數(shù)值模型在跨河工程防洪影響評價中的應(yīng)用

靳子明

（邯鄲市水利水電勘測設(shè)計研究院，河北邯鄲056005）

1 流域基本情況

1.1 流域概況和水文氣象

滏陽河發(fā)源于邯鄲市峰峰礦區(qū)和村鎮(zhèn)，邯鄲市境內(nèi)全長184km，流域面積2747.82km2（山區(qū)面積825.95km2），滏陽河干流河道長、多彎、坡度緩、洪水傳播時間較長。本工程與滏陽河交叉斷面上游包括滏陽河干流和支流兩部分，滏陽河支流設(shè)計洪水包括御路溝、三里屯、高臾洼、澄槽溝、牤牛河等河道設(shè)計洪水。

項目所在地區(qū)處于北溫帶大陸性半濕潤半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，且有山區(qū)氣候特點，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，春季風(fēng)大多沙。全年平均氣溫13.2 ℃～13.4 ℃。降雨主要受太平洋東南季風(fēng)影響，多年平均降雨量560mm。1963年降水年際變化較大最大降雨量1089.2mm，1980年最小年降雨量223.8mm，年內(nèi)分配不均勻，多集中在6～9月份，約占全年降水量的70%以上，且多集中于7月下旬或8月上旬的一場或幾場大雨、大暴雨，是造成洪水災(zāi)害的主要原因。

1.2 現(xiàn)有水利工程

滏陽河上游建有東武仕水庫，控制流域面積340km2，現(xiàn)狀總庫容1.615億m3，興利庫容1.44億m3，防洪庫容1.21億m3。邯濟鐵路與滏陽河交叉斷面位于牤牛河口與張莊橋之間，所在河段現(xiàn)狀僅下游入邯鄲市主城區(qū)處建有張莊橋樞紐，設(shè)有張莊橋節(jié)制閘和分洪閘。張莊橋節(jié)制閘，控制流域面積956.89km2，在該閘的上游、滏陽河右岸修建了分洪閘，向東北方向開挖了支漳河分洪道。

2 防洪標(biāo)準(zhǔn)

改建邯濟鐵路等級為Ⅰ級，擬建邯濟鐵路復(fù)線路基及沿途跨越河道的橋梁防洪標(biāo)準(zhǔn)均為100年一遇；滏陽河現(xiàn)狀行洪標(biāo)準(zhǔn)不足5年一遇，規(guī)劃治理標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。

3 洪水?dāng)?shù)值模擬分析

由于工程穿越區(qū)為滏陽河坡地行洪區(qū)，洪水流態(tài)流勢比較復(fù)雜，考慮洪水的復(fù)雜性，特別是超滏陽河河道行洪標(biāo)準(zhǔn)的行洪問題，本文在建立數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬分析，對該工程修建前后的洪水流勢、流態(tài)進行實驗研究，分析驗證洪水對建設(shè)項目可能產(chǎn)生的影響和建設(shè)項目對防洪可能產(chǎn)生的影響。

滏陽河磁縣南關(guān)至張莊橋及支漳河分洪道均按10年一遇標(biāo)準(zhǔn)進行整治，如遇超10年一遇洪水時，自上游向滏東分洪，現(xiàn)狀情況即馬頭分洪道建成前將在高臾附近扒口向東部分洪，規(guī)劃情況即馬頭分洪道建成后通過該分洪道將超量洪水泄入團結(jié)西干渠，因此通過平面二維水流模型模擬超滏陽河河道（100年一遇）行洪標(biāo)準(zhǔn)下淹沒范圍及淹沒水深，分析擬建邯濟復(fù)線跨滏陽河段工程是否滿足行洪要求。

3.1 計算方法

模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中心網(wǎng)格有限體積法求解，其優(yōu)點為計算速度較快，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以擬合復(fù)雜地形。

3.1.1 二維淺水控制方程組

式中t為時間；x，y，z為右手Cartesian坐標(biāo)系；η為水面相對于未擾動水面的高度；h為靜止水深；u，v分別為流速在x，y方向上的分量；pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮?；?為水密度，ρ0為參考水密度；f為Coriolis參量；和為地球自轉(zhuǎn)引起的加速度；sxx，sxy，syx，syy為輻射應(yīng)力分量；Txx，Txy，Tyx，Tyy為水平粘滯應(yīng)力項；S為源匯項；us，vs為源匯項水流流速。

3.1.2 定解條件

3.1.2.1 邊界條件

開邊界：ηr=ηr（t）或或

ηr、為開邊界r上已知潮位、流速過程。

進口開邊界采用上游來流過程，即

Q（t）=Qin（t）

其中Qin為開邊界上流量。

出口邊界條件采用下游的水位～流量關(guān)系確定。

根據(jù)流體固壁不可穿越的原理，在不考慮滲透的情況下，可以認為陸地邊界上法向速度為零；根據(jù)水流無滑動原理，水體在陸地邊界上的切向流速也應(yīng)為零。

3.1.2.2 初始條件

η0為計算初始時刻水位空間分布函數(shù)。

3.2 相關(guān)問題處理

3.2.1 計算河段及網(wǎng)格劃分

綜合考慮水文資料、河勢及工程研究內(nèi)容等因素，計算河段為干流上起高臾鎮(zhèn)、下至鄭莊北，全長12.5km，同時考慮滏陽河支流牤牛河的入?yún)R。

計算區(qū)域西起滏陽河西側(cè)，東至團結(jié)渠東支東側(cè)的四邊形區(qū)域，面積274.3km2，此區(qū)域內(nèi)包含石安（京珠）高速、邯濟鐵路兩條交通動脈。

3.2.2 糙率系數(shù)的確定

河道二維數(shù)模計算所采用的糙率系數(shù)，實際上是一個綜合系數(shù)，反映了河道水流阻力、河道平面形態(tài)變化、河道地形概化等多個因素，計算中采用以往經(jīng)過率定獲得的糙率系數(shù)，其中滏陽河主槽0.025，其他灘地位置0.035～0.05。

3.2.3 動邊界處理

對計算區(qū)域內(nèi)灘地干濕過程，采用水位判別法處理，即當(dāng)某點水深小于淺水深ηdry0.05m時，令該處流速為零，灘地干出，當(dāng)該處水深大于ηflood（如0.1m）時，參與計算，洪水上灘。

3.2.4 交通線路及過水橋梁的概化

對計算區(qū)域內(nèi)的交通線路，鑒于其不過水的性質(zhì)，將其排除在計算區(qū)域以外，其中，石安高速公路及邯濟鐵路概化20m。交通線路上的過水橋梁處進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格線長度設(shè)置15m。為更加貼合實際情況，在計算中對部分生產(chǎn)橋梁進行了整理，4～5個生產(chǎn)橋概化為1個大的過水區(qū)域。

3.3 計算方案

在100年一遇來水過程的基礎(chǔ)上，考慮邯濟鐵路復(fù)線建成對行洪的影響，制定了兩個計算方案。

現(xiàn)狀方案，即邯濟鐵路復(fù)線建成前洪水的演進過程。

規(guī)劃方案，即邯濟鐵路復(fù)線建成后洪水的演進過程（其中支流匯入口以下控制泄流量337m3/s）。

3.3.1 邯濟復(fù)線興建前洪水演進形勢分析

在方案運用前4h，滏陽河來流主要集中在主槽中運動，隨著上游來流量的增大，水流開始漫溢出主槽；第4、5h時，牤牛河入?yún)R口下游區(qū)域開始向東部溢出，并向東部的石安高速公路及邯濟鐵路線發(fā)展；第10h開始，滏陽河上游干流開始向東部溢流，向石安高速公路發(fā)展?？傊骊柡由舷掠蔚囊绯鏊魍ㄟ^石安（京珠）高速公路及邯濟鐵路線的橋涵向東部團結(jié)渠東西支及邯濟鐵路北部發(fā)展，隨著洪水演進持續(xù)時間的增長，洪水淹沒面積逐漸增大。

3.3.2 邯濟復(fù)線興建后洪水演進形勢分析

邯濟鐵路復(fù)線建成后，洪水淹沒的發(fā)展的過程基本一致，邯濟鐵路左右的局部水位受到微小影響。本文計算選取了石安高速公路兩側(cè)的4個位置作為觀測斷面見圖1，對比其在邯濟鐵路復(fù)線建成前后斷面南北側(cè)的最大水位變化見表1。

圖1 觀測點位置

4 結(jié)語

（1）由于滏陽河自身泄流能力的不足，在100年一遇洪水條件下，河道將很快發(fā)生漫溢，主要發(fā)展方向為首先沿滏陽河和京珠高速公路之間由南向北行進，有少量洪水穿過京珠高速公路道口流向路東，部分洪水通過邯濟鐵路橋涵后向東部和南部發(fā)展。

（2）在大流量持續(xù)的情況下，邯濟鐵路及石安（京珠）高速公路將對溢流的發(fā)展產(chǎn)生阻礙影響。邯濟鐵路附近的京珠高速西側(cè)主行洪區(qū)最大行洪水深1.0～1.5m，京珠高速東側(cè)邯濟鐵路附近的行洪水深0.5～1.0m，至生產(chǎn)團結(jié)渠附近邯濟鐵路南側(cè)沿線行洪水深0.1～0.5m，北側(cè)最大水深0.5～1.0m，而擬建復(fù)線鐵路路肩高程與既有舊線路肩高程基本一致，均高于沿線現(xiàn)狀地面2m以上，表明鐵路路基滿足防洪要求。

（3）邯濟鐵路復(fù)線的建設(shè)，將對鐵路兩側(cè)的洪水演進產(chǎn)生影響，其中鐵路南側(cè)的最大壅水高度0.04m，影響范圍在50m以內(nèi)；鐵路南側(cè)水位最大降低幅度0.025m，最大影響范圍在50m以內(nèi)。說明邯濟復(fù)線橋梁設(shè)置長度可滿足超標(biāo)準(zhǔn)洪水的行洪要求，不會明顯加重上游的淹沒損失。

［1］GB50201—94，防洪標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］TB10017—99，鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范［S］.