排涝站运行对感潮河段通航的影响分析

黄凌超,穆守胜

(1. 中水珠江规划勘测设计有限公司, 广州 510610； 2. 南京水利科学研究院， 南京 210098)

1 概述

感潮河段受到径流及潮波两种动力的影响，流速与水位过程呈现出周期性的变化特征，加之河道水下地形条件的变化，水体运动过程十分复杂[1-2]。此外，世界上很多感潮河道发育成为平原河网，例如一些河网纵横的三角洲地区，河网系统内多条汊道的连接和分汊结构更增加了这类区域中水体运动的复杂性。珠江三角洲河网是典型的潮汐河网[3]，这一区域水网纵横交错，分流汇合情况复杂，珠江河网通过八大口门与外海相连。因此，这一区域不仅受到来自珠江水系上游径流的影响，海岸潮波运动也对该区域水体产生了十分明显的控制作用[4]。因此，珠三角流域上游径流向下输运往往会遭遇潮波上溯的阻滞作用，使得上游来流无法顺畅下泄，水体的聚集会直接导致局部区域的河道水位迅速壅高。此外，珠江三角洲也是极端降水频发的区域[5]，短时间高强度的降水也会加剧局部水位的过快抬升，给这一区域的防洪带来直接威胁。因此，珠三角河网区面临着严重的洪涝灾害影响[6-7]，对沿岸城镇居民的生产生活成了严重的影响。

人们为了解决珠三角河网区域频发的洪涝问题，除了在上游建设大型水库、沿岸加高和巩固堤防，还常常在复杂的水系中建设闸门、排水泵站等枢纽设施，通过水量调度，来消除局部水位过高的威胁[8]。在受到潮波运动影响的感潮河道中，由于联通外海的主槽河道内往复流的产生，排涝水闸及排水泵站的运行相较于非感潮河道更为复杂。

此外，潮汐河网常常位于经济发展程度高的区域，这些河网区域内的河道还通常是天然便利的通航线路，水道的航运任务繁重[9-11]。船舶通航能力以及通航安全也是必须考虑的问题。感潮河段中排涝站的运行，势必对这一区域水动力过程产生较大的影响，通航区域水流条件的优劣，直接影响到船舶航行的安全运行要求，是航道运营维护的关键所在。其中，河道水位的变化直接决定了航道深度，即航道水线面到至航道底部的垂直距离，很大程度上影响了船舶通航能力。此外，水流流速的变化会对航道安全富余宽度造成影响，安全富余宽度是保证船舶航行过程中不产生船吸、岸吸现象的最小尺度。因此，水位和流速的变化直接关系到航道的通航安全。排涝作业将多余水体排入航道区域，导致航道水体局部扰动，使得航行区域流速、水位产生调整，进而也改变了河道的通航条件。此外，排涝作业对通航的影响也会在感潮河道中不同径潮动力条件作用下也会有所不同。因此，这一问题十分复杂且具有较高的研究意义和现实价值。

为了深入探讨这一课题，本文以位于珠江三角洲某水道(本文中命名为主槽水道)上的排涝站为例，采用物理模型的方法，对排涝站在典型感潮河道中不同径潮动力条件下的排水作业进行了试验研究，通过排涝站出水口各导流孔的流量分配以及主槽水道横向、纵向流速分析，明确排涝站运行对感潮河段通航的影响。

2 物理模型设置

为了准确有效地反应研究区域的水动力过程，本文采用物理模型进行研究，模型比尺为70，此外，根据重力、阻力、水流时间以及流量相似原则，确定模型流速比尺为8.37，糙率比尺为2.03，水流时间比尺为8.37以及流量比尺为40 996。模型范围以排涝枢纽为中心，主槽水道取至排涝站上游部分约1.2 km、下游部分约1.4 km，模型平面布置如图1所示。模型分为内河涌、排涝站(排涝泵站、排涝水闸和导流墩)以及主槽水道3部分。模型以排涝站为中心，该区域中的内河涌通过排涝泵站以及排涝水闸经由导流墩与主槽水道相连，主槽水道与珠江河网水系连通，同时受到径流与潮波动力的影响；内河涌则延伸进入乡村城镇，对居民生产生活产生直接影响。当内河涌水位过高时，人们会通过排涝泵站或排涝水闸将多余水体排入主槽水道。图中点1～6从左向右依次显示布置于导流墩外的测点位置，而罗马字母 Ⅰ ～Ⅵ则代表排涝站出水口6个导流孔编号。

图1 物理模型平面布置示意(单位：m)

由于研究区域实测水文资料缺乏，因此本文所采用物理模型的边界条件及验证过程借鉴了珠江三角洲一维水动力数学模型结果[12-13]。这一数学模型经多年发展、应用，通过了珠江流域“986”、“997”、“012”等多组典型水文组合率定与验证(其中“012”代表了珠江三角洲极具代表性的2001年2月枯水代表潮型)。经过数学模型与物理模型结果的相互对比，水位误差以及流速误差均在5%以内。其模拟结果可以保证本文中的物理模型满足研究精度要求。

由于主槽水道与珠江河网连通，受到潮波运动的影响，因而随着主槽水道内涨、落潮过程的变化，排涝作业对主槽水道通航影响也会有所差异。因此，为了完整反映这一影响过程，本研究选取了1个完整的枯季代表潮型(涨潮、落潮以及涨落潮转流)，同时结合该处排涝站的设计流量(Q=319.9 m3/s)，组合确定了6种典型工况，作为本文研究试验的径、潮动力边界条件，具体设置见表1。其中，主槽水道流量以向下游输运为正方向，即，流量设置为正时，主槽水道径流由上游向下游输运，模拟落潮状态；当流量设置为负时，代表主槽水道径流由下游向上游输运，模拟涨潮状态；当流量设置为零时，代表涨落潮之间的转流状态。因此，表1中工况1、2和3代表落潮过程，工况4代表转流而工况5、6则代表涨潮过程。

表1 主槽水道通航影响试验工况

3 物理模型试验结果

3.1 导流孔分流状态

如图1所示，本区域排涝站出水口经过导流墩分为6个导流孔，各个导流孔流量分配状况会对主槽河道通航条件产生影响，随着主槽水道内涨落潮过程的变化，导流孔流量分配也会发生明显的改变。为了直观地展示各个导流孔的流量分配情况，本文研究分别计算了各个工况条件下导流孔的流量分配比例，结果如图2所示，可以明显对比不同工况对导流孔流量分配的改变情况。

从图2可以看出，各工况条件下排涝站导流孔间的流量分配极不均匀。在工况1、工况2以及工况3时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 导流孔流量基本为0。这说明当上游径流下泄时，排水口出水主要通过Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ导流孔进行，且此时各个导流孔排水量分配呈现出“上游少下游多”的态势，主槽水道上游径流促使排涝站水体排入主槽水道后向下游输运。工况4时，各个排水孔流量分配最为均匀，说明在主槽河道径流量降至零时，排水口排水受到主槽的水体运动影响较小，各个导流孔排水流量的分配呈现出“中间多两边少”的态势。而工况5与工况6时，水体主要由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 导流孔排出，且各导流孔排水量分配呈现出“上游多下游少”的态势。这是因为此时主槽水道处于涨潮状态，主槽水道流量从下游向上游输运，流量输运方向与工况1、工况2时正好相反。说明在不同涨落潮状态下潮波动力的作用明显改变了出水口各个导流孔的分流状态。

图2 各试验工况导流孔流量分配比例示意

综上，排涝站出水口导流孔的流量分配特征与主槽河道流量大小及方向(涨落潮状态)息息相关，主槽流量的大小在各个导流孔流量分配过程中起到了重要的影响作用。

3.2 横向流速分析

航道内的横向流速，是水体流速在航道法线方向上的分量，是衡量航道水流条件的重要指标之一。排涝水闸以及排涝泵站排水作业时，大量水体排入主槽水道，必然会引起主槽航道内横向流速的明显增加，给主槽水道的通航条件带来不利的影响，因此，本文研究通过实验观测给出了各试验工况下出水口处航道横向流速大小(测点位置见图1)，结果如图3所示。

从图3中可以看出工况4状态下横向流速最大，这是因为此时主槽流量最小，排涝站出水口流量在排水区域占据主导地位，因而使得横向流速最大，其最大值约为0.7 m/s；其次是当工况5主槽水道处于涨潮初期时刻约为0.65 m/s。工况1、工况2以及工况6的横向流速均较小，这是由于主槽流量较大时，无论涨潮还是落潮，排涝站出水流量均不能占据主导地位，主槽水道上游来流直接使得排涝站出水流向转向下游，因此主槽水道横向流速不大。且随着主槽流量的增加，排水口处的横向流速逐渐减小。因此，出水口出横向流速大小与主槽水道流量和排涝站出水量的相对大小息息相关。

3.3 纵向流速分析

除了横向流速以外，航道内的纵向流速，也是衡量航道水流条件的重要指标，纵向流速指流速在航道方向上的分量。排涝水闸以及排涝泵站将内河涌中多余水体排入主槽水道时，也会引起航道内纵向流速的明显改变，给航道的通航条件带来一定的影响，为了明确纵向流速受排涝作业的影响，本研究给出了主槽水道纵向流速的分布(测点位置见图4)，结果如图5所示。

图4 主槽水道纵向流速测点位置示意

图5 主槽水道纵向流速分布特征示意(最高通航水位)

图4展示了主槽水道内纵向流速测点的布设位置，为了比较全面地反映主槽水道的流速分布状态，本文在模型主槽水道中从上游到下游依次选取了8个断面，每个断面选取4到5个测点，读取模型试验结果，以点带面，展示主槽水道内纵向流速分布特征。由于研究工况较多，本文主要选取总纵向流速最大的工况1(最高通航水位情况)对比工程建设前后纵向流速变化情况。

从图5可以看出，断面1与断面2的流速在工程前后无变化，这是由于这两个断面位于排涝站出水口上游，主槽上游来水决定了这两个断面的流速状态，而排涝站的建设运行对这两个断面流速过程基本没有影响。除了断面1与2以外，其他断面流速均有不同程度增加。这是由于其他断面均位于排涝站出水口附近或者下游，排涝站水流下泄对这些断面产生了影响。其中断面4与断面5正处于排涝站出水口外，流态较为复杂，因此这两个断面上的测点呈现出距离出水口近的流速增加明显而距离远的点增加不明显的特征。断面6、断面7以及断面8处于出水口下游，水流流态较为稳定，因此断面上各点流速增加的分布较为均匀。

综上，工程后各试验工况下，主槽水道内最大纵向流速出现在最高通航水位条件下(工况1)，约为2.23 m/s，流速较小，因此不会影响主槽水道的正常通航。

4 结语

本次研究采用物理模型，以珠江三角洲某水道为例，设置6组不同试验情况，模拟了某排涝站在不同径潮作用状态下排涝作业过程。通过具体分析排涝站出水口流量分配以及主槽水道横向、纵向流速分布，研究了某排涝站在不同的涨落潮状态下运行对感潮河段通航的影响，得出主要结论如下：

排涝站出水口流量分配状态与主槽河道流量状态(涨落潮状态)息息相关。潮波动力的影响改变了出水孔各个导流孔的分流状态。随着主槽流量的增加，排水口处的横向流速逐渐减小。当主槽水道流量相对较小时，排涝作业排水量在局部区域水流过程占据主导，对主槽水道航道有一定影响，最大横向流速达到0.7 m/s。主槽水道内最大纵向流速出现在最高通航水位条件下(工况1)，且流速不大，不会影响主槽水道正常通航。