张徐杰，任 艳，岳青华，张发鸿，朱 聪

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.水电水利规划设计总院，北京 100120）

1 问题的提出

建在入海河口处的挡潮闸，具有挡潮蓄淡、排洪除涝等功能。近年来，随着风暴潮等极端气候灾害事件频发，挡潮闸的作用越来越突显出来。在国外尤其是经济发达的河口三角洲地区，均建了很多大型挡潮闸，如英国泰晤士河防潮闸、荷兰三角洲挡潮闸工程体系、美国福克斯和新奥尔良挡潮闸等[1-3]。与国外相比，我国河口闸建设规模相对较小，数量也较少。国内比较知名的挡潮闸有曹娥江大闸、三洋港挡潮闸、苏州河河口挡潮闸、韩江三角洲桥闸等[4-6]。

广东省沿海地区风暴潮频发，风暴潮期间外海潮位抬升，内河受上游暴雨洪水影响，与外海高潮叠加后，极易造成河口地区的洪涝灾害。相关研究表明，广东省珠江三角洲、韩江三角洲地区受外海风暴潮影响，潮位均有升高的趋势[7-8]。深圳茅洲河发源于深圳市境内的羊台山北麓，在沙井民主村汇入伶仃洋，现状河口无水工建筑物，在2017 年台风“天鸽”期间风暴潮涌入两岸正在施工的部分河段，造成一定的经济损失。本次研究以2017 年台风“天鸽”造成的风暴潮为例，采用MIKE11 水动力模型，模拟深圳茅洲河口建设闸泵对河口地区防洪潮的作用，为茅洲河口建设闸泵的可行性提供一定参考。

2 台风“天鸽”概况

2017 年08 月20 日14 时，台风“天鸽”在西北太平洋洋面上生成。之后强度不断加强，22 日08 时加强为强热带风暴，15 时加强为台风，23 日07 时加强为强台风，一天连跳2 级，最强15 级（48 m/s）。12 时50 分前后以强台风级（14 级，45 m/s）在中国广东省珠海市登陆，24 日14时减弱为热带低压，17 时中央气象台对其停止编号。台风路径与茅洲河口相对位置关系见图1。由于受台风风暴潮和月初天文大潮叠加影响，茅洲河口水位大涨。大潮涌进茅洲河口，潮位接近堤后地面，对沙井和松岗街道排涝管网造成极大压力，导致城区多处积水。

图1 台风“天鸽”路径与茅洲河口相对位置关系图

3 台风期间水文要素分析

3.1 降雨量

根据深圳气象数据网上的降雨资料，分析8 月23 日台风期间的雨量大小。图2 分别是石岩水库、松岗和沙井雨量站8 月23 日的逐时降雨量，与石岩水库雨量站短历时设计暴雨成果比较见表1。由表1 可见，台风“天鸽”期间茅洲河流域的雨量并不大，1，6，24 h 雨量均小于2 a 一遇。

图2 8 月23 日茅洲河流域各雨量站降雨过程图

表1 8 月23 日实测降雨与石岩水库雨量站设计值比较表 mm

3.2 潮 位

根据中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司在茅洲河口设立的潮位站8 月23 日实测最高潮位为3.72 m（黄海高程），潮位过程与同期石岩水库雨量过程见图3。

图3 台风“天鸽”期间茅洲河口潮位与石岩雨量站雨量过程图

4 河口建设闸泵对防洪潮的影响分析

4.1 计算方法

计算方法采用MIKE11 软件中的HD（水动力学模块）非恒定流进行计算，即运用水动力学模块计算分析河口及上游河道各控制断面的流量、水位、流速等水动力参数[9]。模型采用SO（控制构筑物模块）对闸堰、桥梁进行模拟，有建筑物的断面均按实际结构物的位置和形式来处理，通过计算结构物过流能力，将其与水动力矩阵方程耦合。一维非恒定流数学模型采用圣维南明渠非恒定流偏微分方程组：

式中：B为水面宽（m）；Z为水位（m）；Q为流量（m3/s）；q为旁侧入流（m2/s）；v为断面平均流速（m/s）；g为重力加速度（m/s2）；A为过水断面面积（m2）；K为过水断面的流量模数（m2/s）；t为时间（s）；s为位移（m）。

4.2 模型构建及参数率定

4.2.1 河道水系概化

概化河道系统必须能够模拟计算区域的蓄水能力、水流方向，且应与规划水系一致。鉴于茅洲河洋涌河水闸以下河段的沿江涝片及支流洪涝均通过泵站抽排入河，故本次仅将茅洲河洋涌河水闸 — 河口约14 km 干流河道搭建入模型，两侧宝安片区和东莞片区合计155.6 km2的平原涝片水量按沿程均匀入流概化至模型中，河口设置闸泵建筑物。水利计算概化见图4。

图4 茅洲河干流水系概化图

4.2.2 模型边界

上边界采用洋涌河水闸处的洪水过程线，洪水过程根据石岩水库实测降雨过程采用广东省综合单位线法[10]计算求得（见图5）。下边界采用中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司设立的河口潮位站实测潮位过程线。

图5 台风“天鸽”期间洋涌河水闸处洪水过程线图

4.2.3 模型率定

台风“天鸽”过后，中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司在茅洲河口至衙边涌段进行洪痕调查，用于分析台风“天鸽”对茅洲河干流感潮段水位的影响，洪痕调查结果同时用于水利计算模型率定。根据河道实际情况，结合《茅洲河界河综合整治工程（深圳部分）初步设计报告》[11]等已有相关成果和糙率表，河道堤防段根据堤防结构型式选用0.027 ～ 0.030，茅洲河界河段沿程水面线模型计算成果及其与界河段初设设计成果对比见图6。从图6 可以看出，模型计算成果与茅洲河界河段初步设计成果基本一致，水位差基本在± 5 cm 以内，因此认为本次模型计算成果可信。

图6 茅洲河界河段沿程水面线计算对比图

4.3 河口闸泵建设对内河水位的影响

台风“天鸽”期间对茅洲河口至塘下涌河段进行水面线模拟，分别对现状河口无闸工况、设闸工况（假定闸门宽度144 m，闸底板高程为-2.50 m，闸前常水位为1.50 m）和设闸设泵（假定泵站规模140 m3/s，布置于闸门旁边，起调水位0.50 m，停排水位-1.00 m）3 种工况进行模拟。洪痕调查成果以及本次无闸、设闸、设闸设泵等各工况模拟成果对比见图7。

图7 台风“天鸽”期间茅洲河河口至塘下涌河段各工况水面线对比图

由图7 可见，本次模拟的水面线成果与茅洲河口至衙边涌段洪痕调查成果较接近，验证了水利模型的可靠度。对比设闸和无闸工况可知，在设闸工况下，闸上内河水位比无闸工况降低2.50 m 左右；在设闸设泵工况下，闸上内河水位比无闸工况降低3.20 m 左右。由此可见，在建设河口闸泵的情况下，可大大降低风暴潮对内河水位的影响，减小河口地区的洪涝灾害影响。

5 结论与讨论

台风风暴潮往往给入海河口地区带来一定的洪涝灾害影响，在入海河口处建设挡潮闸，能在一定程度上降低台风风暴潮对内河地区的影响，如同时建设泵站，可进一步减小洪涝灾害的影响。

需要指出的是，本文分析中的台风“天鸽”带来的雨潮组合属于超级大潮遭遇小雨，该工况与一般闸泵的设计工况不同。工程设计中采用的大潮遭遇小洪水组合，一般设计洪水采用2 a 一遇或者更大，如本次台风“天鸽”期间上游遭遇2 a 一遇设计洪水时，在设闸工况下，闸上内河水位比无闸工况降低0.40 m 左右；在设闸设泵工况下，闸上内河水位比无闸工况降低1.60 m 左右。

在茅洲河流域工程设计时，一般采用设计潮位遭遇上游2 a 一遇洪水与设计洪水遭遇外海2 a 一遇潮位进行外包。因此，本次台风“天鸽”带来的洪潮组合与工程设计工况尚有一定区别，在后续具体工程设计中，应进一步分析合适的洪潮组合工况确定工程规模。