劉中峰，黃本勝，邱 靜，劉 達(dá)

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635；3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

1 概述

城市是人口集中、工商業(yè)發(fā)達(dá)、以非農(nóng)業(yè)人口為主要居民的地區(qū)，通常是周邊地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，地位十分重要，其防洪排澇安全備受關(guān)注。隨著城市建設(shè)程度的不斷提高，各地防洪排澇壓力劇增，行洪排澇功能減弱甚至喪失的城市河涌越來越受到重視，因此近年來城市河涌防洪排澇整治工程大量涌現(xiàn)。具體到設(shè)計(jì)工作，此類工程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容在于確定安全經(jīng)濟(jì)的河涌斷面和涌口泵站抽排能力。

與一般的河道整治工程相比，城市河涌整治工程的特殊性表現(xiàn)為在用地、生態(tài)及景觀等方面具有眾多限制，這就對(duì)其防洪排澇設(shè)計(jì)精度和深度提出了更高要求[1]。然而，由于城市河涌往往規(guī)模不大、流域面積較小，因此目前工程設(shè)計(jì)中一般采用一維恒定水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，即選取涌口關(guān)閘水位(防洪要求)，計(jì)算關(guān)閘后外江漲水到退水過程中雨洪不同頻率、不同時(shí)間組合遭遇的設(shè)計(jì)暴雨量和設(shè)計(jì)徑流量，并以此徑流量作為一維恒定數(shù)學(xué)模型的上游邊界條件計(jì)算河涌斷面和泵站抽排能力[2]。這種方法簡單方便、計(jì)算快速，但缺點(diǎn)也比較明顯：① 模型概化和計(jì)算假定偏于安全，造成計(jì)算結(jié)果安全有余，如堤防過高、泵站容量過高等，但經(jīng)濟(jì)性較差，也會(huì)對(duì)河道景觀等造成影響；② 計(jì)算中未考慮河涌的調(diào)蓄能力和排澇的動(dòng)態(tài)過程，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況偏差較大[3]。為克服上述不足，滿足日益提高的設(shè)計(jì)精度要求，水利工作者進(jìn)行了各種探討和嘗試[4-6]，但采用物理模型試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行研究尚不多見[7]。

本文以某條正開展整治的城市河涌為例，通過建立正態(tài)物理模型，對(duì)實(shí)際行洪排澇情況進(jìn)行模擬，得到河涌水面線和泵站規(guī)模等成果，為防洪排澇工程方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，也可為其它類似城市河涌整治工程提供借鑒。

2 工程概況

該城市河涌流域面積為17.2 km2，干流河長為5.2 km，在河涌末端通過閘站與外江相連(見圖1)。近年來，因周邊城市發(fā)展迅速，管理滯后，導(dǎo)致河涌淤塞較為嚴(yán)重，加之涌口泵站規(guī)模較小，行洪排澇能力嚴(yán)重不足。因此，擬對(duì)該河涌實(shí)施綜合整治，包括河道清淤、生態(tài)堤防建設(shè)及泵站升級(jí)改造等，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇[8]。本次試驗(yàn)的主要目的就是針對(duì)該河涌整治后的水面線及合適的泵站規(guī)模進(jìn)行研究，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖1 河涌整治示意

模型試驗(yàn)前期研究中，對(duì)內(nèi)河涌與外江洪水遭遇情況進(jìn)行了詳細(xì)分析[9-10](洪潮遭遇分析非本文重點(diǎn)討論內(nèi)容，此處僅給出分析結(jié)果作為試驗(yàn)水文組次)，并據(jù)此確定了內(nèi)外江洪水遭遇組合：內(nèi)河涌5年一遇洪水遭遇外江20年一遇洪水位、內(nèi)河涌20年一遇洪水遭遇外江5年一遇洪水位，錯(cuò)峰時(shí)間為24 h。此外，根據(jù)地形及雨水管網(wǎng)情況，將本流域劃分為15個(gè)排水分區(qū)，并在充分考慮下墊面等因素的基礎(chǔ)上對(duì)各分區(qū)出口(匯入河涌位置)的洪水過程進(jìn)行了計(jì)算[11-12]。以內(nèi)河涌5年一遇洪水遭遇外江20年一遇洪水位為例，圖2給出了水文分析計(jì)算結(jié)果。

圖2 15個(gè)排水分區(qū)洪水過程及外江水位過程(P內(nèi)=20%，P外=5%，錯(cuò)峰24 h)

根據(jù)河涌整治要求，內(nèi)河涌5年一遇洪水流量下，泵站前池水位不得超過12.78 m；內(nèi)河涌20年一遇洪水流量下，泵站前池水位不得超過13.00 m。

3 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)程序

3.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，按照有關(guān)規(guī)范要求和河涌整治設(shè)計(jì)斷面，本試驗(yàn)按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)成正態(tài)模型，模型長度比尺為1:30。模型長約為180 m，寬約為2 m，占地面積約為400 m2。模型照片見圖3。

入口流量控制系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，河涌整治后兩岸大部分岸坡采用草皮護(hù)坡，并結(jié)合景觀分布有灌木、景石等，按天然河道清潔、順直、無沙灘、無深潭等情況可知其糙率在0.028左右。模型地形按照設(shè)計(jì)斷面形式用河沙塑造，并用水泥砂漿抹成粗糙面，糙率約為0.015，基本與原型相似(糙率比尺為1:1.76)。

如圖4所示，模型由入口流量控制系統(tǒng)、水位采集系統(tǒng)和泵站模擬系統(tǒng)等組成，上述系統(tǒng)均由計(jì)算機(jī)控制中心統(tǒng)一控制。其中，入口流量控制系統(tǒng)由蓄水池、變頻泵、分水池和PE水管(內(nèi)徑4.8 cm)組成，其作用是按照15個(gè)排水分區(qū)洪水計(jì)算結(jié)果在模型15個(gè)進(jìn)水口釋放相應(yīng)流量過程；水位采集系統(tǒng)通過10個(gè)水位計(jì)實(shí)時(shí)采集河涌沿程水位變化過程，據(jù)此分析防洪排澇效果，其中Z10為泵站前池水位控制測(cè)點(diǎn)；泵站模擬系統(tǒng)由變頻器和變頻泵組成，可根據(jù)試驗(yàn)情況調(diào)節(jié)抽排流量。

圖4 模型設(shè)備布置示意

3.2 試驗(yàn)思路及邊界控制

本次試驗(yàn)按照分析確定的兩種內(nèi)外江洪水遭遇組次，分別開展了恒定流和非恒定流兩種情況的試驗(yàn)研究，其研究內(nèi)容、思路及邊界條件具體說明如下：

1)通過恒定流試驗(yàn)，測(cè)試河道行洪水面線，與設(shè)計(jì)成果進(jìn)行對(duì)比分析。其中，15個(gè)入口給定相應(yīng)洪峰流量，下游(Z10測(cè)點(diǎn))給定泵站前池最高限制水位，即Z10(P=5%)=13.0 m、Z10(P=20%)=12.78 m。

2)通過非恒定流試驗(yàn)，確定泵站合適規(guī)模，并測(cè)試在此規(guī)模下河涌沿程水位情況。模型上邊界按照15個(gè)排水分區(qū)洪水過程的計(jì)算結(jié)果，在相應(yīng)入口釋放流量(由于流域面積較小，試驗(yàn)中各入口流量同時(shí)匯入)。由水文分析結(jié)果可知，外江水位大部分時(shí)間都高于泵站前池最高限制水位，因此試驗(yàn)中始終按照水閘一直關(guān)閉、僅依靠泵站抽排的原則進(jìn)行控制。根據(jù)實(shí)際調(diào)度要求，試驗(yàn)時(shí)內(nèi)河涌起調(diào)水位為10.45 m。

如圖5所示，進(jìn)行非恒定流試驗(yàn)時(shí)，首先給定泵站最大抽排流量Q1(如50 m3/s)，并將內(nèi)河涌水位調(diào)整為10.45 m開始試驗(yàn)，入口流量控制系統(tǒng)按照?qǐng)D2所示曲線向15個(gè)入口釋放流量過程。試驗(yàn)過程中，當(dāng)來流量小于Q1時(shí)，泵站按照實(shí)際來流量向外江排水，泵站前池水位保持不變；當(dāng)來流量大于Q1時(shí)，泵站按照最大抽排流量Q1向外江排水，泵站前池水位上升直至最高值Zmax；此后，隨著洪峰消退，前池水位逐漸下降，直至完成一個(gè)試驗(yàn)過程。將Zmax與泵站前池最高限制水位(如5年一遇時(shí)為12.78 m)進(jìn)行比較，若Zmax>12.78 m，則加大泵站抽排流量Q1(如增加至55 m3/s)進(jìn)行下一次試驗(yàn)，直至找到滿足Zmax=12.78 m的Q1(即合適的泵站規(guī)模)。

圖5 非恒定流試驗(yàn)流程示意(以P=20%為例)

4 試驗(yàn)研究成果分析

4.1 恒定流試驗(yàn)成果

按照洪峰流量開展恒定流試驗(yàn)，分別測(cè)定了20年一遇和5年一遇洪水頻率下河涌水面線情況，并與工程設(shè)計(jì)報(bào)告(一維恒定水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果)進(jìn)行了對(duì)比(見圖6)。由圖6可見，物模試驗(yàn)測(cè)得的河涌上中游水面線要低于報(bào)告結(jié)果，且越往上游水位差值越大；至河涌下游，兩種方法得到的水面線成果則相差不大。

圖6 水面線物模試驗(yàn)成果與設(shè)計(jì)報(bào)告成果對(duì)比示意

20年一遇洪水頻率下，在上游整治起點(diǎn)位置，物模水位比設(shè)計(jì)報(bào)告成果低約0.65 m；向下游至樁號(hào)2 000 m附近，物模水位比設(shè)計(jì)報(bào)告成果低約0.20 m；再向下游，二者則基本重合。5年一遇洪水頻率下，在上游整治起點(diǎn)位置，物模水位比設(shè)計(jì)報(bào)告成果低約0.35 m；向下游至樁號(hào)2 000 m附近，物模水位比設(shè)計(jì)報(bào)告成果低約0.15 m；再向下游，二者則基本重合。

造成上述現(xiàn)象的主要原因在于排水分區(qū)的處理精度不同：設(shè)計(jì)報(bào)告僅劃分了4個(gè)排水分區(qū)，其匯流口主要集中在河涌上游，因此造成上游流量偏大、水位偏高；而物模試驗(yàn)對(duì)排水分區(qū)的劃分更為精細(xì)，概化得到的15個(gè)匯流口按實(shí)際情況分布在河涌上、中、下游，流量分配更均勻，也更為合理。由此可見，在確定城市河涌設(shè)計(jì)洪水時(shí)，進(jìn)行精細(xì)的排水分區(qū)產(chǎn)匯流計(jì)算非常必要。

需要指出的是，由于兩成果采用的邊界條件不同，不具備可比性，此處進(jìn)行對(duì)比僅為說明進(jìn)行精細(xì)排水分區(qū)的必要性。

4.2 非恒定流試驗(yàn)成果

4.2.1泵站規(guī)模

通過多組非恒定流試驗(yàn)，測(cè)得了發(fā)生不同洪水頻率時(shí)所需的泵站規(guī)模：20年一遇洪水需要泵站最大流量為100 m3/s，5年一遇洪水則需要75 m3/s。在此規(guī)模下，泵站前池水位、流量過程和泵站抽排流量過程見圖7。在20年一遇洪水頻率下，從33 h時(shí)刻左右開始，隨著洪峰的到來，來流量超過泵站最大抽排流量(100 m3/s)，前池水位從起調(diào)水位10.45 m快速升高，至36 h時(shí)刻到達(dá)最高限制水位13.0 m；此后，上游來流逐漸減小(37 h時(shí)刻已小于100 m3/s)，在泵站強(qiáng)排作用下，水位迅速下降。5年一遇洪水頻率試驗(yàn)測(cè)得的流量、水位變化過程基本表現(xiàn)為相同規(guī)律，只是具體數(shù)值有所不同。

圖7 選定泵站規(guī)模下特征參數(shù)變化過程示意

按照河涌整治標(biāo)準(zhǔn)(20年一遇)，涌口泵站規(guī)模應(yīng)達(dá)到100 m3/s，而現(xiàn)狀泵站規(guī)模不足30 m3/s，難以滿足排澇要求。因此，應(yīng)盡快按照研究結(jié)果增加相應(yīng)泵站裝機(jī)，以緩解流域嚴(yán)峻的防洪排澇形勢(shì)。

在此需要指出的是，本次試驗(yàn)假定上游來流全部由泵站抽排，未考慮水閘泵站的聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用，由此得出的泵站排澇流量較大(偏于安全)，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合數(shù)學(xué)模型計(jì)算等其他手段的研究成果確定泵站合適規(guī)模。

4.2.2最高洪水位

在非恒定流試驗(yàn)中，河涌內(nèi)水位是動(dòng)態(tài)變化的。為了解按選定的泵站規(guī)模進(jìn)行排澇時(shí)沿程各處水位情況，提取沿程水位外包成果(即最高洪水位，見圖8)。可以看出，在非恒定流試驗(yàn)中，由于充分利用了河涌容積進(jìn)行調(diào)蓄，河涌最高洪水位較恒定流試驗(yàn)所測(cè)水位進(jìn)一步下降，上中游(0～3 500 m)河段下降程度尤為明顯。其中，20年一遇洪水頻率的河涌上中游降低值在0.45 m左右，5年一遇洪水頻率的河涌上中游降低值在0.20 m左右。

圖8 選定泵站規(guī)模下河涌最高洪水位情況示意

根據(jù)物模試驗(yàn)成果，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下(20年一遇)，設(shè)計(jì)報(bào)告成果中的河涌中、上游水面線偏高0.7～1.0 m，過于保守，經(jīng)濟(jì)性較差，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。

5 結(jié)語

1)針對(duì)某城市河涌防洪排澇整治工程，建立1:30正態(tài)模型，選取20年一遇洪水(遭遇外江5年一遇洪水位)和5年一遇洪水(遭遇外江5年一遇洪水位)兩個(gè)水文組次，分恒定流和非恒定流兩種情況對(duì)河涌水面線及涌口泵站規(guī)模進(jìn)行了研究。

2)恒定流試驗(yàn)測(cè)得的河涌行洪水面線明顯低于設(shè)計(jì)報(bào)告結(jié)果，且越往上游二者差值越大，整治起點(diǎn)處最大差值可達(dá)0.65 m左右(20年一遇)。產(chǎn)生這種差異的主要原因在于物理模型入流邊界采用了更為精細(xì)、更為接近實(shí)際情況的排水分區(qū)產(chǎn)匯流計(jì)算結(jié)果，洪水通過分布于河涌全程的15個(gè)入口匯入，而設(shè)計(jì)報(bào)告成果中洪水則主要從河涌上游匯入。

3)通過非恒定流試驗(yàn)對(duì)泵站規(guī)模進(jìn)行了研究，在20年一遇洪水頻率下，泵站規(guī)模達(dá)到100 m3/s才可保證前池水位不超過設(shè)定的最高限制水位13.00 m；在5年一遇洪水頻率下，泵站規(guī)模達(dá)到75 m3/s才可保證前池水位不超過設(shè)定的最高限制水位12.78 m?，F(xiàn)狀泵站裝機(jī)流量無法滿足設(shè)計(jì)排澇要求。

4)在20年一遇洪水頻率下按照100 m3/s的泵站規(guī)模進(jìn)行抽排，河涌中、上游最高洪水位較設(shè)計(jì)成果低0.7～1.0 m，設(shè)計(jì)方案應(yīng)據(jù)此進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整以提高工程經(jīng)濟(jì)性?？梢钥闯?，對(duì)于合理確定河涌整治工程規(guī)模而言，進(jìn)行精細(xì)化的排水分區(qū)產(chǎn)匯流計(jì)算和開展非恒定流模型試驗(yàn)研究非常必要。

5)一般情況下，城市河涌流域面積都相對(duì)較小，實(shí)測(cè)水文資料比較缺乏，在開展物理模型試驗(yàn)等研究時(shí)往往缺乏實(shí)測(cè)資料的率定驗(yàn)證。鑒于城市河涌行洪排澇作用的越來越受重視，建議開展相關(guān)觀測(cè)工作，為工程研究積累實(shí)測(cè)資料和數(shù)據(jù)。