城市平原感潮河網(wǎng)地區(qū)涉河工程防洪影響計(jì)算方法研究

錢 真，孔令婷，陳長太，賈衛(wèi)紅

(上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院(上海市海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)，上海 200233)

城市平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)活躍，城市內(nèi)河除了具有行洪、除澇、航運(yùn)功能外往往還兼有景觀生態(tài)、旅游休閑等復(fù)合功能，常伴有在河道管理范圍內(nèi)的建設(shè)活動(dòng)，其中非防洪類建設(shè)項(xiàng)目稱為涉河項(xiàng)目，根據(jù)相關(guān)規(guī)定應(yīng)開展防洪評價(jià)。在防洪影響評價(jià)中，水文、水動(dòng)力數(shù)值模型被廣泛應(yīng)用。袁雄燕等[1]采用二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析了長江下游某支流某擬建橋梁和某電廠取水建筑物興建前后對河道水位及河勢的影響情況；曾慧俊[2]利用MIKE21軟件構(gòu)建河段二維水動(dòng)學(xué)模型對長江下游蕪湖段內(nèi)涉河工程開展洪水影響分析；胡向陽等[3]應(yīng)用集總水文模型和長江中游河湖洪水演進(jìn)水動(dòng)力學(xué)模型分析長江中下游沿江泵站排澇對干流防洪的影響；徐衛(wèi)紅等[4]應(yīng)用MIKE軟件構(gòu)建一維水動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合一般沖刷和橋墩局部沖刷公式分析山區(qū)河道內(nèi)阻水橋梁的防洪影響；莊寶慶等[5]構(gòu)建了武澄錫虞區(qū)水文-水動(dòng)力河網(wǎng)模型用于研究望虞河西控工程建設(shè)對區(qū)域的防洪影響。從已有的研究中發(fā)現(xiàn)，河段平面二維水動(dòng)力模型因能較細(xì)致模擬工程附近水域水流變化，被更多地應(yīng)用于邊界處水動(dòng)力條件明確的單體涉河工程中，一維河網(wǎng)水文水動(dòng)力模型在模擬全水系、雨洪全過程、復(fù)雜引排關(guān)系時(shí)更具優(yōu)勢[6- 9]。

在平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，河道水流受上游來水和下游潮位共同作用[10]，洪澇難分，城市化也破壞了原有水文條件的一致性，城市防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)一般通過設(shè)計(jì)暴雨反映；同時(shí)，這些地區(qū)多采用兩級排澇模式[11- 12]，內(nèi)河也多建有泵閘，河網(wǎng)內(nèi)水流分片調(diào)控。因而，對于河網(wǎng)內(nèi)單獨(dú)一條河段建立的水動(dòng)力模型往往難以給定合適的邊界條件，為此，本文構(gòu)建并嵌套使用一維河網(wǎng)水文水動(dòng)力模型和河段平面二維水動(dòng)力模型，以上海市蘇州河上四行倉庫游覽碼頭工程為例，通過一維河網(wǎng)水文水動(dòng)力模型計(jì)算在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)暴雨條件下河段平面二維水動(dòng)力模型的邊界條件和區(qū)間入流，利用河段平面二維水動(dòng)力模型詳細(xì)研究工程前后水位、流量及流速的變化情況，分析工程對蘇州河防洪影響，為工程建設(shè)提供科學(xué)合理的依據(jù)。

1 研究區(qū)域及工程概況

1.1 蘇州河水系

蘇州河亦稱吳淞江，發(fā)源于東太湖的瓜涇口，自青浦區(qū)趙屯入上海市，至外白渡橋入黃浦江，全長約125km，其中上海市境內(nèi)稱蘇州河，長約53km，河面寬50～70m。蘇州河位于平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，水系發(fā)達(dá)，汛期不僅要承擔(dān)太湖流域過境洪水，還要承接沿線兩岸地區(qū)澇水。河口處建有水閘調(diào)控與黃浦江相隔，沿線36條主要支流均已建閘控制，排澇泵站30座，沿線接納28座市政雨水排水泵站。其干流沿線水文測站主要有北新涇、溫州路、夢清園等。

1.2 工程概況

四行倉庫游覽碼頭工程位于上海市靜安區(qū)，北臨光復(fù)路，南至蘇州河，東西方向介于西藏路橋和烏鎮(zhèn)路橋之間。工程設(shè)計(jì)方案為碼頭由2艘鋼質(zhì)躉船構(gòu)成，躉船采用鋼管樁定位，兩側(cè)定位樁直徑600mm，2艘躉船間定位樁直徑為800mm。躉船一側(cè)置1座鋁合金引橋，一端擱置在躉船上，另一端擱置在鋼平臺(tái)上，平臺(tái)基礎(chǔ)采用2根直徑600mm鋼管樁作為基礎(chǔ)，如圖1所示。

2 研究方法

2.1 蘇州河水系一維河網(wǎng)水文水動(dòng)力模型

在平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，城市河網(wǎng)水流計(jì)算采用感潮河網(wǎng)水文水動(dòng)力模型。根據(jù)不同的產(chǎn)流規(guī)律，降雨徑流模擬將區(qū)域下墊面分成水面、水田、旱地、綠地和城鎮(zhèn)道路等有覆蓋的下墊面，按照水文學(xué)的原理和方法分塊計(jì)算區(qū)域的產(chǎn)匯流[5- 6]。河網(wǎng)水動(dòng)力模擬基本方程為Saint-Venant方程組，數(shù)值離散采用成熟的四點(diǎn)線性隱格式，使用矩陣標(biāo)識(shí)法求解河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水位方程組[7]。為了模擬蘇州河河網(wǎng)水系水流特征，研究區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)被概化為2503條河段、2010個(gè)節(jié)點(diǎn)，其邊界條件包括沿長江口、黃浦江潮水位過程、蘇州河上游水位過程以及研究區(qū)域分區(qū)降雨，還考慮了282座水閘以及對應(yīng)的抽水泵站等防洪排澇控制工程和28座蘇州河沿線市政雨水排水泵站，如圖2所示。

按照水文學(xué)的原理和方法分塊計(jì)算區(qū)域的產(chǎn)匯流。

降雨徑流產(chǎn)水：

RZ=AWRW+AFRF+ADRD+AGRG+ARRR

(1)

式中，RZ—分區(qū)總徑流深，m；AW、AF、AD、AG、AR—水面、水田、旱地、綠地和城鎮(zhèn)道路的面積百分?jǐn)?shù)；RW、RF、RD、RG、RR—水面、水田、旱地、綠地和城鎮(zhèn)道路的徑流深，m。

圖1 碼頭工程平面布置示意圖(單位：m)

圖2 蘇州河水系一維河網(wǎng)概化、河段平面二維水動(dòng)力模型網(wǎng)格劃分示意圖

Saint-Venant方程組：

(2)

式中，B—斷面河寬，m；Z—斷面水位，m；Q—斷面流量，m3/s；q—單位河長上的區(qū)間入流，m2/s；—?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù)；A—過水?dāng)嗝婷娣e，m2；g—重力加速度，m/s2；Sf—摩阻比降。

綜合考慮計(jì)算穩(wěn)定性、數(shù)值誤差及計(jì)算效率，時(shí)間步長一般設(shè)定為5～15min，空間步長由計(jì)算斷面分布確定。初始條件：水位3.5m，零流量，即靜水啟動(dòng)，經(jīng)率定一維河網(wǎng)糙率取值為0.02～0.03。采用2017年4月15—24日期間的水文實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，受篇幅限制僅列出溫州路、北新涇站點(diǎn)的水位計(jì)算成果，如圖3所示。結(jié)果表明：計(jì)算的水位與實(shí)測值基本吻合，峰谷值誤差一般不大于0.1m。

圖3 溫州路、北新涇站水位模擬與實(shí)測對比圖

2.2 河段平面二維水動(dòng)力模型

為了詳細(xì)分析工程附近及上下游水域的的水動(dòng)力條件情況，采用MIKE21 FM構(gòu)建工程河段平面二維水動(dòng)力模型，其基本方程包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程如下：

(3)

(4)

(5)

式中，η—水面高程，m；d—水深，m；h—總水深，m；u、v—對應(yīng)于x、y的速度分量，m/s；g—重力加速度，m/s2；ρ0—水體密度，kg/m3；pa—大氣壓強(qiáng)，Pa；S—源匯項(xiàng)的流量；Tij—水平應(yīng)力項(xiàng)，包含粘性摩擦、紊動(dòng)摩擦以及差動(dòng)平流。

二維水動(dòng)力模型的模擬范圍：上游至北新涇，下游至蘇州河河口。為更好擬合河岸、碼頭工程等邊界，采用無結(jié)構(gòu)三角形-四邊形混合網(wǎng)格，并對工程附近局部加密，網(wǎng)格總數(shù)為30572個(gè)，網(wǎng)格最小尺寸1m，最大20m，模型區(qū)域及工程附近網(wǎng)格如圖2所示。

根據(jù)模型網(wǎng)格尺寸及水下實(shí)際地形動(dòng)態(tài)調(diào)整模型計(jì)算時(shí)間步長，使得CFL數(shù)小于0.8，滿足模型穩(wěn)定要求，水平渦粘系數(shù)采用Smagorinsky公式估算，二維模型的初始條件給定與一維河網(wǎng)模型類似，即靜水啟動(dòng)。上下邊界條件、區(qū)間支流匯入(排出)和市政雨水排水泵站的流量過程由蘇州河水系一維河網(wǎng)水文水動(dòng)力模型計(jì)算提供。綜合河底泥沙沖淤和水深分布情況，經(jīng)率定計(jì)算范圍內(nèi)的糙率系數(shù)一般在0.02～0.03。采用2017年04月23—24日期間的水文實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，以河段上溫州路、夢清園為水位代表站，驗(yàn)證結(jié)果表明，計(jì)算的水位與實(shí)測值基本吻合，峰谷值誤差一般不大于0.05m，如圖4所示。

圖4 溫州路、夢清園站水位模擬與實(shí)測對比圖

2.3 工程概化與計(jì)算方案

2.3.1工程概化

工程采用躉船、浮橋、鋼平臺(tái)等結(jié)構(gòu)，通過定位樁固定，結(jié)構(gòu)整體可過水，僅定位樁對水流產(chǎn)生繞流阻力。本文采用樁基位置增加有效拖曳力的方法，并在建模時(shí)對工程所在區(qū)域的網(wǎng)格盡量加密。

樁基有效拖曳力可表示為下式：

(6)

式中，ρ—水密度，kg/m3；γ—流線系數(shù)；C—拖曳系數(shù)；A—樁阻水面積，m2；v—流速值，m/s。

2.3.2計(jì)算方案

本次計(jì)算目的主要分析工程施工后對鄰近水域防洪的影響，因此，根據(jù)《上海市防洪除澇規(guī)劃(2020—2035)》，蘇州河兩岸主城區(qū)等重要地區(qū)采用30年一遇、其它地區(qū)采用20年一遇最大24h面雨量，1963年9月設(shè)計(jì)暴雨雨型及相應(yīng)同步潮型。同時(shí)，相關(guān)除澇泵閘按照《上海市水利控制片水資源調(diào)度方案(2020年修編)》進(jìn)行調(diào)度。在此計(jì)算水文條件下考慮2種工況：一是工程前，即未建碼頭；二是工程后，即已建碼頭。

3 結(jié)果分析

在擬定的計(jì)算條件下進(jìn)行工程前后附近河段上下游斷面流量比較計(jì)算，為分析工程前后附近水域流量變化情況，在該河段布置了3個(gè)流量代表斷面。同時(shí)，為了分析工程對附近水域水位和流速的影響，在工程區(qū)上下游、主要涉水工程附近分別布置了5個(gè)計(jì)算比較點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 流量計(jì)算比較代表斷面、水位與流速計(jì)算比較點(diǎn)位置示意圖

3.1 流量變化

工程前后，各斷面最大流量和最小流量變化情況分別見表1。工程建設(shè)后，在擬定的水文條件下，工程所在河段的流量變化一般不超過0.03%。

表1 工程前后流量變化統(tǒng)計(jì)表 單位：%

3.2 水位變化

經(jīng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，比較點(diǎn)位(SH- 1—SH- 5)工程前后的最高、最低水位增幅均為0.000m，工程最高水位時(shí)局部水位變化分布情況，如圖6所示。工程建設(shè)后，工程附近的最高水位和最低水位變化微小，不足1mm。

圖6 最高水位變化分布圖

3.3 流速變化

統(tǒng)計(jì)計(jì)算比較點(diǎn)工程前后的最大流速變化，見表2，并給出局部流場變化分布情況，如圖7所示。工程建設(shè)后，工程位置附近在擬定的水文條件下，僅在工程位置及下游約30m范圍內(nèi)有小于9cm/s的流速變化，流向變化幅度也在5°以內(nèi)，河段主水道水流流態(tài)基本不受影響。

表2 工程前后最大流速變化統(tǒng)計(jì)表 單位：m/s

4 結(jié)語

針對城市平原感潮河網(wǎng)地區(qū)水流特點(diǎn)，研究提出了一種嵌套使用一維河網(wǎng)水文水動(dòng)力模型和河段平面二維水動(dòng)力模型開展涉河工程防洪影響計(jì)算的方法，通過河網(wǎng)水文水動(dòng)力模型仿真城市河網(wǎng)系統(tǒng)雨洪過程，為二維水動(dòng)力模擬提供邊界條件，并以四行倉庫游覽碼頭工程的防洪計(jì)算為例。應(yīng)用表明：該方法計(jì)算的工程前水位過程與實(shí)測資料吻合良好，能夠反映水流真實(shí)情況；與單一數(shù)值模型的使用相比，該方法能較全面模擬工程河段與區(qū)域河網(wǎng)水系的水量交換和雨洪過程，并兼顧局部水流模擬，在城市平原感潮河網(wǎng)地區(qū)涉河工程防洪影響計(jì)算中更具適用性。