風(fēng)暴潮作用下的大灣區(qū)海堤安全設(shè)計(jì)潮位探究
——以伶仃洋河口灣為例

李 彬，何 用，方神光*

(1 廣東省水利水電技術(shù)中心，廣東 廣州 510635；2 珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611)

粵港澳大灣區(qū)是中國開放程度最高、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一，灣區(qū)防潮安全主要仰仗海堤，其堤頂高程大多數(shù)采用設(shè)計(jì)高(潮)水位+安全超高的方法確定[1]，設(shè)計(jì)潮位成果主要形成于2000年左右[2]。隨著近些年珠江河口極端氣候增多，尤其是近10年來影響大灣區(qū)的臺(tái)風(fēng)暴潮頻數(shù)明顯增加[3]，風(fēng)暴潮引起的增水極為顯著，如1713號(hào)臺(tái)風(fēng)“天鴿”和1822號(hào)臺(tái)風(fēng)“山竹”期間，磨刀門口門三灶站極值增水幅度分別達(dá)到1.86、2.84 m[4]，0814號(hào)臺(tái)風(fēng)“黑格比”期間，伶仃洋赤灣站增水幅度1.46 m[5]，珠江河口以西閘坡站增水達(dá)到2.0 m[6]。風(fēng)暴潮極值增水直接導(dǎo)致珠江河口多處站點(diǎn)潮位超歷史，如1822號(hào)臺(tái)風(fēng)“山竹”期間(中潮)，珠江河口虎門、南沙、橫門、三灶等站點(diǎn)均超200年一遇設(shè)計(jì)潮位，其中橫門站達(dá)到1 000年一遇。大灣區(qū)海堤設(shè)計(jì)頻率潮位仍采用皮爾遜Ⅲ型分布曲線方法確定[2]，該方法引自內(nèi)陸河道防洪設(shè)計(jì)水位計(jì)算方法，對(duì)河口以抵御風(fēng)暴潮侵襲為主的海堤來講，不僅難以突出風(fēng)暴潮極值增水在海堤高程設(shè)計(jì)中的主導(dǎo)作用，而且得到的河口站點(diǎn)常用設(shè)計(jì)頻率(0.5%、1%、2%、5%、10%、20%)潮位間差距很小，風(fēng)暴潮的較大增水疊加不利天文潮時(shí)經(jīng)常超海堤設(shè)計(jì)潮位值，跳頻嚴(yán)重，導(dǎo)致現(xiàn)狀海堤存在較為嚴(yán)重的漫堤或越浪損毀風(fēng)險(xiǎn)。

河口風(fēng)暴潮極值增水若遭遇天文大潮，將造成嚴(yán)重洪澇災(zāi)害損失[7]。為探討風(fēng)暴潮增水與天文潮遭遇后的設(shè)計(jì)潮水位，董吉田等[8]及馮東太[9]在20世紀(jì)90年代就提出了大風(fēng)浪與高水位的聯(lián)合概率統(tǒng)計(jì)分析方法；劉德輔等[10]推薦在濱海核電站防護(hù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，采用多維復(fù)合極值分布理論及雙層嵌套多目標(biāo)聯(lián)合概率模式來確保核電安全；董勝等[11]、陳磊[12]、王紅川[13]、王灶平等[14]基于Copula 理論和方法構(gòu)建風(fēng)暴潮、極值潮位、風(fēng)浪等的聯(lián)合概率分布函數(shù)，探討了不同因子的聯(lián)合概率密度、條件概率密度和同現(xiàn)概率，為工程設(shè)計(jì)、防潮規(guī)劃和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等提供科學(xué)依據(jù)，但同時(shí)指出，重現(xiàn)期的探討不僅依賴長期觀測資料，同時(shí)聯(lián)合概率理論在許多方面尚不成熟并有待完善。

為突出風(fēng)暴潮極值增水在海堤設(shè)計(jì)潮位中的主導(dǎo)作用，避免聯(lián)合概率理論在工程實(shí)際應(yīng)用中的困難，盡快為大灣區(qū)海堤提標(biāo)加固和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)，本文依據(jù)珠江河口和三角洲水文站實(shí)測水文數(shù)據(jù)并引用公開發(fā)表及規(guī)劃成果進(jìn)行了分析探討，提出了海堤風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位的概念，給出和驗(yàn)證了控制站點(diǎn)的風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位值，并對(duì)大灣區(qū)當(dāng)前主要海堤面臨的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了初步評(píng)估。

1 伶仃洋河口灣風(fēng)暴潮極值增水及與洪潮遭遇分析

1.1 典型站點(diǎn)設(shè)計(jì)頻率潮位特性

伶仃洋河口灣部分主要控制站點(diǎn)分布見圖1。大灣區(qū)海堤設(shè)計(jì)潮位主要采用2002年水面線成果[15]，考慮珠江河口0814號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“黑格比”影響后，2011年水利部珠江水利委員會(huì)發(fā)布了復(fù)核后的設(shè)計(jì)潮位[16]。近年來，隨著1713號(hào)“天鴿”和1822號(hào)“山竹”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)連續(xù)出現(xiàn)，導(dǎo)致伶仃洋河口灣部分站點(diǎn)潮位不斷突破歷史極值，灣區(qū)部分城市為確保防潮安全提出了主要站點(diǎn)重新復(fù)核后的設(shè)計(jì)潮位成果[17]。為此，圖2比較了2002、2011、2020年伶仃洋部分站點(diǎn)設(shè)計(jì)頻率0.5%和5%的潮位成果不同時(shí)期之間的差值Δht。

除三角洲網(wǎng)河區(qū)板沙尾站設(shè)計(jì)頻率潮位不同時(shí)期變化不大且略有降低外，其他站點(diǎn)設(shè)計(jì)潮位都有顯著抬升，且設(shè)計(jì)頻率越小，潮位抬升幅度越大。從2002年至2020年，三沙口站所在獅子洋水域設(shè)計(jì)頻率0.5%和5%的潮位分別抬升了0.79 m和0.38 m；伶仃洋口門站點(diǎn)南沙站、大虎站和萬頃沙西5%設(shè)計(jì)頻率潮位抬升幅度在0.2～0.5 m之間，0.5%設(shè)計(jì)頻率潮位抬升幅度在0.6～1.0 m之間，以大虎站抬升幅度最為顯著；伶仃洋河口灣赤灣站設(shè)計(jì)頻率0.5%和5%的潮位分別抬升0.94 m和0.74 m。比較來看，伶仃洋河口灣中，赤灣站設(shè)計(jì)潮位抬升幅度最為顯著。因此，重新排頻后的設(shè)計(jì)潮位影響主要集中在口門及外海水域，越靠近外海，設(shè)計(jì)潮位抬升幅度越大。但必須指出的是，由于風(fēng)暴潮期間的實(shí)測潮位是天文潮與風(fēng)暴潮增水疊加后的值，因此網(wǎng)河區(qū)設(shè)計(jì)潮位變化幅度小并不代表網(wǎng)河區(qū)不受風(fēng)暴潮增水影響。

圖1 伶仃洋河口主要潮位站點(diǎn)分布

a)p=0.5%

b)p=5%

圖3采用2002年和2011年設(shè)計(jì)潮位成果給出了伶仃洋河口灣主要控制站點(diǎn)設(shè)計(jì)頻率0.5%和1%、1%和2%、2%和5%之間的潮差Δhp。2次潮位成果比較顯示河口灣及口門站點(diǎn)相鄰設(shè)計(jì)頻率之間的潮位差都不超過0.2 m，尤其口門及外海站點(diǎn)200年一遇潮位僅比100年一遇潮位略高0.1 m多，在當(dāng)前風(fēng)暴潮極值增水都在2.0 m以上的現(xiàn)狀下，極容易出現(xiàn)連續(xù)跳頻和超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的問題?？紤]“黑格比”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響后，2011年的設(shè)計(jì)頻率潮位之間的差距相較2002年僅略有拉大。因此，由于河口天文潮變化幅度相較內(nèi)陸河道洪水變化幅度要小，仍采用河道洪水分析的皮爾遜Ⅲ型分布曲線計(jì)算方法來確定河口設(shè)計(jì)頻率潮位存在較大的局限性，難以直接突出風(fēng)暴潮極值增水在設(shè)計(jì)潮位中的主導(dǎo)作用，而且依據(jù)其確定海堤高程可能會(huì)存在較大的越浪或漫堤風(fēng)險(xiǎn)。

a)2002年

b)2011年

1.2 典型站點(diǎn)臺(tái)風(fēng)極值增水分析

將風(fēng)暴潮期間實(shí)測潮位與天文潮位相減作為風(fēng)暴潮增水幅度Δhsurge，統(tǒng)計(jì)了對(duì)大灣區(qū)影響最大的三場臺(tái)風(fēng)：0814號(hào)“黑格比”、1713號(hào)“天鴿”和1822號(hào)“山竹”在主要伶仃洋主要控制站點(diǎn)的極值增水幅度(圖4)，增水幅度主要依據(jù)近年發(fā)布的河口水文站風(fēng)暴潮實(shí)測最高潮位與天文潮之差得到?？梢姡尕暄蠛涌跒骋?822號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”增水幅度最為顯著，大虎、南沙、萬頃沙西和橫門4個(gè)口門站點(diǎn)增水幅度都在3.0 m左右，伶仃洋中部赤灣站和網(wǎng)河區(qū)板沙尾站增水幅度分別為2.63、2.72 m。與前面各站點(diǎn)復(fù)核后的設(shè)計(jì)頻率水位抬升幅度比較來看，盡管赤灣站設(shè)計(jì)頻率潮位抬升最大，但其極值增水幅度相對(duì)最小，進(jìn)一步說明風(fēng)暴潮極值增水與天文潮的不同階段遭遇對(duì)潮位影響很大；另外網(wǎng)河區(qū)板沙尾站臺(tái)風(fēng)極值增水幅度也較為顯著，說明網(wǎng)河區(qū)同樣顯著受到風(fēng)暴潮增水的影響。

圖4 主要控制站點(diǎn)風(fēng)暴潮極值增水

1.3 風(fēng)暴潮極值增水與洪潮遭遇分析

珠江流域洪水主要來自西北江，因此，為分析風(fēng)暴潮與洪水遭遇情況，此處統(tǒng)計(jì)1994—2018年25年間影響粵港澳大灣區(qū)39場臺(tái)風(fēng)暴潮期間三灶站最大增水時(shí)段內(nèi)上游馬口和三水來流量(摘自水文站實(shí)測數(shù)據(jù))，同時(shí)給出了部分風(fēng)暴潮期間對(duì)應(yīng)的非洪水期流量，結(jié)果見圖5，顯示馬口和三水同時(shí)出現(xiàn)最大洪水流量對(duì)應(yīng)的臺(tái)風(fēng)為2008年的6號(hào)臺(tái)風(fēng)“風(fēng)神”，期間馬口站最大流量30 600 m3/s，三水站最大流量9 920 m3/s，均未超5年一遇設(shè)計(jì)洪水流量；對(duì)珠江河口影響最大的“山竹”臺(tái)風(fēng)期間，馬口和三水最大流量分別僅為4 852 m3/s和1 156 m3/s。因此，綜合分析顯示，珠江河口風(fēng)暴潮與大洪水遭遇概率較小。

圖5 洪水與風(fēng)暴潮極值增水遭遇統(tǒng)計(jì)

針對(duì)風(fēng)暴潮極值增水時(shí)刻與天文潮型的遭遇，此處統(tǒng)計(jì)了1994—2018年共39場次風(fēng)暴潮期間三灶站極值增水時(shí)刻的天文潮型，結(jié)果見圖6。統(tǒng)計(jì)顯示，風(fēng)暴潮極值增水遭遇天文中潮的次數(shù)最多，達(dá)到28次，遭遇大潮和小潮的頻次分別僅為6次和5次，其中，1713號(hào)“天鴿”和1822號(hào)“山竹”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)極值增水期間分別遭遇了大潮和中潮，導(dǎo)致伶仃洋海域大部分站點(diǎn)都出現(xiàn)超過200年一遇的設(shè)計(jì)潮位。采用概率統(tǒng)計(jì)，顯示珠江河口風(fēng)暴潮極值增水與天文大潮、中潮和小潮遭遇的概率分別為15.4%、71.8%和12.8%，以遭遇中潮的可能性最大。

因此，珠江河口灣風(fēng)暴潮極值增水期間基本上與設(shè)計(jì)頻率洪水不遭遇(圖5)，與河口天文潮中潮遭遇概率最大(圖6)。

圖6 天文潮與風(fēng)暴潮極值增水遭遇統(tǒng)計(jì)

2 海堤風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位的提出及驗(yàn)證

2.1 海堤風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位概念的提出

大灣區(qū)海堤堤頂高程一般采用以下公式確定[2]：

Zp=hp+RF+A

(1)

式中Zp、hp、RF和A——堤頂高程、設(shè)計(jì)潮位、波浪爬高和安全加高。

河口海域天文潮各設(shè)計(jì)頻率潮位hp之間潮差相差較小且歷史以來總體穩(wěn)定，但每年河口出現(xiàn)的風(fēng)暴潮強(qiáng)度和移動(dòng)路徑等具有很大的隨機(jī)性。因此，區(qū)別于河道堤防以抵御設(shè)計(jì)洪水位為主，海堤的主要功能以抵擋風(fēng)暴潮可能造成的漫堤和風(fēng)浪越浪過大為主。當(dāng)前國內(nèi)hp的確定仍采用皮爾遜Ⅲ型分布曲線計(jì)算方法，引用的是河道設(shè)計(jì)頻率洪水位的概念，盡管控制站點(diǎn)復(fù)核后的設(shè)計(jì)頻率潮位顯著抬升，但分析可知，其計(jì)算成果一方面僅反應(yīng)了口門及近海海域的潮位變化，不能反應(yīng)網(wǎng)河區(qū)設(shè)計(jì)潮位變化，而根據(jù)圖4可知，口門以內(nèi)網(wǎng)河區(qū)風(fēng)暴潮極值增水幅度相當(dāng)顯著；另一方面得到的相鄰設(shè)計(jì)頻率潮位之間潮差偏小。因此，采用該方法推算出的設(shè)計(jì)頻率潮位hp作為大灣區(qū)海堤堤頂高程設(shè)計(jì)的依據(jù)會(huì)使部分海堤高程不足以抵御風(fēng)暴潮的威脅，風(fēng)暴潮期間存在漫堤或越浪過大而損毀的風(fēng)險(xiǎn)。

為合理確定hp的值，保障海堤工程安全，按照風(fēng)浪與潮位的聯(lián)合概率分布求算設(shè)計(jì)頻率潮水位概念明確[11-14]，但是風(fēng)浪與潮位同步歷史長系列觀測資料稀缺，同時(shí)該方法應(yīng)用繁瑣及缺少成熟可靠的技術(shù)指引而難以在工程實(shí)踐中廣泛推廣使用。因此，如何從實(shí)際需求出發(fā)，提出安全、可靠、合理和簡便的方法確定hp并明確區(qū)分天文潮和風(fēng)暴潮增水各自的貢獻(xiàn)，將對(duì)當(dāng)前開展的海堤工程安全設(shè)計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等具有重要意義。從前面分析可見，大灣區(qū)風(fēng)暴潮極值增水主要與天文潮中潮遭遇，兩者疊加容易形成極為不利的高潮位，因此，本文提出直接采用多年平均高潮位與已調(diào)查的河口最大風(fēng)暴潮增水疊加作為海堤堤頂高程的設(shè)計(jì)潮位，同時(shí)為與以往采用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線方法確定的hp有所區(qū)分，此處命名為海堤風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位，表達(dá)如下：

hsurge=haveh+hse

(2)

式中hsurge、haveh和hse——海堤風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位、多年平均高潮位和風(fēng)暴潮最大增水幅度。

該計(jì)算方法明確區(qū)分了天文潮和風(fēng)暴潮增水幅度各自的貢獻(xiàn)，概念明確清晰，計(jì)算方法簡單實(shí)用，相關(guān)數(shù)據(jù)資料豐富可獲取。另外，在多年平均高潮位的計(jì)算中，盡管可能包含有風(fēng)暴潮的影響，但由于每年河口地區(qū)由風(fēng)暴潮增水引起的最高潮位頻次很少，在資料年限夠長的情況下，其對(duì)實(shí)際統(tǒng)計(jì)值的影響可忽略不計(jì)。

2.2 海堤風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位分析與驗(yàn)證

結(jié)合珠江河口主要控制站點(diǎn)多年平均高潮位統(tǒng)計(jì)結(jié)果，應(yīng)用式(2)計(jì)算了伶仃洋河口灣主要控制站點(diǎn)的海堤風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位值，并與近年考慮“山竹”和“天鴿”后的潮位復(fù)核成果[17]進(jìn)行了比較，見圖7，圖中橫坐標(biāo)P代表潮位復(fù)核設(shè)計(jì)頻率，縱坐標(biāo)PΔh為海堤安全設(shè)計(jì)潮位hsurge與hp潮差比例，計(jì)算公式見式(3)，分析如下：

(3)

圖7 海堤風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位與設(shè)計(jì)頻率潮差比

伶仃洋口門及獅子洋海域，海堤風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位hsurge大于復(fù)核后的設(shè)計(jì)頻率潮位h0.5%～2%，hsurge與復(fù)核后h0.5%設(shè)計(jì)頻率潮位相差最小，口門海域PΔh在10%以內(nèi)，獅子洋海域略大，為11.5%；

伶仃洋河口灣，海堤風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位hsurge小于復(fù)核后的設(shè)計(jì)頻率潮位h0.5%～2%，且與h2%設(shè)計(jì)頻率潮位極為接近，兩者PΔh值僅為2.6%，與h1%設(shè)計(jì)頻率潮位差比例PΔh值也僅為8.1%，與h0.5%潮差比例PΔh值較大，達(dá)到21.1%；

三角洲網(wǎng)河區(qū)，海堤風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位hsurge與復(fù)核后的設(shè)計(jì)頻率潮位h1%和h2%相差不大，潮差比PΔh值都在5%以內(nèi)，且呈現(xiàn)h2%

因此，海堤風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位略大于伶仃洋口門區(qū)和獅子洋海域復(fù)核后的200年一遇設(shè)計(jì)潮位，與三角洲網(wǎng)河復(fù)核后的100年一遇設(shè)計(jì)潮位基本相等，其趨勢與近年對(duì)“天鴿”和“山竹”風(fēng)暴潮引起的珠江河口極值高潮位定性認(rèn)識(shí)研究成果基本一致[18]。伶仃洋河口灣赤灣站2020年復(fù)核后的設(shè)計(jì)頻率0.5%、1%和2%潮位較2011年分別抬升0.94、0.88和0.82 m，顯著大于其他站點(diǎn)抬升幅度，但根據(jù)圖4顯示，由于風(fēng)暴潮期間該站點(diǎn)位于伶仃洋灣內(nèi)東側(cè)以離岸流減水為主，該站最大增水幅度明顯小于其他站，且處于口門以外受洪水徑流影響弱，因此初步認(rèn)為該站點(diǎn)2020年的設(shè)計(jì)頻率潮位成果偏大且有待于進(jìn)一步復(fù)核確認(rèn)。

3 結(jié)論

伶仃洋海域近年0.5%～2%設(shè)計(jì)頻率潮位抬升幅度為0.2～1.0 m，呈現(xiàn)河口灣抬升幅度最大、口門和獅子洋其次、三角洲網(wǎng)河區(qū)最小的趨勢；風(fēng)暴潮極值增水都在2.5 m以上，現(xiàn)狀相鄰設(shè)計(jì)頻率之間的潮位差都不超過0.2 m，風(fēng)暴潮期間潮位容易跳頻和超海堤設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而造成安全風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)暴潮極值增水期間與上游20%設(shè)計(jì)頻率及以上洪水不遭遇，與天文潮中潮遭遇概率最大。

針對(duì)現(xiàn)狀設(shè)計(jì)頻率潮位在海堤堤頂高程設(shè)計(jì)應(yīng)用中的問題，結(jié)合風(fēng)暴潮與中潮遭遇可能性最大的特點(diǎn)，本文提出了海堤風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位的概念，由海域多年平均高潮位與風(fēng)暴潮最大極值增水疊加組成，概念清晰，使用簡單，突出海堤抵御風(fēng)暴潮災(zāi)害的主要功能，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)頻率和聯(lián)合概率理論使用中的問題，與復(fù)核后的100～200年一遇設(shè)計(jì)潮位較為接近且略大，確保其使用中的安全可靠。可推廣應(yīng)用在大灣區(qū)海堤達(dá)標(biāo)加固設(shè)計(jì)、現(xiàn)狀海堤風(fēng)暴潮安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及風(fēng)暴潮災(zāi)害預(yù)警及應(yīng)對(duì)等領(lǐng)域。但是，海堤風(fēng)暴潮安全設(shè)計(jì)潮位屬于相對(duì)較新的提法，基本擯棄了大灣區(qū)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)頻率潮位的概念，因此,為確保其可靠、安全、經(jīng)濟(jì)和適用，還需開展更多研究、應(yīng)用和驗(yàn)證工作。