橫門潮位站與東河水利樞紐斷面水潮位關(guān)系研究

田軍林

(中山市水庫水電工程管理中心，廣東 中山 528400)

中山市位于珠江三角洲中南部，珠江口西岸，面積為1 800.14 km2，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，多年平均降水量為1 710.3 mm。境內(nèi)河流眾多，河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，珠江八個(gè)入海口中的磨刀門、橫門、洪奇瀝等主要水道流經(jīng)境內(nèi)，從西北向東南入海。地處珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)下游，三面環(huán)水，中部為山區(qū)，周邊為沖積平原，常受臺風(fēng)和暴雨影響[1-2]。

1 中山市臺風(fēng)和咸潮影響情況

1.1 臺風(fēng)影響情況

1988—2019年間，共有59次臺風(fēng)影響中山市，平均每年有1.9次。特別是2018年和2019年，連續(xù)2 a受強(qiáng)臺風(fēng)影響。2017年8月23日，強(qiáng)臺風(fēng)“天鴿”正面侵襲中山，對中山市造成嚴(yán)重的風(fēng)雨潮影響，全市15個(gè)指標(biāo)站陣風(fēng)達(dá)10級以上，坦洲鎮(zhèn)鐵爐山水庫(非指標(biāo)站)出現(xiàn)16級(51.6 m/s)陣風(fēng)。全市出現(xiàn)了50～100 mm降雨，東鳳鎮(zhèn)鶯歌咀出現(xiàn)101.5 mm最大雨量。臺風(fēng)影響時(shí)，正值天文大潮期，潮水與風(fēng)勢疊加引發(fā)風(fēng)暴潮，中山市沿海地區(qū)潮位站全面超出警戒潮位。2018年9月16日17:00，第22號臺風(fēng)“山竹”在臺山海宴鎮(zhèn)登陸，受其環(huán)流影響，中山市出現(xiàn)10～14級陣風(fēng)，大涌鎮(zhèn)錄得最大雨量為171.5 mm。臺風(fēng)“山竹”期間，潮水因風(fēng)勢和低氣壓引發(fā)風(fēng)暴潮，中山市沿海地區(qū)潮位站全面超出警戒潮位，橫門觀測站站錄得水位超出歷史最高水位。2次臺風(fēng)均造成堤防漫頂，部分水利設(shè)施損毀，大量樹木和農(nóng)作物倒伏、街道漬浸和房屋受損，經(jīng)濟(jì)損失巨大[3-4](見圖1)。

圖1 2008—2019年對中山市影響較大的臺風(fēng)路徑示意

1.2 咸潮影響情況

冬春季節(jié)枯水期，受西、北江水位銳降影響，中山市平原區(qū)河網(wǎng)會(huì)發(fā)生潮汐倒灌上溯現(xiàn)象，出現(xiàn)咸潮。咸潮在上游淡水來量和潮流強(qiáng)弱不同的情況下，越近河口含鹽量越大，越向上游則越少；漲潮憩流時(shí)含鹽量最大，落潮憩流時(shí)含鹽量最小。正常年份磨刀門水道的咸潮上溯至神灣鎮(zhèn)以下、燈籠山以上，橫門水道則在火炬開發(fā)區(qū)小隱涌；干旱年份磨刀門水道的咸潮線上推到神灣鎮(zhèn)，橫門水道到達(dá)東河水利樞紐。咸潮通常出現(xiàn)于每年的10月至次年4月，但以12月至次年2月較頻繁。洪水期一般不受咸潮影響。中山市在2009—2011年連續(xù)3 a受咸潮嚴(yán)重影響。2009年11月下旬，咸潮上溯到小欖水道的大豐水廠和雞鴉水道的新涌口水廠，全祿、大豐水廠被迫24 h低壓供水，影響全市50%供水區(qū)域[5]。

2 東河水利樞紐

東河水利樞紐工程位于岐江河?xùn)|端與橫門水道交界處，與東河泵站、東河水閘和東河船閘組成，于2000年建設(shè)完成并試運(yùn)行。水閘設(shè)10孔，單孔凈寬為15 m，總凈寬為150 m，最大過閘流量為1 020 m3/s，閘門設(shè)計(jì)水位差為2.60 m，按100 a一遇暴潮水位加11級風(fēng)浪爬高設(shè)計(jì)。泵站安裝6臺立式軸流泵，總裝機(jī)容量為10 800 kW,設(shè)計(jì)排澇流量為273 m3/s，按5 a一遇外江水位、10 a一遇24 h連續(xù)暴雨1 d排干標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。東河水利樞紐是中順大圍主要的排澇工程之一，當(dāng)外江水位超過1.5 m(珠江基準(zhǔn)，下同)時(shí)，東河水利樞紐關(guān)閘擋潮，通過泵站將匯集到岐江河的澇水排向外江橫門水道，使岐江河水位控制在1.3 m(見圖2～圖3)。

圖2 東河水利樞紐示意

圖3 橫門潮位站與東河水利樞紐關(guān)系示意

3 研究意義

中山市屬于受臺風(fēng)嚴(yán)重影響同時(shí)又受咸潮威脅的地區(qū)，臺風(fēng)引起的風(fēng)暴潮與天文大潮疊加對外江堤圍和水閘等水利工程造成嚴(yán)重威脅,咸潮影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和群眾正常生活。東河水利樞紐是中順大圍東段重要的水利工程，在臺風(fēng)暴潮期間承擔(dān)著抵擋外江潮水和排除內(nèi)澇功能，在枯水期抵擋咸潮上溯。若東河水利樞紐及其附近堤防出現(xiàn)險(xiǎn)情，將極大威脅中山市主城區(qū)的安全。黃山，朱良生通過數(shù)值模擬風(fēng)暴潮研究臺風(fēng)增水過程[6]。劉曾美，陳子利用copula函數(shù)模擬了區(qū)間暴雨和外江洪水遭遇研究的風(fēng)險(xiǎn)[7]。陳文想分析了2008—2018年強(qiáng)臺風(fēng)對珠江口—橫門一帶的增水影響，發(fā)現(xiàn)了主要增水因素[8]。陸秀文，李亮通過研究赤灣站潮位與茅洲河沙井河口斷面水位關(guān)系分析了不同斷面水位關(guān)系[9]。劉瑞哲，朱慶勇，倪培桐通過MIKE21和Holland構(gòu)建模型模擬了“天鴿”臺風(fēng)在珠江口增水過程[10]。王建領(lǐng)分析了在超過設(shè)計(jì)水位差情況下閘門運(yùn)行的一種情況。任錦亮，李瓊芳，李鵬程等通過擬合上海市臺風(fēng)降雨和潮位的概率分布，分析了臺風(fēng)降雨和潮位組合風(fēng)險(xiǎn)概率[11]。付利群分析了引發(fā)橫門水道風(fēng)暴潮超警戒水位的熱帶氣旋特征，給出了重點(diǎn)防御的熱帶氣旋[12]。因此，研究臺風(fēng)、咸潮等不同工況下橫門潮位站與東河水利樞紐斷面水位關(guān)系，可以由橫門潮位站水(潮)位預(yù)測東河水利樞紐河口斷面水(潮)位，為東河水利樞紐及其他類似水利工程提供調(diào)度參考，以提前決策、科學(xué)調(diào)度，做好防御。

4 水文資料和潮汐規(guī)律

中山市大陸海岸線總長為57 km，潮位站主要在火炬開發(fā)區(qū)和南朗鎮(zhèn)。橫門潮位站位于中山市火炬開發(fā)區(qū)，距離東河水利樞紐7 km，從1953年建站以來一直觀測至今，觀測資料基本完整，成果包括站點(diǎn)歷年潮水位統(tǒng)計(jì)，歷年最高、最低潮水位統(tǒng)計(jì)和逐年各月高潮平均潮水位統(tǒng)計(jì)等。東河內(nèi)水位站和東河外水位站分別位于東河水利樞紐上游、下游，有較為完整的水位和降雨記錄資料。本次選取近年典型水位序列資料進(jìn)行分析研究。

潮汐是在月球和太陽引力作用下形成的海水周期性漲落現(xiàn)象。白天稱潮，夜間稱汐，總稱“潮汐”。外海潮波沿江河上溯，又使得江河下游發(fā)生潮汐。潮汐規(guī)律是指海水在天體(月球和太陽)作用下所產(chǎn)生的周期性運(yùn)動(dòng)。習(xí)慣稱海面垂直方向漲落為潮汐，而海水在水平方向的流動(dòng)稱為潮流。中山市屬混合型不正規(guī)半日周潮，每天大致兩漲兩退，每次從漲潮到退潮約8 h，從退潮到漲潮約4 h。相鄰的高潮或相鄰的低潮其潮位高度均不相等。每月朔(初一)、望(十五或十六)期潮差最大(稱大潮期)，每月上弦(初八前后)和下弦(23日前后)潮差最小(稱小潮期)[13]。

5 不同工況的選取

由于臺風(fēng)降雨遭遇相同概率的高潮位的概率較低，本次不考慮臺風(fēng)與潮水發(fā)生的關(guān)聯(lián)性[14-15]。根據(jù)水文資料和潮汐規(guī)律，選取有臺風(fēng)影響、無臺風(fēng)有降水影響和無臺風(fēng)無降水3種工況進(jìn)行橫門潮位站斷面和東河水利樞紐斷面關(guān)系分析。具體工況如下：① 臺風(fēng)工況，工況1：臺風(fēng)“天鴿”，工況2:臺風(fēng)“山竹”；② 無臺風(fēng)有降水工況，工況3：2018.6.7暴雨(遭遇3年一遇暴雨)，工況4：2018.8.29暴雨(三鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭遇50年一遇降雨)；③ 無臺風(fēng)無降水工況，工況5：大潮期；工況6：小潮期。

表1 工況選取情況

6 不同工況下潮位分析

1) 工況1：臺風(fēng)“天鴿”

臺風(fēng)“天鴿”在2017年8月23日12:50在珠海登陸。橫門潮位站水(潮)位在2017年8月23日13:30達(dá)到最大值3.08 m，東河外斷面水位在2017年8月23日13:53達(dá)到最大值2.91 m，東河內(nèi)斷面水位在2017年8月23日17:29達(dá)到最大值0.67 m。橫門潮位站斷面與東河外斷面最高水(潮)位發(fā)生時(shí)間相差0.38 h，最大水(潮)位差0.17 m；東河外與東河內(nèi)最高水(潮)位差2.24 m。當(dāng)日多站水位過程線如圖4所示。

圖4 臺風(fēng)“天鴿”登陸前后各站水位過程線示意

2) 工況2： 臺風(fēng)“山竹”

臺風(fēng)“山竹”在2018年9月16日17:00在臺山登陸。橫門潮位站水(潮)位在2018年9月16日16:57達(dá)到最高值3.29 m，即在臺風(fēng)登陸時(shí)達(dá)到最高水(潮)位。東河外斷面水位在2018年9月16日17:56達(dá)到最高值3.24 m，橫門潮位站斷面與東河外斷面最高水(潮)位發(fā)生時(shí)間相差1 h，最高水(潮)位差0.05 m。東河內(nèi)斷面水位在2018年9月16日24:00為最高值1.25 m，東河外與東河內(nèi)最高水(潮)位差1.99 m(如圖5所示)。

圖5 臺風(fēng)“山竹”登陸前后各站水位過程線示意

3) 工況3： 無臺風(fēng)，中山市遭遇3年一遇暴雨

橫門潮位站水(潮)位在2018年6月7日16:06達(dá)到最高值0.78 m，東河外斷面水位在2018年6月7日16:18達(dá)到最高值0.70 m，東河內(nèi)斷面水位在2018年6月7日9:26為0.53 m。橫門潮位站斷面與東河外斷面最高水(潮)位發(fā)生時(shí)間相差0.2 h，最高水(潮)位差為0.08 m；東河外與東河內(nèi)最高水(潮)位差為0.17 m(如圖6所示)。

圖6 2018年6月7日0—24:00，遭遇3年一遇暴雨各站水位過程線

4) 工況4： 無臺風(fēng)，三鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭遇50年一遇暴雨

橫門潮位站水(潮)位在2018年8月29日11:24達(dá)到最高值1.14 m，東河外斷面水位在2018年8月29日11:24達(dá)到最高值1.01 m，東河內(nèi)斷面水位在2018年8月29日15:35為0.3 m。橫門潮位站斷面與東河外斷面最高水(潮)位發(fā)生時(shí)間差0 h，最高水(潮)位差為0.13 m；東河外與東河內(nèi)最高水(潮)位差為0.71 m(如圖7所示)。

圖7 2018年8月29日0-24：00，遭遇50年一遇暴雨時(shí)各站水位過程線

5) 工況5：大潮，朔后1日

橫門潮位站水(潮)位在2018年12月8日23:00達(dá)到最高值1.16 m，東河外斷面水位在2018年12月8日23:00達(dá)到最高值1.27 m，東河內(nèi)斷面水位在2018年12月8日21:48為0.96 m。橫門潮位站斷面與東河外斷面最高水(潮)位無發(fā)生時(shí)間差，最高水(潮)位差為0.11 m；東河外與東河內(nèi)最高水(潮)位差為0.31 m(如圖8所示)。

圖8 2018年12月8日0-24：00，大潮日各站水位過程線

6) 工況6：小潮，下弦前1日

橫門潮位站水(潮)位在2018年12月28日2:52達(dá)到最高值1.14 m，東河外斷面水位在2018年12月28日3:25達(dá)到最高值1.28 m，東河內(nèi)斷面水位在2018年12月28日0:15為0.91 m。橫門潮位站斷面與東河外斷面最高水(潮)位發(fā)生時(shí)間相差0.55 h，最高水(潮)位差為0.14 m；東河外與東河內(nèi)最高水(潮)位差為0.37 m(如圖9所示)。

圖9 2018年12月28日0-24：00，小潮日各站水位過程線

不同工況下，東河外水位站水位過程線與橫門潮位站基本一致，主要受潮水影響。東河外水位站最高水(潮)位發(fā)生時(shí)間滯后于橫門潮位站或者與橫門站同時(shí)發(fā)生。在臺風(fēng)和暴雨工況下，橫門潮位站最高水(潮)位大于東河水位站最高水(潮)位，高差為0.05～0.17 m。在1月前后(咸潮期)，無臺風(fēng)無暴雨工況，會(huì)出現(xiàn)東河水位站最高水(潮)位大于橫門潮位站最高水(潮)位情況。東河內(nèi)水位由于受東河水利樞紐的控制，與東河外水位和橫門潮位站水位差別較大(見表2)。

表2 各工況對比分析

7 結(jié)語

本次選用6個(gè)不同工況，2個(gè)有臺風(fēng)降雨、2個(gè)無臺風(fēng)有降雨和2個(gè)無臺風(fēng)無降雨工況進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1) 在臺風(fēng)工況下，橫門潮位站水(潮)位最高，東河外水位站次之，東河內(nèi)水位站最低。東河外水位站最高水(潮)位發(fā)生時(shí)間滯后于橫門潮位站，滯后時(shí)間為0.38～1.0 h，最高水(潮)位差為0.05～0.17 m。東河外水位站和東河內(nèi)水位站的最高水(潮)位差為0.17～2.24 m，時(shí)間差值在3.60～6.0 h之間。值得注意的是，臺風(fēng)會(huì)顯著影響橫門潮位站和東河外水位站最高水(潮)位，較未遭遇臺風(fēng)的其他工況，水(潮)位增幅為1.63～2.51 m。東河水利樞紐水閘的最大水位差達(dá)到2.24 m。

2) 在無臺風(fēng)、遭遇暴雨工況下，橫門潮位站水(潮)位最高，橫門潮位站、東河外水位站和東河內(nèi)水位站的水(潮)位依次降低。因東河水利樞紐有泵站排水，暴雨工況對東河內(nèi)水位并無明顯影響。各個(gè)水位站的水(潮)位過程線趨勢相同，即內(nèi)河水位隨外江水(潮)位變化。東河外水位站與橫門潮位站差值為0.08～0.13 m，滯后時(shí)間為0～0.20 h。東河外水位站與東河內(nèi)水位站的最高水(潮)位差為0.17～0.71 m，時(shí)間差值為4.18～6.87 h。

3) 在無臺風(fēng)、無降雨工況下，水(潮)位受潮汐影響，出現(xiàn)橫門潮位站最高水(潮)位低于東河外水位站最高水(潮)位的情況，即東河外水位站水(潮)位最高，橫門潮位站其次，東河內(nèi)水位站最低。東河外水位站與橫門潮位站差值為0.11～0.14 m，滯后時(shí)間為0～0.55 h。東河外水位站與東河內(nèi)水位站的最高水(潮)位差為0.31～0.37 m，時(shí)間差值為1.20～3.16 h。