受風(fēng)暴潮影響河口水域建閘的減災(zāi)效應(yīng)研究

劉誠(chéng)，梁燕，葉榮輝，侯堋

（1.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州510611；2.中交第四航務(wù)勘察設(shè)計(jì)院有限公司,廣東廣州510230）

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受風(fēng)暴潮影響河口水域建閘的減災(zāi)效應(yīng)研究

劉誠(chéng)1，梁燕2，葉榮輝1，侯堋1

（1.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州510611；2.中交第四航務(wù)勘察設(shè)計(jì)院有限公司,廣東廣州510230）

摘要：風(fēng)暴潮對(duì)華南沿海及河口區(qū)域影響較大，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，為減少風(fēng)暴潮災(zāi)害損失，需采取必要的減災(zāi)措施。常見(jiàn)的減災(zāi)措施有加固堤防、提高堤防高程以及河口關(guān)鍵部位建閘等。本文以珠江河口白龍河水域?yàn)槔?，通過(guò)建立風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型，選擇對(duì)珠江河口影響較大的典型風(fēng)暴潮“9316貝姬”和“0814黑格比”，論述了河口建閘相對(duì)于加固堤防或者提高堤圍高程的減災(zāi)效應(yīng)及優(yōu)勢(shì)。數(shù)學(xué)模型計(jì)算及論證表明：受風(fēng)暴潮影響河口水域建閘的減災(zāi)效應(yīng)明顯。

關(guān)鍵詞：風(fēng)暴潮；珠江河口；白龍河；水閘；防災(zāi)減災(zāi)；防洪防潮

1　引言

我國(guó)東南部沿海地區(qū)易受臺(tái)風(fēng)暴潮影響，尤其是河口水域。東南沿海河口地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集，風(fēng)暴潮災(zāi)害往往給這些地區(qū)造成巨大的損失[1-2]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，在全球氣候變化的背景下，極端天氣事件愈加頻繁[3]，若不采取減災(zāi)措施，未來(lái)河口地區(qū)在風(fēng)暴潮期間遭受的損失將更加巨大。

以珠江河口為例，該河口是廣東沿海地區(qū)受風(fēng)暴潮災(zāi)害影響最頻繁的地區(qū)之一。當(dāng)河口天文高潮和風(fēng)暴潮疊加，又遭遇上游洪水下泄及河口地區(qū)暴雨時(shí)，將發(fā)生洪、澇、潮三碰頭，河口及三角洲地區(qū)將遭受特大洪澇災(zāi)害[1]。降低河口地區(qū)受風(fēng)暴潮災(zāi)害損失及影響風(fēng)險(xiǎn)，需以預(yù)防措施為主[3]。在河口區(qū)域建設(shè)水閘或者提高海堤高程，是預(yù)防臨水區(qū)域風(fēng)暴潮災(zāi)害的有效措施。本文以珠江河口白龍河水域（其地理位置見(jiàn)圖1）為例，通過(guò)計(jì)算分析來(lái)論述白龍河口建閘相對(duì)于海堤工程在減災(zāi)效應(yīng)方面的優(yōu)勢(shì)。圖2給出的是白龍河水域預(yù)防風(fēng)暴潮災(zāi)害的措施布局情況。

圖1　珠江河口白龍河地理位置及水域形勢(shì)圖

2　白龍河風(fēng)暴潮災(zāi)害介紹

白龍河位于西江磨刀門(mén)西側(cè)，三灶水文站東側(cè)，原與磨刀門(mén)相通。近年來(lái)白龍河?xùn)|側(cè)圍墾，現(xiàn)僅通過(guò)鶴洲水道與磨刀門(mén)相連，在南側(cè)龍屎窟處與外海連通，變成南側(cè)開(kāi)口的封閉水域，呈喇叭口型。風(fēng)暴潮進(jìn)入白龍河后，在北側(cè)受白藤水閘阻斷，易產(chǎn)生壅水效應(yīng)，風(fēng)暴潮在白龍河內(nèi)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，潮災(zāi)比磨刀門(mén)河口更嚴(yán)重。在“9316”期間，實(shí)測(cè)白藤大閘外潮位比三灶站高0.86 m，三灶、鶴洲北海堤全部漫頂。“0814”期間，三灶站潮位高達(dá)3.43 m，白龍河兩岸水位升高，損失更嚴(yán)重。

3　研究方法介紹

為分析白龍河口建閘的減災(zāi)效應(yīng)，建立了珠江河口三維精細(xì)風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型，通過(guò)復(fù)演具有代表性的風(fēng)暴潮過(guò)程，了解河口建閘前后的風(fēng)暴潮增水特性及其對(duì)白龍河防潮情勢(shì)的影響。

珠江河口三維精細(xì)風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型采用FVCOM[4]（Finite-Volume Coastal Ocean Model）。FVCOM是無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格架構(gòu)、有限體積、自由表面、三維原始方程海洋數(shù)值模型，其原始方程主要包含動(dòng)量方程、質(zhì)量連續(xù)方程以及溫度、鹽度和密度方程。在垂向上采用Sigma坐標(biāo)系對(duì)不規(guī)則底床進(jìn)行擬和，在平面上利用三角形網(wǎng)格對(duì)岸線邊界進(jìn)行空間離散。FVCOM模型在數(shù)值處理方法和岸線地形擬和上的優(yōu)勢(shì)使其在河口海岸地帶得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。動(dòng)量方程和連續(xù)方程如下：

式中：U和V為x和y方向速度；f為科氏常數(shù)；ω為垂向速度；?為垂直坐標(biāo)，其中?=0為平均水面所在位置；η為波周期平均的自由水面；D=H+η為總水深；H為平均水面到底床的距離；P為壓力；ρ和ρ0為海水總密度和參照密度；g為重力加速度；τpα、τwα和τbα為風(fēng)壓力、風(fēng)應(yīng)力和底摩阻產(chǎn)生的應(yīng)力項(xiàng)；Kh為垂向渦粘系數(shù)；Am和An為水平渦粘及擴(kuò)散系數(shù)。

3.1臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算

3.1.1臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)的計(jì)算

參考文獻(xiàn)[1-2,5-7]，臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)計(jì)算公式如下: Takahashi公式：

式中：P∞為臺(tái)風(fēng)外圍氣壓(正常氣壓)，P0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓，R為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑，P(r) 為距臺(tái)風(fēng)中心r距離處的氣壓。

3.1.2臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算

設(shè)Vx、Vy為臺(tái)風(fēng)移速在x、y方向的分量，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)速度（）采用如下公式表示：

3.2邊界條件[1,2,5-7]

（1）設(shè)vn為垂直于邊界速度，n代表法向，側(cè)面固壁處vn=0

（2）在底部邊界層處的固壁與水流之間的相互作用采用下式來(lái)計(jì)算拖曳系數(shù)：

（3）開(kāi)邊界條件：1）外海給定潮位調(diào)和常數(shù)，2）上游河道處給定流量邊界條件。

（4）水氣界面邊界條件由風(fēng)場(chǎng)和對(duì)應(yīng)的氣壓場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。

3.3模型范圍及模型介紹

珠江河口風(fēng)暴潮模型范圍含南海海域及珠江河口網(wǎng)河區(qū)。根據(jù)現(xiàn)有資料珠江河口（南海）風(fēng)暴潮模擬最終范圍及網(wǎng)格如圖3所示。工程局部范圍內(nèi)的網(wǎng)格及地形如圖4所示。模型包含珠江河口八大口門(mén)及南海海域。通過(guò)網(wǎng)格驗(yàn)證，工程局部網(wǎng)格尺寸約為5 m。水閘關(guān)閉期間與外海無(wú)水體交換，其影響通過(guò)修改地形模擬，垂向設(shè)7層網(wǎng)格，內(nèi)外模時(shí)間步長(zhǎng)分別為10 s和1 s。

圖3　南海及珠江河口風(fēng)暴潮模型范圍及網(wǎng)格布置

圖4　工程局部范圍網(wǎng)格及地形分布

圖5　“9316”號(hào)臺(tái)風(fēng)和“0814”號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑

4　風(fēng)暴潮對(duì)白龍河水域的影響

建國(guó)以后，對(duì)珠海產(chǎn)生嚴(yán)重影響的風(fēng)暴潮有“8309”、“8908”、“9316”以及“0814”號(hào)臺(tái)風(fēng)引發(fā)的風(fēng)暴潮。圖5給出的是“9316”（貝姬）和“0814”（黑格比）的臺(tái)風(fēng)路徑。

圖6給出的是“9316”風(fēng)暴潮期間的增水過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果比較圖，圖7給出的是“0814”風(fēng)暴潮期間的增水過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果比較圖。通過(guò)該圖可知數(shù)值結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，可以用于風(fēng)暴潮模擬研究。

圖8給出的是“9316”及“0814”風(fēng)暴潮期間白龍河水域的增水包絡(luò)面分布圖，在“9316”風(fēng)暴潮期間，水閘建設(shè)前白龍河水域增水由南至北逐漸變大，最大值為2.0 m，平均值為1.53 m；“0814”風(fēng)暴潮期間增水最大值為2.5 m，平均值為2.16 m。

5　河口建閘對(duì)白龍河水域風(fēng)暴潮的減災(zāi)效果

如圖2所示，為減輕白龍河水域風(fēng)暴潮災(zāi)害損失，方案之一為在白龍河南出口龍屎窟處新建一水閘，同時(shí)在鶴洲水道靠近磨刀門(mén)水域建設(shè)一個(gè)水閘。方案之二為加高白龍河水域沿岸所有的堤圍高程，確保其能抵御防洪標(biāo)準(zhǔn)下的風(fēng)暴潮襲擊，沿岸堤圍長(zhǎng)度約為123 km。

圖6　“9316”號(hào)臺(tái)風(fēng)期間兩站模擬增水與實(shí)測(cè)增水對(duì)比

圖7　“0814”號(hào)臺(tái)風(fēng)期間兩站模擬增水與實(shí)測(cè)增水對(duì)比

圖8　風(fēng)暴潮期間白龍河河道內(nèi)最大增水包絡(luò)圖

圖9給出的是“9316”及“0814”風(fēng)暴潮期間，水閘工程建設(shè)后的增水分布圖，可知“9316”風(fēng)暴潮期間，水閘建設(shè)后白龍河水域平均增水減少至0.37 m；“0814”風(fēng)暴潮期間平均增水減少至0.62 m。另外對(duì)于與水閘相鄰卻不受水閘保護(hù)的水域，通過(guò)比較水閘建設(shè)前后的增水包絡(luò)圖，可知該水域內(nèi)增水范圍擴(kuò)大，增水值也增大；“9316”期間增水值增大0.067 m，“0814”期間增水值增大0.152 m。

風(fēng)暴潮災(zāi)害除了因風(fēng)暴潮沖擊和翻越岸線帶來(lái)的堤防損毀和漫灘淹沒(méi)損失，還存在侵蝕海岸、航道淤積、破壞漁業(yè)、損壞船舶、農(nóng)田鹽堿化、沿岸工業(yè)受損等多方面的災(zāi)害效應(yīng)。此外風(fēng)暴潮還影響沿岸區(qū)域正常的社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活，造成工廠停工、學(xué)校停課、社會(huì)恐慌等負(fù)面效應(yīng)[8-10]。白龍河水域可被侵蝕岸線約32 km，航道長(zhǎng)約16 km，是珠海金灣區(qū)傳統(tǒng)的漁業(yè)作業(yè)區(qū)和漁港，周邊擁有農(nóng)田約5萬(wàn)畝，還是珠海重要的三灶科技園，涵蓋醫(yī)藥、航空、物流等工業(yè)園區(qū)，也是珠海重要的教育和旅游產(chǎn)業(yè)聚集地。

若采用加固堤防、提高堤防等級(jí)的方法減災(zāi)，工程水域風(fēng)暴潮特性并未改變，只能減少堤防在風(fēng)暴潮期間的損毀程度和漫灘淹沒(méi)損失，對(duì)與河道有關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的減災(zāi)效應(yīng)較小。就本文所研究的白龍河水域而言，水閘建設(shè)阻斷了白龍河水域與外海的連通性，外海增水和暴潮不再影響水閘保護(hù)水域；其減災(zāi)效應(yīng)是全方位的。而且在河口建閘可以兼顧潮汐發(fā)電，形成新的效益。從投資上估算，在河口建閘與加固白龍河水域堤防的成本相當(dāng)?？傮w而言，白龍河口建閘的減災(zāi)效應(yīng)顯著。

圖9　水閘工程建設(shè)后白龍河河道內(nèi)最大增水包絡(luò)圖

6　結(jié)論

本文以珠江河口白龍河水域?yàn)槔?，通過(guò)建立風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型，選擇對(duì)珠江河口影響較大的典型風(fēng)暴潮“9316貝姬”和“0814黑格比”，計(jì)算了白龍河口建閘前后風(fēng)暴潮增水平面分布的變化，論述了在河口建閘相對(duì)于加固堤防或者提高堤圍高程在減災(zāi)效應(yīng)方面的優(yōu)勢(shì)。數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明，無(wú)論是在“9316”還是“0814”期間，白龍河口建閘均能顯著減少保護(hù)水域的風(fēng)暴潮增水，提高該水域防洪防潮標(biāo)準(zhǔn)，避免工程水域受到較大影響；若能兼顧潮汐發(fā)電等附加功能，河口建閘的效益更加明顯。

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Mitigation effect study of tidal sluice building in the Bailong river of Pearl river estuary

LIU Cheng1, LIANG Yan2, YE Rong-hui1, HOU Peng1
(1. Pearl River hydraulic research institution, Foshan 510611 China; 2. CCCC-FHDI Engineering Co., Ltd，Guangzhou 510230 China)

Abstract：The coastal regions of South China including Pearl River Estuary (PRE), face frequent threats from storm surges triggered by tropical and extra-tropical cyclones, and encounter the most powerful natural hazards. In order to reduce the catastrophe loss during the storms, some mitigation or disaster reduction measures are certainly necessary. The common measures are the dams reinforce, dams heightening and the tidal sluice built in the estuary. Taken the Bailong River in the PRE as an example, a storm surge model is established using FVCOM (Finite-Volume Coastal Ocean Model) and the advantage of tidal sluice building over the dams reinforce and dams heightening is discussed. The top 2 most severe cyclones, No.199316 (Becky) and No.200814 (Hagupit), were simulated. The heights of storm surges with and without tidal sluices in the Bailong River estuary under model simulation are compared with each other, and the results show that building tidal sluices has better effects on mitigation.

Key words：storm surge; Pearl river estuary(PRE); Bailong river; tidal sluices; mitigation; flood preventing

作者簡(jiǎn)介：劉誠(chéng)（1975-），男，高級(jí)工程師，博士，主要從事河口海岸動(dòng)力學(xué)方面研究。E-mail：jacklc2004@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50909110）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013B020200008）；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（915106110100001）。

收稿日期：2015-06-16

中圖分類號(hào)：P731.23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2016）01-0065-06