一維水動力模型在航道工程洪水影響評價中的應(yīng)用研究
——以大藤峽來桂2 000 t級航道工程為例

謝天云，韋露斯，李 藝，周舜軒，林芯伊

(1.珠江水文水資源勘測中心，廣東 廣州 510630；2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 桂平 537200)

洪水影響評價制度作為水行政主管部門為保障防洪安全而設(shè)置的一項水行政審批制度，對于洪水管理、避免或降低建設(shè)項目對防洪的影響和洪水對建設(shè)項目的影響，起著非常重要的作用[1-2]。航道整治建設(shè)工程具有建設(shè)范圍大、工程類型多、影響范圍長、影響所涉及對象類型復(fù)雜等特點(diǎn)，因此做好洪水影響評價工作對于水行政主管部門審查(審批)管理，對所產(chǎn)生的不利影響及時予以消除補(bǔ)救有重要意義。采用一維水動力模型進(jìn)行洪水風(fēng)險、蓄水調(diào)度、水質(zhì)影響等方面的分析，在工程規(guī)劃、設(shè)計及研究領(lǐng)域得到了廣闊的應(yīng)用[3-5]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)研究，一維水動力模型在洪水影響評價的應(yīng)用主要在于對橋梁、穿河管線、碼頭等點(diǎn)狀、線狀工程的評估上運(yùn)用較多[6-8]，評估所采用的表征因素主要為河道水位值。航道工程這類類型較為復(fù)雜、建設(shè)長度較長、所涉及影響對象較多樣的鮮有文獻(xiàn)研究參照。在洪水影響評價工作中，率定驗(yàn)證、計算工況的合理選取為工作難點(diǎn)及重點(diǎn)，也是評價分析的基礎(chǔ)。

本文基于一維水動力模擬分析方法，同時結(jié)合水文站水文監(jiān)測、歷史洪水監(jiān)測資料，按照大藤峽樞紐分布，分段構(gòu)建來賓—桂平2 000 t級航道工程(以下簡稱“來桂航道”)壩上、壩下水動力模型并進(jìn)行合理率定驗(yàn)證。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合防洪標(biāo)準(zhǔn)、通航標(biāo)準(zhǔn)及評價對象的日常不利運(yùn)行工況，以洪水期、徑流期分別進(jìn)行評估。計算結(jié)果可為航道整治建設(shè)對河道行洪、水文測站觀測、橋梁運(yùn)行、取水口等方面的影響提供定量數(shù)據(jù)支撐，從而為洪水影響評價提供評價支撐，為水行政部門審批及管理提供依據(jù)。本文提出的論證分析方法可為類似工程項目的評價分析提供一定參考。

1 項目概況

大藤峽樞紐位于珠江流域西江干流的黔江，下距廣西桂平市區(qū)約6 km，是紅水河水電基地規(guī)劃梯級電站的最末一級[9]，是一座以防洪、航運(yùn)為主，發(fā)電與水資源配置并重，兼顧灌溉的綜合利用工程，目前正在建設(shè)中，于2022年9月28日順利通過水利部主持的二期蓄水(61 m高程)驗(yàn)收，標(biāo)志著工程將可蓄水至61 m正常蓄水位[10]。

“來桂航道”作為珠江水運(yùn)發(fā)展規(guī)劃的重要工程，對于珠江-西江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展、廣西內(nèi)河航道建設(shè)以及沿線資源開發(fā)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。工程起點(diǎn)位于紅水河段，來賓港興賓港區(qū)賓港作業(yè)區(qū)，終點(diǎn)位于桂平兩江匯流口段。航道長度為193.876 km，按照內(nèi)河2 000 t級雙線航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，通航保證率為98%。其中紅水河來賓賓港作業(yè)區(qū)至黔江大藤峽樞紐上游段182.713 km 航道的設(shè)計航道尺度為3.5 m×80 m×550 m(2 000 t級)；黔江大藤峽樞紐下游至桂平兩江匯流口11.163 km 航道的設(shè)計航道尺度為4.1 m×80 m×550 m(3 000 t級)[11-12]，主要建設(shè)內(nèi)容包括陸上炸石、炸礁工程、疏浚工程、護(hù)岸工程、航標(biāo)及配套工程等多種類型。隨著大藤峽樞紐的建設(shè)及蓄水，來賓至桂平的通航情況將會得到大幅改善，為來桂Ⅱ級航道的建設(shè)提供了有利外部條件。

工程起點(diǎn)所在紅水河，于石龍三江口匯入柳江后稱為黔江。黔江流經(jīng)武宣至桂平，至桂平兩江匯合口匯入郁江后稱為潯江。其中來賓港興賓港區(qū)賓港作業(yè)區(qū)至石龍三江口河段(紅水河段)全長72.255 km；石龍三江口至桂平兩江匯流口河段(黔江段)全長121.621 km，工程涉來賓、貴港兩市。工程評價范圍向工程整治范圍上下游延伸20 km，控制線水文測站主要有遷江站、武宣(二)站、大湟江口(二)站等多處。與大藤峽樞紐設(shè)計、來桂航道設(shè)計報告一致，評價選用遷江作為紅水河，武宣(二)站作為黔江、大湟江口(二)站作為黔江下游潯江的水文控制站點(diǎn)。工程所在位置河流水系分布、水利樞紐位置、水文控制站點(diǎn)示意見圖1。

圖1 工程所在位置水系、水文站點(diǎn)分布示意

2 模型構(gòu)建

2.1 一維水動力模型基本控制方程與解法

2.1.1控制方程

一維河網(wǎng)水流數(shù)學(xué)模型采用圣維南方程組[13]，方程如下：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中Q——斷面流量，m3/s；Z——斷面平均水位，m；B——水面寬度，m；A——過水面積，m2；x——距離，m；t——時間，s；q——旁側(cè)入流，負(fù)值表示流出，m3/(s·m)；β——動量校正系數(shù)，無單位；g——重力加速度，9.81 m/s2；Sf——摩阻坡降，采用曼寧公式計算，Sf=g/C2，無單位；C——謝才系數(shù)，m1/2/s；ul——單位流程上的側(cè)向流出流速在主流方向的分量，m/s。

2.1.2數(shù)值計算方法

方程組采用四點(diǎn)加權(quán)Pressimann固定網(wǎng)格隱式差分格式進(jìn)行離散，采用一維河網(wǎng)三級聯(lián)解算法進(jìn)行求解。

2.2 模型計算范圍及斷面布設(shè)

2.2.1計算范圍

本次模型計算范圍基于河段控制性建筑物位置及模型特點(diǎn)，以大藤峽水利樞紐為界分為兩段，包含整個來桂航道范圍193.876 km并向上下游進(jìn)行一定擴(kuò)展，至上下游控制性水文站，模型研究范圍總長240.73 km。其中，大藤峽樞紐上，以大藤峽樞紐壩址處為下邊界，上邊界為遷江水文站，計算河段長約207.11 km，相較整治起點(diǎn)向上游延伸24.40 km；大藤峽樞紐下，以大湟江水文站為下邊界，上邊界為大藤峽樞紐溢洪道以下1.6 km，計算河段長約33.62 km，相較航道整治終點(diǎn)向下游延伸25.32 km。

2.2.2斷面布設(shè)

河段橫斷面基于最新實(shí)測地形圖剖分，斷面變化不大的地方布置較稀疏，斷面變化較大(比如河段的彎曲段、炸礁段等)的地方及擬研究的工程段布置較密。

其中大藤峽樞紐上段共布設(shè)212個斷面，模擬河道長度約207.11 km，斷面距離約100～2 200 m不等。大藤峽樞紐下段共布設(shè)64個斷面，模擬河道長度約33.62 km，斷面距離約50～1 000 m不等。航道整治建設(shè)后斷面基于現(xiàn)狀及航道設(shè)計方案確定。

2.3 模型率定驗(yàn)證

2.3.1歷史洪水調(diào)查

根據(jù)歷史洪水調(diào)查成果，大藤峽樞紐以上有1949、1976、1983、1994、1996、1998、2005年等多條歷史洪水監(jiān)測水面線[14]，同時，2022年組織對當(dāng)年西江2號洪水武宣至壩址段約60 km河段進(jìn)行了實(shí)測。歷史洪水洪峰流量監(jiān)測情況見表1。

表1 大藤峽庫區(qū)各河段歷史洪水洪峰流量監(jiān)測情況 單位：m3 /s

其中，1994年為歷次調(diào)查最高峰值，黔江段洪峰超20年一遇，紅水河洪峰近10年一遇。2022年2號洪水期間武宣站監(jiān)測洪峰為25 700 m3/s，近2年一遇。

2.3.2模型率定

本次大藤峽樞紐上河段以1994年洪水(歷史洪水歷次調(diào)查最大值，黔江段超20年一遇，紅水河段近10年一遇)、1998年洪水實(shí)測值(歷史洪水歷次調(diào)查最小值，黔江段近10年一遇，紅水河段近2年一遇)進(jìn)行模型率定。大藤峽樞紐下河段研究范圍內(nèi)實(shí)測水位、流量資料較缺乏，本模型以《來賓至桂平2 000噸級航道工程初步設(shè)計報告(報批稿)》中大藤峽樞紐下河段P=10%設(shè)計水面線進(jìn)行模型率定。

模型率定上邊界采用流量入流條件，同時考慮沿程支流匯水作為旁側(cè)入流加入模型，下邊界采用實(shí)測水位或控制性水文站所確定的水位邊界條件，模型所選用水位流量等控制性邊界條件見表2、3。率定水面線與實(shí)測、設(shè)計水面線對比見圖2、3。

表2 壩上段率定所取用控制性邊界條件

表3 壩下段率定所取用控制性邊界條件

a)“94洪水”實(shí)測水面線率定成果對比

圖3 大藤峽壩下段水面線率定成果對比

根據(jù)模型率定，本次計算水位與實(shí)測(設(shè)計)水位值差距基本在±0.2 m以內(nèi)，大藤峽樞紐上河段糙率n在0.03～0.13 s/m1/3，其中大部分在0.04～0.07 s/m1/3；大藤峽樞紐下河段糙率n在0.03～0.06 s/m1/3，其中大部分在0.035～0.050 s/m1/3，符合一般天然河道糙率值合理范圍；個別斷面糙率值偏大，經(jīng)調(diào)查踏勘及河道地形測量分析，現(xiàn)狀工程河段河道內(nèi)蔓生雜草、河道床面深槽淺灘交替、江心洲發(fā)育、突石險灘眾多，這些因素影響下均會造成局部糙率增加，根據(jù)中國、蘇聯(lián)、美國相關(guān)糙率研究，天然河道糙率較大值可達(dá)0.18～0.24 s/m1/3[15]，因此，本工程率定糙率仍在合理區(qū)間內(nèi)。

《大藤峽水利樞紐水庫回水計算糙率率定》中多場洪水率定紅水河天然河道糙率n在0.017～0.090 s/m1/3，《來賓至桂平2000噸級航道工程通航水位計算與分析》[16]率定94洪水水面線糙率n在0.01～0.14 s/m1/3，大藤峽樞紐下河段糙率n取用0.030～0.075 s/m1/3，與本次所率定糙率較為接近。因此，本次分析的河段糙率是基本合理的。

2.3.3模型驗(yàn)證

基于率定模型，以2022年2號洪水水位實(shí)測值作為模型驗(yàn)證，其驗(yàn)證成果見表4。

表4 2022年2號洪水計算成果與實(shí)測成果誤差 單位：m

由驗(yàn)證成果來看，所建一維模型計算水位成果與實(shí)測值差值在±0.2 m以內(nèi)，驗(yàn)證成果合理，因此模型較為可靠，可供進(jìn)行設(shè)計典型頻率的水面線計算。

3 設(shè)計典型工況選擇

本次基于率定驗(yàn)證后的一維水動力模型，根據(jù)評估對象及其運(yùn)行的不利工況，選用多種典型頻率設(shè)計洪水、多種典型工況徑流流量的運(yùn)行遭遇工況，計算航道建設(shè)前后水面線變化，以期全面評估工程建設(shè)影響。工程包含丫羅坪、牛眼泡、吊狗笪、馬灘、銅鼓灘等多個炸礁疏浚段，選取工程整治前后斷面示意見圖4。

a)丫羅坪炸礁疏浚段典型斷面(壩上段)

3.1 洪水工況(多種典型頻率設(shè)計洪水遭遇相應(yīng)洪水位)

水面線洪水頻率主要根據(jù)設(shè)計最高通航水位標(biāo)準(zhǔn)和堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)確定。工程航道最高通航水位的洪水重現(xiàn)期采用10年一遇洪水；工程河段現(xiàn)有堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為20～50年一遇，規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)防護(hù)對象劃分為10、20、50年一遇3種標(biāo)準(zhǔn)，因此采用P=10%、P=5%、P=2%三種典型洪水頻率對應(yīng)的工況進(jìn)行評價分析。壩上各工況水位流量邊界條件見表5。

表5 壩上各計算方案及計算水位流量邊界情況

航道工程整治起點(diǎn)位于紅水河段，距上邊界遷江水文站24.40 km，柳江于整治起點(diǎn)以下71.27 km石龍三江口匯入后為黔江，柳江匯入流量取黔江段及紅水河流量差值，作為點(diǎn)源入流加入。壩下各工況水位流量邊界條件見表6。

表6 壩下各計算方案及計算水位流量邊界情況

航道工程整治終點(diǎn)位于潯江段，郁江匯入后以下0.67 km，距下游大湟江水文站25.32 km，郁江匯入流量取潯江段及大藤峽下泄流量差值，作為點(diǎn)源入流加入。

3.2 徑流工況(多種典型徑流流量遭遇相應(yīng)運(yùn)行水位)

本工程大藤峽樞紐以上有35個取水口，以下有2個取水口，樞紐以上受樞紐運(yùn)行調(diào)度蓄水及炸礁疏浚等工程綜合影響，以下則主要受炸礁疏浚等工程影響。為評估對取水口的影響，需結(jié)合大藤峽樞紐運(yùn)行調(diào)度規(guī)則，合理選取徑流流量較小、河道水位較低的不利工況組合，對比工程前后的水位變化。

壩上計算工況基于大藤峽水利樞紐調(diào)度方式，選取非汛期(4 月)、非汛期(10月至次年3月)、汛期(5、9月)和汛期(6—8月)等4個大時段中的14組特征水位-流量組合工況，并最終選取4組能代表下包線變化作為對取水口影響分析的依據(jù)。選定4組工況水位流量邊界條件見表7。

表7 大藤峽壩址上游最低運(yùn)行水面線計算典型工況

壩下計算工況選取為大藤峽樞紐最小下泄流量700 m3/s(P=98%)，遭遇桂平至梧州 II 級航道工程后的桂平三江口處設(shè)計最低通航水位 20.16 m。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 計算結(jié)果

根據(jù)計算成果分析，洪水各工況下受影響河段范圍基本一致，壩上自二塘渡口位置(武宣大橋上游約11 km)至整治起點(diǎn)以上7 km九槽洲附近，總長約115 km。壩下自整治終點(diǎn)潯江匯入處至上游大藤峽壩下溢洪道出口處，總長7.22 km。各工況影響基本情況見表8、9。

表8 大藤峽壩上各洪水工況影響基本情況(工程前-工程后) 單位：cm

表9 大藤峽壩下各洪水工況影響基本情況(工程前-工程后) 單位：cm

徑流工況下壩上黔江段位于庫區(qū)，受蓄水影響最低運(yùn)行水位不受影響，上游紅水河段受到一定影響，水位平均下降0.25 m，最大下降0.84 m。壩下段由于工程實(shí)施會造成壩下段最低水位的一定下降，水位平均下降0.32 m，最大下降1.47 m。

4.2 對行洪影響分析

工程實(shí)施后，由于炸礁疏浚使河道行洪斷面增大，過流能力增強(qiáng)，根據(jù)一維洪水水面線計算成果，水面線呈現(xiàn)小幅度的下降，并且總體呈現(xiàn)出近疏浚炸礁段下降幅度較大，隨距離增大而水位下降幅度變小的變化趨勢，連續(xù)炸礁段水位變幅具有累積效應(yīng)呈現(xiàn)水位下降幅度不斷增大，符合正常規(guī)律，部分陸上炸礁，或炸礁量炸礁范圍較小的河段對水位基本不造成影響，不存在壅水段。以壩上段20年一遇工況為例，洪水期水位整治前后水位變幅(整治后-整治前)影響見圖5。

圖5 壩上段20年一遇工況下水位變幅(整治后-整治前)影響示意

根據(jù)圖5所示，壩上段水位影響自壩上里程102.92 km思流灘大角炸礁段起，水位開始有一定下降，而后在丫羅坪、牛眼泡、吊狗笪、磨東流角、崩步角、高書洲等(壩上里程170～182 km)受連續(xù)且較大規(guī)模的炸礁疏浚工程影響，其水位變幅總體呈較大幅度下降趨勢，在工程整治起點(diǎn)處(壩上里程182.71 km)達(dá)到最大，工程整治起點(diǎn)以上仍受一定影響，但影響逐漸減小直至尖滅為0，其他工況下其趨勢基本一致。

4.3 其他影響

工程建設(shè)會對水文站、橋梁、取水口、周邊排澇灌溉等水利設(shè)施運(yùn)行、第三方利益人產(chǎn)生不同程度的影響，一維水動力模型的表征指標(biāo)主要為水位及流速等。

以對水文站影響分析為例，工程程實(shí)施后，在P=2%、5%、10%洪水工況下，武宣水文站、大藤峽水文站(壩上)附近水位變化為0；來賓水文站附近水位分別降低了0.13、0.16、0.17 m，大藤峽水文站(壩下)附近水位分別降低了0.02、0.02、0.05 m，桂平水文站附近水位分別降低了0.07、0.02、0.03 m。因此，工程實(shí)施導(dǎo)致的水位變化不會對武宣水文站、大藤峽水文站(壩上)運(yùn)行造成不利影響，但已超過來賓水文站、大藤峽水文站(壩下)和桂平水文站水位觀測設(shè)施的觀測精度。根據(jù)《水文監(jiān)測環(huán)境和設(shè)施保護(hù)辦法》：建設(shè)單位應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)補(bǔ)充監(jiān)測措施，在征得對該水文測站有管理權(quán)限的水行政主管部門同意后方可建設(shè)。

對橋梁、取水口、灌溉方面的影響，類似水文站影響的分析方法，同時結(jié)合各自運(yùn)行特點(diǎn)及需求，得到航道整治造成運(yùn)行水位的小幅下降，但不會對其產(chǎn)生不利影響，對行洪排澇因洪水水位下降還會有一定有利。此外，宜結(jié)合二維水沙水動力模型、經(jīng)驗(yàn)公式[17-18]等技術(shù)手段進(jìn)行局部河勢影響、沖淤影響等方面的細(xì)化分析，增加評價分析的可靠性及全面性，本文限于篇幅及論述主題，不再贅述。

5 結(jié)語

基于一維水動力模型計算分析，聚焦河道運(yùn)行水位變化，對來桂航道及其上下游影響范圍共207.11 km河道進(jìn)行了系統(tǒng)性評估。通過分析結(jié)論，航道建設(shè)后水面線呈現(xiàn)了不同程度的下降，因此就運(yùn)行水位角度對兩岸防洪排澇、橋梁安全等角度無不利影響；對水文站觀測精度造成了一定不利影響，對取水口因大藤峽蓄水抬高水位影響不大。

此外宜充分結(jié)合二維水動力模型、堤防岸坡有限元分析、經(jīng)驗(yàn)公式、遙感影像等定量定性方法，系統(tǒng)準(zhǔn)確評估航道建設(shè)對流速流態(tài)、河勢沖淤、岸坡穩(wěn)定等多方面的影響，進(jìn)而為水行政審批及管理提供技術(shù)支撐和決策依據(jù)。