深圳机场跑道工程水域潮流泥沙数值模拟研究

徐洪波，覃 杰，朱 峰

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510220）

引言

深圳机场第三跑道位于第二跑道以西，沿江高速以东，福永河以南。场地位于珠江口规划治导线内侧，距沿江高速最小距离60 m。该填海工程将会对工程海域水动力条件和泥沙环境产生一定影响，滩槽演变规律也将随之产生一定的调整和变化，因此有必要开展该项目的岸滩演变和潮流泥沙数学模型研究。

有关二维潮流场的数值模拟，已有学者利用特征理论、迎略金加权剩余原理、单元积分法建立了数学模型[1-2]。泥沙研究方面，学者已建立二维悬沙扩散方程、悬沙运移数学模型、非均匀沙悬移质不平衡输沙等研究模型[3]。本文利用二维潮流悬沙数学模型，选取典型水文泥沙观察资料，进行潮位、潮流、含沙量、地形等参数验证，并计算工程前后海域潮流场及含沙量场，比较特征点的水流流速、流向，为同类工程提供参考。

1 平面二维潮流悬沙数学模型

1.1 控制方程

笛卡尔直角坐标系下，根据静压和势流假定，沿垂向平均的二维潮流、悬沙基本方程可表述为如下形式[4]：

连续方程：

动量方程：

悬沙扩散输移方程：

河床变形方程：

平面二维水沙运动方程：

其中：U=(d,du,dv,ds)T，d为全水深，d=h+ζ（h为水平面以下水深；ζ为潮位）。

其中：u，v和s分别表示x，y方向的流速和水体含沙量。

源项S表示如下：

其中：Sox、Soy分别为x、y方向的倾斜效应项，即河床底部高程变化，zb为河床底面高程；Sfx、Sfy分别为x、y方向的底摩擦效应项；Fs为床面冲淤函数。

1.2 模型范围及模型参数

深圳机场处在伶仃洋东滩、深圳西海岸，所处位置比较敏感，该工程造成的水动力环境影响范围很有可能会延伸到三角洲河网地区，因此有必要建立包含三角洲河网和河口水域的整体水流数学模型。为兼顾计算效率和计算精度[5-6]，采用整体与局部嵌套的数学模型开展数模研究。整体模型采用大尺度网格剖分，局部模型采用精细网格模拟建筑物局部的潮流泥沙运动效果，网格采用非结构网格。整体模型控制边界采用上游流量和外海潮位过程，局部模型控制边界则由整体模型提供[7]。整体水流数学模型范围如图1所示。

图1 珠江三角洲及河口整体模型网格剖分示意

1.3 模型验证

为验证本文的潮流泥沙数学模型的可靠性，将工程区水域2011年6月份的汛期大潮水文泥沙实测资料与数模结果进行对比[8-9]。本文选择性列举了靠近工程位置附近的典型测站，如图2所示，对应的水位、流速和泥沙含量测试结果如图3所示。

图2 工程区水域水文测点布置示意

图3 典型测点验证结果曲线

实测结果与模型模拟结果显示：结合曲线线型及峰谷位置对比情况，本文数值模型所得潮位过程与天然情况基本吻合，高、低潮位计算值与实测值误差均在±0.10 m范围以内；典型测点处垂线流速过程模拟与实测趋于相似，流速峰值和转流时间二者也比较接近，涨潮、落潮平均流速的计算值与实测值相差均在10 %以内；含沙量量级以及波动过程模型与实测数据基本保持一致，验证潮型下平均含沙量的计算值和实测值误差大都控制在30 %以内。

由此可见，本文所用数学模型对洪季大潮期间的水沙验证结果满足对潮位、潮流和含沙量的模拟精度要求。

2 工程模拟

计算分析分采用SMS软件对模型进行网格剖分，网格剖分采用三角形单元对水域进行离散，网格剖分过程中对小尺度桥墩和大尺度人工岛进行合理的边界概化，力求模拟出工程建筑物的真实形状。图4显示了计算区域局部的网格剖分效果。从图4中可以看到：桥墩区域采用较为密集的网格，最小尺度为3.0 m，基本模拟出了涉水建筑物的形状和尺寸。其他水域网格较粗，可以有效达到节省计算时间的目的。

图4 沿江高速沿程水域桥墩网格剖分示意

模型控制水情变化采用2011年6月份洪季大潮的验证潮型，深圳机场码头潮差为2.78 m（如图5，该潮差属于较大潮差，该水情条件每年都有出现的可能）；泥沙冲淤过程采用洪季和枯季水情各占一半的时间来模拟一个水文年的泥沙冲淤过程。

图5 深圳机场码头潮位过程

3 计算结果分析

3.1 工程区流态变化

图6分别为工程方案实施前后的伶仃洋水域在涨急和落急典型时刻的流态，通过对比可以看出：

图6 工程前后涨落急时刻流速分布

深圳机场三跑道扩建工程潮流动力相对较弱，潮流流向基本与岸线走向一致；工程实施前，涨潮期间工程水域大部分流速在0.4～0.5 m/s；落潮期间工程水域南部流速在0.3～0.4 m/s、北部水域流速在0.1～0.2 m/s。沿江高速水域在大量桥墩的阻水作用下，高速沿程水域流速普遍较弱，大部分在0.2 m/s左右。

工程实施后，沿江高速沿程流速仍普遍较弱。受工程对水流的约束影响，工程西侧水域流速有所增加。沿江高速与工程西侧之间水域，涨急时刻工程水域南部流速在0.4～0.5 m/s，工程水域北部流速在0.5～0.6 m/s；落急时刻工程水域南部流速在0.4～0.5 m/s，工程水域北部流速在0.3～0.4 m/s。工程西侧水域出现局部流速增加的趋势。

为定量分析工程建设前后的水流条件变化情况，图7给出了工程方案实施前后，计算区域一定范围内的特征流速变化情况。

图7 工程前后涨落急时刻流速变化分布

通过对比可以看到：机场第三跑道扩建工程对伶仃洋水域流速的影响范围主要集中在工程区及其附近水域，影响范围仅限工程上下游2 km范围；工程西侧水域流速有所增加（西侧变化范围在2 km以内），工程南、北两侧水域流速有所减小。

工程方案实施后，沿江高速各采样点的流速变幅均在0.2 m/s以内，且大都表现为减小趋势；工程南北两侧大部分水域流速呈现出减小趋势，减幅在0.3 m/s以内；工程西侧水域表现为涨潮期减小、落潮期增加的趋势，变幅大都不超过0.1 m/s。

3.2 工程区含沙量变化

工程实施前后工程水域涨、落急时刻的含沙量平面分布变化如图8所示。

图8 工程前后涨落急时刻水流含沙量分布

从图8中可以看到：总体而言，伶仃洋水域落急时刻的含沙量要比涨急时刻稍大；工程方案实施前工程区北部水域涨急时刻含沙量为0.10～0.15 kg/m3、南部大部分水域含沙量在0.05～0.10 kg/m3，落急时刻大部分水域的含沙量在0.05～0.10 kg/m3；沿江高速沿程部分水域含沙量在0.05 kg/m3以内。

工程方案实施后，工程以西水域的含沙量在涨急时刻显著高于工程实施前的状态，南部大部分水域含沙量由工程实施前的0.05～0.10 kg/m3提升至0.10～0.15 kg/m3。

3.3 海床冲淤变化

为对比说明工程建设对附近海域基床冲淤的影响情况，研究分别列举了未建工程情况下，经过一年的水砂作用基床的冲淤情况以及建设工程后，经过一年的水砂作用基床的冲淤情况。结果如图9所示。为进一步直观表现工程方案建设对未来一年内附近海域泥沙冲淤的影响，研究过程中针对工程建设前后的泥沙冲淤情况进行差值，得到工程方案实施前后的泥沙冲淤差异分布情况如图10所示。

图9 工程实施与否一年后海床冲淤情况对比

图10 工程前后海床冲淤相对变化分布

为准确说明工程方案实施前后附近区域的泥沙冲淤情况，研究对工程区域典型位置进行点位标记。采用FY点标记工程北侧已有码头位置，采用GS点标记沿江高速桥墩位置，采用W点标记工程填海区域西侧边界，EQ点表示工程填海区域东侧边界，N点和S点分别表示工程填海区域北侧局部区域和南侧局部区域。标记点位分布如图11所示。

图11 工程区附近采样点位置示意

从结果中可以看到：工程方案实施前，拟建工程水域的大部分海床基本保持稳定，每年的冲淤幅度在±0.1 m之间，局部地形起伏较大的位置区出现超过0.5 m的冲淤幅度；沿江高速最北端GS1点作为桥墩扰流得头节点，在落急流作用下出现显著冲刷；工程区域北侧N点福永河河口基本保持不冲不淤的状态，但是机场货运码头YF区的港池呈淤积状态，年回淤在0.2 m左右。

工程方案实施后，工程及周边水域海床的冲淤分布趋势并未发生改变，由于工程方案对水流的约束作用是的流速加快，导致工程西侧水域采样点W2～W8呈冲刷趋势，其中W8点最大冲深0.63 m，平均冲刷0.15 m；工程南侧水域海床多呈淤积状态，淤厚不超过0.1 m；深圳海洋新兴产业基地和宝安港一期水域W3～W5基本不受工程建设影响；深圳大铲港、广州南沙港以及深中通道的东、西人工岛由于离工程位置较远，其冲淤情况不受工程建设影响。

4 结语

本文建立了珠江口二维水沙数学模型，在对珠江口近期实测水文资料进行验证的基础上，对深圳机场第三跑道扩建工程对周边区域水文泥沙条件的影响就行分析，研究得到的主要结论如下：

1）工程建设方案对周边水流状态影响较为有限，工程实施早餐周边流速变化的影响范围小于2 km，流速数值的变化普遍小于0.1 m/s，局部地区如沿江高速桥墩附近的流速增加达到0.5 m/s。工程建设对涨急时刻的水流影响大于对落急时刻的水流影响。

2）受到水流流速变化的影响，涨急时刻工程区域附近水流中的泥沙含量也显著增加，由工程实施前的小于0.15 kg/m3增加至0.2 kg/m3；落急时刻的水体含沙量整体变化不显著，仅在工程南端局部位置处含沙量有所减少。

3）受到工程建设对水流的影响以及水体含沙量的变化，工程西侧水流流速增加，携沙能力增强，导致沿江高速沿线海床淤厚与工程前相比有所减小，工程外海堤西侧呈冲刷趋势，局部最大冲深0.63 m，平均冲刷0.15 m；工程南北两侧受到水流流速减缓作用呈微淤状态淤厚不超过0.1 m。