受風暴潮影響河口水域建閘的減災效應研究

劉誠，梁燕，葉榮輝，侯堋

（1.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東廣州510611；2.中交第四航務勘察設計院有限公司,廣東廣州510230）

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受風暴潮影響河口水域建閘的減災效應研究

劉誠1，梁燕2，葉榮輝1，侯堋1

（1.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東廣州510611；2.中交第四航務勘察設計院有限公司,廣東廣州510230）

摘要：風暴潮對華南沿海及河口區域影響較大，隨著社會經濟的進一步發展，為減少風暴潮災害損失，需采取必要的減災措施。常見的減災措施有加固堤防、提高堤防高程以及河口關鍵部位建閘等。本文以珠江河口白龍河水域為例，通過建立風暴潮數學模型，選擇對珠江河口影響較大的典型風暴潮“9316貝姬”和“0814黑格比”，論述了河口建閘相對于加固堤防或者提高堤圍高程的減災效應及優勢。數學模型計算及論證表明：受風暴潮影響河口水域建閘的減災效應明顯。

關鍵詞：風暴潮；珠江河口；白龍河；水閘；防災減災；防洪防潮

1　引言

我國東南部沿海地區易受臺風暴潮影響，尤其是河口水域。東南沿海河口地區社會經濟發達、人口密集，風暴潮災害往往給這些地區造成巨大的損失[1-2]。隨著社會經濟的進一步發展，在全球氣候變化的背景下，極端天氣事件愈加頻繁[3]，若不采取減災措施，未來河口地區在風暴潮期間遭受的損失將更加巨大。

以珠江河口為例，該河口是廣東沿海地區受風暴潮災害影響最頻繁的地區之一。當河口天文高潮和風暴潮疊加，又遭遇上游洪水下泄及河口地區暴雨時，將發生洪、澇、潮三碰頭，河口及三角洲地區將遭受特大洪澇災害[1]。降低河口地區受風暴潮災害損失及影響風險，需以預防措施為主[3]。在河口區域建設水閘或者提高海堤高程，是預防臨水區域風暴潮災害的有效措施。本文以珠江河口白龍河水域（其地理位置見圖1）為例，通過計算分析來論述白龍河口建閘相對于海堤工程在減災效應方面的優勢。圖2給出的是白龍河水域預防風暴潮災害的措施布局情況。

圖1　珠江河口白龍河地理位置及水域形勢圖

2　白龍河風暴潮災害介紹

白龍河位于西江磨刀門西側，三灶水文站東側，原與磨刀門相通。近年來白龍河東側圍墾，現僅通過鶴洲水道與磨刀門相連，在南側龍屎窟處與外海連通，變成南側開口的封閉水域，呈喇叭口型。風暴潮進入白龍河后，在北側受白藤水閘阻斷，易產生壅水效應，風暴潮在白龍河內持續時間長，潮災比磨刀門河口更嚴重。在“9316”期間，實測白藤大閘外潮位比三灶站高0.86 m，三灶、鶴洲北海堤全部漫頂。“0814”期間，三灶站潮位高達3.43 m，白龍河兩岸水位升高，損失更嚴重。

3　研究方法介紹

為分析白龍河口建閘的減災效應，建立了珠江河口三維精細風暴潮數學模型，通過復演具有代表性的風暴潮過程，了解河口建閘前后的風暴潮增水特性及其對白龍河防潮情勢的影響。

珠江河口三維精細風暴潮數學模型采用FVCOM[4]（Finite-Volume Coastal Ocean Model）。FVCOM是無結構三角形網格架構、有限體積、自由表面、三維原始方程海洋數值模型，其原始方程主要包含動量方程、質量連續方程以及溫度、鹽度和密度方程。在垂向上采用Sigma坐標系對不規則底床進行擬和，在平面上利用三角形網格對岸線邊界進行空間離散。FVCOM模型在數值處理方法和岸線地形擬和上的優勢使其在河口海岸地帶得到了廣泛應用[5-6]。動量方程和連續方程如下：

式中：U和V為x和y方向速度；f為科氏常數；ω為垂向速度；?為垂直坐標，其中?=0為平均水面所在位置；η為波周期平均的自由水面；D=H+η為總水深；H為平均水面到底床的距離；P為壓力；ρ和ρ0為海水總密度和參照密度；g為重力加速度；τpα、τwα和τbα為風壓力、風應力和底摩阻產生的應力項；Kh為垂向渦粘系數；Am和An為水平渦粘及擴散系數。

3.1臺風氣壓場和風場的計算

3.1.1臺風氣壓場的計算

參考文獻[1-2,5-7]，臺風氣壓場計算公式如下: Takahashi公式：

式中：P∞為臺風外圍氣壓(正常氣壓)，P0為臺風中心氣壓，R為臺風最大風速半徑，P(r) 為距臺風中心r距離處的氣壓。

3.1.2臺風風場的計算

設Vx、Vy為臺風移速在x、y方向的分量，臺風風場速度（）采用如下公式表示：

3.2邊界條件[1,2,5-7]

（1）設vn為垂直于邊界速度，n代表法向，側面固壁處vn=0

（2）在底部邊界層處的固壁與水流之間的相互作用采用下式來計算拖曳系數：

（3）開邊界條件：1）外海給定潮位調和常數，2）上游河道處給定流量邊界條件。

（4）水氣界面邊界條件由風場和對應的氣壓場驅動。

3.3模型范圍及模型介紹

珠江河口風暴潮模型范圍含南海海域及珠江河口網河區。根據現有資料珠江河口（南海）風暴潮模擬最終范圍及網格如圖3所示。工程局部范圍內的網格及地形如圖4所示。模型包含珠江河口八大口門及南海海域。通過網格驗證，工程局部網格尺寸約為5 m。水閘關閉期間與外海無水體交換，其影響通過修改地形模擬，垂向設7層網格，內外模時間步長分別為10 s和1 s。

圖3　南海及珠江河口風暴潮模型范圍及網格布置

圖4　工程局部范圍網格及地形分布

圖5　“9316”號臺風和“0814”號臺風路徑

4　風暴潮對白龍河水域的影響

建國以后，對珠海產生嚴重影響的風暴潮有“8309”、“8908”、“9316”以及“0814”號臺風引發的風暴潮。圖5給出的是“9316”（貝姬）和“0814”（黑格比）的臺風路徑。

圖6給出的是“9316”風暴潮期間的增水過程數值模擬結果和實測結果比較圖，圖7給出的是“0814”風暴潮期間的增水過程數值模擬結果和實測結果比較圖。通過該圖可知數值結果和實測結果吻合較好，可以用于風暴潮模擬研究。

圖8給出的是“9316”及“0814”風暴潮期間白龍河水域的增水包絡面分布圖，在“9316”風暴潮期間，水閘建設前白龍河水域增水由南至北逐漸變大，最大值為2.0 m，平均值為1.53 m；“0814”風暴潮期間增水最大值為2.5 m，平均值為2.16 m。

5　河口建閘對白龍河水域風暴潮的減災效果

如圖2所示，為減輕白龍河水域風暴潮災害損失，方案之一為在白龍河南出口龍屎窟處新建一水閘，同時在鶴洲水道靠近磨刀門水域建設一個水閘。方案之二為加高白龍河水域沿岸所有的堤圍高程，確保其能抵御防洪標準下的風暴潮襲擊，沿岸堤圍長度約為123 km。

圖6　“9316”號臺風期間兩站模擬增水與實測增水對比

圖7　“0814”號臺風期間兩站模擬增水與實測增水對比

圖8　風暴潮期間白龍河河道內最大增水包絡圖

圖9給出的是“9316”及“0814”風暴潮期間，水閘工程建設后的增水分布圖，可知“9316”風暴潮期間，水閘建設后白龍河水域平均增水減少至0.37 m；“0814”風暴潮期間平均增水減少至0.62 m。另外對于與水閘相鄰卻不受水閘保護的水域，通過比較水閘建設前后的增水包絡圖，可知該水域內增水范圍擴大，增水值也增大；“9316”期間增水值增大0.067 m，“0814”期間增水值增大0.152 m。

風暴潮災害除了因風暴潮沖擊和翻越岸線帶來的堤防損毀和漫灘淹沒損失，還存在侵蝕海岸、航道淤積、破壞漁業、損壞船舶、農田鹽堿化、沿岸工業受損等多方面的災害效應。此外風暴潮還影響沿岸區域正常的社會經濟生活，造成工廠停工、學校停課、社會恐慌等負面效應[8-10]。白龍河水域可被侵蝕岸線約32 km，航道長約16 km，是珠海金灣區傳統的漁業作業區和漁港，周邊擁有農田約5萬畝，還是珠海重要的三灶科技園，涵蓋醫藥、航空、物流等工業園區，也是珠海重要的教育和旅游產業聚集地。

若采用加固堤防、提高堤防等級的方法減災，工程水域風暴潮特性并未改變，只能減少堤防在風暴潮期間的損毀程度和漫灘淹沒損失，對與河道有關的社會經濟方面的減災效應較小。就本文所研究的白龍河水域而言，水閘建設阻斷了白龍河水域與外海的連通性，外海增水和暴潮不再影響水閘保護水域；其減災效應是全方位的。而且在河口建閘可以兼顧潮汐發電，形成新的效益。從投資上估算，在河口建閘與加固白龍河水域堤防的成本相當。總體而言，白龍河口建閘的減災效應顯著。

圖9　水閘工程建設后白龍河河道內最大增水包絡圖

6　結論

本文以珠江河口白龍河水域為例，通過建立風暴潮數學模型，選擇對珠江河口影響較大的典型風暴潮“9316貝姬”和“0814黑格比”，計算了白龍河口建閘前后風暴潮增水平面分布的變化，論述了在河口建閘相對于加固堤防或者提高堤圍高程在減災效應方面的優勢。數學模型計算結果表明，無論是在“9316”還是“0814”期間，白龍河口建閘均能顯著減少保護水域的風暴潮增水，提高該水域防洪防潮標準，避免工程水域受到較大影響；若能兼顧潮汐發電等附加功能，河口建閘的效益更加明顯。

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Mitigation effect study of tidal sluice building in the Bailong river of Pearl river estuary

LIU Cheng1, LIANG Yan2, YE Rong-hui1, HOU Peng1
(1. Pearl River hydraulic research institution, Foshan 510611 China; 2. CCCC-FHDI Engineering Co., Ltd，Guangzhou 510230 China)

Abstract：The coastal regions of South China including Pearl River Estuary (PRE), face frequent threats from storm surges triggered by tropical and extra-tropical cyclones, and encounter the most powerful natural hazards. In order to reduce the catastrophe loss during the storms, some mitigation or disaster reduction measures are certainly necessary. The common measures are the dams reinforce, dams heightening and the tidal sluice built in the estuary. Taken the Bailong River in the PRE as an example, a storm surge model is established using FVCOM (Finite-Volume Coastal Ocean Model) and the advantage of tidal sluice building over the dams reinforce and dams heightening is discussed. The top 2 most severe cyclones, No.199316 (Becky) and No.200814 (Hagupit), were simulated. The heights of storm surges with and without tidal sluices in the Bailong River estuary under model simulation are compared with each other, and the results show that building tidal sluices has better effects on mitigation.

Key words：storm surge; Pearl river estuary(PRE); Bailong river; tidal sluices; mitigation; flood preventing

作者簡介：劉誠（1975-），男，高級工程師，博士，主要從事河口海岸動力學方面研究。E-mail：jacklc2004@163.com

基金項目：國家自然科學基金項目（50909110）；廣東省科技計劃項目（2013B020200008）；廣東省自然科學基金項目（915106110100001）。

收稿日期：2015-06-16

中圖分類號：P731.23

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）01-0065-06