排澇站運行對感潮河段通航的影響分析

黃凌超,穆守勝

(1. 中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司, 廣州 510610； 2. 南京水利科學研究院， 南京 210098)

1 概述

感潮河段受到徑流及潮波兩種動力的影響，流速與水位過程呈現(xiàn)出周期性的變化特征，加之河道水下地形條件的變化，水體運動過程十分復雜[1-2]。此外，世界上很多感潮河道發(fā)育成為平原河網，例如一些河網縱橫的三角洲地區(qū)，河網系統(tǒng)內多條汊道的連接和分汊結構更增加了這類區(qū)域中水體運動的復雜性。珠江三角洲河網是典型的潮汐河網[3]，這一區(qū)域水網縱橫交錯，分流匯合情況復雜，珠江河網通過八大口門與外海相連。因此，這一區(qū)域不僅受到來自珠江水系上游徑流的影響，海岸潮波運動也對該區(qū)域水體產生了十分明顯的控制作用[4]。因此，珠三角流域上游徑流向下輸運往往會遭遇潮波上溯的阻滯作用，使得上游來流無法順暢下泄，水體的聚集會直接導致局部區(qū)域的河道水位迅速壅高。此外，珠江三角洲也是極端降水頻發(fā)的區(qū)域[5]，短時間高強度的降水也會加劇局部水位的過快抬升，給這一區(qū)域的防洪帶來直接威脅。因此，珠三角河網區(qū)面臨著嚴重的洪澇災害影響[6-7]，對沿岸城鎮(zhèn)居民的生產生活成了嚴重的影響。

人們?yōu)榱私鉀Q珠三角河網區(qū)域頻發(fā)的洪澇問題，除了在上游建設大型水庫、沿岸加高和鞏固堤防，還常常在復雜的水系中建設閘門、排水泵站等樞紐設施，通過水量調度，來消除局部水位過高的威脅[8]。在受到潮波運動影響的感潮河道中，由于聯(lián)通外海的主槽河道內往復流的產生，排澇水閘及排水泵站的運行相較于非感潮河道更為復雜。

此外，潮汐河網常常位于經濟發(fā)展程度高的區(qū)域，這些河網區(qū)域內的河道還通常是天然便利的通航線路，水道的航運任務繁重[9-11]。船舶通航能力以及通航安全也是必須考慮的問題。感潮河段中排澇站的運行，勢必對這一區(qū)域水動力過程產生較大的影響，通航區(qū)域水流條件的優(yōu)劣，直接影響到船舶航行的安全運行要求，是航道運營維護的關鍵所在。其中，河道水位的變化直接決定了航道深度，即航道水線面到至航道底部的垂直距離，很大程度上影響了船舶通航能力。此外，水流流速的變化會對航道安全富余寬度造成影響，安全富余寬度是保證船舶航行過程中不產生船吸、岸吸現(xiàn)象的最小尺度。因此，水位和流速的變化直接關系到航道的通航安全。排澇作業(yè)將多余水體排入航道區(qū)域，導致航道水體局部擾動，使得航行區(qū)域流速、水位產生調整，進而也改變了河道的通航條件。此外，排澇作業(yè)對通航的影響也會在感潮河道中不同徑潮動力條件作用下也會有所不同。因此，這一問題十分復雜且具有較高的研究意義和現(xiàn)實價值。

為了深入探討這一課題，本文以位于珠江三角洲某水道(本文中命名為主槽水道)上的排澇站為例，采用物理模型的方法，對排澇站在典型感潮河道中不同徑潮動力條件下的排水作業(yè)進行了試驗研究，通過排澇站出水口各導流孔的流量分配以及主槽水道橫向、縱向流速分析，明確排澇站運行對感潮河段通航的影響。

2 物理模型設置

為了準確有效地反應研究區(qū)域的水動力過程，本文采用物理模型進行研究，模型比尺為70，此外，根據(jù)重力、阻力、水流時間以及流量相似原則，確定模型流速比尺為8.37，糙率比尺為2.03，水流時間比尺為8.37以及流量比尺為40 996。模型范圍以排澇樞紐為中心，主槽水道取至排澇站上游部分約1.2 km、下游部分約1.4 km，模型平面布置如圖1所示。模型分為內河涌、排澇站(排澇泵站、排澇水閘和導流墩)以及主槽水道3部分。模型以排澇站為中心，該區(qū)域中的內河涌通過排澇泵站以及排澇水閘經由導流墩與主槽水道相連，主槽水道與珠江河網水系連通，同時受到徑流與潮波動力的影響；內河涌則延伸進入鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)，對居民生產生活產生直接影響。當內河涌水位過高時，人們會通過排澇泵站或排澇水閘將多余水體排入主槽水道。圖中點1～6從左向右依次顯示布置于導流墩外的測點位置，而羅馬字母 Ⅰ ～Ⅵ則代表排澇站出水口6個導流孔編號。

圖1 物理模型平面布置示意(單位：m)

由于研究區(qū)域實測水文資料缺乏，因此本文所采用物理模型的邊界條件及驗證過程借鑒了珠江三角洲一維水動力數(shù)學模型結果[12-13]。這一數(shù)學模型經多年發(fā)展、應用，通過了珠江流域“986”、“997”、“012”等多組典型水文組合率定與驗證(其中“012”代表了珠江三角洲極具代表性的2001年2月枯水代表潮型)。經過數(shù)學模型與物理模型結果的相互對比，水位誤差以及流速誤差均在5%以內。其模擬結果可以保證本文中的物理模型滿足研究精度要求。

由于主槽水道與珠江河網連通，受到潮波運動的影響，因而隨著主槽水道內漲、落潮過程的變化，排澇作業(yè)對主槽水道通航影響也會有所差異。因此，為了完整反映這一影響過程，本研究選取了1個完整的枯季代表潮型(漲潮、落潮以及漲落潮轉流)，同時結合該處排澇站的設計流量(Q=319.9 m3/s)，組合確定了6種典型工況，作為本文研究試驗的徑、潮動力邊界條件，具體設置見表1。其中，主槽水道流量以向下游輸運為正方向，即，流量設置為正時，主槽水道徑流由上游向下游輸運，模擬落潮狀態(tài)；當流量設置為負時，代表主槽水道徑流由下游向上游輸運，模擬漲潮狀態(tài)；當流量設置為零時，代表漲落潮之間的轉流狀態(tài)。因此，表1中工況1、2和3代表落潮過程，工況4代表轉流而工況5、6則代表漲潮過程。

表1 主槽水道通航影響試驗工況

3 物理模型試驗結果

3.1 導流孔分流狀態(tài)

如圖1所示，本區(qū)域排澇站出水口經過導流墩分為6個導流孔，各個導流孔流量分配狀況會對主槽河道通航條件產生影響，隨著主槽水道內漲落潮過程的變化，導流孔流量分配也會發(fā)生明顯的改變。為了直觀地展示各個導流孔的流量分配情況，本文研究分別計算了各個工況條件下導流孔的流量分配比例，結果如圖2所示，可以明顯對比不同工況對導流孔流量分配的改變情況。

從圖2可以看出，各工況條件下排澇站導流孔間的流量分配極不均勻。在工況1、工況2以及工況3時，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 導流孔流量基本為0。這說明當上游徑流下泄時，排水口出水主要通過Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ導流孔進行，且此時各個導流孔排水量分配呈現(xiàn)出“上游少下游多”的態(tài)勢，主槽水道上游徑流促使排澇站水體排入主槽水道后向下游輸運。工況4時，各個排水孔流量分配最為均勻，說明在主槽河道徑流量降至零時，排水口排水受到主槽的水體運動影響較小，各個導流孔排水流量的分配呈現(xiàn)出“中間多兩邊少”的態(tài)勢。而工況5與工況6時，水體主要由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 導流孔排出，且各導流孔排水量分配呈現(xiàn)出“上游多下游少”的態(tài)勢。這是因為此時主槽水道處于漲潮狀態(tài)，主槽水道流量從下游向上游輸運，流量輸運方向與工況1、工況2時正好相反。說明在不同漲落潮狀態(tài)下潮波動力的作用明顯改變了出水口各個導流孔的分流狀態(tài)。

圖2 各試驗工況導流孔流量分配比例示意

綜上，排澇站出水口導流孔的流量分配特征與主槽河道流量大小及方向(漲落潮狀態(tài))息息相關，主槽流量的大小在各個導流孔流量分配過程中起到了重要的影響作用。

3.2 橫向流速分析

航道內的橫向流速，是水體流速在航道法線方向上的分量，是衡量航道水流條件的重要指標之一。排澇水閘以及排澇泵站排水作業(yè)時，大量水體排入主槽水道，必然會引起主槽航道內橫向流速的明顯增加，給主槽水道的通航條件帶來不利的影響，因此，本文研究通過實驗觀測給出了各試驗工況下出水口處航道橫向流速大小(測點位置見圖1)，結果如圖3所示。

從圖3中可以看出工況4狀態(tài)下橫向流速最大，這是因為此時主槽流量最小，排澇站出水口流量在排水區(qū)域占據(jù)主導地位，因而使得橫向流速最大，其最大值約為0.7 m/s；其次是當工況5主槽水道處于漲潮初期時刻約為0.65 m/s。工況1、工況2以及工況6的橫向流速均較小，這是由于主槽流量較大時，無論漲潮還是落潮，排澇站出水流量均不能占據(jù)主導地位，主槽水道上游來流直接使得排澇站出水流向轉向下游，因此主槽水道橫向流速不大。且隨著主槽流量的增加，排水口處的橫向流速逐漸減小。因此，出水口出橫向流速大小與主槽水道流量和排澇站出水量的相對大小息息相關。

3.3 縱向流速分析

除了橫向流速以外，航道內的縱向流速，也是衡量航道水流條件的重要指標，縱向流速指流速在航道方向上的分量。排澇水閘以及排澇泵站將內河涌中多余水體排入主槽水道時，也會引起航道內縱向流速的明顯改變，給航道的通航條件帶來一定的影響，為了明確縱向流速受排澇作業(yè)的影響，本研究給出了主槽水道縱向流速的分布(測點位置見圖4)，結果如圖5所示。

圖4 主槽水道縱向流速測點位置示意

圖5 主槽水道縱向流速分布特征示意(最高通航水位)

圖4展示了主槽水道內縱向流速測點的布設位置，為了比較全面地反映主槽水道的流速分布狀態(tài)，本文在模型主槽水道中從上游到下游依次選取了8個斷面，每個斷面選取4到5個測點，讀取模型試驗結果，以點帶面，展示主槽水道內縱向流速分布特征。由于研究工況較多，本文主要選取總縱向流速最大的工況1(最高通航水位情況)對比工程建設前后縱向流速變化情況。

從圖5可以看出，斷面1與斷面2的流速在工程前后無變化，這是由于這兩個斷面位于排澇站出水口上游，主槽上游來水決定了這兩個斷面的流速狀態(tài)，而排澇站的建設運行對這兩個斷面流速過程基本沒有影響。除了斷面1與2以外，其他斷面流速均有不同程度增加。這是由于其他斷面均位于排澇站出水口附近或者下游，排澇站水流下泄對這些斷面產生了影響。其中斷面4與斷面5正處于排澇站出水口外，流態(tài)較為復雜，因此這兩個斷面上的測點呈現(xiàn)出距離出水口近的流速增加明顯而距離遠的點增加不明顯的特征。斷面6、斷面7以及斷面8處于出水口下游，水流流態(tài)較為穩(wěn)定，因此斷面上各點流速增加的分布較為均勻。

綜上，工程后各試驗工況下，主槽水道內最大縱向流速出現(xiàn)在最高通航水位條件下(工況1)，約為2.23 m/s，流速較小，因此不會影響主槽水道的正常通航。

4 結語

本次研究采用物理模型，以珠江三角洲某水道為例，設置6組不同試驗情況，模擬了某排澇站在不同徑潮作用狀態(tài)下排澇作業(yè)過程。通過具體分析排澇站出水口流量分配以及主槽水道橫向、縱向流速分布，研究了某排澇站在不同的漲落潮狀態(tài)下運行對感潮河段通航的影響，得出主要結論如下：

排澇站出水口流量分配狀態(tài)與主槽河道流量狀態(tài)(漲落潮狀態(tài))息息相關。潮波動力的影響改變了出水孔各個導流孔的分流狀態(tài)。隨著主槽流量的增加，排水口處的橫向流速逐漸減小。當主槽水道流量相對較小時，排澇作業(yè)排水量在局部區(qū)域水流過程占據(jù)主導，對主槽水道航道有一定影響，最大橫向流速達到0.7 m/s。主槽水道內最大縱向流速出現(xiàn)在最高通航水位條件下(工況1)，且流速不大，不會影響主槽水道正常通航。