受风暴潮影响河口水域建闸的减灾效应研究

刘诚，梁燕，叶荣辉，侯堋

（1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州510611；2.中交第四航务勘察设计院有限公司,广东广州510230）



受风暴潮影响河口水域建闸的减灾效应研究

刘诚1，梁燕2，叶荣辉1，侯堋1

（1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州510611；2.中交第四航务勘察设计院有限公司,广东广州510230）

摘要：风暴潮对华南沿海及河口区域影响较大，随着社会经济的进一步发展，为减少风暴潮灾害损失，需采取必要的减灾措施。常见的减灾措施有加固堤防、提高堤防高程以及河口关键部位建闸等。本文以珠江河口白龙河水域为例，通过建立风暴潮数学模型，选择对珠江河口影响较大的典型风暴潮“9316贝姬”和“0814黑格比”，论述了河口建闸相对于加固堤防或者提高堤围高程的减灾效应及优势。数学模型计算及论证表明：受风暴潮影响河口水域建闸的减灾效应明显。

关键词：风暴潮；珠江河口；白龙河；水闸；防灾减灾；防洪防潮

1　引言

我国东南部沿海地区易受台风暴潮影响，尤其是河口水域。东南沿海河口地区社会经济发达、人口密集，风暴潮灾害往往给这些地区造成巨大的损失[1-2]。随着社会经济的进一步发展，在全球气候变化的背景下，极端天气事件愈加频繁[3]，若不采取减灾措施，未来河口地区在风暴潮期间遭受的损失将更加巨大。

以珠江河口为例，该河口是广东沿海地区受风暴潮灾害影响最频繁的地区之一。当河口天文高潮和风暴潮叠加，又遭遇上游洪水下泄及河口地区暴雨时，将发生洪、涝、潮三碰头，河口及三角洲地区将遭受特大洪涝灾害[1]。降低河口地区受风暴潮灾害损失及影响风险，需以预防措施为主[3]。在河口区域建设水闸或者提高海堤高程，是预防临水区域风暴潮灾害的有效措施。本文以珠江河口白龙河水域（其地理位置见图1）为例，通过计算分析来论述白龙河口建闸相对于海堤工程在减灾效应方面的优势。图2给出的是白龙河水域预防风暴潮灾害的措施布局情况。

图1　珠江河口白龙河地理位置及水域形势图

2　白龙河风暴潮灾害介绍

白龙河位于西江磨刀门西侧，三灶水文站东侧，原与磨刀门相通。近年来白龙河东侧围垦，现仅通过鹤洲水道与磨刀门相连，在南侧龙屎窟处与外海连通，变成南侧开口的封闭水域，呈喇叭口型。风暴潮进入白龙河后，在北侧受白藤水闸阻断，易产生壅水效应，风暴潮在白龙河内持续时间长，潮灾比磨刀门河口更严重。在“9316”期间，实测白藤大闸外潮位比三灶站高0.86 m，三灶、鹤洲北海堤全部漫顶。“0814”期间，三灶站潮位高达3.43 m，白龙河两岸水位升高，损失更严重。

3　研究方法介绍

为分析白龙河口建闸的减灾效应，建立了珠江河口三维精细风暴潮数学模型，通过复演具有代表性的风暴潮过程，了解河口建闸前后的风暴潮增水特性及其对白龙河防潮情势的影响。

珠江河口三维精细风暴潮数学模型采用FVCOM[4]（Finite-Volume Coastal Ocean Model）。FVCOM是无结构三角形网格架构、有限体积、自由表面、三维原始方程海洋数值模型，其原始方程主要包含动量方程、质量连续方程以及温度、盐度和密度方程。在垂向上采用Sigma坐标系对不规则底床进行拟和，在平面上利用三角形网格对岸线边界进行空间离散。FVCOM模型在数值处理方法和岸线地形拟和上的优势使其在河口海岸地带得到了广泛应用[5-6]。动量方程和连续方程如下：

式中：U和V为x和y方向速度；f为科氏常数；ω为垂向速度；ς为垂直坐标，其中ς=0为平均水面所在位置；η为波周期平均的自由水面；D=H+η为总水深；H为平均水面到底床的距离；P为压力；ρ和ρ0为海水总密度和参照密度；g为重力加速度；τpα、τwα和τbα为风压力、风应力和底摩阻产生的应力项；Kh为垂向涡粘系数；Am和An为水平涡粘及扩散系数。

3.1台风气压场和风场的计算

3.1.1台风气压场的计算

参考文献[1-2,5-7]，台风气压场计算公式如下: Takahashi公式：

式中：P∞为台风外围气压(正常气压)，P0为台风中心气压，R为台风最大风速半径，P(r) 为距台风中心r距离处的气压。

3.1.2台风风场的计算

设Vx、Vy为台风移速在x、y方向的分量，台风风场速度（）采用如下公式表示：

3.2边界条件[1,2,5-7]

（1）设vn为垂直于边界速度，n代表法向，侧面固壁处vn=0

（2）在底部边界层处的固壁与水流之间的相互作用采用下式来计算拖曳系数：

（3）开边界条件：1）外海给定潮位调和常数，2）上游河道处给定流量边界条件。

（4）水气界面边界条件由风场和对应的气压场驱动。

3.3模型范围及模型介绍

珠江河口风暴潮模型范围含南海海域及珠江河口网河区。根据现有资料珠江河口（南海）风暴潮模拟最终范围及网格如图3所示。工程局部范围内的网格及地形如图4所示。模型包含珠江河口八大口门及南海海域。通过网格验证，工程局部网格尺寸约为5 m。水闸关闭期间与外海无水体交换，其影响通过修改地形模拟，垂向设7层网格，内外模时间步长分别为10 s和1 s。

图3　南海及珠江河口风暴潮模型范围及网格布置

图4　工程局部范围网格及地形分布

图5　“9316”号台风和“0814”号台风路径

4　风暴潮对白龙河水域的影响

建国以后，对珠海产生严重影响的风暴潮有“8309”、“8908”、“9316”以及“0814”号台风引发的风暴潮。图5给出的是“9316”（贝姬）和“0814”（黑格比）的台风路径。

图6给出的是“9316”风暴潮期间的增水过程数值模拟结果和实测结果比较图，图7给出的是“0814”风暴潮期间的增水过程数值模拟结果和实测结果比较图。通过该图可知数值结果和实测结果吻合较好，可以用于风暴潮模拟研究。

图8给出的是“9316”及“0814”风暴潮期间白龙河水域的增水包络面分布图，在“9316”风暴潮期间，水闸建设前白龙河水域增水由南至北逐渐变大，最大值为2.0 m，平均值为1.53 m；“0814”风暴潮期间增水最大值为2.5 m，平均值为2.16 m。

5　河口建闸对白龙河水域风暴潮的减灾效果

如图2所示，为减轻白龙河水域风暴潮灾害损失，方案之一为在白龙河南出口龙屎窟处新建一水闸，同时在鹤洲水道靠近磨刀门水域建设一个水闸。方案之二为加高白龙河水域沿岸所有的堤围高程，确保其能抵御防洪标准下的风暴潮袭击，沿岸堤围长度约为123 km。

图6　“9316”号台风期间两站模拟增水与实测增水对比

图7　“0814”号台风期间两站模拟增水与实测增水对比

图8　风暴潮期间白龙河河道内最大增水包络图

图9给出的是“9316”及“0814”风暴潮期间，水闸工程建设后的增水分布图，可知“9316”风暴潮期间，水闸建设后白龙河水域平均增水减少至0.37 m；“0814”风暴潮期间平均增水减少至0.62 m。另外对于与水闸相邻却不受水闸保护的水域，通过比较水闸建设前后的增水包络图，可知该水域内增水范围扩大，增水值也增大；“9316”期间增水值增大0.067 m，“0814”期间增水值增大0.152 m。

风暴潮灾害除了因风暴潮冲击和翻越岸线带来的堤防损毁和漫滩淹没损失，还存在侵蚀海岸、航道淤积、破坏渔业、损坏船舶、农田盐碱化、沿岸工业受损等多方面的灾害效应。此外风暴潮还影响沿岸区域正常的社会经济生活，造成工厂停工、学校停课、社会恐慌等负面效应[8-10]。白龙河水域可被侵蚀岸线约32 km，航道长约16 km，是珠海金湾区传统的渔业作业区和渔港，周边拥有农田约5万亩，还是珠海重要的三灶科技园，涵盖医药、航空、物流等工业园区，也是珠海重要的教育和旅游产业聚集地。

若采用加固堤防、提高堤防等级的方法减灾，工程水域风暴潮特性并未改变，只能减少堤防在风暴潮期间的损毁程度和漫滩淹没损失，对与河道有关的社会经济方面的减灾效应较小。就本文所研究的白龙河水域而言，水闸建设阻断了白龙河水域与外海的连通性，外海增水和暴潮不再影响水闸保护水域；其减灾效应是全方位的。而且在河口建闸可以兼顾潮汐发电，形成新的效益。从投资上估算，在河口建闸与加固白龙河水域堤防的成本相当。总体而言，白龙河口建闸的减灾效应显著。

图9　水闸工程建设后白龙河河道内最大增水包络图

6　结论

本文以珠江河口白龙河水域为例，通过建立风暴潮数学模型，选择对珠江河口影响较大的典型风暴潮“9316贝姬”和“0814黑格比”，计算了白龙河口建闸前后风暴潮增水平面分布的变化，论述了在河口建闸相对于加固堤防或者提高堤围高程在减灾效应方面的优势。数学模型计算结果表明，无论是在“9316”还是“0814”期间，白龙河口建闸均能显著减少保护水域的风暴潮增水，提高该水域防洪防潮标准，避免工程水域受到较大影响；若能兼顾潮汐发电等附加功能，河口建闸的效益更加明显。

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Mitigation effect study of tidal sluice building in the Bailong river of Pearl river estuary

LIU Cheng1, LIANG Yan2, YE Rong-hui1, HOU Peng1
(1. Pearl River hydraulic research institution, Foshan 510611 China; 2. CCCC-FHDI Engineering Co., Ltd，Guangzhou 510230 China)

Abstract：The coastal regions of South China including Pearl River Estuary (PRE), face frequent threats from storm surges triggered by tropical and extra-tropical cyclones, and encounter the most powerful natural hazards. In order to reduce the catastrophe loss during the storms, some mitigation or disaster reduction measures are certainly necessary. The common measures are the dams reinforce, dams heightening and the tidal sluice built in the estuary. Taken the Bailong River in the PRE as an example, a storm surge model is established using FVCOM (Finite-Volume Coastal Ocean Model) and the advantage of tidal sluice building over the dams reinforce and dams heightening is discussed. The top 2 most severe cyclones, No.199316 (Becky) and No.200814 (Hagupit), were simulated. The heights of storm surges with and without tidal sluices in the Bailong River estuary under model simulation are compared with each other, and the results show that building tidal sluices has better effects on mitigation.

Key words：storm surge; Pearl river estuary(PRE); Bailong river; tidal sluices; mitigation; flood preventing

作者简介：刘诚（1975-），男，高级工程师，博士，主要从事河口海岸动力学方面研究。E-mail：jacklc2004@163.com

基金项目：国家自然科学基金项目（50909110）；广东省科技计划项目（2013B020200008）；广东省自然科学基金项目（915106110100001）。

收稿日期：2015-06-16

中图分类号：P731.23

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2016）01-0065-06