澳門水道潮汐河段河床極限沖刷預(yù)測

藍(lán)霄峰，吳門伍

（珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611）

1 概述

澳門附近水域位于珠江口伶仃洋的西側(cè)，受島嶼的分隔，水域內(nèi)形成東、西向的澳門水道，該水道西接洪灣水道，東連伶仃洋，南北方向有灣仔水道和十字門水道，各水道互相貫通，呈十字形交匯。其中澳門水道淺灘多，水深較淺，是澳門附近水域泄洪、輸沙和潮流的主要通道。根據(jù)地形資料顯示，澳門水道整體表現(xiàn)為槽沖灘淤的態(tài)勢，但近些年由于岸線改變[1-2]，右側(cè)淺灘逐漸由淤積轉(zhuǎn)入沖刷態(tài)勢。根據(jù)澳門城市總體規(guī)劃[3],澳門特區(qū)新城區(qū)建設(shè)填海項(xiàng)目將會實(shí)施，規(guī)劃建設(shè)后（見圖1）的澳門水道河道地形及形態(tài)將會有很大改變，過流面積將會減小，對泄洪和泥沙輸移有一定影響，河床的沖刷是規(guī)劃工程設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的問題。

圖1 澳門總體規(guī)劃圖（部分）

2 二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型

2.1 潮流泥沙數(shù)值模擬按以下方程控制[4]：

（1）連續(xù)方程

（2）動量方程

（3）懸沙輸移擴(kuò)散方程[2]

（4）床面沖淤變化方程

式中：t——時(shí)間（s）；x,y——原點(diǎn)o 置于某一水平基面的直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；u,v——流速矢量V 沿x,y 方向的分量（m/s）；——相對于xoy坐標(biāo)平面的水位（m）；h——相對于xoy 坐標(biāo)平面的水深（m）；Nx，Ny——x,y向水流紊流粘性系數(shù)（m2/s）；f——科氏參量；g——重力加速度（m/s2）；c——謝才系數(shù)，,n 為曼寧糙率系數(shù)；s——含沙量（kg/m3）；Dx，Dy——x,y向懸沙紊動擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）；Fs——泥沙源匯函數(shù)或泥沙沖淤函數(shù)（kg/(（m2.s)）；——沖淤厚度（m）；qx——x 向底沙單寬輸沙率（kg/（m.s)）；qy——y 向底沙單寬輸沙率（kg/(（m.s)）；——泥沙干容重（kg/m3）。

2.2 驗(yàn)證

數(shù)值模型采用馬騮洲和澳門水道臨時(shí)水位站實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。水位站及驗(yàn)證點(diǎn)位置見圖2 所示。

圖2 驗(yàn)證采樣點(diǎn)及水位站布置圖

（1）潮流動力及含沙量過程驗(yàn)證。采用“2012.6”典型中水文組合對模型進(jìn)行驗(yàn)證，流速及流向計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值的對比見圖3，含沙量過程計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值的對比見圖4，從率定和驗(yàn)證結(jié)果可以看出，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測資料吻合較好。

圖3 “2012.6”中水水文組合水位驗(yàn)證

圖4 “2012.6”含沙量過程驗(yàn)證

（2）沖淤驗(yàn)證。采用2005 年與2017 年洪灣水道與澳門水道匯流區(qū)附近實(shí)測地形資料對地形沖淤計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。圖5 為實(shí)測沖淤分布，圖6 為數(shù)學(xué)模型年沖淤分布計(jì)算結(jié)果，航道平均沖刷幅度為0.3m/a，主槽航道附近水域沖刷幅度為0.1～0.3m/a；右岸灘地沖淤幅度較小，沖淤變化在0.03 m/a 以內(nèi)，計(jì)算值與實(shí)測值接近，符合規(guī)范要求。

圖5 2005 年至2017 年年均沖淤分布（單位：m/a）

圖6 模型計(jì)算沖淤分布（單位：m/a）

2.3 極限沖刷計(jì)算工況

澳門水道洪水主要來自洪灣水道，洪灣水道為磨刀門水道分支，而磨刀門洪水主要來自西江。參考附近水域洪水遭遇分析[5]，由上游馬口流量與下游典型洪水對應(yīng)的低潮位作為水文邊界。即上邊界100 年、200 年、300 年設(shè)計(jì)洪水洪峰流量遭遇“2005.6”洪水潮型。

2.4 河道地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)有關(guān)資料顯示，澳門水道河床土層主要有沉積的淤泥、粉質(zhì)黏土、殘積土、全風(fēng)化花崗巖。淤泥（Q4m），灰黃～灰色，飽和，流塑。切面光滑，土質(zhì)均勻，含有機(jī)質(zhì)、腐殖物和貝殼碎屑，韌性高，干強(qiáng)度高，層厚一般為7.0～12.9m；粉質(zhì)黏土（Q3al+pl），灰～褐黃色，飽和，可塑。切面較光滑，土質(zhì)較均勻，見鐵質(zhì)浸染，局部含少量砂粒，韌性中等，干強(qiáng)度中等。厚度為4.0～11.9m。殘積土（Q3el），灰白～褐黃色，濕，硬塑。切面粗糙，土質(zhì)不均勻，呈砂質(zhì)黏性土狀，局部礫質(zhì)黏性土狀，見大量石英顆粒，手捏易散，遇水軟化。層厚為3.7～12.8m。全風(fēng)化花崗巖（γ52（3）），褐黃色，濕，密實(shí)。原巖結(jié)構(gòu)較模糊，基本風(fēng)化呈砂土狀，石英顆粒填充黏性土，巖芯手搓易散，遇水軟化，層厚一般為3.1～12.7m。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 澳門水道水動力基本情況

（1）主槽流速明顯大于灘地流速，北岸航道附近流速較大。

（2）水動力軸線位于主槽內(nèi)，靠近北岸，與航道走向基本一致。

（3）澳門水道整體流速不大，100 年一遇設(shè)計(jì)洪水情況下，主槽流速為1.59～1.75m/s，灘地流速0.45～0.69m/s；200 年一遇設(shè)計(jì)洪水情況下，主槽流速為1.63～1.83m/s，灘地流速0.51～0.77m/s；300 年一遇設(shè)計(jì)洪水情況下，主槽流速為1.72～1.95m/s，灘地流速0.62～0.85m/s。

3.2 沖刷情況

100 年一遇、200 年一遇和300 年一遇工況下工程附近沖淤變化分布如圖7～圖9 所示。從圖中可以看出，不同水文工況下，河床沖淤變化規(guī)律基本一致，澳門航道主槽及北側(cè)堤防附近河床呈沖刷趨勢，沖刷變化幅度最大，最大沖深分別為2.32m、2.43m 和2.51m；南側(cè)淺灘有沖有淤，變化幅度在0.23m 以內(nèi)。

圖7 設(shè)計(jì)洪水流場圖

圖8 200 年一遇設(shè)計(jì)洪水流場圖

圖9 300 年一遇洪水流場圖

圖10 極限沖刷沖淤分布圖（100 年一遇設(shè)計(jì)洪水）b

圖11 極限沖刷沖淤分布圖（200 年一遇設(shè)計(jì)洪水）

圖12 極限沖刷沖淤分布圖（300 年一遇設(shè)計(jì)洪水）

4 結(jié)論

近些年由于岸線及河道地形改變，右側(cè)淺灘逐漸由淤積轉(zhuǎn)入沖刷態(tài)勢。本文通過建立二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，采用實(shí)測資料進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明建立的數(shù)學(xué)模型符合規(guī)范要求，能夠用于模擬澳門水道極端洪水下的河床水沙運(yùn)動。數(shù)值模擬結(jié)果表明，主槽整體以沖刷為主，最大沖深約2.51m；淺灘有沖有淤，變化幅度在0.23m以內(nèi)。極限沖刷深度預(yù)測一定程度上可為規(guī)劃、修建隧道、航道整治等工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。