赤石河口演變與河口治導(dǎo)線方案研究

劉壯添，陳睿智

（珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611）

1 引言

治導(dǎo)線是河道整治規(guī)劃擬定的滿足設(shè)計(jì)流量要求尺度和控制河勢的平面輪廓線[1]，原本是游蕩性河段彎曲型整治設(shè)計(jì)流路的一種表達(dá)方式，在整治實(shí)踐中需按照治導(dǎo)線來新建和續(xù)建整治工程、確定整治工程的位置和長度，故確定治導(dǎo)線是河道整治的核心和依據(jù)[2]。河口治導(dǎo)線既是河口行洪納潮的外延控制線，又是河口灘涂開發(fā)圍墾的限制線。治導(dǎo)線方案布置須在“以泄洪為主，兼顧航運(yùn)、灘涂開發(fā)、岸線利用”的前提下，結(jié)合河勢、水沙特性，協(xié)調(diào)各部門利益要求，達(dá)到合理劃定河口行洪范圍、改善行洪條件的目的[3-5]。

赤石河是深汕特別合作區(qū)主干行洪通道，研究赤石河口治導(dǎo)線布置可有效保障區(qū)域泄洪、納潮、旅游開發(fā)等功能，是滿足深汕特別合作區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的基礎(chǔ)。本文結(jié)合赤石河口近期演變及潛在的岸線利用需求，擬定三個治導(dǎo)線方案，并從對防洪防潮、流態(tài)、納潮量、河勢穩(wěn)定等幾個方面綜合論證，最終確定最適宜的布置方案。

2 概述

2.1 赤石河口基本情況

赤石河，又名鳳河，是深汕特別合作區(qū)主干行洪通道，發(fā)源于白馬山峰，流入紅海灣，集雨面積382km2，河流長度36.8km。赤石河口具有泄洪、納潮、旅游景觀等多種功能，口外沙壩砂質(zhì)良好，河口水質(zhì)優(yōu)良，適合旅游開發(fā)。

2.2 河口格局演變

通過對2010年以來實(shí)測地形和高分辨率遙感影像對比可以發(fā)現(xiàn)，赤石河口河勢基本穩(wěn)定，口外左岸東西向沙壩的發(fā)育對河口段灘槽格局造成一定影響。

1)赤石河口外存在東西向的沿岸輸沙，在河口區(qū)漲落潮流和波浪共同作用下，口外沙壩自東向西延伸，迫使口門段深槽向西側(cè)偏移。

2010年口外沙壩呈NE-SW向，沙壩寬度約150m，口門段深槽寬約300m；2018年沙壩向SW向延伸約220m，壩體寬度約190m，口門段深槽縮窄至210m；2020年沙壩西側(cè)前端位置基本保持不變，在S和E向波浪作用下發(fā)育反向沙嘴，壩體寬度減小，詳見圖1。

圖1 2010—2020年間赤石河口灘槽格局對比

2)沙壩在汛期受上游來水和臺風(fēng)暴潮影響，在中部沖決形成新的入海通道，表現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定性。

受上游洪水和臺風(fēng)暴潮作用，2018和2020年間口外沙壩中部沖決形成新的出口，寬度在110m左右，赤石河形成兩口入海格局，但主槽仍位于決口西側(cè)。汛期當(dāng)上游發(fā)生大洪水時(shí)，由于河口段深槽走向較為曲折，洪水來不及宣泄，在沙壩比較薄弱的位置沖決形成更短路徑的入?？?。同時(shí)沙壩中部直面本區(qū)S向常向浪，沙壩外側(cè)受波浪淘刷，是沙壩中部容易決口的另一個原因。

3 方法

3.1 方案設(shè)計(jì)

由于赤石河口外沙壩自東向西延伸，迫使口門段深槽向西側(cè)偏移，間接加長了河道，延緩了洪水宣泄。此外，沙壩在汛期受上游來水影響，在中部沖決形成新的入海通道，說明赤石河口洪水宣泄需求較大，需考慮流出洪水宣泄通道。另一方面，口外沙壩砂質(zhì)良好，河口水質(zhì)優(yōu)良，沙壩上進(jìn)行旅游開發(fā)條件較好，為保障泄洪、納潮，兼顧旅游開發(fā)等需求，為河口整治提供基礎(chǔ)導(dǎo)向，需先劃定河口治導(dǎo)線。

考慮到右岸海堤基本形成，堤線穩(wěn)定，其治導(dǎo)線可按堤線確定，自河口天然埡口上端，沿堤頂前沿線到河口沙壩對岸，再沿多年平均高高潮位與岸邊交線下延約800m。左岸分別從有利行洪和沙壩開發(fā)的角度，擬定3個方案（詳見圖2）：

圖2 赤石河入?？谥螌?dǎo)線論證方案布置示意圖

1)方案1：沿港尾河口順接赤石河規(guī)劃海堤線出河口后，以45°角延伸至規(guī)劃海堤管理范圍線。

2)方案2：出港尾河口后，沿沙壩上緣前沿，由中間沖決口前沿出河口，再沿沙壩下緣向東延伸約400m，最終與規(guī)劃海堤管理范圍線順接。

3)方案3：出港尾河口后，沿現(xiàn)狀整個沙壩上緣前沿，出河口后再向東延伸到約800m，最終與規(guī)劃海堤管理范圍線順接。

3.2 模擬論證

為分析治導(dǎo)線方案效果和影響，應(yīng)用二維數(shù)學(xué)模型對洪水、枯水及風(fēng)暴潮等水文組合工況下3種治導(dǎo)線方案進(jìn)行模擬。并從防洪防潮、流速流態(tài)、納潮量及河勢穩(wěn)定方面的影響對3種治導(dǎo)線方案進(jìn)行比選和推薦。

3.2.1 二維數(shù)學(xué)模型

采用守恒形式的二維淺水方程：

式中，U為守恒向量；Eadv、Gadv分別為x、y方向的對流通量向量；Ediff、Gdiff分別為x、y方向雷諾應(yīng)力引起的擴(kuò)散通量向量；Edis、Gdis分別為x、y方向二次流引起的擴(kuò)散通量向量；S為源項(xiàng)向量：

式中，h為水深；u、v分別為垂直方向平均流速在x、y方向的分量；b為底高程；r為降雨強(qiáng)度；i為入滲強(qiáng)度；vt為水平方向的紊動粘性系數(shù)；Dxx、Dxy、Dyx、Dyy為二次流引起的擴(kuò)散應(yīng)力項(xiàng)；g為重力加速度；f為柯氏力系數(shù)，f=2w sinφ，w為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；為風(fēng)應(yīng)力；Sxx、Sxy、Syy為波浪輻射應(yīng)力；Sfx、Sfy分別為x、y方向的摩阻斜率；S0x、S0y分別為x、y方向的底坡斜率：

3.2.2 計(jì)算工況

根據(jù)設(shè)計(jì)洪水與設(shè)計(jì)潮位，考慮洪潮遭遇組合，本次主要考慮以洪為主工況，即不同頻率設(shè)計(jì)洪水遭遇外江5年一遇設(shè)計(jì)潮位。各工況詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 水文組合工況特征參數(shù)

3.2.3 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

①網(wǎng)格剖分

二維數(shù)學(xué)模型的研究范圍包括了整個紅海灣、赤石河河口及上游4km河段。研究水域面積約1 155km2。模型采用三角形網(wǎng)格，并在河口附近水域進(jìn)行了網(wǎng)格加密。共計(jì)54 140個單元、29 092個節(jié)點(diǎn)。模型研究范圍網(wǎng)格剖分及局部網(wǎng)格細(xì)節(jié)分別見圖3。

圖3 二維網(wǎng)格剖分結(jié)果

②治導(dǎo)線方案概化

本次網(wǎng)格剖分中，沿著赤石河口3個治導(dǎo)線方案所在位置布置了控制線。治導(dǎo)線陸域側(cè)區(qū)域采用高程抬高的方式進(jìn)行概化，按全部不過水考慮。

③采樣點(diǎn)設(shè)置

為對比分析3種治導(dǎo)線方案對赤石河防洪納潮、流速流態(tài)、納潮量等方面的影響，在二維模型中布置了21個水位流速采樣斷面、16個流速采樣斷面，以及在河口處布置了1個潮量統(tǒng)計(jì)斷面。采樣點(diǎn)及統(tǒng)計(jì)斷面位置如圖4所示。

圖4 赤石河二維模型采樣點(diǎn)及潮量統(tǒng)計(jì)斷面分布圖

4 結(jié)果

4.1 行洪影響分析

對不同水文條件下各治導(dǎo)線方案特征水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)成果見表2，水位變化特點(diǎn)如下：

表2 采樣點(diǎn)水位變化結(jié)果表

1)50年、100年、200年一遇洪水分別遭遇外海5年一遇高潮位條件下，與現(xiàn)狀相比，方案3沙壩口（Z1）水位分別壅高0.54m、0.71m和0.88m，沙壩末端（Z6）水位分別壅高1.01m、1.24m和1.46m，沙壩的發(fā)育嚴(yán)重影響了赤石河的行洪能力，對深汕特別合作區(qū)防洪排澇體系建設(shè)帶來較大影響。

50年、100年、200年一遇洪水分別遭遇外海5年一遇高潮位條件下，治導(dǎo)線方案1產(chǎn)生的最大壅水分別為0.05m、0.04m和0.04m，均發(fā)生在距離沙壩口上游1.2km處，壅水0.01m范圍可追溯至上游3.2—3.6km；方案2最大壅水達(dá)到0.73m（200年一遇），上游4km處仍有0.27m的水位壅高；方案3最大壅水達(dá)到1.46m（200年一遇），上游4km處仍有0.67m的水位壅高，可見，由于方案2、3大幅縮小了河口泄洪斷面過水面積，導(dǎo)致上游洪水位壅高明顯，將進(jìn)一步影響赤石河行洪安全。

4.2 對流態(tài)的影響分析

對選取洪水和枯水兩種典型水文條件，統(tǒng)計(jì)不同不同治導(dǎo)線方案下各采樣點(diǎn)流速變化情況，統(tǒng)計(jì)成果見表3，流速變化特點(diǎn)如下：

表3 采樣點(diǎn)流速變化結(jié)果表

1)200年一遇洪水遭遇外海5年一遇高潮位條件下，方案1河口靠近沙壩末端（V1）流速最大增加0.03m/s，方案2、方案3則分別增加了0.64m/s和1.49m/s。3個治導(dǎo)線方案下，流速增加區(qū)域均集中在河口附近，上游河段受河口水位的頂托，流速減小，其中方案3流速減小最為明顯，在距離河口約1.2km的V7、V8采樣點(diǎn)，減少值在1m/s以上。

2)多年平均徑流遭遇枯季外海天文大潮潮位過程條件下，3種治導(dǎo)線方案對河口及以上河道的漲急流速、落急流速影響變化值均小于0.01m/s。

4.3 對流向的影響分析

洪水和枯水兩種典型水文條件下，不同治導(dǎo)線方案下各采樣點(diǎn)流向變化情況如下：

1）在洪水條件下，方案1造成的流向變化幅度在5°以內(nèi)。方案2、方案3洪水落潮順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)幅度達(dá)15°。

2）枯水條件下，3個治導(dǎo)線方案對河口的流向影響不大，采樣點(diǎn)流向變化均在1°以內(nèi)。

綜上，枯季，3種治導(dǎo)線方案對赤石河口的流速、流向基本沒有影響。洪季，由于治導(dǎo)線方案2、方案3大幅縮小了河口泄洪斷面過水面積，導(dǎo)致出口斷面流速增加明顯，方案1則對流速影響較小。

5 結(jié)論與建議

赤石河口由于自然演變引起的河口沙壩發(fā)育，對赤石河行洪影響較大，不宜開發(fā)，建議下一步深入研究沙壩形成機(jī)理，有針對性地實(shí)施疏浚、挑流等措施，確保赤石河行洪安全；赤石河口沙壩圍墾對赤石河枯季的流速、流向等影響影響均不大，但在洪季特別是赤石河發(fā)生洪水時(shí)，除方案1外其余兩個治導(dǎo)線方案行洪影響均較大。通過以上對3個治導(dǎo)線方案的計(jì)算分析結(jié)果可以看出，3個治導(dǎo)線方案中，相對于方案2、3，方案1基本沒有縮窄現(xiàn)狀河口斷面，對河口段的洪潮水位、流速流向、納潮量的影響都在可控范圍內(nèi)。尤其是洪潮水位影響方面，方案1基本維持了現(xiàn)狀河口喇叭形的泄洪通道，保障了汛期洪水的正常宣泄，銜接了規(guī)劃海堤，因此，從行洪安全以及與規(guī)劃海堤等銜接的角度，本研究推薦采用治導(dǎo)線方案1。□