深圳港西部港区航道水动力及泥沙回淤研究

徐润刚，王思超，解鸣晓，韩志远，许 婷

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

引 言

拟建深圳西部港区出海航道二期工程北起深圳蛇口港区，南至大濠岛，地理位置见图1。本工程北部航段在现有铜鼓航道基础上拓宽加深，南部航段与广州港出海航道（即伶仃航道）共用，串联了深圳和香港航运中心，航运潜力巨大，是珠江水运主通道之一。然而，航道二期工程在现有航道基础上拓宽、加深后，水沙环境与现状相比将发生调整。首先是扩宽将引起水流变化，按《海港总体设计规范》要求，航道横流对船舶航行的航迹带宽度有所影响，是航道设计宽度的主要影响参数之一。此外，本航道工程位于珠江河口湾内伶仃岛南部浅滩区，水沙环境复杂，不仅存在径流来沙、潮流输沙、波浪掀沙等天然动力影响，同时内伶仃岛北侧的大量采砂活动也会引起含沙量的增高[1]，导致航槽内不可避免的将存在一定的回淤，回淤强度对航道备淤深度的设计有重要影响，需加以充分考量。

为评估航道二期工程实施后的航道流态、横流数值，以及正常水沙环境、极端水情条件下的回淤特征，本文在综合分析工程海域水动力泥沙环境实测资料的基础上，结合数学模型试验成果，评估不同航道平面方案下的设计参数，从设计角度对方案比选提出合理化建议。

在港口海岸工程研究中，对水动力及泥沙回淤的研究多采用数学模型试验手段，技术手段较为成熟，并在大量实际案例中得到广泛应用，例如罗锋[2]、刘浩[3]等人分别对乐清湾、深沪湾内的纳潮量及水体交换情况进行了研究；许雪峰[4]等人探讨了围垦工程建设对三门湾及河口地区水体交换的影响；王靖鑫[5]利用二维潮流、泥沙数学模型，从水体交换能力和泥沙回淤角度，探寻了旅顺琥珀湾工程治理的合理方案。

图1 工程区位示意

1 工程方案概况

铜鼓航道现状为20万t级集装箱船单向通航航道，通航宽度270 m，底高程-17.5 m（以当地理论最低潮面为基准，下同）；广州港出海航道（即伶仃航道）为10万t级集装箱船与15万t级集装箱船（减载）会遇双向通航航道，航道通航宽度385 m，底高程-17.0 m。

深圳西部港区航道二期工程拟按满足 20万 t级集装箱船与10万t级集装箱船对遇双向通航的标准建设，基于不同设计需求，图2中考虑了2个平面布置方案，设计参数见表1。

图2 航道方案平面布置

表1 珠江东四口门径流分配

1）方案一：航道总长度24.1 km，其中铜鼓段17.0 km，通航宽度470 m，底高程-17.5 m；与广州港出海航道共用段总长约7.1 km，通航宽度435 m，底高程-17.5 m；疏浚总量约5 760万m3。

2）方案二：航道总长度24.6 km，其中铜鼓航道段与平面方案一大致相同，总长约 16.0 km，通航宽度470 m，底高程-17.5 m，在大濠水道衔接段不再与广州港出海航道共用，而是考虑在其东侧通过基建疏浚新建一条进港航道，总长约8.6 km，通航宽度435 m，底高程-17.5 m；疏浚总量约8 406万m3。

2 工程海域水动力泥沙环境

2.1 地形地貌特征

伶仃洋在地貌背景上属典型喇叭口型河口湾，走向接近NNW～SSE，湾顶（虎门）宽约4 km，湾口（澳门至大濠岛）宽30 km，纵向长达72 km，水域面积2 110 km2。伶仃洋水下地形呈现“三滩两槽”的基本格局，三滩指西滩、中滩和东滩，两槽指西槽（伶仃水道）和东槽（矾石水道—暗士顿水道）。铜鼓航道基本呈 NNE～SSW 走向穿越铜鼓浅滩，东北起自暗士顿水道，西南至伶仃水道。近年来，内伶仃岛北侧、矾石水道、矾石浅滩等处大规模采砂导致伶仃洋北部滩槽地貌发生较大变化，拟建航道所处的内伶仃岛南侧水域目前滩槽地形变化不大[6]。

2.2 径流与输沙

珠江流域径流量丰富，多年平均径流量为3 381亿m3，其中西江2 301亿m3，北江510亿m3，东江274亿m3，三角洲295亿m3。从20世纪90年代始，东四门的分流比有所加大（见表1），占珠江河口年径流量的61.0 %，其中虎门占24.5 %，增加最多，蕉门占16.8 %，有所减小，洪奇门占7.2 %，有所增加，横门占12.5 %，有所增加。

珠江洪水常发生在6～8月，洪峰高、量大、持续时间长，一般呈多峰型。西江高要站多年平均最大洪峰流量为32 100 m3/s，最大洪峰量为55 000 m3/s（2005年6月24日）。北江洪水常一般早于西江和东江，多发生在5、6月，洪水峰型尖瘦，峰高、涨落历时较短，北江石角站多年平均最大洪峰流量为9 800 m3/s，最大洪峰流量16 700 m3/s（1994年6月19日）。

据西江马口站、北江三水站和东江博罗站多年平均输沙总量资料，马口站多年平均含沙量0.26 kg/m3，多年平均输沙量5 968万t，约占三角洲泥沙来量的85 %；三水站多年平均含沙量0.177 kg/m3，多年平均输沙量833万t，约占三角洲泥沙来量的12 %；博罗站多年平均含沙量0.092 kg/m3，多年平均输沙量221万t，约占三角洲泥沙来量的3 %。

珠江输沙量的年内分配极不均匀，洪季输沙量占全年的90 %左右（见表2中所示）。20世纪90年代以来，珠江来水含沙量明显减少，2000年后年平均含沙量与 1990年前相比，马口站平均减少68 %，三水站平均减少 52 %，博罗站平均减少55 %，这与1990年代后珠江上游水库建设及水土保持工程修建有关。

表2 珠江洪枯季水沙分配比

2.3 潮汐与潮流

伶仃洋内潮汐性质为不正规半日潮，一个太阴日有两次高潮和两次低潮，日不等现象显著。铜鼓海域2009年12月枯季进行了5条垂线的大、小潮水文泥沙同步监测，表3中列出了流速流向特征值。

分析可知：各站涨、落潮流均呈往复流性质，铜鼓航道沿程C1～C3站涨潮主流向N～NNE，落潮主流向S～SSW；大铲岛附近C4和C5站涨潮主流向 NW～NNW，落潮主流向 SE～SSE；各站大潮潮段平均流速，涨潮为 0.39～0.62 m/s，落潮为0.34～0.49 m/s；大潮涨潮最大流速为 0.63～1.05 m/s，落潮最大流速为0.62～1.02 m/s。各站小潮涨落潮段平均流速为 0.17～0.45 m/s，涨、落潮最大流速为0.36～0.81 m/s。大铲岛附近C4和C5站流速均较大，铜鼓航道沿程C1～C3站流速较小。总体来看，铜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 各站流速特征值统计

2.4 含沙量

据2009年12月水文观测资料分析可知（见表4），各站大潮涨、落潮平均含沙量为0.032～0.094 kg/m3，涨、落潮最大含沙量为0.057～0.252 kg/m3；各站小潮涨、落潮平均含沙量为0.02～0.047 kg/m3，涨、落潮最大含沙量为0.033～0.091 kg/m3。除C3和C4站涨潮含沙量大于涨潮外，其余各站落潮含沙量大于涨潮。从含沙量平面分布看，大铲岛附近C4和C5站较大，铜鼓航道沿程C1～C3站较小。从垂线分布看，含沙量总体呈现从表层到底层逐渐增大的趋势。总体来看，铜鼓航道海域水体含沙量较低，正常天气条件下，大潮平均含沙量基本在0.05 kg/m3以下。

表4 各站含沙量特征值统计

2.5 航道回淤现状

据铜鼓航道 2014年 7月和 2016年（K0～K7航段8月测量、K8～K15航段11月测量）两个年份的水深测图进行冲淤对比，冲淤分布见图3所示，分析可知：

1）从航道沿程回淤分布看，回淤厚度多在0.5～3 m 之间，仅 K21以北回淤厚度超过 3 m。K10～K15段航道回淤也较大，回淤厚度多在2～3 m之间。K7～K9段、K16～K17段航道回淤最小，其回淤厚度多在0.5～2 m之间。

2）2014年7月航道浚后水深基本在-16.2 m左右，至 2016年 8～11月航道水深基本淤浅至-15.7～-12.6 m，断面平均回淤厚度在0.5～3.5 m，断面平均年淤强在0.23～1.52 m/a，航道平均年淤强约为 0.8 m/a，这一数值与文献[7]中针对 2008～2009年铜鼓航道实测回淤统计值相比具有良好的一致性。需指出的是，内伶仃岛北部当前存在大量采砂活动，其引起的浑水带可随落潮向南运移，对航道有增淤作用。在资料统计的两年多时间内，其中2015年2月10日～4月30日，以及5月15日～12月底期间为保障港珠澳大桥沉管施工，采砂停止。因此，本次资料中含有接近1年的未采砂条件。

资料显示，铜鼓航道K21以北航道回淤较大，与该段航道与水流夹角较大且龙鼓水道（暗士顿水道）高盐陆架水顶托而导致悬沙易于落淤所致。K10～K15段航道为内伶仃岛北侧落潮水沙向南输移的主要通道，其沙源相对较为丰富，加之受内伶仃北侧采砂引起的浑水向南输移的影响，回淤相对较大。

图3 铜鼓航道2014～2016年冲淤分布

图4 方案实施后航道中轴线潮流椭圆图

图5 铜鼓航道断面平均水深及年淤强对比

3 航道内流态及横流特征

为了解本航道工程建设后的航槽内流态特征，交通运输部天津水运工程科学研究所采用二、三维耦合潮流泥沙数学模型开展了模拟预测，具体模型理论、验证情况均可参见文献[6]。在水动力计算中，选用2016年6月大潮型开展模拟，对应内伶仃岛潮差2.9 m，可较好反映大潮作用下的水动力特征，保障航道横流统计中的安全度。

模拟结果显示，伶仃洋河口湾属潮控型，涨落潮主流强劲，往复性强，工程水域潮流运动平面分布具有以下主要特征：

1）外海涨潮时，水流自大濠水道上溯，一股自伶仃航道向西北输送，另一股则沿铜鼓浅滩向东北运移。同时，西侧暗士顿水道汇流水体沿蛇口港区口门向北侧运动，在铜鼓航道东北端形成较强横跨水流，也是造成该处泥沙回淤较强的成因。在伶仃航道和铜鼓航道主槽内，潮流运动方向与航道轴线基本平行，夹角不大。受内伶仃岛顶托，涨潮流自岛屿南侧分流，并沿岸线向两侧行进，最后汇入主流。落潮基本为涨潮的反过程。

2）涨落潮流在跨越航槽时均出现了明显归槽，即流向更加趋向于航道轴线，这对降低航道中轴线处的横流有利。在内伶仃岛挑流、大濠水道和暗士顿水道两条潮流主通道的夹迫下，尽管主流态仍以往复流为主，在铜鼓浅滩水域潮流运动形态仍可带有一定的旋转特征，但其短轴流速较弱。

3）从流速数值分布来看，航槽水域涨落急流速约在0.6～0.8 m/s左右，全潮平均流速约在0.4～0.5 m/s左右，航道最北段两侧边滩流速较大，涨落急时可超过1.0 m/s，是造成该段回淤较强的原因之一。

图6展示了两个航道方案的主槽内潮流运动椭圆矢量。总体来说铜鼓航道、伶仃航道内潮流主轴与航道轴线夹角较小，横流总体不大。在航道北部近口门段处，航道轴线与主流夹角介于 18°～57°，最大横流流速介于0.63～0.83 m/s，超过0.5 m/s横流的历时在4～5 h左右；航道转弯段与主流夹角约介于 23°～26°，最大横流流速约介于 0.51～0.56 m/s，超过0.5 m/s横流的历时在2～3 h左右。其余航段最大横流流速均小于0.50 m/s，部分航段最大横流小于0.25 m/s。方案一与方案二航道轴线走向一致，且位置相近，因此最大横流流速相近。

同时，根据三维模型反映出的垂向流态情况[6]，由于航道宽度超过400 m，底高程仅为-17.5 m，仍属宽浅型，因此垂向流态较为平顺，无不良回流和乱流出现。经模拟结果统计，表底层横流比值约在1.9左右，这一数值可为小型船舶通航（吃水位于航道表、中层）提供横流折算参考依据。

图6 方案一涨落急流速等值线

4 航道内泥沙回淤计算分析

4.1 正常条件下航道回淤特征

所谓正常条件，即为考虑一般来水来沙及常风浪。需指出的是，鉴于内伶仃岛北侧存在持续的采砂活动，且当前尚未停止，因此也将其影响一并列入正常条件。表5中给出了各方案航道年回淤强度及回淤量，图7中绘制了年回淤强度沿程分布。经分析，铜鼓航道段泥沙回淤量值显著高于伶仃航道段。正常条件下，铜鼓航道段平均年淤强0.80～0.84 m/a，伶仃航道段平均年淤强 0.23～0.43 m/a。这是由于铜鼓航道段穿越浅滩，相对挖深比较伶仃航道段更大所致，同时采砂引起的含沙量增量也对航道回淤有一定贡献，经分析其增淤效应在10 %～20 %左右[6]。

回淤沿程分布总体呈现出北高南低的特征，最大回淤出现在深圳西港区口门附近，年淤强达到1.50 m/a，而向南至10～15 km里程处发生第二个次峰值，正常年淤强在0.8 m/a左右。据分析，西港区口门附近两侧滩面水深均在3～6 m左右，航槽相对挖深较大，同时该处潮流流速较强，边滩最大流速超过1.0 m/s。且以横跨槽形式发生，导致回淤较重，而在第二个峰值处，航槽更加靠近铜鼓浅滩，广阔的滩面可提供更多沙源，此外也直接承受采砂引起浑水下切影响，导致回淤增大，但由于该处潮流主轴与航道轴线基本平行，以顺流淤积为主，因此回淤量值弱于口门段。

两个方案铜鼓航道段基本重合，泥沙回淤数值相同，差异主要体现在伶仃航道段，其中方案二伶仃段回淤略强于方案一，这是由于方案二未完全利用现有伶仃航道深槽，而是于其东侧新开挖一条平行航道，更加逼近东侧浅滩水域（最浅处水深仅为5 m左右），导致回淤有所增高。

表5 各方案航道沿程水深及年淤强统计

图7 各方案航道年回淤强度分布

4.2 百年一遇洪水作用下航道回淤预测分析

广东省水文局佛山水文分局的研究报告[8]显示，珠江口流域 2005年的特大洪水过程相当于百年一遇。以上述过程为上游动力条件，外海考虑2016年6月连续潮过程，模拟计算了洪水过程下的航道回淤情况。表5中列出了回淤厚度数值和回淤量，图8中给出了回淤沿程分布趋势。

根据模拟结果，百年一遇洪水过程作用下，航道内泥沙淤积不重，其中铜鼓航段平均淤厚0.11 m，伶仃航段平均淤厚仅为0.03～0.04 m，表明强洪水下泄对本工程航道影响不大。实际上，本工程水域距离珠江河口较远，距离超过40 km，下泄洪水较难直接“灌入”工程区，至内伶仃岛北侧，洪水引起的流速增幅已较弱。与正常水情相比，方案一和方案二的洪水回淤量差异有所减小，这是由于至伶仃航道处，洪水的直接作用已得到大幅度消减，不足以起悬更多滩面泥沙。

图8 各方案航道百年一遇洪水回淤厚度分布

4.3 强台风作用下航道回淤预测分析

2018年9月，强台风山竹于广东省登陆，局部最大风速达到 17级。以台风山竹作为极端台风环境，对航道工程的泥沙骤淤进行模拟预测，计算中水动力条件采用2016年6月大潮叠加台风的方式。根据计算，强台风作用下航道内回淤有所增强，铜鼓航段平均淤厚在0.15～0.16 m左右，最大淤厚达0.34 m，伶仃航段平均淤厚0.04～0.09 m，最大淤厚0.12 m。较之洪水而言，强台风作用下的航道淤积更强，这是由于两侧广阔的浅滩在强波浪作用下大量起悬所致。从整体回淤分布来看，台风作用下的航道沿程回淤分布相对更加均匀。需指出的是，尽管强台风作用下航道发生了一定淤积，但其量值并未形成碍航性骤淤，这对航道设计是有利的。

伶仃洋是潮优型河口湾，潮汐动力远强于径流，特大洪水所增加的径流动力与伶仃洋巨大的纳潮量相比仍为小量，河口湾的水动力环境并不会有特别异常的改变。大洪水在短时间内滩槽的冲淤分布可能会发生一些改变，但随着正常水文条件的恢复，变化的水下地形也会逐步调整过来[9]。

台风对伶仃洋地形的影响不大，可从港珠澳大桥试挖槽的测量资料中得以侧证。2009年桥区试挖槽在西岛东侧海床平均高程-9.5 m的水域，槽底宽21 m，槽底长100 m，槽型为东西走向，挖深至底高程-21 m，基槽从2009年2月份竣工观测以来一直到10月13日的监测结果表明，其间经历了两次热带风暴袭击后，基槽内并没有出现明显回淤现象。

珠江河口虽然每年接纳来自珠江网河区注入的大量来水来沙，同时也是台风频发区，但事实证明，伶仃洋依然能够长期保持“三滩两槽”的稳定格局，伶仃深水航道多年来并没有发生台风或大洪水“骤淤”而碍航的实际情况，说明极端天气情况的发生并没有明显破坏伶仃洋滩槽稳定的格局分布。根据模拟结果，无论是百年一遇洪水过程，还是强台风作用下，航道内虽有回淤增强现象，但不会造成碍航性骤淤，可通过适当预留备淤深度和适当维护性疏浚加以解决。

5 结 语

本文围绕深圳西部港区出海航道二期工程的水动力泥沙问题开展研究，基于现场实测资料统计，结合数学模型试验成果分析，得到以下结论：

1）据实测资料统计，铜鼓航道沿程水域大潮涨、落潮段平均流速一般在0.5 m/s以下，浅滩水域正常天气条件含沙量较低，大潮平均含沙量在0.05 kg/m3左右。铜鼓浅滩水域底质以细颗粒的粘土质粉砂、粉砂质粘土和砂-粉砂-粘土为主，属典型淤泥质海岸。据2014～2016年实测航道底高程数据对比，铜鼓航槽内断面平均年淤强在 0.23～1.52 m/a之间，整条航道平均年淤强约为0.8 m/a。

2）根据数值模拟，航道二期工程建设后，大部分航段轴线与涨落潮流主流向夹角较小，垂向无不良回流与乱流，最大横流发生在近港池处，最大横流约0.63～0.83 m/s，其次为中间拐弯段，最大横流约0.51～0.56 m/s，其余航段最大横流流速均小于0.50 m/s，部分航段最大横流小于0.25 m/s，表底层横流比值约在1.9左右。两方案最大横流流速相近。

3）根据数学模型预测，航道二期工程建设后，正常水情及采砂影响下，铜鼓航道段平均年淤强在0.80～0.84 m/a左右，伶仃航道段平均年淤强在0.23～0.43 m/a左右。百年一遇洪水作用下，航道内泥沙淤积不重；强台风山竹作用下，航道内回淤有所增强，但并未形成碍航性骤淤。