倪培桐，王 揚(yáng)，陳卓英

(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)

20世紀(jì)80年代以來(lái)，珠江三角洲水文情勢(shì)發(fā)生了顯著的變化，表現(xiàn)在部分河段沖淤特征發(fā)生大幅變化，河網(wǎng)分水、分沙比改變，河道上游水位下降，河口區(qū)洪水位壅高等現(xiàn)象，影響珠江三角洲地區(qū)防洪安全，珠江三角洲水文情勢(shì)異常變化問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-4]。河道水面線(xiàn)是水利規(guī)劃、流域防洪抗災(zāi)等水利活動(dòng)的重要基礎(chǔ)水文要素，河道糙率是推算河道水面線(xiàn)的重要參數(shù)，是河道阻力的綜合反映。很多學(xué)者探討了糙率的優(yōu)化取值[5-12]，常用方法包括查表法、試錯(cuò)法，其中濾波方法[9]、遺傳算法[7,12]等可明顯減少人為影響提高率定效率。受自然及人類(lèi)活動(dòng)等因素的影響，由于河床下切嚴(yán)重，在推算東江下游及三角洲水面線(xiàn)時(shí)，缺乏與地形匹配的大流量級(jí)洪水實(shí)測(cè)資料推求河道糙率。本文結(jié)合河床演變、洪水變化比較分析結(jié)果等數(shù)據(jù)[13]，綜合選取1997年實(shí)測(cè)河道地形的綜合糙率系數(shù)。本研究可為東江流域推算洪潮水面線(xiàn)、水利規(guī)劃、流域防洪抗災(zāi)等提供參考數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 區(qū)域概況

珠江由西江、北江、東江及三角洲河網(wǎng)組成，東江干流發(fā)源于江西省尋鄔縣椏髻嶺，在廣東境內(nèi)流經(jīng)龍川、河源、紫金、博羅、惠陽(yáng)至東莞石龍，石龍以下進(jìn)入三角洲河網(wǎng)區(qū)。東江三角洲通過(guò)獅子洋與西、北江三角洲相連，相對(duì)獨(dú)立。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。

本流域?qū)賮啛釒夂?，高溫濕?rùn)多雨，具有明顯的干濕季節(jié)。東江流域多年平均降水量在1 500 mm～2 400 mm之間，其中4月—9月占全年降雨的80%以上。東江洪水具有水情復(fù)雜、洪水遭遇種類(lèi)繁多等特點(diǎn)。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 d～8 d。東江三角洲的潮汐屬不規(guī)則半日潮，日潮不等現(xiàn)象顯著。由于受徑流和臺(tái)風(fēng)的影響，年最高潮位一般出現(xiàn)于汛期。

1.2 數(shù)據(jù)

研究采用的地形資料主要為1964年、1997年河道地形圖，少量河道采用1989年、1990年航道圖，其中實(shí)測(cè)河道地形長(zhǎng)度約481 km，占模型計(jì)算河道總長(zhǎng)的92%。其中東江下游及三角洲河道1997年地形資料是目前為止較為系統(tǒng)的成套地形資料(見(jiàn)圖1)。

圖1研究范圍示意圖

1.3 數(shù)學(xué)模型建立

河網(wǎng)區(qū)水流數(shù)學(xué)模型由一維圣維南方程組來(lái)描述，模型采用Preissmann四點(diǎn)加權(quán)隱式差分格式離散水流方程組，采用三級(jí)連解法隱式求解。模型計(jì)算范圍為東江博羅至三角洲河網(wǎng)區(qū)的出?？诖笫?、泗盛圍、漳澎和麻涌(見(jiàn)圖1)。東江博羅及三角洲河網(wǎng)水道概化為97個(gè)河段，57個(gè)汊點(diǎn)，894個(gè)斷面，博羅到口門(mén)段，斷面間距約150 m～500 m，模型計(jì)算總里程為522 km[13]。

1.4 比降與糙率的比值法

(1)

其中：V為斷面流速；S為比降；R為水力半徑；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[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 “95.8”洪水模型率定

由于不同洪水量級(jí)的河道綜合糙率不同，需要選取與地形匹配的不同量級(jí)洪水過(guò)程來(lái)反求河道糙率。與1997年實(shí)測(cè)河道地形相匹配的較大洪水過(guò)程出現(xiàn)在1995年8月，博羅站洪峰流量為6 660 m3/s，接近東江流域三庫(kù)調(diào)洪工況下的5年一遇洪水(簡(jiǎn)稱(chēng)“95.8”洪水)，該場(chǎng)洪水可作為“常遇洪水”的率定資料。模型率定的上邊界取值為博羅、麒麟咀的流量過(guò)程，下邊界取值為大盛、泗盛圍相應(yīng)的潮位過(guò)程，率定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 洪峰水位率定結(jié)果(“95.8”洪水)

2.2 控制站H-Q分析

基于“95.8”洪水率定的糙率適合于中低流量洪水情況，大流量級(jí)別洪水條件下的河道糙率確定需要結(jié)合河床演變，分析主要水文/水位站水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)“H-Q”)、水位相關(guān)關(guān)系( 簡(jiǎn)稱(chēng)“H-H”)等數(shù)據(jù)綜合考慮。

1993年—2000年水文數(shù)據(jù)表明博羅水文站同流量下的水位也不斷處于下降趨勢(shì)(見(jiàn)圖2(a))。通過(guò)比較1966年及1997年地形條件實(shí)測(cè)洪水K值(見(jiàn)圖2(b))，利用1966年K值延長(zhǎng)2000年K值近曲線(xiàn)，可進(jìn)一步計(jì)算出1997年地形條件下博羅H-Q曲線(xiàn)。分別利用文獻(xiàn)[16]實(shí)測(cè)水文資料及2003年枯季實(shí)測(cè)資料計(jì)算K值[15]，分別計(jì)算出博羅H-Q曲線(xiàn)1和曲線(xiàn)2(見(jiàn)圖2(c))。上述曲線(xiàn)與本文推出的基于1997年地形條件下的博羅綜合H-Q曲線(xiàn)非常接近。

利用博羅水文站的洪水水位實(shí)測(cè)資料分別建立博羅與惠陽(yáng)、石馬河、樊屋水位相關(guān)曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3)，同時(shí)建立樊屋與石龍(二)、峽口水閘相關(guān)曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3)。

2.3 河道糙率計(jì)算

常遇洪水糙率率定采用1995年8月洪水資料，得到的河道糙率基本反映了東江三角洲常遇洪水條件下的河道糙率。對(duì)于大流量級(jí)別的洪水，如百年一遇洪水，則需要利用前文“95.8”洪水率定的河道糙率為基礎(chǔ)，結(jié)合博羅與惠陽(yáng)、石馬河、樊屋水位相關(guān)曲線(xiàn)、樊屋與石龍(二)、峽口水閘相關(guān)曲線(xiàn)反求東江下流及三角洲高流量級(jí)的河道糙率。三庫(kù)調(diào)洪條件下模型糙率選取結(jié)果見(jiàn)圖4。東江三角洲河道糙率在三角洲頂部較大，三角洲下部河道糙率較小，河段糙率在0.02～0.03之間，糙率取值與1989年水面線(xiàn)基本一致。石龍汊口附近糙率較大，這與該處河道水面坡降較大有關(guān)，以“95.8”洪水為例，洪峰時(shí)刻，樊屋水位5.03 m，石龍(二)水位為3.6 m，峽口水閘水位4.4 m，北干流樊屋至石龍(二)段由于鐵路橋及河道水面落差較大，因此河道糙率也較大。

2.4 討論

在1988年以前，東江博羅-樊屋段河床演變的基本特征是河道沖淤相間，多數(shù)斷面沖淤厚度在1.0 m以下。1988到1997年，博羅至石龍段河床全線(xiàn)發(fā)生下切，企石到石龍河段，斷面平均下切深度達(dá)到3.0 m以上，斷面最大下切深度約11 m。三角洲河段河床變形也很明顯。1972年到1988年間，東江北干流基本上全線(xiàn)下切，其中石龍汊口到增江口河段下切深度在1.0 m以下；增江口到大盛河段下切深度多在1.0 m以上，斷面最大下切約8.4 m。1988年到1997年間，北干流河段河床平均下切2.0 m～7.77 m，斷面上最大下切16.0 m左右。1988年到1997年間，東江南支流河床演變的基本特征是下切現(xiàn)象明顯，南支流河段平均下切0.3 m～6.0 m，斷面上最大下切約13.6 m。

圖2 博羅H-Q曲線(xiàn)分析

圖3 測(cè)站H-H相關(guān)曲線(xiàn)分析

圖4不同流量下博羅-口門(mén)糙率

由于發(fā)生低量級(jí)洪水時(shí)，潰堤較少，同時(shí)由于堤圍位置的變化較小，可以認(rèn)為歷史與近期的低量級(jí)洪水可比性相對(duì)較好。東江干流1964年與1997年的河段槽蓄容積變化比較表明，在發(fā)生洪峰流量為4 800 m3/s(博羅)的洪水時(shí)，惠陽(yáng)—博羅、博羅—石馬河、石馬河—樊屋段河道槽蓄容積增加分別為21%、30%、114%。

博羅水文站大斷面平均水深比較表明與1966年大斷面相比較，1989年、1995年、2000年大斷面地形分別增加0.20 m、0.39 m、1.14 m，最大下切約4 m。

利用上述糙率及1997年地形資料，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(xiàn)的下降程度，從而可在一定程度上估算歷史資料用于模型率定的可靠程度。比較惠陽(yáng)—樊屋河段6 000 m3/s～7 000 m3/s量級(jí)的歷史洪水結(jié)果見(jiàn)表2，結(jié)果顯示1970年—1987年發(fā)生同量級(jí)洪水時(shí)，東深取水口附近水位較現(xiàn)在高1.35 m～1.55 m，博羅水位較現(xiàn)在高0.68 m～0.83 m，相應(yīng)地惠陽(yáng)水位較現(xiàn)在高0.59 m～0.78 m，表明惠陽(yáng)的水位變化受博羅水位變化影響大，其水位變化受自身河床變形影響相對(duì)較小。

表2 惠陽(yáng)—樊屋段歷史洪水驗(yàn)證計(jì)算

為了進(jìn)一步分析河道分流比的可靠性，本文假定三角洲河道糙率一致，計(jì)算出的河道分流比主要反映河道過(guò)水面積對(duì)分流比的影響(簡(jiǎn)稱(chēng)“同糙率法”)。東江三角洲河道分流比比較見(jiàn)表3，本次河道分流比計(jì)算結(jié)果與82年水面線(xiàn)、行洪線(xiàn)結(jié)果相比，北干流分流比變小，南支流分流比變大，這與東江河網(wǎng)河道地形變化特點(diǎn)一致及當(dāng)?shù)卣{(diào)查結(jié)論一致。

表3 三角洲河道分流比比較

注：行洪控制線(xiàn)、“95.8”率定、同糙率法：洪水頻率流量：P=2%(Q博羅=10 910 m3/s；Q增江=3 520 m3/s)；P=5%(Q博羅=9 420 m3/s；Q增江=2 340 m3/s)；82年水面線(xiàn)洪水頻率流量：P=2%(Q博羅=13 100 m3/s；Q增江=3 520 m3/s)。

3 結(jié) 論

(1) 東江下游及三角洲河道河床下切致使博羅水文站H-Q曲線(xiàn)不斷處于下降趨勢(shì)。利用1966年K值延長(zhǎng)2000年K值近曲線(xiàn)，可以得到相對(duì)合理的1997年地形條件下博羅H-Q曲線(xiàn)高水部分。

(2) 東江三角洲河道糙率在三角洲頂部較大，三角洲下部河道糙率較小，河段糙率在0.02～0.03之間，糙率取值與1989年水面線(xiàn)基本一致。本次水面線(xiàn)選取的石龍汊口附近糙率較大，這與該處河道床面坡降較大有關(guān)。