珠江河口某圍墾規(guī)劃方案防洪潮影響論證

朱秋菊，馬志鵬，陳娟，熊靜

（珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州510611）

珠江河口某圍墾規(guī)劃方案防洪潮影響論證

朱秋菊，馬志鵬，陳娟，熊靜

（珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州510611）

構(gòu)建了一、二維潮流數(shù)學(xué)模型，選擇近年洪、中、枯有代表性的6組洪水，模擬計(jì)算了珠江河口某圍墾規(guī)劃方案對(duì)周邊水域的影響，分析了規(guī)劃方案對(duì)橫門及橫門南支泄洪納潮的不利影響，提出了對(duì)不利影響的防止與補(bǔ)救措施。

珠江河口；防洪潮；影響論證；一、二維潮流數(shù)學(xué)模型；模型驗(yàn)證；防治措施

0 引言

某圍填規(guī)劃方案位于珠江河口橫門墾區(qū)南側(cè)淺灘區(qū)，東側(cè)是橫門和洪奇門匯合延伸段，西側(cè)是橫門南支，南面為淇澳島。該圍墾區(qū)分為南、北兩人工島，其中北人工島6.52 km2，南人工島3.41 km2，面積共9.93 km2。

圍填方案實(shí)施后，將會(huì)改變橫門南汊、橫門和洪奇門匯合延伸段乃至伶仃洋水域的水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，勢(shì)必會(huì)對(duì)珠江河口行洪納潮、灘槽演變及河勢(shì)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。因此，對(duì)其開展防洪潮影響論證，并針對(duì)性地提出工程補(bǔ)救措施是十分必要的。

1 數(shù)學(xué)模型

本項(xiàng)目采用珠江河口區(qū)一、二維聯(lián)解整體潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算規(guī)劃方案前、后附近水域的潮位、流速、流態(tài)及水道潮量和分流比變化。

1.1 數(shù)學(xué)模型研究范圍及邊界

一維數(shù)學(xué)模型研究范圍包括東、西、北江三角洲網(wǎng)河區(qū)及廣州出海水道、潭江水道等，模擬河道長度約1 750 km。

二維數(shù)學(xué)模型研究范圍包括伶仃洋淺海區(qū)、大亞灣、大鵬灣、香港水域、深圳灣、澳門淺海區(qū)、磨刀門淺海區(qū)，模擬水域面積約6 514 km2。

模型上邊界取自各三角洲控制站，如西江的馬口站、北江的三水站、白坭河的老鴉崗站、增江的麒麟咀站、東江的博羅站、潭江的石咀水位站；下邊界取至外海－30m等高線；海區(qū)西邊界為磨刀門三灶珠海機(jī)場(chǎng)；東邊界至香港水域。

一、二維模型聯(lián)解點(diǎn)設(shè)在虎門的大虎斷面、蕉門的南沙斷面、洪奇門的馮馬廟斷面、橫門的橫門斷面及磨刀門的燈籠山站斷面。

1.2 數(shù)學(xué)模型計(jì)算原理

1.2.1 基本方程［1］

網(wǎng)河區(qū)一維潮流數(shù)學(xué)模型采用一維圣維南方程組，其表達(dá)式如式（1）和式（2）所示。

式中：Z為斷面平均水位，m；Q為斷面流量，m3／s；A為過水面積，m2；B為水面寬度，m；x為距離，m；t為時(shí)間，s；q為旁側(cè)單寬入流量，m2／s，負(fù)值表示流出；β為動(dòng)量校正系數(shù)；g為重力加速度，m／s2；Sf為摩阻坡降，采用曼寧公式計(jì)算，Sf=g/C2，C=h1/6/n；ul為單位流程上的側(cè)向出流流速在主流方向的分量，m／s。

河口區(qū)二維潮流數(shù)學(xué)模型采用貼體正交曲線坐標(biāo)系下的二維潮流控制方程，并引入通度系數(shù)，表達(dá)式為式（3）～式（5）。

連續(xù)方程：

式中：θc為對(duì)應(yīng)離散單元的面通度，是網(wǎng)格中能夠被流體通過的面積（網(wǎng)格面積減去網(wǎng)格中固體或障礙物的面積）與整個(gè)網(wǎng)格面積之比，定義在網(wǎng)格中心；θζ、θη分別為對(duì)應(yīng)于離散單元的ζ、η方向線通度，為該方向上能夠被流體通過的網(wǎng)格長度與該網(wǎng)格總長之比，定義在網(wǎng)格邊界上；u、v為ζ、η方向流速分量，m／s；h為水位，m；H為水深，m；g為重力加速度；f為柯氏力系數(shù)；fs為風(fēng)阻力系數(shù)；ρa(bǔ)為空氣密度，kg／m3；Cζ、Cη為系數(shù)，；其中，vt為紊動(dòng)黏性系數(shù)，即，vt=auΔs。a為系數(shù)；u為摩阻流速；Δs為空間步長。

1.2.2 計(jì)算方法

一維模型方程離散采用4點(diǎn)加權(quán)Preissmann固定網(wǎng)格隱式差分格式。求解時(shí)，采用較為成熟的河網(wǎng)三級(jí)聯(lián)解算法。二維模型基本方程組采用ADI法離散。

1.2.3 網(wǎng)格布置

一維模型共布設(shè)了3449個(gè)斷面，模擬河道長度約1750km，模型斷面距離約100～2000m不等。二維潮流數(shù)學(xué)模型共布置網(wǎng)格1152×1190個(gè)，最大網(wǎng)格尺寸約為134 m×64m，最小網(wǎng)格尺寸約為22m×9m。

1.2.4 建模地形資料

西、北江網(wǎng)河水道采用1999～2005年河道地形資料，東江三角洲采用1997年、2002年、2004年測(cè)量的河道地形斷面資料，東江干流及北干流采用2002年測(cè)量的1∶5 000河道地形資料，獅子洋采用1995年和2005年測(cè)量的1∶10 000河道地形資料，規(guī)劃方案附近采用實(shí)測(cè)最新地形資料。

2 計(jì)算水文條件［2～6］

2.1 設(shè)計(jì)洪水

因?yàn)闄M門和洪奇門為河優(yōu)型河口，以河流作用為主，這里只考慮以洪為主設(shè)計(jì)洪水組合，不考慮以潮為主洪水組合。設(shè)計(jì)洪水采用2007年國務(wù)院批準(zhǔn)的《珠江流域防洪規(guī)劃》西江干流馬口站、北江干流三水站多年各級(jí)頻率設(shè)計(jì)洪峰流量（部分歸槽），如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)洪峰流量成果表Tab.1 Designed peak flow results

2.2 設(shè)計(jì)潮位

設(shè)計(jì)潮位采用多年汛期最高潮位均值（如表2所示）。

2.3 典型年洪水過程

主要選擇近年洪、中、枯有代表性的洪水“2005.6”、洪水“1998.6”、中洪水“1999.7”、中水“2003.7”、枯水“2001.2”及“9317”風(fēng)暴潮共6組。

表2 主要站點(diǎn)多年汛期高潮位均值表Tab.2 High water level in flood season for m any years of the main stations

3 模型驗(yàn)證

經(jīng)過率定與驗(yàn)證，二維模型率定粗糙度一般在0.02～0.025之間，近河口糙率較小，近口門段粗糙度略大，外海區(qū)粗糙度較小。率定河床粗糙度基本符合河道實(shí)際情況。

潮水位驗(yàn)證成果見表3。規(guī)劃方案附近流速實(shí)測(cè)點(diǎn)流速、流向驗(yàn)證成果見圖1。由驗(yàn)證成果圖表可見，水位、流速、流向模型計(jì)算成果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合；潮位特征值驗(yàn)證誤差絕大部分小于±0.10m；流速和流向驗(yàn)證過程與實(shí)測(cè)過程吻合較好，相位基本一致，誤差基本在±10%以內(nèi)，滿足計(jì)算精度要求。

表3 a“98.6”洪水潮位驗(yàn)證成果（伶仃洋水域）Tab.3a Verification results of the“98.6”flood level

表3 b“2001.2”枯水潮位驗(yàn)證成果統(tǒng)計(jì)（珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)）Tab.3b Verification results of the“2001.2”low w ater level

4 計(jì)算結(jié)果分析及采取的措施

4.1 主要成果分析

數(shù)學(xué)模型主要成果及不利影響如下：

（1）規(guī)劃圍墾區(qū)所在的淺灘區(qū)是橫門南支徑流向匯合延伸段下泄的通道，其洪水組合分流量占南支凈泄流量的10%～18.6%。同時(shí)，該圍墾區(qū)也是南支重要的漲潮通道。規(guī)劃方案后，規(guī)劃圍墾區(qū)阻擋了大部分的南支入?yún)R合延伸段的落潮通道，直接抬高南支洪水位、減小南支分流比和降低南支漲落潮量，其出口處洪水高水位壅高值達(dá)0.025m，枯水高潮位降低0.031m，不利于南支甚至橫門的行洪納潮，影響規(guī)劃方案附近河涌的排澇、灌溉能力。

（2）規(guī)劃方案實(shí)施后，橫門南支分流比減小，橫門北汊分流增加。橫門北汊的流勢(shì)增強(qiáng)將導(dǎo)致與洪奇瀝下泄水流相互的頂托增強(qiáng)，不利于兩者的泄洪。

圖1 流速、流向驗(yàn)證成果圖Fig.1 Verification results of flow velocity,d irection

（3）圍墾水域達(dá)9.93 km2，減少了納潮容積，造成金星門、淇澳東斷面漲潮量減小。根據(jù)流速變化分析結(jié)果，納潮量的減少主要是由于淇澳島東西兩側(cè)水流流速減少所致。

4.2 防治補(bǔ)救措施及效果分析［7］

由于規(guī)劃方案對(duì)橫門行洪納潮、附近河涌排澇灌溉具有一定影響，采取補(bǔ)救措施是十分必要的。具體補(bǔ)救措施為：在泄洪整治措施中，將圍墾區(qū)周邊水域疏浚至－3.5m（高程）。由于圍墾區(qū)之間通道、南北兩側(cè)水域主要是潮流的連接地帶，水動(dòng)力弱，泥沙來源豐富，且在周邊淺灘波浪作用下易于回淤，因此主要考慮疏浚橫門南支主槽。同時(shí)，圍墾區(qū)與原橫門墾區(qū)之間的通道未來作為漁船通航航道，也適當(dāng)進(jìn)行疏浚。疏浚的范圍為：治導(dǎo)線與西側(cè)主槽之間的淺灘，疏浚高程為－4.0m，如圖2所示。

計(jì)算結(jié)果表明，采取補(bǔ)救措施后，基本消除了圍墾方案對(duì)橫門及橫門南支泄洪納潮的不利影響。與現(xiàn)狀相比，洪水條件下橫門南支高潮位降低0.002m、低潮位降低0.023m；洪水條件下橫門南支分流增加了0.18%。

5 結(jié)語

綜上所述，通過模型計(jì)算，較好地模擬了規(guī)劃方案對(duì)附近水域潮位、流速、流量和分流比等的影響情況，得出了較為可靠的防洪評(píng)價(jià)成果，提出了防治規(guī)劃方案不利影響的措施。雖然橫門墾區(qū)與圍墾區(qū)之間橫向支汊過流斷面遠(yuǎn)小于橫門南支主汊，過流能力很弱，但其疏浚深度需要慎重考慮。如該部分疏浚深度過大，則可能其過流能力顯著增加，進(jìn)而影響兩側(cè)主行洪通道的穩(wěn)定。因此，在后續(xù)的規(guī)劃實(shí)施階段，需要結(jié)合具體建設(shè)方案，對(duì)補(bǔ)救措施進(jìn)行深入研究。

圖2 補(bǔ)救措施方案開挖范圍示意圖Fig.2 Excavation range of remedial measures scheme

參考文獻(xiàn)：

［1］D J Ball.Simulation of piers in Hydraulics models［J］.Journal of W aterw ays Harbors＆Coast Eng Div，1974，100：1－10.

［2］李春初.中國南方河口過程與演變規(guī)律［M］.北京：科學(xué)出版社，2004：18－50.

［3］珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院.廣州港南沙港區(qū)三期工程防洪評(píng)價(jià)［R］.廣州：珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，2009.

［4］水利部珠江水利委員會(huì).珠江流域防洪規(guī)劃［R］.廣州：水利部珠江水利委員會(huì)，2007.

［5］水利部珠江水利委員會(huì).珠江河口綜合治理規(guī)劃［R］.廣州：水利部珠江水利委員會(huì)，2010.

［6］水利部珠江水利委員會(huì).伶仃洋治導(dǎo)線規(guī)劃報(bào)告［R］.廣州：水利部珠江水利委員會(huì)，1998.

［7］珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院.中山翠亨新區(qū)橫門南灘涂開發(fā)利用規(guī)劃方案防洪潮影響論證報(bào)告［R］.廣州：珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，2014.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

On Flood and Tide Control Demonstration of Reclamation Planning Scheme in T he Pearl River Estuary

ZHU Qiu－ju，MA Zhi－peng，CHEN Juan，XIONG Jing
（Pearl River Water Conservancy Science Research Institute，Guangzhou 510611，Guangdong，China）

It builds one and two dimensional tidal current mathematical model，calculates the influence of reclamation planning scheme on surrounding waters in the Pearl River e stuary through selecting six groups of flood in recent years，and analyzes the bad influence of planning scheme on hengmen and its south branch flood discharge and put s forward the prevention and remedial measures.

the Pearl River Estuary；flood and tide control；demonstration；one and two dimensional tidal current mathematical model；model validation；prevention and remedial measures

TV82

A

10.13681／j.cnki.cn41－1282／tv.2016.04.002

2016-06-29

朱秋菊（1976-），女，河南方城人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事防洪論證、流域規(guī)劃等工作。