基于數(shù)值模擬的渾河城市防護(hù)工程防洪評(píng)價(jià)與分析

(遼寧省葠窩水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 遼陽 111000)

渾河城市防護(hù)工程位于沈陽市渾南區(qū)南堤路北、彩霞街西的渾南攔河壩附近左岸灘地，在沈陽水文站上游約4.2km處，場(chǎng)區(qū)景色優(yōu)美，交通便利，南北寬約180m，東西長(zhǎng)約900m，占地面積約為10萬m2。工程以原有高爾夫球場(chǎng)主入口為界，西側(cè)形成公園區(qū)，東側(cè)形成市民公園區(qū)，構(gòu)建一個(gè)集大眾休閑健身、戶外娛樂于一體的綜合性的市民運(yùn)動(dòng)公園。為保證工程設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)、安全及合理，避免對(duì)河道防洪造成影響，需對(duì)該工程進(jìn)行防洪影響評(píng)價(jià)。防洪評(píng)價(jià)范圍起點(diǎn)為渾河大橋上游約1km，終點(diǎn)為位于工農(nóng)大橋上游端(沈陽水文站)，河段全長(zhǎng)約5.80km。通過防洪評(píng)價(jià)與分析，為河道防洪安全提供可靠的依據(jù)。

1 平面二維水力數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 控制方程

笛卡兒坐標(biāo)系下平面二維水力模擬的基本方程為

水流連續(xù)方程：

(1)

水流運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

(3)

式中Z——水位；

h——水深；

u、v——x、y方向的流速；

C——謝才系數(shù)；

Zb——河床高程；

n——曼寧糙率系數(shù)；

γt——紊動(dòng)黏性系數(shù)。

根據(jù)一般曲線變換關(guān)系，上述笛卡兒坐標(biāo)系基本方程可轉(zhuǎn)化為正交曲線貼體坐標(biāo)系下二維水流數(shù)學(xué)模型中的基本控制方程，具體如下：

水流連續(xù)方程：

(4)

ξ方向水流動(dòng)量方程：

(5)

η方向水流動(dòng)量方程：

(6)

其中

式中ξ、η——正交曲線貼體坐標(biāo)系中的兩個(gè)坐標(biāo)；

Z——水位；

h——水深；

n——糙率系數(shù)；

g——重力加速度；

u、v——沿ξ、η方向的流速；

υ與ε——層流運(yùn)動(dòng)黏滯性系數(shù)和紊動(dòng)運(yùn)動(dòng)黏滯性系數(shù)，前者與后者相比一般可忽略不計(jì)；

J=CξCη，Cξ、Cη——正交曲線坐標(biāo)系中的拉梅系數(shù)：

1.2 數(shù)值解法

比較上述方程，可以發(fā)現(xiàn)它們的形式是相似的，可表達(dá)成如下的通用格式：

式中：Γ為擴(kuò)散系數(shù)。上述方程的差別主要體現(xiàn)在源項(xiàng)S里面。同時(shí)，在運(yùn)用控制體積法求解上式時(shí)，為了使計(jì)算收斂或加快收斂，需要對(duì)源項(xiàng)進(jìn)行負(fù)坡線性化，即

S=Spψp+Sc

負(fù)線性化后，進(jìn)一步推導(dǎo)方程中各項(xiàng)(見表1)。

表1 各方程負(fù)線性化后參數(shù)

在數(shù)值計(jì)算時(shí)，為避免計(jì)算區(qū)域不合理壓力場(chǎng)的出現(xiàn)，上述方程的離散求解在交錯(cuò)網(wǎng)格上進(jìn)行。

1.3 定解條件

初始水位場(chǎng)可利用計(jì)算域上下游水位和斷面間距進(jìn)行線性插值，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，在斷面上可以不考慮橫比降。對(duì)于初始流速場(chǎng)，令η方向上v=0，ξ方向上u由曼寧公式計(jì)算得出，并進(jìn)行斷面總流量校正。其他邊界條件包括：岸邊界水位按法向邊界條件(?/?n=0)給出，河岸邊界流速按零值處理；出口流速和進(jìn)口水位也按法向邊界條件(?/?n=0)給出。

2 基本參數(shù)

2.1 模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

根據(jù)河段外形及堤防情況，考慮到模型計(jì)算進(jìn)出口相對(duì)平順及計(jì)算分析要求，選擇模型進(jìn)口為渾河大橋上游約1km處，模型出口位于工農(nóng)大橋上游端(沈陽水文站)，計(jì)算河段全長(zhǎng)5.80km。

平面二維數(shù)模計(jì)算網(wǎng)格采用河勢(shì)貼體正交曲線網(wǎng)格形式，網(wǎng)格布置情況為220×65，水流方向網(wǎng)格間距10～40m，垂直水流方向網(wǎng)格間距5～20m，工程區(qū)域局部網(wǎng)格進(jìn)行加密。網(wǎng)格劃分情況見圖1。

2.2 計(jì)算糙率

渾河沈陽段河道為復(fù)式河槽，其糙率按主槽、左灘、右灘分別選定。根據(jù)《渾河沈陽城區(qū)段防洪規(guī)劃修編報(bào)告》中糙率的率定，經(jīng)綜合分析，工程前，此次計(jì)算主槽糙率值采用0.030，灘地糙率值采用0.08，與修編報(bào)告中糙率值一致。考慮到工程后進(jìn)行了地面整平和硬化，糙率略有降低，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)和糙率表，經(jīng)綜合分析糙率采用0.07(見表2)。

圖1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格及取樣點(diǎn)布置情況

斷面號(hào)主河槽灘 地左灘右灘備 注工程前0030008008工程后0030008008工程整平后糙率取007

2.3 計(jì)算頻率及流量

工程位于渾南攔河壩附近左岸灘地，所在河段左岸位于東陵橋至渾河閘段，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，右岸位于金家屯至渾河閘段，防洪標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇。為了分析洪水流量條件下工程對(duì)防洪的影響，水力計(jì)算選取P=1%、P=0.33%頻率洪水進(jìn)行。

根據(jù)水文分析計(jì)算成果，結(jié)合《渾河沈陽城區(qū)段防洪規(guī)劃修編報(bào)告》中對(duì)沈陽水文站各級(jí)洪水條件下水面線推算成果，此次水力計(jì)算采用模型出口端沈陽站處組合流量和水位(見表3)。

表3 渾河沈陽站水力計(jì)算洪水組合成果

2.4 其他條件

此次預(yù)測(cè)分析計(jì)算初始地形采用2012年渾河工程河段測(cè)量地形為基礎(chǔ)建立；計(jì)算河段中對(duì)于已建橋梁等建筑物作為固有邊界考慮。同時(shí)，考慮到工程區(qū)氣膜不使用時(shí)半小時(shí)內(nèi)即可拆卸和移動(dòng)，汛期河水漫灘后將氣膜移開，工程后工程地形仍以整平后工程區(qū)域地形高程為基礎(chǔ)，并考慮糙率因素的影響。同時(shí)為了便于計(jì)算分析，在P=0.33%洪水標(biāo)準(zhǔn)條件下，以模型左岸邊界不潰堤和不溢出為條件。

3 模型計(jì)算結(jié)果

3.1 工程對(duì)流速影響計(jì)算

模型分別計(jì)算了P=1%、P=0.33%兩級(jí)洪水流量條件下工程實(shí)施前后河段流速，為了便于分析計(jì)算洪水條件下工程的實(shí)施對(duì)工程河段流速的影響，根據(jù)工程河段特征自上游而下選取P1～P7共7個(gè)特征點(diǎn)，對(duì)工程實(shí)施前后取樣點(diǎn)流速變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(見表4)。

根據(jù)以上計(jì)算分析和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，工程前后工程河段流速變化特點(diǎn)主要表現(xiàn)如下：

表4 工程前后取樣點(diǎn)流速流向統(tǒng)計(jì)

a.100年一遇洪水流量標(biāo)準(zhǔn)條件下(P=1%)，由于河段左岸灘面較高，水流未出現(xiàn)漫灘條件(見圖2)。因此該洪水標(biāo)準(zhǔn)下，工程的實(shí)施不會(huì)對(duì)河段流速造成影響。

b. 300年一遇洪水流量標(biāo)準(zhǔn)條件下(P=0.33%)，河段灘面漫灘后，受工程區(qū)域整平后局部地形條件及糙率變化的作用，工程實(shí)施對(duì)河段流速略有影響。從表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，渾河大橋、工程上下游近岸段等取樣點(diǎn)流速變化均小于0.001m/s，工程區(qū)域中部取樣點(diǎn)流速變化0.003m/s，流向變化為0.05°。從圖3看，工程前后，工程區(qū)域局部流速有增有減。

圖2 P=1%下工程前后河段計(jì)算流場(chǎng)

圖3 P=0.33%下工程前后河段計(jì)算流場(chǎng)

綜上所述，P=1%洪水流量條件下，工程實(shí)施對(duì)河段流速?zèng)]有影響；P=0.33%洪水流量條件下，工程實(shí)施對(duì)河段流速影響較小，影響范圍限于工程區(qū)域范圍內(nèi)，流速最大降低值約0.01m/s，流速最大增加0.009m/s，流向變化最大值0.05°。

3.2 工程對(duì)水位影響計(jì)算

模型分別計(jì)算了P=1%、P=0.33%兩級(jí)洪水流量條件下工程實(shí)施前后河段水位，為了便于分析計(jì)算洪水條件下工程的實(shí)施對(duì)工程河段水位的影響，根據(jù)工程河段特征自上游而下選取P1～P7共7個(gè)特征點(diǎn)，對(duì)工程實(shí)施前后取樣點(diǎn)水位變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(見表5)。

表5 工程前后取樣點(diǎn)水位變化統(tǒng)計(jì)

根據(jù)以上計(jì)算分析和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，工程前后工程河段水位變化特點(diǎn)主要表現(xiàn)如下：

a. 100年一遇洪水流量標(biāo)準(zhǔn)條件(P=1%)下，由于河段左岸灘面較高，水流未出現(xiàn)漫灘條件。因此，該洪水標(biāo)準(zhǔn)下，工程的實(shí)施不會(huì)對(duì)河段水位造成任何影響。

b. 300年一遇洪水流量標(biāo)準(zhǔn)條件(P=0.33%)下，河段灘面漫灘后，受工程區(qū)域整平后局部地形條件及糙率變化的作用，工程實(shí)施對(duì)河段水位略有影響。從表5統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，渾河大橋、工程下游近岸段等取樣點(diǎn)流速變化均小于0.001m/s，工程區(qū)域上游端取樣點(diǎn)水位降低約0.001m，中部取樣點(diǎn)水位降低約0.005m。從圖4來看，工程前后，工程區(qū)域局部水位有升有降。工程實(shí)施對(duì)工程河段水位的影響主要集中在工程區(qū)域范圍內(nèi)，工程實(shí)施前工程區(qū)域水位 43.138～43.503m，工程實(shí)施后工程區(qū)域水位43.138～43.502m。

綜上所述，P=1%洪水流量條件下，工程實(shí)施對(duì)河段水位沒有影響；P=0.33%洪水流量條件下，工程實(shí)施對(duì)河段水位影響較小，影響范圍限于工程區(qū)域

圖4 工程前后河段水位大小變化云

范圍及近岸段內(nèi)，工程實(shí)施前工程區(qū)域水位43.138～43.503m，工程實(shí)施后工程區(qū)域水位43.138～43.502m，水位最大壅高值約0.008m，最大水位降低值約0.015m。

4 結(jié) 論

根據(jù)二維水力數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，100年一遇洪水流量標(biāo)準(zhǔn)條件下，水流未出現(xiàn)漫灘，工程的實(shí)施不會(huì)對(duì)河段水位造成任何影響；300年一遇洪水流量標(biāo)準(zhǔn)條件下，河段灘面漫灘后，受工程區(qū)域整平后局部地形條件及糙率變化的作用，工程實(shí)施對(duì)河段流速、水位略有影響。工程前后，工程區(qū)域局部水位有升有降。工程實(shí)施對(duì)工程河段水位的影響主要集中在工程區(qū)域范圍內(nèi)，工程實(shí)施前工程區(qū)域水位43.138～43.503m，工程實(shí)施后工程區(qū)域水位43.138～43.502m。