珠江河口口門洪水分流比變化及成因

黃偉杰，劉 霞，盧 陳，楊裕桂

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

1 研究背景

“三江匯流、八口入?！钡闹榻侵匏当徽J(rèn)為是世界上水系結(jié)構(gòu)、動(dòng)力特性、人類活動(dòng)最復(fù)雜的河口水系之一(圖1)。西江、北江和東江三大支流匯流形成珠江河網(wǎng)區(qū)，經(jīng)虎門、蕉門、洪奇門、橫門(東四口門)、磨刀門、雞啼門、虎跳門和崖門(西四口門)八大口門匯入南海，形成了徑流型河口和潮流型河口相互依存、耦合共生的復(fù)雜河口形態(tài)。各個(gè)口門之間互相關(guān)聯(lián)和影響，對河網(wǎng)區(qū)的泄洪、納潮具有不同的敏感性[1]。

圖1 珠江河口各口門斷面位置示意圖Fig.1 Location of river mouths in the Pearl River Estuary

珠江流域洪、澇、風(fēng)暴潮災(zāi)害頻繁，防洪減災(zāi)問題極為突出[2]。珠江流域洪水主要由暴雨形成。由于流域面積廣，暴雨強(qiáng)度大，上中游高山丘嶺地區(qū)洪水匯流快，中游又無湖泊調(diào)蓄,在遭遇大面積連續(xù)暴雨的情況下，往往形成峰高、量大、歷時(shí)長的流域性大洪水[3]。由于降雨的年內(nèi)分配不均，年際變化也較大，且往往出現(xiàn)連續(xù)豐水或連續(xù)枯水年的情況，水旱災(zāi)害頻繁[4]。近幾年來，“05·6”“06·7”“08·6”“09·7”等流域性和區(qū)域性洪水災(zāi)害不斷威脅著珠江人民群眾的生命安全，關(guān)系到珠江三角洲及港澳地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在河口變化的水文情勢以及大規(guī)模的人類活動(dòng)影響下，亟需研究復(fù)雜多變的河口口門泄洪情勢[5-6]。因此，開展珠江河口各個(gè)口門洪水分流比變化分析具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際意義。

2 口門泄洪分配

近20 a以來，珠江河口在1998年6月和2005年6月遭遇2次大洪水(“98·6”和“05·6”)，接近100 a一遇量級，選取該洪水作為典型洪水，依據(jù)口門控制站實(shí)際流量觀測，計(jì)算各個(gè)口門的流量分配比及相應(yīng)的八大口門凈泄量。

圖2為八大口門在“98·6”和“05·6”洪水中的泄洪分配比例，圖2上數(shù)字表示泄洪比例變化值。從圖2可以看出，2次洪水作用下各個(gè)口門的流量分配比例較為接近。其中東四口門中的虎門(大虎斷面)、蕉門(南沙斷面)和橫門(橫門斷面)泄洪分配比變化相對較大?；㈤T(大虎斷面)、蕉門(南沙斷面)泄洪比分別增大了2.2%和1.8%，橫門泄洪比減小2.0%。其他口門的變化值都在1%以內(nèi)。珠江河口的洪水主要來自其兩大支流西江和北江，其中西江的洪水占比75%以上。在河口上部，西江干流洪水經(jīng)過網(wǎng)河向東分流，河口下部洪水經(jīng)磨刀門水道不斷向西分流。在網(wǎng)河區(qū)河道邊界變化不大的情況下，河道的過水?dāng)嗝婷娣e關(guān)系到行洪情勢。尤其是各個(gè)口門附近河道控制斷面的變化對口門泄洪分流比產(chǎn)生較大影響。

圖2 珠江河口八大口門在“98·6”和“05·6”洪水中的泄洪分配比例Fig.2 Flood flow allocation ratio of 98·6 and 05·6floods at eight mouths in the Pearl River Estuary

3 泄洪控制斷面變化

珠江河口各個(gè)口門泄洪斷面的形態(tài)歸結(jié)起來不外以下幾種類型：處于彎道段的斷面形態(tài)一般呈偏“V”型，如處于虎跳門水道彎道上的西炮臺(tái)泄洪斷面；處于順直單一河段或者過渡段的斷面形態(tài)一般呈“U”或“V”型；處于分汊段呈“W”型，如處于蕉門水道和下橫瀝交叉處的南沙泄洪斷面。對于東四口門,從圖3和圖4可以看出：①大虎斷面形態(tài)呈不規(guī)則“U”型發(fā)育，變化較為平緩，1999年以來斷面不斷沖刷，主要表現(xiàn)在-5 m以下河床加深，過水面積逐漸加大，至2007年增大至35 353.36 m2，河道寬深比減小，變化幅度較平緩;1999—2004年間沖刷更為明顯，其過水面積增大1 653.24 m2，增幅為4.95%,河道寬深比減少0.21，減幅4.33%，河床平均下切約0.51 m，最大沖深2.49 m;2004—2007年斷面相對較為穩(wěn)定，過水面積增大572.67 m2，寬深比減少0.077。②蕉門南沙斷面形態(tài)整體上呈現(xiàn)以右汊為主汊的不規(guī)則“W”型發(fā)育，1999—2007年過水面積增加了2 583 m2，沖刷較為明顯的區(qū)域主要集中在右汊深槽及靠右岸的河床部分，使得右汊不斷加深擴(kuò)展，向右岸拓寬；1999—2004年過水面積增大1 227.19 m2，增幅為16.62%，河床平均下切0.95 m，最大沖深5.60 m，河道寬深比減少0.89，減幅14.25%；2005—2007年間河道相對較為穩(wěn)定，整體仍呈沖刷狀態(tài)。③東四口門中同樣為“U”型發(fā)育的另外2個(gè)口門洪奇門(馮馬廟斷面)和橫門在1999—2007年間則呈現(xiàn)沖淤交替的相對平衡狀態(tài)，斷面寬深比略為增大。

圖3 1999—2007年間各口門典型泄洪斷面形態(tài)變化Fig.3 Variations of cross sections at different mouths during 1999-2007

圖4 各站點(diǎn)斷面過水面積和寬深比變化趨勢Fig.4 Variations of flow area and width-depth ratio at different mouths

對于西四口門，從圖3和圖4可以看出：①磨刀門(竹銀斷面)在1999—2004年間以沖刷為主，過水面積增至8 164.87 m2，增幅為26.23%，河床平均下切2.74 m，尤其是-15 m附近的深槽段加深；2004—2007年間斷面呈輕微淤積狀態(tài)，過水面積減幅在2%以內(nèi)，寬深比變化不明顯，斷面形態(tài)較為穩(wěn)定。②虎跳門的西炮臺(tái)斷面呈“V”型發(fā)育，1999—2007年整體呈沖刷;其中1999—2005年間深槽淤積，河道寬深比增大0.29，增幅8.40%；2005—2007年間深槽基本穩(wěn)定，河道寬深比減少0.33。③雞啼門黃金斷面和崖門官?zèng)_斷面在研究期內(nèi)同樣整體以沖刷為主，過水面積總體呈增大態(tài)勢，寬深比減小，但是變化幅度輕微，大致為5%以內(nèi)，基本保持穩(wěn)定。進(jìn)一步從河道縱斷面變化上看，以西江干流出口磨刀門槽道縱斷面變化為例(圖5)，相比1999年河道縱斷面，2005年河道底高程明顯降低，縱向上河道斷面面積明顯加大，與磨刀門橫斷面面積變化規(guī)律一致。

圖5 西江干流掛定角水文站以下河道縱斷面Fig.5 Variation of longitudinal profile in the down-stream of Guadingjiao station in the mainstream of Xijiang River

總體來看，1999—2007年期間河口區(qū)主要控制斷面寬度保持穩(wěn)定，河槽沖刷變深，斷面面積增大，寬深比減小。其中1999—2004年間過水面積增加幅度、寬深比減小幅度較明顯，2004—2007年間過水面積及寬深比變化幅度相對平緩，南沙、馮馬廟和竹銀斷面沖刷幅度最為顯著。

4 泄洪能力變化及影響因素分析

4.1 口門泄洪能力變化分析

基于各口門典型斷面的分析可知，八大口門控制斷面寬度保持穩(wěn)定，河槽沖刷變深，斷面面積增大，有利于河道泄洪。但河道的不均勻變化使得各口門泄洪比例發(fā)生調(diào)整，虎門和蕉門的泄洪量增大，其他口門分流量不同程度減小。因此，需要對行洪斷面增大情況下的各口門泄洪壓力作進(jìn)一步分析?？陂T泄洪能力由謝才公式和曼寧公式計(jì)算，斷面流量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為

(1)

式中Q、n、A、R、J分別為流量、糙率、斷面面積、水力半徑、坡降。

假設(shè)坡降和河段糙率變化很小的情況下，斷面變化導(dǎo)致的泄流能力變化百分比為

λDC=(A2/A1)(R2/R1)2/3(J2/J1)1/2-1=

(1+λA)(1+λR)2/3(1+λJ)1/2-1 。

(2)

式中λDC、λA、λR、λJ分別為斷面泄流能力、斷面面積、水力半徑、水面坡降的變化百分比。水力半徑R由水深計(jì)算；斷面面積和寬深比變化的百分比根據(jù)斷面統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算；水深變化的百分比由面積和寬深比變化百分比計(jì)算；各口門水面坡降由口門站與上游站之間的潮周期平均水位差進(jìn)行計(jì)算；由于口門分流比增大而新增的分流量變化百分比則根據(jù)圖2中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。其中“98·6”洪水分配比代表斷面變化前的分流狀態(tài)，“05·6”洪水相同流量條件下的洪水分配比代表斷面變化后的分流狀態(tài)，從而計(jì)算各個(gè)口門的泄流能力變化。

從表1可以看出，受河道泄洪斷面面積顯著增大的影響，大虎、南沙、馮馬廟和竹銀斷面所在口門的泄洪能力顯著增強(qiáng)。其中，蕉門南沙斷面的泄流能力增幅最大，為63.7%，其變化主要是受過水?dāng)嗝婷娣e增大的影響，其典型斷面的泄洪面積在八大口門中增幅最大(35%)。大虎、馮馬廟和竹銀斷面的口門泄流能力大致增大30%左右，其中大虎所在虎門的行洪能力主要受坡降變化百分比λJ顯著增大的影響，馮馬廟和竹銀的泄洪能力變化則同樣是由于泄洪斷面面積增大所致。值得注意的是，橫門雖然泄洪斷面面積略有增大，但其泄洪能力卻相對減小。這是由于橫門的泄洪能力主要受坡降變化百分比λJ的控制，其在研究期內(nèi)減小了13%。其余口門(虎跳門和雞啼門)泄洪能力略有增大，相對較為穩(wěn)定。

表1 1999—2007年各口門泄流能力變化百分比Table 1 Variations of percentage of flood release ability at different mouths during 1999-2007

綜合分析各口門泄洪情勢，在各口門控制斷面面積增大的情況下，口門泄洪情勢還受到分流量變化、口門尾閭及洪潮頂托的影響。徑流型河口口門中、橫門尾閭不暢，水面坡降對行洪影響效果較為明顯，洪水位呈升高趨勢且泄洪壓力增大；蕉門、洪奇門和磨刀門斷面面積增幅較大，泄洪壓力較小。而潮流型河口中虎門泄洪任務(wù)加重，但其泄洪能力增強(qiáng)幅度大于泄洪量的增大幅度，具有較強(qiáng)的排洪能力；崖門、虎跳門和雞啼門洪水分配比較小且泄洪能力變化不大，排洪壓力較輕。

4.2 泄洪能力變化影響因素分析

河道斷面面積變化是影響珠江河口各個(gè)口門泄洪流量分配和泄洪能力變化的最主要因素。潮汐河口河道斷面的變化不僅直接響應(yīng)流域來水來沙等自然因素變化，還受到河口開發(fā)利用尤其是大規(guī)模河道采砂等人類活動(dòng)的影響。下面從來水來沙等自然因素以及河道采砂等人為干擾的角度探討珠江河口泄洪能力變化。

選取珠江兩大支流西江和北江的上游控制站高要和石角在1960—2012年的徑流量和輸沙量作為統(tǒng)計(jì)資料，結(jié)合Mann-Kendall方法趨勢檢驗(yàn)分析水沙通量的變化特征。非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)Mann-Kendall廣泛應(yīng)用于水文序列趨勢檢驗(yàn)分析。假定水文序列不存在趨勢(H0)，可選假設(shè)為水文序列存在單調(diào)趨勢(H1)。檢驗(yàn)方法為

(3)

其中，

(4)

式中：Z為標(biāo)準(zhǔn)化的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；σ為統(tǒng)計(jì)量S的標(biāo)準(zhǔn)差；x(i)和x(j)為水文序列；n為水文序列長度。

在95%的置信區(qū)間內(nèi)，若Z<|Z1-α/2|，則接受H0。反之，接受存在趨勢的可選假設(shè)H1。當(dāng)滿足顯著性水平時(shí)，即|Z|>1.96，則存在顯著趨勢；當(dāng)Z>0時(shí)，水文序列具有增大趨勢，反之為減小趨勢。

根據(jù)Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)結(jié)果可知，高要和石角站的徑流序列檢驗(yàn)結(jié)果分別為Z=-0.18和Z=0.74，均不滿足顯著性要求。而含沙量的趨勢檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果分別為Z=-6.64和Z=-4.15，呈現(xiàn)顯著的減小趨勢。對于沖積型河道而言，來水來沙條件是影響河道沖淤調(diào)整的最直接、最重要的因素。當(dāng)上游來沙量很少時(shí)，不能滿足水流挾沙能力，在徑流量不變的情況下，泥沙難以淤積，有利于河道沖刷，導(dǎo)致泄洪斷面面積增大，與上文分析的斷面形態(tài)變化及口門泄洪能力增強(qiáng)具有較好的響應(yīng)。

從人為因素干擾的角度來看，珠江河口從20世紀(jì)80年代中期開始出現(xiàn)大規(guī)模采掘河床泥沙的現(xiàn)象并持續(xù)至今。據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)，至2003年珠江三角洲的采砂總量約有13億m3，其中約有8億m3用于建筑，5億m3用于填地，采沙總量十分巨大，對河道水文情勢造成了極大的改變。最明顯和直接的影響是河道挖沙致使河床普遍下切且河槽容積擴(kuò)大。在珠江網(wǎng)河區(qū)，河道深槽體積每年大約增大7.3×107m3。西江和北江河道平均下切深度分別為0.59～1.73 m和0.34～4.43 m[7]。采砂等人類活動(dòng)顯著增大了河道斷面面積，提高了河道泄洪能力，河道不均衡挖沙是導(dǎo)致不同口門分流比變化的主要成因。由于挖沙位置通常為粗砂河道，而粗砂河道往往是流速較大的自然沖刷河道，因此河道的沖刷作用也存在部分影響。此外，與河道自然沖刷相關(guān)的流速和比降也是口門分流比變化的原因之一，以虎門、蕉門為例，比降大引起其分流比加大，相應(yīng)地橫門、洪奇門分流比被動(dòng)減少。但值得注意的是，河道容積增大同樣加劇河口納潮作用。研究表明在河口中部，由于河槽容積增大，納潮量增大對下泄洪水造成頂托作用，其各個(gè)頻率的極值洪水發(fā)生概率顯著增大，珠江三角洲的洪水風(fēng)險(xiǎn)同樣不可忽視[8]。

5 結(jié) 論

基于近年來珠江河口典型洪水實(shí)測資料和地形變化資料，分析各個(gè)口門泄洪分配和泄洪情勢變化，可得出如下結(jié)論：

(1)東四口門中，虎門和蕉門的泄洪分配比增大，橫門泄洪分配比減小，變化幅度均為2%左右，西四口門的泄洪分配比例變化相對較小。

(2)1999—2007年間各個(gè)口門河道下切，斷面面積普遍增大，使得大部分口門泄洪能力增強(qiáng)。橫門由于斷面面積增幅相對較小且水面坡降明顯減小，因此泄洪能力減弱。

(3)近年來，在珠江河口來水量變化不大的情況下，來沙量顯著減少，利于河道沖深。另外大規(guī)模的采砂活動(dòng)使得河床普遍下切，兩者共同作用下使得珠江口門區(qū)泄洪斷面面積增大，行洪能力增強(qiáng)。然而納潮量同樣增大，加劇了對河口中部洪水的頂托作用，珠江三角洲的洪水風(fēng)險(xiǎn)同樣不可忽視。