變化環(huán)境下東江干流河源至博羅河道糙率分析

倪培桐

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510630；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510630；3.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510630)

1 研究背景

珠江水系由西江、北江、東江干流及三角洲河道組成，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于人類活動(dòng)特別是采砂等活動(dòng)影響，造成河床下切、河道H-Q關(guān)系變化等水文變異問(wèn)題明顯，并直接導(dǎo)致以往水文計(jì)算成果偏差變大，影響防洪規(guī)劃決策，危及工程設(shè)計(jì)、施工安全。鑒于此，水文變異已成為近年來(lái)很多學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-5]。

由于河床下切引起河道H-Q關(guān)系發(fā)生相應(yīng)變化，重新推求河道水面線成為水利規(guī)劃、防洪減災(zāi)的重要工作。河道糙率是水面線推算過(guò)程中的重要參數(shù)，反映了水流運(yùn)動(dòng)阻力的影響。河道糙率選取一般有查表法、糙率公式法、試錯(cuò)法等，基于實(shí)測(cè)資料的試錯(cuò)法是目前工程應(yīng)用的主要方法[6-8]。河道糙率反演的遺傳算法、濾波方法等可提高精度、減少人為因素影響[8-12]，另外提高河道控制站H-Q曲線的準(zhǔn)確度也是糙率反演的重要內(nèi)容[13-14]。

東江流域河床下切及H-Q曲線的劇烈變化主要發(fā)生在1990年前后，河道下切首先從三角洲河道開(kāi)始，向上游不斷發(fā)展。由于河道糙率分析需要實(shí)測(cè)水文資料及匹配的河道地形資料，從東江流域現(xiàn)有資料看，1999年河道地形測(cè)繪期間，東江干流河源-嶺下段河床穩(wěn)定，博羅以下河床下切量大且H-Q曲線劇烈[15]?；?999年河道地形及水文資料分析東江干流變化環(huán)境下河道糙率參數(shù)問(wèn)題，具有較好的代表性。本研究可為東江流域設(shè)計(jì)洪潮水面線推算提供參考。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 區(qū)域概況

東江發(fā)源于江西省尋鄔縣椏髻嶺，干流由東北向西南流經(jīng)廣東境內(nèi)龍川、河源、紫金、博羅、惠陽(yáng)至東莞石龍，石龍以下進(jìn)入南支流和北干流兩大水道之間的三角洲河網(wǎng)區(qū)，然后經(jīng)多個(gè)口門匯入獅子洋，經(jīng)虎門出海。干流由源頭至石龍長(zhǎng)約520 km，至獅子洋總長(zhǎng)約562 km。石龍以上廣東省境內(nèi)約23 540 km2，約占流域總面積的87.06%，石龍以下的東江三角洲面積約為1 380 km2。

東江流域?qū)賮啛釒夂?，高溫濕?rùn)多雨，具有明顯的干濕季節(jié)。多年平均降水量在1500～2400mm之間，年內(nèi)降雨分配不均，其中4-9月份占全年降雨的80%以上。東江洪水特點(diǎn)是水情復(fù)雜，洪水遭遇種類繁多。由鋒面雨造成的洪水峰型較肥碩，漲水緩慢。由臺(tái)風(fēng)雨造成的洪水峰型尖瘦，漲落變化快，一次洪水過(guò)程一般為6～8 d。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

地形分析主要采用較為系統(tǒng)的成套地形資料，包括1964年、1999年河道地形圖。除上述地形資料外，還有主要水文站大斷面歷年地形觀測(cè)資料。

水文分析主要采用1955-2000年?yáng)|江干流及三角洲河網(wǎng)常設(shè)水文/水位站及地方水利設(shè)施的洪水水文要素資料，包括楓樹壩水庫(kù)(梅光村)、龍川、新豐江水庫(kù)、白盆珠水庫(kù)、河源、嶺下、博羅、觀音閣、惠陽(yáng)、大盛、泗盛圍、石龍(樊屋)等站位(圖1)，以及重要水利工程的水位觀測(cè)資料(如東深取水口)、東江歷史洪水調(diào)查資料[16]、水文專題觀測(cè)資料等。

圖1 東江流域常設(shè)水文、水位站示意圖

2.3 數(shù)學(xué)模型

基于一維圣維南方程組及河道地形剖分?jǐn)嗝娼|江干流及三角洲水流數(shù)學(xué)模型[15]，模型計(jì)算分為恒定流和非恒定流兩種類型，上邊界取值為水文站流量或流量過(guò)程，下邊界取值為控制站的水位或水位過(guò)程，反求河道斷面糙率及計(jì)算水面線，計(jì)算范圍為東江河源到三角洲口門。河道總長(zhǎng)約150 km，河道地形斷面剖分間距約500～1 500 m。

2.4 河道斷面K參數(shù)

(1)

式中：V為斷面流速,m/s；S為比降；R為水力半徑,m；n為糙率；K為比降與糙率的比值。窄深河床的K值隨平均水深的增加趨向于常數(shù)，寬淺河床的K值乘以h/B，修正后仍然可得到穩(wěn)定的結(jié)果，黃河及長(zhǎng)江實(shí)測(cè)資料顯示，平均水深超過(guò)3 m時(shí)，K值趨向常數(shù)，河寬較小的斷面，平均水深小于3 m，K值趨向穩(wěn)定[17]。

3 結(jié)果與討論

3.1 主要控制站位H-Q分析

3.1.1 地形變化分析 受自然及人類活動(dòng)等因素的影響，20世紀(jì)90年代東江下游河床下切嚴(yán)重，糙率分析必須要考慮地形演變因素。圖2是1965年以來(lái)東江干流3個(gè)主要水文站大斷面平均水深的變化過(guò)程，其中河源站大斷面在1989年前變化相對(duì)較小，在2000年斷面平均水深增大約0.48 m，下切跡象明顯，嶺下站大斷面相對(duì)穩(wěn)定，博羅斷面變化最大，河床平均高程下切約1.14 m，最大下切約4 m。

圖2 主要水文站大斷面平均水深年變化圖

東江干流1964年與1997年低量級(jí)洪水條件下的河段槽蓄容積變化見(jiàn)表1。各河段低流量級(jí)洪水基本都已經(jīng)漫灘，低流量級(jí)情況下河源-惠陽(yáng)段河床變形及洪水水位變化都較小，河源-觀音閣段河道槽蓄容積變化小于1%。博羅-樊屋段河床地形變化較大，博羅洪峰流量為4 800 m3/s時(shí)，石馬河-樊屋段河道槽蓄容積增加可達(dá)到114%。

3.1.2H-Q關(guān)系曲線分析

(1)河源、嶺下、博羅站現(xiàn)狀H-Q分析。受斷面下切影響，河源站1995-2000年低流量級(jí)H-Q曲線較歷史H-Q曲線低(圖3(a))。采用K值參數(shù)方法分析河源站H-Q高水部分。河源站1968年與1995年斷面K值相關(guān)性較高(圖3(b))，根據(jù)相關(guān)公式對(duì)K值延伸并計(jì)算現(xiàn)狀地形條件下的H-Q曲線，在約4 000 m3/s時(shí)1995-2000年與歷史H-Q曲線已經(jīng)重合(圖3(c))，河源站斷面H-Q曲線的高水部分可以用歷史H-Q曲線代替，修正后河源站H-Q現(xiàn)狀見(jiàn)圖3(d)中虛線部分)。

嶺下站現(xiàn)狀與歷史實(shí)測(cè)H-Q分布在同一帶狀區(qū)域內(nèi)(圖4(a))，該水文站綜合H-Q曲線變化不大，其現(xiàn)狀H-Q曲線可根據(jù)歷史實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)定線，高水部分則根據(jù)斷面K值延伸，修正后嶺下站現(xiàn)狀H-Q曲線見(jiàn)圖4(b)中虛線部分。

表1 東江干流河段槽蓄容積比較

注：表中數(shù)據(jù)以1964年與1999年地形資料作計(jì)算比較。

圖3 河源水文站H-Q關(guān)系分析

博羅水文站綜合H-Q曲線逐年下移(圖5(a))，H-Q曲線的這種變化特征與附近及下游河道的下切有關(guān)。比較1966年及2000年實(shí)測(cè)洪水K值(圖5(b))，相同水深下2000年K值近似等于1966年K值，以此計(jì)算出現(xiàn)狀博羅H-Q曲線。利用《劍潭水利樞紐可研報(bào)告》實(shí)測(cè)水文資料及省惠州水文分局2003年枯季實(shí)測(cè)資料計(jì)算K值[18]，分別計(jì)算博羅H-Q曲線(圖5(c)的曲線1、曲線2)，上述曲線非常接近。說(shuō)明對(duì)于1999年河道地形而言，圖5(d)中H-Q曲線是較為合理的。

(2)其他站點(diǎn)H-H、H-Q分析。根據(jù)洪水期間臨時(shí)測(cè)站資料，建立水口、橫瀝與嶺下站的H-H相關(guān)曲線(圖6、7)。觀音閣水位站有歷年實(shí)測(cè)水位資料，結(jié)合河源站、嶺下站洪峰流量，按面積比的綜合指數(shù)n計(jì)算出觀音閣流量，從而確定其H-Q曲線。觀音閣-惠陽(yáng)區(qū)間建立水口、橫瀝與嶺下站的H-H相關(guān)關(guān)系，惠陽(yáng)以下分別建立博羅站與惠陽(yáng)站、石馬河、樊屋站水位相關(guān)曲線。

3.2 糙率分析

利用上述H-Q、H-H相關(guān)數(shù)據(jù)反求高流量級(jí)的東江干流河道糙率，低流量級(jí)河道糙率利用實(shí)測(cè)洪水過(guò)程資料率定，不同流量級(jí)下的河道糙率結(jié)果見(jiàn)圖8。東江干流河源-博羅河段河道糙率沿程取值0.025～0.038之間，取值范圍與歷史成果接近[18]。博羅-劍潭河段、汝湖-惠陽(yáng)、上幾角-下幾角、博埔水附近、釣魚港附近河道糙率較大(超過(guò)0.03)，這些糙率較大河段的床面坡降較大有關(guān)。從流量與河道糙率相關(guān)關(guān)系看[17]，圖8(a)的新村、河源、橫圳等斷面附近為寬淺型河道，圖8(b)的大嵐水、蘆洲、圖8(d)的蝦村等斷面附近為相對(duì)窄深的河道類型。

圖4 嶺下水文站H-Q關(guān)系分析

圖5 博羅水文站H-Q關(guān)系分析

圖6水口、橫瀝、觀音閣水位相關(guān)分析 圖7觀音閣H-Q曲線分析

圖8 河道典型斷面糙率與流量關(guān)系圖

利用現(xiàn)狀地形及糙率結(jié)果，復(fù)演同量級(jí)的各場(chǎng)歷史洪水，可以判定該量級(jí)洪水在該河段水面線的下降程度，從而可在一定程度上評(píng)估糙率的可靠程度。

河源-觀音閣段于1987年發(fā)生了近4 000 m3/s流量級(jí)的洪水(1987年5月21日，河源站實(shí)測(cè)洪峰流量為3 780 m3/s)，用該場(chǎng)洪水可率定出該洪水量級(jí)在當(dāng)前地形條件下的河道糙率值，利用同量級(jí)19場(chǎng)歷史洪水進(jìn)行驗(yàn)證(表2)，誤差部分來(lái)源于河道地形演變引起的水位變化，歷史洪水計(jì)算與實(shí)測(cè)的差值均小于0.25 m，平均約0.11 m，除去地形變化的誤差影響，基于糙率的水面線計(jì)算結(jié)果是基本合理的。

表2 歷史洪水驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

根據(jù)河床演變、洪水變化比較分析結(jié)果、主要水文/水位站水位-流量關(guān)系曲線、水位相關(guān)關(guān)系等數(shù)據(jù)，綜合選取東江干流模型率定數(shù)據(jù)。

(1)河源站低流量級(jí)1999年H-Q較歷史H-Q低，在4 000 m3/s以上則與歷史H-Q曲線基本重合。嶺下站的H-Q曲線變化較小，嶺下站1999年H-Q曲線可根據(jù)歷史實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)定線。博羅水文站附近及下游河道逐年下切，其綜合水位流量關(guān)系逐年下移。基于1966年實(shí)測(cè)高流量條件K值推算出的博羅1999 年H-Q曲線較為合理。

(2)東江干流河源-博羅河道糙率沿程取值0.025～0.038之間，取值范圍與歷史成果接近。部分位置如博羅-劍潭河段、上幾角-下幾角附近河道糙率較大(超過(guò)0.03)，這些糙率較大河段與床面坡降較大有關(guān)。