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深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 摘要 海湾填海工程对河流泄洪能力的影响研究是一个在理论和生产实践中均值得重 视的问题。海湾主要呈半封闭形态，其既受到入海河流动力的作用，同时也受到海 湾潮汐动力的作用，二者相互影响，水动力条件十分复杂。因此对于此类问题，由 于涉及到的研究区域较大，若采用物理模型进行研究，容易受到场地、费用等条件 的限制，因此本文采用数学模型进行研究。 本文以实测资料为基础、理论分析为指导，用有限元方法建立了深圳湾平面二 维水动力数学模型。并在此基础上，就“深圳前海工程对深圳湾的影响”、“岸线变 化对湾内水动力的影响”、“深圳河不同流量时湾内水流运动情况”、“岸线变化对大 沙河泄洪能力的影响和对策”等方面进行了研究探索，同时也对该地区的岸线规划、 防洪潮设计、防洪管理和决策等的合理性及可行性进行了初步的探讨及分析。 关键词：海湾；泄洪能力；填海工程；岸线变化 深圳后海湾填海工程对港洪能力的影响研究 a b s t r a c t s t u d yo ni n f l u e n c e sf r o mr e c l a m a t i o np r o j e c t si nb a y so nd i s c h a r g i n g c a p a c i t i e so fr i v e r st os e ai sw o r t h yo fn o t ei nt h e o r ya n dp r a c t i c eo f p r o d u c t i o n s e m i e n c l o s e db a y sa l w a y se f f e c t sb yr i v e r st os e aa n dt i d a l d y n a m i cf o r c e ，u n d e rt h e s et w of a c t o r si n t e r a c t i o n ，h y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s a l w a y sa r ee x t r a o r d i n a r yc o m p l e x c o m m o n l yt ot h i s k i n do fi s s u e ，p h y s i c s m o d e la l w a y si sr e s t r i c t e db ye x p e n s ea n dt e s ts i t e ，s ot h i sp a p e rc a r r i e s o ns t u d yb ym a t h e m a t i c a lm o d e l t h i sp a p e re s t a b l i s h e sa2 1 ) h y d r o d y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lu s i n gt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o db a s e do nf i e l dm e a s u r i n gd a t a o fs h e n z h e nb a y a n dt h e n ， i ts t u d i e sa n dd i s c u s s e s “s h e n z h e nb a y sc h a n g e sc a u s e d b ys h e n z h e n r e c l a m a t i o np r o j e c t s ”， “h y d r o d y n a m i c c o n d i t i o nc h a n g e db ys h o r e l i n e c h a n g e ” 。w a t e rf l o wm o v e m e n tc o n d i t i o nu n d e rd i f f e r e n tf l o wr a t eo f s h e n z h e nr i v e r ”“v a r i a t i o no fd i s c h a r g i n gc a p a c i t i e so fd a s h ar i v e r c a u s e db ys h o r e l i n ec h a n g e ”，s i 舢l t a n e o u s l y ，i ta l s od i s c u s s e sa n da n a l y z e s r e a s o n a b i l i t ya n df e a s i b i l i t i e sa b o u ts h o r e l i n ep l a n n i n go ft h i sa r e a ， d e s i g n ，m a n a g e m e n ta n dd e c i s i o nm a k i n go ft i d ea n df l o o dp r e v e n t i o n i n i t i a l l y k e yw o r d s ：b a y ；d i s c h a r g i n gc a p a c i t i e s ；r e c l a m a t i o np r o j e c t s ；s h o r e l i n e c h a n g e i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 年月日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 年 月 日 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 1 1 问题的提出 第一章绪论 海湾填海工程对出海河流泄洪能力的影响研究是一个在理论和生产实践中均值 得重视的问题。 深圳湾。儿羽嘲作为中国最大的陆路口岸，地处深圳经济特区南山、福田两区南 面，香港新界的北面，其西面是南山半岛。湾内主要河流有深圳河、大沙河、新洲 河、元朗河( 香港侧) 、天水围( 香港侧) 等。河流动力与海湾动力相互作用，水动力 条件十分复杂 近几年来，深圳湾内陆续进行了一些治理、开发项目，同时带来了不少负面影响， 主要表现在： 深圳河口附近 在1 9 8 9 年以前，深圳河北岸是大面积的滩涂和鱼塘，具有喇叭口形河口的出流 条件。由于深圳河河口的淤积和福田保税区的填海发展，原有的天然喇叭口地形已 受到严重影响。特别是1 9 9 6 年福田保税区管理局，在深圳河河口扩散段北岸约1 0 万m - - 角形地带填上5 0 余万m 3 ，使此区域内的地面高程由原来的一1 o 0 5 m 左右 上升为5 o 左右，并部分侵占了深圳河口段的主河道，由于河口段北岸福田保税区 不断南扩和南岸红树林滩涂受地形淤浅影响日趋向北延伸，已使原规划中的喇叭口 出口段发生很大变化，完全改变了出海口的地形条件，对深圳河的行洪能力和防洪 标准产生较大影响，导致深圳河沿各河段防洪标准均有明显的降低，特别是河口段 的防洪标准由5 0 年一遇降低至3 0 年一遇。 深圳河由于天然来水量较小，治理深圳河一、二、三期工程全面完工后，河道 断面增大，流速和挟沙能力大大降低，同时，由于河口滩涂高程又高于河床底高程， 支流水土流失等原因，导致整治后的河道泥沙淤积严重，大大降低了设计防洪标准 和工程效益。 此外，深圳湾北岸不断进行的开发和填海工程使深圳湾水下地形发生了巨大变 化，靠近河口( 约7 8 k m ) 的海湾已平均淤浅至0 n l 左右，与6 0 年代海图比较，平 均升高2 m 。口门外红树林与浅海滩涂的相互作用，造成恶性循环，滩涂的发展造成 深圳后海湾填海工程对泄浃能力的影响研究 红树林的无序扩散，而红树林的扩散加重了河口段滩涂淤积，而且这种状况有逐年 加剧的趋势，己成为影响深圳河防洪安全和加重已建河道淤积的严重隐患。 大沙河口附近 深港西部通道深圳一侧口岸管理区陆域5 6 k m 2 的用地是填海形成的，填海外围 线啪紧靠大沙河口西侧。在大沙河口东侧，可能还有其它造地方案。这些工程的实 施，改变了深圳湾内的原有岸线形态，特别是河口附近的岸线形态变化较大，这势 必会改变河口动力条件，从而对河流泄洪造成影响。 湾内潮流动力 填海造地使得湾内纳潮量减少，水体的总体交换能力下降，水质状况进一步恶 化。 由于深圳湾特殊的地理位置及在经济建设中所起的重要作用，它的合理治理、 开发、利用是关系到深圳市可持续发展的重大研究课题。鉴于此，作为后海湾填 海工程对出海河流泄洪能力的影响和对策专题研究的主要负责人，在该专题研究 的基础上进一步就深圳海湾岸线变化对湾内水动力条件的影响，以及对有关河流的 泄洪能力的影响等方面进行深入探讨是切实的具有可行性和必要性的。 本文通过建立二维数学模型的方式就人工填海工程的实施对海湾内出海河流泄 洪能力的影响等问题进行研究，以寻求解决海湾内出海河流防洪泄洪等问题的对策。 1 2 研究现状 海湾是洋或海凹进陆地的部分。 国外对海湾的研究已有相当长的历史，且在研究的内容及手段方面亦取得了较 多的成就。 y a n a g i ，t e t s u o 响等利用2 0 0 0 年1 2 月到2 0 0 1 年3 月的现场观测资料对冬季东 京湾与太平洋的水交换时间的变化进行了研究。研究结果表明，冬季东京湾与太平 洋的水交换时间的变化主要受到来自北方的强季风的影响。 k u c u k s e z g i n ，f 嗍通过1 9 9 7 年7 月和1 9 9 8 年1 月的现场取样资料对z m i r 湾 的表层沉积物的重金属( h g ，c d ，p b ，c r ，z n ，c u ，h i ，m 1 1 ) 含量的分布情况进行 了研究。研究结果表明，在采样期间，海湾内部的重金属富集程度较高，海湾中部 及湾口的重金属含量则较低，但g e d i z 河入海口除外。 2 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 c h a d w i c k ，b a r t 哪等在研究s a nd i e g o 湾的时候提出了种联合使用a d c p 、c t d 、 u v f 进行潮流输运碳氢化合物的测量的方法。 k i n g ，b r i a n 州利用平面二维数学模型，研究了c l e v e l a n d 湾的水动力情况，并 进一步对湾内的水循环进行了研究该研究结果为湾内水循环对现在及将来湾内的 环境变化的影响提供了一定的依据。 m a g a z z u ，g 嘲调查研究了a u g u s t a 湾由于d d p h 、清洁剂、n 及p 类盐等导致的 湾内富营养化及鱼类的高死亡率情况。研究结果表明d d p h 等的时空分布受到了局部 出流及风作用下的湾内表层水循环的明显作用。 b e r g e r ，凡c n 蚰利用三维有限元数学模型r m a i o - w e s 研究了g a l v e s t o n 湾内深 水航道的挖深对湾内盐度分布的影响。研究结果表明，在不同流量的入海径流的作 用下，深水航道挖深对盐水沿深水航道的入侵是有较大影响的。 c e r c o ，c a r lf 【l ”利用数学模型模拟了c h e s a p e a k e 湾1 9 5 9 年到1 9 8 8 年的富营 养化的长周期的变化工程。研究结果表明，1 9 6 9 - - - 1 9 7 8 这1 0 年间，湾内缺氧水体 达到最大，而此后，则逐渐降低。当对1 9 5 9 - 6 8 到1 9 7 9 8 8 这段时间的模拟也表明， 缺氧水体的增加主要受到了海湾内主体水域叶绿素浓度的增加和两条主要的入海河 流的含氮量的增加影响。 c h r o n e e r ，z e n i t h a 1 等对g r e e n 湾底床沉积物的组成研究表明，底床沉积物的 重新悬浮及沉积物所吸附的污染物的重新释放是湾内水体的主要污染源，同时也是 湾内水质长期变化的一个决定性因素。 h a l t i n e r ，j e f f r e yp 0 3 1 利用一系列的现场调查资料及历史资料研究了加利福 尼亚m o r r o 湾泥沙沉积的历史过程。研究结果表明，湾内沉积物主要有三大来源， 分别为泻湖口的沿岸输运作用，河流的输运作用及浅滩区域的风能掀沙作用。 而我国，由于海岸受到内外力的综合作用，形成了众多曲折幽深的港湾，其中 有的域面广阔，有的狭长迂回，有的港口宽敞，有的口小湾大。我国海湾的特征是： 以杭州湾为界，在它之北，是以平原性海湾为主，数量少，规模面积却大，开阔壮 观，如渤海湾、辽东湾、莱州湾等；而在它之南，多为山地丘陵基岩性海湾，数量 多，范围则小，狭长而海岸曲折，如三门湾、福州湾、深圳湾等。 由于各个海湾的地理、环境、生态、开发、治理等互有差异，因此对各个海湾 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 的研究的侧重点及研究的手段等亦有所不同。 渤海湾 渤海湾是我国典型的平原淤泥质海岸。 恽才兴1 以渤海湾西南部大口河沿岸海域现场观测资料为基础，研究了海湾近 岸水动力、泥沙输移、岸滩沉积过程及冲淤演变等问题。 李四海“州”1 以遥感和地理信息系统技术为主要研究手段，对渤海湾内天津沿海 地区海水入侵造成的环境影响，进行了示范研究。其研究的内容包括了计算、生成 了海平面上升一定高度下的淹没范围，受淹土地类型及其面积，各区县受影响的人 口情况等，并进一步分析了在抵御上升的海平面的情况下，堤坝后方可能发生的各 种环境恶化现象。 王继纲等“”考虑渤海湾北部海域沉积物分别经重金属c u 、z n 污染后，研究了在 不同p h 和不同粒度条件下c u 、z n 的释放能力，同时研究了在特定酸性条件下c u 、 z n 的释放动力学研究结果表明，重金属c u 、z n 从污染沉积物中的释放，主要是在酸 性条件下发生，并且释放量随p h 的升高而迅速降低粒度越大，释放量越大释放能 力z n c u 重金属c u 、z n 的释放动力学过程可分为两个阶段：快速释放阶段和释放 平衡阶段c u 、z n 释放动力学过程可以用e l o v i c h 方程和f r e u n d l i c h 修正式较好的 描述 辽东湾 朱立俊n 8 1 利用辽东湾绥中地区2 2 个年度( 1 9 7 5 1 9 9 7 年) 的多时相卫星资料， 分析绥中海岸自芷锚湾至狗河口约3 0 k m 岸线的动态特征、近岸泥沙运动特点和悬浮 泥沙的分布状况。此外，通过遥感图象处理并结合现场调查，分析了近期近岸输沙 特征和已建码头突堤堤根岸线淤涨特征，指出绥中沿岸输沙的主要方向是自西向东。 李宗品等“”在辽东湾近岸养殖区环境监测课题研究的基础上，分别介绍了辽东 湾项目区近海环境概况、辽东湾近岸海洋环境月际变化、沉积物和生物环境质量状 况、各海域环境状况( 年际变化) 、辽东湾赤潮和有毒藻类的研究、主要污染物污染 趋势及相关问题。 杨洪斌等啪1 利用边界层的半经验理论及在辽东湾地区气象塔获得的实测资料， 对中性及对流条件下的风温廓线进行了探讨。 莱州湾 4 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 刘贤赵m 1 针对莱州湾地区海水入侵的实际，分析了海水入侵灾害发生的环境背 景与条件。结合实地考察和收集资料，探讨了海水入侵对农业水土环境产生的影响， 集中表现为海水入侵使水资源恶化，农业灌溉供水源地减少、土地资源退化，土地 生产能力下降，农业生产受阻。并在此基础上从农业可持续发展的角度提出了实施 “开源节流、拦蓄补源”、调整农业结构和发展生态农业是综合防治海水入侵、实 现农业可持续发展的重要措施。 王庆等。1 对莱卅湾的沉积环境演变趋势、泥沙资源及其沉积地貌形态进行了研 究，揭示了莱州湾泥沙资源来源于黄河和山东半岛西北部河流输沙的事实。 白冰嘲在对莱州湾滨海盐渍土中铵态氮水平运移规律的研究表明，铵态氮在水 平方向存在运移，运移速率随供试示踪剂源距离的增加而迅速减小，在2 0c m 运移距 离内，n h + 4 由于受到土壤胶体的吸附而逐渐降低，并呈幂函数关系：铵态氮的水平运 移主要由土壤对铵吸附的饱和程度决定，而运移速率主要由铵态氮的浓度梯度和水 势梯度控制铵态氮水平运移速率随土壤含水量的增大而升高，并呈指数曲线变化 铵态氮水平运移的浓度受非饱和土壤水扩散率的影响，并随非饱和土壤水扩散率的 升高而呈幂函数曲线下降 杭州湾 刘新成叫利用无结构三角形网格建立了长江口和杭州湾平面二维有限元潮流数 学模型，在模拟了长江口和杭州湾潮流场的基础上计算了欧拉余流场，通过长江口和 杭州湾交汇处南汇嘴海区水平断面的水交换通道和垂直断面的水交换通量等分析手 段和途径，对长江口和杭州湾的水体交换的范围进行了定量计算和讨论 倪勇强等o 。基于实测资料的分析和潮汐水流数学模型计算，探讨了钱塘江河口 区围涂对杭州湾水域潮汐水流和海床的影响。 倪勇强，耿兆铨等嘲在分析、归纳前人对杭州湾流场研究成果的基础上，采用 包含钱塘江河口、长江口及舟山群岛海域在内的大范围数学模型，模拟1 9 8 1 年夏季 和1 9 8 3 年冬季全国海岸带调查的大范围同步实测流场。在良好验证的基础上，就杭 州湾入射潮波流路、涨落潮流矢分布、等潮位线、余流、盐度分布及无质量标记点 迹线追踪等方面，分析、探讨了杭州湾流场特性。 三门湾 宁修仁窿订综合了物理海洋学、海洋化学、海洋生物学、海洋生态学、水产养殖 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 学、数值模拟等诸多学科的研究内容，深入揭示了乐清湾和三门湾的养殖生态与环 境现状、养殖对环境的影响以及海湾生态系统和养殖生物对养殖环境变化的响应， 并在此基础上对两湾养殖容量和养殖业发合理布局进行了评价 王奎等啪1 利用2 0 0 5 年4 、7 月三门湾海域2 6 个站位的两次水化学要素调查资料， 描述了表层盐度和营养盐平面分布特征，对营养盐和盐度进行相关分析，并探讨了2 4 h 连续站的营养盐变化规律。 杨辉啪1 通过猫头深潭( 槽) 9 4 1 7 号台风前后剖面水深重复测量、沉积特征及沉积 物放射性同位素( 2 1 0 p b ，1 3 7 c s ) 测年等资料，揭示了猫头深潭风暴快速沉积( 骤淤) ， 正常天气条件下风暴沉积产生再悬浮随潮运移，深潭水深得以恢复的过程。 三沙湾 王义刚、宋志尧等哪! 评价了围填海及其它用海规划实施对三沙湾的港口资源、 海域环境容量和海洋生态环境的影响；同时对三沙湾内的生物、生态、资源等进行 了详细的介绍与分析，并在此基础上就围填海活动对湾内生物群落的变化、生态环 境的恶化及海洋资源的开发、利用的影响等方面进行了细致、深入的研究。 叶海桃等眦1 根据三沙湾多年实测潮位资料和2 个l 缶时潮位站的实测资料，分析 了三沙湾潮汐特征，计算了纳潮量、海水的平均交换率和海水半更换期。 王义刚等侧从三沙湾的平面二维潮流数值模型入手，计算了铁基湾泥沙冲淤情 况，并分析研究了海湾围垦工程改变纳潮量对湾内深水航道以及有关区域的影响等。 深圳湾 秦华鹏等深圳湾为例，提出了一种确定海湾填海优化岸线的综合方法。通过 分析填海工程的主要影响及控制指标，建立了它们之间的层次关系：利用各种数学 模型( 如水动力学模型、泥沙模型和水质模型等) 定量描述了各种填海岸线方案对应 的海湾潮流运动、泥沙冲淤以及污染物迁移规律；根据生态系统与潮流运动和泥沙 冲淤的定性关系，问接评价了填海对生态的影响。并在此基础上，采用层次分析法 确定了各种主要影响及控制指标的权重，通过综合集成模型的预测结果评判了各种 填海岸线的优劣，最后对权重和模型计算误差的影响进行了敏感性分析。 宋红等以1 9 7 7 年到2 0 0 0 年2 4 年期间的8 个时段的l a n d s a tm s s t m e t m + 影像为数据源，在遥感分析处理软件e r d a si m a g e 的支撑下，对深圳湾填海造地问题 进行了研究。 6 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 王勇军等侧在1 9 9 2 1 9 9 7 年，对深圳福田红树林( a r d e i d a e ) 鸟类进行 连续观测调查研究，并分析了鹭科鸟类的群落多样性降低及鹭科鸟类数量动态变化 的原因。 1 3 拟采取的研究方法 海湾内填海工程对出海河流泄洪能力的影响和对策研究是一个系统工程，影响 因素众多，涉及面比较广：从自然条件方面考虑，它与区域降雨、潮流、波浪、泥 沙、风、地理位置等密切相关；从相关管理部门的角度考虑，它与城市规划、建设 部门、环保部门、交通部门、海事部门等关系密切。由于它的复杂性，使用单一的 研究方法无法完成，必须使用多种手段进行分析、研究。 目前，进行河口地区的水动力研究一般可采用以下四类方法： 原型观测 用原型观测的方法进行水动力研究，受经费、时间、现场条件等的限制，只能 得到特定季节、特定条件下的水动力结果，对研究工程方案对水动力条件的影响不 适用，现在一般作为其它分析研究方法获取验证资料的手段。 理论分析 由于控制水流运动的基本方程很复杂，理论求解很困难，一般情况下不可能求 得理论解，所以，理论分析方法一般适用于岸线边界条件和水流边界条件很简单的 情况。理论分析可为其它研究方法的研究结果提供定性判断。 物理模型试验 物理模型试验已有近百年历史，但由于材料和技术条件的限制，各种有关的相 似条件难以同时满足。特别是受场地、经费、时间的限制，物理模型的可扩充性、 灵活性、可持久性、可维护性、较好的效费比等均难以保证。 数学模型 随着数值计算方法和计算机技术的日益成熟，数学模型的方法已成为国内外规 划、方案比选阶段的主要研究手段。它有如下特出的优势： 由于计算机存储量大，运算速度快，允许将研究范围扩大，研究时段加长，从 而大幅度提高计算精度； 可以根据实测资料对模型进行反复调试，以便选择适合本地区的计算模式和计 7 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 算参数； 能在短时间内对各种工程方案组合和各种水文组合进行模拟，便于分析、比较， 从中选择最优方案； 所需费用比物理模型少得多。 鉴于以上因素，本文选择采用数学模型的研究手段。 描述水流运动规律的基本方程是三维n - s 方程m 1 。由于理论求解该方程十分困 难，因此提出了各种数值模拟方法。从本质上讲，各种模式都是根据主要的影响因 素，对基本方程进行简化。主要有一维模式、二维模式、准三维模式( 垂直分层二 维法) 、三维模式等。 一维模式啪1 就是著名的圣维南方程，它沿整个过水断面取平均值，变量沿纵坐 标( 水流方向) 而变化，主要用于求解狭长河道水流运动情况。 垂向二维模式沏1 是沿横向河宽取平均值，其量值沿纵向和垂向坐标而变化，主 要用于窄深潮汐通道、窄深河口地区。 平面二维模式h 帕“是沿水深取平均值，即垂向( 沿深度方向) 加速度与水平向 加速度相比，可以忽略不计，该模式主要用于海岸、河口、湖泊、大型水库等广阔 水域地区。 准三维模式是将水动力变化不能忽略的垂直方向进行分层处理，从而求得垂 直方向水流的近似变化规律，主要用于预测疏浚抛泥、油膜运动等一些专门课题。 三维模式“2 1 p 3 “1 是完全求解三维卜s 方程，主耍用于垂直方向紊动比较剧烈的 情况，比如，电厂取排水口的流场分布情况。 鉴于本文的研究区域水平尺度远大于垂直尺度，水力参数( 如流速、水深等) 在垂直方向的变化远小于在水平方向的变化，其流态可用沿水深平均的流动量表示， 因此，可以采用平面二维沿水深平均的水动力数值模拟技术。 1 4 本文研究的内容 本文研究的内容主要是利用建立的平面二维数学模型，针对不同水文条件组合 下，就“深圳前海工程对深圳湾的影响”、“岸线变化对湾内水动力的影响”、“深圳 河不同流量时湾内水流运动情况”、“岸线变化对大沙河泄洪能力的影响和对策”等 方面进行研究，并在此基础上对该地区的岸线规划、防洪潮设计、防洪管理和决策 等的合理性及可行性进行了初步的探讨及分析。 8 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 第二章深圳湾概述 深圳湾位于伶仃洋东岸。海区位置示意图见图2 一l 。 图2 1 伶仃洋海区示意图 伶仃洋“”。”“”侧嘲叫是一个呈n n w - s s e 方向的喇叭形河口湾，其轴线中 点的位置约为东经1 1 3 。4 5 ，北纬2 2 。2 0 。它汇集珠江入海八个口门中的虎门、 蕉门、洪奇沥和横门四个口门的径流，为珠江主要的出海口和最大的河口湾。湾项 虎门口附近宽约4 k m ，向s s e 方向伸展约7 2 k i n 至湾口的桂山岛，在喇叭形海湾的中、 下部，其宽度已达3 0 k i n 。 伶仃洋内的水下地形较复杂。在桂山岛与大濠岛之间有一水深2 0 m 的深槽，1 0 m 等深线锲入伶仃航道直到内伶仃岛的南部，5 m 等深线沿伶仃航道向虎门嵌入，将伶 深圳后海湾填海工程对泄泱能力的影响研究 仃洋分为东、西两部分。东部的l o m 等深线由香港的急水门，循暗士教水道伸入到 赤湾以北，5 m 等深线则直达虎门。在这东、西两条5 m 等深线之间，由矾石浅滩和 拦江沙( 水深不到5 m ，因位于伶仃洋中部，故被称为中滩) 分隔为东槽( 矾石水道) 和西槽( 伶仃水道) 。因此，内伶仃洋的水下地形可分为三滩( 西潍、中滩、东滩) 和两槽( 东槽和西槽) 。伶仃洋内的复杂水下地形是湾内水动力长期作用的结果，以 下根据以往的研究成果，综述有关的动力特征。 2 i 风、浪与台风增水 根据赤湾站多年观测，该站常风向是e 和s e 方向，强风向是e 和s w 向，瞬时 最大风速超过4 0 m s 。 海区内的波浪“”洲嘲主要是风浪。由于湾口岛屿棋布，湾内浅滩连片，因此， 外海涌浪经过浅水变形( 折射、摩擦等) 、岛屿和岸线掩护( 波浪的绕射变形) 等作 用后，传入到湾内时已大大衰减。以赤湾测波站为例，全年平均波高仅为0 2 m ，但 台风时最大波高可达1 9 2 m ( 1 9 9 2 年9 月9 日，当时的瞬时风速是3 0 m s ，风向为 n n w ) 。波浪的常浪向是s s e ，其次是s e 和s ；强浪向则为s s w 、s w 和w 。 根据赤湾站1 9 8 2 年1 月至1 9 8 3 年1 2 月的风、浪实测资料，进行分向统计，结 果见表2 1 。 每年6 1 0 月常有台风袭击，在珠江口登陆的台风每年约1 3 次。台风位于深圳 市以西的海面时，会引起伶仃洋内增水。增水水位由外向内递增。实测风暴潮的极 值增水，赤湾站为1 5 m ，虎门为2 3 m 。 表2 - i 赤湾站风及浪分向统计表( 1 9 8 2 卜1 9 8 3 1 2 ) 婶 风频率平均风速最大风速浪频率平均波高最大波高平均周期 方向 “) ( m s )( m s ) ( )( 曲( 神( s ) n83 41 21 oo 20 33 4 n n e43 11 00 30 2o 33 1 n e93 41 20 70 2o 33 2 e n e54 41 50 50 20 33 1 e1 23 43 03 oo 2o 43 2 e s e34 31 l3 30 20 63 0 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 s e1 53 81 36 0o 20 53 0 s s e34 91 37 90 20 63 1 s34 595 90 2o 73 1 s s w352 05 50 21 o3 1 s w63 ， 2 23 70 20 73 2 w s w14 71 22 5o 2o 43 1 w7 2 7l o 3 2o 2o 73 0 w n w 451 52 90 2o 53 1 n w 74 11 33 50 2o 43 1 m 哪 53 81 3o 6o 2 o 33 0 c4 2 2 潮汐 对于本海区潮汐“州5 町蜊，依潮汐系数f = ( h 。+ h o ) 来( 其中h 。也，、分别 为k 1 分潮、0 1 分潮、m 2 分潮的振幅) 判别潮型。伶仃洋的潮汐系数f 大于l 小于2 ， 比如桂山岛为1 5 ，内伶仃岛为1 3 ，赤湾为1 2 ，舢板洲为1 2 等，说明伶仃洋的 潮汐属于非正规半日潮型，以半日潮为主，且日不等现象明显。 伶仃洋水域较广，由于受地理位置、地形和径流等的影响，潮波传播过程中发 生变形，所以伶仃洋的潮时各地不一。最先感潮的是口门的桂山岛，其次是内伶仃、 赤湾，再向内，潮时滞后，如舢板洲、虎门等地的潮峰比赤湾迟1 1 5 小时，而潮 谷更滞后1 5 2 0 小时。这是产生水面坡降的主要原因。在涨落潮历时上，由外海 向内，涨潮历时递减，落潮历时递增。在潮位过程线中表现为前坡变陡，后坡变缓。 洪季强大的径流会增大落潮流和落潮历时，从而减少涨潮流和涨潮历时，使潮时不 对称现象更显著。各站涨、落潮历时统计结果见表2 - 2 。 表2 - 2涨落潮历时对照表 站名 涨潮历时落潮历时落潮历时涨潮历时 桂山岛 6 ：2 06 ：1 5o 9 8 赤湾 6 ：1 86 ：2 51 0 2 内伶仃 6 ：0 26 ：2 41 0 6 舢板洲5 ：5 06 ：4 21 1 5 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 潮差直接反映了潮汐动力的强弱。由于潮波在向内传播过程中的变形，使潮差 沿程递增。各站潮差情况见表2 - 3 。 2 3 潮流 表2 - 3 伶仃洋内潮差变化表 站名平均潮差( m )最大潮差( i n ) 桂山岛 0 9 72 2 内伶仃 1 3 42 8 0 赤湾 1 3 73 1 3 舢板洲1 6 43 3 7 伶仃洋内的潮流嘲明删油1 咖洲抽甜嘲1 基本上是往复流，且潮流的涨落基本 上北南向，但具体位置的流向受地形控制。一般来说，落潮流速大于涨潮流速。但 在枯季，涨潮流有所增大。 2 4 泥沙 大量研究资料“1 嘲删阵0 1 洲。2 1 晦朝嘲1 嘲表明，伶仃洋为丰水少沙海域，进入伶 仃洋落淤的泥沙，主要是陆域和海域悬移质泥沙，推移质来沙数量极少。其中河流 携带泥沙是主要的泥沙来源，海域来沙仅限于枯水期，数量不大。进入伶仃洋的泥 沙主要来自珠江口四个口门的径流挟沙，经四个口门的净输沙量分别为虎门占 1 8 1 ，蕉门占3 4 7 ，洪奇门占1 4 5 ，横门占3 2 7 ，四个口门输沙总量为3 3 8 9 万吨年。工程附近水域总体来讲含沙量较小。 内伶仃洋水域含沙量分布的一般规律是：西槽大于东槽，洪季大于枯季，浅滩 大于两槽，上段大于下段，底层大于表层。随着径流、潮流的变化，在不同地区和 季节有明显的差别。在洪季，由于西江、北江含沙量较大，东江含沙量较小，所以 承泄西、北江水沙的蕉门、洪奇门、横门及内伶仃洋西部海区的含沙量较大，承泄 东江水沙而潮流作用强劲的虎门及内伶仃洋东部海区的含沙量较小。受海区地形的 影响，西部泥沙较难通过矾石浅滩进入东部海区，多年实测资料表明，即使西部口 门及西滩的平均含沙量高达0 6 0 8 k g m 3 ，东部大铲湾附近的含沙量也仅为 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 0 0 8 0 2 0 k g m 3 ，且主要出现在落潮后期，持续时问极短。在涨潮阶段，受暗士顿 水道涨潮流影响，伶仃洋东部水域平均含沙量在0 0 8k g 一以下。而根据2 0 0 3 年3 月2 日3 日的实测资料，大铲湾附近平均含沙量为0 0 4 k g m 3 ；深圳湾内平均含沙 表2 4 历次含沙量测验结果 时间测站位置 平均含沙量( k g m 3 ) 1 9 7 5 年3 月底4 月初 赤湾港口门外测深槽 0 0 1 5 1 9 7 5 年6 月下旬赤湾港口门外测深槽 0 2 1 1 9 7 8 年6 月2 2 日2 5 日赤湾至内伶仃岛 o 1 2 1 9 7 8 年7 月5 日1 3 日赤湾至内伶仃岛0 1 3 1 9 7 8 年7 月2 0 日2 5 日 赤湾至内伶仃岛 0 1 4 1 9 7 8 年8 月4 日1 0 日赤湾至内伶仃岛 0 1 2 1 9 7 8 年8 月1 2 日1 4 日赤湾至内伶仃岛 0 1 0 1 9 7 9 年3 月7 日1 4 日赤湾至内伶仃岛 0 1 0 1 9 7 9 年3 月2 2 日3 0 日 赤湾至内伶仃岛 0 1 4 1 9 8 2 年4 月9 日l o 日内伶仃内外 o 1 9 1 9 8 2 年7 月8 日9 日赤湾外侧矾石水道 0 1 2 1 9 8 3 年1 2 月2 4 日赤湾外侧矾石水道 0 0 7 1 9 8 4 年3 月3 1 日4 月1 日赤湾外侧矾石水道 0 0 8 1 9 8 4 年8 月2 6 日2 7 日赤湾外侧矾石水道 0 2 2 1 9 8 8 年枯季矾石水道 0 0 6 1 9 8 8 年洪季矾石水道 0 0 8 1 9 9 1 年1 2 月1 9 日2 1 日矾石水道及深圳湾口 0 0 6 1 9 9 2 年7 月1 5 日1 7 日矾石水道及深圳湾口 0 1 1 1 9 9 2 年1 月矾石水道( 巡测) o 0 6 1 9 9 2 年4 月矾石水道( 巡测) o 0 8 1 9 9 2 年5 月 矾石水道( 巡测) o 0 7 1 9 9 2 年6 月矾石水道( 巡测) 0 0 7 2 0 0 2 年6 月 大铲湾附近 0 1 0 1 3 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 2 0 0 2 年1 2 月大铲湾附近 0 1 3 2 0 0 3 年3 月2 日3 日 大铲湾附近 o 0 4 2 0 0 3 年3 月2 日3 日深圳湾内 o 0 3 量约0 0 3k g m 3 。 工程位置附近海域曾经进行多次水文、泥沙测验，部分测验结果如表2 - 4 。 总体来讲，伶仃洋东部水域的平均含沙量较小。 根据中山大学和华东师范大学“大铲湾及附近滩槽演变”报告分析，珠江流域 2 0 世纪9 0 年代以来，含沙量显著减小，马口和三水站的年均含沙量比8 0 年代前的 平均值减小约1 0 1 5 。从上表历次水文、泥沙测验成果也可以验证。 经综合分析，前海附近海域平均含沙量取0 1 2k g m 3 ；深圳湾内含沙量取0 0 6 k g m s 2 5 海湾河流及河口现状 流入深圳湾的河流“”“”主要有深圳河、新洲河、大沙河和香港一侧的元朗河、 天水围。流入前海的主要有西乡河。详见表2 5 表2 - 5，深圳市西部海域主要河流概况表 海湾河名流域面积( k m )河长( 曲备注 深圳河 3 1 2 53 7 6 1 干流河口断面其中香港1 2 5 k i n 2 新洲河 2 1 57 8 深圳湾 大沙河 9 0 o1 3 8 9 元朗河 9 0 01 0 1 香港一侧 天水围 2 37 6香港一侧 大铲湾 西乡河 8 01 6 4 0 2 5 i 深圳河 深圳河位于珠江口东侧，在东经1 1 4 。1 1 4 。1 2 7 5 0 ”，北纬2 2 。2 77 2 2 3 9 之间，属海湾水系。深圳河发源于沙湾的牛尾岭( 海拔2 1 4 2 m ) 。三岔河口 以上河道是东南向，以下河道折向西南，流经深圳市区后注入深圳湾，河流全长约 1 4 深圳后海湾填海工程对澄洪能力的影响研究 3 7 6 1 k m 。深圳河流域面积3 1 2 5 k m ，在深圳市汇集了莲塘河、布吉河、福田河、皇 岗河等支流的来水，其集流面积为1 8 7 5 k m ，占总面积的6 0 。深圳河也汇集了香 港梧桐河、平原河、新田河三条支流的来水，其香港地区集水面积为1 2 5 k i n 2 ，包括 上水和粉岭两个新市镇及其它乡郊地方，占总面积的4 0 。 深圳河主流为沙湾河，在三岔河口与莲塘河汇会后称深圳河。支流梧桐河在罗 湖桥下汇入，布吉河在渔民村汇入，在下游汇入干流的支流还有福田河、皇岗河、 新田河等。深圳河河系是扇形分布，河流短、比降陡，汇流时间短，洪峰流量大， 暴雨后数小时洪峰即可到达下游。 深圳河全河可分三段，沙湾以上为上游，流经台地和低丘陵区，宽谷与峡谷相 闻，河床纵比降为3 4 ；沙湾至三岔河口为中游段，流经低丘陵区，谷底宽，谷 坡陡，河床纵比降为2 ；三岔河口以下为下游段，河流流经平坦的冲积海积平原， 比降变缓，河床纵比降仅0 5 ，渔农村以下甚至小于0 2 。深圳河口至三岔河口 的下游河段为感潮河段。该河段及支流莲塘河是深圳市与香港地区的界河。 深圳河河口以外泥滩宽达4 k m ，但高潮时则一片汪洋。潮汐为典型的不规则半 日潮。潮波涌入河口后逐渐变形，涨潮波变陡，落潮波变缓，潮位抬高，憩流时刻 滞后。在上游径流影响较小的情况下，渔农村的憩流时刻比深圳湾口滞后3 0 6 0 分 钟 深圳河最终注入深圳湾。 在1 9 8 9 年以前，深圳河北岸是大面积的滩涂和鱼塘，具有喇叭口形河口的出流 条件。由于深圳河河口的淤积和福田保税区的填海发展，原有的天然喇叭口地形已 受到严重影响。特别是1 9 9 6 年福田保税区管理局，在深圳河河口扩散段北岸约1 0 万m z 角形地带填上5 0 余万m 3 ，使此区域内的地面高程由原来的一1 0 o 5 m 左右 上升为5 0 m 左右，并部分侵占了深圳河口段的主河道，由于河口段北岸福田保税区 不断南扩和南岸红树林滩涂受地形淤浅影响日趋向北延伸，已使深圳河原规划中的 喇叭口出口段损失始尽，完全改变了出海口的地形条件，对深圳河的行洪能力和防 洪标准产生较大影响，导致深圳河沿各河段防洪标准均有明显的降低，特别是河口 段的防洪标准由5 0 年一遇降低至2 0 3 0 年一遇。， 深圳河由于天然来水量较小，治理深圳河一、二、三期全面完工后，河道断面 增大，流速和挟沙能力大大降低，同时，由于河1 3 滩涂高程又高于河床底高和支流 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 水土流失等原因，导致整治后的河道泥沙淤积严重，大大降低了设计防洪标准和工 程效益。 此外，深圳湾北岸不断进行的开发和填海工程使深圳湾水下地形发生了巨大变 化，靠近河口( 约7 8 k m ) 的海湾己平均淤浅至o m 左右，与6 0 年代海图比较，平 均升高2 m 。口门外红树林与浅海滩涂的相互作用，造成恶性循环，滩涂的发展造成 红树林的无序扩散，而红树林的扩散加重了河口段滩涂淤积，而且这种状况有逐年 加剧的趋势，已成为影响深圳河防洪安全和加重已建河道淤积的严重隐患。 目前，深圳市水利规划设计院正在编制深圳河河口治理工程项目建议书。河口 治理工程是在目前深圳湾的状况下的治理工程，如果今后深圳湾继续填海造地，改 变了深圳河河口出海的边界条件，则需要研究深圳湾填海造地对河口的影响以及对 该河口治理工程的影响。 2 5 2 大沙河 大沙河位于深圳市南山境内，集雨面积约9 0 k m 2 ，该河干流上建成西沥中型水库 和长岭皮小型水库等。大沙河防洪重点主要为长岭皮水库至深圳湾的1 3 8 9 k m 河道。 大沙河治理工程1 9 9 6 年开工，现已完工，整个河道采用全断面的护砌，河道防洪能 力达到2 0 0 年一遇标准。根据区域城市发展规划，沿新建河道绿化和建设七座橡胶 坝水面景观工程。 由于后海湾填海工程围堤挤压大沙河河口淤泥，河口右侧凸起的淤泥侵占河口 泄洪断面。 2 5 3 新洲河 新洲河流域位于深圳市福田区境内，是一条自北向南流入深圳湾的人工性河流， 干流全长7 8 k m ，流域面积2 1 5 k m 。中、下游为已经开发建设的城区，地面坡降平 缓。 流域上游建有中型水库一座，控制面积4 2 6 k m ，占新洲河流域面积的2 0 ，中、 下游已建成多处大型住宅区及多条重要交通道路，地下雨水管网的铺设己初具规模， 原有的地形地貌已经发生了很大变化。 新洲河流域的暴雨洪水多发生在4 1 0 月，7 1 0 月洪水多为热带气旋、台风 1 6 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 雨造成，洪水陡涨陡落，现状排洪能力不例2 0 年一遇洪水标准。 新洲河河口东侧是福田保税区，西侧是红树林保护区。 新洲河综合整治工程已经启动，工程完工后新洲河防洪标准可以达到百年一遇 洪水标准。 2 5 4 元朗河和锦田河 深圳湾香港一侧入海湾的河流主要有元朗河和锦田河，以及深港界河深圳河。 深圳河香港一侧的支流有莲塘河、平原河、梧桐河、李屋排水、新田水。 2 5 5 西乡河 西乡河位于深堋市宝安区境内，流域面积8 0 k d ，干流长1 6 4 k m ，其中铁岗水 库以下4 3 k i n 。西乡河出铁岗水库以后流经新安镇城区，注入前海。西乡河经过的 地区除新安镇外，尚有广深高速公路和1 0 7 国道等重要交通设施。根据5 0 年一遇的 河道防洪标准要求以及西乡河受城建区及有关设施限制难以扩建加大泄洪能力的情 况，规划新建铁岗水库排洪河分洪，原西乡河仅负担铁岗水库以下流域的排洪，设 计流量6 0 m y s 。 根据城市规划，将在前海填海区建设宝安区中心城，西乡河入海口将向前海延 伸数公里，新的西乡河整治工程规划正在编制中。 1 7 深圳后海湾填海工程对泄洪能力的影响研究 第三章平面二维水流数学模型的建立 3 1 概述 自然界或工程中的水流现象实际上在空间都是三维的，但如果空间某一个方向 的尺度远远大于另外两个方向的尺度，则可按一维问题处理，如水道长度的尺度远 远大于其宽度和深度的水道问题。如果需要计算水流场的工程处于浅水区，其水深 远远小于工程区的水平尺度，可以用沿水深的流速取平均深度平均值的二维水流数 学模型进行计算。如果工程所在区域的水深变化较大，而且计算范围相对不是很大 时，应采用三维水流数学