珠江三角洲某过江隧道水文要素计算条件研究

李 彬，顾立忠，郑国栋，刘 欣

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635；3.广东力盟规划设计咨询有限公司，广东 广州 510600；4.华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450045)

隧道工程作为过江工程比桥梁工程有一定的优势，尤其是通航河道，既不会对河道通航产生影响，亦不会对河道行洪产生影响或影响较小(仅有较小部分出露河床阻水)。鉴于隧道工程的优势，珠江三角洲网河区越来越多的河流采用隧道工程作为过江工程。因此，笔者以珠江三角洲新造水道某拟建隧道工程为例，在分析珠江三角洲洪(潮)水文特性的基础上，选取典型洪(潮)水过程，采用MIKE11软件构建珠江三角洲网河模型，对该拟建隧道工程所需的设计洪(潮)水位、流量、流速，以及极端大流速等水文要素计算条件进行研究，并探讨过江隧道水文要素计算时要注意的情况。

1 工程概况

某拟建隧道工程穿越珠江新造水道，连接广州市番禺区大学城和新造镇。工程设计防洪标准为100年一遇，校核防洪标准为300年一遇。广州片区水系及拟建隧道工程位置如图1所示。

2 洪(潮)水文特性

珠江三角洲网河区河道属感潮河道，汛期既受来自西江、北江、东江等上游河道的洪水动力影响，又受来自伶仃洋的潮汐动力影响，洪潮混杂，水流流态复杂。此外，还受台风暴潮的影响。

2.1 暴雨洪水特性

珠江三角洲水汽源地主要是印度洋孟加拉湾、西太平洋及南海。4—9月为雨季，其中4—6月西南季风盛行，水汽充沛，与南下冷空气相遇，形成锋面雨；7—9月东南季风盛行，西太平洋及南海热带海洋气团产生的台风频繁造访，给本区域带来强风暴雨。

珠江三角洲网河区洪水主要由西江、北江、东江及其它主要入汇河流的洪水共同形成，其中广州片区河道洪水主要受流溪河及西、北江洪水影响。一般流溪河洪水出现时间较早，北江次之，西江及东江较迟。

近年来珠江流域典型洪水主要有“94·6”“98·6”“05·6”洪水；风暴潮有200814黑格比、201713天鸽、201822山竹等。

2.2 潮汐特性

珠江口潮汐为不规则半日潮，两个相邻的高潮(低潮)潮位和潮流历时均不相等。珠江口八大口门属弱潮河口，潮差年际变化不大，而年内变化较大。正常高高潮位与上游不同频率洪水遭遇的机会相同，而台风暴潮与频率小于20%的洪水遭遇却极为罕见[1]。

图1 广州片区水系及拟建隧道工程位置

2.3 典型洪(潮)水过程选择

2.3.1典型洪水对比

“94·6”“98·6”“05·6”三场典型洪水的西、北江洪水遭遇组成见表1。

表1 典型洪水西、北江洪水遭遇组成

“94·6”洪水西江、北江洪水量级均较大，洪峰基本在思贤窖遭遇；“98·6”洪水主要发生在西江，北江“98·6”洪水的量级较“94·6”洪水小，洪峰未在思贤窖遭遇，但恰逢天文大潮，洪潮相遇[2]。因此两场洪水均给珠江三角洲水道带来高水位情势，并且珠江口八大口门潮位站“98·6”洪峰潮位普遍比“94·6”洪峰潮位高[3]。

“05·6”洪水与“98·6”洪水过程基本相似洪峰较“98·6”洪水大，珠江流域中下游地区水文站涨水段同一流量对应水位“05·6”洪水明显比“94·6”“98·6”洪水低[4- 6]。造成这种现象的主要原因是珠江三角洲航道整治、河道挖沙造成河床严重下切，致使河道行洪断面和槽蓄量加大，导致同一量级洪水的水位大幅降低。

2.3.2典型风暴潮

风暴潮的特点以“黑格比”为例进行分析。“黑格比”属强台风，自身产生了强烈的辐合上升运动，进入华南西南部后，西南暖湿气流进一步加强了其上升运动，加之华南西南部地形对降水的促进作用，致使“黑格比”带来了强风暴潮增水[7]。而其最大增水发生时恰逢当日的高潮潮位，所以广东沿海诸地遭遇了高潮叠加风暴潮的最不利“黑色”组合，导致沿海风暴潮站及受潮汐影响的站点出现了高水位，部分站点甚至出现了有记录以来的历史最高潮位[8]，并保持到2017年“天鸽”风暴潮发生，至2018年“山竹”风暴潮发生后退居第三位。横门站近年来主要强台风的风暴潮增水和潮位统计[9]见表2。

表2 横门站近年来主要强台风的风暴潮增水和潮位统计 单位：m

2.3.3典型洪(潮)水过程确定

根据前述珠江三角洲网河区洪(潮)水文特性，以及典型洪水和风暴潮的特点确定：拟建隧道工程设计洪(潮)水位、流量、流速计算的典型洪(潮)水过程选择“98·6”洪水过程和“黑格比”风暴潮过程，极端大流速计算的典型洪水过程选择“05·6”洪水过程。

3 数学模型及计算条件

3.1 数学模型

数学模型采用MIKE11软件构建的珠江三角洲网河区一维数学模型，其研究范围基本包括西、北江三角洲，东江三角洲及广州水道等。模型上边界取：马口(西江)、三水(北江)、老鸦岗(流溪河)、麒麟嘴(增江)、博罗(东江)、石嘴(潭江)水文(位)站，下边界取八大口门控制站：大虎(虎门)、南沙(蕉门)、万顷沙(洪奇门)、横门(横门)、灯笼山(磨刀门)、黄金(鸡啼门)、西炮台(虎跳门)及官冲(崖门)潮位站。数学模型的河道地形主要采用1999年实测地形，其中广州片区河道地形采用2014年5月航道部门实测地形。MIKE11软件的数学控制方程及其解法详见文献[10]，数学模型糙率通过“99·7”中水率定，“98·6”大水及“黑格比”风暴潮验证[11]。

3.2 计算条件

3.2.1设计洪(潮)水位、流量、流速

模型上边界条件：采用上游控制站西江马口站、北江三水站的0.33%、0.5%、1%频率洪水洪峰流量和多年平均洪峰流量，流溪河老鸦岗站的相应洪水采用文献[12]的相关方法确定,其它控制站增江麒麟嘴站、东江博罗站和潭江石嘴站取多年平均洪峰流量。

模型下边界条件：

(1)以洪为主，上游频率洪水遭遇下游口门多年平均年最高潮位，恒定流和下游口门潮位“98·6潮型”(简称以洪为主“98·6潮型”)两种计算条件。

(2)以潮为主，下游口门年最高潮位的频率潮位遭遇上游洪水多年平均洪峰流量，恒定流和下游口门潮位“黑格比潮型”(简称以潮为主“黑格比潮型”)两种计算条件。

(3)典型极端洪潮遭遇“黑格比”。

3.2.2极端大流速

模型上边界条件：采用上游控制站西江马口站、北江三水站的0.33%(归槽洪水)、0.33%、0.5%、1%频率洪水洪峰流量，其它控制站的相应洪水同上。

模型下边界条件：

(1)以洪为主，上游频率洪水遭遇下游口门“05·6低潮位过程”(简称05·6低潮位过程)。

(2)以洪为主，上游频率洪水遭遇下游口门“05·6最低潮位”(简称05·6最低潮位)。

05·6最低潮位：虎门水道泗盛围站最低潮位，其它潮位站相应时刻潮位，其中横门站参考万顷沙站(考虑虎门水道潮位低，其它口门水道潮位高，虎门水道的引流减阻作用)，具体见表3。

表3 “05·6”洪水泗盛围站最低潮位及其它潮位站相应时刻潮位 单位：m

4 结果与讨论

4.1 设计洪(潮)水位、流量、流速

不同条件下的设计洪(潮)水位、流量、流速计算成果见表4—7。

(1)洪(潮)水位：洪(潮)水位成果非恒定流明显高于恒定流，说明广州片区河道基于典型洪(潮)水过程的水位成果偏安全。三种非恒定流计算条件的水位，以潮为主“黑格比潮型”最高；“黑格比”典型极端洪潮遭遇情况次之；以洪为主“98·6潮型”最低。拟建隧道工程位于潮位站大石站和黄埔站之间，采用文献[13- 14]中设计参数和方法(即P-Ⅲ频率曲线适线法)求得两站不同频率的潮位见表7，以潮为主“黑格比潮型”的水位成果较符合潮位站潮位排频成果规律，其它计算条件的水位成果偏低，说明新造水道的水位主要受潮汐动力影响。

(2)流量、流速：三种非恒定流计算条件的流量、流速规律，与洪(潮)水位规律相反。以洪为主“98·6潮型”的流量、流速最大，“黑格比”典型极端洪潮遭遇情况次之，以潮为主“黑格比潮型”的成果最小。

(3)基于偏安全考虑，设计洪(潮)水位采用以潮为主“黑格比潮型”的计算成果，同时考虑上游水利工程建设、航道整治、河口滩涂围垦、海平面上升及极端气候等诸多因素[15- 19]，建议设计洪(潮)水位增加0.5m的富余值；设计流量、流速采用以洪为主“98·6潮型”的计算成果。

表4 以洪为主计算成果

注：表中流量、流速为最高水位时刻对应值，下同。

表5 以潮为主计算成果

注：表中流量、流速的“-”号表示潮流，下同。

表6 典型极端洪潮遭遇“黑格比”计算成果

表7 潮位站大石站和黄埔站潮位排频成果

4.2 极端大流速

不同条件下极端大流速及相应时刻流量和水位的计算成果见表8，分析可知：流速、流量、水位的“05·6低潮位过程”计算成果均大于“05·6最低潮位”计算成果。由此表明：上游流量控制条件相同，下游口门潮位同一潮型非恒定流条件下的计算成果偏安全。因此，极端大流速选取“05·6低潮位过程”的计算成果。基于偏安全考虑，需考虑上游控制站西江马口站、北江三水站的洪水归槽情况。

5 结语

针对珠江三角洲网河区过江隧道水文要素计算条件的选择问题，以新造水道某拟建隧道工程为例对其进行了研究，得到以下结论：

(1)对于珠江三角洲网河区等感潮河道的涉河工程，其水文要素计算合理的核心在于“洪潮水遭遇分析”。

(2)对于过江隧道工程，极端大流速相对重要，但并不是越高的高潮位越不利，推荐其计算条件采用：以洪为主，西江马口站和北江三水站归槽洪水的频率洪水遭遇下游口门“05·6低潮位过程”。

(3)对于桥梁、码头等涉河工程，设计洪(潮)水位相对重要，推荐其计算条件采用：以潮为主，下游口门年最高潮位的频率潮位遭遇上游洪水多年平均洪峰流量，下游口门潮位“黑格比潮型”。同时考虑影响设计洪(潮)水位的诸多因素，设计中应适当留有安全余量。设计流量、流速的计算条件推荐采用：以洪为主，上游频率洪水遭遇下游口门多年平均年最高潮位，下游口门潮位“98·6潮型”。

表8 以洪为主，遭遇下游口门不同潮位的极端大流速计算成果

注：表中流量、水位为最大流速时刻的对应值。