分汊河道不同治理方案的數(shù)值模擬

邵錦焯，翟麗嫦，劉曉鵬，李 偲

(廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510640)

1 概述

分汊河道水流狀態(tài)復(fù)雜，分流比的研究對(duì)工程實(shí)踐意義重大。目前，二維水動(dòng)力的應(yīng)用較為廣泛，在模擬河道水動(dòng)力、建設(shè)項(xiàng)目涉河影響、橋梁阻水、河道內(nèi)構(gòu)筑物對(duì)水流變化的影響、工程方案優(yōu)選等方面有較多的研究案例[1-7]。在分汊河道水流分析計(jì)算中，翟鐸[8]等利用二維水動(dòng)力模型對(duì)馬汊河分洪道擴(kuò)挖工程前、后的水流流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，認(rèn)為擴(kuò)挖工程實(shí)施后，河道水位較工程前有所降低，可有效提高河道行洪能力。本研究通過(guò)MIKE 21FM建立增江分汊河道的二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，對(duì)河道流場(chǎng)、水位、流量等進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析河道水動(dòng)力，揭示河道分流規(guī)律，擬定不同的治理方案，為工程實(shí)踐提供參考。

2 數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介

MIKE 21FM[9]基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，滿足于Boussinesq和靜水壓力假定，是丹麥DHI公司的一個(gè)專(zhuān)業(yè)的二維水動(dòng)力計(jì)算軟件包，可用于模擬河流、湖泊的水流、流速、流量等變量，為工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、案例應(yīng)用提供完備、有效的工作環(huán)境[10-12]。

3 增江及分洪道二維水動(dòng)力模型

3.1 工程區(qū)域基本情況

3.1.1流域概況

研究區(qū)域位于增江流域下游。增江為珠江水系東江北干流支流，發(fā)源于新豐縣七星嶺，流經(jīng)廣州市從化區(qū)東北部后轉(zhuǎn)入龍門(mén)縣西北部，再折向南流，于增城境內(nèi)正果接納永漢河后，經(jīng)正果、荔城、石灘三地，于觀?？趨R入東江北干流。增江多年平均徑流量為35.9億m3，干流河長(zhǎng)為203 km，集雨面積為3 160 km2，其中廣州市增城區(qū)境內(nèi)長(zhǎng)為66 km，平均坡降為0.17‰，集雨面積為970 km2。

3.1.2水文氣象

本區(qū)域位于珠江三角洲地區(qū)，屬亞熱帶氣候，受東南亞季風(fēng)影響較大。由于流域內(nèi)地形多山，南部臨近海洋，氣流的抬升常帶來(lái)長(zhǎng)歷時(shí)降雨，區(qū)域多年平均降雨量為1 830 mm。據(jù)新家埔雨量站實(shí)測(cè)，最大24 h降雨量為476 mm(1981年6月)。

3.1.3區(qū)域現(xiàn)狀問(wèn)題

近年來(lái)，增城區(qū)降雨范圍、量級(jí)存在不確定性[13]，2020年的“5.22”和“6.8”兩場(chǎng)長(zhǎng)歷時(shí)強(qiáng)降雨引發(fā)的洪水，具有強(qiáng)度大、影響廣的特點(diǎn)，增江下游石灘鎮(zhèn)區(qū)堤岸出現(xiàn)漫堤，較低地段的積水水深為1.0 m，造成較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響。增江分洪道進(jìn)口位于增江初溪水利樞紐下游約6.0 km處，分洪道進(jìn)口至出口段的增江主河道長(zhǎng)6.3 km、分洪道河道長(zhǎng)7.7 km。研究范圍的上游甩洲、下游新家埔平均河寬約400 m，而主河道最窄處僅有99 m，同時(shí)，河道內(nèi)現(xiàn)狀存在公路橋、鐵路橋、生產(chǎn)便橋等涉水建筑物，河道行洪壓力大。目前，分洪道經(jīng)多年運(yùn)行，河灘地高程較高，河道內(nèi)兼顧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)田、魚(yú)塘、果林灘地等影響分洪效果，導(dǎo)致分汊河道分洪比例不協(xié)調(diào)。增江及分洪道位置示意見(jiàn)圖1，分洪道內(nèi)現(xiàn)狀灘涂見(jiàn)圖2，分洪道內(nèi)現(xiàn)狀果林見(jiàn)圖3。

圖1 增江及分洪道位置示意

圖2 分洪道內(nèi)灘涂示意

圖3 分洪道內(nèi)果林示意

從水系演變分析，增江分汊河道自20世紀(jì)70年代前已成形，近年河道走勢(shì)穩(wěn)定，目前保留較為穩(wěn)定的河道形態(tài)[14]。根據(jù)《增江中下游干流設(shè)計(jì)洪潮水面線復(fù)核》[15]，2008年6月27日，增江出現(xiàn)一次10 a一遇洪水過(guò)程，廣東省水文局廣州分局進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，左汊(分洪道)過(guò)流為440 m3/s，右汊(增江主河道)過(guò)流為2 220 m3/s，分流比為16.5%。

3.2 數(shù)值模擬

本研究的數(shù)值模擬范圍為增江及分洪道，上游為甩洲，下游為新家埔，其中增江主河道模擬河段長(zhǎng)8.49 km，分洪道模擬河段長(zhǎng)7.70 km，模擬水域面積為4.7 km2，并考慮花莞高速橋、增江大橋、廣深鐵路橋、犁耙渡便橋等建筑物對(duì)河道水動(dòng)力變化的影響。

采用MIKE 21FM二維三角形網(wǎng)格建模方式，以現(xiàn)狀堤防臨水線確定計(jì)算范圍，對(duì)河道水下測(cè)量數(shù)據(jù)(2019年)進(jìn)行矢量化，對(duì)堤圍內(nèi)地面以及跨河橋梁橋墩區(qū)域采用較為成熟的不成生網(wǎng)格、不過(guò)水方式進(jìn)行模擬，根據(jù)河段、橋墩分布情況合理設(shè)置網(wǎng)格大小，河道變化較大區(qū)域及橋墩處加密網(wǎng)格，生成網(wǎng)格總數(shù)148 975個(gè)，平均網(wǎng)格大小約為30 m2，最小網(wǎng)格大小為0.1 m2，制作網(wǎng)格文件用于模型計(jì)算。模擬范圍見(jiàn)圖4，其中，河道分汊處局部示意見(jiàn)圖5，公路橋、鐵路橋橋墩模擬見(jiàn)圖6。

圖4 模型范圍示意

圖6 公路橋、鐵路橋橋墩模擬示意

3.3 模型率定

模型率定采用2020年“6.8”洪水進(jìn)行。查閱甩洲、石灘圍、新家埔水位站當(dāng)次洪水前、后3 d的實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)，新家埔最高水位為3.06 m，石灘圍為5.65 m，甩洲為6.27 m。通過(guò)甩洲站實(shí)測(cè)水位及增江河道實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算得到相應(yīng)洪峰流量為3 700 m3/s。水位站3 d洪水水位過(guò)程線見(jiàn)圖7。

圖7 水位站3 d洪水水位過(guò)程線示意

增江及分洪道高水位時(shí)，周邊農(nóng)田主要通過(guò)排澇泵站排水，排澇流量相比于增江、分洪道洪水流量較小，因此本次分析計(jì)算中忽略沿程排澇泵站入流影響。下游采用新家埔的水位邊界，上游采用甩洲水位站處的流量作為流量邊界，結(jié)合河道走向布置水位、流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，計(jì)算相應(yīng)的結(jié)果。模擬水位、流速監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖8，模擬流量監(jiān)測(cè)斷面見(jiàn)圖9。

圖8 模擬水位、流速監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意

圖9 模擬流量監(jiān)測(cè)斷面示意

通過(guò)模型軟件分別計(jì)算，結(jié)果如下。模擬洪水水位分布率定情況見(jiàn)圖10，模擬洪水流速分布率定情況見(jiàn)圖11。針對(duì)公路橋、鐵路橋局部處進(jìn)行模擬，公路橋、鐵路橋流速分布、流向分布見(jiàn)圖12、圖13。洪水模擬計(jì)算成果對(duì)比見(jiàn)表1。

圖10 模擬洪水水位分布率定示意

圖11 模擬洪水流速分布率定示意

圖12 公路橋、鐵路橋流速分布模擬示意

圖13 公路橋、鐵路橋流向分布模擬示意

表1 洪水模擬計(jì)算成果對(duì)比 m

由上述計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，模擬的水位與實(shí)測(cè)值相近；河道整體的水位、流速分布符合規(guī)律；公路橋、鐵路橋周邊局部的水流出現(xiàn)重分布現(xiàn)象，水流縮窄產(chǎn)生的流速、流向局部變化符合水動(dòng)力規(guī)律。

3.4 水位分析

本次模擬增江出現(xiàn)5 a一遇洪水，遭遇東江北干流同頻洪水情景，即下游邊界水位為2.67 m，上游邊界流量為2 380 m3/s，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖14、表2。

圖14 5 a一遇洪水水位計(jì)算結(jié)果示意

表2 5 a一遇洪水模型計(jì)算水面線

增江分汊河道段原規(guī)劃5 a一遇設(shè)計(jì)水位為4.65～4.89 m，本次模擬計(jì)算河道水位為4.71～5.04 m，比原設(shè)計(jì)水位提高0.06～0.15 m，分析原因，判斷為河道演變、分洪道多年運(yùn)行過(guò)流減小、橋梁建設(shè)變化、計(jì)算方式不同等引起的。

3.5 分流比分析

根據(jù)河道特征，在增江上游、主河道、分洪道、增江下游分別設(shè)置模擬監(jiān)測(cè)斷面，計(jì)算相應(yīng)位置的分流比。通過(guò)計(jì)算，“2020.6.8”洪水工況下，現(xiàn)狀分洪道分流比為15%，分流比相對(duì)較小，在汛期河道行洪時(shí)，分洪道對(duì)河道分洪的效果有限，主河道行洪壓力較大，因此有必要通過(guò)工程措施，合理確定河道分流比例，整體提高河道行洪能力?！?.8”洪水模型計(jì)算河道分流流量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 “6.8”洪水模型計(jì)算河道分流流量

為降低主河道行洪壓力，鑒于增江主河道、分洪道堤防已建設(shè)完善，阻水的跨河建筑物重建對(duì)交通影響較大，因此河道拓寬、交通橋梁改造措施不現(xiàn)實(shí)，本研究考慮對(duì)分洪道進(jìn)行清淤疏浚，擬定以下兩個(gè)方案。

方案一：分洪道進(jìn)口道路標(biāo)高降低2.0 m，底高程從3.0 m降低至1.0 m；分洪道進(jìn)口至鐵路橋共1.3 km河道主河槽整體清疏2.0 m，上下游河底高程進(jìn)行銜接，清疏土方量約9.5萬(wàn)m3。

方案二：在方案一的基礎(chǔ)上分洪道進(jìn)一步清疏1.5 m，分洪道進(jìn)口前灘地清疏2.0 m，進(jìn)口至鐵路橋以下1.0 km共2.3 km河道主河槽清疏2.0 m，清疏土方量20萬(wàn)m3。

通過(guò)不同方案進(jìn)行優(yōu)化分流，方案一計(jì)算至上游甩洲斷面水位為6.10 m，比現(xiàn)狀降低0.10 m，分汊河段主河槽水位降低0.01～0.10 m，分洪道分流比例從現(xiàn)狀的15%提高至19%；方案二計(jì)算至上游甩洲斷面水位為5.85 m，比現(xiàn)狀降低0.35 m，分汊河段主河槽水位降低0.01～0.35 m，分洪道分流比例從現(xiàn)狀的15%提高至28%。結(jié)果表明，通過(guò)合理的清疏措施，可充分利用分洪道行洪，優(yōu)化水流分配，有效降低河道行洪水位。兩種方案下“6.8”洪水模型計(jì)算河道分流流量計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 兩種方案下“6.8”洪水模型計(jì)算河道分流流量 m3/s

4 結(jié)語(yǔ)

以增江分汊河道為例，采用MIKE 21FM水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型軟件，建立河道二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，考慮橋墩對(duì)過(guò)流的影響，計(jì)算相關(guān)工況河道水動(dòng)力，研究?jī)?yōu)化分洪道分流方案。研究結(jié)果表明，二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型能很好的解決河道分流計(jì)算，通過(guò)對(duì)比不同的工程方案可知，河道清疏能有效改善河道總體行洪能力，優(yōu)化水流分配，降低河道行洪水位，研究結(jié)果對(duì)增江防洪具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義，也可為其他河道的治理工程提供參考。