軌道交通建設(shè)對(duì)蓄滯洪區(qū)運(yùn)用影響研究

張 慧，李會(huì)云，崔占峰

(長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所, 武漢 430010)

軌道交通建設(shè)對(duì)蓄滯洪區(qū)運(yùn)用影響研究

張 慧，李會(huì)云，崔占峰

(長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所, 武漢 430010)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展和人口增加，城市附近蓄滯洪區(qū)內(nèi)軌道交通項(xiàng)目建設(shè)速度明顯加快，國(guó)內(nèi)外就其項(xiàng)目建設(shè)對(duì)蓄滯洪區(qū)運(yùn)用產(chǎn)生的影響研究較少。以武漢市軌道交通21號(hào)線工程為例，采用動(dòng)邊界模擬技術(shù),建立蓄滯洪區(qū)二維水流數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上就軌道交通建設(shè)項(xiàng)目對(duì)蓄滯洪區(qū)運(yùn)用的影響進(jìn)行分析研究。研究成果表明:武湖蓄滯洪區(qū)內(nèi)軌道交通工程橋墩、車站等占用有效蓄滯容積相對(duì)較?。还こ探ㄔO(shè)對(duì)蓄滯洪區(qū)分洪流量、歷時(shí)、水位及流場(chǎng)過(guò)程的影響較小，對(duì)蓄滯洪區(qū)退洪流量、歷時(shí)、水位及流速過(guò)程等影響不大，不會(huì)對(duì)蓄滯洪區(qū)運(yùn)用帶來(lái)明顯不利影響，其研究方法及成果可供工程規(guī)劃設(shè)計(jì)單位及防洪管理部門參考。

軌道交通；項(xiàng)目建設(shè)；蓄滯洪區(qū)；數(shù)學(xué)模型；分洪影響；退洪影響

1 研究背景

我國(guó)南方多暴雨洪水，洪澇災(zāi)害頻繁。在修建水庫(kù)攔蓄洪水，加固江河堤防、利用河道排泄洪水的同時(shí)，設(shè)置一定數(shù)量的蓄滯洪區(qū)，適時(shí)分蓄超額洪水、削減洪峰，對(duì)保障重點(diǎn)地區(qū)、大中城市和重要交通干線防洪安全，最大程度地減少災(zāi)害損失具有重要作用。蓄滯洪區(qū)地勢(shì)低洼，歷史上一般都是經(jīng)常受淹的地區(qū)，區(qū)內(nèi)人員相對(duì)稀少，曾是限制發(fā)展的區(qū)域。但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人口增加，部分城市在蓄滯洪區(qū)內(nèi)或穿越蓄滯洪區(qū)進(jìn)行軌道交通建設(shè)，以支撐城市空間拓展，構(gòu)建城市綜合交通體系。

軌道交通為線狀工程，其項(xiàng)目建設(shè)可能對(duì)蓄滯洪區(qū)的分洪運(yùn)用產(chǎn)生一定影響，但國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究較少。1996年，周孝德等[1]用二維洪水演進(jìn)的隱式差分格式，對(duì)君山蓄滯洪區(qū)扒口運(yùn)用進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬計(jì)算；2012年劉戰(zhàn)友等[2]、2013年魏凱等[3]采用MIKE21模型分別對(duì)海河大黃鋪洼、淮河濛洼蓄滯洪區(qū)開閘分洪進(jìn)行洪水演進(jìn)分析或模擬；2014年，段揚(yáng)等[4]基于EFDC模型對(duì)漳衛(wèi)河流域大名蓄滯洪區(qū)洪水進(jìn)行演進(jìn)模擬，張細(xì)兵等[5]進(jìn)行了基于Google Earth的分蓄洪區(qū)水沙模擬與演示系統(tǒng)研究。上述研究主要集中于蓄滯洪區(qū)運(yùn)用時(shí)洪水過(guò)程數(shù)值模擬，對(duì)蓄滯洪區(qū)內(nèi)項(xiàng)目建設(shè)，特別是軌道交通建設(shè)對(duì)蓄滯洪區(qū)的分洪和退洪等影響基本沒有涉及。本文以武漢市軌道交通21號(hào)線工程為例，采用動(dòng)邊界模擬技術(shù),建立蓄滯洪區(qū)二維水流數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上就軌道交通工程建設(shè)對(duì)武湖蓄滯洪區(qū)的運(yùn)用影響進(jìn)行研究。

2 研究區(qū)概況及二維水流數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)概況

武湖蓄滯洪區(qū)為長(zhǎng)江中下游40個(gè)蓄滯洪區(qū)之一，位于長(zhǎng)江中游武漢關(guān)水文站下游16 km，蓄滯洪面積為277.9 km2，蓄洪水位27.00 m(1985國(guó)家高程基準(zhǔn),下同),扒口進(jìn)洪流量5 000 m3/s，有效蓄洪容積18.1億m3，區(qū)內(nèi)地面高程大部分在17.5～20.5 m[6]。武漢市軌道交通21號(hào)線工程從武湖大堤樁號(hào)K16+140附近進(jìn)入武湖蓄滯洪區(qū)，跨越低排渠、泵站河、長(zhǎng)河等河渠后，于武生站附近出蓄滯洪區(qū)，全程高架穿越武湖蓄滯洪區(qū)，橋跨跨徑一般為25 m，穿越線路總長(zhǎng)約17 km，設(shè)有武湖大道站、梅教街站、武湖站、沙口站、軍民村站、武生站及武湖停車場(chǎng)，車站采用高架3層側(cè)式結(jié)構(gòu)，軌面高程35.22～39.51 m[7]。

2.2 蓄滯洪區(qū)二維水流數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

2.2.1 基本原理與方程的離散

水流連續(xù)性方程為

；

(1)

水流運(yùn)動(dòng)方程為：

(2)

(3)式中：Z為水位(m)；h為水深(m)；u,v分別為垂線平均流速在x,y方向的分量(m/s)；M,N分別為單寬流量在x,y方向的分量(m2/s)，M=hu，N=hv；n為曼寧糙率系數(shù)；g為重力加速度(m/s2)；t為時(shí)間。

模型采用有限體積法計(jì)算，模型把計(jì)算區(qū)域按劃分的網(wǎng)格離散為若干點(diǎn)，以這些點(diǎn)為中心，把整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分為若干互相連接但不重疊的控制體。在計(jì)算中，基本方程對(duì)每一控制體進(jìn)行積分，得到一組以控制體特征量平衡的物理量為未知數(shù)的代數(shù)方程組，同時(shí)沿x,y坐標(biāo)方向?qū)Ψ匠探M進(jìn)行離散，形成的離散方程與有限差分法相似。該方法兼有有限差分法物理概念清晰和有限元法適應(yīng)不規(guī)則網(wǎng)格、復(fù)雜邊界情況及計(jì)算精度高等方面的特點(diǎn)。

2.2.2 邊界條件

計(jì)算區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)武湖蓄滯洪區(qū)，蓄滯洪區(qū)的圍堤為其物理邊界，以武湖干堤的沙口分洪口門為進(jìn)流邊界，以武湖干堤的沙口退洪口門為出流邊界，計(jì)算網(wǎng)格采用100 m×100 m直角網(wǎng)格。

據(jù)相關(guān)實(shí)測(cè)資料分析，蓄滯洪區(qū)運(yùn)用時(shí)分洪口門起始階段沖刷擴(kuò)寬發(fā)展速度較快，沖刷強(qiáng)度逐漸增大，達(dá)最大值后，口門沖刷強(qiáng)度逐漸減小，潰口口門的沖刷擴(kuò)寬發(fā)展速度減弱，口門寬逐漸穩(wěn)定至設(shè)計(jì)扒口寬度，其口門擴(kuò)寬率經(jīng)驗(yàn)公式[6]為

(4)

式中：Rb為口門平均擴(kuò)寬率(m/h)； dZ,dZmax分別為分洪口門處外江水位與蓄滯洪區(qū)內(nèi)蓄洪水位水頭差和最大水頭差(m)。

蓄滯洪區(qū)內(nèi)建筑物的概化分別采用區(qū)域地形修改和加糙方法處理，前者是根據(jù)建筑物的面積，將這些計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)地形進(jìn)行修改；后者是將建筑物處的計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行糙率調(diào)整，以反映其影響。

在計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算域內(nèi)部分節(jié)點(diǎn)在漲水時(shí)會(huì)被“淹沒”，在落水時(shí)會(huì)“干出”。為正確反映這部分節(jié)點(diǎn)的干濕變化，模型中采用了以下動(dòng)邊界模擬技術(shù)，即選定一臨界水深(hmin取為0.001 m)，當(dāng)某時(shí)刻某節(jié)點(diǎn)實(shí)際水深(水位減去蓄滯洪區(qū)地面高程)小于臨界水深時(shí)，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)“干出”，令該點(diǎn)流速為0，水深為臨界水深，水位值由附近非“干出”點(diǎn)水位值外插值得到；當(dāng)某時(shí)刻某節(jié)點(diǎn)實(shí)際水深大于臨界水深時(shí)，則恢復(fù)程序計(jì)算。

2.2.3 模型率定

數(shù)模計(jì)算涉及的主要參數(shù)有糙率、紊動(dòng)黏性系數(shù)等。其中糙率實(shí)際上是一個(gè)綜合阻力系數(shù)，反映了計(jì)算河床河岸阻力、河道形態(tài)變化、水流阻力及地形概化等因素的綜合影響。由于武湖蓄滯洪區(qū)建成后沒有蓄滯洪運(yùn)用過(guò)，無(wú)實(shí)測(cè)分洪資料，建立的模型無(wú)法進(jìn)行率定和檢驗(yàn)，因此，根據(jù)杜家臺(tái)等有關(guān)蓄滯洪區(qū)的分析成果，計(jì)算中采用的糙率如下：樹林0.070，旱地0.065，水田0.050，水面0.025。如果某網(wǎng)格內(nèi)含有多種地形，則按照各種地形糙率的加權(quán)平均值確定該網(wǎng)格的糙率。此外，依經(jīng)驗(yàn)，糙率隨水深增加而減小，并趨于穩(wěn)定，據(jù)此規(guī)律確定洪水演進(jìn)計(jì)算中網(wǎng)格的糙率。

紊動(dòng)黏性系數(shù)υt采用下列公式,即

υt=αu*h 。

(5)

式中：α為常數(shù)，取為0.5；u*為摩阻流速。

3 對(duì)蓄滯洪區(qū)的運(yùn)用影響分析

為反映軌道交通項(xiàng)目建設(shè)對(duì)蓄滯洪區(qū)的運(yùn)用影響，主要基于構(gòu)建的二維水流數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)比軌道交通項(xiàng)目建設(shè)前后蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)的變化，對(duì)影響蓄滯洪區(qū)分洪和退洪的相關(guān)要素進(jìn)行分析。

圖1 軌道交通工程建設(shè)前后進(jìn)洪流量減少值Fig.1 Decreases of flood discharge before and after the construction of rail transit project

3.1 對(duì)蓄滯洪區(qū)分洪的影響

3.1.1 對(duì)蓄滯洪區(qū)蓄洪容積的影響

計(jì)算表明，武湖蓄滯洪區(qū)設(shè)計(jì)蓄洪水位27.00 m時(shí)，軌道交通工程橋墩、車站、武湖停車場(chǎng)與綜合基地等占用分蓄洪區(qū)容積33.20萬(wàn)m3，占蓄滯洪區(qū)有效蓄洪容積18.1億m3的0.018%。由于蓄滯洪區(qū)的軌道交通項(xiàng)目一般為高架型式，橋墩、車站等對(duì)蓄滯洪區(qū)有效蓄洪容積影響較小。

3.1.2 對(duì)分洪流量的影響

二維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明(圖1)，軌道交通建成后，在武湖分蓄洪過(guò)程中，前72 h內(nèi)分洪流量的減小值均<1 m3/s；72 h后，分洪流量減少值明顯開始增大，至106.33 h，減少值為6.08 m3/s，占設(shè)計(jì)分洪流量5 000 m3/s的0.12%。軌道交通工程建設(shè)對(duì)蓄滯洪區(qū)的進(jìn)洪流量影響較小。

3.1.3 對(duì)分洪區(qū)流速過(guò)程的影響

軌道交通工程建設(shè)后，洪水到達(dá)工程線路北側(cè)部分特征點(diǎn)的時(shí)間略有延緩，洪水波前峰過(guò)后流速達(dá)到峰值的歷時(shí)較工程前略長(zhǎng)，峰現(xiàn)時(shí)間較工程建設(shè)前增加值為0.07 h，流速峰值較工程建設(shè)前小0.042 m/s。工程線路中部南側(cè)及工程較遠(yuǎn)特征點(diǎn)流速峰現(xiàn)時(shí)間和峰值基本不變，水流流場(chǎng)變化很小(詳見圖2及表1)。

圖2 軌道交通工程建設(shè)前后分洪流場(chǎng)變化對(duì)比(t=60 h)Fig.2 Comparison of flow field of flood diversion before and after the rail transit project construction(t=60 h)

Table 1 Peak flow velocity and flood peak appearance time at some feature points before and after the construction of rail transit project

特征點(diǎn)流速峰值/(m·s-1)對(duì)應(yīng)峰值出現(xiàn)時(shí)間/h位置編號(hào)建設(shè)前建設(shè)后差值建設(shè)前建設(shè)后差值線路左側(cè)(西部)A0．3970．395-0．00252．2252．220線路下側(cè)(西部)B0．0420．041-0．00137．7837．800．02線路上側(cè)(中部)C0．0740．071-0．00354．4454．440線路下側(cè)(中部)D1．7631．76300．180．180線路上側(cè)(東部)E1．3711．329-0．0420．420．490．07線路下側(cè)(東部)F1．4761．4780．0020．660．660

3.1.4 對(duì)分洪歷時(shí)的影響

軌道交通建設(shè)后，線路北側(cè)洪水到達(dá)某些特征點(diǎn)的時(shí)間有所滯后，如工程前洪水到達(dá)線路上側(cè)E點(diǎn)的時(shí)間為0.42 h，工程后到達(dá)時(shí)間為0.44 h，較工程前延遲0.02 h。洪水到達(dá)工程線路南側(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的時(shí)間基本不受工程線路的影響。當(dāng)蓄洪量達(dá)18.1億m3時(shí)，工程修建前后的分洪歷時(shí)均為106.33 h，無(wú)明顯變化。

3.1.5 對(duì)蓄洪水位的影響

受橋墩、車站等影響，軌道交通線路南側(cè)的水位在水位上漲過(guò)程中，相對(duì)于工程前有所雍高，水位雍高最大值為5.6 cm；北側(cè)的水位有所降低，水位降低最大值為4.9 cm，發(fā)生在分洪洪水流至E點(diǎn)后不久。水位雍高值和降低值隨時(shí)間增長(zhǎng)先增大再減少，各特征點(diǎn)在整個(gè)分洪過(guò)程中的平均水位變化均不足0.3 cm，工程的興建對(duì)武湖蓄滯洪區(qū)的水位過(guò)程和最終蓄洪水位均無(wú)明顯影響。詳見圖3。

圖3 軌道交通工程建設(shè)前后部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)分洪水位過(guò)程線Fig.3 Time-history curves of flood diversion stage at some monitoring points before and after the rail transit project construction

3.2 對(duì)蓄滯洪區(qū)退洪的影響

3.2.1 對(duì)退洪流量的影響

二維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明，工程修建后退洪流量最大減小值約為5.57 m3/s，出現(xiàn)在退洪后15.56 h，擬建工程對(duì)蓄滯洪區(qū)最大退洪流量影響很小。

3.2.2 對(duì)蓄滯洪區(qū)內(nèi)水位的影響

擬建項(xiàng)目為高架橋梁方式，阻水建筑物為橋墩、車站、武湖停車場(chǎng)與綜合基地，阻水面積不大，數(shù)模計(jì)算結(jié)果表明，各特征點(diǎn)工程前后的退水水位過(guò)程線幾乎沒有差別，擬建工程對(duì)退洪水位影響很小。

3.2.3 對(duì)蓄滯洪區(qū)內(nèi)退洪歷時(shí)及流速的影響

項(xiàng)目建設(shè)后，在退洪過(guò)程中，工程北側(cè)退洪略有滯后，南側(cè)略有提前或不變，但流速變化值及流速過(guò)程變化均很小，工程對(duì)退洪歷時(shí)及流速影響很小。詳見圖4。

圖4 軌道交通建設(shè)前后退洪過(guò)程中特征點(diǎn)流速過(guò)程線Fig．4 Comparisonofvelocityvs．timeoffloodfallatfeaturepointsbeforeandaftertheconstructionofrailtransitproject

4 結(jié) 論

(1) 基于有限體積法的蓄滯洪區(qū)二維水流數(shù)學(xué)模型采用動(dòng)邊界模擬技術(shù)，考慮了分洪口門動(dòng)態(tài)擴(kuò)寬變化影響，并對(duì)蓄滯洪區(qū)內(nèi)建筑物進(jìn)行區(qū)域地形修改與加糙處理，能有效地對(duì)蓄滯洪區(qū)分洪和退洪過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。

(2) 蓄滯洪區(qū)內(nèi)軌道交通工程主要為高架橋梁方式，一般軌面和站臺(tái)面層高程均高于設(shè)計(jì)蓄洪水位，對(duì)蓄滯洪區(qū)運(yùn)用影響研究時(shí)，一般要對(duì)高架橋梁等建筑物進(jìn)行概化處理，在此基礎(chǔ)上就項(xiàng)目建設(shè)對(duì)蓄滯洪區(qū)運(yùn)用影響進(jìn)行計(jì)算分析。研究表明，軌道交通建設(shè)項(xiàng)目占用武湖蓄滯洪區(qū)有效蓄滯容積相對(duì)較小，對(duì)蓄滯洪區(qū)分洪流量、歷時(shí)、水位及流場(chǎng)過(guò)程的影響較小，對(duì)蓄滯洪區(qū)退洪流量、歷時(shí)、水位及流速過(guò)程等影響不大，不會(huì)對(duì)蓄滯洪區(qū)運(yùn)用帶來(lái)明顯不利影響。

(3) 本文從洪水演進(jìn)方面研究了軌道交通項(xiàng)目建設(shè)對(duì)蓄滯洪區(qū)運(yùn)用的影響，下階段可結(jié)合軌道交通工程與安全區(qū)、安全臺(tái)等安全建設(shè)設(shè)施和蓄滯洪區(qū)圍堤的交叉銜接情況，進(jìn)一步綜合分析軌道交通工程建設(shè)對(duì)蓄滯洪區(qū)運(yùn)用的影響。

[1] 周孝德，陳惠君.滯洪區(qū)二維洪水演進(jìn)及洪災(zāi)分析[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，12(3)：244-250.

[2] 劉戰(zhàn)友，韓民安，趙英虎.大黃堡洼蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)過(guò)程分析研究[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2012，(4)：33-35.

[3] 魏 凱，梁忠民，王 軍. 基于MIKE21的濛洼蓄滯洪區(qū)洪水演算模擬[J].南水北調(diào)與水利科技，2013，11(6)：16-19.

[4] 段 揚(yáng)，廖衛(wèi)紅，楊 倩,等. 基于EFDC模型的蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)數(shù)值模擬[J].南水北調(diào)與水利科技，2014，12(5)：160-165.

[5] 張細(xì)兵，毛 冰.基于Google Earth的分蓄洪區(qū)水沙模擬與演示系統(tǒng)研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2014，31(2)：8-11.

[6] 長(zhǎng)江水利委員會(huì). 長(zhǎng)江流域蓄滯洪區(qū)建設(shè)與管理規(guī)劃報(bào)告[R].武漢：長(zhǎng)江水利委員會(huì)，2012.

[7] 長(zhǎng)江科學(xué)院. 武漢市軌道交通陽(yáng)邏線(21號(hào)線)工程穿越武湖蓄滯洪區(qū)洪水影響評(píng)價(jià)報(bào)告[R].武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院,2015.

(編輯：占學(xué)軍)

Influence of Rail Transit on Usage of Flood Detention Basin

ZHANG Hui, LI Hui-yun, CUI Zhan-feng

(River Department, Yangtze River Scientific Research Institue, Wuhan 430010, China)

With rapid economic and social development and population growth, rail transit project construction increases obviously at flood detention basin near big city, but few reasearchers turn their eyes to the influence of rail transit on usage of flood detention basin. In view of this, we take rail transit No. 21 in Wuhan as an example. We apply dynamic boundary simulation technology and establish a two-dimensional water flow mathematical model for the flood detention basin to analyze the influence on the basin. Results show that effective flood detention volume occupied by bridge pier or railway station is relatively small in Wuhu flood detention basin. Furthermore, project construction has little influence on flood diversion discharge, duration, water level and flow field. It is the same for flood fall discharge,so project construction doesn’t have obvious adverse impact on the usage of flood detention basin. Finally, the research method and results can be taken as reference for design companies and autorities of flood prevention.

rail transit； project construction； flood detention basin； mathematical model； influence on flood diversion； influence on flood fall

2015-11-06；

2016-03-15

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51339001)

張 慧(1971-),女，湖北蘄春人，高級(jí)工程師，碩士, 主要從事河流動(dòng)力學(xué)與治河工程研究,(電話) 027-84238177 (電子信箱) zhangh314@126.com。

10.11988/ckyyb.20150943

2016,33(12):33-36

TV873

A

1001-5485(2016)12-0033-04