋ １ ）＋ （ ）］＝老（５） 水流运动方程： ＯｕＯｕＯｕＭ ＯＣｆ ＯＣ Ｏｔ＋ ． ＋ ． ＋ 。ｆ 一Ｃ－Ｃ＂ 一 ｅ篓＋ １ ０Ａ一 １ ０ｄ叼Ｂ）一 Ｃ２Ｈ 丝Ｏｔ＋’ Ｃ嚣＋ａ ’ Ｃ考 ＋卵ａ叼。 薏Ｃ Ｃ鲁一ａ ｆ Ｃ Ｃ鲁＝ａ叼 Ｊ一 ～ ２ｃ；＿ ｏ一＋ｈ Ｅ ‘ １ ０Ｂ＋ １ ＯＡ）一 叼Ｃ２Ｈ （６） 式中 杰［毒（ｃ ＋ （Ｃｅｖ）］ 袁［善（Ｃｎｖ）＋ （ｃ ］ 其中ｕ、 分别为 、卵方向流速分量； 为水位；ｑ为单元 汇人汇出流量； 为水深；ｇ为重力加速度 为柯氏力系 数； 、Ｅ 为紊动粘 ＠￣；Ｌａｍｉ系数Ｃ 、Ｃ 如下： Ｃｆ＝ ＋ ２；ｃ ＝ ＋ｙ２ 。 泥沙连续方程： Ｏ（ＨＳ）＋麦［ （Ｃ ＨｕＳ）＋ （ｃ ｓ）］＝ １ ０（如 Ｃｖ ｏ Ｓ）＋ （如 Ｃ ｅ ｏＳ，ｃａ）］＿口 ∞（Ｓ－Ｓ ） 叼＋Ｓｏ （７） 式中 、 为泥沙扩散系数；ｏ 为冲淤系数；５ 为水 流挟沙能力，ｋｇ／ｍ ，二维泥沙模型还考虑了风浪作用 对泥沙输移的影响．对推移质泥沙则不作特别计算 ・６・ 式中 。为泥沙淤积干容重，ｋｇ／ｍ ；ｔ，７为河床冲淤厚 度，ｍ。 ２）计算方法 二维模型采用曲线网格模拟研究区域，并利用坐标 变换技术将计算区域变换成新坐标系下的规则区域，同 时借助ＡＤＩ法离散基本方程。基本方程组离散格式的 求解采用追赶法进行。区域的离散是采用泊松方程生 成网格，即生成网格的方程和控制函数是在正交曲线坐 标系 、７７下（取势流中的势函数和流函数生成坐标系， 二者必然正交）推导而得。 ２．１．３一、二维联解潮流泥沙数学模型 一、二维潮流泥沙数学模型联解是使连接断面处满 足以下条件：一维断面的水位、流量和泥沙通量与二维 各节点的平均水位、积分流量和泥沙通量相等。联解模 型的范围上边界为马口（西江）、三水（北江）、老鸦岗 （广州水道）、麒麟咀（增江）、博罗（东江）、石咀（潭江） 等水文站，下边界取至外海４０ｍ等深线，二维研究范围 包括伶仃洋浅海区、水域、深圳湾、澳门浅海区、磨 刀门浅海区等，一、二维搭接断面为东四口门和磨刀门 的控制水文站，即虎门大虎站、蕉门南沙站、洪奇门冯马 庙站、横门横门站、磨刀门灯笼山站。局部二维模型的 范围则侧重于工程区和工程主要影响水域，根据建设规 模和位置另行确定。 ２．２模型验证 验证内容包括联解模型的水沙验证和二维模型的 水沙验证、河床冲淤验证。详细的验证内容见研究报告 《深圳港大小铲岛规划港区潮流泥沙数学模型研究》， 在此仅介绍河床冲淤验证的部分成果，区域分布见图１ 中的大铲湾港池和铜鼓航道。河床冲淤验证主要利用 局部二维潮流泥沙模型进行。进行冲淤验证计算时，选 取与测量资料统计期内水文条件接近的代表性水文组 合；若实测资料以年为跨度，则验证水文条件也应考虑 年内的洪、枯变化，根据计算研究成果，选取“９９．７”中 水和“２００１．２”枯水进行年内冲淤变化验证计算较为 ２０１１年２月 第２期 广东水利水电 合理。 图１冲淤验证范围 大铲湾港池的验证结果见表１。在选定的验证区 域，模型计算结果为０．１０２ｍ／８０ｄ，实测统计为０．０８７ ｍ／８０ｄ，两者相差０．０１５ｍ，误差为１７％，符合技术规 程的要求。铜鼓航道的验证结果见表２，测期内铜鼓 航道统计的平均回淤强度为０．８６６ｍ／ａ，模型计算结果 为０．８１８ｍ／ａ，两者相差仅为０．０４８ｍ／ａ，说明模型具 有较高的精度，能客观地反映航道工程实施后的回淤 情况。 表１大铲湾港池回淤验证统计（ｍ／８０ｄ） 表２铜鼓航道年回淤验证统计 ３模型应用 ３．１工程简述 利用上述已验证的模型，对大小铲岛规划港区的 开发方案进行比选研究计算。本文以联岛方案ｆ１和不 联岛方案 为例进行应用介绍，港区的方案布置见图 ２和图３，总体工程包括陆域开发、泊位港池开挖和伶 仃北航道新建、西部公用航道拓宽浚深。在联岛方案 ｆ１下，联岛东岸与大铲湾之间形成约１ １００ｍ宽的港池 通道，东岸规划建设１０万ｔ级油品泊位，西岸规划建 设３万ｔ级油品泊位和１０万ｔ级ＬＮＧ泊位（位于西岸 最南侧）。１０万ｔ级和３万ｔ级油品码头对应的码头前 沿水域底标高分别为一１８．５１ｍ和一１５．７１ｍ，港池底 标高分别为一１９．４１ｍ和一１６．１ １ｍ；ＬＮＧ码头前沿水 域底标高为一１６．１１ｍ，港池底标高为一１６．６１ｍ。同时 新建伶仃北航道，自ＬＮＧ码头起连接至伶仃西航道， 航宽为３１８ｍ，底标高为一１６．６１（接ＬＮＧ码头端）～ 一１６．５０ｍ（接伶仃西航道端），并对西部公用航道进 行拓宽浚深，航宽为４７５ｍ，底标高为一ｌ９．４１ｍ。在 方案｛２下大小铲岛各自围填，形成４５０ｍ宽的水流通 道，ＬＮＧ码头布置在大铲岛北岸或西岸，小铲东侧的 码头级别与联岛东侧相同，小铲西侧码头和小铲南侧 与大铲北侧问码头的级别与联岛西侧相同，同一级别 的码头其码头前沿和港池底标高与联岛方案ｆｌ一致， 并且在伶仃北航道和西部公用航道的工程布置与联岛 方案也一致 图２ ｆｌ港区布置示意 图３｛２港区布置示意 ３．２工程建设对口门输沙量的影响 计算结果表明，工程实施对上游东四口门输沙量的 影响很小，各口门的输沙分配比变化也很小，可见工程 对网河区滩槽变化、河床演变的总体规律基本无影响。 联岛方案ｆ１工程后，经东四口门的输沙总量减少 ０．０３％，虎门的输沙分配比减小０．０４％，蕉门则增加 ０．０３％，洪奇门和横门则基本没变化。在方案｛２下，东 四口门的输沙总量增加０．０９％，虎门和蕉门的输沙分 配比增幅在０．０４％以内，洪奇门和横门输沙分配比的 变化更小。总体看来，大小铲岛规划港区工程方案对东 四口门输沙影响很小，可见对网河区的泥沙运动和河床 变化也基本无影响。 ３．３工程建设对冲淤的影响 在联岛方案ｆ１下往大铲水道和小铲东的过流量有 所增加，从而大铲三期南港池和大铲水道、仔洲岛西 侧一带回淤都有所减弱，最终导致更多的水沙往下游 输送，西部公用航道受此影响，以及本身存在浚深拓 ・７・ ２０１１年２月 第２期 卢素兰，等：河口区重大工程活动对河床演变影响的数值模拟研究 Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１１ 宽工程，回淤加大，淤强为０．２９８ｍ／ａ；距离较远的伶 大；大铲三期南港池在不联岛方案下有更好的截淤效 果；联岛东侧（或小铲东侧）回淤大于联岛西侧（小铲西 侧）；不联岛方案下大小铲之间港池水域回淤相对 较小。 ４结语 仃西航道、铜鼓航道受规划港区工程影响很小，回淤 略有减小。在规划港区，受地形浚深和陆域开发、水 沙流路改变的影响，工程后回淤普遍加大。Ｔ程后， 联岛东侧水域的淤积分布规律纵向上自北向南递减。 根据统计结果，大铲湾内港池１０万ｔ级码头区泊位淤 强为０．４１１ ｒｎ／ａ、港池为０．６２４ｍ／ａ；联岛西侧水域工 程后的回淤分布也是北部大于南部，具体如下：３万ｔ 级码头区泊位淤强为０．５０９ｍ／ａ、港池为０．５２２ｍ／ａ； 上述研究表明，采用一、二维联解潮流泥沙数学模 型和局部二维潮流泥沙数学模型，开展大型工程活动对 河口区乃至上游口门和河道区河床变化的影响研究，思 路可行。既可较为精确反映工程主要影响区的滩槽变 ＬＮＧ１０万ｔ级码头区泊位淤强为０．４９１ｍ／ａ、港池为 ０．４４９ｍ／ａ。伶仃北航道工程后回淤也明显加大，由工 程前的冲淤基本平衡变化为０．７８５ｍ／ａ，沿程分布规律 为自北向南递减。 在方案ｆ２下往大铲水道和小铲东的过流量明显小 于联岛方案，而往大小铲岛间的过流量增加，因此大铲 三期南港池和大铲水道、孑子洲岛西侧一带的回淤大于方 案ｆｌ；受部分水沙淤积在上游水域的影响，西部公用航 道回淤小于方案ｆ１，淤强为０．２３０ｍ／ａ；伶仃西航道、铜 鼓航道的回淤变化很小，与ｆ１相当。在规划港区，小铲 东侧水域ｌ０万ｔ级码头区泊位淤强为０．４３５ｍ／ａ、港池 为０．６０１ｍ／ａ。小铲西侧泊位的淤积略大，为０．５５０ ｍ／ａ，港池为０．４７３ｍ／ａ。大小铲岛问通道水流动力较 强，因此回淤相对略少，小铲南侧码头区泊位淤强为 ０．４４９ｍ／ａ，岛间港池淤强为０．４５２ｍ／ａ。岛间潮流通道 把更多的水沙往下游输移，同时方案的码头布置较靠近 大铲岛的天然岸线或浅水区，因此大铲东侧ＬＮＧ码头 的回淤相对略大，深水泊位淤强为０．５７１ｍ／ａ，港池淤强 为０．４７１ｍ／ａ。大小铲岛问过流量增加导致往大铲西侧 的水流动力减弱，从而大铲西侧ＬＮＧ码头回淤大于联 岛方案，泊位淤强为０。７０９ｍ／ａ，港池淤强为０．６１３ｍ／ａ。 伶仃北航道工程后的回淤与联岛方案差别不大，淤强为 ０．７９１ｍ／ａ。 总体看来，受方案布置的不同引起水流、输沙条件 差异的影响，规划港区及周围相邻水域出现与之相应的 冲淤变化。规划港区内各泊位、港池工程后回淤普遍加 ・８・ 化情况，又可避免单独应用二维模型在上边界的局限 性，或仅用联解模型因细化工程区而导致的巨大计算 量。根据模型验证成果以及模型在大小铲岛港区规划 项目上的应用，对工程后宏观水沙条件的变化结果和工 程区河床的具体变化是可信的。因此，本研究可用于相 关工程项目模拟计算的借鉴和参考。鉴于模型部分参 数（如泥沙的絮凝沉速和挟沙能力系数）的设计根据研 究区域的特性，具有一定的经验性，因此较适用于伶仃 洋水域，在其它河口模型应用时需要有所修正，但研究 思路是可以直接借鉴的。此外，笔者还认为，洪季水文 条件的优化将进一步提高本研究的精度，因为“９９．７” 中水条件下ｊ水、马口的流量与多年平均流量相比偏 大；同时，网河区河床变化的引入也将使本模型的内涵 更趋完善。 参考文献： ［１］水利部珠江水利委员会．珠江河口综合治理规划［Ｒ］．广 州：水利部珠江水利委员会，２００８． ［２］ 水利电力部珠江水利委员会．珠江三角洲基本资料［Ｒ］． 广州：水利电力部珠江水利委员会，１９８８． ［３］ 水利部珠江水利委员会珠江水利科学研究院．深圳港铜鼓 航道选线数学模型计算研究报告［Ｒ］．广州：水利部珠江 水利委员会珠江水利科学研究院，２００２． ［４］ 水利部珠江水利委员会珠江水利科学研究院．深圳港大小 铲岛规划港区潮流泥沙数学模型研究［Ｒ］．广州：珠江水 利委员会珠汀水利科学研究院，２０１０． （本文责任编辑马克俊）
