深圳河近期冲淤变化特征及防洪治理对策

冯志勇，吴永妍，王 磊，尹 志，章广越，谈广鸣

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010；2.长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局智慧水文智能控制重点实验室，武汉 430014；3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）

0 引 言

深圳河是深圳经济特区和香港特别行政区的边界河流，是深圳市最大的水系，同时也是珠江三角洲水系的重要组成部分。在中国实施改革开放之前，深圳城市化密度低，深圳河处于自然演变状态［1］，原防洪能力仅为2～5年一遇，两岸洪涝灾害频发［2］。为消除洪水灾害，深圳市政府联合香港特区政府于1995年开始实施了深圳河治理工程。工程完工后深圳河及其支流洪水位明显降低、河道水质明显改善，但治理工程也显著改变了深圳河动力环境与滩槽格局［3-5］，导致深圳河近年来发生了较为严重的回淤。不同学者对整治工程实施后深圳河的回淤特性展开了研究［6-9］，如何勇和叶小云［6］通过分析实测资料，发现深圳河治理工程实施后河道阻力减小是导致河道快速淤积的主要原因。冯志勇等［8］结合实测资料分析和数学模型计算探讨了局部清淤工程实施后深圳河的回淤特征及回淤机理，发现下游河道内泥沙的二次搬运以及上游洪季来沙是清淤河段淤积泥沙的主要来源。鉴于深圳河治理工程已完工多年，深圳河的河床边界条件已发生较大程度的改变，有必要系统研究深圳河近期冲淤变化特征及其成因。此外，河道回淤导致深圳河现状防洪能力已不足50年一遇。根据《防洪标准》（GB50201-2014）要求，对于常住人口达到50 万人、少于150 万人的重要城市，防洪标准应采用100～200年的重现期。同时随着《粤港澳大湾区发展规划纲要》等一系列政策性文件的颁布，深圳市生态文明建设被提高到了一个新的高度，深圳河现状防洪能力与规划防洪标准之间的矛盾日益凸显，迫切需要采取有效工程措施以提高深圳河的防洪能力。

鉴于上述背景，本文根据最新的实测水沙地形资料，从平面尺度、断面尺度和河段尺度3个维度出发，分析深圳河治理工程完工后2007-2017年间深圳河的冲淤变化过程，探讨河道冲淤变化成因，并利用平面二维水沙数学模型，研究了不同河道清淤工程实施后深圳河防洪能力变化及河道回淤特征，从防洪能力提升程度和回淤程度两个角度评估了不同清淤方案的实施效果，为今后长期开展深圳河维护治理工作提供指引。

1 研究区域概况

深圳河位于珠江口伶仃洋以东，大鹏湾以西，北部为深圳经济特区，南部为香港特别行政区（图1）。干流全长13.4 km，上承平原河、布吉河等河流来水，下接深圳湾，吞吐伶仃洋潮水，水沙动力受径流和潮汐共同影响。受亚热带季风气候影响，深圳河径流来水来沙存在显著季节性变化，超过全年72%和80.3%的径流量和输沙量由4-9月输入［10］。潮汐为典型的不规则半日潮，深圳河口站实测最大潮差为1.5 m。流域冬季主导风向为东北风，夏季为东南风。多年平均风速为3.2 m/s［8］。深圳河治理工程由深港政府共同实施，分三期对深圳河口至平原河进行裁弯取直、扩宽加深，其中一、二期工程河段位于罗湖以下，三期工程河段位于罗湖以上，工程已于2006年全部完工。

图1 研究区域及水文站位置Fig.1 Sketch map of study area showing the location of hydrometric stations

2 数据来源与处理

为研究深圳河近期冲淤过程，收集了2007-2017年间深圳河1∶2 000 汛后船测地形和大断面测量资料，地形资料范围覆盖深圳河干流河道及两岸边防。所有地形资料的平面坐标系均为深圳独立坐标系，垂向坐标系为1956年黄海基准面。采用Esri 公司开发的地理信息系统分析软件ArcGIS 将不同年份的水深散点插值形成数字高程模型以实现不同年份冲淤变化的量化计算，插值精度为5 m×5 m，插值方法采用克里金插值法。为减小边界堤防对地形插值结果的影响，只提取深圳河堤防坡脚线以内的水深测点进行地形插值运算。

3 平面二维水沙数学模型

本文利用作者已建立并验证的深圳河湾平面二维水沙数学模型计算深圳河现状防洪能力，研究不同清淤方案实施后深圳河防洪能力变化及回淤情况［8］。模型计算范围上起深圳河潮流界平原河口，下至深圳湾赤湾附近，包含深圳河湾整个水域（图2）。由于深圳河湾平面尺度不同，分别对深圳河和深圳湾建立两套网格系统，其中深圳河网格数量为1 023×15，横向网格平均尺度为10 m，纵向网格平均尺度为13 m；深圳湾网格数量为143×211，横向网格平均尺度为56 m，纵向网格平均尺度为85 m，采用区域分解技术实现两套子网格的耦合。模型干湿边界取为0.05 m，时间步长根据柯朗数条件确定，均为0.3 min。采用曼宁系数代表深圳河湾的阻力特性，两套子网格内的曼宁系数均取为0.022。采用粒径分别为0.004 和0.02 mm 的两组黏性沙来近似代表深圳河湾的泥沙组成，泥沙源汇项采用临界切应力模式计算。根据实测水沙过程对模型进行了验证，验证结果显示模型能较好地反映深圳河湾水沙动力的时空变化过程［8］。

图2 深圳河湾计算网格Fig.2 The computational mesh for Shenzhen River and Shenzhen Bay

4 结果与分析

4.1 深圳河冲淤变化

深圳河近期冲淤变化过程可以分为2007-2011年快速淤积期、2011-2015年缓慢淤积期和2015-2017年轻微冲刷期，冲淤速率存在显著空间差异（图3）。2007-2011年间深圳河普遍表现出淤积态势，其中一、二期工程河段内落马洲上游边滩发育明显，主槽宽度快速萎缩，平均淤积占比为73.5%，净淤积速率为94.4 mm/a，累计淤积量达64.6 万m3（表1）。三期工程河段有95.1%的区域发生强烈淤积，尤其以文锦渡弯道段淤积最为严重，最大淤积幅度超过1.5 m，累计淤积量达31 万m3，平均净淤积速率为310.6 mm/a，明显大于同期一、二期工程河段。2011-2015年间深圳河沿程冲淤交替，全河段累计淤积量为22.6 万m3，仅为2007-2011年水平的27.8%，淤积速率明显放缓。一、二期工程河段平均冲刷占比为40.2%，且冲刷主要发生在落马洲至鹿丹村之间。三期工程河段2013-2015年间经历明显冲刷，冲刷占比达52.1%，最大冲刷幅度接近1.5 m，导致该河段在这期间表现为净冲刷。2015-2017年间三期河段除部分弯道段边滩发生轻微冲刷外，整体以淤积为主，累计淤积量达4 万m3，淤积幅度较2007-2011年间明显减小。同期一、二期工程河段经历明显冲刷过程，且冲刷主要发生在边滩处，冲刷占比为57.6%，累计冲刷量达55万m3，导致全河段表现为净冲刷。

表1 2007-2017年间深圳河不同河段的冲淤量计算Tab.1 Sediment volume changes of different reaches in Shenzhen River from 2007 to 2017

采用Xia 等［11］提出的方法计算2007-2017年间深圳河河段尺度的平滩水深调整过程，其中一、二期工程河段内的平滩高程根据实测横断面地形确定，三期工程河段内的平滩高程采用统一堤防高程带入计算。计算结果显示深圳河平滩水深近年来显著减小，且减小幅度存在明显时空差异［图3（f）］。2007-2017年间一、二期工程河段和三期工程河段河段尺度的平滩水深分别减小0.3 和1.6 m，减幅分别达11.2%和41.7%，且减小主要发生在2007-2012年间。

图3 2007-2017年间深圳河冲淤变化过程Fig.3 Erosion and deposition patterns of Shenzhen River from 2007 to 2017

2007-2017年间深圳河典型横断面形态调整过程显示（图4），深圳河冲淤变化特征主要表现为主槽冲淤交替、边滩显著淤积，断面形态由“U”型河槽逐渐向“V”型河槽发展。断面a 和断面b 位于一、二期工程河段内，距河口的距离分别为700 m 和4 100 m，2007年断面最大水深均在-4 m 附近。2007-2016年间断面a 的形态变化特征主要表现为深圳侧边滩快速淤积，边滩平均高程从-2 m 抬升至0 m，2017年又快速降低，恢复至2007年水平。断面b 形态调整剧烈，冲淤变化特征主要表现为深槽明显冲刷，断面深泓点刷深约0.66 m。两岸边滩淤积明显，其中右岸边滩的淤积幅度超过左岸。淤积主要发生在2007-2010年间，其中断面a边滩最大淤积速率接近0.5 m/a，边滩淤积宽度超过100 m，主槽处则经历冲刷，但强度有限。断面b 边滩明显淤积，最大淤积位置发生在距离断面中轴线约20 m 处，淤积速率超过0.5 m/a。同期主槽经历冲刷，但强度有限，冲刷宽度小于25 m，冲刷速率小于0.5 m/a。

图4 2007-2017年间深圳河典型横断面形态调整过程Fig.4 Temporal variations of cross-sectional profiles at typical sections of Shenzhen River from 2007 to 2017

断面d 和断面e 位于三期工程河段内，距河口的距离分别为10 300 m 和11 700 m。2007年两个断面的水深条件均较好，主槽范围内的平均水深分别超过-2和-3 m，断面形式均为较对称的人工“U”型断面。2007-2017年间断面d、e 主槽范围内经历普遍淤积，主槽范围内平均水深分别减小约1.4和1.7 m，深槽分别从河道中轴线处摆动至左岸深圳侧和右岸香港侧，摆动距离分别为39.6 和21.5 m，断面形态逐渐向不对称“V”型发展。淤积主要发生在2007-2010年间，淤积速率超过0.5 m/a 的断面宽度分别接近10 和40 m。断面d 的淤积部位主要集中在深圳侧，而断面e 的淤积范围覆盖整个主槽。2010年后断面d、e 持续发生回淤，但淤积速率较2007-2010年间显著减小。

4.2 冲淤变化成因

实测资料分析结果显示2007-2017年间深圳河整体呈淤积态势，淤积幅度存在明显的时空差异，具体表现为先快、后慢，三期工程河段淤积速率大于一、二期工程河段。深圳河治理工程实施后河段内水流挟沙能力下降是导致深圳河近期快速回淤的直接原因。深圳河治理工程完工初期，过流断面面积增加，河段防洪能力得以显著提升［5］。但由于工程河段断面面积突扩、水流流速下降，导致水流挟沙能力降低，水深条件与来水来沙条件的不适应导致河段随后发生普遍淤积。淤积幅度出现时间差异的原因是深圳河治理工程竣工初期河道阻力较小，导致下游潮流易于将外海泥沙携带进入深圳河内，然而随着工程河段内不断发生回淤，河道纳潮量减小，潮流上溯阻力增加，导致随涨潮流进入深圳河的泥沙通量减小，淤积幅度降低。深圳河口处实测涨潮量和净输沙量的年际变化结果显示（图5），近年来深圳河涨潮动力逐渐减弱，河口年涨潮量从2007年的8.9 亿m3减小至2017年的6.8 亿m3，减幅达23.6%，减小趋势明显（p＜0.1）。受涨潮动力减弱影响，河口输沙方向逐渐从向上游净输沙转变为向下游净输沙，年净输沙量从2007年的-0.15×107kg逐渐增加至2017年的1.8×107kg。

图5 深圳河口涨潮量和净输沙量的年际变化Fig.5 Annual variations of flood tide discharge and net sediment discharge at Shenzhen Hekou

流域水土保持工程实施所引起的深圳河上游来沙量近年来持续减小也是导致深圳河淤积速率逐渐降低的原因之一，深圳河上游实测输沙量的年际变化结果显示（图6），2007～2014年间深圳河上游年输沙量显著下降（p＜0.1），从2007年的16.7 万t减小至2014年的6.9 万t，年均减少量为1.4 万t，且减小基本全发生在洪季。

图6 深圳河上游输沙量的年际变化Fig.6 Annual variation of upstream sediment load of Shenzhen River

淤积幅度出现空间差异的原因是三期河段治理工程的完工时间晚于一、二期工程河段，河段内水深条件与来水来沙条件的不适应程度大于一、二期工程河段，导致该河段内河床调整速率较快，淤积速率明显大于一、二期工程河段。同时需要注意到，深圳河局部区域近年来也发生了较为明显的冲刷过程，这主要与上游洪水事件和深圳侧沿岸排放口清淤工程有关。

4.3 深圳河防洪治理对策

径潮流影响下的防洪安全一直是深圳河治理的核心问题之一［12-14］。由于降雨汇流速度快、中下游地势低洼、河口又受潮水顶托，深圳河原防洪能力仅为2～5年一遇，两岸洪涝灾害频发。尽管深圳河治理工程的实施显著提高了深圳河的过流能力，全河段基本达到了50年一遇的防洪能力。然而工程完工后深圳河发生持续回淤，导致防洪能力有所降低。根据不同重现期下深圳河的洪峰流量和设计潮位［15］，利用深圳河湾平面二维水沙数学模型，计算了不同洪潮遭遇下的深圳河水面线，以识别深圳河现状防洪能力的薄弱区间（图7），其中模型初始地形由2017年汛后实测地形插值得到。计算结果表明深圳河现状满足深圳侧和香港侧20年一遇防洪能力的河段占比分别为88.1%和84.9%，满足50年一遇防洪能力的河段占比分别为63.2%和56.8%，而仅有23.7%和20%的河段满足200年一遇的防洪能力。具体而言，落马洲大桥以下河段深港两侧均能达到200年一遇不漫堤，落马洲大桥以上至鹿丹村河段深圳侧防洪能力达到50年一遇，而该河段内香港侧满足50年一遇防洪能力的堤防长度小于深圳侧。鹿丹村至罗湖桥河段是深圳河现状防洪压力最大的区间，其防洪能力已不足20年一遇。20年一遇、50年一遇和200年一遇洪潮组合下该河段平均洪水位分别为4.74、5.16 和5.75 m，高出河段平均堤防高程0.24、0.66 和1.25 m。罗湖桥以上河段深港两侧防洪能力基本达到50年一遇，但离200年一遇的防洪标准尚有一定距离。

图7 不同洪潮遭遇重现期下深圳河现状水面线Fig.7 Current water profile of Shenzhen River under different return period of flood and tide encounter

水面线计算结果表明现状深圳河达到深圳侧50年一遇和200年一遇防洪能力的河段占比分别只有63.2%和23.7%，实际防洪能力距离规划防洪标准尚有一定的距离，迫切需要采取有效工程措施以提高深圳河的防洪能力。深圳河防洪能力提升对策主要包括流域分洪道修建、深圳水库优化调度、河道维护性清淤以及河口阻水红树林清除。治理工程完工后河道持续性回淤是导致深圳河防洪能力下降的直接原因，通过削减洪峰流量的流域分洪道工程和错开洪峰和极端高潮位遭遇时间的深圳水库优化调度方案可以一定程度上提高深圳河的防洪能力，但其无法从根本上解决因河道淤积导致的防洪能力不足，且考虑到未来气候变化背景下洪峰流量增加及天文潮位上升，其工程效益将会逐渐降低。深圳河与深圳湾的连接处分布有福田国家级红树林自然保护区和香港米铺红树林自然保护区，尽管河口红树林群落通过增大水流阻力，可能会抬高深圳河尾闾河段的洪水位，但水面线计算结果显示河口附近现状防洪能力满足200年一遇的规划要求，因此河口阻水红树林清除对于提高深圳河整体防洪能力的作用有限，且人为清除红树林对剩余红树林群落及其周围生态环境的影响还需进一步评估。河道清淤通过疏浚河道、维持行洪面积，可以有效地降低洪水位，因此本研究推荐采用河道清淤来提高深圳河的防洪能力。根据清淤部位和清淤幅度的不同，可将清淤方案分为短距离河段大幅度清淤、长距离河段小幅度清淤和全河段清淤三大类，各清淤方案的具体信息见表2，其中清淤起点为深圳河口下游200 m处的深圳河桩号起点，清淤范围向上游延伸。

表2 不同清淤方案的实施范围和清淤幅度Tab.2 Dredging area and amount of different dredging schemes

利用平面二维水沙数学模型，计算不同河道清淤方案实施后深圳河的洪水位变化和冲淤变化。模型初始地形根据2017年实测地形插值得到，水面线计算中模型边界条件分别取为50年一遇和200年一遇的洪潮遭遇组合，冲淤计算中的模型边界条件采用基于实测降雨资料和流量输沙率关系概化得到的2019年水沙组合［8］。

不同清淤方案实施后深圳河在50年一遇洪潮组合下的洪水位变化差异较大（图8），其中短距离河段大幅度清淤方案实施后，深圳河的洪水位变化主要表现为清淤位置处洪水位明显降低，且降低幅度随着清淤部位距河口距离的增加而逐渐减小。在清淤总量一致的前提下，长距离河段小幅度清淤方案实施后，深圳河洪水位降低的河段长度明显大于短距离河段大幅度清淤方案的结果，且洪水位降低幅度与短距离河段清淤方案结果基本一致。全河道清淤方案实施后深圳河的洪水位下降明显，下降幅度随着清淤幅度的增加而增加。三种清淤幅度下全河段的平均洪水位分别下降0.21、0.43 和0.63 m。不同清淤方案实施后深圳河满足200年一遇设计防洪标准的河段占比在26.7%～74.7%变化。提升幅度随着清淤幅度增加而增加。

图8 不同清淤方案实施后深圳河洪水位变化Fig.8 Changes in flood water level of Shenzhen River after the implementation of different dredging schemes

清淤工程实施后河道断面面积突然增加，水流挟沙能力快速降低，导致清淤河段经历明显回淤。不同清淤方案实施后河段回淤量的计算结果表明（表3），不同清淤方案实施后河段回淤计算结果差异较大，不同清淤方案的回淤量在10.7～54.6 万m3之间变化，回淤率在21.5%～63.8%之间变化。从清淤部位来看，在相同清淤量下河段回淤幅度从河口至上游逐渐减小，这是因为下游河段受上游洪季输沙、下游潮流输沙和河口风浪掀沙的多重影响，其泥沙来源丰富，回淤更为迅速。潮流输沙和风浪掀沙的影响向上游逐渐减弱，使得上游河段开挖后回淤较慢。从清淤范围来看，在相同清淤量下，开挖范围越大，回淤速率越慢，且回淤率同样表现出向上游逐渐减小的趋势。全河段开挖由于受口外来沙的影响，回淤量普遍较大，工程实施一年后的回淤量分别依次达到30、43.4和54.6万m3。

表3 不同清淤方案实施一年后清淤河段的回淤量Tab.3 Calculation of back-silation volume of dredged reach after one year of implementing different dredging schemes

通过分析计算结果可以发现，不同河道清淤方案实施后的防洪能力提升幅度和其回淤幅度基本成正比。尽管全河段清淤方案实施后防洪能力提升幅度较大，但工程实施后回淤量也相对较大，工程效益不显著。相同清淤量条件下，长距离河段清淤方案实施后深圳河防洪能力的提升幅度与短距离河段清淤方案结果接近，但洪水位降低的河段范围明显大于短距离河段清淤方案。同时，与短距离河段清淤方案相比，长距离河段清淤方案实施后的回淤量较小。因此，综合防洪能力提升幅度和回淤幅度计算结果，推荐采用长距离河段清淤方案中的F8来维护过流断面，提高深圳河防洪能力。

5 结 论

（1）实测地形资料结果显示深圳河近期冲淤变化特征主要表现为主槽冲淤交替、边滩持续淤积，断面形态由“U”型河槽逐渐向“V”型河槽发展。冲淤变化过程可以分为快速淤积期（2007-2011）、缓慢淤积期（2011-2015）和轻微冲刷期（2015-2017），累计淤积量达74.6万m3，河段尺度平滩水深平均减幅达27.5%。

（2）深圳河治理工程实施后水流挟沙能力下降是导致深圳河近期快速淤积的主要原因。治理工程实施后河口涨潮量变化所致的河口输沙方向改变是导致深圳河淤积幅度逐渐下降的原因之一，且流域水土保持工程实施和上游水库修建所引起的深圳河上游来沙量减小也使得深圳河回淤速率逐步降低。

（3）数学模型计算结果表明深圳河深港两侧现状满足50年一遇防洪能力的河段占比分别仅有63.2%和56.8%，防洪能力最薄弱区间位于鹿丹村至罗湖一段，普遍不足20年一遇。不同河道清淤方案实施后深圳河的洪水位变化差异较大，差异主要与清淤部位和清淤范围有关，其防洪能力提升幅度基本与其回淤幅度成正比。结合防洪能力提升效果和经济成本，推荐采用长距离河段清淤方案中的F8方案来维护过流断面，提高深圳河防洪能力。