深圳港西部港區航道水動力及泥沙回淤研究

徐潤剛，王思超，解鳴曉，韓志遠，許 婷

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

引 言

擬建深圳西部港區出海航道二期工程北起深圳蛇口港區，南至大濠島，地理位置見圖1。本工程北部航段在現有銅鼓航道基礎上拓寬加深，南部航段與廣州港出海航道（即伶仃航道）共用，串聯了深圳和香港航運中心，航運潛力巨大，是珠江水運主通道之一。然而，航道二期工程在現有航道基礎上拓寬、加深后，水沙環境與現狀相比將發生調整。首先是擴寬將引起水流變化，按《海港總體設計規范》要求，航道橫流對船舶航行的航跡帶寬度有所影響，是航道設計寬度的主要影響參數之一。此外，本航道工程位于珠江河口灣內伶仃島南部淺灘區，水沙環境復雜，不僅存在徑流來沙、潮流輸沙、波浪掀沙等天然動力影響，同時內伶仃島北側的大量采砂活動也會引起含沙量的增高[1]，導致航槽內不可避免的將存在一定的回淤，回淤強度對航道備淤深度的設計有重要影響，需加以充分考量。

為評估航道二期工程實施后的航道流態、橫流數值，以及正常水沙環境、極端水情條件下的回淤特征，本文在綜合分析工程海域水動力泥沙環境實測資料的基礎上，結合數學模型試驗成果，評估不同航道平面方案下的設計參數，從設計角度對方案比選提出合理化建議。

在港口海岸工程研究中，對水動力及泥沙回淤的研究多采用數學模型試驗手段，技術手段較為成熟，并在大量實際案例中得到廣泛應用，例如羅鋒[2]、劉浩[3]等人分別對樂清灣、深滬灣內的納潮量及水體交換情況進行了研究；許雪峰[4]等人探討了圍墾工程建設對三門灣及河口地區水體交換的影響；王靖鑫[5]利用二維潮流、泥沙數學模型，從水體交換能力和泥沙回淤角度，探尋了旅順琥珀灣工程治理的合理方案。

圖1 工程區位示意

1 工程方案概況

銅鼓航道現狀為20萬t級集裝箱船單向通航航道，通航寬度270 m，底高程-17.5 m（以當地理論最低潮面為基準，下同）；廣州港出海航道（即伶仃航道）為10萬t級集裝箱船與15萬t級集裝箱船（減載）會遇雙向通航航道，航道通航寬度385 m，底高程-17.0 m。

深圳西部港區航道二期工程擬按滿足 20萬 t級集裝箱船與10萬t級集裝箱船對遇雙向通航的標準建設，基于不同設計需求，圖2中考慮了2個平面布置方案，設計參數見表1。

圖2 航道方案平面布置

表1 珠江東四口門徑流分配

1）方案一：航道總長度24.1 km，其中銅鼓段17.0 km，通航寬度470 m，底高程-17.5 m；與廣州港出海航道共用段總長約7.1 km，通航寬度435 m，底高程-17.5 m；疏浚總量約5 760萬m3。

2）方案二：航道總長度24.6 km，其中銅鼓航道段與平面方案一大致相同，總長約 16.0 km，通航寬度470 m，底高程-17.5 m，在大濠水道銜接段不再與廣州港出海航道共用，而是考慮在其東側通過基建疏浚新建一條進港航道，總長約8.6 km，通航寬度435 m，底高程-17.5 m；疏浚總量約8 406萬m3。

2 工程海域水動力泥沙環境

2.1 地形地貌特征

伶仃洋在地貌背景上屬典型喇叭口型河口灣，走向接近NNW～SSE，灣頂（虎門）寬約4 km，灣口（澳門至大濠島）寬30 km，縱向長達72 km，水域面積2 110 km2。伶仃洋水下地形呈現“三灘兩槽”的基本格局，三灘指西灘、中灘和東灘，兩槽指西槽（伶仃水道）和東槽（礬石水道—暗士頓水道）。銅鼓航道基本呈 NNE～SSW 走向穿越銅鼓淺灘，東北起自暗士頓水道，西南至伶仃水道。近年來，內伶仃島北側、礬石水道、礬石淺灘等處大規模采砂導致伶仃洋北部灘槽地貌發生較大變化，擬建航道所處的內伶仃島南側水域目前灘槽地形變化不大[6]。

2.2 徑流與輸沙

珠江流域徑流量豐富，多年平均徑流量為3 381億m3，其中西江2 301億m3，北江510億m3，東江274億m3，三角洲295億m3。從20世紀90年代始，東四門的分流比有所加大（見表1），占珠江河口年徑流量的61.0 %，其中虎門占24.5 %，增加最多，蕉門占16.8 %，有所減小，洪奇門占7.2 %，有所增加，橫門占12.5 %，有所增加。

珠江洪水常發生在6～8月，洪峰高、量大、持續時間長，一般呈多峰型。西江高要站多年平均最大洪峰流量為32 100 m3/s，最大洪峰量為55 000 m3/s（2005年6月24日）。北江洪水常一般早于西江和東江，多發生在5、6月，洪水峰型尖瘦，峰高、漲落歷時較短，北江石角站多年平均最大洪峰流量為9 800 m3/s，最大洪峰流量16 700 m3/s（1994年6月19日）。

據西江馬口站、北江三水站和東江博羅站多年平均輸沙總量資料，馬口站多年平均含沙量0.26 kg/m3，多年平均輸沙量5 968萬t，約占三角洲泥沙來量的85 %；三水站多年平均含沙量0.177 kg/m3，多年平均輸沙量833萬t，約占三角洲泥沙來量的12 %；博羅站多年平均含沙量0.092 kg/m3，多年平均輸沙量221萬t，約占三角洲泥沙來量的3 %。

珠江輸沙量的年內分配極不均勻，洪季輸沙量占全年的90 %左右（見表2中所示）。20世紀90年代以來，珠江來水含沙量明顯減少，2000年后年平均含沙量與 1990年前相比，馬口站平均減少68 %，三水站平均減少 52 %，博羅站平均減少55 %，這與1990年代后珠江上游水庫建設及水土保持工程修建有關。

表2 珠江洪枯季水沙分配比

2.3 潮汐與潮流

伶仃洋內潮汐性質為不正規半日潮，一個太陰日有兩次高潮和兩次低潮，日不等現象顯著。銅鼓海域2009年12月枯季進行了5條垂線的大、小潮水文泥沙同步監測，表3中列出了流速流向特征值。

分析可知：各站漲、落潮流均呈往復流性質，銅鼓航道沿程C1～C3站漲潮主流向N～NNE，落潮主流向S～SSW；大鏟島附近C4和C5站漲潮主流向 NW～NNW，落潮主流向 SE～SSE；各站大潮潮段平均流速，漲潮為 0.39～0.62 m/s，落潮為0.34～0.49 m/s；大潮漲潮最大流速為 0.63～1.05 m/s，落潮最大流速為0.62～1.02 m/s。各站小潮漲落潮段平均流速為 0.17～0.45 m/s，漲、落潮最大流速為0.36～0.81 m/s。大鏟島附近C4和C5站流速均較大，銅鼓航道沿程C1～C3站流速較小。總體來看，銅鼓航道沿程平均流速基本在0.5 m/s以下，最大流速基本在0.7 m/s左右。

表3 各站流速特征值統計

2.4 含沙量

據2009年12月水文觀測資料分析可知（見表4），各站大潮漲、落潮平均含沙量為0.032～0.094 kg/m3，漲、落潮最大含沙量為0.057～0.252 kg/m3；各站小潮漲、落潮平均含沙量為0.02～0.047 kg/m3，漲、落潮最大含沙量為0.033～0.091 kg/m3。除C3和C4站漲潮含沙量大于漲潮外，其余各站落潮含沙量大于漲潮。從含沙量平面分布看，大鏟島附近C4和C5站較大，銅鼓航道沿程C1～C3站較小。從垂線分布看，含沙量總體呈現從表層到底層逐漸增大的趨勢。總體來看，銅鼓航道海域水體含沙量較低，正常天氣條件下，大潮平均含沙量基本在0.05 kg/m3以下。

表4 各站含沙量特征值統計

2.5 航道回淤現狀

據銅鼓航道 2014年 7月和 2016年（K0～K7航段8月測量、K8～K15航段11月測量）兩個年份的水深測圖進行沖淤對比，沖淤分布見圖3所示，分析可知：

1）從航道沿程回淤分布看，回淤厚度多在0.5～3 m 之間，僅 K21以北回淤厚度超過 3 m。K10～K15段航道回淤也較大，回淤厚度多在2～3 m之間。K7～K9段、K16～K17段航道回淤最小，其回淤厚度多在0.5～2 m之間。

2）2014年7月航道浚后水深基本在-16.2 m左右，至 2016年 8～11月航道水深基本淤淺至-15.7～-12.6 m，斷面平均回淤厚度在0.5～3.5 m，斷面平均年淤強在0.23～1.52 m/a，航道平均年淤強約為 0.8 m/a，這一數值與文獻[7]中針對 2008～2009年銅鼓航道實測回淤統計值相比具有良好的一致性。需指出的是，內伶仃島北部當前存在大量采砂活動，其引起的渾水帶可隨落潮向南運移，對航道有增淤作用。在資料統計的兩年多時間內，其中2015年2月10日～4月30日，以及5月15日～12月底期間為保障港珠澳大橋沉管施工，采砂停止。因此，本次資料中含有接近1年的未采砂條件。

資料顯示，銅鼓航道K21以北航道回淤較大，與該段航道與水流夾角較大且龍鼓水道（暗士頓水道）高鹽陸架水頂托而導致懸沙易于落淤所致。K10～K15段航道為內伶仃島北側落潮水沙向南輸移的主要通道，其沙源相對較為豐富，加之受內伶仃北側采砂引起的渾水向南輸移的影響，回淤相對較大。

圖3 銅鼓航道2014～2016年沖淤分布

圖4 方案實施后航道中軸線潮流橢圓圖

圖5 銅鼓航道斷面平均水深及年淤強對比

3 航道內流態及橫流特征

為了解本航道工程建設后的航槽內流態特征，交通運輸部天津水運工程科學研究所采用二、三維耦合潮流泥沙數學模型開展了模擬預測，具體模型理論、驗證情況均可參見文獻[6]。在水動力計算中，選用2016年6月大潮型開展模擬，對應內伶仃島潮差2.9 m，可較好反映大潮作用下的水動力特征，保障航道橫流統計中的安全度。

模擬結果顯示，伶仃洋河口灣屬潮控型，漲落潮主流強勁，往復性強，工程水域潮流運動平面分布具有以下主要特征：

1）外海漲潮時，水流自大濠水道上溯，一股自伶仃航道向西北輸送，另一股則沿銅鼓淺灘向東北運移。同時，西側暗士頓水道匯流水體沿蛇口港區口門向北側運動，在銅鼓航道東北端形成較強橫跨水流，也是造成該處泥沙回淤較強的成因。在伶仃航道和銅鼓航道主槽內，潮流運動方向與航道軸線基本平行，夾角不大。受內伶仃島頂托，漲潮流自島嶼南側分流，并沿岸線向兩側行進，最后匯入主流。落潮基本為漲潮的反過程。

2）漲落潮流在跨越航槽時均出現了明顯歸槽，即流向更加趨向于航道軸線，這對降低航道中軸線處的橫流有利。在內伶仃島挑流、大濠水道和暗士頓水道兩條潮流主通道的夾迫下，盡管主流態仍以往復流為主，在銅鼓淺灘水域潮流運動形態仍可帶有一定的旋轉特征，但其短軸流速較弱。

3）從流速數值分布來看，航槽水域漲落急流速約在0.6～0.8 m/s左右，全潮平均流速約在0.4～0.5 m/s左右，航道最北段兩側邊灘流速較大，漲落急時可超過1.0 m/s，是造成該段回淤較強的原因之一。

圖6展示了兩個航道方案的主槽內潮流運動橢圓矢量。總體來說銅鼓航道、伶仃航道內潮流主軸與航道軸線夾角較小，橫流總體不大。在航道北部近口門段處，航道軸線與主流夾角介于 18°～57°，最大橫流流速介于0.63～0.83 m/s，超過0.5 m/s橫流的歷時在4～5 h左右；航道轉彎段與主流夾角約介于 23°～26°，最大橫流流速約介于 0.51～0.56 m/s，超過0.5 m/s橫流的歷時在2～3 h左右。其余航段最大橫流流速均小于0.50 m/s，部分航段最大橫流小于0.25 m/s。方案一與方案二航道軸線走向一致，且位置相近，因此最大橫流流速相近。

同時，根據三維模型反映出的垂向流態情況[6]，由于航道寬度超過400 m，底高程僅為-17.5 m，仍屬寬淺型，因此垂向流態較為平順，無不良回流和亂流出現。經模擬結果統計，表底層橫流比值約在1.9左右，這一數值可為小型船舶通航（吃水位于航道表、中層）提供橫流折算參考依據。

圖6 方案一漲落急流速等值線

4 航道內泥沙回淤計算分析

4.1 正常條件下航道回淤特征

所謂正常條件，即為考慮一般來水來沙及常風浪。需指出的是，鑒于內伶仃島北側存在持續的采砂活動，且當前尚未停止，因此也將其影響一并列入正常條件。表5中給出了各方案航道年回淤強度及回淤量，圖7中繪制了年回淤強度沿程分布。經分析，銅鼓航道段泥沙回淤量值顯著高于伶仃航道段。正常條件下，銅鼓航道段平均年淤強0.80～0.84 m/a，伶仃航道段平均年淤強 0.23～0.43 m/a。這是由于銅鼓航道段穿越淺灘，相對挖深比較伶仃航道段更大所致，同時采砂引起的含沙量增量也對航道回淤有一定貢獻，經分析其增淤效應在10 %～20 %左右[6]。

回淤沿程分布總體呈現出北高南低的特征，最大回淤出現在深圳西港區口門附近，年淤強達到1.50 m/a，而向南至10～15 km里程處發生第二個次峰值，正常年淤強在0.8 m/a左右。據分析，西港區口門附近兩側灘面水深均在3～6 m左右，航槽相對挖深較大，同時該處潮流流速較強，邊灘最大流速超過1.0 m/s。且以橫跨槽形式發生，導致回淤較重，而在第二個峰值處，航槽更加靠近銅鼓淺灘，廣闊的灘面可提供更多沙源，此外也直接承受采砂引起渾水下切影響，導致回淤增大，但由于該處潮流主軸與航道軸線基本平行，以順流淤積為主，因此回淤量值弱于口門段。

兩個方案銅鼓航道段基本重合，泥沙回淤數值相同，差異主要體現在伶仃航道段，其中方案二伶仃段回淤略強于方案一，這是由于方案二未完全利用現有伶仃航道深槽，而是于其東側新開挖一條平行航道，更加逼近東側淺灘水域（最淺處水深僅為5 m左右），導致回淤有所增高。

表5 各方案航道沿程水深及年淤強統計

圖7 各方案航道年回淤強度分布

4.2 百年一遇洪水作用下航道回淤預測分析

廣東省水文局佛山水文分局的研究報告[8]顯示，珠江口流域 2005年的特大洪水過程相當于百年一遇。以上述過程為上游動力條件，外海考慮2016年6月連續潮過程，模擬計算了洪水過程下的航道回淤情況。表5中列出了回淤厚度數值和回淤量，圖8中給出了回淤沿程分布趨勢。

根據模擬結果，百年一遇洪水過程作用下，航道內泥沙淤積不重，其中銅鼓航段平均淤厚0.11 m，伶仃航段平均淤厚僅為0.03～0.04 m，表明強洪水下泄對本工程航道影響不大。實際上，本工程水域距離珠江河口較遠，距離超過40 km，下泄洪水較難直接“灌入”工程區，至內伶仃島北側，洪水引起的流速增幅已較弱。與正常水情相比，方案一和方案二的洪水回淤量差異有所減小，這是由于至伶仃航道處，洪水的直接作用已得到大幅度消減，不足以起懸更多灘面泥沙。

圖8 各方案航道百年一遇洪水回淤厚度分布

4.3 強臺風作用下航道回淤預測分析

2018年9月，強臺風山竹于廣東省登陸，局部最大風速達到 17級。以臺風山竹作為極端臺風環境，對航道工程的泥沙驟淤進行模擬預測，計算中水動力條件采用2016年6月大潮疊加臺風的方式。根據計算，強臺風作用下航道內回淤有所增強，銅鼓航段平均淤厚在0.15～0.16 m左右，最大淤厚達0.34 m，伶仃航段平均淤厚0.04～0.09 m，最大淤厚0.12 m。較之洪水而言，強臺風作用下的航道淤積更強，這是由于兩側廣闊的淺灘在強波浪作用下大量起懸所致。從整體回淤分布來看，臺風作用下的航道沿程回淤分布相對更加均勻。需指出的是，盡管強臺風作用下航道發生了一定淤積，但其量值并未形成礙航性驟淤，這對航道設計是有利的。

伶仃洋是潮優型河口灣，潮汐動力遠強于徑流，特大洪水所增加的徑流動力與伶仃洋巨大的納潮量相比仍為小量，河口灣的水動力環境并不會有特別異常的改變。大洪水在短時間內灘槽的沖淤分布可能會發生一些改變，但隨著正常水文條件的恢復，變化的水下地形也會逐步調整過來[9]。

臺風對伶仃洋地形的影響不大，可從港珠澳大橋試挖槽的測量資料中得以側證。2009年橋區試挖槽在西島東側海床平均高程-9.5 m的水域，槽底寬21 m，槽底長100 m，槽型為東西走向，挖深至底高程-21 m，基槽從2009年2月份竣工觀測以來一直到10月13日的監測結果表明，其間經歷了兩次熱帶風暴襲擊后，基槽內并沒有出現明顯回淤現象。

珠江河口雖然每年接納來自珠江網河區注入的大量來水來沙，同時也是臺風頻發區，但事實證明，伶仃洋依然能夠長期保持“三灘兩槽”的穩定格局，伶仃深水航道多年來并沒有發生臺風或大洪水“驟淤”而礙航的實際情況，說明極端天氣情況的發生并沒有明顯破壞伶仃洋灘槽穩定的格局分布。根據模擬結果，無論是百年一遇洪水過程，還是強臺風作用下，航道內雖有回淤增強現象，但不會造成礙航性驟淤，可通過適當預留備淤深度和適當維護性疏浚加以解決。

5 結 語

本文圍繞深圳西部港區出海航道二期工程的水動力泥沙問題開展研究，基于現場實測資料統計，結合數學模型試驗成果分析，得到以下結論：

1）據實測資料統計，銅鼓航道沿程水域大潮漲、落潮段平均流速一般在0.5 m/s以下，淺灘水域正常天氣條件含沙量較低，大潮平均含沙量在0.05 kg/m3左右。銅鼓淺灘水域底質以細顆粒的粘土質粉砂、粉砂質粘土和砂-粉砂-粘土為主，屬典型淤泥質海岸。據2014～2016年實測航道底高程數據對比，銅鼓航槽內斷面平均年淤強在 0.23～1.52 m/a之間，整條航道平均年淤強約為0.8 m/a。

2）根據數值模擬，航道二期工程建設后，大部分航段軸線與漲落潮流主流向夾角較小，垂向無不良回流與亂流，最大橫流發生在近港池處，最大橫流約0.63～0.83 m/s，其次為中間拐彎段，最大橫流約0.51～0.56 m/s，其余航段最大橫流流速均小于0.50 m/s，部分航段最大橫流小于0.25 m/s，表底層橫流比值約在1.9左右。兩方案最大橫流流速相近。

3）根據數學模型預測，航道二期工程建設后，正常水情及采砂影響下，銅鼓航道段平均年淤強在0.80～0.84 m/a左右，伶仃航道段平均年淤強在0.23～0.43 m/a左右。百年一遇洪水作用下，航道內泥沙淤積不重；強臺風山竹作用下，航道內回淤有所增強，但并未形成礙航性驟淤。