水沙特性变化分析
何
摘
勇,叶小云
武汉
430010)
(长江勘测规划设计研究院,湖北
要:深圳河一、二期河道治理工程塑造了新的河道形态,改变了深圳河潮流特征和泥沙输移特性。实测资料分
析表明,深圳河治理后,河道阻力大大减小,潮波易于上溯,有利于涨潮流挟带泥沙进入深圳河而不利于落潮流将泥沙挟带出河口。这一变化将对深圳河的河道冲淤产生根本影响。关键词:河道治理;潮流特征;泥沙输移特性;深圳河
中图分类号:TV148.6 文献标识码:A 文章编号:1001-9235(2010)02-0010-04 深圳河为深港双方的界河,历史上洪患频繁。为消除洪水灾害,深港双方于1995年开始对深圳河进行治理,至2000年6月先后完成深圳河一、二期治理工程(图1)。工程建成后,对保障沿岸防洪安全发挥了重要作用,但由于泥沙回淤严重,深圳河的防洪能力较设计标准大幅降低。根据深圳河
实测地形资料分析,到2005年末,深圳河梧桐河口以下的干流河道内累积淤积295.5万m3泥沙,河道平均淤积厚度2.9m,其现状防洪能力约10～20年一遇,已远远小于深圳河设计的50年一遇的防洪标准。
图1 深圳河一、二期工程治理后河道形态示意图
1 深圳河基本情况
深圳河位于珠江口东侧,东经114°～114°12′50″,北纬22°27′～22°39′之间,属海湾水系。深圳河发源于梧桐山牛尾岭,在深圳市福田区注入深圳湾,流域面积312.5km2,干流全长约33.10km。沙湾河为深圳河主流,两侧主要支流有
莲塘河、平原河、梧桐河、布吉河、福田河、皇岗河、新田河等。
深圳河流域多年平均降雨量为1883mm,多年天然径流量约3.19亿m3。雨量在年内分配不均,雨季4—9月降雨量
可占全年降雨总量的80%～90%左右。深圳河河流短、比降陡、洪峰流量大、河水暴涨暴落。深圳河系无资料区根据《深圳市城市防洪(潮)规划纲要》,河口50年一遇洪水流量约为2100m3/s,10年一遇洪水约为1500m3/s。在非洪水期,深圳河上游径流一般不足10m3/s,潮流成为维持深圳河河道断面形态的主要动力。
深圳河感潮河段潮汐受深圳湾潮汐影响,在1日中有两个高潮和两个低潮,属典型的不规则半日潮。根据深圳湾尖
收稿日期:2010-03-01
作者简介:何勇,男,湖北随州人,主要从事河流治理规划和水流运动数值模拟研究。
10doi:10.3969/j.issn.1001-9235.2010.02.006 2010年第2期·PEARLRIVER 人民珠江鼻嘴站(距深圳河站约4.7km)多年潮位资料统计,其最高潮位为2.17m,平均高潮位1.05m,最低潮位-1.13m,平均低潮位为-0.31m;年最大涨潮潮差2.20m,最大落潮差3.10m,平均潮差1.37m;多年平均涨潮历时为5h54min,落潮历时为6h39min。
深圳河干流泥沙来源于上游支流输沙和河口潮流输沙。上游支流中,布吉河是主要产沙区。根据2004年10月至2005年10月布吉河草埔站(布吉河入口以上7.5km处,为
3径流站)泥沙资料统计,其汛期平均含沙量为1.80kg/m,枯3期为0.14kg/m,汛期平均输沙率为10.95kg/s,枯期仅为
2 深圳河一、二期治理工程
深圳河治理工程分三期。第一期工程为料坣和落马洲河段的裁弯取直与整治工程,工程于1995年5月动工,已于1997年4月完工;第二期工程为梧桐河口以下除一期以外河段的浚深扩宽工程,工程于1997年5月动工,已于2000年6月完工。第三期工程为三岔河口至梧桐河口段的综合整治工程,工程目前即将完工。
治理深圳河工程以防洪为主,设计等级为I级,设计防洪标准为50年一遇。深圳河干流梧桐河口以下河段治理前长12.9km,经过一、二期工程整治后缩短为9.6km;河底高程从原来的-2～-1m挖深至-5～-4m,河宽从原来的35～110m不等扩宽至105～210m,见表1。
0.46kg/s。深圳河干流属少沙河流,含沙量较小,2004年11月至2005年10月深圳河口站(潮流站)大潮平均含沙量约为0.090kg/m3,小潮平均含沙量约为0.074kg/m3。
表1 深圳河一、二期工程前后河道特征对比表
位置梧桐河口布吉河口落马洲深圳河口
桩号
工程前12+90010+4506+1100+000
工程后9+6008+4004+2000+000
工程前平
均河宽/m
355565110
工程后河宽/m河道底宽
5480105130
河道顶宽
105140180210
河底高程(黄海)/m工程前-1.0-1.2-2.0-0.97
工程后-4.0-4.2-4.5-5.0
2～5年
一遇
50年一遇
防洪标准工程前
工程后
注:深圳河一、二期工程段治理前断面为不规则的V型断面,有主槽和两岸边滩,治理后断面均设计为平底的梯形断面。
3 深圳河潮流特征变化分析
深圳河属海湾水系,潮流自深圳河口传入后,向上传播至三汊河口(桩号12+440)附近。深圳河治理后河道地形的变化改变了深圳河的潮波形态,对涨落潮过程和潮流特征产生了显著的影响。工程前,由于深圳河河道弯曲,断面狭窄,
受地形阻力的影响,潮波在向上游传播时能量损失较大,潮波滞后显现,河道浚深扩宽后,河道阻力大大减小,潮波在较短的时间内传至深圳河上游,形成几乎同涨同落的潮位过程。
从工程前后典型大、小潮潮位过程线(图2～3)来看,工程前深圳河下游站潮位先涨先落,上游站涨落潮明显滞后,高潮位各测站与深圳河口站比较滞后15～60min,低潮位与深圳河口站比较滞后30～120min,潮差基本上从下游向上游递减,潮波在向上游传播的过程中发生了较大程度的变形。深圳河治理后,上下游涨落潮时间基本一致,潮位过程线变形较小,上下游潮差相差不大。将工程前后的逐潮潮位、潮差特征值进行比较(表2)可以看出,工程后深圳河高潮位增加而低潮位降低,潮差有一定幅度增加,说明工程后深圳河潮流动力呈增强趋势;同时工程前梧桐河口站、布吉河口站与深圳河口站的年平均潮差相差0.13～0.32m,工程后上下游潮差几乎相等,这反映了工程后河道阻力要远小于工程前,潮流传播过程中能量损失更小。
深圳河经过浚深扩宽,河口宽度达210m,河底高程降至-5m,潮流通过喇叭口状的河口更易于进入深圳河内,反映在潮流特征上,即是纳潮量、潮流量和潮流速的变化。纳潮量、潮流量和潮流速是表征潮流动力的重要因素。由于非洪水期深圳河的径流量与潮流量相比较小,其对潮流动力的影响可以忽略不计,因此本次选择非洪水期且深圳湾潮差(尖鼻嘴站)相近的6个潮次来分析深圳河口潮流动力的变化(表3)。可以看出,工程后深圳河口纳潮量、潮流量和潮流速均有一定幅度的增长,表明工程后的潮流动力有所增强;同时由于涨潮流速增加更为显著,导致涨潮动力与落潮
图2 工程前深圳河典型潮位过程线
11动力的对比发生了变化,深圳河潮流由工程前的落潮流占优转变为涨潮流占主导地位。
图3 工程后深圳河典型潮位过程线
表2 工程前后深圳河逐潮潮位、潮差特征值对比表
时间
工程前(1995年11月至
1996年10月)工程后(2004年11月至
2005年10月)
测站梧桐河口布吉河口深圳河口梧桐河口布吉河口深圳河口
潮位
年平均0.590.640.430.510.490.43
年最高2.982.962.293.483.412.77
年最低-0.57-0.35-1.10-1.06-1.08-1.17
年平均1.371.181.501.521.511.54
潮差年最大2.832.803.033.253.193.27
年最小0.050.040.070.010.020.01
m
注:深圳河第一期工程竣工时间为1997年4月,且一期工程实施的是局部裁弯段,因此可以认为1996年前深圳河尚基本维持工程前状态,下同。
表3 深圳河一、二期工程前后深圳河口站潮量、流速对比表
涨潮
时间
潮型
尖鼻嘴站
潮差/m2.492.522.481.871.791.81
涨潮量/(10m)-347.1-775.4-573.2-188.6-442.3-535.5
4
3
落潮
平均断面流速/(m·s)-0.21-0.63-0.45-0.06-0.50-0.31
-1
最大流量/(m·s)-233.0-515.0-319.9-74.8-261.0-212.6
3
-1
落潮量/10m
4
3
最大流量/(m·s)213.0281.0287.4142.0181.0185.3
3
-1
平均断面流速/
-1
(m·s)
1996年9月29-30日2000年8月30-31日2004年10月17-18日1996年3月21-22日2001年12月1-2日2004年10月25-26日
大潮大潮大潮小潮小潮小潮
479.41023.8810.8252.5474.9598.4
0.230.480.360.130.380.22
4 深圳河泥沙特征变化分析
深圳河潮流特征和潮流动力的变化对泥沙输移产生了直接的影响。当涨潮时,入河口处水流紊动剧烈,流速较大、历时短,能够携带更多泥沙进入深圳河内,而落潮时则相反,其水流平稳、流速相对较小、历时长,淤积在河道中的泥沙不易挟带出河口。根据2004年11月至2005年10月深圳河口站14个测次的含沙量、输沙率资料统计,其涨潮平均含沙量为0.09kg/m3,平均输沙率为-13.87kg/s,落潮平均含沙量为0.07kg/m,平均输沙率为-9.55kg/s,涨潮泥沙含量表现出大于落潮泥沙含量的特性。
在深圳湾潮流动力基本相近时,对深圳河口站泥沙输移进行对比分析,见表4。工程前2个测次的大潮涨潮含沙量和输沙率大于落潮,一个潮周期内泥沙向河内输入143.8t,而小潮涨潮含沙量和输沙率小于落潮,一个潮周期内泥沙向口门外输出508.7t;工程后4个测次的大小潮期间涨潮含沙量和输沙率均大于落潮,涨落潮输沙不平衡现象十分明显,
3
泥沙呈单向输入的趋势。另外,二期工程竣工初期,河床形态的巨大变化使得河口泥沙输移处于强烈调整期,因此2000—2001年涨潮含沙量和输沙率要远大于落潮,一个潮周期内大潮净输入泥沙1038t,小潮净输入泥沙1100t,要大于其他时期的泥沙输入量,随着深圳河淤积的增加,到2004年,涨落潮含沙量输沙率的差值呈逐渐减小趋势,一个潮周期内的净输沙量也有所减小。
由工程前后泥沙输移的对比可以看出,在主要受潮流影响的非洪水期,工程前深圳河口站泥沙有输入也有输出,工程后泥沙大都向深圳河内输入,泥沙倒灌的概率大大增加,反映了深圳河口的泥沙输移特性发生了根本变化,这是导致深圳河治理后泥沙大量淤积的根本原因。
由于涨潮流占主导地位,涨潮带入的泥沙落潮时不能完全带出,使得深圳河悬移质粒径逐步发生变化。分析表明,工程前,深圳河干流悬移质粒径较粗,且与上游支流来沙特征值基本一致,这说明工程前上游支流来沙对深圳河干流泥
12沙的影响较大;随着深圳河治理工程的实施,深圳湾内大量的细颗粒泥沙进入深圳河,并随潮流上溯至各潮流河段。干流的落马洲河段及深圳河口的细颗粒泥沙明显增多,落马洲站1998-1999年粒径小于0.004、0.008、0.016mm的细颗粒比1996年分别增加了20.4%、31.6%、20.7%,粒径小于0.016mm的细颗粒占到泥沙总量的70.8%;深圳河口站1999-2000年粒径小于0.004、0.008、0.016mm的细颗粒比1996年分别增加了33.1%、38.3%、25.5%,粒径小于0.016
mm的细颗粒占到泥沙总量的81.7%。到2004-2005年,深圳河干流悬移质中值粒径普遍在0.003～0.006mm之间,要远小于工程前的0.015～0.018mm。深圳河干流悬移质粒径的变化,反映了深圳湾已逐渐成为深圳河泥沙的主要来源。
絮凝作用是细颗粒泥沙的重要特性。工程后深圳河细颗粒泥沙的增多,对泥沙沉速产生重要影响,进而影响河道泥沙淤积,而且泥沙越细,沉积后的起动切应力越大,导致深圳河泥沙易淤难冲,从而形成持续的淤积。
表4 深圳河一、二期工程前后深圳河口站泥沙输移对比表
涨潮
日期
潮型
含沙量/(kg·m平均值
1996年9月29-30日2000年8月30-31日2004年10月17-18日1996年3月21-22日2001年12月1-2日2004年10月25-26日
大潮大潮大潮小潮小潮小潮
0.150.1420.1160.380.560.075
-3
落潮
输沙率/(kg·s)平均值-26.31-44.90-20.57-14.87-97.22-14.20
最大值-72.42-124-54.3-21.16-199.7-18.5
-1
)含沙量/(kg·m)平均值0.130.0490.0970.280.320.032
最大值0.370.110.2130.570.410.044
-3
-1
输沙率/(kg·s)
净输沙量/t-143.8-1038.0-153.9508.7-1100.0-583.9
最大值0.340.260.1510.460.820.082
平均值17.147.9716.7017.5930.524.97
最大值46.1718.0041.9034.7760.359.03
注:负号表示泥沙向深圳河内输入。
5 结语
河型是河道特征的集中反映。深圳河原有的河型是具有两个弯曲段(料坣和落马洲段)的蜿蜒河型,主河槽狭窄而行洪滩地较宽,这一河型是在深圳河流域来水来沙和口门外潮汐动力条件的相互作用下形成的。深圳河一、二期整治从根本上改变了它的河型,一是裁去了主槽的两个蜿蜒段而取直,并且拓宽和浚深了主槽,工程后河道长度缩短近1/4,河底较工程前挖深3m,河宽扩宽2倍左右;二是改变了全河道断面形态,束窄了洪水河槽的河宽,将原来既与造床流量相适应的窄深主槽形态又与大洪水相适应的宽阔行洪滩地形态彻底改变。
深圳河地形条件的变化,改变了深圳河的潮流特征和泥沙输移特性。工程前由于河道蜿蜒曲折,断面狭窄,受地形阻力的影响,潮波在向上游传播的过程中发生了较大程度的变形,导致上游河段涨潮时间有明显的滞后现象,潮差从上游到下游沿程增加。河道浚深扩宽后,河道阻力大大减小,涨潮
流易于上溯,潮波在较短的时间内传至深圳河上游,形成几乎同涨同落的潮位过程,涨潮流能够携带更多泥沙进入深圳河内;落潮时由于河道断面扩大,干流河道流速降低,淤积在河道中的泥沙不易挟带出河口。由于深圳河治理后潮流特征和泥沙输移特性发生变化,深圳河原有的输沙平衡被打破,河道地形为适应新的水沙条件必将进行新的大幅度的调整。
参考文献:
[1]叶树森,林木松.深圳河防洪(潮)整治工程[J].水利水电快报,
1997,18(14):22-25.
[2]张华.深圳河干、支流泥沙特性及淤积规律研究[J].中国农村水
利水电,2003,(2):49-50.
[3]叶林宜.深圳河防洪工程规划中的防洪经济效益[J].人民珠江,
1995,(4):2-7.
(责任编辑:王艺)
AnalysisofWaterSedimentVariationafterRegulation
ProjectPhase1andPhase2inShenzhenRiver
HEYong,YEXiaoyun
(ChangjiangInstituteofSurvey,Planning,DesignandResearch,Wuhan,Hubei,430010)
Abstract:ThePhase1andPhase2workofShenzhenRiverregulationprojectsreshapedthemorphologyoftheriver,changingtheflowandthesilttransportpatterns.Theanalysisofthereal-measureddataindicatedthat,aftertheShenzhenriverregulation,theresist-anceforceintherivercoursewasreducesgreatly,makingiteasyforthetidalwavestogoupstream.ItmeantthatitwasfavorableforthetidalfloodcurrenttocarrysilttotheShenzhenriverandunfavorablefortheebbcurrenttocarrythesiltoutoftherivermouth.ThischangewillcausethemajorinfluenceonscouringandsiltingintheShenzhenrivercourse.
Keywords:ShenzhenRiver;waterwayregulation;tidalflowcharacteristic;sedimenttransportcharacteristics
13
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容