茅洲河口滩槽自生性物理模型试验研究

刘国珍，卢 陈，吴 尧，3，佟晓蕾，吴门伍

（1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州 510610；2.水利部珠江河口治理与保护重点实验室，广州 510610；3.河海大学港口海岸与近岸工程学院，南京 210098）

0 引 言

茅洲河口位于伶仃洋东北角，河势演变受径流、潮汐、波浪［1］等水动力因子综合作用；河口两侧分别为东莞和深圳，沿海开发强度高，受人类活动影响大，为此，茅洲河持续开展了河道整治［2］、水环境治理［3］、生境研究［4］等工作，相应的在河口水域也有河口建闸［5］、堤防防控［6］、治导线方案［7］等配套治理措施研究。茅洲河汇入伶仃洋，伶仃洋水域水情复杂［8］，泥沙絮凝［9］与风暴潮等极端水动力条件相互作用，季节性变化［10］与不可预测的非周期性变化因素交织作用，加之自20 世纪80年代后，内伶仃洋水域进行了大量的航道开挖［11］、陆域围垦［12］以及无序挖沙，河床演变过程多变［13］。其中，围填工程改变河口岸线，直接影响局部水动力环境，河势将随之发生调整，防洪、纳潮等问题亦会凸显。

本次研究采用自生性过程的试验方法［14-16］，以水沙相互作用和自我调整为主导，针对茅洲河口岸线的改变，模拟河床演变，研究深槽的自生性，根据试验成果，提出河口治理方案。

1 研究背景

深圳作为我国第一个经济特区，现又成为中国特色社会主义先行示范区，经济蓬勃发展，人口不断增加，城市发展战略随之进行调整，其中，深圳市西北角临海片区规划为空港新城，战略定位为粤港澳大湾区新城、国际一流空港都市区，是粤港澳大湾区经济核心区、国际航空枢纽、海洋经济发展示范基地，根据前海深港现代服务业合作区改革开放方案，该区域并入前海合作区。

伶仃洋东滩-3 m 等高线从东莞交椅湾向深圳西海岸侧延伸，与茅洲河入海口深槽在空港新城西侧水域交汇，茅洲河入海口-3 m 等高线贯通，深泓线最深位置为-4.2 m（珠基，下同），深槽从茅洲河口向下游穿过伶仃洋东滩，汇入伶仃洋东槽。

空港新城［17］将现状养殖区及近岸水域围填成陆，深圳西海岸岸线向海推进，切断茅洲河与伶仃洋之间的深槽，-3 m 等高线被切断约2.7 km。

2 模型试验

2.1 模型建立

物理模型试验采用珠江河口大范围模型，模型的上边界为：西、北江上游至两江交汇处思贤滘附近，广州水道上游至老鸦岗，东江至石龙，并分别向上游延伸2 km作为过渡段；茅洲河模拟从河口向上游的10 km河段。上边界以上用扭曲水道与量水堰连接，用以模拟潮区界段纳潮的长度和容积。模型包括整个伶仃洋水域，下边界为外海区-25 m 等高线。所有上、下游边界的过渡段都按实测地形模拟，保证上下游可较好的模拟径流、潮汐过程，尽可能的保证模型与原型相似。模型范围及布置见图2。

根据试验场地面积、供水能力，选定模型的平面比尺为1∶700。垂直比尺根据模型水流处于紊流阻力平方区的水深比尺条件来确定，并参考国内大型河口模型设计，确定模型的垂直比尺为1∶100，相应的变率为7；水流时间比尺为1∶70，冲刷时间比尺为1∶559。

2.2 模型沙

根据研究水域的泥沙、水流特性，综合南科院、珠科院的分析成果［18］，本次泥沙模拟试验床沙选择比重为1.22 t/m3、中值粒径为0.23 mm、起动流速约4.3～5.2 cm/s 的塑料沙。研究对象所在水域的其他工程试验中，该级配的模型沙多次使用，能较好的满足工程所在水域动床试验研究的要求，在珠科院的珠江河口大范围整体模型试验中已得到验证［18，19］。

2.3 模型验证

模型验证水文条件选取1999年7月中洪水组合（以下简称“997”）和2001年1月枯水组合（以下简称“012”），这两种水文边界是珠江河口具有代表性的中洪水和枯水径潮组合。

典型测点布置见图1，潮位过程验证成果见图3～6，流速过程验证成果见图7、8。验证成果表明，潮位过程线吻合情况较好，相位偏差一般在0.5 h 以内，高、低潮位误差一般在±0.05 m以内，最大误差一般在±0.10 m 以内，符合技术规程的规定，满足潮位相似的要求；流速过程验证成果与原型基本相似，基本满足动力相似的要求。误差在技术规程要求的范围之内［20］，满足潮位、流速、流向等方面的相似要求，可进行模拟试验。

图1 研究水域水系及验证测点布置Fig.1 Water system of study area and distribution of verification measuring points

图2 物理模型平面布置图Fig.2 Physical model layout plan

图3 “997”大虎潮位过程验证成果Fig.3 Validation of“997”Dahu tidal level process

图4 “997”南沙潮位过程验证成果Fig.4 Validation of“997”Nansha tidal level process

图5 “012”大虎潮位过程验证成果Fig.5 Validation of“012”Dahu tidal level process

图6 “012”南沙潮位过程验证成果Fig.6 Validation of“012”Nansha tidal level process

图7 “012”V3流速过程验证成果Fig.7 Validation of“012”V3 flow direction

图8 “012”V3流向过程验证成果Fig.8 Validation of“012”V3 flow direction

茅洲河口近期总体表现为微淤［18］，本次试验中，只进行河床冲刷研究，在满足水动力相似的前提下，进行合理的选沙，满足泥沙起动相似基本可满足底沙输移相似要求。

3 试验设计

3.1 地形边界条件

物理模型采用清水动床冲刷试验，模拟现状茅洲河口地形，再叠加空港新城岸线规划方案，此时，深槽被截断。

3.2 试验水文条件

试验水文组合为“997”中水径潮组合（含大、中、小潮）+“012”枯水径潮组合（含大、中、小潮），其中，“997”中水组合施测原型时段为1999年7月15日23∶00-7月23日13∶00，时段长182 h；“012”枯水组合施测原型时段为2001年2月7日17∶00-2月15日7∶00，时段长182 h。

3.3 试验方案

通过示踪试验，分析新的岸线边界条件下，落潮流平面扩散分布状态。

在新的陆域边界条件下，采用长序列的径潮水文组合，开展清水动床冲刷试验，模拟自然条件下一年后，茅洲河口河床演变。模拟“997”水文组合时，茅洲河施放2年一遇频率的洪水流量，下游采用实测潮型控制；模拟“012”水文组合时，茅洲河枯水径流量较小，由于模拟的河道、过渡段及扭曲水道距离较长，纳潮区间大，模型试验中概化流量，枯季不再添加径流量，下游为实测潮汐过程（见表1）。

表1 模拟试验径潮水文组合Tab.1 Hydrological combination of runoff and tide in simulation test

在研究水域选取河床地形比测断面，冲刷试验后，测量断面形态的变化，分析自生性条件下，深槽的发育和分布。

4 试验成果及分析

4.1 水流流态及示踪试验

涨潮流顺着新岸线上溯，在茅洲河口右岸凸角导流作用下，分为两股，一股向西偏转，经过交椅湾进入虎门水道；另一股进入茅洲河。与之相反，落潮时，茅洲河径流与交椅湾落潮流在空港新城堤防西侧水域汇流，向伶仃洋下泄，其中，交椅湾侧水流流势强，茅洲河出流受到压制，贴着深圳西海岸下泄。

水流示踪试验，在茅洲河加入罗丹明染色剂，观测落潮时径流输移路线，水流扩散路径见图9。成果表明，受交椅湾侧水流挤压，茅洲河径流贴岸下泄，交椅湾水流向下游归槽，随着两股水流的掺混，茅洲河径流扩散面逐渐散开，但扩散路线总体还是贴近深圳西海岸一侧。

图9 径流扩散示踪试验流场Fig.9 Flow field of runoff diffusion tracer test

4.2 深槽自生性泥沙试验

沿新岸线布置4 条测量断面，断面分布见图10，冲刷试验前后各断面河床泥面线变化见图11～14。

图10 泥沙试验测量断面分布Fig.10 Section distribution of sediment test measured

图11 1号断面冲刷前后泥面线Fig.11 Section1 mud line before and after scouring

图12 2号断面冲刷前后泥面线Fig.12 Section 2 mud line before and after scouring

图13 3号断面冲刷前后泥面线Fig.13 Section 3 mud line before and after scouring

1 号、2 号、3 号断面位于现状茅洲河出口深槽被占用段，4号断面位于工程下游段。1 号断面深泓线靠左岸，断面最深位置-3.8 m，约40%的深槽被侵占；岸线外推后，在自然冲刷演变条件下，深泓线西侧滩面冲刷变深，深槽向西侧发展、扩宽，但深槽仍然靠近左侧堤岸，冲刷后河床深槽底高程-3.3 m。2 号断面位置，现状深槽最深位置为-3.3 m；围填后-3 m 深槽全部被侵占，冲刷试验后，近岸20～190 m 范围内冲刷形成-2 m 深槽，深泓线最低高程-2.6 m，深泓线距离堤脚位置约100 m，深槽基本贴岸分布。3 号断面位置，现状-3 m 深槽距离岸线约490～680 m，最深位置-3.6 m，近岸被侵占后，深槽大部分得以保留；冲刷后，深泓线向西摆动约70 m，近岸发生淤积，西侧浅滩贴近深槽段形成冲刷，断面最低点高程-3.4 m，-3 m 深槽缩窄约65 m。4号断面位置，从岸线向西侧水域逐渐变深，现状滩面无明显深槽分布；冲刷试验后，河床整体表现为冲刷，近岸滩面平均下切约0.09 m/a。冲刷后，深泓线平面分布见图15。

图15 茅洲河口冲刷后深泓线走向及深槽开挖治理方案Fig.15 Deep trench excavation treatment scheme of Maozhou estuary

图14 4号断面冲刷前后泥面线Fig.14 Section 4 mud line before and after scouring

5 讨 论

5.1 与现状深槽分布关系

动床水流示踪试验及动床冲刷结果均表明，岸线外推后，近岸形成新的深槽，其分布区域与现状较为类似，靠近堤岸，呈西南-东北向分布，2 号断面位置最大冲深1.4 m。3 号断面附近，新岸线附近呈淤积态势，深槽西侧浅滩表现为近端冲刷远端淤积。

岸线改变后，在平面形态上，出现了上下游贯通的新深槽，虽然冲刷发展明显，但-3 m 等高线无法贯通，总体河槽比现状浅。

研究水域位于伶仃洋东滩，现状在自然演变条件下表现为微淤态势。岸线外推改变了局部水流泥沙运动路线，新深槽的出现，表明滩槽格局发生较大调整，客观上，水沙输移通道改变。

5.2 水动力分布与滩槽分布

茅洲河径流贴岸下泄，主流平面分布与新冲刷的深槽分布水域基本一致。在涨落潮流的综合作用下，-3 m 深槽从上下游两端向中间发育。经冲刷，自然演变形成新的深槽，1号断面位置，-2 m深槽宽150 m，-3 m深槽宽70 m；2号断面位置，-2 m深槽宽170 m；3 号断面位置，-2 m 深槽宽280 m，-3 m 深槽宽约130 m。其中，1号、2号之间-2 m深槽扩宽率为1.62%，1号、3号之间-3 m深槽扩宽率为2.43%，总体扩宽率小［7］（见表2）。

表2 深槽扩宽率Tab.2 Deep trough widening rate

本试验反映了茅洲河径流和涨潮流的造床特性，新深槽的出现也印证了水沙交互作用的适应过程，试验成果可为茅洲河口治理方案提供科学依据。

5.3 茅洲河口治理方案探讨

通过试验，与现状相比，新冲刷的深槽束窄，-2 m 深槽宽度150～280 m，-3 m 深槽宽度70～130 m；现状深泓线位于-3.3～-4.2 m，新岸线条件下，深槽变浅，介于-2.6～-3.4 m。

根据河道整治经验，深槽开挖时预留回淤空间，根据现状及冲刷试验后深泓线分布，可将挖深初定在-4 m。平面上，起点宽度参考1号断面-2 m 深槽宽度，初步拟定150 m，在-2 m 深槽基础上进行浚深，上下游采用1.25%的小扩宽率方案。方案平面布置见图15。

6 结论与展望

（1）本次研究中，采用物理模型清水动床冲刷试验，研究自然冲刷条件下，滩槽演变趋势和新深槽的形成过程，结果表明，新深槽基本沿外推后的岸线贴岸分布，局部河床发生明显冲刷，但-3 m等高线未贯通。

（2）空港新城使岸线外推，现有深槽被切断，建议河口治理方案以河床自然演变为基础，结合发展需求，整治起点为茅洲河出口，与上游深槽对接，下游接现状-4 m 等高线，全长约4.0 km，推荐深槽开挖至-4.0 m，基本沿着本次研究成果中新冲刷出现的深槽布置，上游底宽150 m，下游底宽200 m，边坡1∶7。

（3）不足与下一步研究计划。根据试验成果可知，岸线外推后，如果没有人工干预，近岸河势在短期内将进行明显调整，堤脚冲深不利于新建海堤的稳定，可能出现堤脚淘刷。鉴于本次研究未开展悬沙淤积试验，河口治理方案实施后，深槽回淤及其稳定性尚需进行试验研究，物理模型试验也未加入波浪要素，下一步，根据实际治理需求，增加其他变量，开展淤积试验，提出合理的深槽清淤与维护方案。