排澇站運(yùn)行對(duì)感潮河段通航的影響分析

黃凌超,穆守勝

(1. 中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司, 廣州 510610； 2. 南京水利科學(xué)研究院， 南京 210098)

1 概述

感潮河段受到徑流及潮波兩種動(dòng)力的影響，流速與水位過程呈現(xiàn)出周期性的變化特征，加之河道水下地形條件的變化，水體運(yùn)動(dòng)過程十分復(fù)雜[1-2]。此外，世界上很多感潮河道發(fā)育成為平原河網(wǎng)，例如一些河網(wǎng)縱橫的三角洲地區(qū)，河網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)多條汊道的連接和分汊結(jié)構(gòu)更增加了這類區(qū)域中水體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。珠江三角洲河網(wǎng)是典型的潮汐河網(wǎng)[3]，這一區(qū)域水網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，分流匯合情況復(fù)雜，珠江河網(wǎng)通過八大口門與外海相連。因此，這一區(qū)域不僅受到來自珠江水系上游徑流的影響，海岸潮波運(yùn)動(dòng)也對(duì)該區(qū)域水體產(chǎn)生了十分明顯的控制作用[4]。因此，珠三角流域上游徑流向下輸運(yùn)往往會(huì)遭遇潮波上溯的阻滯作用，使得上游來流無法順暢下泄，水體的聚集會(huì)直接導(dǎo)致局部區(qū)域的河道水位迅速壅高。此外，珠江三角洲也是極端降水頻發(fā)的區(qū)域[5]，短時(shí)間高強(qiáng)度的降水也會(huì)加劇局部水位的過快抬升，給這一區(qū)域的防洪帶來直接威脅。因此，珠三角河網(wǎng)區(qū)面臨著嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害影響[6-7]，對(duì)沿岸城鎮(zhèn)居民的生產(chǎn)生活成了嚴(yán)重的影響。

人們?yōu)榱私鉀Q珠三角河網(wǎng)區(qū)域頻發(fā)的洪澇問題，除了在上游建設(shè)大型水庫、沿岸加高和鞏固堤防，還常常在復(fù)雜的水系中建設(shè)閘門、排水泵站等樞紐設(shè)施，通過水量調(diào)度，來消除局部水位過高的威脅[8]。在受到潮波運(yùn)動(dòng)影響的感潮河道中，由于聯(lián)通外海的主槽河道內(nèi)往復(fù)流的產(chǎn)生，排澇水閘及排水泵站的運(yùn)行相較于非感潮河道更為復(fù)雜。

此外，潮汐河網(wǎng)常常位于經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度高的區(qū)域，這些河網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的河道還通常是天然便利的通航線路，水道的航運(yùn)任務(wù)繁重[9-11]。船舶通航能力以及通航安全也是必須考慮的問題。感潮河段中排澇站的運(yùn)行，勢(shì)必對(duì)這一區(qū)域水動(dòng)力過程產(chǎn)生較大的影響，通航區(qū)域水流條件的優(yōu)劣，直接影響到船舶航行的安全運(yùn)行要求，是航道運(yùn)營維護(hù)的關(guān)鍵所在。其中，河道水位的變化直接決定了航道深度，即航道水線面到至航道底部的垂直距離，很大程度上影響了船舶通航能力。此外，水流流速的變化會(huì)對(duì)航道安全富余寬度造成影響，安全富余寬度是保證船舶航行過程中不產(chǎn)生船吸、岸吸現(xiàn)象的最小尺度。因此，水位和流速的變化直接關(guān)系到航道的通航安全。排澇作業(yè)將多余水體排入航道區(qū)域，導(dǎo)致航道水體局部擾動(dòng)，使得航行區(qū)域流速、水位產(chǎn)生調(diào)整，進(jìn)而也改變了河道的通航條件。此外，排澇作業(yè)對(duì)通航的影響也會(huì)在感潮河道中不同徑潮動(dòng)力條件作用下也會(huì)有所不同。因此，這一問題十分復(fù)雜且具有較高的研究意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

為了深入探討這一課題，本文以位于珠江三角洲某水道(本文中命名為主槽水道)上的排澇站為例，采用物理模型的方法，對(duì)排澇站在典型感潮河道中不同徑潮動(dòng)力條件下的排水作業(yè)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過排澇站出水口各導(dǎo)流孔的流量分配以及主槽水道橫向、縱向流速分析，明確排澇站運(yùn)行對(duì)感潮河段通航的影響。

2 物理模型設(shè)置

為了準(zhǔn)確有效地反應(yīng)研究區(qū)域的水動(dòng)力過程，本文采用物理模型進(jìn)行研究，模型比尺為70，此外，根據(jù)重力、阻力、水流時(shí)間以及流量相似原則，確定模型流速比尺為8.37，糙率比尺為2.03，水流時(shí)間比尺為8.37以及流量比尺為40 996。模型范圍以排澇樞紐為中心，主槽水道取至排澇站上游部分約1.2 km、下游部分約1.4 km，模型平面布置如圖1所示。模型分為內(nèi)河涌、排澇站(排澇泵站、排澇水閘和導(dǎo)流墩)以及主槽水道3部分。模型以排澇站為中心，該區(qū)域中的內(nèi)河涌通過排澇泵站以及排澇水閘經(jīng)由導(dǎo)流墩與主槽水道相連，主槽水道與珠江河網(wǎng)水系連通，同時(shí)受到徑流與潮波動(dòng)力的影響；內(nèi)河涌則延伸進(jìn)入鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)，對(duì)居民生產(chǎn)生活產(chǎn)生直接影響。當(dāng)內(nèi)河涌水位過高時(shí)，人們會(huì)通過排澇泵站或排澇水閘將多余水體排入主槽水道。圖中點(diǎn)1～6從左向右依次顯示布置于導(dǎo)流墩外的測(cè)點(diǎn)位置，而羅馬字母 Ⅰ ～Ⅵ則代表排澇站出水口6個(gè)導(dǎo)流孔編號(hào)。

圖1 物理模型平面布置示意(單位：m)

由于研究區(qū)域?qū)崪y(cè)水文資料缺乏，因此本文所采用物理模型的邊界條件及驗(yàn)證過程借鑒了珠江三角洲一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型結(jié)果[12-13]。這一數(shù)學(xué)模型經(jīng)多年發(fā)展、應(yīng)用，通過了珠江流域“986”、“997”、“012”等多組典型水文組合率定與驗(yàn)證(其中“012”代表了珠江三角洲極具代表性的2001年2月枯水代表潮型)。經(jīng)過數(shù)學(xué)模型與物理模型結(jié)果的相互對(duì)比，水位誤差以及流速誤差均在5%以內(nèi)。其模擬結(jié)果可以保證本文中的物理模型滿足研究精度要求。

由于主槽水道與珠江河網(wǎng)連通，受到潮波運(yùn)動(dòng)的影響，因而隨著主槽水道內(nèi)漲、落潮過程的變化，排澇作業(yè)對(duì)主槽水道通航影響也會(huì)有所差異。因此，為了完整反映這一影響過程，本研究選取了1個(gè)完整的枯季代表潮型(漲潮、落潮以及漲落潮轉(zhuǎn)流)，同時(shí)結(jié)合該處排澇站的設(shè)計(jì)流量(Q=319.9 m3/s)，組合確定了6種典型工況，作為本文研究試驗(yàn)的徑、潮動(dòng)力邊界條件，具體設(shè)置見表1。其中，主槽水道流量以向下游輸運(yùn)為正方向，即，流量設(shè)置為正時(shí)，主槽水道徑流由上游向下游輸運(yùn)，模擬落潮狀態(tài)；當(dāng)流量設(shè)置為負(fù)時(shí)，代表主槽水道徑流由下游向上游輸運(yùn)，模擬漲潮狀態(tài)；當(dāng)流量設(shè)置為零時(shí)，代表漲落潮之間的轉(zhuǎn)流狀態(tài)。因此，表1中工況1、2和3代表落潮過程，工況4代表轉(zhuǎn)流而工況5、6則代表漲潮過程。

表1 主槽水道通航影響試驗(yàn)工況

3 物理模型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 導(dǎo)流孔分流狀態(tài)

如圖1所示，本區(qū)域排澇站出水口經(jīng)過導(dǎo)流墩分為6個(gè)導(dǎo)流孔，各個(gè)導(dǎo)流孔流量分配狀況會(huì)對(duì)主槽河道通航條件產(chǎn)生影響，隨著主槽水道內(nèi)漲落潮過程的變化，導(dǎo)流孔流量分配也會(huì)發(fā)生明顯的改變。為了直觀地展示各個(gè)導(dǎo)流孔的流量分配情況，本文研究分別計(jì)算了各個(gè)工況條件下導(dǎo)流孔的流量分配比例，結(jié)果如圖2所示，可以明顯對(duì)比不同工況對(duì)導(dǎo)流孔流量分配的改變情況。

從圖2可以看出，各工況條件下排澇站導(dǎo)流孔間的流量分配極不均勻。在工況1、工況2以及工況3時(shí)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 導(dǎo)流孔流量基本為0。這說明當(dāng)上游徑流下泄時(shí)，排水口出水主要通過Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ導(dǎo)流孔進(jìn)行，且此時(shí)各個(gè)導(dǎo)流孔排水量分配呈現(xiàn)出“上游少下游多”的態(tài)勢(shì)，主槽水道上游徑流促使排澇站水體排入主槽水道后向下游輸運(yùn)。工況4時(shí)，各個(gè)排水孔流量分配最為均勻，說明在主槽河道徑流量降至零時(shí)，排水口排水受到主槽的水體運(yùn)動(dòng)影響較小，各個(gè)導(dǎo)流孔排水流量的分配呈現(xiàn)出“中間多兩邊少”的態(tài)勢(shì)。而工況5與工況6時(shí)，水體主要由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 導(dǎo)流孔排出，且各導(dǎo)流孔排水量分配呈現(xiàn)出“上游多下游少”的態(tài)勢(shì)。這是因?yàn)榇藭r(shí)主槽水道處于漲潮狀態(tài)，主槽水道流量從下游向上游輸運(yùn)，流量輸運(yùn)方向與工況1、工況2時(shí)正好相反。說明在不同漲落潮狀態(tài)下潮波動(dòng)力的作用明顯改變了出水口各個(gè)導(dǎo)流孔的分流狀態(tài)。

圖2 各試驗(yàn)工況導(dǎo)流孔流量分配比例示意

綜上，排澇站出水口導(dǎo)流孔的流量分配特征與主槽河道流量大小及方向(漲落潮狀態(tài))息息相關(guān)，主槽流量的大小在各個(gè)導(dǎo)流孔流量分配過程中起到了重要的影響作用。

3.2 橫向流速分析

航道內(nèi)的橫向流速，是水體流速在航道法線方向上的分量，是衡量航道水流條件的重要指標(biāo)之一。排澇水閘以及排澇泵站排水作業(yè)時(shí)，大量水體排入主槽水道，必然會(huì)引起主槽航道內(nèi)橫向流速的明顯增加，給主槽水道的通航條件帶來不利的影響，因此，本文研究通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)給出了各試驗(yàn)工況下出水口處航道橫向流速大小(測(cè)點(diǎn)位置見圖1)，結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出工況4狀態(tài)下橫向流速最大，這是因?yàn)榇藭r(shí)主槽流量最小，排澇站出水口流量在排水區(qū)域占據(jù)主導(dǎo)地位，因而使得橫向流速最大，其最大值約為0.7 m/s；其次是當(dāng)工況5主槽水道處于漲潮初期時(shí)刻約為0.65 m/s。工況1、工況2以及工況6的橫向流速均較小，這是由于主槽流量較大時(shí)，無論漲潮還是落潮，排澇站出水流量均不能占據(jù)主導(dǎo)地位，主槽水道上游來流直接使得排澇站出水流向轉(zhuǎn)向下游，因此主槽水道橫向流速不大。且隨著主槽流量的增加，排水口處的橫向流速逐漸減小。因此，出水口出橫向流速大小與主槽水道流量和排澇站出水量的相對(duì)大小息息相關(guān)。

3.3 縱向流速分析

除了橫向流速以外，航道內(nèi)的縱向流速，也是衡量航道水流條件的重要指標(biāo)，縱向流速指流速在航道方向上的分量。排澇水閘以及排澇泵站將內(nèi)河涌中多余水體排入主槽水道時(shí)，也會(huì)引起航道內(nèi)縱向流速的明顯改變，給航道的通航條件帶來一定的影響，為了明確縱向流速受排澇作業(yè)的影響，本研究給出了主槽水道縱向流速的分布(測(cè)點(diǎn)位置見圖4)，結(jié)果如圖5所示。

圖4 主槽水道縱向流速測(cè)點(diǎn)位置示意

圖5 主槽水道縱向流速分布特征示意(最高通航水位)

圖4展示了主槽水道內(nèi)縱向流速測(cè)點(diǎn)的布設(shè)位置，為了比較全面地反映主槽水道的流速分布狀態(tài)，本文在模型主槽水道中從上游到下游依次選取了8個(gè)斷面，每個(gè)斷面選取4到5個(gè)測(cè)點(diǎn)，讀取模型試驗(yàn)結(jié)果，以點(diǎn)帶面，展示主槽水道內(nèi)縱向流速分布特征。由于研究工況較多，本文主要選取總縱向流速最大的工況1(最高通航水位情況)對(duì)比工程建設(shè)前后縱向流速變化情況。

從圖5可以看出，斷面1與斷面2的流速在工程前后無變化，這是由于這兩個(gè)斷面位于排澇站出水口上游，主槽上游來水決定了這兩個(gè)斷面的流速狀態(tài)，而排澇站的建設(shè)運(yùn)行對(duì)這兩個(gè)斷面流速過程基本沒有影響。除了斷面1與2以外，其他斷面流速均有不同程度增加。這是由于其他斷面均位于排澇站出水口附近或者下游，排澇站水流下泄對(duì)這些斷面產(chǎn)生了影響。其中斷面4與斷面5正處于排澇站出水口外，流態(tài)較為復(fù)雜，因此這兩個(gè)斷面上的測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)出距離出水口近的流速增加明顯而距離遠(yuǎn)的點(diǎn)增加不明顯的特征。斷面6、斷面7以及斷面8處于出水口下游，水流流態(tài)較為穩(wěn)定，因此斷面上各點(diǎn)流速增加的分布較為均勻。

綜上，工程后各試驗(yàn)工況下，主槽水道內(nèi)最大縱向流速出現(xiàn)在最高通航水位條件下(工況1)，約為2.23 m/s，流速較小，因此不會(huì)影響主槽水道的正常通航。

4 結(jié)語

本次研究采用物理模型，以珠江三角洲某水道為例，設(shè)置6組不同試驗(yàn)情況，模擬了某排澇站在不同徑潮作用狀態(tài)下排澇作業(yè)過程。通過具體分析排澇站出水口流量分配以及主槽水道橫向、縱向流速分布，研究了某排澇站在不同的漲落潮狀態(tài)下運(yùn)行對(duì)感潮河段通航的影響，得出主要結(jié)論如下：

排澇站出水口流量分配狀態(tài)與主槽河道流量狀態(tài)(漲落潮狀態(tài))息息相關(guān)。潮波動(dòng)力的影響改變了出水孔各個(gè)導(dǎo)流孔的分流狀態(tài)。隨著主槽流量的增加，排水口處的橫向流速逐漸減小。當(dāng)主槽水道流量相對(duì)較小時(shí)，排澇作業(yè)排水量在局部區(qū)域水流過程占據(jù)主導(dǎo)，對(duì)主槽水道航道有一定影響，最大橫向流速達(dá)到0.7 m/s。主槽水道內(nèi)最大縱向流速出現(xiàn)在最高通航水位條件下(工況1)，且流速不大，不會(huì)影響主槽水道正常通航。