二維水動(dòng)力學(xué)模型在堤防退建方案比選中的應(yīng)用

汪 然,王露露,海 燕

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 研究背景

沙潁河是淮河最大的支流，安徽省境內(nèi)稱為潁河。潁河歷史上受到黃泛影響，彎曲河段多，兩岸灘地淤積高，堤外灘地生產(chǎn)圩眾多，居住著大量人口。多年來(lái)生產(chǎn)圩一直缺少系統(tǒng)治理，堤身單薄，堤頂高矮不一，堤頂寬度較窄，防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，圩內(nèi)群眾防洪安全得不到保障，且嚴(yán)重影響河道泄洪能力。安徽省潁河綜合治理項(xiàng)目堅(jiān)持“以人為本、人水和諧”的基本原則，按照“還河一批、限制一批、提高一批”的治理思路，結(jié)合潁河干流疏浚等工程措施，因地制宜，實(shí)行圩口分類治理，分級(jí)設(shè)防。

蘆華圩是潁河左右堤之間典型的生產(chǎn)圩，位于阜陽(yáng)市潁州區(qū)東，潁河南岸，占地面積7.73 km2，保護(hù)人口10 848人，保護(hù)耕地面積9 236畝。因人口較多、經(jīng)濟(jì)地位相對(duì)較高，規(guī)劃作為提高類圩口，按照20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)退建、加固堤防。蘆華圩東段(羅王莊～前竹園段，樁號(hào)106+244.1～109+390)河道彎曲系數(shù)高達(dá)2.67，屬于非常彎曲河流，現(xiàn)有圩堤阻水，堤防沖刷嚴(yán)重，堤防高度高低不一，規(guī)劃對(duì)該段進(jìn)行堤防退建加固，以改善河道水流狀態(tài)。目前規(guī)劃退堤方案有3種待選，堤防退距分別是80 m、280 m、480 m，分別命名方案1、方案2、方案3(圖1)。本文通過(guò)MIKE21軟件，建立此段河道及河灘地的二維水動(dòng)力模型，對(duì)現(xiàn)狀及三種規(guī)劃方案的水流流場(chǎng)進(jìn)分析，為方案比選提供依據(jù)。

圖1 蘆華圩現(xiàn)狀堤防及規(guī)劃退堤方案

2 模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

本次分析需建立蘆華圩東段、潁左堤及潁右堤之間的二維模型?？紤]到潁河干流河道區(qū)域內(nèi)地形變化大，河流主槽、河灘地、部分規(guī)劃廢棄的生產(chǎn)圩(武廟圩)之間的水流相互影響，結(jié)合工程情況選用MIKE21三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格構(gòu)建模型。該方法具有復(fù)雜區(qū)域適應(yīng)性較好、局部加密靈活和便于自適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地模擬自然邊界、各種構(gòu)筑物及復(fù)雜的水下地形的優(yōu)點(diǎn)，可以提高模擬精度[1,2]。

MIKE21二維水動(dòng)力模型建立步驟包括：確定研究范圍，添加高程信息，剖分網(wǎng)格，確定參數(shù)，添加生產(chǎn)圩等建筑，確立邊界條件[2-4]。

2.2 計(jì)算范圍確定

如果單獨(dú)建立蘆華圩東段約3 km的潁河河道的二維水動(dòng)力模型，因?yàn)榫嚯x較短，潁河左右堤之間的河灘地較寬，計(jì)算結(jié)果容易出現(xiàn)發(fā)散的情況，故選擇潁河阜陽(yáng)閘下(樁號(hào)124+751.7)～孫莊(樁號(hào)90+172.4)約34.6 km段主槽、河灘地及生產(chǎn)圩建立更長(zhǎng)的模型。分析流場(chǎng)時(shí)，再針對(duì)蘆華圩東段進(jìn)行分析。

2.3 網(wǎng)格剖分

網(wǎng)格剖分基于實(shí)測(cè)的地形數(shù)據(jù)，建立區(qū)域整體地形變化的不規(guī)則三角形網(wǎng)格，采用不同的分辨率和網(wǎng)格尺度。對(duì)河道和生產(chǎn)圩(及灘地)，分別采用邊長(zhǎng)約50 m和100 m的三角形網(wǎng)格劃分，并對(duì)局部復(fù)雜的地形地貌進(jìn)行加密。以期更精確地描述出河道的水流狀態(tài)。

2.3 糙率及邊界條件的選取

糙率采用《淮河中游河道水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用》等文獻(xiàn)[5,6]及已批復(fù)的《沙潁河近期治理工程可行性研究報(bào)告》[7]中的成果。研究對(duì)象位于阜陽(yáng)閘至潁上閘段，主槽、灘地糙率[8-10]分別選取為0.0225、0.0375。

根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料、河道工情、歷史洪水等情況，結(jié)合2020年6月安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司的測(cè)量成果，通過(guò)MIKE11一維河網(wǎng)模型提取結(jié)果為試算標(biāo)準(zhǔn)，得到規(guī)劃20年一遇的水位、流量值。模型上邊界(阜陽(yáng)閘下)采用流量控制，下邊界(90+172.4樁號(hào))采用水位控制，阜陽(yáng)閘下設(shè)計(jì)流量為3 760 m3/s，90+172.4樁號(hào)水位為29.95 m。

3 結(jié)果綜合分析

3.1 局部流速分析

現(xiàn)狀及三種規(guī)劃退堤方案的河道及河灘地在蘆華圩東段的20年一遇洪水流速分布圖如圖2～5所示(其中規(guī)劃武廟圩堤防廢棄，蘆華圩、河北圩圩堤退建且加高；規(guī)劃方案均對(duì)河道進(jìn)行了疏浚)?？偟膩?lái)說(shuō)，堤防的退建改善了潁河主槽的水流狀態(tài)。具體情況如下：

(1)隨著堤防退建堤距的加大，河槽流速總體變小。

(2)方案2相較于方案1，河道主槽流態(tài)改善明顯。方案1的主槽彎曲段曲率最大位置出現(xiàn)了較大流速區(qū)域(1.4 m/s以上)；方案2中該位置相對(duì)上下游流速較為均勻，無(wú)明顯增大的區(qū)域。

(3)方案3和方案2相比，主槽流速得到了一定的減少，但不明顯；方案3在主槽彎曲段曲率最大位置出現(xiàn)了游流速較低的區(qū)域(小于1.1 m/s)；方案3在蘆華圩規(guī)劃堤線與主槽之間的大片灘地，流速較低(普遍小于0.5 m/s)。

圖2 現(xiàn)狀20年一遇洪水河槽灘地流速分布圖

圖3 規(guī)劃方案一20年一遇洪水河槽灘地流速分布圖

圖4 規(guī)劃方案二20年一遇洪水河槽灘地流速分布圖

圖5 規(guī)劃方案三20年一遇洪水河槽灘地流速分布圖

綜上所述，方案2的局部流速較好，主槽流速最為平順，且河灘地流速不會(huì)過(guò)低。

3.2 平均流速分析

對(duì)河灘地及主槽的網(wǎng)格的流速分別進(jìn)行計(jì)算，得到河灘地及主河槽的平均流速如表1所示。總的來(lái)說(shuō)，隨著堤防退距的增大，主槽和河灘地的平均流速整體在變?。环桨?、3和方案1相比，流速減小非常明顯(河灘地分別為0.18、0.21 m/s，主槽分別為0.06、0.07 m/s)；但是方案2和方案3之間的流速差距非常小(河灘地與主槽分別為0.03、0.01 m/s)。

表1 河灘地及主河槽20年一遇洪水平均流速(單位：m/s)

3.3 水位分析

讀取模型中蘆華圩東段上下游水位，結(jié)果如表2所示?？偟膩?lái)說(shuō)，退堤后蘆華圩東段水位有較為明顯的減小，隨著堤防退距的增大，蘆華圩東段水位變低；方案2、3和方案1相比，水位減小非常明顯；但是方案2和方案3之間的水位差距非常小(僅0.01 m)。

表2 20年一遇洪水水位計(jì)算表(單位：m)

3.4 退堤方案選擇

經(jīng)以上分析表明，蘆華圩段在退堤后，不同退距方案均會(huì)對(duì)水流的流場(chǎng)流態(tài)產(chǎn)生不同程度的影響。首先，退堤對(duì)主槽及河灘地流態(tài)、平均流速、水位都有著明顯的改善；隨著退距的增大，平均流速和水位均會(huì)變小，但是規(guī)劃方案2和3差別相對(duì)較小，說(shuō)明在堤防退距達(dá)到280 m之后，再增加堤坊退距，雖然會(huì)極大地增加工程及拆遷成本，但是對(duì)平均流速和水位條件改善不明顯；且主槽及河灘地流態(tài)，方案2相較于方案3為佳。綜上，選擇規(guī)劃方案2作為蘆華圩東段退堤方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用MIKE21建立平面二維水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，來(lái)模擬研究對(duì)象處的二維流場(chǎng)。計(jì)算結(jié)果從局部流速、平均流速、水位方面分析了不同的堤防退建方案對(duì)河道及河灘地水流狀態(tài)的改善情況，為蘆華圩東段堤防退建工程選取最優(yōu)方案提供了依據(jù)。