磨刀门河口滩槽演变数学模型预测

磨刀门河口滩槽演变数学模型预测
杨聿;胡晓张;何用;王汉岗
【摘要】建立珠江河口区潮流泥沙数学模型,设计合理的计算水沙系列,对磨刀门河口区未来滩槽演变趋势进行了模拟预测.预测结论表明,磨刀门口门河段未来将呈现滩淤槽冲的演变趋势,河道向窄深方向发展,中心拦门沙将主要向SW、SE向发育,内外坡以冲刷为主,西汊将持续向海延伸,东汊处于冲淤交替状态.
【期刊名称】《人民珠江》
【年(卷),期】2018(039)002
【总页数】7页(P30-36)
【关键词】滩槽演变;数学模型;磨刀门
【作者】杨聿;胡晓张;何用;王汉岗
【作者单位】珠江水利科学研究院,广东广州 510611;水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室,广东广州 510611;珠江水利科学研究院,广东广州 510611;水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室,广东广州 510611;珠江水利科学研究院,广东广州 510611;水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室,广东广州 510611;珠江水利科学研究院,广东广州 510611;水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室,广东广州 510611
【正文语种】中文
【中图分类】TV148
磨刀门为珠江八大口门之重要泄洪口门，主要承接西江干流经西海水道及磨刀门水道下泄的洪水。

磨刀门水道在灯笼沙尾处分东南两汊道，南汊的磨刀门出海段(又
称横洲水道，航道部门称为交杯沙水道)为主汊；东汊的洪湾水道在马骝洲后又分
东南两支，东支经澳门水道流入伶仃洋，南支经十字门水道注入南海。

另外，经鹤洲水道、白龙河至龙屎窟也是一个出海通道，但其分流较少。

浅海区内自东向西依次分布一系列的山丘、小岛，如横琴岛、横洲和三灶岛等；在口外水域交杯沙以南，分布有一东西向的成片沙脊，称为拦门沙。

磨刀门河口水系见图1。

磨刀门在珠江河口中较为特殊，是一个直面大海的河口，受到径流、潮流直接交互作用，演变规律十分复杂。

近几十年来，随着磨刀门河口的延伸，口外发育形成了中心拦门沙和东西两汊，分析磨刀门河口发展演变趋势是认识珠江河口径潮动力作用下水沙输移和滩槽发育的重要基础。

磨刀门中心拦门沙和东西两汊的发育变化还与磨刀门咸潮上溯和当地滩涂资源开发利用具有密切联系，认识磨刀门河口浅滩、拦门沙和东西两汊的发育演变趋势，对磨刀门河口治理和开发具有重要的指导意义。

图1 磨刀门河口位置遥感
1 河口滩槽演变预测方法
河口冲淤演变预测方法主要有物理模型、数学模型或资料分析等方法，随着计算机技术的发展，数学模型越来越多的应用于河口海岸泥沙冲淤演变模拟。

近年来，运用潮流泥沙数学模型对珠江河口水沙运动和演变预测已开展不少相关研究[1-5]，
珠江水利科学研究院在1999 年就建立了珠江三角洲河口区一、二维联解潮流、泥沙及含盐度耦合数学模型[3]，后来又对模型进行了不断完善和扩展，从最初的潮
流输沙模型发展成目前具有多种功能的波、潮共同输沙模型。

河口的冲淤演变是一个长期的过程，如何根据有限时段的水沙资料模拟长周期的水流运动和河床冲淤变形，开展河床演变预测，研究存在一定难度。

珠江河口水沙输
移和滩槽演变以及与三角洲来水来沙、河口潮汐动力、风、波浪、外海洋流等动力因子的变化有着密切的联系。

由于珠江河口水沙运动存在一定的规律性，径流和输沙的年内分配存在丰枯交替，河口潮汐在月内存在大、中、小潮交替，这些为河口演变预测的水沙概化提供了基础。

基于以上认识，本文采用珠江河口区潮流、泥沙及含盐度耦合数学模型为主要手段，根据河口水沙输移的特点，设计合理的水沙系列，代表河口长期的径潮特征动力，等效于天然长期水沙对滩涂发育的作用，从而实现预测滩槽演变趋势的分析计算。

限于篇幅，模型基本原理部分不再详细介绍，有关模型介绍请请参见相关文献[6-7]。

1.1 模型范围及网格剖分
模型研究范围为：上边界取自三角洲八大口门出口控制水文站，下边界取至外海-30 m等深线；西边界自大襟岛西侧；东边界至香港水域。

研究范围包括香港水域、伶仃洋浅海区、深圳湾、澳门浅海区、磨刀门浅海区、鸡啼门浅海区、黄茅海浅海区，模型研究区域东西约124 km，南北约125 km，控制水域面积约20 000
km2。

二维模型研究范围内有较窄的网河区河道，也有广阔的伶仃洋水域，再加上多水道汇入，多口门相汇，水域中存在多个岛屿，模型边界极为复杂。

对于这样一个水域，如果采用传统的矩形网格进行离散，势必造成边界模拟精度不高，计算工作量巨大等缺陷，直接影响模型计算的精度。

为此，研究采用贴体正交曲线网格划分程序对二维模型计算区域剖分，并对磨刀门河口水域局部网格进行了加密，网格最小尺寸为10 m×10 m。

1.2 波浪处理及概化
在珠江河口水域，波浪对河口泥沙搬运有明显的作用，是泥沙模型计算中必须考虑的因素。

由于浅海区波浪频率较高，河口区浅滩多为沙、粉沙和淤泥所覆盖，在波
浪作用下极易起动，在模型中通过辐射应力和波流共同作用下的底应力充分考虑波浪对水流的影响，通过波浪作用下泥沙起动公式判断波浪对泥沙起动再悬浮作用。

由于波浪周期远小于潮汐周期，因此可把波浪过程概化为在潮周期中具有平均意义的波浪流要素，叠加到潮流运动方程中去，用来计算长时段的水流运动状态以及对泥沙的作用。

对于河口泥沙研究来说能体现泥沙浓度变化和冲淤过程的周期性规律，在解决实际工程问题方面具有较好的实用性，基于上述观点，本文在建立数学模型时，并不关心波浪运动的瞬间变化，只研究由波浪场所产生的“波流幅射应力”、“波流摩阻应力”以及“波流挟沙力”等动力要素对潮流和泥沙运动的影响作用，把有关的波浪力要素用函数形式补充到水流运动方程和泥沙扩散方程中去，从而获得包含潮流和波浪综合作用的二维泥沙数学模型控制方程。

为此，选择磨刀门口门附近水域常浪向作为波浪条件。

磨刀门口外海区常浪向为SE向，平均波高1.2 m，模型计算的常浪向选择SE，采用的夏季、冬季平均波高分布分别见图2、3。

1.3 计算水沙系列条件设计
a) 典型水沙组合的选取。

根据三角洲网河及河口水沙输移的特点，设计合理的水
沙系列，代表河口长期的径潮特征动力，这一动力对河床的造床作用等效于天然长期水流的造床作用。

设计水沙系列计算河床冲淤变形，以缩短时间比尺，实现长期河床变形的计算模拟。

为此，对珠江口已有的实测典型水沙过程进行筛选，筛选的原则有：①洪、枯季上游径流条件接近多年平均来流，能够代表洪、枯季来水来沙条件，反映河口的平均径流动力；②河口的潮汐能够包含完整的大、中、小潮，高低潮位和潮差与河口平均接近，基本能够反映河口外的潮汐动力条件；③尽量采用新的实测水沙资料，以期反映近期的网河分流及口门水沙分配。

图2 洪季SE向波高分布
图3 枯季SE向波高分布
根据上述原则，冲淤计算水沙系列选用“1999·7”洪季径潮组合(含大、中、小潮)和“2001·2”枯季径潮组合(含大、中、小潮)，作为典型洪枯季水沙组合，设计冲淤计算的水沙代表系列。

“1999·7”洪季，上游北江三水站最大洪峰流量为9 200 m3/s，接近多年平均洪峰流量9 640 m3/s；西江马口站最大洪峰流量为26 800 m3/s，接近多年平均洪峰流量27 600 m3/s。

北江三水站实测期平均含沙量为0.23 kg/m3，西江马口站平均含沙量为0.29 kg/m3，其相应多年平均含沙量分别为0.21、0. 31 kg/m3，二者较为接近。

下游潮位则包括大、中、小不同潮型，实测桂山岛高高潮位和低低潮位分别为0.94、1.36 m，与洪季多年平均潮位相当。

“2001·2”枯季，实测期上游北江三水站最大流量为1 150 m3/s；西江马口站最大流量为1 620 m3/s。

北江三水站实测期平均含沙量为0. 02 kg/m3，西江马口站平均含沙量为0.01 kg/m3。

下游潮位则包括大、中、小不同潮型，八大口门平均潮差大于多年平均潮差，相当于枯水大潮水文组合。

b) 年冲淤计算水沙条件设计。

三角洲洪季(4—9月)多年输沙量占到全年输沙总量的91.7%～96.8%，枯季(10月至次年3月)输沙量占到全年输沙总量的3.2%～8.3%，可见泥沙输移主要集中在洪季，枯季输沙相对减少。

“1999.7”洪水过程“马+三”的径流总量约为213亿m3，输沙总量约为591万t，分别占洪季的10.01%和7.6%，占多年平均径流量和输沙量的7.85%和7.20%。

“2001·2”枯水过程“马+三”的径流总量约为5.3亿m3，输沙总量约为0.84万t，分别占枯季的0.91%和0.19%，仅占多年平均径流量和输沙量的0.2%和0.01%。

可见，无论是径流量还是输沙量，洪水过程均是控制径流和泥沙输移，决定河道冲淤的主要时段。

为此年冲淤计算水沙条件设计时，将“1999·7”中洪水过程作为河道泥沙冲淤的主要时段，“2001·2”洪季大潮作为补充，其中洪季水沙系列主要控制进入三角洲及河口区泥沙总量，基于河段输沙相似，可以将全年的输沙概化为10个
典型洪水“1999·7”输沙过程；枯季水沙系列则主要是调整河口区水域冲淤分布，基于枯季冲淤历时相似，将枯季水文条件同样概化为若干个典型过程。

按照设计代表年的水沙系列，计算河口冲淤及分布情况，预测河口滩槽演变。

c) 大洪水对滩槽塑造的概化。

以上年冲淤计算水沙条件的设计主要考虑了多年平
均洪水和枯水两种水文组合，实际上，大洪水对河口滩槽形态的塑造会起到不可忽视的作用，因此在进行河口滩槽长期演变预测时，需要考虑大洪水的影响。

经过统计，20世纪90年代至2006年以来，珠江流域出现了9次流域性、区域
性和局部性特大洪水或大洪水。

如流域性“94·6”“98·6”“05·6”、洪水，区域性柳江“96·7”、郁江“01·7”、北江“06·7”洪水等，局部性北盘江“91·7”、北江“97·7”洪水，其频度为历史少见，而且洪水强度大。

而2007—2015年，
流域进入了枯水期，期间仅发生了西江“08·6”区域性洪水。

基于对流域洪水发生不同洪量级的频率的认识，预测中长期演变时需考虑洪水在其中的作用，为此，经统计分析后，在中长期演变模拟计算中每5 a考虑一次大洪水的演变作用。

2 模型验证
2.1 验证条件
a) 潮流、泥沙验证水文条件。

珠江河口磨刀门附近水域采用珠江水利科学研究院2011年12月4日10时至13日12时及2012年5月7日11时至14日12时洪、枯水期大、中、小潮期间7个测站的海流、含沙量、水温、盐度等要素27 h
连续水文数据，另外还有两个测点的风速、风向、海况观测数据。

同期观测望洋角、大井角的临时水位观测数据。

b) 冲淤验证地形条件。

收集了2000年5月1∶5 000磨刀门水域河道地形图、2005年9月1∶5 000磨刀门水域河道地形图、2011年11月1∶10 000磨刀门水道横州口外河口水下地形图。

其中2005年9月地形图测量时间在“05·6”洪水之后，可代表典型洪水后磨刀门河口地形。

2.2 验证结果
a) 潮流、泥沙验证结果。

限于篇幅，截选2011年枯水期、2012年洪水期部分站点潮位、流速、流向、含沙量验证成果见图4—8，从验证结果来看，各个测点模
型计算值与实测值吻合较好，模型的涨、落潮历时和相位与原型实测资料一致，潮位特征值验证误差都小于±0.10 m，符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》规定的精度要求。

a) 大横琴站枯水大潮
b) 大横琴站洪水大潮图4 2011年枯水期、2012年洪水期大横琴站潮位验证成果
a) 枯水期大潮流速
b) 枯水期大潮流向图5 2011年枯水期大潮流速、流向验证成果
b) 冲淤验证结果。

按照磨刀门口门外滩槽分布情况，将研究区域分成与河床演变
分析近似形同的区域，分别统计各分区的年平均冲淤厚度，见表1。

从统计成果来看，各分析区域计算年平均冲淤速率介于各年代演变分析成果之间，各区域之间冲淤总体分布规律与实测分析成果基本一致。

总体冲淤分布为拦门沙西侧浅滩呈现淤积态势，其它各浅滩区均以冲刷为主。

就淤积强度而言，横琴岛南侧浅滩、拦门沙区域、拦门沙西侧浅滩冲淤强度与实测较为接近，但横洲南浅滩冲淤强度与实测值略有差别，分析其原因有两点，一是该水域频繁的人类活动有关，对河床扰动较大，引起大量底泥再悬浮，悬浮泥沙随涨、落潮运动而向北、向南输移；二是泥沙冲淤计算采用的是夏季、冬季平均波浪条件，横州南浅滩受波浪动力作用较强，波浪概化与实际会存在一定的偏差。

a) 洪水期大潮流速
b) 洪水期大潮流向图6 2012年洪水期大潮流速、流向验证成果
a)B5站点图7 2012年枯水期大潮含沙量验证成果
b) B7站点续图7 2012年枯水期大潮含沙量验证成果
a) C2站点
b) C5站点图8 2012年洪水期大潮含沙量验证成果
表1 磨刀门口门外分析区域年均冲淤厚度分析与计算成果 m/a分区年淤积强度2000—2005年2005—2011年计算成果横琴南侧浅滩-0.03-0.005-0.002拦门沙区域-0.02-0.10-0.054横洲南浅滩-0.030.000.020拦门沙西侧浅滩
0.170.020.016
3 预测结果分析
模型边界统一至现状岸线，研究区域地形采用2011年实测1∶10 000地形作为现状地形，预测未来10 a磨刀门河口区滩槽演变情况，计算得到未来10 a磨刀门河口附近水域冲淤分布见图9。

将磨刀门河口区分为口门内河段、口外拦门沙、东西汊道三大区域分别进行分析。

3.1 口门内河段演变趋势
图10为未来10 a磨刀门口内河段深泓变化情况，表2分别为口内河段冲淤量统计表。

从中可以看出，磨刀门口内河段演变主要呈现以下特征。

a) 滩淤槽冲，河道向窄深方向发展，宽深比变小。

河道向窄深方向发展，宽深比变小，过水面积增大。

究其原因，磨刀门水道尚处于非饱和输沙状态，水流挟沙能力大于水流含沙量，水流将向床面层寻求补给，河床发生冲刷。

图9 磨刀门水域10 a冲淤厚度分布
图10 口内深槽未来10年深泓变化情况表2 口内深槽河道冲淤量
水位/m时段冲淤量(×104m3)总冲淤量年均冲淤量冲淤情况冲淤厚度/m冲淤强度/(m·a-1)0^-3m滩地
0^5a345.08569.0170.3310.0665^10a167.06833.4140.1550.0310^10a512.15 351.2150.4860.049-5m以下深槽0^5a-1619.398-323.880-1.583-
0.3175^10a-567.327-113.465-0.561-0.1120^10a-2186.725-218.672-2.141-
0.214
b) 河道深泓以下切为主，中下段逆比降仍存在。

河段深弘以下切主，其中上游段
下切幅度最大，下游拦门沙内坡变陡。

受口门外拦门沙的影响，口门以上段有倒比降，这种趋势将存在下去。

c) 西侧浅滩发育，以淤积为主。

口门以上河段西侧浅滩仍以淤积为主。

从东汊上
溯流与西汊上溯流汇入口门以上河段的时间不同，洪湾水道及磨刀门主槽上溯时间亦不同，造成西部回流区，加上受洪湾水道分流分沙及口门出口突然放宽的影响，西侧浅滩渐渐落淤。

3.2 口外拦门沙演变趋势
选择拦门沙的现在与未来10 a后的形态、拦门沙向外海推进速率、拦门沙顶部水
深变化情况，及冲淤特性特点进行分析。

图11反映了口外-3 m等高线变化情况，图12、表3分别为磨刀门口外纵向断面形态变化图和统计表。

从中可以看出，中
心拦门沙演变主要呈现以下特征。

a) 中心拦门沙主要向SW、SE向发育，走向呈NE-SW。

在预测期10年间，中心拦门沙淤积明显，-3 m等高线包络面积由3.07 km2增加到4.06 km2，沉积中心向西南向偏移；拦门沙东北侧浅滩缩小，略向西南延伸，表明了中心拦门沙向西南淤长的趋势。

图11 磨刀门现状及未来10年后-3 m等高线对比
b) 内外坡以冲刷为主，滩顶外移，且高程相对稳定。

在预测期10 a间，内坡向海推进250 m，推进速率为25.0 m/a，小于磨刀门整治至今的平均推进速率(64.4
m/a，遥感统计)。

受径流冲刷影响，内坡平均冲刷速率在1.4～2.1 cm/a。

外坡
向陆退缩距离达595 m，退缩速率达30 m/a，亦小于磨刀门整治至今的平均退缩速率(56.9 m/a)。

受波浪侵蚀影响，外坡平均侵蚀速率在0.60～2.8 cm/a。

拦门
沙滩顶位置发生外移，较现状移动了260 m。

虽然拦门沙内坡及滩顶发生明显冲
刷，但当所冲刷的泥沙往外输移至水动力渐弱的下游水域时，床面发生淤积抬高，从而形成新的拦门沙滩顶，便出现拦门沙滩顶位置外移现象。

新滩顶最高点高程介于-2.1～-2.3 m之间，处于基本处于稳定状态。

表3 未来10年间中心拦门沙区断面形态变化统计 m时间特征内坡位移距离外坡
位移距离滩顶位移距离滩顶高程变化0^5a130-3001400.940^10a250-5952600.97
图12 未来10年间中心拦门沙区纵向形态变化
3.3 东、西汊道演变趋势
为分析预测期内东、西汊道的发育情况，选择对比现状与预测期内的-5m等高线
变化，见图13及统计-5 m深槽平面形态变化见表4，东、西汊道纵剖面见图14、15。

从中可以看出，东、西汊演变特征主要有以下特点。

a) 西汊向海延伸，稳定冲刷状态。

在预测期内，西汊向海延伸速率28.0 m/a，宽度增加300 m。

5、10 a间西汊向外海延伸速率变化不大，西汊处于保持稳定冲
刷状态。

西汊向西侧拓展5～10 a间变化不大，可见，在未来10 a后基本处于稳定期，不在向西侧发展。

图13 磨刀门现状及未来10年后-5 m等高线对比情况
b) 东汊平时淤槽，受波浪影响显著，尚处于变动期。

东汊年均延伸速率-55 m/a，宽度减少150 m，东汊在波浪作用下向陆退缩显著。

东汊前端和中心拦门沙前端
由于波浪幅聚受到冲刷，再悬浮泥沙在东汊落淤形成沙嘴，进而封堵东汊，使得深槽前端淤浅，10年间东汊的断面变化说明了这一点，也进一步表明东汊尚处于变
动期，总体表现为，平时淤槽，遇大洪水时槽道发育。

表4 未来10 a间东、西汊-5m深槽平面形态变化统计 m时间西汊延伸长度延伸速率宽度增加东汊延伸长度延伸速率宽度增加0^5a15030.0180-290-58-
800^10a28028.0300-550-55.0-150
图14 西汊深槽剖面形态变化
图15 东汊深槽剖面形态变化
4 结论
磨刀门河口是珠江八大口门中直面大海的一个河口，径潮动力规律和演变特征复杂，本文基于珠江河口潮流泥沙数学模型，对磨刀门河口演变规律进行了预测分析，得出以下认识。

a) 基于河段输沙相似的原则，设计合理的水沙系列，代表河口长期的径潮动力组合，计算河床冲淤变形，可以缩短时间比尺，实现河口长期河床变形的计算模拟。

b) 磨刀门口门河段未来将呈现滩淤槽冲的演变趋势，河道向窄深方向发展，宽深
比变小，出口段逆比降将长期存在。

c) 中心拦门沙将主要向SW、SE向发育，内外坡以冲刷为主，拦门沙形态向尖瘦
型发展。

d) 口外西汊将持续向海延伸，呈稳定冲刷状态；东汊处于冲淤交替状态，尚处于
变动期。

参考文献:
【相关文献】
[1] 张心凤.黄茅海水域河床长期演变趋势预测[J].武汉大学学报(工学版)，2014，10(5)：591-598.
[2] 叶锦培，何焯霞，周志德.珠江河口潮流输沙数学模型[J].人民珠江，1986(6)：7-15.
[3] 徐峰俊，刘俊勇.伶仃洋海区二维不平衡非均匀输沙数学模型[J].水利学报，2003(7)：16-21.
[4] 张华庆，吕忠华，沈汉堃，等.珠江河口水沙数值模拟系统[J].水道港口，2002(2)：51-53.
[5] 何用，徐峰俊，胡晓张，等.伶仃洋滩槽演变趋势预测研究[J].人民珠江，2014(3)：29-32.
[6] 何用，高时友，徐峰俊，等.珠江口潮流泥沙数学模型关键问题探讨[J].人民珠江，2014(4)：
60-66.
[7] 胡晓张，何用.博贺电厂海区波浪、潮流共同作用下泥沙数学模型研究[J].人民珠江， 2007(6)：47-52.。