珠江三角洲某過江隧道水文要素計(jì)算條件研究

李 彬，顧立忠，鄭國棟，劉 欣

(1.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，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 510635；3.廣東力盟規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 廣州 510600；4.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450045)

隧道工程作為過江工程比橋梁工程有一定的優(yōu)勢，尤其是通航河道，既不會(huì)對河道通航產(chǎn)生影響，亦不會(huì)對河道行洪產(chǎn)生影響或影響較小(僅有較小部分出露河床阻水)。鑒于隧道工程的優(yōu)勢，珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)越來越多的河流采用隧道工程作為過江工程。因此，筆者以珠江三角洲新造水道某擬建隧道工程為例，在分析珠江三角洲洪(潮)水文特性的基礎(chǔ)上，選取典型洪(潮)水過程，采用MIKE11軟件構(gòu)建珠江三角洲網(wǎng)河模型，對該擬建隧道工程所需的設(shè)計(jì)洪(潮)水位、流量、流速，以及極端大流速等水文要素計(jì)算條件進(jìn)行研究，并探討過江隧道水文要素計(jì)算時(shí)要注意的情況。

1 工程概況

某擬建隧道工程穿越珠江新造水道，連接廣州市番禺區(qū)大學(xué)城和新造鎮(zhèn)。工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇。廣州片區(qū)水系及擬建隧道工程位置如圖1所示。

2 洪(潮)水文特性

珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)河道屬感潮河道，汛期既受來自西江、北江、東江等上游河道的洪水動(dòng)力影響，又受來自伶仃洋的潮汐動(dòng)力影響，洪潮混雜，水流流態(tài)復(fù)雜。此外，還受臺(tái)風(fēng)暴潮的影響。

2.1 暴雨洪水特性

珠江三角洲水汽源地主要是印度洋孟加拉灣、西太平洋及南海。4—9月為雨季，其中4—6月西南季風(fēng)盛行，水汽充沛，與南下冷空氣相遇，形成鋒面雨；7—9月東南季風(fēng)盛行，西太平洋及南海熱帶海洋氣團(tuán)產(chǎn)生的臺(tái)風(fēng)頻繁造訪，給本區(qū)域帶來強(qiáng)風(fēng)暴雨。

珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)洪水主要由西江、北江、東江及其它主要入?yún)R河流的洪水共同形成，其中廣州片區(qū)河道洪水主要受流溪河及西、北江洪水影響。一般流溪河洪水出現(xiàn)時(shí)間較早，北江次之，西江及東江較遲。

近年來珠江流域典型洪水主要有“94·6”“98·6”“05·6”洪水；風(fēng)暴潮有200814黑格比、201713天鴿、201822山竹等。

2.2 潮汐特性

珠江口潮汐為不規(guī)則半日潮，兩個(gè)相鄰的高潮(低潮)潮位和潮流歷時(shí)均不相等。珠江口八大口門屬弱潮河口，潮差年際變化不大，而年內(nèi)變化較大。正常高高潮位與上游不同頻率洪水遭遇的機(jī)會(huì)相同，而臺(tái)風(fēng)暴潮與頻率小于20%的洪水遭遇卻極為罕見[1]。

圖1 廣州片區(qū)水系及擬建隧道工程位置

2.3 典型洪(潮)水過程選擇

2.3.1典型洪水對比

“94·6”“98·6”“05·6”三場典型洪水的西、北江洪水遭遇組成見表1。

表1 典型洪水西、北江洪水遭遇組成

“94·6”洪水西江、北江洪水量級均較大，洪峰基本在思賢窖遭遇；“98·6”洪水主要發(fā)生在西江，北江“98·6”洪水的量級較“94·6”洪水小，洪峰未在思賢窖遭遇，但恰逢天文大潮，洪潮相遇[2]。因此兩場洪水均給珠江三角洲水道帶來高水位情勢，并且珠江口八大口門潮位站“98·6”洪峰潮位普遍比“94·6”洪峰潮位高[3]。

“05·6”洪水與“98·6”洪水過程基本相似洪峰較“98·6”洪水大，珠江流域中下游地區(qū)水文站漲水段同一流量對應(yīng)水位“05·6”洪水明顯比“94·6”“98·6”洪水低[4- 6]。造成這種現(xiàn)象的主要原因是珠江三角洲航道整治、河道挖沙造成河床嚴(yán)重下切，致使河道行洪斷面和槽蓄量加大，導(dǎo)致同一量級洪水的水位大幅降低。

2.3.2典型風(fēng)暴潮

風(fēng)暴潮的特點(diǎn)以“黑格比”為例進(jìn)行分析。“黑格比”屬強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，自身產(chǎn)生了強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入華南西南部后，西南暖濕氣流進(jìn)一步加強(qiáng)了其上升運(yùn)動(dòng)，加之華南西南部地形對降水的促進(jìn)作用，致使“黑格比”帶來了強(qiáng)風(fēng)暴潮增水[7]。而其最大增水發(fā)生時(shí)恰逢當(dāng)日的高潮潮位，所以廣東沿海諸地遭遇了高潮疊加風(fēng)暴潮的最不利“黑色”組合，導(dǎo)致沿海風(fēng)暴潮站及受潮汐影響的站點(diǎn)出現(xiàn)了高水位，部分站點(diǎn)甚至出現(xiàn)了有記錄以來的歷史最高潮位[8]，并保持到2017年“天鴿”風(fēng)暴潮發(fā)生，至2018年“山竹”風(fēng)暴潮發(fā)生后退居第三位。橫門站近年來主要強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的風(fēng)暴潮增水和潮位統(tǒng)計(jì)[9]見表2。

表2 橫門站近年來主要強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的風(fēng)暴潮增水和潮位統(tǒng)計(jì) 單位：m

2.3.3典型洪(潮)水過程確定

根據(jù)前述珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)洪(潮)水文特性，以及典型洪水和風(fēng)暴潮的特點(diǎn)確定：擬建隧道工程設(shè)計(jì)洪(潮)水位、流量、流速計(jì)算的典型洪(潮)水過程選擇“98·6”洪水過程和“黑格比”風(fēng)暴潮過程，極端大流速計(jì)算的典型洪水過程選擇“05·6”洪水過程。

3 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算條件

3.1 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型采用MIKE11軟件構(gòu)建的珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)一維數(shù)學(xué)模型，其研究范圍基本包括西、北江三角洲，東江三角洲及廣州水道等。模型上邊界取：馬口(西江)、三水(北江)、老鴉崗(流溪河)、麒麟嘴(增江)、博羅(東江)、石嘴(潭江)水文(位)站，下邊界取八大口門控制站：大虎(虎門)、南沙(蕉門)、萬頃沙(洪奇門)、橫門(橫門)、燈籠山(磨刀門)、黃金(雞啼門)、西炮臺(tái)(虎跳門)及官?zèng)_(崖門)潮位站。數(shù)學(xué)模型的河道地形主要采用1999年實(shí)測地形，其中廣州片區(qū)河道地形采用2014年5月航道部門實(shí)測地形。MIKE11軟件的數(shù)學(xué)控制方程及其解法詳見文獻(xiàn)[10]，數(shù)學(xué)模型糙率通過“99·7”中水率定，“98·6”大水及“黑格比”風(fēng)暴潮驗(yàn)證[11]。

3.2 計(jì)算條件

3.2.1設(shè)計(jì)洪(潮)水位、流量、流速

模型上邊界條件：采用上游控制站西江馬口站、北江三水站的0.33%、0.5%、1%頻率洪水洪峰流量和多年平均洪峰流量，流溪河老鴉崗站的相應(yīng)洪水采用文獻(xiàn)[12]的相關(guān)方法確定,其它控制站增江麒麟嘴站、東江博羅站和潭江石嘴站取多年平均洪峰流量。

模型下邊界條件：

(1)以洪為主，上游頻率洪水遭遇下游口門多年平均年最高潮位，恒定流和下游口門潮位“98·6潮型”(簡稱以洪為主“98·6潮型”)兩種計(jì)算條件。

(2)以潮為主，下游口門年最高潮位的頻率潮位遭遇上游洪水多年平均洪峰流量，恒定流和下游口門潮位“黑格比潮型”(簡稱以潮為主“黑格比潮型”)兩種計(jì)算條件。

(3)典型極端洪潮遭遇“黑格比”。

3.2.2極端大流速

模型上邊界條件：采用上游控制站西江馬口站、北江三水站的0.33%(歸槽洪水)、0.33%、0.5%、1%頻率洪水洪峰流量，其它控制站的相應(yīng)洪水同上。

模型下邊界條件：

(1)以洪為主，上游頻率洪水遭遇下游口門“05·6低潮位過程”(簡稱05·6低潮位過程)。

(2)以洪為主，上游頻率洪水遭遇下游口門“05·6最低潮位”(簡稱05·6最低潮位)。

05·6最低潮位：虎門水道泗盛圍站最低潮位，其它潮位站相應(yīng)時(shí)刻潮位，其中橫門站參考萬頃沙站(考慮虎門水道潮位低，其它口門水道潮位高，虎門水道的引流減阻作用)，具體見表3。

表3 “05·6”洪水泗盛圍站最低潮位及其它潮位站相應(yīng)時(shí)刻潮位 單位：m

4 結(jié)果與討論

4.1 設(shè)計(jì)洪(潮)水位、流量、流速

不同條件下的設(shè)計(jì)洪(潮)水位、流量、流速計(jì)算成果見表4—7。

(1)洪(潮)水位：洪(潮)水位成果非恒定流明顯高于恒定流，說明廣州片區(qū)河道基于典型洪(潮)水過程的水位成果偏安全。三種非恒定流計(jì)算條件的水位，以潮為主“黑格比潮型”最高；“黑格比”典型極端洪潮遭遇情況次之；以洪為主“98·6潮型”最低。擬建隧道工程位于潮位站大石站和黃埔站之間，采用文獻(xiàn)[13- 14]中設(shè)計(jì)參數(shù)和方法(即P-Ⅲ頻率曲線適線法)求得兩站不同頻率的潮位見表7，以潮為主“黑格比潮型”的水位成果較符合潮位站潮位排頻成果規(guī)律，其它計(jì)算條件的水位成果偏低，說明新造水道的水位主要受潮汐動(dòng)力影響。

(2)流量、流速：三種非恒定流計(jì)算條件的流量、流速規(guī)律，與洪(潮)水位規(guī)律相反。以洪為主“98·6潮型”的流量、流速最大，“黑格比”典型極端洪潮遭遇情況次之，以潮為主“黑格比潮型”的成果最小。

(3)基于偏安全考慮，設(shè)計(jì)洪(潮)水位采用以潮為主“黑格比潮型”的計(jì)算成果，同時(shí)考慮上游水利工程建設(shè)、航道整治、河口灘涂圍墾、海平面上升及極端氣候等諸多因素[15- 19]，建議設(shè)計(jì)洪(潮)水位增加0.5m的富余值；設(shè)計(jì)流量、流速采用以洪為主“98·6潮型”的計(jì)算成果。

表4 以洪為主計(jì)算成果

注：表中流量、流速為最高水位時(shí)刻對應(yīng)值，下同。

表5 以潮為主計(jì)算成果

注：表中流量、流速的“-”號表示潮流，下同。

表6 典型極端洪潮遭遇“黑格比”計(jì)算成果

表7 潮位站大石站和黃埔站潮位排頻成果

4.2 極端大流速

不同條件下極端大流速及相應(yīng)時(shí)刻流量和水位的計(jì)算成果見表8，分析可知：流速、流量、水位的“05·6低潮位過程”計(jì)算成果均大于“05·6最低潮位”計(jì)算成果。由此表明：上游流量控制條件相同，下游口門潮位同一潮型非恒定流條件下的計(jì)算成果偏安全。因此，極端大流速選取“05·6低潮位過程”的計(jì)算成果。基于偏安全考慮，需考慮上游控制站西江馬口站、北江三水站的洪水歸槽情況。

5 結(jié)語

針對珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)過江隧道水文要素計(jì)算條件的選擇問題，以新造水道某擬建隧道工程為例對其進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)對于珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)等感潮河道的涉河工程，其水文要素計(jì)算合理的核心在于“洪潮水遭遇分析”。

(2)對于過江隧道工程，極端大流速相對重要，但并不是越高的高潮位越不利，推薦其計(jì)算條件采用：以洪為主，西江馬口站和北江三水站歸槽洪水的頻率洪水遭遇下游口門“05·6低潮位過程”。

(3)對于橋梁、碼頭等涉河工程，設(shè)計(jì)洪(潮)水位相對重要，推薦其計(jì)算條件采用：以潮為主，下游口門年最高潮位的頻率潮位遭遇上游洪水多年平均洪峰流量，下游口門潮位“黑格比潮型”。同時(shí)考慮影響設(shè)計(jì)洪(潮)水位的諸多因素，設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)留有安全余量。設(shè)計(jì)流量、流速的計(jì)算條件推薦采用：以洪為主，上游頻率洪水遭遇下游口門多年平均年最高潮位，下游口門潮位“98·6潮型”。

表8 以洪為主，遭遇下游口門不同潮位的極端大流速計(jì)算成果

注：表中流量、水位為最大流速時(shí)刻的對應(yīng)值。