珠江三角洲年海平面上升幅的水力学分析

珠江三角洲年海平面上升幅的水力学分析

随着海平面的上升，洪水风险增加，风暴潮灾害加剧。因此，人们注意到有必要提高水库标准，增加基础设计标准。本文作者之一估算过珠江三角洲海平面上升40～60cm后需加高的堤线长度约为2800km。有人建议要复核堤围的标准,结合河口治理,改建现有堤围。我们对珠江三角洲2030年相对海平面的可能上升幅度进行了较切实的预测。香港/澳门站长序列(1925～1996年)理论海平面上升速率为1.8mm/a,但据非线性方程计算,1990～2030年的上升速率为2.0mm/a,升幅8cm。珠江三角洲7个站计算结果,相对海平面异常高变动幅度为6.4～12.1cm。若海平面上升30cm,珠江三角洲11个站高潮水位抬升幅度将超出海平面上升幅度2～5cm。珠江三角洲地区24个测点,1950～1989年3～5期水准测量表明,地面沉降速率为1.5～2.0mm/a,按40a计,相对海平面升幅为6～8cm。上述4项参数表明,珠江三角洲2030年相对海平面上升幅度为22～33cm。本文按照2030年相对海平面上升30cm的幅度,通过水力学和水文学计算,讨论海平面上升对珠江三角洲堤围的影响范围、影响程度及堤围的维护措施。1海平面上升过程中,3个导水点的水力学模型已发生改变,有3个被升幅的3个因素珠江三角洲河区根据洪、潮作用的影响程度,可以分为洪区、洪潮区、潮区(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区,图1)。洪区的讯期水位完全受洪水流量控制,其下界为天河、三多、老鸦岗、增江口、东莞。洪潮区的讯期水位主要受洪水影响,同时与潮汐变化有关,其下界为三江口、横山、竹银、石歧河口、大陇■、三善■、广州、黄埔、新塘、道■。潮区台风季节的潮水位主要受风暴潮影响。洪区、洪潮区、潮区的范围在海平面上升条件下将发生变动。海平面上升使高潮水位抬升,潮流界上移。这是因为潮差增大,潮波能量增大;水深增大,潮波传递速度相应增大。海平面上升后高潮水位的升幅,各站不同,而且随流量和风暴潮的强弱而异。若海平面上升30cm,选取3种典型情况,即74·7(1974-7-22)中水(马口站流量33108m3/s)一般风暴组合、93·9(1993-9-17)小水(11800m3/s)特大风暴潮组合、94·6(1994-6)特大洪水(46300m3/s,50年一遇)一般风暴潮组合,用一维、二维不恒定流水力学模型,对24个代表站高潮水位的升幅进行了计算。同时,为了从最高洪潮水位升幅的大小来划分受海平面上升影响的等级,统计31个站各3种重现期(100年一遇、50年一遇、20年一遇)最高洪潮水位之间的差值(共62个数据),当水位抬升5cm,只有9.7%的重现期缩短;当水位抬升25cm,则有92%的重现期缩短。因此,在海平面上升30cm的条件下,以最高洪潮水位抬升5cm和25cm为界,分为影响很小区、影响较大区和影响最大区。上述3种典型洪潮组合水力学模拟计算结果表明(表1),以93·9型(特大风暴潮,较小流量)的水位抬升幅度为最大;74·7型代表一般情况;94·6型特大洪水使海平面上升的影响减弱。按照93·9型最高洪潮水位升幅等值线5cm和25cm划分3个影响区(A、B、C区,图2)。当海平面上升30cm,最高洪潮水位的升幅,影响最大区平均为29.2cm(最大31cm),影响较大区为18.2～25cm),影响很小区为1.3～4cm),3个影响区的范围与洪区、洪潮区、潮区的范围基本一致。水位升幅小于5cm的区域即珠江三角洲西北部,可视为基本不受海平面上升的影响,该区的堤围将不统计在内。2不同站流量对堤围的影响取近40年来有代表性的190场洪水,按照马口站流量的7个级别,对39个站高潮水位与三灶站的关系进行分析,表明两者有很好的相关关系。因此,以外海的三灶站代表海平面变化,可由下式求得各站高潮水位的抬升幅度:Z2=C1Z1+βQ+αZ1Q+C2(2−1)ΔZ2=(αQ+C1)ΔZ1(2−2)Ζ2=C1Ζ1+βQ+αΖ1Q+C2(2-1)ΔΖ2=(αQ+C1)ΔΖ1(2-2)式中Z1为三灶站高潮位,ΔZ1为三灶站海平面升幅,Z2为各站高潮位,ΔZ2为各站高潮位升幅,Q为马口站流量,α和β为斜率,C1和C2为常数。α、β、C1、C2可以通过相关分析计算而求得。当海平面上升30cm(以三灶站为代表),取马口站4种重现期的不同流量,按式(2-2)对17个站的最高洪潮水位的升幅进行计算,结果如表2(右侧)。将各站最高洪潮水位升幅与现状的相同重现期的最高洪潮水位进行比较(表2),可以得知海平面上升30cm使洪潮水位抬升后,最高洪潮水位的重现期亦即堤围的防御能力可能发生的变化。选取珠江三角洲河区120宗保护耕地面积万亩以上的堤围,其现状设计标准,有63%为抗御20年一遇洪水,22%按10年一遇,15%按50年或100年一遇。根据表2,评估各站海平面上升后最高洪潮水位重现期的变化,结果如表3。由表3可见,最高洪潮水位的重现期,在影响很小区(洪区)无变化,即海平面上升30cm对堤围防御能力的影响很小。在影响较大区(洪潮区)除个别站外,重现期缩短半个等级即堤围的抗御标准降低半个等级。为安全起见,堤围的设计标准应提高一个等级,例如原按20年一遇设计的要提高到按50年一遇,余类推。在影响最大区(潮区),由于海平面上升后洪潮水位的升幅较大,故重现期显著缩短,多数站为缩短一个半等级,有的站为两个半等级,因此,堤围的设计标准应普遍提高两个等级。海平面上升30cm对堤围的影响程度还可以从风暴潮高潮位重现期的变化来说明。对影响最大区7个站现状海平面不同频率风暴潮潮位以及海平面上升30cm后风暴潮潮位的重现期进行了计算,结果如表4。由表4可见,在潮区,海平面上升30cm后,风暴潮潮位的重现期普遍缩短一个半等级,例如100年一遇的变成50年至20年一遇,这与表3的评估结果相一致。3受海平面上升影响的堤围加固广东全省全部堤围总长变为15829km,其中,保护耕地万亩以上的主要堤围长度为6692.43km,占43%。这些万亩以上的堤围,在珠江三角洲1,长度为3057.57km,占全省的45.7%;捍卫耕地552.47万亩,占全省的35.3%;保护人口668.16万人,占全省的25.3%。由此可见珠江三角洲堤围在全省堤围中的重要地位(表5)。珠江三角洲万亩以上的堤围并非全部都受到海平面上升的明显影响。按前述,若不包括海平面上升30cm后最高洪潮水位升幅小于5cm的地区,则珠江三角洲影响堤围的长度为2608.57km,占83.3%。在珠江三角洲,为防御洪水在洪区和洪潮区兴建的堤围称为江堤;为防御台风暴潮在潮区兴建的堤围称为海堤。广东堤围设计标准分为江堤标准和海堤标准,自1955年实施以来曾经两次修订。江堤按照保护耕地面积及相应的洪水重现期确定培修标准;海堤按照保护耕地面积及相应的暴潮水位和台风级别确定培修标准。即使不考虑海平面上升,珠江三角洲堤围的现有防御标准也普遍偏低。如表5,万亩以上的堤围之中未达到设计标准的堤围长度,全省占50.6%;珠江三角洲未达标堤围长度占43.2%,其中受海平面上升影响区占43.2%。按堤围的规模等级统计(表6),规模越小的堤围,其未达标的比例越大,大于10万亩的堤围,未达标长度的占27%,5～10万亩的堤围约为40%,而1～5万亩的堤围则达50%左右。珠江三角洲未达标堤围所占比例相当大,因此,在海平面上升影响很小区,堤围的抗御能力至少要达到现行的设计标准,而在影响较大区和影响最大区,使堤围达到现行设计标准后,还要按照海平面上升后最高洪潮水位的升幅进一步加高加固。堤围的加高加固原则上按达标后的堤高、堤顶宽度、前后坡1∶2.5计算。未达标的堤围按达标后的增加部分计算(图3)。堤围加高加固的工程量可按下式计算:ΔV=(0.25Δh2+0.1Δh×b+0.5Δh×h)L(3−1)ΔV=(0.25Δh2+0.1Δh×b+0.5Δh×h)L(3-1)式中ΔV为变海平面上升影响的堤围维护工程量(×104m3),L为堤围长度(km),Δh为堤围需加高的幅度(m),h为原堤围高度(m),b为原堤围顶宽度。对珠江三角洲受海平面上升影响的95条万亩以上堤围逐条进行了工程量计算。已知每条堤围的长度、宽度、高度、堤围需加高的幅度参照该堤围附近水文站海平面上升30cm后最高洪潮水位升幅的最大值(表2)。计算结果,95条堤围总长2608.57km,所需工程总量为1752.54×104m3。工程造价,按填土单价40元/m3(包括取土压实)和干砌石护面单价80元/m3计算,1752.54×104m3的投资为21.03亿元。这是个不小的数目,然而,1994年6月特大洪水,珠江三角洲经济区16个市(县)受灾农