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      橫門潮位站與東河水利樞紐斷面水潮位關(guān)系研究

      2022-04-22 07:23:34田軍林
      廣東水利水電 2022年4期
      關(guān)鍵詞:水位站東河潮位

      田軍林

      (中山市水庫水電工程管理中心,廣東 中山 528400)

      中山市位于珠江三角洲中南部,珠江口西岸,面積為1 800.14 km2,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,雨量充沛,多年平均降水量為1 710.3 mm。境內(nèi)河流眾多,河網(wǎng)縱橫交錯(cuò),珠江八個(gè)入海口中的磨刀門、橫門、洪奇瀝等主要水道流經(jīng)境內(nèi),從西北向東南入海。地處珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)下游,三面環(huán)水,中部為山區(qū),周邊為沖積平原,常受臺風(fēng)和暴雨影響[1-2]。

      1 中山市臺風(fēng)和咸潮影響情況

      1.1 臺風(fēng)影響情況

      1988—2019年間,共有59次臺風(fēng)影響中山市,平均每年有1.9次。特別是2018年和2019年,連續(xù)2 a受強(qiáng)臺風(fēng)影響。2017年8月23日,強(qiáng)臺風(fēng)“天鴿”正面侵襲中山,對中山市造成嚴(yán)重的風(fēng)雨潮影響,全市15個(gè)指標(biāo)站陣風(fēng)達(dá)10級以上,坦洲鎮(zhèn)鐵爐山水庫(非指標(biāo)站)出現(xiàn)16級(51.6 m/s)陣風(fēng)。全市出現(xiàn)了50~100 mm降雨,東鳳鎮(zhèn)鶯歌咀出現(xiàn)101.5 mm最大雨量。臺風(fēng)影響時(shí),正值天文大潮期,潮水與風(fēng)勢疊加引發(fā)風(fēng)暴潮,中山市沿海地區(qū)潮位站全面超出警戒潮位。2018年9月16日17:00,第22號臺風(fēng)“山竹”在臺山海宴鎮(zhèn)登陸,受其環(huán)流影響,中山市出現(xiàn)10~14級陣風(fēng),大涌鎮(zhèn)錄得最大雨量為171.5 mm。臺風(fēng)“山竹”期間,潮水因風(fēng)勢和低氣壓引發(fā)風(fēng)暴潮,中山市沿海地區(qū)潮位站全面超出警戒潮位,橫門觀測站站錄得水位超出歷史最高水位。2次臺風(fēng)均造成堤防漫頂,部分水利設(shè)施損毀,大量樹木和農(nóng)作物倒伏、街道漬浸和房屋受損,經(jīng)濟(jì)損失巨大[3-4](見圖1)。

      圖1 2008—2019年對中山市影響較大的臺風(fēng)路徑示意

      1.2 咸潮影響情況

      冬春季節(jié)枯水期,受西、北江水位銳降影響,中山市平原區(qū)河網(wǎng)會(huì)發(fā)生潮汐倒灌上溯現(xiàn)象,出現(xiàn)咸潮。咸潮在上游淡水來量和潮流強(qiáng)弱不同的情況下,越近河口含鹽量越大,越向上游則越少;漲潮憩流時(shí)含鹽量最大,落潮憩流時(shí)含鹽量最小。正常年份磨刀門水道的咸潮上溯至神灣鎮(zhèn)以下、燈籠山以上,橫門水道則在火炬開發(fā)區(qū)小隱涌;干旱年份磨刀門水道的咸潮線上推到神灣鎮(zhèn),橫門水道到達(dá)東河水利樞紐。咸潮通常出現(xiàn)于每年的10月至次年4月,但以12月至次年2月較頻繁。洪水期一般不受咸潮影響。中山市在2009—2011年連續(xù)3 a受咸潮嚴(yán)重影響。2009年11月下旬,咸潮上溯到小欖水道的大豐水廠和雞鴉水道的新涌口水廠,全祿、大豐水廠被迫24 h低壓供水,影響全市50%供水區(qū)域[5]。

      2 東河水利樞紐

      東河水利樞紐工程位于岐江河?xùn)|端與橫門水道交界處,與東河泵站、東河水閘和東河船閘組成,于2000年建設(shè)完成并試運(yùn)行。水閘設(shè)10孔,單孔凈寬為15 m,總凈寬為150 m,最大過閘流量為1 020 m3/s,閘門設(shè)計(jì)水位差為2.60 m,按100 a一遇暴潮水位加11級風(fēng)浪爬高設(shè)計(jì)。泵站安裝6臺立式軸流泵,總裝機(jī)容量為10 800 kW,設(shè)計(jì)排澇流量為273 m3/s,按5 a一遇外江水位、10 a一遇24 h連續(xù)暴雨1 d排干標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。東河水利樞紐是中順大圍主要的排澇工程之一,當(dāng)外江水位超過1.5 m(珠江基準(zhǔn),下同)時(shí),東河水利樞紐關(guān)閘擋潮,通過泵站將匯集到岐江河的澇水排向外江橫門水道,使岐江河水位控制在1.3 m(見圖2~圖3)。

      圖2 東河水利樞紐示意

      圖3 橫門潮位站與東河水利樞紐關(guān)系示意

      3 研究意義

      中山市屬于受臺風(fēng)嚴(yán)重影響同時(shí)又受咸潮威脅的地區(qū),臺風(fēng)引起的風(fēng)暴潮與天文大潮疊加對外江堤圍和水閘等水利工程造成嚴(yán)重威脅,咸潮影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和群眾正常生活。東河水利樞紐是中順大圍東段重要的水利工程,在臺風(fēng)暴潮期間承擔(dān)著抵擋外江潮水和排除內(nèi)澇功能,在枯水期抵擋咸潮上溯。若東河水利樞紐及其附近堤防出現(xiàn)險(xiǎn)情,將極大威脅中山市主城區(qū)的安全。黃山,朱良生通過數(shù)值模擬風(fēng)暴潮研究臺風(fēng)增水過程[6]。劉曾美,陳子利用copula函數(shù)模擬了區(qū)間暴雨和外江洪水遭遇研究的風(fēng)險(xiǎn)[7]。陳文想分析了2008—2018年強(qiáng)臺風(fēng)對珠江口—橫門一帶的增水影響,發(fā)現(xiàn)了主要增水因素[8]。陸秀文,李亮通過研究赤灣站潮位與茅洲河沙井河口斷面水位關(guān)系分析了不同斷面水位關(guān)系[9]。劉瑞哲,朱慶勇,倪培桐通過MIKE21和Holland構(gòu)建模型模擬了“天鴿”臺風(fēng)在珠江口增水過程[10]。王建領(lǐng)分析了在超過設(shè)計(jì)水位差情況下閘門運(yùn)行的一種情況。任錦亮,李瓊芳,李鵬程等通過擬合上海市臺風(fēng)降雨和潮位的概率分布,分析了臺風(fēng)降雨和潮位組合風(fēng)險(xiǎn)概率[11]。付利群分析了引發(fā)橫門水道風(fēng)暴潮超警戒水位的熱帶氣旋特征,給出了重點(diǎn)防御的熱帶氣旋[12]。因此,研究臺風(fēng)、咸潮等不同工況下橫門潮位站與東河水利樞紐斷面水位關(guān)系,可以由橫門潮位站水(潮)位預(yù)測東河水利樞紐河口斷面水(潮)位,為東河水利樞紐及其他類似水利工程提供調(diào)度參考,以提前決策、科學(xué)調(diào)度,做好防御。

      4 水文資料和潮汐規(guī)律

      中山市大陸海岸線總長為57 km,潮位站主要在火炬開發(fā)區(qū)和南朗鎮(zhèn)。橫門潮位站位于中山市火炬開發(fā)區(qū),距離東河水利樞紐7 km,從1953年建站以來一直觀測至今,觀測資料基本完整,成果包括站點(diǎn)歷年潮水位統(tǒng)計(jì),歷年最高、最低潮水位統(tǒng)計(jì)和逐年各月高潮平均潮水位統(tǒng)計(jì)等。東河內(nèi)水位站和東河外水位站分別位于東河水利樞紐上游、下游,有較為完整的水位和降雨記錄資料。本次選取近年典型水位序列資料進(jìn)行分析研究。

      潮汐是在月球和太陽引力作用下形成的海水周期性漲落現(xiàn)象。白天稱潮,夜間稱汐,總稱“潮汐”。外海潮波沿江河上溯,又使得江河下游發(fā)生潮汐。潮汐規(guī)律是指海水在天體(月球和太陽)作用下所產(chǎn)生的周期性運(yùn)動(dòng)。習(xí)慣稱海面垂直方向漲落為潮汐,而海水在水平方向的流動(dòng)稱為潮流。中山市屬混合型不正規(guī)半日周潮,每天大致兩漲兩退,每次從漲潮到退潮約8 h,從退潮到漲潮約4 h。相鄰的高潮或相鄰的低潮其潮位高度均不相等。每月朔(初一)、望(十五或十六)期潮差最大(稱大潮期),每月上弦(初八前后)和下弦(23日前后)潮差最小(稱小潮期)[13]。

      5 不同工況的選取

      由于臺風(fēng)降雨遭遇相同概率的高潮位的概率較低,本次不考慮臺風(fēng)與潮水發(fā)生的關(guān)聯(lián)性[14-15]。根據(jù)水文資料和潮汐規(guī)律,選取有臺風(fēng)影響、無臺風(fēng)有降水影響和無臺風(fēng)無降水3種工況進(jìn)行橫門潮位站斷面和東河水利樞紐斷面關(guān)系分析。具體工況如下:① 臺風(fēng)工況,工況1:臺風(fēng)“天鴿”,工況2:臺風(fēng)“山竹”;② 無臺風(fēng)有降水工況,工況3:2018.6.7暴雨(遭遇3年一遇暴雨),工況4:2018.8.29暴雨(三鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭遇50年一遇降雨);③ 無臺風(fēng)無降水工況,工況5:大潮期;工況6:小潮期。

      表1 工況選取情況

      6 不同工況下潮位分析

      1) 工況1:臺風(fēng)“天鴿”

      臺風(fēng)“天鴿”在2017年8月23日12:50在珠海登陸。橫門潮位站水(潮)位在2017年8月23日13:30達(dá)到最大值3.08 m,東河外斷面水位在2017年8月23日13:53達(dá)到最大值2.91 m,東河內(nèi)斷面水位在2017年8月23日17:29達(dá)到最大值0.67 m。橫門潮位站斷面與東河外斷面最高水(潮)位發(fā)生時(shí)間相差0.38 h,最大水(潮)位差0.17 m;東河外與東河內(nèi)最高水(潮)位差2.24 m。當(dāng)日多站水位過程線如圖4所示。

      圖4 臺風(fēng)“天鴿”登陸前后各站水位過程線示意

      2) 工況2: 臺風(fēng)“山竹”

      臺風(fēng)“山竹”在2018年9月16日17:00在臺山登陸。橫門潮位站水(潮)位在2018年9月16日16:57達(dá)到最高值3.29 m,即在臺風(fēng)登陸時(shí)達(dá)到最高水(潮)位。東河外斷面水位在2018年9月16日17:56達(dá)到最高值3.24 m,橫門潮位站斷面與東河外斷面最高水(潮)位發(fā)生時(shí)間相差1 h,最高水(潮)位差0.05 m。東河內(nèi)斷面水位在2018年9月16日24:00為最高值1.25 m,東河外與東河內(nèi)最高水(潮)位差1.99 m(如圖5所示)。

      圖5 臺風(fēng)“山竹”登陸前后各站水位過程線示意

      3) 工況3: 無臺風(fēng),中山市遭遇3年一遇暴雨

      橫門潮位站水(潮)位在2018年6月7日16:06達(dá)到最高值0.78 m,東河外斷面水位在2018年6月7日16:18達(dá)到最高值0.70 m,東河內(nèi)斷面水位在2018年6月7日9:26為0.53 m。橫門潮位站斷面與東河外斷面最高水(潮)位發(fā)生時(shí)間相差0.2 h,最高水(潮)位差為0.08 m;東河外與東河內(nèi)最高水(潮)位差為0.17 m(如圖6所示)。

      圖6 2018年6月7日0—24:00,遭遇3年一遇暴雨各站水位過程線

      4) 工況4: 無臺風(fēng),三鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭遇50年一遇暴雨

      橫門潮位站水(潮)位在2018年8月29日11:24達(dá)到最高值1.14 m,東河外斷面水位在2018年8月29日11:24達(dá)到最高值1.01 m,東河內(nèi)斷面水位在2018年8月29日15:35為0.3 m。橫門潮位站斷面與東河外斷面最高水(潮)位發(fā)生時(shí)間差0 h,最高水(潮)位差為0.13 m;東河外與東河內(nèi)最高水(潮)位差為0.71 m(如圖7所示)。

      圖7 2018年8月29日0-24:00,遭遇50年一遇暴雨時(shí)各站水位過程線

      5) 工況5:大潮,朔后1日

      橫門潮位站水(潮)位在2018年12月8日23:00達(dá)到最高值1.16 m,東河外斷面水位在2018年12月8日23:00達(dá)到最高值1.27 m,東河內(nèi)斷面水位在2018年12月8日21:48為0.96 m。橫門潮位站斷面與東河外斷面最高水(潮)位無發(fā)生時(shí)間差,最高水(潮)位差為0.11 m;東河外與東河內(nèi)最高水(潮)位差為0.31 m(如圖8所示)。

      圖8 2018年12月8日0-24:00,大潮日各站水位過程線

      6) 工況6:小潮,下弦前1日

      橫門潮位站水(潮)位在2018年12月28日2:52達(dá)到最高值1.14 m,東河外斷面水位在2018年12月28日3:25達(dá)到最高值1.28 m,東河內(nèi)斷面水位在2018年12月28日0:15為0.91 m。橫門潮位站斷面與東河外斷面最高水(潮)位發(fā)生時(shí)間相差0.55 h,最高水(潮)位差為0.14 m;東河外與東河內(nèi)最高水(潮)位差為0.37 m(如圖9所示)。

      圖9 2018年12月28日0-24:00,小潮日各站水位過程線

      不同工況下,東河外水位站水位過程線與橫門潮位站基本一致,主要受潮水影響。東河外水位站最高水(潮)位發(fā)生時(shí)間滯后于橫門潮位站或者與橫門站同時(shí)發(fā)生。在臺風(fēng)和暴雨工況下,橫門潮位站最高水(潮)位大于東河水位站最高水(潮)位,高差為0.05~0.17 m。在1月前后(咸潮期),無臺風(fēng)無暴雨工況,會(huì)出現(xiàn)東河水位站最高水(潮)位大于橫門潮位站最高水(潮)位情況。東河內(nèi)水位由于受東河水利樞紐的控制,與東河外水位和橫門潮位站水位差別較大(見表2)。

      表2 各工況對比分析

      7 結(jié)語

      本次選用6個(gè)不同工況,2個(gè)有臺風(fēng)降雨、2個(gè)無臺風(fēng)有降雨和2個(gè)無臺風(fēng)無降雨工況進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

      1) 在臺風(fēng)工況下,橫門潮位站水(潮)位最高,東河外水位站次之,東河內(nèi)水位站最低。東河外水位站最高水(潮)位發(fā)生時(shí)間滯后于橫門潮位站,滯后時(shí)間為0.38~1.0 h,最高水(潮)位差為0.05~0.17 m。東河外水位站和東河內(nèi)水位站的最高水(潮)位差為0.17~2.24 m,時(shí)間差值在3.60~6.0 h之間。值得注意的是,臺風(fēng)會(huì)顯著影響橫門潮位站和東河外水位站最高水(潮)位,較未遭遇臺風(fēng)的其他工況,水(潮)位增幅為1.63~2.51 m。東河水利樞紐水閘的最大水位差達(dá)到2.24 m。

      2) 在無臺風(fēng)、遭遇暴雨工況下,橫門潮位站水(潮)位最高,橫門潮位站、東河外水位站和東河內(nèi)水位站的水(潮)位依次降低。因東河水利樞紐有泵站排水,暴雨工況對東河內(nèi)水位并無明顯影響。各個(gè)水位站的水(潮)位過程線趨勢相同,即內(nèi)河水位隨外江水(潮)位變化。東河外水位站與橫門潮位站差值為0.08~0.13 m,滯后時(shí)間為0~0.20 h。東河外水位站與東河內(nèi)水位站的最高水(潮)位差為0.17~0.71 m,時(shí)間差值為4.18~6.87 h。

      3) 在無臺風(fēng)、無降雨工況下,水(潮)位受潮汐影響,出現(xiàn)橫門潮位站最高水(潮)位低于東河外水位站最高水(潮)位的情況,即東河外水位站水(潮)位最高,橫門潮位站其次,東河內(nèi)水位站最低。東河外水位站與橫門潮位站差值為0.11~0.14 m,滯后時(shí)間為0~0.55 h。東河外水位站與東河內(nèi)水位站的最高水(潮)位差為0.31~0.37 m,時(shí)間差值為1.20~3.16 h。

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