袁 菲,陳文龍,胡曉張,盧 陳,高時(shí)友,黃鵬飛
(1. 珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院,廣東 廣州 510611;2. 水利部珠江河口治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510611)
分汊河道在三角洲河網(wǎng)區(qū)是一種常見的河流平面形態(tài),分流比是分汊河道的一個(gè)重要參數(shù),其大小和變化決定河網(wǎng)區(qū)各支汊的興衰[1-2],影響航道變遷、防洪情勢(shì)、環(huán)境生態(tài)等諸多方面[3-4],開展自然與人類活動(dòng)作用下的汊道分流機(jī)制研究具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。天然情況下,影響汊道分流的因素很多,如分流角[5]、分流口形狀[6]、各汊道的地形變化[7]和來水來沙條件[8];人類活動(dòng)干擾下的地形下切被證明對(duì)汊道分流有至關(guān)重要的影響[9-10];感潮河道內(nèi)的潮波運(yùn)動(dòng)也是汊道分流的影響因素之一[11-12]。河道水流分配正是諸多因素間相互影響、相互調(diào)整結(jié)果的綜合反映。
在珠江三角洲一級(jí)分流節(jié)點(diǎn)思賢滘,幾十甚至上百年來都維持著穩(wěn)定的X形汊口格局,受上游洪水、外海潮汐、平面形態(tài)、河床地形及地質(zhì)等多因素的相互作用,思賢滘分流存在動(dòng)態(tài)調(diào)整,并在一定程度上調(diào)控著下游河網(wǎng)動(dòng)力及地貌演變[13-14]。目前,學(xué)者們對(duì)思賢滘分流的研究主要集中于分流年際變化特征,楊清書等[15]發(fā)現(xiàn)思賢滘的分水分沙格局自1993年后發(fā)生了重大變化,三水站分流分沙比顯著增大;張靈等[16]認(rèn)為水沙變異時(shí)間在1992年前后,并討論了其負(fù)面影響,認(rèn)為北江分流加大會(huì)導(dǎo)致三角洲腹地水位抬升。部分學(xué)者探討了汊口地形變化對(duì)分流的影響,劉幼萍[17]對(duì)水文、地形成果分析,發(fā)現(xiàn)河床形態(tài)的重大變化導(dǎo)致西、北江分流比由1959—1989年的85∶15變?yōu)?989—2017年的80∶20;陳小齊等[18]分析認(rèn)為21世紀(jì)以來西江地形下切幅度大于北江,地形不均勻下切導(dǎo)致西江分流增加2%。王博芝等[19]提出思賢滘分流還受余水位坡度、潮波衰減率等徑潮動(dòng)力的調(diào)節(jié)作用。由此可見,對(duì)于思賢滘分流規(guī)律及其變化原因的探討目前還以定性分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究為主,對(duì)思賢滘分流比影響因素的認(rèn)識(shí)仍不系統(tǒng),對(duì)分流機(jī)制的研究及理論的探討還較為匱乏,思賢滘作為珠江三角洲“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),其分流規(guī)律及機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。
珠江三角洲不僅徑潮動(dòng)力復(fù)雜,且思賢滘形態(tài)為罕見的X形交叉口,進(jìn)一步加大了問題的復(fù)雜性。本文結(jié)合資料分析、物理模型、數(shù)學(xué)模型及理論分析等方法,分析思賢滘分流的自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律,探討X形潮汐汊口的分流機(jī)制,豐富感潮型分汊河道的分流理論研究,研究成果以期為河口三角洲的防洪、供水安全及水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論指導(dǎo)與決策建議。
珠江三角洲形態(tài)呈“三江匯流,八口出?!备窬?圖1)。其中,“三江”分別為西江、北江和東江,西江、北江于廣東省三水思賢滘相匯后注入西北江三角洲,東江于東莞市石龍鎮(zhèn)匯入東江三角洲。
圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area
西江和北江是珠江的兩大重要水系,思賢滘?yàn)閮山噙B之處,是珠江三角洲上溝通西、北兩江的第一條汊道。西、北江來流在此經(jīng)過重新分配后折頭南下,隨后經(jīng)河網(wǎng)各級(jí)支汊,通過八大口門入海。馬口、三水水文站分別位于思賢滘西、東汊口,是西、北江下游的主要控制站。在平面上,思賢滘區(qū)呈X形,并且在幾十上百年來維持著穩(wěn)定的X形主支汊地貌形態(tài)格局。
本文收集思賢滘區(qū)1999年、2005年和2020年3套地形數(shù)據(jù),資料來自中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司提供的水下地形測(cè)量成果;收集馬口、三水?dāng)嗝?0世紀(jì)60年代以來共7套斷面地形數(shù)據(jù),資料來自珠江水利委員會(huì)歷次水文測(cè)驗(yàn)的實(shí)測(cè)大斷面成果;收集馬口、三水站1959—2017年逐日流量數(shù)據(jù),馬口、燈籠山、三水、馮馬廟站年平均水位特征值,數(shù)據(jù)來自《珠江流域水文資料》年鑒;收集珠江流域2005年6月及2006年7月洪水期水文資料,數(shù)據(jù)來自珠江水利委員會(huì)提供的特大洪水水文測(cè)驗(yàn)成果。
2.2.1數(shù)學(xué)模型
建立包含珠江河網(wǎng)區(qū)及河口灣區(qū)的潮流數(shù)學(xué)模型(圖2(a)),模型的計(jì)算范圍是112°12′E—114°54′E,21°12′N—24°48′N。模型有5條上游開邊界,分別是潭江的石咀、西江的高要、北江的石角、溪流河的老鴉崗和東江的博羅,外海開邊界為45 m等深線處。模型采用1999年地形成果,采用1998年6月典型洪水期的珠江河網(wǎng)區(qū)同步水文測(cè)驗(yàn)資料進(jìn)行驗(yàn)證,主要驗(yàn)證三角洲河網(wǎng)區(qū)的水位及馬口、三水流量,計(jì)算誤差在10%以內(nèi),符合相關(guān)規(guī)程要求。
圖2 思賢滘數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格及物理模型研究范圍與布局Fig.2 Sixianjiao mathematical model grid and research scope and layout of physical model
2.2.2物理模型
思賢滘局部物理模型上游邊界取自西、北江彎道上游的順直段(圖2(b)),距離思賢滘約6 km;下游邊界分別位于距馬口站4.8 km、三水站8 km的順直段,原型南北長(zhǎng)約17 km,東西寬約16 km。物理模型的平面比尺為300,垂直比尺為100,變率為3。模型下邊界通過H—Q(水位—流量)關(guān)系控制,采用溢流堰確定H—Q關(guān)系使之與原型基本一致。工程后的流量變化則通過量水堰直接測(cè)得。采用2020年6月小洪水進(jìn)行模型率定,采用2005年6月大洪水進(jìn)行模型驗(yàn)證,主要驗(yàn)證馬口、三水站水位及流量。
思賢滘全長(zhǎng)約1.5 km,平均河寬250 m。滘區(qū)在平面上呈X形,西滘口跟西江干流相通,北滘口跟北江干流相接,西滘口南岸是陡直的巖質(zhì)山體,其上游約500 m沙洲為琴沙,北滘口上游沙洲為老鴉沙。1999—2020年,思賢滘區(qū)河道大體呈現(xiàn)灘淤槽沖特征。其中,1999—2005年,思賢滘區(qū)西江側(cè)以沖刷為主,容積增加0.07億m3,增幅為3%,主槽最大下切超過20 m;北江側(cè)河道相對(duì)平衡(表1,圖3(a))。2005—2020年,思賢滘區(qū)西江側(cè)總體由沖轉(zhuǎn)淤,容積減少0.33億m3,減幅為16%,灘槽分化顯著,邊灘強(qiáng)烈淤積,淤高超過5 m,沖刷主要發(fā)生在局部深槽;北江側(cè)容積減少0.13億m3,減幅為15%(表1,圖3(b))。分析范圍向下游擴(kuò)展,西江下游馬口至天河段總體持續(xù)沖刷,北江三水至三善滘段由沖轉(zhuǎn)淤(表1)??紤]當(dāng)前上游來沙趨于減少,思賢滘區(qū)的馬口及三水?dāng)嗝婧哟蚕鄬?duì)穩(wěn)定(圖4),預(yù)計(jì)未來思賢滘下游及三角洲河道河床較為穩(wěn)定,滘區(qū)地形格局不會(huì)出現(xiàn)大的變化。
表1 思賢滘區(qū)及下游河段容積及其變化Table 1 Volume and change of Sixianjiao area and its downstream reaches
圖3 思賢滘區(qū)河道地形沖淤演變Fig.3 Evolution of the terrain near Sixianjiao
圖4 思賢滘區(qū)馬口、三水?dāng)嗝娴匦巫兓疐ig.4 Terrain change of Makou and Sanshui sections near Sixianjiao
2 000多年前思賢滘附近是洲島眾多的汊河區(qū),西江直流過滘,隨著北江東遷及三角洲的推進(jìn)發(fā)展,元明時(shí)期,思賢滘形成西、北江分流(西江過北江)格局;清朝,圍堤修筑加速滘區(qū)變窄,發(fā)育曲流彎道,思賢滘成為分流天然調(diào)節(jié)器,水流以西江過北江為主,同時(shí)洪水也可以反過西江[20];民國(guó)以來,由于北江河床增高快,過西江水量日增,形成了北江“強(qiáng)支奪干”的形勢(shì);20世紀(jì)50年代,年均北江水量入西江為22%,枯水季則達(dá)70%~80%。從思賢滘過滘水流的變化可以推斷,其分流形勢(shì)的調(diào)整與河床的沖淤變化密切相關(guān)。
20世紀(jì)60—90年代,思賢滘水流以北江過西江為主,洪季少部分時(shí)間為西江過北江。20世紀(jì)80年代以來,三角洲采砂活動(dòng)頻繁,思賢滘分流比不斷調(diào)整。20世紀(jì)80年代至1993年,三角洲采砂主要發(fā)生在北江片區(qū),北江三水分流比增大,西江馬口分流比驟降,西江過北江流量增大;1993—2005年,西江采砂幅度大于北江,分流逐漸向西江增加;2005年以后,三角洲全面禁采,西、北江河床相對(duì)穩(wěn)定,洪水分流比基本保持在78%左右(圖5)。
圖5 馬口洪季、枯季及全年分流比的年際變化Fig.5 Inter-annual change of the flood season,dry season and annual diversion ratio of Makou
采用馬口及三水水文站逐日流量資料分析思賢滘的分流特征,見圖6,上游來流量越大,三水的分流比越大;當(dāng)流量達(dá)到一定閾值時(shí),分流比趨于穩(wěn)定,大洪水時(shí)三水分流比穩(wěn)定在25%左右,西江馬口與北江三水流量比大致為3∶1。對(duì)比20世紀(jì)90年代前與2000年后三水的分流比,地形不均勻下切致使在同等來流條件下,三水分流比增大(圖6(d))??菟谒假t滘水流受到潮汐頂托作用影響,無明顯規(guī)律。
圖6 各年代思賢滘日均流量與三水分流比關(guān)系Fig.6 Relationship between the daily flow in the Sixianjiao channel and the diversion ratio at Sanshui over the years
采用物理模型研究思賢滘的分流規(guī)律,模型試驗(yàn)結(jié)果表明(圖7):① 2006年7月,北江洪水為主的試驗(yàn)(代號(hào)“067”)中,思賢滘上游西、北江來流比隨時(shí)間不斷變化,但下游分流比趨于穩(wěn)定。分流前,西、北江流量比范圍為1.2~7;分流后,馬口和三水流量比總體穩(wěn)定在3∶1。② 2005年6月,西江洪水為主的試驗(yàn)(代號(hào)“056”)中,洪峰時(shí)刻,思賢滘水流為西向北(圖8)。2006年7月,北江洪水為主的試驗(yàn)中,洪峰時(shí)刻,思賢滘水流為北向西。③ 當(dāng)西江洪水大于北江洪水3倍以上時(shí),思賢滘水流為西江過北江;當(dāng)西江洪水小于北江洪水3倍時(shí),則為北江過西江。由此可見,思賢滘是一個(gè)天然的洪水調(diào)節(jié)器,具有穩(wěn)定西、北江洪水分流比的作用。
圖7 物理模型試驗(yàn)中“067”洪水思賢滘分流情況Fig.7 Results of a physical model experiment on the Sixianjiao diversion during the typical “067” flood
根據(jù)流量關(guān)系Q=Av,其中,Q為流量,A為過水?dāng)嗝婷娣e,v為斷面平均流速。對(duì)于受兩岸堤防約束的河道,其斷面往往呈不規(guī)則“U”型形態(tài),斷面的上部水面寬趨近于常數(shù),水位—面積關(guān)系曲線近于直線。當(dāng)水位變化dZ時(shí),面積相應(yīng)變化dA,水位—面積關(guān)系曲線的斜率與河寬(B)之間有如下關(guān)系:dA/dZ=B。對(duì)兩邊同時(shí)積分可得,A=BZ+a,其中,a為堤防以下不規(guī)則的河床斷面面積,BZ為由堤防約束的規(guī)則矩形面積,其物理意義可理解為:斷面過水面積由堤防上、下2部分?jǐn)嗝婷娣e組成。西江與北江的平均過水?dāng)嗝婷娣e之比則表示為
(1)
式中:下標(biāo)xj、bj分別表示西江、北江。
圖9 西、北江斷面面積比隨水位變化Fig.9 Ratio of section area between Xijiang and Beijiang rivers with the water level
(2)
采用思賢滘下游30 km河段的多套地形資料驗(yàn)證兩江過水?dāng)嗝婷娣e之比,結(jié)果表明,隨著水位的升高,西、北江平均過水?dāng)嗝婷娣e之比不斷減小,且水位越高減幅越小,比值趨向于穩(wěn)定(表2及圖9)。
表2 思賢滘下游西、北江河段斷面面積比Table 2 Ratio of the crossing section area of the Xijiang and Beijiang rivers at the downstream of Sixianjiao
表3 頻率洪水水面線下的西、北江地形參數(shù)及流量之比Table 3 Topographic parameters of the Xijiang and Beijiang rivers and their flow ratios for water levels corresponding to different flood frequencies
(3)
考慮流速變化后,思賢滘下游15 km內(nèi),西、北兩江計(jì)算流量之比趨近于3∶1,與分流規(guī)律一致;思賢滘下游30 km,西、北兩江流量之比趨近于3.5∶1,這是由于北江下游15~30 km之間紫洞水文站附近的支汊分流,導(dǎo)致兩江流量比值變化。
綜上可知,天然條件下,思賢滘下游地形是分流自適應(yīng)調(diào)節(jié)的決定性因素,其中,西、北江過水?dāng)嗝婷娣e之比是控制分流比的關(guān)鍵地形參數(shù),水深對(duì)分流比有小幅修正作用。
思賢滘下游的西、北江干流至入??诤拥揽傞L(zhǎng)分別約為145、90 km,且河道沿程多汊道分流,因此有必要進(jìn)一步研究影響兩江分流的關(guān)鍵河段。根據(jù)數(shù)學(xué)模型對(duì)下游不同河段河床變化后的分流效果進(jìn)行計(jì)算,見表4,分別對(duì)思賢滘下游2.5、7、15、30及60 km河段河床進(jìn)行改造,結(jié)果表明,越往下游,地形變化對(duì)分流影響越小,思賢滘下游局部河段(大約7 km左右)是控制兩江分流比的節(jié)點(diǎn)性河段。
表4 思賢滘下游北江不同河段回填5 m后和西江不同河段下切5 m分流變化Table 4 Changes in flow diversion under different engineering conditions in the river sections downstream of Sixianjiao:a 5 m backfill in different sections of the Beijiang River versus a 5 m incision in the different sections of the Xijiang River
枯水時(shí),思賢滘分流受到下游漲潮動(dòng)力影響無明顯規(guī)律,可以歸結(jié)為下游變動(dòng)回水的影響。引起變動(dòng)回水的原因包括:下游水庫(kù)、湖泊和海洋等水體水位的變化引起的頂托;干流受下游支流漲水的頂托;下游渠道閘門的啟閉;下游河道壅水或植被阻力等。受變動(dòng)回水影響的水流可認(rèn)為屬于穩(wěn)定漸變流,因?yàn)橄掠嗡康淖兓话闶蔷徸兊?,下游回水的頂托引起的比降變化亦是緩變的,因此,受變?dòng)回水影響時(shí)的流量與各水力因素間的關(guān)系可用曼寧公式表示,即
(4)
式中:下標(biāo)1、2分別表示下游發(fā)生變動(dòng)回水前、后的情況;n為糙率。表明受變動(dòng)回水影響,下游水體變化引起的水力坡降變化導(dǎo)致河道過流量發(fā)生變化,進(jìn)而影響西、北兩江分流比。
基于物理模型,控制西江、北江來流量和來流比不變,通過改變下游邊界水位的方法,分別設(shè)置3組工況,模擬下游變動(dòng)回水對(duì)思賢滘分流的影響(表5)。為研究西江下游變動(dòng)回水影響,采用西江為主洪水進(jìn)行模擬,上游邊界為西江100年一遇遭遇北江5年一遇流量,下邊界采用插板法壅高水位,見表5。試驗(yàn)表明,西江馬口下游水位壅高后,西、北兩江流量之比發(fā)生變化,但變幅較小,馬口水位抬升1 m,三水水位相應(yīng)抬升0.9 m,兩江流量之比由3.1降至2.7。為研究北江下游變動(dòng)回水影響,采用北江為主洪水進(jìn)行模擬,上游邊界為西江5年一遇遭遇北江100年一遇流量,下邊界采用插板法壅高水位,見表5。試驗(yàn)表明,北江三水下游水位壅高后,西、北兩江流量之比發(fā)生顯著變化,三水水位抬升1 m,馬口水位相應(yīng)抬升0.5 m,兩江流量之比由3.4升至5.3。綜上可知,西、北兩江下游變動(dòng)回水均會(huì)導(dǎo)致思賢滘分流的變化,但思賢滘分流對(duì)北江下游水位變化更為敏感。由此也可推斷,枯季珠江口潮汐上溯動(dòng)力強(qiáng),思賢滘下游受潮水頂托影響,不同徑潮動(dòng)力組合作用下的水面比降變化是枯季分流比紊亂的主要原因。
表5 思賢滘下游馬口和三水水位變化后的分流情況Table 5 Diversion after the change of Makou and Sanshui water level in the downstream of Sixianjiao
ηxj=Qxj/(Qxj+Qbj)
(5)
(6)
選取思賢滘下游兩江關(guān)鍵河段的馬口、三水?dāng)嗝鏋橛?jì)算斷面,以水下地形為依據(jù),計(jì)算其過水面積、平均水深及水力坡降(表6),根據(jù)收集地形資料情況,采用分流比公式(6)分別計(jì)算1965年、1974年、1999年、2000年、2005年、2007年及2017年馬口年均分流比,在思賢滘附近,馬口、三水?dāng)嗝婢鶠樯迟|(zhì)河床,式(6)中兩汊糙率雖有差別,但與過水面積、水深等相比,其差別要小得多,對(duì)分流比應(yīng)不致有大的影響,因此取思賢滘兩汊糙率之比為1。將計(jì)算結(jié)果與馬口水文站實(shí)測(cè)年均分流比進(jìn)行對(duì)比,見圖10。僅考慮地形的影響時(shí),計(jì)算值與實(shí)際值誤差達(dá)到6%;同時(shí)考慮水力坡降影響時(shí),計(jì)算值與實(shí)際值誤差基本在1%以內(nèi)(計(jì)算地形采用歷年馬口、三水實(shí)測(cè)大斷面地形,水力坡降根據(jù)水文年鑒中的年平均潮位計(jì)算)。
表6 思賢滘分流比計(jì)算參數(shù)Table 6 Calculation parameters of the Sixianjiao diversion ratio
圖10 馬口分流比實(shí)際值與計(jì)算值對(duì)比Fig.10 Comparison between the actual value and the calculated value of the diversion ratio of Makou
根據(jù)分流比計(jì)算公式,思賢滘X形汊口分流比受兩汊河段的水深、過水面積、糙率及水力坡降控制,而河段水力坡降由上游流量、下游海平面、汊道河床變化共同影響??紤]水力坡降與不考慮水力坡降2種情況下,分流比的計(jì)算誤差在4%以內(nèi),因此可以認(rèn)為,當(dāng)上下游水文邊界條件不發(fā)生明顯變化時(shí),兩汊河床變化是三水、馬口分流比調(diào)整的主要原因;當(dāng)受漲潮動(dòng)力或建閘等水利工程產(chǎn)生變動(dòng)回水影響時(shí),水力坡降對(duì)分流也產(chǎn)生重要影響。
思賢滘分流從年際變化來看,20世紀(jì)90年代前,馬口分流比枯季為89.4%~93.1%,洪季為83.9%~85.3%;20世紀(jì)90年代后,馬口分流比枯季為80.7%~85.2%,洪季為76.8%~78.0%??菁抉R口分流比始終大于洪季,這是由于汊口分流與過水?dāng)嗝婷娣e有關(guān),流量越小,兩江斷面面積之比越大,馬口分流越多。21世紀(jì)以來,洪季馬口分流比受地形變化影響有小幅回升趨勢(shì),但枯季馬口分流比卻無明顯回升,甚至有下降趨勢(shì),枯季汊口漲潮動(dòng)力較強(qiáng),潮動(dòng)力頂托對(duì)分流產(chǎn)生變動(dòng)回水影響,考慮近年來西江干流水道地形不斷下切,枯季馬口附近漲潮動(dòng)力增強(qiáng),由潮動(dòng)力增強(qiáng)引起馬口向三水分流增多,與地形引起的馬口分流回升相互制衡,枯季分流比未出現(xiàn)顯著回升趨勢(shì)。綜上分析,得到思賢滘“洪季兩汊河床控制,枯季潮汐均衡”的分流認(rèn)識(shí),潮動(dòng)力的變化使思賢滘汊口洪季與枯季分流比變化趨勢(shì)出現(xiàn)差異,但究其根本還是由于河網(wǎng)汊道不均勻下切造成的。
本文采用物理模型、數(shù)學(xué)模型、原型資料分析和理論分析等方法,依據(jù)20世紀(jì)60年代以來思賢滘區(qū)水文地形資料,分析了珠江三角洲頂點(diǎn)思賢滘的分流自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律,探討了這種X形汊口的分流機(jī)制,主要結(jié)論如下:
(1) 思賢滘是一個(gè)天然的洪水調(diào)節(jié)器,具有穩(wěn)定西、北江洪水分流比的作用。它的分流自適應(yīng)調(diào)整規(guī)律表現(xiàn)為:洪水越大,西江馬口與北江三水流量之比越穩(wěn)定,穩(wěn)定值大致為3∶1左右;枯水期受潮汐影響,規(guī)律性不強(qiáng)。
(2) 天然條件下,思賢滘下游地形是分流自適應(yīng)調(diào)整的決定性因素。其中,西、北江過水?dāng)嗝婷娣e之比是控制分流比的關(guān)鍵地形參數(shù),河道河寬受兩岸堤防約束,隨著流量加大,西、北兩江過水?dāng)嗝婷娣e之比趨近于兩江河寬之比,致使洪水期兩江流量之比趨于定值。思賢滘下游7 km河段是控制兩江分流比的節(jié)點(diǎn)河段。思賢滘下游水體變化引起水力坡降變化時(shí),思賢滘分流相應(yīng)改變,這種變化可認(rèn)為是下游變動(dòng)回水對(duì)分流的影響,思賢滘分流對(duì)北江下游水體變化更為敏感。
(3) 未來思賢滘的治理與保護(hù)應(yīng)遵循自然規(guī)律,保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng),順應(yīng)地形演變趨勢(shì)進(jìn)行地形微改造,充分挖潛思賢滘的天然調(diào)節(jié)功能,驅(qū)使分流自動(dòng)適應(yīng)地形變化,達(dá)到調(diào)控目標(biāo)。