横门潮位站与东河水利枢纽断面水潮位关系研究

田军林

(中山市水库水电工程管理中心，广东 中山 528400)

中山市位于珠江三角洲中南部，珠江口西岸，面积为1 800.14 km2，属亚热带季风气候，雨量充沛，多年平均降水量为1 710.3 mm。境内河流众多，河网纵横交错，珠江八个入海口中的磨刀门、横门、洪奇沥等主要水道流经境内，从西北向东南入海。地处珠江三角洲网河区下游，三面环水，中部为山区，周边为冲积平原，常受台风和暴雨影响[1-2]。

1 中山市台风和咸潮影响情况

1.1 台风影响情况

1988—2019年间，共有59次台风影响中山市，平均每年有1.9次。特别是2018年和2019年，连续2 a受强台风影响。2017年8月23日，强台风“天鸽”正面侵袭中山，对中山市造成严重的风雨潮影响，全市15个指标站阵风达10级以上，坦洲镇铁炉山水库(非指标站)出现16级(51.6 m/s)阵风。全市出现了50～100 mm降雨，东凤镇莺歌咀出现101.5 mm最大雨量。台风影响时，正值天文大潮期，潮水与风势叠加引发风暴潮，中山市沿海地区潮位站全面超出警戒潮位。2018年9月16日17:00，第22号台风“山竹”在台山海宴镇登陆，受其环流影响，中山市出现10～14级阵风，大涌镇录得最大雨量为171.5 mm。台风“山竹”期间，潮水因风势和低气压引发风暴潮，中山市沿海地区潮位站全面超出警戒潮位，横门观测站站录得水位超出历史最高水位。2次台风均造成堤防漫顶，部分水利设施损毁，大量树木和农作物倒伏、街道渍浸和房屋受损，经济损失巨大[3-4](见图1)。

图1 2008—2019年对中山市影响较大的台风路径示意

1.2 咸潮影响情况

冬春季节枯水期，受西、北江水位锐降影响，中山市平原区河网会发生潮汐倒灌上溯现象，出现咸潮。咸潮在上游淡水来量和潮流强弱不同的情况下，越近河口含盐量越大，越向上游则越少；涨潮憩流时含盐量最大，落潮憩流时含盐量最小。正常年份磨刀门水道的咸潮上溯至神湾镇以下、灯笼山以上，横门水道则在火炬开发区小隐涌；干旱年份磨刀门水道的咸潮线上推到神湾镇，横门水道到达东河水利枢纽。咸潮通常出现于每年的10月至次年4月，但以12月至次年2月较频繁。洪水期一般不受咸潮影响。中山市在2009—2011年连续3 a受咸潮严重影响。2009年11月下旬，咸潮上溯到小榄水道的大丰水厂和鸡鸦水道的新涌口水厂，全禄、大丰水厂被迫24 h低压供水，影响全市50%供水区域[5]。

2 东河水利枢纽

东河水利枢纽工程位于岐江河东端与横门水道交界处，与东河泵站、东河水闸和东河船闸组成，于2000年建设完成并试运行。水闸设10孔，单孔净宽为15 m，总净宽为150 m，最大过闸流量为1 020 m3/s，闸门设计水位差为2.60 m，按100 a一遇暴潮水位加11级风浪爬高设计。泵站安装6台立式轴流泵，总装机容量为10 800 kW,设计排涝流量为273 m3/s，按5 a一遇外江水位、10 a一遇24 h连续暴雨1 d排干标准设计。东河水利枢纽是中顺大围主要的排涝工程之一，当外江水位超过1.5 m(珠江基准，下同)时，东河水利枢纽关闸挡潮，通过泵站将汇集到岐江河的涝水排向外江横门水道，使岐江河水位控制在1.3 m(见图2～图3)。

图2 东河水利枢纽示意

图3 横门潮位站与东河水利枢纽关系示意

3 研究意义

中山市属于受台风严重影响同时又受咸潮威胁的地区，台风引起的风暴潮与天文大潮叠加对外江堤围和水闸等水利工程造成严重威胁,咸潮影响经济发展和群众正常生活。东河水利枢纽是中顺大围东段重要的水利工程，在台风暴潮期间承担着抵挡外江潮水和排除内涝功能，在枯水期抵挡咸潮上溯。若东河水利枢纽及其附近堤防出现险情，将极大威胁中山市主城区的安全。黄山，朱良生通过数值模拟风暴潮研究台风增水过程[6]。刘曾美，陈子利用copula函数模拟了区间暴雨和外江洪水遭遇研究的风险[7]。陈文想分析了2008—2018年强台风对珠江口—横门一带的增水影响，发现了主要增水因素[8]。陆秀文，李亮通过研究赤湾站潮位与茅洲河沙井河口断面水位关系分析了不同断面水位关系[9]。刘瑞哲，朱庆勇，倪培桐通过MIKE21和Holland构建模型模拟了“天鸽”台风在珠江口增水过程[10]。王建领分析了在超过设计水位差情况下闸门运行的一种情况。任锦亮，李琼芳，李鹏程等通过拟合上海市台风降雨和潮位的概率分布，分析了台风降雨和潮位组合风险概率[11]。付利群分析了引发横门水道风暴潮超警戒水位的热带气旋特征，给出了重点防御的热带气旋[12]。因此，研究台风、咸潮等不同工况下横门潮位站与东河水利枢纽断面水位关系，可以由横门潮位站水(潮)位预测东河水利枢纽河口断面水(潮)位，为东河水利枢纽及其他类似水利工程提供调度参考，以提前决策、科学调度，做好防御。

4 水文资料和潮汐规律

中山市大陆海岸线总长为57 km，潮位站主要在火炬开发区和南朗镇。横门潮位站位于中山市火炬开发区，距离东河水利枢纽7 km，从1953年建站以来一直观测至今，观测资料基本完整，成果包括站点历年潮水位统计，历年最高、最低潮水位统计和逐年各月高潮平均潮水位统计等。东河内水位站和东河外水位站分别位于东河水利枢纽上游、下游，有较为完整的水位和降雨记录资料。本次选取近年典型水位序列资料进行分析研究。

潮汐是在月球和太阳引力作用下形成的海水周期性涨落现象。白天称潮，夜间称汐，总称“潮汐”。外海潮波沿江河上溯，又使得江河下游发生潮汐。潮汐规律是指海水在天体(月球和太阳)作用下所产生的周期性运动。习惯称海面垂直方向涨落为潮汐，而海水在水平方向的流动称为潮流。中山市属混合型不正规半日周潮，每天大致两涨两退，每次从涨潮到退潮约8 h，从退潮到涨潮约4 h。相邻的高潮或相邻的低潮其潮位高度均不相等。每月朔(初一)、望(十五或十六)期潮差最大(称大潮期)，每月上弦(初八前后)和下弦(23日前后)潮差最小(称小潮期)[13]。

5 不同工况的选取

由于台风降雨遭遇相同概率的高潮位的概率较低，本次不考虑台风与潮水发生的关联性[14-15]。根据水文资料和潮汐规律，选取有台风影响、无台风有降水影响和无台风无降水3种工况进行横门潮位站断面和东河水利枢纽断面关系分析。具体工况如下：① 台风工况，工况1：台风“天鸽”，工况2:台风“山竹”；② 无台风有降水工况，工况3：2018.6.7暴雨(遭遇3年一遇暴雨)，工况4：2018.8.29暴雨(三乡镇遭遇50年一遇降雨)；③ 无台风无降水工况，工况5：大潮期；工况6：小潮期。

表1 工况选取情况

6 不同工况下潮位分析

1) 工况1：台风“天鸽”

台风“天鸽”在2017年8月23日12:50在珠海登陆。横门潮位站水(潮)位在2017年8月23日13:30达到最大值3.08 m，东河外断面水位在2017年8月23日13:53达到最大值2.91 m，东河内断面水位在2017年8月23日17:29达到最大值0.67 m。横门潮位站断面与东河外断面最高水(潮)位发生时间相差0.38 h，最大水(潮)位差0.17 m；东河外与东河内最高水(潮)位差2.24 m。当日多站水位过程线如图4所示。

图4 台风“天鸽”登陆前后各站水位过程线示意

2) 工况2： 台风“山竹”

台风“山竹”在2018年9月16日17:00在台山登陆。横门潮位站水(潮)位在2018年9月16日16:57达到最高值3.29 m，即在台风登陆时达到最高水(潮)位。东河外断面水位在2018年9月16日17:56达到最高值3.24 m，横门潮位站断面与东河外断面最高水(潮)位发生时间相差1 h，最高水(潮)位差0.05 m。东河内断面水位在2018年9月16日24:00为最高值1.25 m，东河外与东河内最高水(潮)位差1.99 m(如图5所示)。

图5 台风“山竹”登陆前后各站水位过程线示意

3) 工况3： 无台风，中山市遭遇3年一遇暴雨

横门潮位站水(潮)位在2018年6月7日16:06达到最高值0.78 m，东河外断面水位在2018年6月7日16:18达到最高值0.70 m，东河内断面水位在2018年6月7日9:26为0.53 m。横门潮位站断面与东河外断面最高水(潮)位发生时间相差0.2 h，最高水(潮)位差为0.08 m；东河外与东河内最高水(潮)位差为0.17 m(如图6所示)。

图6 2018年6月7日0—24:00，遭遇3年一遇暴雨各站水位过程线

4) 工况4： 无台风，三乡镇遭遇50年一遇暴雨

横门潮位站水(潮)位在2018年8月29日11:24达到最高值1.14 m，东河外断面水位在2018年8月29日11:24达到最高值1.01 m，东河内断面水位在2018年8月29日15:35为0.3 m。横门潮位站断面与东河外断面最高水(潮)位发生时间差0 h，最高水(潮)位差为0.13 m；东河外与东河内最高水(潮)位差为0.71 m(如图7所示)。

图7 2018年8月29日0-24：00，遭遇50年一遇暴雨时各站水位过程线

5) 工况5：大潮，朔后1日

横门潮位站水(潮)位在2018年12月8日23:00达到最高值1.16 m，东河外断面水位在2018年12月8日23:00达到最高值1.27 m，东河内断面水位在2018年12月8日21:48为0.96 m。横门潮位站断面与东河外断面最高水(潮)位无发生时间差，最高水(潮)位差为0.11 m；东河外与东河内最高水(潮)位差为0.31 m(如图8所示)。

图8 2018年12月8日0-24：00，大潮日各站水位过程线

6) 工况6：小潮，下弦前1日

横门潮位站水(潮)位在2018年12月28日2:52达到最高值1.14 m，东河外断面水位在2018年12月28日3:25达到最高值1.28 m，东河内断面水位在2018年12月28日0:15为0.91 m。横门潮位站断面与东河外断面最高水(潮)位发生时间相差0.55 h，最高水(潮)位差为0.14 m；东河外与东河内最高水(潮)位差为0.37 m(如图9所示)。

图9 2018年12月28日0-24：00，小潮日各站水位过程线

不同工况下，东河外水位站水位过程线与横门潮位站基本一致，主要受潮水影响。东河外水位站最高水(潮)位发生时间滞后于横门潮位站或者与横门站同时发生。在台风和暴雨工况下，横门潮位站最高水(潮)位大于东河水位站最高水(潮)位，高差为0.05～0.17 m。在1月前后(咸潮期)，无台风无暴雨工况，会出现东河水位站最高水(潮)位大于横门潮位站最高水(潮)位情况。东河内水位由于受东河水利枢纽的控制，与东河外水位和横门潮位站水位差别较大(见表2)。

表2 各工况对比分析

7 结语

本次选用6个不同工况，2个有台风降雨、2个无台风有降雨和2个无台风无降雨工况进行分析，得出以下结论：

1) 在台风工况下，横门潮位站水(潮)位最高，东河外水位站次之，东河内水位站最低。东河外水位站最高水(潮)位发生时间滞后于横门潮位站，滞后时间为0.38～1.0 h，最高水(潮)位差为0.05～0.17 m。东河外水位站和东河内水位站的最高水(潮)位差为0.17～2.24 m，时间差值在3.60～6.0 h之间。值得注意的是，台风会显著影响横门潮位站和东河外水位站最高水(潮)位，较未遭遇台风的其他工况，水(潮)位增幅为1.63～2.51 m。东河水利枢纽水闸的最大水位差达到2.24 m。

2) 在无台风、遭遇暴雨工况下，横门潮位站水(潮)位最高，横门潮位站、东河外水位站和东河内水位站的水(潮)位依次降低。因东河水利枢纽有泵站排水，暴雨工况对东河内水位并无明显影响。各个水位站的水(潮)位过程线趋势相同，即内河水位随外江水(潮)位变化。东河外水位站与横门潮位站差值为0.08～0.13 m，滞后时间为0～0.20 h。东河外水位站与东河内水位站的最高水(潮)位差为0.17～0.71 m，时间差值为4.18～6.87 h。

3) 在无台风、无降雨工况下，水(潮)位受潮汐影响，出现横门潮位站最高水(潮)位低于东河外水位站最高水(潮)位的情况，即东河外水位站水(潮)位最高，横门潮位站其次，东河内水位站最低。东河外水位站与横门潮位站差值为0.11～0.14 m，滞后时间为0～0.55 h。东河外水位站与东河内水位站的最高水(潮)位差为0.31～0.37 m，时间差值为1.20～3.16 h。