馮志勇,吳永妍,王 磊,尹 志,章廣越,談廣鳴
(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司,武漢 430010;2.長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局智慧水文智能控制重點實驗室,武漢 430014;3.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,武漢 430072)
深圳河是深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)和香港特別行政區(qū)的邊界河流,是深圳市最大的水系,同時也是珠江三角洲水系的重要組成部分。在中國實施改革開放之前,深圳城市化密度低,深圳河處于自然演變狀態(tài)[1],原防洪能力僅為2~5年一遇,兩岸洪澇災(zāi)害頻發(fā)[2]。為消除洪水災(zāi)害,深圳市政府聯(lián)合香港特區(qū)政府于1995年開始實施了深圳河治理工程。工程完工后深圳河及其支流洪水位明顯降低、河道水質(zhì)明顯改善,但治理工程也顯著改變了深圳河動力環(huán)境與灘槽格局[3-5],導(dǎo)致深圳河近年來發(fā)生了較為嚴(yán)重的回淤。不同學(xué)者對整治工程實施后深圳河的回淤特性展開了研究[6-9],如何勇和葉小云[6]通過分析實測資料,發(fā)現(xiàn)深圳河治理工程實施后河道阻力減小是導(dǎo)致河道快速淤積的主要原因。馮志勇等[8]結(jié)合實測資料分析和數(shù)學(xué)模型計算探討了局部清淤工程實施后深圳河的回淤特征及回淤機理,發(fā)現(xiàn)下游河道內(nèi)泥沙的二次搬運以及上游洪季來沙是清淤河段淤積泥沙的主要來源。鑒于深圳河治理工程已完工多年,深圳河的河床邊界條件已發(fā)生較大程度的改變,有必要系統(tǒng)研究深圳河近期沖淤變化特征及其成因。此外,河道回淤導(dǎo)致深圳河現(xiàn)狀防洪能力已不足50年一遇。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)要求,對于常住人口達(dá)到50 萬人、少于150 萬人的重要城市,防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采用100~200年的重現(xiàn)期。同時隨著《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》等一系列政策性文件的頒布,深圳市生態(tài)文明建設(shè)被提高到了一個新的高度,深圳河現(xiàn)狀防洪能力與規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)之間的矛盾日益凸顯,迫切需要采取有效工程措施以提高深圳河的防洪能力。
鑒于上述背景,本文根據(jù)最新的實測水沙地形資料,從平面尺度、斷面尺度和河段尺度3個維度出發(fā),分析深圳河治理工程完工后2007-2017年間深圳河的沖淤變化過程,探討河道沖淤變化成因,并利用平面二維水沙數(shù)學(xué)模型,研究了不同河道清淤工程實施后深圳河防洪能力變化及河道回淤特征,從防洪能力提升程度和回淤程度兩個角度評估了不同清淤方案的實施效果,為今后長期開展深圳河維護(hù)治理工作提供指引。
深圳河位于珠江口伶仃洋以東,大鵬灣以西,北部為深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū),南部為香港特別行政區(qū)(圖1)。干流全長13.4 km,上承平原河、布吉河等河流來水,下接深圳灣,吞吐伶仃洋潮水,水沙動力受徑流和潮汐共同影響。受亞熱帶季風(fēng)氣候影響,深圳河徑流來水來沙存在顯著季節(jié)性變化,超過全年72%和80.3%的徑流量和輸沙量由4-9月輸入[10]。潮汐為典型的不規(guī)則半日潮,深圳河口站實測最大潮差為1.5 m。流域冬季主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng),夏季為東南風(fēng)。多年平均風(fēng)速為3.2 m/s[8]。深圳河治理工程由深港政府共同實施,分三期對深圳河口至平原河進(jìn)行裁彎取直、擴寬加深,其中一、二期工程河段位于羅湖以下,三期工程河段位于羅湖以上,工程已于2006年全部完工。
圖1 研究區(qū)域及水文站位置Fig.1 Sketch map of study area showing the location of hydrometric stations
為研究深圳河近期沖淤過程,收集了2007-2017年間深圳河1∶2 000 汛后船測地形和大斷面測量資料,地形資料范圍覆蓋深圳河干流河道及兩岸邊防。所有地形資料的平面坐標(biāo)系均為深圳獨立坐標(biāo)系,垂向坐標(biāo)系為1956年黃海基準(zhǔn)面。采用Esri 公司開發(fā)的地理信息系統(tǒng)分析軟件ArcGIS 將不同年份的水深散點插值形成數(shù)字高程模型以實現(xiàn)不同年份沖淤變化的量化計算,插值精度為5 m×5 m,插值方法采用克里金插值法。為減小邊界堤防對地形插值結(jié)果的影響,只提取深圳河堤防坡腳線以內(nèi)的水深測點進(jìn)行地形插值運算。
本文利用作者已建立并驗證的深圳河灣平面二維水沙數(shù)學(xué)模型計算深圳河現(xiàn)狀防洪能力,研究不同清淤方案實施后深圳河防洪能力變化及回淤情況[8]。模型計算范圍上起深圳河潮流界平原河口,下至深圳灣赤灣附近,包含深圳河灣整個水域(圖2)。由于深圳河灣平面尺度不同,分別對深圳河和深圳灣建立兩套網(wǎng)格系統(tǒng),其中深圳河網(wǎng)格數(shù)量為1 023×15,橫向網(wǎng)格平均尺度為10 m,縱向網(wǎng)格平均尺度為13 m;深圳灣網(wǎng)格數(shù)量為143×211,橫向網(wǎng)格平均尺度為56 m,縱向網(wǎng)格平均尺度為85 m,采用區(qū)域分解技術(shù)實現(xiàn)兩套子網(wǎng)格的耦合。模型干濕邊界取為0.05 m,時間步長根據(jù)柯朗數(shù)條件確定,均為0.3 min。采用曼寧系數(shù)代表深圳河灣的阻力特性,兩套子網(wǎng)格內(nèi)的曼寧系數(shù)均取為0.022。采用粒徑分別為0.004 和0.02 mm 的兩組黏性沙來近似代表深圳河灣的泥沙組成,泥沙源匯項采用臨界切應(yīng)力模式計算。根據(jù)實測水沙過程對模型進(jìn)行了驗證,驗證結(jié)果顯示模型能較好地反映深圳河灣水沙動力的時空變化過程[8]。
圖2 深圳河灣計算網(wǎng)格Fig.2 The computational mesh for Shenzhen River and Shenzhen Bay
深圳河近期沖淤變化過程可以分為2007-2011年快速淤積期、2011-2015年緩慢淤積期和2015-2017年輕微沖刷期,沖淤速率存在顯著空間差異(圖3)。2007-2011年間深圳河普遍表現(xiàn)出淤積態(tài)勢,其中一、二期工程河段內(nèi)落馬洲上游邊灘發(fā)育明顯,主槽寬度快速萎縮,平均淤積占比為73.5%,凈淤積速率為94.4 mm/a,累計淤積量達(dá)64.6 萬m3(表1)。三期工程河段有95.1%的區(qū)域發(fā)生強烈淤積,尤其以文錦渡彎道段淤積最為嚴(yán)重,最大淤積幅度超過1.5 m,累計淤積量達(dá)31 萬m3,平均凈淤積速率為310.6 mm/a,明顯大于同期一、二期工程河段。2011-2015年間深圳河沿程沖淤交替,全河段累計淤積量為22.6 萬m3,僅為2007-2011年水平的27.8%,淤積速率明顯放緩。一、二期工程河段平均沖刷占比為40.2%,且沖刷主要發(fā)生在落馬洲至鹿丹村之間。三期工程河段2013-2015年間經(jīng)歷明顯沖刷,沖刷占比達(dá)52.1%,最大沖刷幅度接近1.5 m,導(dǎo)致該河段在這期間表現(xiàn)為凈沖刷。2015-2017年間三期河段除部分彎道段邊灘發(fā)生輕微沖刷外,整體以淤積為主,累計淤積量達(dá)4 萬m3,淤積幅度較2007-2011年間明顯減小。同期一、二期工程河段經(jīng)歷明顯沖刷過程,且沖刷主要發(fā)生在邊灘處,沖刷占比為57.6%,累計沖刷量達(dá)55萬m3,導(dǎo)致全河段表現(xiàn)為凈沖刷。
表1 2007-2017年間深圳河不同河段的沖淤量計算Tab.1 Sediment volume changes of different reaches in Shenzhen River from 2007 to 2017
采用Xia 等[11]提出的方法計算2007-2017年間深圳河河段尺度的平灘水深調(diào)整過程,其中一、二期工程河段內(nèi)的平灘高程根據(jù)實測橫斷面地形確定,三期工程河段內(nèi)的平灘高程采用統(tǒng)一堤防高程帶入計算。計算結(jié)果顯示深圳河平灘水深近年來顯著減小,且減小幅度存在明顯時空差異[圖3(f)]。2007-2017年間一、二期工程河段和三期工程河段河段尺度的平灘水深分別減小0.3 和1.6 m,減幅分別達(dá)11.2%和41.7%,且減小主要發(fā)生在2007-2012年間。
圖3 2007-2017年間深圳河沖淤變化過程Fig.3 Erosion and deposition patterns of Shenzhen River from 2007 to 2017
2007-2017年間深圳河典型橫斷面形態(tài)調(diào)整過程顯示(圖4),深圳河沖淤變化特征主要表現(xiàn)為主槽沖淤交替、邊灘顯著淤積,斷面形態(tài)由“U”型河槽逐漸向“V”型河槽發(fā)展。斷面a 和斷面b 位于一、二期工程河段內(nèi),距河口的距離分別為700 m 和4 100 m,2007年斷面最大水深均在-4 m 附近。2007-2016年間斷面a 的形態(tài)變化特征主要表現(xiàn)為深圳側(cè)邊灘快速淤積,邊灘平均高程從-2 m 抬升至0 m,2017年又快速降低,恢復(fù)至2007年水平。斷面b 形態(tài)調(diào)整劇烈,沖淤變化特征主要表現(xiàn)為深槽明顯沖刷,斷面深泓點刷深約0.66 m。兩岸邊灘淤積明顯,其中右岸邊灘的淤積幅度超過左岸。淤積主要發(fā)生在2007-2010年間,其中斷面a邊灘最大淤積速率接近0.5 m/a,邊灘淤積寬度超過100 m,主槽處則經(jīng)歷沖刷,但強度有限。斷面b 邊灘明顯淤積,最大淤積位置發(fā)生在距離斷面中軸線約20 m 處,淤積速率超過0.5 m/a。同期主槽經(jīng)歷沖刷,但強度有限,沖刷寬度小于25 m,沖刷速率小于0.5 m/a。
圖4 2007-2017年間深圳河典型橫斷面形態(tài)調(diào)整過程Fig.4 Temporal variations of cross-sectional profiles at typical sections of Shenzhen River from 2007 to 2017
斷面d 和斷面e 位于三期工程河段內(nèi),距河口的距離分別為10 300 m 和11 700 m。2007年兩個斷面的水深條件均較好,主槽范圍內(nèi)的平均水深分別超過-2和-3 m,斷面形式均為較對稱的人工“U”型斷面。2007-2017年間斷面d、e 主槽范圍內(nèi)經(jīng)歷普遍淤積,主槽范圍內(nèi)平均水深分別減小約1.4和1.7 m,深槽分別從河道中軸線處擺動至左岸深圳側(cè)和右岸香港側(cè),擺動距離分別為39.6 和21.5 m,斷面形態(tài)逐漸向不對稱“V”型發(fā)展。淤積主要發(fā)生在2007-2010年間,淤積速率超過0.5 m/a 的斷面寬度分別接近10 和40 m。斷面d 的淤積部位主要集中在深圳側(cè),而斷面e 的淤積范圍覆蓋整個主槽。2010年后斷面d、e 持續(xù)發(fā)生回淤,但淤積速率較2007-2010年間顯著減小。
實測資料分析結(jié)果顯示2007-2017年間深圳河整體呈淤積態(tài)勢,淤積幅度存在明顯的時空差異,具體表現(xiàn)為先快、后慢,三期工程河段淤積速率大于一、二期工程河段。深圳河治理工程實施后河段內(nèi)水流挾沙能力下降是導(dǎo)致深圳河近期快速回淤的直接原因。深圳河治理工程完工初期,過流斷面面積增加,河段防洪能力得以顯著提升[5]。但由于工程河段斷面面積突擴、水流流速下降,導(dǎo)致水流挾沙能力降低,水深條件與來水來沙條件的不適應(yīng)導(dǎo)致河段隨后發(fā)生普遍淤積。淤積幅度出現(xiàn)時間差異的原因是深圳河治理工程竣工初期河道阻力較小,導(dǎo)致下游潮流易于將外海泥沙攜帶進(jìn)入深圳河內(nèi),然而隨著工程河段內(nèi)不斷發(fā)生回淤,河道納潮量減小,潮流上溯阻力增加,導(dǎo)致隨漲潮流進(jìn)入深圳河的泥沙通量減小,淤積幅度降低。深圳河口處實測漲潮量和凈輸沙量的年際變化結(jié)果顯示(圖5),近年來深圳河漲潮動力逐漸減弱,河口年漲潮量從2007年的8.9 億m3減小至2017年的6.8 億m3,減幅達(dá)23.6%,減小趨勢明顯(p<0.1)。受漲潮動力減弱影響,河口輸沙方向逐漸從向上游凈輸沙轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳掠蝺糨斏?,年凈輸沙量?007年的-0.15×107kg逐漸增加至2017年的1.8×107kg。
圖5 深圳河口漲潮量和凈輸沙量的年際變化Fig.5 Annual variations of flood tide discharge and net sediment discharge at Shenzhen Hekou
流域水土保持工程實施所引起的深圳河上游來沙量近年來持續(xù)減小也是導(dǎo)致深圳河淤積速率逐漸降低的原因之一,深圳河上游實測輸沙量的年際變化結(jié)果顯示(圖6),2007~2014年間深圳河上游年輸沙量顯著下降(p<0.1),從2007年的16.7 萬t減小至2014年的6.9 萬t,年均減少量為1.4 萬t,且減小基本全發(fā)生在洪季。
圖6 深圳河上游輸沙量的年際變化Fig.6 Annual variation of upstream sediment load of Shenzhen River
淤積幅度出現(xiàn)空間差異的原因是三期河段治理工程的完工時間晚于一、二期工程河段,河段內(nèi)水深條件與來水來沙條件的不適應(yīng)程度大于一、二期工程河段,導(dǎo)致該河段內(nèi)河床調(diào)整速率較快,淤積速率明顯大于一、二期工程河段。同時需要注意到,深圳河局部區(qū)域近年來也發(fā)生了較為明顯的沖刷過程,這主要與上游洪水事件和深圳側(cè)沿岸排放口清淤工程有關(guān)。
徑潮流影響下的防洪安全一直是深圳河治理的核心問題之一[12-14]。由于降雨匯流速度快、中下游地勢低洼、河口又受潮水頂托,深圳河原防洪能力僅為2~5年一遇,兩岸洪澇災(zāi)害頻發(fā)。盡管深圳河治理工程的實施顯著提高了深圳河的過流能力,全河段基本達(dá)到了50年一遇的防洪能力。然而工程完工后深圳河發(fā)生持續(xù)回淤,導(dǎo)致防洪能力有所降低。根據(jù)不同重現(xiàn)期下深圳河的洪峰流量和設(shè)計潮位[15],利用深圳河灣平面二維水沙數(shù)學(xué)模型,計算了不同洪潮遭遇下的深圳河水面線,以識別深圳河現(xiàn)狀防洪能力的薄弱區(qū)間(圖7),其中模型初始地形由2017年汛后實測地形插值得到。計算結(jié)果表明深圳河現(xiàn)狀滿足深圳側(cè)和香港側(cè)20年一遇防洪能力的河段占比分別為88.1%和84.9%,滿足50年一遇防洪能力的河段占比分別為63.2%和56.8%,而僅有23.7%和20%的河段滿足200年一遇的防洪能力。具體而言,落馬洲大橋以下河段深港兩側(cè)均能達(dá)到200年一遇不漫堤,落馬洲大橋以上至鹿丹村河段深圳側(cè)防洪能力達(dá)到50年一遇,而該河段內(nèi)香港側(cè)滿足50年一遇防洪能力的堤防長度小于深圳側(cè)。鹿丹村至羅湖橋河段是深圳河現(xiàn)狀防洪壓力最大的區(qū)間,其防洪能力已不足20年一遇。20年一遇、50年一遇和200年一遇洪潮組合下該河段平均洪水位分別為4.74、5.16 和5.75 m,高出河段平均堤防高程0.24、0.66 和1.25 m。羅湖橋以上河段深港兩側(cè)防洪能力基本達(dá)到50年一遇,但離200年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)尚有一定距離。
圖7 不同洪潮遭遇重現(xiàn)期下深圳河現(xiàn)狀水面線Fig.7 Current water profile of Shenzhen River under different return period of flood and tide encounter
水面線計算結(jié)果表明現(xiàn)狀深圳河達(dá)到深圳側(cè)50年一遇和200年一遇防洪能力的河段占比分別只有63.2%和23.7%,實際防洪能力距離規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)尚有一定的距離,迫切需要采取有效工程措施以提高深圳河的防洪能力。深圳河防洪能力提升對策主要包括流域分洪道修建、深圳水庫優(yōu)化調(diào)度、河道維護(hù)性清淤以及河口阻水紅樹林清除。治理工程完工后河道持續(xù)性回淤是導(dǎo)致深圳河防洪能力下降的直接原因,通過削減洪峰流量的流域分洪道工程和錯開洪峰和極端高潮位遭遇時間的深圳水庫優(yōu)化調(diào)度方案可以一定程度上提高深圳河的防洪能力,但其無法從根本上解決因河道淤積導(dǎo)致的防洪能力不足,且考慮到未來氣候變化背景下洪峰流量增加及天文潮位上升,其工程效益將會逐漸降低。深圳河與深圳灣的連接處分布有福田國家級紅樹林自然保護(hù)區(qū)和香港米鋪紅樹林自然保護(hù)區(qū),盡管河口紅樹林群落通過增大水流阻力,可能會抬高深圳河尾閭河段的洪水位,但水面線計算結(jié)果顯示河口附近現(xiàn)狀防洪能力滿足200年一遇的規(guī)劃要求,因此河口阻水紅樹林清除對于提高深圳河整體防洪能力的作用有限,且人為清除紅樹林對剩余紅樹林群落及其周圍生態(tài)環(huán)境的影響還需進(jìn)一步評估。河道清淤通過疏浚河道、維持行洪面積,可以有效地降低洪水位,因此本研究推薦采用河道清淤來提高深圳河的防洪能力。根據(jù)清淤部位和清淤幅度的不同,可將清淤方案分為短距離河段大幅度清淤、長距離河段小幅度清淤和全河段清淤三大類,各清淤方案的具體信息見表2,其中清淤起點為深圳河口下游200 m處的深圳河樁號起點,清淤范圍向上游延伸。
表2 不同清淤方案的實施范圍和清淤幅度Tab.2 Dredging area and amount of different dredging schemes
利用平面二維水沙數(shù)學(xué)模型,計算不同河道清淤方案實施后深圳河的洪水位變化和沖淤變化。模型初始地形根據(jù)2017年實測地形插值得到,水面線計算中模型邊界條件分別取為50年一遇和200年一遇的洪潮遭遇組合,沖淤計算中的模型邊界條件采用基于實測降雨資料和流量輸沙率關(guān)系概化得到的2019年水沙組合[8]。
不同清淤方案實施后深圳河在50年一遇洪潮組合下的洪水位變化差異較大(圖8),其中短距離河段大幅度清淤方案實施后,深圳河的洪水位變化主要表現(xiàn)為清淤位置處洪水位明顯降低,且降低幅度隨著清淤部位距河口距離的增加而逐漸減小。在清淤總量一致的前提下,長距離河段小幅度清淤方案實施后,深圳河洪水位降低的河段長度明顯大于短距離河段大幅度清淤方案的結(jié)果,且洪水位降低幅度與短距離河段清淤方案結(jié)果基本一致。全河道清淤方案實施后深圳河的洪水位下降明顯,下降幅度隨著清淤幅度的增加而增加。三種清淤幅度下全河段的平均洪水位分別下降0.21、0.43 和0.63 m。不同清淤方案實施后深圳河滿足200年一遇設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)的河段占比在26.7%~74.7%變化。提升幅度隨著清淤幅度增加而增加。
圖8 不同清淤方案實施后深圳河洪水位變化Fig.8 Changes in flood water level of Shenzhen River after the implementation of different dredging schemes
清淤工程實施后河道斷面面積突然增加,水流挾沙能力快速降低,導(dǎo)致清淤河段經(jīng)歷明顯回淤。不同清淤方案實施后河段回淤量的計算結(jié)果表明(表3),不同清淤方案實施后河段回淤計算結(jié)果差異較大,不同清淤方案的回淤量在10.7~54.6 萬m3之間變化,回淤率在21.5%~63.8%之間變化。從清淤部位來看,在相同清淤量下河段回淤幅度從河口至上游逐漸減小,這是因為下游河段受上游洪季輸沙、下游潮流輸沙和河口風(fēng)浪掀沙的多重影響,其泥沙來源豐富,回淤更為迅速。潮流輸沙和風(fēng)浪掀沙的影響向上游逐漸減弱,使得上游河段開挖后回淤較慢。從清淤范圍來看,在相同清淤量下,開挖范圍越大,回淤速率越慢,且回淤率同樣表現(xiàn)出向上游逐漸減小的趨勢。全河段開挖由于受口外來沙的影響,回淤量普遍較大,工程實施一年后的回淤量分別依次達(dá)到30、43.4和54.6萬m3。
表3 不同清淤方案實施一年后清淤河段的回淤量Tab.3 Calculation of back-silation volume of dredged reach after one year of implementing different dredging schemes
通過分析計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),不同河道清淤方案實施后的防洪能力提升幅度和其回淤幅度基本成正比。盡管全河段清淤方案實施后防洪能力提升幅度較大,但工程實施后回淤量也相對較大,工程效益不顯著。相同清淤量條件下,長距離河段清淤方案實施后深圳河防洪能力的提升幅度與短距離河段清淤方案結(jié)果接近,但洪水位降低的河段范圍明顯大于短距離河段清淤方案。同時,與短距離河段清淤方案相比,長距離河段清淤方案實施后的回淤量較小。因此,綜合防洪能力提升幅度和回淤幅度計算結(jié)果,推薦采用長距離河段清淤方案中的F8來維護(hù)過流斷面,提高深圳河防洪能力。
(1)實測地形資料結(jié)果顯示深圳河近期沖淤變化特征主要表現(xiàn)為主槽沖淤交替、邊灘持續(xù)淤積,斷面形態(tài)由“U”型河槽逐漸向“V”型河槽發(fā)展。沖淤變化過程可以分為快速淤積期(2007-2011)、緩慢淤積期(2011-2015)和輕微沖刷期(2015-2017),累計淤積量達(dá)74.6萬m3,河段尺度平灘水深平均減幅達(dá)27.5%。
(2)深圳河治理工程實施后水流挾沙能力下降是導(dǎo)致深圳河近期快速淤積的主要原因。治理工程實施后河口漲潮量變化所致的河口輸沙方向改變是導(dǎo)致深圳河淤積幅度逐漸下降的原因之一,且流域水土保持工程實施和上游水庫修建所引起的深圳河上游來沙量減小也使得深圳河回淤速率逐步降低。
(3)數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果表明深圳河深港兩側(cè)現(xiàn)狀滿足50年一遇防洪能力的河段占比分別僅有63.2%和56.8%,防洪能力最薄弱區(qū)間位于鹿丹村至羅湖一段,普遍不足20年一遇。不同河道清淤方案實施后深圳河的洪水位變化差異較大,差異主要與清淤部位和清淤范圍有關(guān),其防洪能力提升幅度基本與其回淤幅度成正比。結(jié)合防洪能力提升效果和經(jīng)濟(jì)成本,推薦采用長距離河段清淤方案中的F8方案來維護(hù)過流斷面,提高深圳河防洪能力。