平面二維水流數(shù)學(xué)模型在分散式親水平臺(tái)防洪評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

余乃旺， 陳 剛， 黃宏家

(江蘇省水文水資源勘測(cè)局鹽城分局， 江蘇 鹽城 224000)

為推動(dòng)阜寧縣文明城市建設(shè)，打造宜人宜居的城市生活環(huán)境，提高城市品位，阜寧縣實(shí)施縣城射陽(yáng)河沿河風(fēng)光帶建設(shè)工程，親水平臺(tái)工程是沿河風(fēng)光帶建設(shè)工程的重要組成部分。整個(gè)平臺(tái)工程位于射陽(yáng)河左(北)岸，于阜寧老大橋和新阜寧大橋之間長(zhǎng)1.9 km的濱水岸線上。結(jié)合沿線河道岸線、橋梁、綠化及亮化工程，分散建設(shè)4座親水平臺(tái)，自上游向下游依次編號(hào)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)(位置見(jiàn)圖1)，均為水上建筑。平臺(tái)平面布置以方形或圓形為主體，通過(guò)觀光踏步由射河北路進(jìn)入，其主體建設(shè)以人和水親密接觸的構(gòu)思，營(yíng)造集休閑、生態(tài)、觀賞且具有都市魅力的濱水風(fēng)光景觀。

圖1 射陽(yáng)河親水平臺(tái)及臨近水文站點(diǎn)位置

射陽(yáng)河親水平臺(tái)主要涉水建筑物為平臺(tái)下方灌注樁和上部的平臺(tái)橫梁、面板，以及平臺(tái)上方與綠化帶、沿河道路連接的踏步，其建設(shè)需要占用部分河道灘面和岸線。建設(shè)項(xiàng)目在進(jìn)行防洪評(píng)價(jià)時(shí)，平臺(tái)涉水部分對(duì)附近水位、流場(chǎng)的影響是分析評(píng)價(jià)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，因此結(jié)合同類型項(xiàng)目的分析研究[1]，擬通過(guò)建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，分析比較不同設(shè)計(jì)水情下工程建設(shè)前、后水位和流場(chǎng)的變化，以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)平臺(tái)建設(shè)對(duì)河道行洪的影響程度。

1 項(xiàng)目概況

平臺(tái)總體依托射陽(yáng)河北側(cè)護(hù)岸(石駁岸防洪墻)向河心及兩側(cè)方向展開(kāi)，在現(xiàn)有河床上利用樁柱基礎(chǔ)建設(shè)。4座平臺(tái)共占用水域面積約5 870 m2，起點(diǎn)的Ⅰ號(hào)平臺(tái)其西邊緣頂點(diǎn)坐標(biāo)為N33°46′59″，E119°47′04″，終點(diǎn)Ⅳ號(hào)平臺(tái)東邊緣頂點(diǎn)坐標(biāo)為N33°46′40″，E119°47′45″。

Ⅰ號(hào)平臺(tái)：順河方向長(zhǎng)276.7 m，呈長(zhǎng)條型布置，垂直水流方向距離現(xiàn)有護(hù)岸10.5 m。臺(tái)下均采用?60 mm灌注樁，樁柱共150根，西側(cè)樁長(zhǎng)32.8 m，東側(cè)樁長(zhǎng)24.3 m。

Ⅱ號(hào)平臺(tái)：西緣距離Ⅰ號(hào)平臺(tái)東緣200 m，呈圓弧型布置，順河方向長(zhǎng)68.5 m,圓弧頂端距現(xiàn)有護(hù)岸15.9 m，臨水觀光平臺(tái)(廊道)寬4.7 m。臺(tái)下采用?80 mm灌注樁，樁柱共83根，樁長(zhǎng)24.3m。

Ⅲ號(hào)平臺(tái)：西緣距離Ⅱ號(hào)平臺(tái)東緣130 m，總體呈圓弧型廊道式布置，順河方向長(zhǎng)76.7 m, 圓弧頂端距現(xiàn)有護(hù)岸19.0 m，廊道寬2.5 m。臺(tái)下采用?80 mm灌注樁，樁柱共19根，樁長(zhǎng)23.3 m。

Ⅳ號(hào)平臺(tái)：順河方向自護(hù)岸向河心分前后兩段，呈“品”字型布置，前段長(zhǎng)46.2 m，寬8.4 m；后段長(zhǎng)68.2 m，寬10.9 m，前、后段由2座3m×3m的引橋連接。臺(tái)下采用?60 mm(內(nèi)臺(tái))與?80 mm(外臺(tái))結(jié)合方式，臺(tái)下樁柱為108根，樁長(zhǎng)22.3 m。

整個(gè)項(xiàng)目施工順序?yàn)槠脚_(tái)下方灌注樁鉆機(jī)支架布設(shè)、壓樁，灌注樁鉆孔、成樁，臺(tái)面混凝土澆鑄及踏步施工。

2 河道概況

射陽(yáng)河又稱射河、陽(yáng)河，起自阜寧縣永興，至射陽(yáng)縣射陽(yáng)河閘入海，全長(zhǎng)約133 km，河底寬70～300 m，堤頂距100～400 m，河底高程-3.5～-6.0 m，最低處-12.0 m左右。射陽(yáng)河既是里下河地區(qū)東部排水入海的最大干河，也是沿線地區(qū)灌溉、排澇、防洪、航運(yùn)的動(dòng)脈，是農(nóng)田灌溉的主要水源之一。射陽(yáng)河閘以上流域集水面積4 036 km2，多年平均入海水量40.54億m3，與新洋港、斗龍港、黃沙港合稱“四大港”，其排水量約占四大港總排水量40%以上。

3 平面二維水流數(shù)學(xué)模型的建立

3.1 基本方法

項(xiàng)目段位于平原水網(wǎng)區(qū)域，該區(qū)域具有河道寬闊、水面落差小、水流平緩等特點(diǎn)，水體在流動(dòng)過(guò)程中，水流在垂直方向上的數(shù)值變化，對(duì)于平面其他兩個(gè)方向相對(duì)較小。因此，可以采用平面二維淺水方程[2]作為水流計(jì)算的控制方程。

3.2 求解過(guò)程

利用有限體積法(finite volume method)求解基本方程的數(shù)值解，該法是基于有限單元法和有限差分法的一種數(shù)值方法，其基本過(guò)程為：

(1)將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)控制體積。

(2)將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分，得出一組離散方程，其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上因變量的數(shù)值。

(3)根據(jù)給定的初始條件和邊界條件，求解代數(shù)方程組，得到基本方程的數(shù)值解。

3.3 條件選取

(1)地形與網(wǎng)格剖分

所建數(shù)學(xué)模型全長(zhǎng)3.4 km，其范圍從Ⅰ號(hào)平臺(tái)上游2.1 km起，至Ⅳ號(hào)平臺(tái)下游400 m，地形采用近期施測(cè)的水下地形資料。

根據(jù)地形特征對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，計(jì)算網(wǎng)格由無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格單元構(gòu)成。整個(gè)河段單元網(wǎng)格尺寸一般15 m。為提高平臺(tái)附近水流流態(tài)的計(jì)算精度，平臺(tái)附近采用網(wǎng)格加密技術(shù)，局部網(wǎng)格加密至0.2 m×0.2 m，樁基按出水邊界處理。模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共58 520個(gè)，單元115 510個(gè)。

(2)定解條件和計(jì)算參數(shù)

模型上游采用流量邊界，下游采用水位邊界，以Ⅰ號(hào)親水平臺(tái)上游550 m處的阜寧(射)水文站水位進(jìn)行控制。

初始水位條件采用各邊界的初始水位，初始流速則采用假定值0 m/s。因初始條件的偏差在計(jì)算中會(huì)很快消失，因而任意給定的初始流速值不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的精度。

河段內(nèi)糙率選擇：主槽0.02～0.022，邊灘0.022～0.025。

(3)水流條件選取

選取阜寧(射)水文站20年一遇水位2.26 m，相應(yīng)流量465.6 m3/s；50年一遇水位2.49 m，相應(yīng)流量495.7 m3/s；100年一遇水位2.70 m，相應(yīng)流量523.9 m3/s，作為洪水條件進(jìn)行計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 水位影響分析

親水平臺(tái)的建設(shè)，對(duì)工程河段水位、流速的影響主要是樁基和側(cè)面(包括部分臺(tái)階)的阻水影響，其中樁基影響占主要因素。

從Ⅰ號(hào)平臺(tái)上游150 m到Ⅳ號(hào)平臺(tái)下游，工程前后平臺(tái)所在左岸水位的變化可以看出，近岸水位變化主要集中在平臺(tái)前沿和尾部，主要表現(xiàn)為前沿的水位壅高和尾部的水位下降，壅高或跌落值在0.006～-0.006 m之間，顯然水位壅高或跌落值都非常小。

不同洪水條件下，由于阻水而形成的各平臺(tái)臺(tái)前壅水長(zhǎng)度分別為100 m、65 m、60 m和80 m。

4.2 流速影響分析

工程實(shí)施后，受左岸親水平臺(tái)樁基以及頂面(包括臺(tái)階部分)的影響，河道過(guò)水面積有一定的減小，總體流速有所增加，但增幅較小，一般不超過(guò)0.02 m/s。

工程附近近岸受到樁基的阻水作用，流速呈普遍下降趨勢(shì)，各平臺(tái)內(nèi)部流速降低明顯，流速絕對(duì)值一般不超過(guò)0.2 m/s。平臺(tái)后部受平臺(tái)臺(tái)體的掩護(hù)作用，出現(xiàn)一定范圍的緩流區(qū)。

根據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，從Ⅰ號(hào)平臺(tái)上游150 m到Ⅳ號(hào)平臺(tái)下游工程前后平臺(tái)所在左岸的近岸流速普遍呈下降趨勢(shì)。不同洪水頻率下，流速大小和流速變化總體相似。工程實(shí)施前近岸流速一般在0.36～0.63 m/s，工程后流速降低至0.05～0.53 m/s。流速降幅最大的區(qū)域一般在平臺(tái)的尾部，最大下降了0.4 m/s。

5 結(jié) 語(yǔ)

平面二維數(shù)學(xué)模型可廣泛應(yīng)用于潮汐、水流、風(fēng)暴潮等二維水力學(xué)研究[3-4]。本次針對(duì)射陽(yáng)河分散式親水平臺(tái)建設(shè)，利用高水水情組合，模擬計(jì)算平臺(tái)建設(shè)后河道水位、流量的變化特點(diǎn)。三級(jí)特征水情條件(設(shè)計(jì)水位、流量)的計(jì)算結(jié)果表明，親水平臺(tái)的建設(shè)對(duì)河段總體水位和流速的影響均較小，對(duì)近岸流速的阻蔽作用明顯?？傮w看來(lái)，親水平臺(tái)的建設(shè)不會(huì)對(duì)河段流態(tài)及河勢(shì)造成明顯影響。