夏厚興

(1.福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,福建 福州 350001;2.福建省水動(dòng)力與水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350001)

閩江是福建省第一大河流,獨(dú)流入海,發(fā)源于武夷山脈,流域面積60 992 km2,約占全省面積的一半。閩江下游通常指水口水庫(kù)壩下至閩江口長(zhǎng)約117 km河段,閩江下游河道過(guò)閩清、經(jīng)閩侯至福州南臺(tái)島淮安分流口分為南、北港,南、北港繞南臺(tái)島于馬尾三江口匯合,而后進(jìn)入入海通道。閩江下游河道見(jiàn)圖1。

圖1 閩江下游河道示意

閩江南北港分流比是指閩江下游干流來(lái)水經(jīng)淮安分流口分流進(jìn)入南北港后,南、北港流量分別占干流流量的百分比。歷史上,閩江南北港分流比有著枯水期“三七開(kāi)”,洪水期“倒三七開(kāi)”之說(shuō),即枯水期南港分流比約占30%、北港約占70%,洪水期則相反[1-4]。事實(shí)上,閩江南北港分流比是動(dòng)態(tài)變化的,不同時(shí)期、不同流量下分流比不同,特別是20世紀(jì)80年代中后期以來(lái),受閩江下游河道復(fù)雜演變的影響,南北港分流比變動(dòng)頻繁、變幅較大,極為復(fù)雜。20世紀(jì)80年代中后期至世紀(jì)交替,閩江北港急劇刷深、分流比不斷增大,南港一度斷流,影響北港防洪安全和閩江下游航運(yùn)。為此,部分學(xué)者曾開(kāi)展過(guò)較為全面的研究探討。陳日華[2]利用1951—1956年和1975—1988年共20 a實(shí)測(cè)資料分析認(rèn)為,北港控制斷面遭受毀變引起北港同水位流量明顯增大是導(dǎo)致北港分流比增大的主要原因;鄭鳴芳[5]利用閩江下游分流口河段水文泥沙、地形斷面、河床演變和整治建筑物建設(shè)等資料,同樣分析得出閩江南北港進(jìn)口斷面面積變化是引起分流比改變的主要因素;陳祿[6]則針對(duì)北港分流比不斷增大對(duì)北港兩岸防洪安全的威脅,提出擴(kuò)大侯官過(guò)水?dāng)嗝娣e改造淮安頭分流壩,以減小北港分流比的工程整治措施建議。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著閩江下游南港開(kāi)發(fā)和涉河建設(shè)等人類干預(yù)活動(dòng)影響加劇,南港河道劇烈演變、大幅下切[7-8],加上北港全面禁止采砂的影響,閩江下游水力特性和南北港分流比發(fā)生重大變化。20世紀(jì)末,困擾水利和港航部門的北港分流比不斷增大導(dǎo)致南港枯水?dāng)嗔鞯碾y題在進(jìn)入21世紀(jì)以后逐漸被扭轉(zhuǎn),近年來(lái),北港河道局部淤積、分流比持續(xù)減小,南港分流比不斷增大,又對(duì)南北港水流運(yùn)動(dòng)和防洪、供水、生態(tài)和涉河建筑物安全等涉河公共問(wèn)題產(chǎn)生新的影響。

本文主要目的是分析閩江下游南北港分流比變化特征,反演20世紀(jì)末以來(lái)閩江南北港分流比變化過(guò)程,探討河道堤岸邊界變化和河床沖淤演變對(duì)分流比變化的影響,研究成果可為閩江下游南北港整治和保護(hù)管理及涉河開(kāi)發(fā)建設(shè)等提供技術(shù)參考。

1 閩江下游南北港分流比變化特征

有實(shí)測(cè)資料以來(lái),閩江下游南北港分流比變化大致可分為3個(gè)階段。

a)第一階段:1985年以前。這一時(shí)期,閩江南北港分流比整體相對(duì)穩(wěn)定,不同年份、同一流量分流比變幅較小,干流流量20 000 m3/s時(shí),北港分流比23%～28%,干流流量15 000 m3/s時(shí),北港分流比26%～30%,干流流量10 000 m3/s時(shí),北港分流比28%～35%,干流流量5 000 m3/s時(shí),北港分流比33%～42%,北港分流比隨著干流流量增大而減小[1]。

b)第二階段:1985年至20世紀(jì)末。此階段,閩江下游南北港分流比最顯著變化特征是北港分流比不斷增大,南港減小、枯水?dāng)嗔?干流流量約20 000 m3/s時(shí),1984年北港分流比為27%,至世紀(jì)交替增大至約36%[9];1988—1993年,當(dāng)閩江干流流量小于600 m3/s時(shí),南港出現(xiàn)斷流[10],到世紀(jì)交替,閩江干流流量增大至1 500 m3/s時(shí),南港斷流現(xiàn)象仍有發(fā)生[11]。

c)第三階段:21世紀(jì)初期至今。此階段,北港分流比不斷減小,南港分流比則持續(xù)增大,1999年,閩江竹岐實(shí)測(cè)洪峰流量20 800 m3/s(表1),北港實(shí)測(cè)分流比36.9%[9],至2016年閩江竹岐實(shí)測(cè)洪峰流量20 300 m3/s,北港實(shí)測(cè)分流比僅18.4%,較1999年減小約50%[12];2005年閩江竹岐實(shí)測(cè)洪峰流量29 400 m3/s,北港實(shí)測(cè)分流比26%,至2010年竹岐實(shí)測(cè)洪峰流量29 800 m3/s,北港分流比則降低至20.2%[10];2013年水口水庫(kù)日均下泄流量570 m3/s時(shí),實(shí)測(cè)北港分流比僅為14%～26%[11],而20世紀(jì)末,枯水期一度水流全部流入北港[3,6,11,13]。

表1 閩江竹岐站歷次流量大于20 000 m3/s洪水北港實(shí)測(cè)分流比

2 數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證

2.1 數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)況

1997年福建省批復(fù)了閩江下游河道防洪岸線規(guī)劃,此后,隨著沿江開(kāi)發(fā)建設(shè)力度加大和堤防體系的逐步完善,閩江下游河道堤岸邊界發(fā)生了較大變化,主要集中在竹岐至白巖潭河段,根據(jù)實(shí)測(cè)地形資料,1997、2009、2020年該河段堤岸邊界變化見(jiàn)圖2,可以看出,1997—2009年再到2020年,河道平面不斷束窄,堤岸趨于平順,1997—2009年間河道堤岸變化大于2009—2020年。

圖2 閩江竹岐至白巖潭段河道堤岸邊界變化示意

為分析河道堤岸邊界變化和河床沖淤變化對(duì)閩江南北港分流比的影響,分別基于1997年、2009年、2020年堤岸邊界和河道地形建立了3套不同地形邊界的閩江下游河道數(shù)學(xué)模型,分別是1997年河道數(shù)學(xué)模型、2009年河道數(shù)學(xué)模型和2020年河道數(shù)學(xué)模型。3套數(shù)學(xué)模型模擬范圍均為水口大壩壩下至閩江口。

模型采用丹麥DHI公司MIKE21軟件,模型基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程,并服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定,將三維水流沿水深方向積分,得到沿平均水深的二維淺水運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和動(dòng)量守恒控制方程,在空間上采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格下的有限體積法進(jìn)行離散,在時(shí)間上采用顯性歐拉法進(jìn)行離散[14-15]。模型河道堤岸邊界設(shè)置為閉合邊界,不考慮水流漫溢,模型進(jìn)口和出口設(shè)置為開(kāi)邊界,進(jìn)口邊界采用流量,出口邊界采用水位;動(dòng)邊界采用“干濕邊界”,水深大于0.1 m的單元為完全濕單元,水深小于0.005 m的單元為干單元、不參與計(jì)算,水深介于兩者之間的單元為半干單元,半干單元只有水量參與計(jì)算,動(dòng)量則被忽略。3套模型網(wǎng)格尺度一致,均采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格單元,最小網(wǎng)格尺度約10 m,淮安分流口河段1997年河道數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。模型糙率根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果調(diào)整,由于3個(gè)不同年份河道灘槽分布不同,因此3套模型糙率平面分布上有所差異,但是灘槽糙率取值變化范圍3套模型相差不大,經(jīng)驗(yàn)證,水口壩下至淮安分流口河段主河槽糙率0.028～0.036,灘地糙率0.036～0.056,南港主河槽糙率0.024～0.035,灘地糙率0.036～0.054,北港主河槽糙率0.022～0.033,灘地糙率0.034～0.050,三江口以下主河槽糙率0.020～0.025,灘地糙率0.026～0.040。

圖3 淮安分流口河段1997年河道數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格劃分

2.2 模型驗(yàn)證

由于歷史實(shí)測(cè)資料有限,本次建立的3套數(shù)學(xué)模型主要利用與建模地形相鄰或相近年份的水文站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行流量、分流比和水位驗(yàn)證,驗(yàn)證成果分別見(jiàn)圖4—6。

1997年河道模型驗(yàn)證采用1998年6月22日12時(shí)至1998年6月24日0時(shí)實(shí)測(cè)大洪水資料,計(jì)算北港分流比30.36%～34.53%、平均31.79%,實(shí)測(cè)北港分流比29.54%～35.00%、平均31.08%,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差值為-0.47%～1.27%;計(jì)算各水文(位)站水位變化過(guò)程相似,最大偏差0.14 m,平均偏差不超過(guò)10 cm。2009年河道模型驗(yàn)證采用2010年6月18日6時(shí)至2010年6月20日6時(shí)實(shí)測(cè)洪水資料,計(jì)算北港分流比17.35%～22.65%、平均20.51%,實(shí)測(cè)17.98%～21.75%、平均20.18%,分流比變化范圍基本一致、數(shù)值較為接近,平均偏差0.33%,各水文測(cè)站計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位整體較為接近,平均偏差不大于10 cm。2020年河道模型驗(yàn)證采用2016年5月7日20:00時(shí)至5月9日18:00時(shí)實(shí)測(cè)洪水資料,計(jì)算北港分流比11.71%～18.75%,實(shí)測(cè)分流比10.97%～18.65%,相差不大;計(jì)算竹岐站水位整體偏低0.16 m,應(yīng)是受河床下切演變影響,計(jì)算文山里水文站和解放大橋上水位與實(shí)測(cè)值較為接近,平均偏差均為0.02 m,白巖潭站除部分時(shí)段外,整體水位偏差也不大于10 cm。總的來(lái)看,3套模型與原型相似性良好,滿足本次分流比研究需求。

a)竹岐站流量驗(yàn)證

a)竹岐站流量驗(yàn)證

a)竹岐站流量驗(yàn)證

3 河道演變對(duì)分流比的影響

3.1 計(jì)算方案和邊界條件

本次數(shù)學(xué)模型研究,利用3套不同的河道數(shù)學(xué)模型分別計(jì)算反演閩江南北港分流比變化,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究河道演變對(duì)分流比的影響。河道演變主要表現(xiàn)為河道平面邊界(堤岸)變化和河床(水下地形)縱向變化,為區(qū)分堤岸邊界變化和河床沖淤變化對(duì)分流比的影響程度,數(shù)學(xué)模型計(jì)算方案考慮2種情況,一是考慮地形不變、改變河道堤岸邊界分析河道邊界對(duì)分流比的影響,即采用1997年河道模型地形分別搭配1997年河道邊界、2009年河道堤岸邊界以及2020年河道堤岸邊界;二是考慮河道邊界不變、改變河道地形分析河道地形條件對(duì)分流比的影響,即采用2020年河道堤岸邊界分別搭配1997年河道地形、2009年河道地形和2020年河道地形。

一方面潮流分流比十分復(fù)雜,另一方面由于歷史實(shí)測(cè)資料不足,本次建立的3套模型缺少大小潮期間潮流分流比驗(yàn)證。因此,本次主要研究洪水分流比。模型計(jì)算邊界采用恒定流,上邊界采用竹岐站設(shè)計(jì)洪峰流量,50年一遇、100年一遇和200年一遇洪水,設(shè)計(jì)洪峰流量分別為32 800、35 700、38 300 m3/s;模型下邊界采用閩江口梅花潮位站設(shè)計(jì)潮位,該潮位站潮位特征較為穩(wěn)定,受閩江河道演變和徑流作用影響不大,分別考慮洪水匹配梅花站4—7月份多年平均高潮位2.96 m和4—7月份多年平均低潮位-2.00 m。

3.2 閩江下游南北港分流比反演計(jì)算結(jié)果

不同洪水下閩江下游南北港分流比計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。50年一遇、100年一遇、200年一遇洪水匹配高潮位工況,1997年北港分流比分別為30.4%、29.4%、28.7%,2009年北港分流比分別降低至20.1%、19.9%、19.7%,至2020年北港分流比進(jìn)一步降低為17.7%、17.7%、17.6%;50年一遇、100年一遇、200年一遇洪水匹配低潮位工況,1997年北港分流比分別為30.7%、29.7%、28.9%,2009年北港分流比分別降低至20.2%、20.0%、19.8%,至2020年北港分流比進(jìn)一步降低為17.6%、17.6%、17.4%。1998年閩江大洪水實(shí)測(cè)竹岐洪峰流量33 800 m3/s,流量介于50年一遇和100年一遇,北港分流比29.9%,與1997年河道數(shù)學(xué)模型50年一遇和100年一遇洪水分流比計(jì)算結(jié)果接近,且介于二者之間;2010年閩江大洪水竹岐實(shí)測(cè)洪峰流量約20年一遇,北港分流比為20.2%,與2009年河道數(shù)學(xué)模型計(jì)算50年一遇洪水北港分流比近似,2020年前后未發(fā)生大洪水,但是2020年河道數(shù)學(xué)模型經(jīng)過(guò)2016年洪水驗(yàn)證,因此,計(jì)算結(jié)果較為合理可信。計(jì)算表明:閩江口潮位變化對(duì)大洪水南北港分流比影響不大;1997—2020年的20多年間,閩江北港分流比大幅降低至歷史最低水平,且1997—2009年北港分流比降幅明顯大于2009—2020年北港分流比降幅;1997年河道條件下,北港分流比隨洪水量級(jí)的增大而減小,2009、2020年河道條件下不同頻率洪水分流比基本相同。

表2 閩江南北港洪水分流比反演計(jì)算結(jié)果

3.3 堤岸邊界變化對(duì)分流比的影響

河道不同堤岸邊界條件下閩江下游南北港洪水分流比計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。對(duì)比不同堤岸邊界分流比計(jì)算結(jié)果可知:閩江下游洪水分流比受河道堤岸邊界變遷影響,堤岸邊界變化越大,分流比變化也越大。1997—2020年的20多年來(lái),閩江下游河道堤岸變化(河道平面的束窄)導(dǎo)致洪水期北港分流比增大、南港分流比減小,影響幅度約為3%,這種變化主要是因?yàn)?997年以來(lái)閩江下游南港兩岸圍灘造地、束窄河道程度大于北港。1997—2009年河道堤岸邊界變化強(qiáng)度大于2009—2020年河道堤岸邊界變化,因此1997—2009年河道堤岸邊界變化導(dǎo)致50年一遇、100年一遇、200年一遇洪水下北港分流比分別增大2.2%、2.4%、2.4%,明顯大于2009—2020年閩江下游河道堤岸邊界變化導(dǎo)致的分流比變化。

3.4 河床沖淤變化對(duì)分流比的影響

相同河道堤岸邊界、不同河道地形條件下南北港洪水分流比計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)比不同河道地形條件分流比計(jì)算結(jié)果可知:河床沖淤變化對(duì)閩江南北港洪水分流比影響十分顯著,從1997—2020年的20多年間,閩江南北港河床的沖淤變化導(dǎo)致洪水期北港分流比大幅降低、南港分流比大幅增大,這種變化系20多年間南港河床整體下切幅度明顯大于北港河床下切幅度所致。1997—2009年,南北港河道河床下切的差異明顯大于2009—2020年,因此1997—2009年河道地形沖淤變化導(dǎo)致50年一遇、100年一遇、200年一遇洪水下北港分流比分別減小約13.1%、12.2%、11.7%,明顯大于2009—2020年閩江下游河床沖淤變化導(dǎo)致的分流比變化。1994年水口水庫(kù)建壩截流攔沙,1997年閩江北港全面禁止采砂、閩江下游采砂轉(zhuǎn)移至閩江下游干流和南港,南港航道整治疏浚以及潮流影響等是導(dǎo)致閩江下游南北港河道沖淤演變的原因[7]。

表4 不同地形條件閩江南北港洪水分流比模擬計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

基于大量實(shí)測(cè)資料和前人相關(guān)研究成果,總結(jié)分析閩江下游南北港分流比變化特征,并建立3套不同河道堤岸邊界和地形條件的數(shù)學(xué)模型計(jì)算不同頻率洪水南北港分流比,探討河道演變對(duì)南北港分流比變化的影響,主要結(jié)論如下。

a)閩江下游南北港分流比變化大致可以分為3個(gè)階段,第一階段1985年以前,此階段,閩江南北港分流比整體相對(duì)穩(wěn)定,基本維持動(dòng)態(tài)平衡;第二階段1985年至20世紀(jì)末,這一時(shí)期,閩江北港分流比不斷增大,南港減小;第三階段21世紀(jì)初期至今,此階段,南港分流比持續(xù)增大,北港分流比不斷減小,已降至歷史最低水平。

b)1997—2020年的20多年間,閩江南北港分流比變化明顯,1997—2009年分流比變化程度強(qiáng)于2009—2020年,50～200年一遇洪水北港分流比減小約9.0%～10.5%;2009—2020年,北港分流比減小2.1%～2.6%。

c)20多年間,閩江下游河道地形沖淤變化對(duì)南北港分流比的影響明顯大于河道堤岸邊界變化對(duì)南北港分流比的影響,地形沖淤變化導(dǎo)致50～200年一遇洪水北港分流比減小9.1%～10.6%;河道平面束窄也對(duì)南北港分流比產(chǎn)生一定影響,影響幅度約3%。

建議對(duì)閩江下游河道進(jìn)行系統(tǒng)治理,促進(jìn)南北港河道演變平衡,穩(wěn)定南北港分流比。