深圳茅洲河口建設(shè)閘泵對防洪潮的影響

張徐杰，任 艷，岳青華，張發(fā)鴻，朱 聰

（1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120）

1 問題的提出

建在入海河口處的擋潮閘，具有擋潮蓄淡、排洪除澇等功能。近年來，隨著風暴潮等極端氣候災(zāi)害事件頻發(fā)，擋潮閘的作用越來越突顯出來。在國外尤其是經(jīng)濟發(fā)達的河口三角洲地區(qū)，均建了很多大型擋潮閘，如英國泰晤士河防潮閘、荷蘭三角洲擋潮閘工程體系、美國?？怂购托聤W爾良擋潮閘等[1-3]。與國外相比，我國河口閘建設(shè)規(guī)模相對較小，數(shù)量也較少。國內(nèi)比較知名的擋潮閘有曹娥江大閘、三洋港擋潮閘、蘇州河河口擋潮閘、韓江三角洲橋閘等[4-6]。

廣東省沿海地區(qū)風暴潮頻發(fā)，風暴潮期間外海潮位抬升，內(nèi)河受上游暴雨洪水影響，與外海高潮疊加后，極易造成河口地區(qū)的洪澇災(zāi)害。相關(guān)研究表明，廣東省珠江三角洲、韓江三角洲地區(qū)受外海風暴潮影響，潮位均有升高的趨勢[7-8]。深圳茅洲河發(fā)源于深圳市境內(nèi)的羊臺山北麓，在沙井民主村匯入伶仃洋，現(xiàn)狀河口無水工建筑物，在2017 年臺風“天鴿”期間風暴潮涌入兩岸正在施工的部分河段，造成一定的經(jīng)濟損失。本次研究以2017 年臺風“天鴿”造成的風暴潮為例，采用MIKE11 水動力模型，模擬深圳茅洲河口建設(shè)閘泵對河口地區(qū)防洪潮的作用，為茅洲河口建設(shè)閘泵的可行性提供一定參考。

2 臺風“天鴿”概況

2017 年08 月20 日14 時，臺風“天鴿”在西北太平洋洋面上生成。之后強度不斷加強，22 日08 時加強為強熱帶風暴，15 時加強為臺風，23 日07 時加強為強臺風，一天連跳2 級，最強15 級（48 m/s）。12 時50 分前后以強臺風級（14 級，45 m/s）在中國廣東省珠海市登陸，24 日14時減弱為熱帶低壓，17 時中央氣象臺對其停止編號。臺風路徑與茅洲河口相對位置關(guān)系見圖1。由于受臺風風暴潮和月初天文大潮疊加影響，茅洲河口水位大漲。大潮涌進茅洲河口，潮位接近堤后地面，對沙井和松崗街道排澇管網(wǎng)造成極大壓力，導致城區(qū)多處積水。

圖1 臺風“天鴿”路徑與茅洲河口相對位置關(guān)系圖

3 臺風期間水文要素分析

3.1 降雨量

根據(jù)深圳氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)上的降雨資料，分析8 月23 日臺風期間的雨量大小。圖2 分別是石巖水庫、松崗和沙井雨量站8 月23 日的逐時降雨量，與石巖水庫雨量站短歷時設(shè)計暴雨成果比較見表1。由表1 可見，臺風“天鴿”期間茅洲河流域的雨量并不大，1，6，24 h 雨量均小于2 a 一遇。

圖2 8 月23 日茅洲河流域各雨量站降雨過程圖

表1 8 月23 日實測降雨與石巖水庫雨量站設(shè)計值比較表 mm

3.2 潮 位

根據(jù)中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司在茅洲河口設(shè)立的潮位站8 月23 日實測最高潮位為3.72 m（黃海高程），潮位過程與同期石巖水庫雨量過程見圖3。

圖3 臺風“天鴿”期間茅洲河口潮位與石巖雨量站雨量過程圖

4 河口建設(shè)閘泵對防洪潮的影響分析

4.1 計算方法

計算方法采用MIKE11 軟件中的HD（水動力學模塊）非恒定流進行計算，即運用水動力學模塊計算分析河口及上游河道各控制斷面的流量、水位、流速等水動力參數(shù)[9]。模型采用SO（控制構(gòu)筑物模塊）對閘堰、橋梁進行模擬，有建筑物的斷面均按實際結(jié)構(gòu)物的位置和形式來處理，通過計算結(jié)構(gòu)物過流能力，將其與水動力矩陣方程耦合。一維非恒定流數(shù)學模型采用圣維南明渠非恒定流偏微分方程組：

式中：B為水面寬（m）；Z為水位（m）；Q為流量（m3/s）；q為旁側(cè)入流（m2/s）；v為斷面平均流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；A為過水斷面面積（m2）；K為過水斷面的流量模數(shù)（m2/s）；t為時間（s）；s為位移（m）。

4.2 模型構(gòu)建及參數(shù)率定

4.2.1 河道水系概化

概化河道系統(tǒng)必須能夠模擬計算區(qū)域的蓄水能力、水流方向，且應(yīng)與規(guī)劃水系一致。鑒于茅洲河洋涌河水閘以下河段的沿江澇片及支流洪澇均通過泵站抽排入河，故本次僅將茅洲河洋涌河水閘 — 河口約14 km 干流河道搭建入模型，兩側(cè)寶安片區(qū)和東莞片區(qū)合計155.6 km2的平原澇片水量按沿程均勻入流概化至模型中，河口設(shè)置閘泵建筑物。水利計算概化見圖4。

圖4 茅洲河干流水系概化圖

4.2.2 模型邊界

上邊界采用洋涌河水閘處的洪水過程線，洪水過程根據(jù)石巖水庫實測降雨過程采用廣東省綜合單位線法[10]計算求得（見圖5）。下邊界采用中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司設(shè)立的河口潮位站實測潮位過程線。

圖5 臺風“天鴿”期間洋涌河水閘處洪水過程線圖

4.2.3 模型率定

臺風“天鴿”過后，中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司在茅洲河口至衙邊涌段進行洪痕調(diào)查，用于分析臺風“天鴿”對茅洲河干流感潮段水位的影響，洪痕調(diào)查結(jié)果同時用于水利計算模型率定。根據(jù)河道實際情況，結(jié)合《茅洲河界河綜合整治工程（深圳部分）初步設(shè)計報告》[11]等已有相關(guān)成果和糙率表，河道堤防段根據(jù)堤防結(jié)構(gòu)型式選用0.027 ～ 0.030，茅洲河界河段沿程水面線模型計算成果及其與界河段初設(shè)設(shè)計成果對比見圖6。從圖6 可以看出，模型計算成果與茅洲河界河段初步設(shè)計成果基本一致，水位差基本在± 5 cm 以內(nèi)，因此認為本次模型計算成果可信。

圖6 茅洲河界河段沿程水面線計算對比圖

4.3 河口閘泵建設(shè)對內(nèi)河水位的影響

臺風“天鴿”期間對茅洲河口至塘下涌河段進行水面線模擬，分別對現(xiàn)狀河口無閘工況、設(shè)閘工況（假定閘門寬度144 m，閘底板高程為-2.50 m，閘前常水位為1.50 m）和設(shè)閘設(shè)泵（假定泵站規(guī)模140 m3/s，布置于閘門旁邊，起調(diào)水位0.50 m，停排水位-1.00 m）3 種工況進行模擬。洪痕調(diào)查成果以及本次無閘、設(shè)閘、設(shè)閘設(shè)泵等各工況模擬成果對比見圖7。

圖7 臺風“天鴿”期間茅洲河河口至塘下涌河段各工況水面線對比圖

由圖7 可見，本次模擬的水面線成果與茅洲河口至衙邊涌段洪痕調(diào)查成果較接近，驗證了水利模型的可靠度。對比設(shè)閘和無閘工況可知，在設(shè)閘工況下，閘上內(nèi)河水位比無閘工況降低2.50 m 左右；在設(shè)閘設(shè)泵工況下，閘上內(nèi)河水位比無閘工況降低3.20 m 左右。由此可見，在建設(shè)河口閘泵的情況下，可大大降低風暴潮對內(nèi)河水位的影響，減小河口地區(qū)的洪澇災(zāi)害影響。

5 結(jié)論與討論

臺風風暴潮往往給入海河口地區(qū)帶來一定的洪澇災(zāi)害影響，在入海河口處建設(shè)擋潮閘，能在一定程度上降低臺風風暴潮對內(nèi)河地區(qū)的影響，如同時建設(shè)泵站，可進一步減小洪澇災(zāi)害的影響。

需要指出的是，本文分析中的臺風“天鴿”帶來的雨潮組合屬于超級大潮遭遇小雨，該工況與一般閘泵的設(shè)計工況不同。工程設(shè)計中采用的大潮遭遇小洪水組合，一般設(shè)計洪水采用2 a 一遇或者更大，如本次臺風“天鴿”期間上游遭遇2 a 一遇設(shè)計洪水時，在設(shè)閘工況下，閘上內(nèi)河水位比無閘工況降低0.40 m 左右；在設(shè)閘設(shè)泵工況下，閘上內(nèi)河水位比無閘工況降低1.60 m 左右。

在茅洲河流域工程設(shè)計時，一般采用設(shè)計潮位遭遇上游2 a 一遇洪水與設(shè)計洪水遭遇外海2 a 一遇潮位進行外包。因此，本次臺風“天鴿”帶來的洪潮組合與工程設(shè)計工況尚有一定區(qū)別，在后續(xù)具體工程設(shè)計中，應(yīng)進一步分析合適的洪潮組合工況確定工程規(guī)模。