東江下游及三角洲河道糙率分析

倪培桐，王 揚，陳卓英

(1.廣東省水利水電科學研究院， 廣東 廣州 510630；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室， 廣東 廣州 510630；3.河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室， 廣東 廣州 510630)

20世紀80年代以來，珠江三角洲水文情勢發(fā)生了顯著的變化，表現(xiàn)在部分河段沖淤特征發(fā)生大幅變化，河網(wǎng)分水、分沙比改變，河道上游水位下降，河口區(qū)洪水位壅高等現(xiàn)象，影響珠江三角洲地區(qū)防洪安全，珠江三角洲水文情勢異常變化問題一直是國內學者關注的熱點問題[1-4]。河道水面線是水利規(guī)劃、流域防洪抗災等水利活動的重要基礎水文要素，河道糙率是推算河道水面線的重要參數(shù)，是河道阻力的綜合反映。很多學者探討了糙率的優(yōu)化取值[5-12]，常用方法包括查表法、試錯法，其中濾波方法[9]、遺傳算法[7,12]等可明顯減少人為影響提高率定效率。受自然及人類活動等因素的影響，由于河床下切嚴重，在推算東江下游及三角洲水面線時，缺乏與地形匹配的大流量級洪水實測資料推求河道糙率。本文結合河床演變、洪水變化比較分析結果等數(shù)據(jù)[13]，綜合選取1997年實測河道地形的綜合糙率系數(shù)。本研究可為東江流域推算洪潮水面線、水利規(guī)劃、流域防洪抗災等提供參考數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 區(qū)域概況

珠江由西江、北江、東江及三角洲河網(wǎng)組成，東江干流發(fā)源于江西省尋鄔縣椏髻嶺，在廣東境內流經(jīng)龍川、河源、紫金、博羅、惠陽至東莞石龍，石龍以下進入三角洲河網(wǎng)區(qū)。東江三角洲通過獅子洋與西、北江三角洲相連，相對獨立。干流由源頭至石龍長約520 km，至獅子洋總長約562 km。石龍以上廣東省境內約23 540 km2，約占流域總面積的87.06%，石龍以下的東江三角洲面積約為1 380 km2。

本流域屬亞熱帶氣候，高溫濕潤多雨，具有明顯的干濕季節(jié)。東江流域多年平均降水量在1 500 mm～2 400 mm之間，其中4月—9月占全年降雨的80%以上。東江洪水具有水情復雜、洪水遭遇種類繁多等特點。由鋒面雨造成的洪水峰型較肥碩，漲水緩慢。由臺風雨造成的洪水峰型尖瘦，漲落變化快，一次洪水過程一般為6 d～8 d。東江三角洲的潮汐屬不規(guī)則半日潮，日潮不等現(xiàn)象顯著。由于受徑流和臺風的影響，年最高潮位一般出現(xiàn)于汛期。

1.2 數(shù)據(jù)

研究采用的地形資料主要為1964年、1997年河道地形圖，少量河道采用1989年、1990年航道圖，其中實測河道地形長度約481 km，占模型計算河道總長的92%。其中東江下游及三角洲河道1997年地形資料是目前為止較為系統(tǒng)的成套地形資料(見圖1)。

圖1研究范圍示意圖

1.3 數(shù)學模型建立

河網(wǎng)區(qū)水流數(shù)學模型由一維圣維南方程組來描述，模型采用Preissmann四點加權隱式差分格式離散水流方程組，采用三級連解法隱式求解。模型計算范圍為東江博羅至三角洲河網(wǎng)區(qū)的出海口大盛、泗盛圍、漳澎和麻涌(見圖1)。東江博羅及三角洲河網(wǎng)水道概化為97個河段，57個汊點，894個斷面，博羅到口門段，斷面間距約150 m～500 m，模型計算總里程為522 km[13]。

1.4 比降與糙率的比值法

(1)

其中：V為斷面流速；S為比降；R為水力半徑；n為糙率；K為比降與糙率的比值。窄深河床的K值隨平均水深的增加趨向于常數(shù)，寬淺河床的K值乘以h/B，修正后仍然可得到穩(wěn)定的結果，黃河及長江實測資料顯示，平均水深超過3 m時，K值趨向常數(shù)，河寬較小的斷面，平均水深小于3 m，K值趨向穩(wěn)定[15]。

2 結果與討論

2.1 “95.8”洪水模型率定

由于不同洪水量級的河道綜合糙率不同，需要選取與地形匹配的不同量級洪水過程來反求河道糙率。與1997年實測河道地形相匹配的較大洪水過程出現(xiàn)在1995年8月，博羅站洪峰流量為6 660 m3/s，接近東江流域三庫調洪工況下的5年一遇洪水(簡稱“95.8”洪水)，該場洪水可作為“常遇洪水”的率定資料。模型率定的上邊界取值為博羅、麒麟咀的流量過程，下邊界取值為大盛、泗盛圍相應的潮位過程，率定結果見表1。

表1 洪峰水位率定結果(“95.8”洪水)

2.2 控制站H-Q分析

基于“95.8”洪水率定的糙率適合于中低流量洪水情況，大流量級別洪水條件下的河道糙率確定需要結合河床演變，分析主要水文/水位站水位-流量關系曲線(簡稱“H-Q”)、水位相關關系( 簡稱“H-H”)等數(shù)據(jù)綜合考慮。

1993年—2000年水文數(shù)據(jù)表明博羅水文站同流量下的水位也不斷處于下降趨勢(見圖2(a))。通過比較1966年及1997年地形條件實測洪水K值(見圖2(b))，利用1966年K值延長2000年K值近曲線，可進一步計算出1997年地形條件下博羅H-Q曲線。分別利用文獻[16]實測水文資料及2003年枯季實測資料計算K值[15]，分別計算出博羅H-Q曲線1和曲線2(見圖2(c))。上述曲線與本文推出的基于1997年地形條件下的博羅綜合H-Q曲線非常接近。

利用博羅水文站的洪水水位實測資料分別建立博羅與惠陽、石馬河、樊屋水位相關曲線(見圖3)，同時建立樊屋與石龍(二)、峽口水閘相關曲線(見圖3)。

2.3 河道糙率計算

常遇洪水糙率率定采用1995年8月洪水資料，得到的河道糙率基本反映了東江三角洲常遇洪水條件下的河道糙率。對于大流量級別的洪水，如百年一遇洪水，則需要利用前文“95.8”洪水率定的河道糙率為基礎，結合博羅與惠陽、石馬河、樊屋水位相關曲線、樊屋與石龍(二)、峽口水閘相關曲線反求東江下流及三角洲高流量級的河道糙率。三庫調洪條件下模型糙率選取結果見圖4。東江三角洲河道糙率在三角洲頂部較大，三角洲下部河道糙率較小，河段糙率在0.02～0.03之間，糙率取值與1989年水面線基本一致。石龍汊口附近糙率較大，這與該處河道水面坡降較大有關，以“95.8”洪水為例，洪峰時刻，樊屋水位5.03 m，石龍(二)水位為3.6 m，峽口水閘水位4.4 m，北干流樊屋至石龍(二)段由于鐵路橋及河道水面落差較大，因此河道糙率也較大。

2.4 討論

在1988年以前，東江博羅-樊屋段河床演變的基本特征是河道沖淤相間，多數(shù)斷面沖淤厚度在1.0 m以下。1988到1997年，博羅至石龍段河床全線發(fā)生下切，企石到石龍河段，斷面平均下切深度達到3.0 m以上，斷面最大下切深度約11 m。三角洲河段河床變形也很明顯。1972年到1988年間，東江北干流基本上全線下切，其中石龍汊口到增江口河段下切深度在1.0 m以下；增江口到大盛河段下切深度多在1.0 m以上，斷面最大下切約8.4 m。1988年到1997年間，北干流河段河床平均下切2.0 m～7.77 m，斷面上最大下切16.0 m左右。1988年到1997年間，東江南支流河床演變的基本特征是下切現(xiàn)象明顯，南支流河段平均下切0.3 m～6.0 m，斷面上最大下切約13.6 m。

圖2 博羅H-Q曲線分析

圖3 測站H-H相關曲線分析

圖4不同流量下博羅-口門糙率

由于發(fā)生低量級洪水時，潰堤較少，同時由于堤圍位置的變化較小，可以認為歷史與近期的低量級洪水可比性相對較好。東江干流1964年與1997年的河段槽蓄容積變化比較表明，在發(fā)生洪峰流量為4 800 m3/s(博羅)的洪水時，惠陽—博羅、博羅—石馬河、石馬河—樊屋段河道槽蓄容積增加分別為21%、30%、114%。

博羅水文站大斷面平均水深比較表明與1966年大斷面相比較，1989年、1995年、2000年大斷面地形分別增加0.20 m、0.39 m、1.14 m，最大下切約4 m。

利用上述糙率及1997年地形資料，復演同量級的各場歷史洪水，可以判定該量級洪水在該河段水面線的下降程度，從而可在一定程度上估算歷史資料用于模型率定的可靠程度。比較惠陽—樊屋河段6 000 m3/s～7 000 m3/s量級的歷史洪水結果見表2，結果顯示1970年—1987年發(fā)生同量級洪水時，東深取水口附近水位較現(xiàn)在高1.35 m～1.55 m，博羅水位較現(xiàn)在高0.68 m～0.83 m，相應地惠陽水位較現(xiàn)在高0.59 m～0.78 m，表明惠陽的水位變化受博羅水位變化影響大，其水位變化受自身河床變形影響相對較小。

表2 惠陽—樊屋段歷史洪水驗證計算

為了進一步分析河道分流比的可靠性，本文假定三角洲河道糙率一致，計算出的河道分流比主要反映河道過水面積對分流比的影響(簡稱“同糙率法”)。東江三角洲河道分流比比較見表3，本次河道分流比計算結果與82年水面線、行洪線結果相比，北干流分流比變小，南支流分流比變大，這與東江河網(wǎng)河道地形變化特點一致及當?shù)卣{查結論一致。

表3 三角洲河道分流比比較

注：行洪控制線、“95.8”率定、同糙率法：洪水頻率流量：P=2%(Q博羅=10 910 m3/s；Q增江=3 520 m3/s)；P=5%(Q博羅=9 420 m3/s；Q增江=2 340 m3/s)；82年水面線洪水頻率流量：P=2%(Q博羅=13 100 m3/s；Q增江=3 520 m3/s)。

3 結 論

(1) 東江下游及三角洲河道河床下切致使博羅水文站H-Q曲線不斷處于下降趨勢。利用1966年K值延長2000年K值近曲線，可以得到相對合理的1997年地形條件下博羅H-Q曲線高水部分。

(2) 東江三角洲河道糙率在三角洲頂部較大，三角洲下部河道糙率較小，河段糙率在0.02～0.03之間，糙率取值與1989年水面線基本一致。本次水面線選取的石龍汊口附近糙率較大，這與該處河道床面坡降較大有關。