赤石河口演变与河口治导线方案研究

刘壮添，陈睿智

（珠江水利科学研究院，广州 510611）

1 引言

治导线是河道整治规划拟定的满足设计流量要求尺度和控制河势的平面轮廓线[1]，原本是游荡性河段弯曲型整治设计流路的一种表达方式，在整治实践中需按照治导线来新建和续建整治工程、确定整治工程的位置和长度，故确定治导线是河道整治的核心和依据[2]。河口治导线既是河口行洪纳潮的外延控制线，又是河口滩涂开发围垦的限制线。治导线方案布置须在“以泄洪为主，兼顾航运、滩涂开发、岸线利用”的前提下，结合河势、水沙特性，协调各部门利益要求，达到合理划定河口行洪范围、改善行洪条件的目的[3-5]。

赤石河是深汕特别合作区主干行洪通道，研究赤石河口治导线布置可有效保障区域泄洪、纳潮、旅游开发等功能，是满足深汕特别合作区社会经济发展需求的基础。本文结合赤石河口近期演变及潜在的岸线利用需求，拟定三个治导线方案，并从对防洪防潮、流态、纳潮量、河势稳定等几个方面综合论证，最终确定最适宜的布置方案。

2 概述

2.1 赤石河口基本情况

赤石河，又名凤河，是深汕特别合作区主干行洪通道，发源于白马山峰，流入红海湾，集雨面积382km2，河流长度36.8km。赤石河口具有泄洪、纳潮、旅游景观等多种功能，口外沙坝砂质良好，河口水质优良，适合旅游开发。

2.2 河口格局演变

通过对2010年以来实测地形和高分辨率遥感影像对比可以发现，赤石河口河势基本稳定，口外左岸东西向沙坝的发育对河口段滩槽格局造成一定影响。

1)赤石河口外存在东西向的沿岸输沙，在河口区涨落潮流和波浪共同作用下，口外沙坝自东向西延伸，迫使口门段深槽向西侧偏移。

2010年口外沙坝呈NE-SW向，沙坝宽度约150m，口门段深槽宽约300m；2018年沙坝向SW向延伸约220m，坝体宽度约190m，口门段深槽缩窄至210m；2020年沙坝西侧前端位置基本保持不变，在S和E向波浪作用下发育反向沙嘴，坝体宽度减小，详见图1。

图1 2010—2020年间赤石河口滩槽格局对比

2)沙坝在汛期受上游来水和台风暴潮影响，在中部冲决形成新的入海通道，表现出一定的不稳定性。

受上游洪水和台风暴潮作用，2018和2020年间口外沙坝中部冲决形成新的出口，宽度在110m左右，赤石河形成两口入海格局，但主槽仍位于决口西侧。汛期当上游发生大洪水时，由于河口段深槽走向较为曲折，洪水来不及宣泄，在沙坝比较薄弱的位置冲决形成更短路径的入海口。同时沙坝中部直面本区S向常向浪，沙坝外侧受波浪淘刷，是沙坝中部容易决口的另一个原因。

3 方法

3.1 方案设计

由于赤石河口外沙坝自东向西延伸，迫使口门段深槽向西侧偏移，间接加长了河道，延缓了洪水宣泄。此外，沙坝在汛期受上游来水影响，在中部冲决形成新的入海通道，说明赤石河口洪水宣泄需求较大，需考虑流出洪水宣泄通道。另一方面，口外沙坝砂质良好，河口水质优良，沙坝上进行旅游开发条件较好，为保障泄洪、纳潮，兼顾旅游开发等需求，为河口整治提供基础导向，需先划定河口治导线。

考虑到右岸海堤基本形成，堤线稳定，其治导线可按堤线确定，自河口天然垭口上端，沿堤顶前沿线到河口沙坝对岸，再沿多年平均高高潮位与岸边交线下延约800m。左岸分别从有利行洪和沙坝开发的角度，拟定3个方案（详见图2）：

图2 赤石河入海口治导线论证方案布置示意图

1)方案1：沿港尾河口顺接赤石河规划海堤线出河口后，以45°角延伸至规划海堤管理范围线。

2)方案2：出港尾河口后，沿沙坝上缘前沿，由中间冲决口前沿出河口，再沿沙坝下缘向东延伸约400m，最终与规划海堤管理范围线顺接。

3)方案3：出港尾河口后，沿现状整个沙坝上缘前沿，出河口后再向东延伸到约800m，最终与规划海堤管理范围线顺接。

3.2 模拟论证

为分析治导线方案效果和影响，应用二维数学模型对洪水、枯水及风暴潮等水文组合工况下3种治导线方案进行模拟。并从防洪防潮、流速流态、纳潮量及河势稳定方面的影响对3种治导线方案进行比选和推荐。

3.2.1 二维数学模型

采用守恒形式的二维浅水方程：

式中，U为守恒向量；Eadv、Gadv分别为x、y方向的对流通量向量；Ediff、Gdiff分别为x、y方向雷诺应力引起的扩散通量向量；Edis、Gdis分别为x、y方向二次流引起的扩散通量向量；S为源项向量：

式中，h为水深；u、v分别为垂直方向平均流速在x、y方向的分量；b为底高程；r为降雨强度；i为入渗强度；vt为水平方向的紊动粘性系数；Dxx、Dxy、Dyx、Dyy为二次流引起的扩散应力项；g为重力加速度；f为柯氏力系数，f=2w sinφ，w为地球自转角速度，φ为当地纬度；为风应力；Sxx、Sxy、Syy为波浪辐射应力；Sfx、Sfy分别为x、y方向的摩阻斜率；S0x、S0y分别为x、y方向的底坡斜率：

3.2.2 计算工况

根据设计洪水与设计潮位，考虑洪潮遭遇组合，本次主要考虑以洪为主工况，即不同频率设计洪水遭遇外江5年一遇设计潮位。各工况详细参数见表1。

表1 水文组合工况特征参数

3.2.3 数学模型构建

①网格剖分

二维数学模型的研究范围包括了整个红海湾、赤石河河口及上游4km河段。研究水域面积约1 155km2。模型采用三角形网格，并在河口附近水域进行了网格加密。共计54 140个单元、29 092个节点。模型研究范围网格剖分及局部网格细节分别见图3。

图3 二维网格剖分结果

②治导线方案概化

本次网格剖分中，沿着赤石河口3个治导线方案所在位置布置了控制线。治导线陆域侧区域采用高程抬高的方式进行概化，按全部不过水考虑。

③采样点设置

为对比分析3种治导线方案对赤石河防洪纳潮、流速流态、纳潮量等方面的影响，在二维模型中布置了21个水位流速采样断面、16个流速采样断面，以及在河口处布置了1个潮量统计断面。采样点及统计断面位置如图4所示。

图4 赤石河二维模型采样点及潮量统计断面分布图

4 结果

4.1 行洪影响分析

对不同水文条件下各治导线方案特征水位进行统计，统计成果见表2，水位变化特点如下：

表2 采样点水位变化结果表

1)50年、100年、200年一遇洪水分别遭遇外海5年一遇高潮位条件下，与现状相比，方案3沙坝口（Z1）水位分别壅高0.54m、0.71m和0.88m，沙坝末端（Z6）水位分别壅高1.01m、1.24m和1.46m，沙坝的发育严重影响了赤石河的行洪能力，对深汕特别合作区防洪排涝体系建设带来较大影响。

50年、100年、200年一遇洪水分别遭遇外海5年一遇高潮位条件下，治导线方案1产生的最大壅水分别为0.05m、0.04m和0.04m，均发生在距离沙坝口上游1.2km处，壅水0.01m范围可追溯至上游3.2—3.6km；方案2最大壅水达到0.73m（200年一遇），上游4km处仍有0.27m的水位壅高；方案3最大壅水达到1.46m（200年一遇），上游4km处仍有0.67m的水位壅高，可见，由于方案2、3大幅缩小了河口泄洪断面过水面积，导致上游洪水位壅高明显，将进一步影响赤石河行洪安全。

4.2 对流态的影响分析

对选取洪水和枯水两种典型水文条件，统计不同不同治导线方案下各采样点流速变化情况，统计成果见表3，流速变化特点如下：

表3 采样点流速变化结果表

1)200年一遇洪水遭遇外海5年一遇高潮位条件下，方案1河口靠近沙坝末端（V1）流速最大增加0.03m/s，方案2、方案3则分别增加了0.64m/s和1.49m/s。3个治导线方案下，流速增加区域均集中在河口附近，上游河段受河口水位的顶托，流速减小，其中方案3流速减小最为明显，在距离河口约1.2km的V7、V8采样点，减少值在1m/s以上。

2)多年平均径流遭遇枯季外海天文大潮潮位过程条件下，3种治导线方案对河口及以上河道的涨急流速、落急流速影响变化值均小于0.01m/s。

4.3 对流向的影响分析

洪水和枯水两种典型水文条件下，不同治导线方案下各采样点流向变化情况如下：

1）在洪水条件下，方案1造成的流向变化幅度在5°以内。方案2、方案3洪水落潮顺时针方向偏转幅度达15°。

2）枯水条件下，3个治导线方案对河口的流向影响不大，采样点流向变化均在1°以内。

综上，枯季，3种治导线方案对赤石河口的流速、流向基本没有影响。洪季，由于治导线方案2、方案3大幅缩小了河口泄洪断面过水面积，导致出口断面流速增加明显，方案1则对流速影响较小。

5 结论与建议

赤石河口由于自然演变引起的河口沙坝发育，对赤石河行洪影响较大，不宜开发，建议下一步深入研究沙坝形成机理，有针对性地实施疏浚、挑流等措施，确保赤石河行洪安全；赤石河口沙坝围垦对赤石河枯季的流速、流向等影响影响均不大，但在洪季特别是赤石河发生洪水时，除方案1外其余两个治导线方案行洪影响均较大。通过以上对3个治导线方案的计算分析结果可以看出，3个治导线方案中，相对于方案2、3，方案1基本没有缩窄现状河口断面，对河口段的洪潮水位、流速流向、纳潮量的影响都在可控范围内。尤其是洪潮水位影响方面，方案1基本维持了现状河口喇叭形的泄洪通道，保障了汛期洪水的正常宣泄，衔接了规划海堤，因此，从行洪安全以及与规划海堤等衔接的角度，本研究推荐采用治导线方案1。□