赤灣站潮位與茅洲河沙井河口斷面水位關(guān)系分析

陸文秀，李 亮

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518020)

深圳市地處廣東南部，東臨大亞灣和大鵬灣，西瀕珠江口和伶仃洋。多年平均年降雨量1919mm。由于深受季風(fēng)的影響，夏季盛行偏東南風(fēng)，時有季風(fēng)低壓、熱帶氣旋光顧，高溫多雨；平均每年受熱帶氣旋(臺風(fēng))影響4～5次，是現(xiàn)代大都市中受風(fēng)災(zāi)影響較多的城市之一。

1 深圳臺風(fēng)概述

統(tǒng)計2000—2018年影響深圳的熱帶氣旋，對深圳有嚴(yán)重影響(平均風(fēng)力≥8級或G≥10級(24.5)；平均風(fēng)力≥6級且日雨量≥80mm；平均風(fēng)力≥5級且日雨量≥100mm；過程總雨量≥250mm)的臺風(fēng)共23個。本次從中選取風(fēng)級大、影響重、資料完整的臺風(fēng)共7個，7個臺風(fēng)風(fēng)級統(tǒng)計見表1，路徑如圖1所示。

表1 近年主要臺風(fēng)風(fēng)級與增水統(tǒng)計表

圖1 近年主要臺風(fēng)路徑圖

臺風(fēng)災(zāi)害具有不確定性大、范圍廣等特點。2017年，臺風(fēng)“天鴿”近?？焖偌訌?，24小時內(nèi)強度“三級跳”，由熱帶風(fēng)暴加強為強臺風(fēng)，并以強臺風(fēng)強度登陸珠海，登陸時中心附近最大風(fēng)力14級(45m/s)，成為年內(nèi)影響深圳的最強臺風(fēng)，并堪稱1949年以來登陸珠江口的最強臺風(fēng)?！疤禅潯庇绊懫陂g深圳市氣象臺發(fā)布?xì)v史第二個臺風(fēng)紅色預(yù)警信號，全市實行“四停”?！疤禅潯苯o深圳市帶來暴雨和8～10級陣風(fēng)，沿海和高地陣風(fēng)10～12級，最大陣風(fēng)14級(43.2m/s，天文臺站)。受其影響全市2人受傷，近50輛車受損，50余處內(nèi)澇積水，超過2700棵樹木和部分市政設(shè)施受損，風(fēng)暴潮引起寶安西鄉(xiāng)排澇河、衙邊涌局部河段出現(xiàn)漫堤，大鵬新區(qū)土洋上洞村海水倒灌。

2018年，臺風(fēng)“山竹”距離深圳最近約130km，中心附近最大風(fēng)力15級(48m/s，相當(dāng)于162km/h)，實測最大陣風(fēng)52.7m/s(16級，南山區(qū)內(nèi)伶仃南站)，最大10分鐘平均風(fēng)速為35m/s(12級，鹽田區(qū)東部華僑城)。最大24小時累積降雨量最大為329.9mm(羅湖區(qū)梧桐村站)?！吧街瘛惫苍斐蓛?nèi)澇積水165處；東部11.67km海堤受損，其中鹽田區(qū)海堤受損長3.9km，大鵬新區(qū)海堤受損長8.57km；寶安區(qū)排澇河、龍崗區(qū)龍崗河河口段以及部分支流漫堤；先后16座水庫超汛限水位。

2 沙井排澇泵站

沙井排澇泵站及其集水河道按照20年一遇24小時設(shè)計暴雨不受淹的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計抽排流量為5×34=170m3/s(單泵設(shè)計流量34m3/s)，裝機容量5×1600=8000KW，設(shè)計揚程2.23m，屬大(2)型，工程等別為Ⅱ等；沙井水閘設(shè)計泄洪流量為219.8m3/s，屬中型水閘，考慮與大型泵站聯(lián)合運行的重要性，且要防御茅洲河高標(biāo)準(zhǔn)洪水，水閘等別與茅洲河堤防相同，工程等別為Ⅰ等。泵站主體布置在沙井河右岸與茅洲河之間的三角地，由沙井排澇泵站、引渠和進(jìn)出口建筑物、沙井河口水閘、調(diào)度中心辦公樓等，共四大部分組成。如圖2所示。

圖2 區(qū)域水系及泵站服務(wù)范圍及泵站平面布置圖

3 研究意義

深圳市平均每年受熱帶氣旋(臺風(fēng))影響4～5次，熱帶氣旋(臺風(fēng))影響期間，風(fēng)暴潮可能使感潮河段潮位急劇上漲，河道堤防防汛搶險壓力也隨之增大。沙井泵站主體工程所在位置地勢較低，若茅洲河沙井河口斷面附近河段漫堤，則泵站將面臨失效的風(fēng)險。因此，研究赤灣站潮位與茅洲河河口水位、茅洲河沙井河口斷面水位之間的關(guān)系，可以根據(jù)赤灣站潮位預(yù)報信息提前預(yù)判茅洲河沙井河口斷面處可能達(dá)到的最高水位，為沙井泵站應(yīng)急搶險工作提供決策依據(jù)，使相關(guān)管理部門做到有計劃、有準(zhǔn)備地防御險情。

4 水文基礎(chǔ)資料

深圳市海岸線長約230km，分為東西兩部分。主要潮位觀測站有赤灣潮位站、茅洲河口潮水位站、鹽田驗潮站(“山竹”期間已受損)、深圳河口潮位站。茅洲河位于深圳西部，茅洲河河口附近有三個潮位站，分別是舢舨洲站、赤灣站和南沙站。舢舨洲潮位站位于茅洲河口外12km處(東莞境內(nèi))，1956年4月設(shè)立，1993年后已停測；赤灣潮位站位于南山區(qū)赤灣港附近，在茅洲河口以南約35km處，自1964設(shè)立，觀測至今，資料齊全；南沙潮位站距離茅洲河口約20km，從1956年開始觀測至今，資料完整。由于赤灣潮位站屬深圳管轄，在應(yīng)急搶險時資料易于獲取，故本次選取赤灣潮位站進(jìn)行研究分析。

茅洲河口水位站位于深圳市寶安區(qū)，2017年12月建站，本次收集該站2018年水位資料序列，部分時段因測站改造、軟件升級等原因水位數(shù)據(jù)暫缺。茅洲河沙井河口斷面水位從沙井泵站管養(yǎng)單位收集。

5 工況選取

為進(jìn)行臺風(fēng)及降雨影響下赤灣站潮位與茅洲河沙井河口斷面水位關(guān)系分析，收集茅洲河沙井河口斷面水位、茅洲河口水位、赤灣站潮位、寶安區(qū)降雨(根據(jù)寶安區(qū)最大24小時累積降雨量進(jìn)行降雨工況選取)等資料，選取臺風(fēng)、無臺風(fēng)增水有降雨、無臺風(fēng)無降雨共三種個工況進(jìn)行對比。

農(nóng)歷每月的朔(初一)和望(十五或十六)，月球、太陽和地球的位置大致處于一條直線上，這時月球和太陽引潮力的方向相同，它們所引起的潮汐相互增強，使潮差出現(xiàn)極大值。這種極大值每半個朔望月(14.7653天)出現(xiàn)一次，相應(yīng)的潮汐稱為大潮或朔望潮。大潮過后，潮差逐漸減小，在農(nóng)歷每月的上弦(初八或初九)和下弦(廿二或廿三)時，月球和太陽的引潮力的方向接近正交，因而互相削弱的情況最為顯著，故潮差達(dá)極小值。這種極小值也是每半個月出現(xiàn)一次，相應(yīng)的潮汐稱為小潮或方照潮。這種大潮、小潮的依次更替，稱為半月不等現(xiàn)象。實際上，中國海區(qū)的大潮通常出現(xiàn)在朔和望之后約兩天的時候，小潮通常出現(xiàn)在上弦和下弦過后約兩天的時候。因此，本次無臺風(fēng)增水且無降雨工況選擇朔(初一)、望(十五或十六)、上弦(初八或初九)和下弦(廿二或廿三)后兩天進(jìn)行分析。

綜上，工況選擇如下：①臺風(fēng)工況(2個工況)。選取臺風(fēng)“天鴿”和臺風(fēng)“山竹”；②無臺風(fēng)增水有降雨工況(2個工況)。選取2018.08.29(該次降雨約5年一遇)和2018.08.30(該次降雨頻率為10年一遇)；③無臺風(fēng)無降雨工況(4個工況)。選取朔(初一)、望(十五或十六)、上弦(初八或初九)和下弦(廿二或廿三)后兩天。各工況及發(fā)生日期見表2。

表2 選取工況及時間

6 潮水位成果分析

6.1 臺風(fēng)工況

(1)工況一：臺風(fēng)“天鴿”

臺風(fēng)“天鴿”期間(2017.8.22 0∶00—2017.8.22 23∶00)，茅洲河沙井河口斷面水位在2017.8.22 11∶00達(dá)到最大值2.08m，赤灣站潮位在2017.8.22 10∶00達(dá)到最大值1.866m。最高水(潮)位發(fā)生時間差為1h，最大水(潮)位差0.214m。如圖3所示。

(2)工況二：臺風(fēng)“山竹”

臺風(fēng)“山竹”期間(2018.9.16 8∶00—2018.9.17 2∶00)，茅洲河沙井河口斷面水位在2018.9.16 18∶00達(dá)到最大值3.64m，赤灣站潮位在2018.9.16 17∶15達(dá)到最大值3.15m。最高水(潮)位發(fā)生時間差為0.75h，最大水(潮)位差0.49m。如圖4所示。

圖3 工況一水(潮)位對比

圖4 工況二水(潮)位對比

臺風(fēng)工況下，茅洲河沙井河口斷面水位主要受潮位控制，線型與赤灣站潮位分布基本一致。茅洲河沙井河口斷面最高水位較赤灣站最高潮位發(fā)生時刻有滯后，茅洲河沙井河口斷面最高水位大于赤灣站最高潮位，本次研究兩種工況下，滯后時間介于0.75～1h之間，最高水(潮)位差介于0.2～0.5m之間。

6.2 無臺風(fēng)增水有降雨工況

(1)工況三：無臺風(fēng)增水，遭遇5年一遇降雨

無臺風(fēng)增水，遭遇5年一遇降雨(2018.8.29 0∶00—2018.8.30 0∶00)，茅洲河沙井河口斷面水位在2018.8.29 12∶00達(dá)到最大值1.66m，赤灣站潮位在2018.8.29 11∶00達(dá)到最大值1.446m。最大水(潮)位發(fā)生時間差為1h，最大水(潮)位差0.214m；茅洲河口水位在2018.8.29 12∶00達(dá)到最大值2.12m，與茅洲河沙井河口斷面最大水位差0.46m，發(fā)生時間差為0h。如圖5所示。

(2)工況四：無臺風(fēng)增水，遭遇10年一遇降雨

無臺風(fēng)增水，遭遇10年一遇降雨(2018.8.30 6∶00—2018.8.31 6∶00)，茅洲河沙井泵站斷面水位在2018.8.30 14∶00達(dá)到最大值2.07m，赤灣站潮位在2018.8.30 12∶00達(dá)到最大值1.416m。最大水(潮)位發(fā)生時間差為2h，最大水(潮)位差0.654m；茅洲河口水位在2018.8.30 12∶00達(dá)到最大值2.405m，與茅洲河沙井河口斷面最大水位差0.335m，發(fā)生時間差為2h。如圖6所示。

圖5 工況三水(潮)位對比

圖6 工況四水(潮)位對比

無臺風(fēng)增水有降雨工況下，工況三遭遇5年一遇降雨，茅洲河沙井河口斷面水位主要受潮位控制，線型與赤灣站潮位分布基本一致。茅洲河沙井河口斷面最高水位較赤灣站最高潮位發(fā)生時刻滯后1h，茅洲河沙井河口斷面最高水位較赤灣站最高潮位高0.214m；茅洲河口最高水位與茅洲河沙井河口斷面最高水位發(fā)生時刻無滯后，茅洲河口最高水位較茅洲河沙井河口斷面最高水位高0.46m。

工況四遭遇10年一遇降雨，茅洲河沙井河口斷面水位主要受降雨控制。茅洲河沙井河口斷面最高水位較赤灣站最高潮位發(fā)生時刻滯后2h，茅洲河沙井河口斷面最高水位較赤灣站最高潮位高0.654m；茅洲河口最高水位較茅洲河沙井河口斷面最高水位發(fā)生時刻滯后2h，茅洲河口最高水位較茅洲河沙井河口斷面最高水位高0.335m。

6.3 無臺風(fēng)無降雨工況

(1)工況五：無臺風(fēng)增水且無降雨，朔后2d

朔后2d(2018.5.17)，茅洲河沙井河口斷面水位在2018.5.17 11∶00達(dá)到最大值1.98m，赤灣站潮位在2018.5.17 11∶00達(dá)到最大值1.676m。最大水(潮)位發(fā)生時間差為0h，最大水(潮)位差0.304m。如圖7所示。

(2)工況六：無臺風(fēng)增水且無降雨，望后2d

望后兩天(2018.4.3)，茅洲河沙井河口斷面水位在2018.4.3 12∶00達(dá)到最大值1.55m，赤灣站潮位在2018.4.3 11∶00達(dá)到最大值1.296m。最大水(潮)位發(fā)生時間差為1h，最大水(潮)位差0.254m。如圖8所示。

(3)工況七：無臺風(fēng)增水且無降雨，上弦后2d

上弦后兩天(2018.5.25)，茅洲河沙井河口斷面水位在2018.5.25 8∶00達(dá)到最大值1.35m，赤灣站潮位在2018.5.25 8∶00達(dá)到最大值1.146m。最大水(潮)位發(fā)生時間差為0h，最大水(潮)位差0.204m。如圖9所示。

(4)工況八：無臺風(fēng)增水且無降雨，下弦后2d

下弦后兩天(2018.10.3 0∶00—23∶00)，茅洲河沙井河口斷面水位在2018.10.33∶00達(dá)到最大值1.75m，赤灣站潮位在2018.10.32∶00達(dá)到最大值1.566m，最大水(潮)位差0.184m，發(fā)生時間差為1h；茅洲河口水位在2018.10.33∶00達(dá)到最大值2.186m，與茅洲河沙井河口斷面最大水位差0.62m，發(fā)生時間差為0h。如圖10所示。

圖7 工況五水(潮)位對比

圖9 工況七水(潮)位對比

圖10 工況八水(潮)位對比

表3 各工況最高水(潮)位發(fā)生時刻及水位對比分析表

本次研究無臺風(fēng)無降雨四種工況下，茅洲河沙井河口斷面水位均主要受潮位控制，線型與赤灣站潮位分布基本一致。茅洲河沙井河口斷面最高水位較赤灣站最高潮位發(fā)生時刻或同時或滯后，滯后時間1h；茅洲河沙井河口斷面最高水位高于赤灣站最高潮位，最高水(潮)位差介于0.18～0.31m之間。

各工況最高水(潮)位發(fā)生時刻及水位對比分析見表3。

7 結(jié)論與建議

本次研究共選取臺風(fēng)(2個工況)、無臺風(fēng)增水有降雨(2個工況)、無臺風(fēng)無降雨(4個工況)共8個工況進(jìn)行分析，綜合8個工況，得出以下結(jié)論：

(1)最高水(潮)位排序總體為：茅洲河口水位最大，茅洲河沙井河口斷面水位其次，赤灣站潮位最小。時間順序上，赤灣站先達(dá)到最高潮位，茅洲河沙井河口斷面最高水位較赤灣站最高潮位發(fā)生時刻有滯后，而茅洲河口最高水位與茅洲河沙井河口斷面最高水位或同時或滯后。

(2)臺風(fēng)兩種工況和無臺風(fēng)無降雨4種工況下，茅洲河沙井河口斷面水位主要受潮位控制，線型與赤灣站潮位分布基本一致。茅洲河沙井河口斷面最高水位較赤灣站最高潮位發(fā)生時刻有滯后，茅洲河沙井河口斷面最高水位大于赤灣站最高潮位，6種工況下，滯后時間介于0.75～1h之間，最高水(潮)位差介于0.18～0.5m之間。

(3)無臺風(fēng)增水有降雨工況下，降雨為5年一遇時茅洲河沙井河口斷面水位主要受潮位控制，當(dāng)降雨為10年一遇時，茅洲河沙井河口斷面水位主要受降雨控制。茅洲河沙井河口斷面最高水位較赤灣站最高潮位發(fā)生時刻有滯后，茅洲河沙井河口斷面最高水位大于赤灣站最高潮位，兩種工況下，滯后時間介于1～2h之間，最高水(潮)位差介于0.2～0.66m之間。