肖 洋，王 艷，徐輝榮，李志偉，王 鑫，欒 斌

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 3. 廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635)

近幾十年來，受強(qiáng)人類活動(dòng)的影響，珠江三角洲河網(wǎng)水沙特征和河勢(shì)發(fā)生顯著改變[1-4]，行洪格局也不斷變化[5-7]，原有的“西北江分治”和“水沙西南調(diào)”防洪治理方案越來越難以適應(yīng)現(xiàn)狀行洪格局，能否探索出新的防洪治理方案，是珠江三角洲防洪規(guī)劃科學(xué)實(shí)施中亟待解決的關(guān)鍵問題。

在20世紀(jì)50—60年代，為治理珠江三角洲防洪排澇問題，有學(xué)者提出了“西北江分治”方案，使排洪能力相對(duì)較大的西江承擔(dān)更多泄洪[8]；70—80年代，航運(yùn)交通對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響愈加顯著，而伶仃洋此時(shí)存在的主要問題是西北部口外沙壩和淺灘逐漸向東南擴(kuò)展，洪奇瀝入?？陂T嚴(yán)重淤積，導(dǎo)致水沙直接從蕉門出口，威脅伶仃洋深水航道，為此有學(xué)者提出“水沙西南調(diào)”治理方案以減少伶仃洋淤積，維持廣州出海航道穩(wěn)定[9-11]。然而，隨著人類活動(dòng)的增強(qiáng)，特別是大規(guī)模人為采砂對(duì)珠江三角洲河網(wǎng)和伶仃洋的影響[12-13]，伶仃洋在1989年前以淤積為主，之后以沖刷為主并有持續(xù)增大趨勢(shì)[14-15]，河網(wǎng)內(nèi)地形不斷發(fā)生改變[16]，“水沙西南調(diào)”防洪治理方案提出的背景已發(fā)生改變。近30年來，珠江三角洲行洪格局也不斷發(fā)生變化，相繼發(fā)生了“94·6”“98·6”“05·6”“08·6”“17·7”等大洪水，其中由于滯洪瓶頸河段的存在，“94·6”“98·6”這2場(chǎng)洪水中腹部發(fā)生水位異常壅高現(xiàn)象[17-18]；經(jīng)一系列清障措施后，“08·6”洪水水位出現(xiàn)整體下降[19]，但由于上游河道沖刷所導(dǎo)致的下游比降調(diào)平、潮汐作用及海平面上升，使出?？诟浇宦晕⑸遊20]；“17·7”洪水位對(duì)比表明三角洲內(nèi)水位下降，其中馬口站最高水位降幅約1 m。總體而言，行洪格局發(fā)生了新的變化，有必要根據(jù)現(xiàn)狀防洪格局和水沙變化特征，探索新的防洪治理方案以更好適應(yīng)現(xiàn)狀行洪格局及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。

因此，本文利用Delft-3D FM軟件建立珠江河網(wǎng)潮流水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，在分析現(xiàn)狀洪水格局變化基礎(chǔ)上，提出“洪水就近入?！狈篮橹卫矸桨?，進(jìn)一步探討方案中行洪通道疏浚對(duì)洪水排泄的效果。

1 研 究 方 法

1.1 模型建立

基于Delft 3D FM軟件，建立了珠江三角洲河網(wǎng)及南海部分區(qū)域二維嵌套定床潮流數(shù)學(xué)模型(圖1)，地形數(shù)據(jù)采用2010年實(shí)測(cè)地形。其中圖1(a)為大模型范圍，主要為圖1(b)小模型提供八大口門潮位序列。模型網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格與三角形網(wǎng)格結(jié)合，主河道區(qū)使用四邊形網(wǎng)格，在水系連接處和河寬變化較大處使用三角形網(wǎng)格過渡。

圖1 全區(qū)域網(wǎng)格及局部示意圖Fig.1 Global area grid and local schematic diagram

1.2 模型參數(shù)率定與驗(yàn)證

經(jīng)率定，河網(wǎng)區(qū)域內(nèi)糙率取值范圍為0.020～0.035，外海區(qū)域糙率取值范圍為0.020～0.030。采用2017年6月1日至2017年7月21日洪季實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和2016年11月10日至2017年3月1日枯季實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)河網(wǎng)內(nèi)共20個(gè)水文測(cè)站進(jìn)行洪枯季潮位驗(yàn)證，其中12個(gè)水文測(cè)站同時(shí)進(jìn)行洪枯季流速驗(yàn)證，對(duì)12個(gè)斷面進(jìn)行洪枯季大、小潮的流量驗(yàn)證。鑒于篇幅，僅展示部分控制站的潮位、流量驗(yàn)證結(jié)果(如圖2～5所示)，洪枯季的各水文測(cè)站平均潮位、流量驗(yàn)證系數(shù)見表1。

表1 水文測(cè)站洪枯季驗(yàn)證系數(shù)

圖2 主要控制站枯季潮位驗(yàn)證Fig.2 Tidal level verification of main hydrological stations in dry season

圖3 主要控制站洪季潮位驗(yàn)證Fig.3 Tidal level verification of main hydrological stations in flood season

圖4 主要控制站枯季流量驗(yàn)證Fig.4 Discharge verification of main hydrological stations in dry season

圖5 主要控制站洪季流量驗(yàn)證Fig.5 Discharge verification of main hydrological stations in flood season

通過對(duì)洪季和枯季兩種邊界情況下各潮位站點(diǎn)的潮位值和流量值的驗(yàn)證結(jié)果，大部分站點(diǎn)最高最低潮位偏差在0.1 m以內(nèi)，大部分?jǐn)嗝媪髁科钤?0%以內(nèi)，流速，憩流時(shí)間和最大流速出現(xiàn)時(shí)間均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，流速過程線形態(tài)基本一致，模型驗(yàn)證滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》[21]要求。

2 珠江三角洲現(xiàn)狀行洪格局

珠江三角洲的防洪體系主要由上游水庫(kù)和三角洲堤防組成。模型采用“05·6”洪水作為邊界條件，計(jì)算時(shí)段為2016年6月16日至7月2日，歷時(shí)17 d，計(jì)算的珠江三角洲泄洪路徑見圖6，由圖6可見，西北江來流分別在思賢滘、勒流及板沙尾節(jié)點(diǎn)從上至下進(jìn)行了3次交匯，西江洪水主要通過西海水道下泄至崖門、虎門、雞啼門及磨刀門，通過東海水道下泄至橫門、洪奇門及蕉門；北江洪水主要通過順德水道下泄至洪奇門和蕉門，通過東平水道下泄至虎門。西四口門中磨刀門的泄流量遠(yuǎn)大于其他三口門，為92.31億m3，占總泄流量的28.64%；崖門泄流路徑最短，但泄流量最小，為9.81億m3，占總泄流量的3.25%。東四口門中，橫門僅承擔(dān)來自西江的泄流量，為25.37億m3，占總泄流量的7.87%；洪奇門和蕉門同時(shí)承擔(dān)西、北兩江泄流量，分別為34.66億m3、65.31億m3，占總泄流量的10.75%、20.26%，其中蕉門北泄流路徑最短；虎門總泄流量為70.93億m3，其中北江泄流量占77.8%。

圖6 “05·6”典型洪水下西北江泄洪路徑 Fig.6 Flood discharge route of Xijiang and Beijiang in “05·6” typical flood

圖7為“05·6”洪水下實(shí)測(cè)最高水位與現(xiàn)狀地形下同樣發(fā)生“05·6”洪水的最高水位差值分布(現(xiàn)狀地形下水位-實(shí)測(cè)水位)，圖中藍(lán)色為負(fù)值，表示下降；紅色為正值，表示上升。由圖7可知，上下游邊界條件相同的情況下，在現(xiàn)狀地形下發(fā)生“05·6”洪水，水位在三角洲上部和中腹部區(qū)域體現(xiàn)為降低，其中，三角洲上部頂端的馬口、三水站水位降幅最大，比實(shí)測(cè)最高水位分別降低了1.38 m和1.61 m；在河口附近區(qū)域，水位略有升高，其中橫門和南沙站水位分別上升0.030 m和0.039 m。珠江三角洲河床下切對(duì)上游的水位影響大于下游，且存在局部河道地形變化不均勻的情況。

圖7 “05·6”歷史地形與現(xiàn)狀地形下水位差空間分布Fig.7 Spatial distribution of water level difference between previous and current topography in “05·6” flood

3 洪水就近入海治理方案及分洪效果分析

3.1 治理方案

根據(jù)上述珠江三角洲的行洪格局分析，結(jié)合《珠江流域防洪規(guī)劃報(bào)告》[22]的洪水治理思路：合理安排西北江出口泄洪任務(wù)、平衡腹部洪水，提出了洪水就近入海治理方案，如圖8所示: (a)北江恢復(fù)思賢滘至蕉門北的最短出海路徑，增加北汊的水沙通量；(b)西江維持馬口—天河—磨刀門泄流通道不變，仍使其作為主要泄洪路徑；(c)增加西江干流進(jìn)入泄洪通道大敖—虎坑水道—崖門的泄流量。基于以上思路，結(jié)合珠江三角洲高等級(jí)航道網(wǎng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)圖8(a)中的虎坑水道、上橫瀝水道進(jìn)行疏浚。

圖8 疏浚位置示意圖Fig.8 Dredging position diagram

考慮疏浚工程在增加就近入海通道泄流量的同時(shí)，疏浚量不宜太大。在此原則上對(duì)虎坑水道、上橫瀝水道的疏浚各設(shè)計(jì)3種疏浚方案，其中方案1的沿程疏挖河床高程為對(duì)原始深泓線進(jìn)行線性擬合后的對(duì)應(yīng)值，對(duì)整體高于此擬合線的河段進(jìn)行挖深；方案2和方案3的沿程疏挖河床高程參考線為將初始擬合線分別向下平移1 m、2 m的新擬合線，對(duì)整體高于擬合線的河段進(jìn)行挖深。各方案的疏浚情況如表2所示。

表2 各方案疏浚情況統(tǒng)計(jì)

3.2 疏浚方案優(yōu)選

圖8(b)為虎坑水道與相鄰水道圖，在“05·6”洪水下對(duì)虎坑水道的3種疏浚方案進(jìn)行計(jì)算，分析不同疏浚工程量下，進(jìn)入崖門的虎坑水道斷面泄流量的增加情況，以及臨近河道的泄流量減小情況，所有斷面流量選取西江馬口出現(xiàn)洪峰流量時(shí)刻(2016年6月24日21:00)，計(jì)算結(jié)果如圖9(a)所示。以方案2為例，虎坑水道泄流量(QCS6)增加320 m3/s，而流入虎跳門、雞啼門泄流量(QCS4+QCS5)共減小64.83 m3/s，磨刀門的泄流量(QCS1+QCS2+QCS3)減小203.2 m3/s，虎坑水道增加的流量大于CS1～CS5斷面流量減小之和，說明對(duì)虎坑水道沿程進(jìn)行疏浚后，不但減小了臨近水道的泄流量，同時(shí)還使西江干流更多流量通過虎坑水道下泄。經(jīng)3個(gè)方案比選，就虎坑水道而言，方案1和方案2的結(jié)果表明，隨著疏浚量的增大，虎坑水道泄流量增加較明顯，方案3中，隨著疏浚量增加，泄流量增幅減小。故虎坑水道疏浚方案選擇方案2。

圖9 水道流量變化值與疏浚工程量的關(guān)系Fig.9 Relation of flow changes and dredging amount

圖8(c)為上橫瀝水道與相鄰水道，對(duì)上橫瀝水道的3種疏浚方案進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9(b)所示。對(duì)比上、下橫瀝流量的變化關(guān)系，上橫瀝的流量增加量大于下橫瀝減少量，說明總體上蕉門泄流增加；對(duì)比上、下橫瀝及洪奇瀝的總泄流量變化，泄流之和為正值，即上橫瀝泄流增加的絕對(duì)值大于下橫瀝、洪奇瀝泄流減小之和的絕對(duì)值，說明在對(duì)上橫瀝進(jìn)行疏浚后，除了使臨近水道的泄流量減小之外，同時(shí)還使西北江更多的流量下泄至蕉門。就上橫瀝水道而言，隨疏浚量的增加，泄流量呈線性增加，故選擇泄流增加量最高的方案3作為最優(yōu)方案。

3.3 重要分流節(jié)點(diǎn)分流比變化

表3為對(duì)西江下游虎坑水道河段、西北江腹部下游上橫瀝河段進(jìn)行疏浚后，西北江河網(wǎng)內(nèi)重要分流節(jié)點(diǎn)左右汊的流量變化情況。由表3可知，百頃、大敖節(jié)點(diǎn)在西江主干下游，其節(jié)點(diǎn)的左右汊流量變化主要受虎坑水道河段疏浚影響較大，該節(jié)點(diǎn)體現(xiàn)為左汊大敖斷面流量減小，右汊百頃斷面流量增加，左右汊變幅分別為-0.56%和0.45%。而對(duì)于河網(wǎng)頂端的三水、馬口節(jié)點(diǎn)及西江中部聯(lián)通北江的南華、天河節(jié)點(diǎn)，則受到兩處河段疏浚的影響極小，流量相對(duì)變化值均小于0.1%。對(duì)于上下橫瀝節(jié)點(diǎn)，則受上橫瀝河段疏浚影響較大，體現(xiàn)為上橫瀝流量增加，下橫瀝和洪奇瀝流量減小，且下橫瀝流量的減小值稍大于洪奇瀝。

表3 疏浚對(duì)重要分流節(jié)點(diǎn)的影響

3.4 口門分流比變化

虎坑水道方案2和上橫瀝水道方案3同時(shí)實(shí)施后，就八大口門的泄流而言，考慮到三角洲內(nèi)水動(dòng)力除了上游徑流影響外，還受漲落潮的影響，采取7 d凈泄量(2016年6月20日0:00至26日24:00)作為分流量參考值。如圖10所示，西四口門中崖門泄流量增加，增量為28.05萬m3，分配比增加0.50%；虎跳門、雞啼門和磨刀門泄流量減小，其中磨刀門減小值最大，為18.84萬m3，分配比減小0.34%。東四口門中蕉門泄流量增量為11.10萬m3，分配比增加0.20%，虎門泄流量增量為15.37萬m3，分配比增加0.28%；橫門和洪奇門泄流量減小，其中洪奇門減小值最大，為25.47萬m3，分配比減小0.46%，該變化值超過了上橫瀝水道直接控制的蕉門。7 d八大口門凈泄量總體增加0.16萬m3，疏浚工程有利于洪水的下泄。對(duì)比東西四口門泄流變化可以發(fā)現(xiàn)，西四口門的總凈泄量增加1.64萬m3，東四口門的總凈泄量減少1.48萬m3，說明疏浚后在上游洪水來流條件不變的情況下，原本從東四口門下泄的洪水會(huì)有部分從西四口門下泄，有利于降低東四口門的防洪壓力。

圖10 疏浚前后口門流量變化Fig.10 Variation of flow discharge in estuaries before and after dredging

3.5 河網(wǎng)最高洪水位變化

由漲落潮性質(zhì)可知，在潮水漲憩時(shí)下游潮動(dòng)力對(duì)河道的影響最大，在落急時(shí)上游徑流動(dòng)力對(duì)河道的影響最大，故選擇水位變化較明顯的落急時(shí)刻2016年6月24日23:20，研究泄洪量變化對(duì)洪水位的影響。繪制落急時(shí)刻疏浚前后河網(wǎng)水位差分布如圖11所示，局部水位變化見圖12?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)兩處河道進(jìn)行疏浚，疏浚河段附近水位下降明顯，其中，虎坑河段上游百頃至虎坑水道中下部、龍泉水道及勞勞溪支流的水位均發(fā)生不同程度下降，疏浚河段中部位置水位降幅最大為0.28 m。上橫瀝河段為連接洪奇門入海水道和蕉門入海水道的橫向分汊道，受洪潮共同作用而形成，可以發(fā)現(xiàn)，雖然上橫瀝的疏浚工程量為4.75×106m3大于虎坑河段1.77×106m3，但上橫瀝疏浚所導(dǎo)致的河網(wǎng)水位下降變幅小于虎坑河段疏浚，說明上橫瀝局部河網(wǎng)區(qū)域受到下游潮位的相對(duì)影響大于虎坑河段局部河網(wǎng)。板沙尾至下游洪奇瀝水道25.41 km、上橫瀝水道進(jìn)口至下游5.70 km及下橫瀝水道進(jìn)口至下游3.03 km處的水位均發(fā)生了不同程度下降，其中上橫瀝水道進(jìn)口附近降幅最大，為0.11 m。由于泄流量增加，疏浚河道下游水位略有增高，其中，崖門口門處黃沖水位為1.69 m，增加0.07 m；蕉門南沙水位為2.01 m，增加0.03 m；虎門大虎水位為1.96 m，增加0.07 m。

圖11 疏浚前后河網(wǎng)水位變化Fig.11 Water level difference of river network before and after dredging

圖12 疏浚前后局部水位變化Fig.12 Water level difference of local river network before and after dredging

4 結(jié) 論

a. 西江洪水主要通過西海水道下泄至崖門、虎門、雞啼門及磨刀門，通過東海水道下泄至橫門、洪奇門及蕉門；北江洪水主要通過順德水道下泄至洪奇門和蕉門，通過東平水道下泄至虎門。在西四口門中，磨刀門泄流量最大，崖門泄流路徑最短；東四口門中，蕉門所承擔(dān)西北江的泄流量最大，且泄流路徑最短。

b. 現(xiàn)狀地形發(fā)生“05·6”洪水與實(shí)測(cè)“05·6”洪水最高水位相比，三角洲上部頂端的馬口、三水站水位差值的絕對(duì)值最大，分別降低了1.38 m和1.61 m；靠近出?？谔幩宦杂猩?，其中橫門和南沙站水位分別上升0.030 m和0.039 m。

c. 洪水就近入海方案計(jì)算表明，疏浚后西四口門中崖門泄流量增加，增量為28.05萬m3，分配比增加0.50%；東四口門中蕉門和虎門泄流量增加，增量分別為11.10萬m3和15.37萬m3，分配比分別增加0.20%和0.27%，方案達(dá)到了預(yù)期效果。疏浚段附近水位下降明顯，降幅最大0.28 m，疏浚河道下游水位略有增高，崖門黃沖水位增加0.07 m，蕉門南沙水位增加0.03 m，虎門大虎水位增加0.07 m。