橋梁建設對蓄滯洪區(qū)洪水演進影響的模擬與分析
——以濛洼蓄洪區(qū)特大橋工程為例

劉麗紅, 蔣 鵬, 溫永帥

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院, 安徽 淮南 232001)

自然災害威脅著人類的生存，同時加劇環(huán)境條件的惡化[1]。洪水災害作為全球面臨的十大自然災害之一，每年造成的直接經(jīng)濟損失約占全球自然災害總損失的20%[2]，其中我國約有75%的國土面積存在洪水的隱患。隨著強降雨天氣引發(fā)的一系列洪澇災害以及因洪澇災害引起的次生地質(zhì)災害，給國家和人民造成了不可估量的人身及財產(chǎn)損失[3]，2019年全國15省(自治區(qū)、直轄市)發(fā)生了108起造成人員死亡的山洪災害事件，導致347人死亡[4]。

根據(jù)已有的數(shù)據(jù)資料快速推演、預估洪水災害帶來的影響，獲取洪災發(fā)生后洪水淹沒范圍以及洪水對蓄洪區(qū)流域橋梁、堤岸等建筑的影響資料，對防洪減災具有重要意義。目前，對洪水演進進行模擬的方法主要有物理模型方法、水文模型法和水力學遞推法。物理模型法主要通過簡化地形、概化建筑物以及流態(tài)監(jiān)測等研究洪水演進過程，董柏良等[5]建立了具有典型街區(qū)構(gòu)造的洪水演進物理模型，定量分析了建筑物密度、綠化帶設置等對洪水演進過程帶來的影響，但是物理模型法有靈活性不高，受制于場地、經(jīng)費等因素以及耗時長等缺點。在水文模型法中馬斯京根法[6]的應用最為廣泛，馬斯京根法雖然能夠模擬洪水在河流中的運動，并且易于穩(wěn)定，步驟簡單，但難以對地形相對復雜的河道進行分析。水力學遞推法的核心是求解圣維南方程組，水力學模型目前主要可以分為3類，即一維水動力模型、二維水動力模型和三維水動力模型。一維水動力數(shù)值模型適用于對河段較長、河網(wǎng)簡單的河流，蘇飛等[7]通過建立一維河網(wǎng)水動力模型在洪水水流模型的基礎上進行了枯水期水流運動模擬，模型能模擬出不同時期的水流運動，但對于面上水力要素計算精度有所缺乏。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，三維水動力數(shù)值模擬逐步應用，李大鳴等[8]應用垂向坐標變換，結(jié)合水平有限元、垂向有限差分的分層方法建立了河道三維水流泥沙數(shù)學模型，對過流斷面變化劇烈的河段提出了錯層計算的方法。三維水動力模型相對于一維水動力模型和二維水動力模型有更高的精度，能反映垂向上水力要素的變化，但建模資料需求更為嚴格、全面且所耗時長會更高。水力遞推法中平面二維水流數(shù)學模型以垂線平均的水流因素作為研究對象，能夠很好地模擬計算平面流場及細部的變化情況，既能反映出水力因素在面上的分布及變化，又相對三維模型更為簡便，目前應用廣泛。其中，MIKE 21模型是水力遞推法平面二維水動力學數(shù)值模擬軟件，具有強大的前、后處理功能。在前處理方面，能根據(jù)地形資料進行網(wǎng)格的劃分;在后處理方面具有強大的分析功能。例如流場動態(tài)演示，計算特征點水位，實測與計算過程的驗證，不同方案的比較等[9]。同時在蓄洪區(qū)水力遞推法二維水動力模擬研究較少，本文以安徽省阜陽市阜南縣濛洼蓄洪區(qū)的真實地形資料及淮河特大橋設計資料構(gòu)建了基于MIKE 21非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的洪水演進影響模型，結(jié)合Global Mapper中地形分析模塊生成糙率，并通過歷史洪水過程對干濕水深等參數(shù)進行率定驗證，采用納什效率系數(shù)對模型進行控制，考慮橋梁建設后橋墩的阻水，并結(jié)合地形數(shù)據(jù)和數(shù)值計算結(jié)果對洪水演進過程中分洪歷時、流速分布、水位變化等特征進行分析，旨在為濛洼蓄洪區(qū)防洪避災、河道安全行洪及水量分配等提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

濛洼蓄洪區(qū)是淮河流域于1953年設立的第一座行蓄洪區(qū)，位于安徽省西北部阜南縣境內(nèi)，處東經(jīng)115°16′30″—115°57′18″，北緯32°24′19″—32°54′40″之間亞熱帶與暖溫帶的過渡帶，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，年平均氣溫15 ℃左右，年均降水量900 mm左右。濛洼蓄洪區(qū)處于淮河干流洪河口以下至南照集之間，南臨淮河，北臨濛河分洪道，汛期四面環(huán)水[10]。濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)地面高程一般為26.0～21.0 m，地勢由西南向東北傾斜[11]?；春犹厥獾牡乩項l件，使得王家壩閘位于三河交界的扼襟控咽之處，而有了千里淮河“第一閘”的稱號。王家壩閘也被譽為淮河防汛的“晴雨表”，是淮河災情的“風向標”，同時習近平總書記也指出要把防汛抗洪工作作為重大任務，把確保人民群眾生命安全放在首位。自1953年開始，僅有13個年份16次開閘蓄洪，最近一次開蓄洪時間是2020年7月。現(xiàn)狀蓄洪區(qū)，設計蓄洪水位27.7 m，設計進洪流量1 626 m3/s，設計蓄洪庫容7.50×108m3[12]。

擬建王家壩特大橋(圖1)作為規(guī)劃S238南延段的一段，是阜南縣南北向中軸線的重要組成部分，也是阜陽市與河南固始縣、淮濱縣省際干線公路通道跨越淮河的控制性工程，擬建王家壩淮河特大橋全長12 680.5 m，設計主要控制點由北向南分別為濛左堤、濛河、濛洼蓄洪區(qū)北圈堤、王家壩保莊圩、濛洼蓄洪區(qū)南圈堤、淮河主河道，跨越淮河后進入河南境內(nèi)。橋梁工程跨越淮河干流、濛洼蓄洪區(qū)和濛河分洪道及相應堤防，大橋橋墩和基礎位于河灘地及堤腳附近，工程建設勢必會對河勢穩(wěn)定、河道行洪、通航以及河道治理規(guī)劃等產(chǎn)生一定的影響。

2 濛洼蓄洪區(qū)模型構(gòu)建

2.1 模型介紹

MIKE 21模型是研究地表水運動的二維數(shù)值模擬軟件，運用在眾多水動力模擬科研和工程實踐中，模擬效果較好，對預測評價工作具有較大的指導性意義[13]。

MIKE 21水動力學基本方程如下[14]

平面二維水流的連續(xù)方程為：

(1)

平面二維水流動量方程：

(2)

式中：Pa為當?shù)卮髿鈮簭姟?/p>

(3)

圖1 王家壩特大橋濛洼蓄洪區(qū)區(qū)域、橋梁位置、進出口閘門示意圖

2.2 模擬范圍

模型計算范圍為濛洼蓄洪區(qū)，蓄洪區(qū)以淮河左堤和濛河分洪道右堤，以及王家壩進洪閘和曹臺孜退水閘構(gòu)成蓄洪圈堤，總面積約為180.4 km2。自1953年濛洼蓄洪區(qū)建成運用至今，區(qū)內(nèi)平面形態(tài)基本無變化，但王家壩河段中低水大斷面處卻有變化，主要體現(xiàn)在橫向變形伴隨著深泓下切，斷面趨于窄深，高水兩汊沖淤相加，大斷面總體呈微沖趨勢，進出水兩閘門附近地形變化較大，故地形采用實測濛洼蓄洪區(qū)資料，計算區(qū)域、橋梁位置、進出口閘門如圖1所示，原始地形資料處理后得到的模擬范圍地形如圖2所示。

2.3 網(wǎng)格剖分

濛洼蓄洪區(qū)并非類長直河道，形狀極不規(guī)則，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行計算，模型對莊臺及王家壩特大橋橋墩等部位網(wǎng)格進行局部加密(圖3a)，同時扣除王家壩等保莊圩的保護范圍。共劃分40 000個網(wǎng)格，布置110 278個節(jié)點，計算單元201 342個，為了反映橋墩處水力要素情況，扣除橋墩主體并加密橋墩節(jié)點個數(shù)。其中橋墩在長直橋梁段采用并排式(圖3b)設計，在彎道處橋墩交錯(圖3c)減小水阻，橋墩局部網(wǎng)格如圖3所示。

圖2 濛洼蓄洪區(qū)洪水演進范圍地形圖

圖3 濛洼蓄洪區(qū)橋墩局部網(wǎng)格加密計算模型示意圖

2.4 參數(shù)設置

根據(jù)模型網(wǎng)格大小、水深條件動態(tài)調(diào)整模型計算時間步長，使CFL(Courant-Friedrich Levy)數(shù)小于0.8，達到滿足模型穩(wěn)定的要求，模型計算時間步數(shù)10 000，時間步長60 s[15]。結(jié)合Global mapper軟件生成糙率替代傳統(tǒng)手動劃分糙率，陸地邊界選擇垂向零流速邊界(滑動邊界)，上游進口邊界采用王家壩閘流量過程，下游出口邊界采用曹臺孜閘流量過程。

3 洪水演進模型驗證

本文采用納什效率系數(shù)進行驗證模型數(shù)據(jù)與最新實測數(shù)據(jù)的吻合度，且進洪過程與退洪過程銜接模擬避免分布模擬時水體分布變化的影響。選取距今最近一次蓄退洪過程即2020年7月20日08：00至8月28日08：00作為模型驗證時段，模擬濛洼蓄洪區(qū)2020年一號洪水的進洪過程，上游邊界條件采用2020年王家壩閘實測流量過程，下游邊界曹臺孜閘實測流量過程，2020年一號洪水開閘進洪流量1 310 m3/s，峰值流量達1 850 m3/s，歷時約76.5 h，蓄洪總量3.75×108m3，進、出口閘實測流量過程如圖4所示。

王家壩開閘進洪后，洪水到達曹臺孜閘附近，大約需要2 d時間。通過曹集水位站對濛洼蓄洪區(qū)進洪前、洪水演進24 h時刻以及洪水演進48 h時刻水位驗證，計算水位與實測水位吻合，模型納什效率系數(shù)為0.93(圖5)。模型的模擬過程與實測成果吻合很好，建立的模型參數(shù)選擇合理，能夠較好地模擬濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)的洪水實時演進過程，可用于橋梁建設前后影響對比分析。

4 橋梁建設前后洪水演進特征分析

橋梁工程建設對蓄洪區(qū)洪水演進的影響主要體現(xiàn)在橋墩阻水延緩蓄洪區(qū)洪水進洪時間；橋梁前后水位變化使得流速分布變化；阻水建筑物直接導致橋前水位抬升。

4.1 蓄洪區(qū)進洪時間特征分析

為分析方便，本次主要對濛洼蓄洪區(qū)進洪過程進行模擬分析，初始條件為濛洼蓄洪區(qū)上邊界王家壩閘開閘進洪，設計洪量為1 626 m3/s。選取工程位置附近特征點(t1，t2，t3)及濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)各特征點(t4，t5，t6)，分析工程前后不同特征點處水位達到設計蓄洪水位所需的時間(圖6)。橋梁工程修建后，橋位附近特征點(t1，t2，t3)位置處較其他位置特征點分洪歷史變化大，橋位附近t2特征點分洪歷時比工程修建前滯后45 s(表1)。

圖4 王家壩、曹臺孜閘實測流量過程線

圖5 濛洼蓄洪區(qū)2020年洪水演進過程模擬結(jié)果

表1 工程前后洪水到濛洼蓄洪區(qū)各特征點時間

4.2 蓄洪區(qū)流速分布特征分析

工程建設后區(qū)內(nèi)進洪洪水演進計算結(jié)果表明，自王家壩閘開閘進洪開始，洪水到達曹臺孜附近，大致需要2 d時間。洪水演進過程中，橋址斷面的流速整體較小，約0.2～0.4 m/s；橋區(qū)范圍的主流區(qū)寬度約200 m，對應線路樁號K36+000—K36+200范圍，主流區(qū)流速值為0.4～0.6 m/s(圖7)。

濛洼蓄洪區(qū)橋梁建成后，洪水的行洪受到橋墩影響，水流場在橋墩附近發(fā)生繞流，變化范圍主要為橋墩局部，水流場整體流速較小，附近其他網(wǎng)格處的流速和流向并未發(fā)生變化。洪水演進96 h時，部分橋墩墩周流場分布局部放大情況如圖8所示。

圖6 濛洼蓄洪區(qū)洪水演進歷時特征點分布

圖7 濛洼蓄洪區(qū)洪水演進橋區(qū)附近流速分布(48 h)

圖8 蓄洪區(qū)洪水演進96 h墩周流場分布(局部)

濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)流速會隨著橋梁建設產(chǎn)生相應變化，蓄洪區(qū)分蓄洪階段，區(qū)內(nèi)流速整體受建橋影響較小，但對局部流速影響較大，流速峰值最大增幅為0.044 m/s，流速變化率最大7.409%。且工程前后各特征點的流速峰值差距很小，濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)工程前后特征點相應的流速峰值統(tǒng)計情況詳見表2。

4.3 蓄洪區(qū)水位變化特征分析

由于橋墩的阻壅作用，蓄洪區(qū)進退洪過程中，位于橋墩區(qū)域水流會有抬高或降低，導致蓄洪區(qū)內(nèi)水位變化。

表2 濛洼蓄洪區(qū)各特征點流速峰值及出現(xiàn)時間比較

為了反映工程后蓄洪區(qū)內(nèi)蓄水位的變化情況，選取具有代表性的特征點的水位過程進行分析。通過特征點處工程前后濛洼蓄洪區(qū)進洪過程的水位差值分析(分別選取蓄洪區(qū)洪水演進48 h，72 h及96 h時間點的工程前后水位差值)，結(jié)果表明，不同洪水演進時間點，橋墩附近點位受到橋墩影響有所變化，進洪期間橋墩附近最大抬高值為0.006 m，水位最大變化率為-0.22‰。表3反映了不同時刻蓄洪區(qū)內(nèi)各點位處水位對比情況。

5 結(jié) 論

(1) 本文對濛洼蓄洪區(qū)建立了二維水動力模型，將蓄洪退洪過程作為整體統(tǒng)一進行數(shù)值模擬，驗證結(jié)果顯示模擬水位與歷史水位納什效率系數(shù)為0.93，模型設計合理，計算結(jié)果可靠，可用于橋梁建設工程水流數(shù)值模擬。

(2) 蓄洪區(qū)進退洪時，大橋附近主流區(qū)域分布在線路樁號K36+000—K36+200段，主流區(qū)流速值為0.4～0.6 m/s，其余部分流速較小。水流場在橋墩附近出現(xiàn)了明顯的繞流，對橋墩附近流速場有影響；工程建成前后，通過特征點流速峰值對比分析，流速變化率最大為7.409%；進洪期間橋墩附近最大抬高值為0.006 m，水位變化率最大為-0.22‰；工程建成前后，洪水到達蓄洪區(qū)內(nèi)各特征點的最大時間差為45 s。

表3 各時刻蓄洪區(qū)內(nèi)各點位處水位對比情況

(3) 本文以濛洼蓄洪區(qū)特大橋工程為例，模擬分析橋梁建設對蓄滯洪區(qū)洪水演進影響，模型能夠較好地模擬蓄洪區(qū)內(nèi)水力要素變化情況，且對于開展抗洪防澇工作及蓄洪區(qū)內(nèi)工程建設具有較強的指導意義。然而MIKE 21二維水動力數(shù)值模擬對地形數(shù)據(jù)依賴性極強，以垂線平均值處理在深度方向的水力要素，也忽略了對流項的影響，在今后的研究中需要進一步的完善。