澳门水道潮汐河段河床极限冲刷预测

蓝霄峰，吴门伍

（珠江水利科学研究院，广东 广州 510611）

1 概述

澳门附近水域位于珠江口伶仃洋的西侧，受岛屿的分隔，水域内形成东、西向的澳门水道，该水道西接洪湾水道，东连伶仃洋，南北方向有湾仔水道和十字门水道，各水道互相贯通，呈十字形交汇。其中澳门水道浅滩多，水深较浅，是澳门附近水域泄洪、输沙和潮流的主要通道。根据地形资料显示，澳门水道整体表现为槽冲滩淤的态势，但近些年由于岸线改变[1-2]，右侧浅滩逐渐由淤积转入冲刷态势。根据澳门城市总体规划[3],澳门特区新城区建设填海项目将会实施，规划建设后（见图1）的澳门水道河道地形及形态将会有很大改变，过流面积将会减小，对泄洪和泥沙输移有一定影响，河床的冲刷是规划工程设计应该考虑的问题。

图1 澳门总体规划图（部分）

2 二维潮流泥沙数学模型

2.1 潮流泥沙数值模拟按以下方程控制[4]：

（1）连续方程

（2）动量方程

（3）悬沙输移扩散方程[2]

（4）床面冲淤变化方程

式中：t——时间（s）；x,y——原点o 置于某一水平基面的直角坐标系坐标；u,v——流速矢量V 沿x,y 方向的分量（m/s）；——相对于xoy坐标平面的水位（m）；h——相对于xoy 坐标平面的水深（m）；Nx，Ny——x,y向水流紊流粘性系数（m2/s）；f——科氏参量；g——重力加速度（m/s2）；c——谢才系数，,n 为曼宁糙率系数；s——含沙量（kg/m3）；Dx，Dy——x,y向悬沙紊动扩散系数（m2/s）；Fs——泥沙源汇函数或泥沙冲淤函数（kg/(（m2.s)）；——冲淤厚度（m）；qx——x 向底沙单宽输沙率（kg/（m.s)）；qy——y 向底沙单宽输沙率（kg/(（m.s)）；——泥沙干容重（kg/m3）。

2.2 验证

数值模型采用马骝洲和澳门水道临时水位站实测数据进行验证。水位站及验证点位置见图2 所示。

图2 验证采样点及水位站布置图

（1）潮流动力及含沙量过程验证。采用“2012.6”典型中水文组合对模型进行验证，流速及流向计算结果与实测值的对比见图3，含沙量过程计算结果与实测值的对比见图4，从率定和验证结果可以看出，模型计算结果与实测资料吻合较好。

图3 “2012.6”中水水文组合水位验证

图4 “2012.6”含沙量过程验证

（2）冲淤验证。采用2005 年与2017 年洪湾水道与澳门水道汇流区附近实测地形资料对地形冲淤计算结果进行了验证。图5 为实测冲淤分布，图6 为数学模型年冲淤分布计算结果，航道平均冲刷幅度为0.3m/a，主槽航道附近水域冲刷幅度为0.1～0.3m/a；右岸滩地冲淤幅度较小，冲淤变化在0.03 m/a 以内，计算值与实测值接近，符合规范要求。

图5 2005 年至2017 年年均冲淤分布（单位：m/a）

图6 模型计算冲淤分布（单位：m/a）

2.3 极限冲刷计算工况

澳门水道洪水主要来自洪湾水道，洪湾水道为磨刀门水道分支，而磨刀门洪水主要来自西江。参考附近水域洪水遭遇分析[5]，由上游马口流量与下游典型洪水对应的低潮位作为水文边界。即上边界100 年、200 年、300 年设计洪水洪峰流量遭遇“2005.6”洪水潮型。

2.4 河道地质

根据地质有关资料显示，澳门水道河床土层主要有沉积的淤泥、粉质黏土、残积土、全风化花岗岩。淤泥（Q4m），灰黄～灰色，饱和，流塑。切面光滑，土质均匀，含有机质、腐殖物和贝壳碎屑，韧性高，干强度高，层厚一般为7.0～12.9m；粉质黏土（Q3al+pl），灰～褐黄色，饱和，可塑。切面较光滑，土质较均匀，见铁质浸染，局部含少量砂粒，韧性中等，干强度中等。厚度为4.0～11.9m。残积土（Q3el），灰白～褐黄色，湿，硬塑。切面粗糙，土质不均匀，呈砂质黏性土状，局部砾质黏性土状，见大量石英颗粒，手捏易散，遇水软化。层厚为3.7～12.8m。全风化花岗岩（γ52（3）），褐黄色，湿，密实。原岩结构较模糊，基本风化呈砂土状，石英颗粒填充黏性土，岩芯手搓易散，遇水软化，层厚一般为3.1～12.7m。

3 计算结果

3.1 澳门水道水动力基本情况

（1）主槽流速明显大于滩地流速，北岸航道附近流速较大。

（2）水动力轴线位于主槽内，靠近北岸，与航道走向基本一致。

（3）澳门水道整体流速不大，100 年一遇设计洪水情况下，主槽流速为1.59～1.75m/s，滩地流速0.45～0.69m/s；200 年一遇设计洪水情况下，主槽流速为1.63～1.83m/s，滩地流速0.51～0.77m/s；300 年一遇设计洪水情况下，主槽流速为1.72～1.95m/s，滩地流速0.62～0.85m/s。

3.2 冲刷情况

100 年一遇、200 年一遇和300 年一遇工况下工程附近冲淤变化分布如图7～图9 所示。从图中可以看出，不同水文工况下，河床冲淤变化规律基本一致，澳门航道主槽及北侧堤防附近河床呈冲刷趋势，冲刷变化幅度最大，最大冲深分别为2.32m、2.43m 和2.51m；南侧浅滩有冲有淤，变化幅度在0.23m 以内。

图7 设计洪水流场图

图8 200 年一遇设计洪水流场图

图9 300 年一遇洪水流场图

图10 极限冲刷冲淤分布图（100 年一遇设计洪水）b

图11 极限冲刷冲淤分布图（200 年一遇设计洪水）

图12 极限冲刷冲淤分布图（300 年一遇设计洪水）

4 结论

近些年由于岸线及河道地形改变，右侧浅滩逐渐由淤积转入冲刷态势。本文通过建立二维潮流泥沙数学模型，采用实测资料进行验证，结果表明建立的数学模型符合规范要求，能够用于模拟澳门水道极端洪水下的河床水沙运动。数值模拟结果表明，主槽整体以冲刷为主，最大冲深约2.51m；浅滩有冲有淤，变化幅度在0.23m以内。极限冲刷深度预测一定程度上可为规划、修建隧道、航道整治等工程设计提供科学依据。