基于MIKE11 的截流河沿河休閑帶景觀阻水分析

羅來輝

（深圳市原水有限公司,廣東 深圳 518003）

城區(qū)內(nèi)河流河道整治是在保障城市防洪、排澇、生態(tài)環(huán)境和水環(huán)境等安全的前提下,對提升市區(qū)總體形象、改善人們居住環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面同樣具有重要作用。河道當(dāng)以防洪排澇優(yōu)先,對設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水進(jìn)行科學(xué)計算,是保障城市防洪安全和工程運(yùn)行期安全的重要前提[1]?？绾訕蛄航ㄔO(shè)一般需在河道行洪斷面內(nèi)設(shè)置多排橋墩,占用河道行洪空間,產(chǎn)生壅水影響。沿河景觀通常采用在河道內(nèi)建設(shè)駁岸,種植挺水植物,營造景觀效果,占用河道行洪空間,降低河道防洪標(biāo)準(zhǔn)。本文以大空港片區(qū)截流河沿河景觀帶工程建設(shè)為例,通過MIKE11 水動力模型模擬分析研究河道內(nèi)景觀及建筑物阻水影響。

1 工程概況

本工程截流河位于深圳市茅洲河河口,穿越德豐圍涌、石圍涌、下涌等河涌,城區(qū)河道長度約8.5 km,河道寬度80 m～100 m,集雨面積33.56 km2。根據(jù)排澇需要,在沙福河和下涌間布置南北兩條連通渠,其中南連通渠長度2.4 km,北連通渠長度2.1 km。

根據(jù)工程所在區(qū)域防洪排澇需求,在現(xiàn)有工程的基礎(chǔ)上,提出了南北分區(qū)防治的原則。在北片區(qū)設(shè)置3 座水閘攔蓄外水,在河道北片區(qū)采用中節(jié)制閘和并在北出口和北連通渠出口新建節(jié)制閘的方式進(jìn)行防治。與現(xiàn)狀護(hù)岸形成封閉防洪（潮）體系,并對德豐圍涌和二涌等5 條支流通過排澇泵站集中排出[2]。南片區(qū)在各河涌出口新建節(jié)制閘進(jìn)行排洪防潮,與截流河、連通渠堤防護(hù)岸形成南片區(qū)封閉防洪（潮）體系,沙福河到玻璃圍涌排澇以自排為主。根據(jù)擋潮及景觀蓄水要求,在截流河南出口及南連通渠出口布置節(jié)制閘。節(jié)制閘運(yùn)行方式為平時關(guān)閉北節(jié)制擋潮和攔蓄河水,控制內(nèi)河水位。需要排洪且外潮低于排澇控制水位時開閘泄洪,外潮高于排澇控制水位時,通過節(jié)制閘和排澇泵站進(jìn)行排澇。

截流河位于未來將成為大空港片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分,承擔(dān)了截洪和防澇功能。為保證城區(qū)的防洪（潮）排澇安全,減少城市建設(shè)對河道水環(huán)境水生態(tài)的影響,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。截流河兩岸沿河景觀帶工程設(shè)計最大限度地在流域內(nèi)進(jìn)行生態(tài)板塊的整合,通過各種園路的串聯(lián),使截流河成為大空港片區(qū)南北向生態(tài)通廊,為滿足截流河兩岸商業(yè)地塊的人行交通需求,在南連通渠以南,鳳塘大道橋以北設(shè)計景觀人行橋（北橋）；鳳塘大道橋以南,景芳路橋以北設(shè)計景觀人行橋（南橋）。

2 模型構(gòu)建

2.1 計算方法

壅水分析計算采用DHI Mike 水動力模型進(jìn)行模擬分析。一維水動力模塊（MIKE 11）基于典型河道水流方程（圣維南方程組）的六點(diǎn)中心差分Abbot 解法,一般采用次集水區(qū)設(shè)計的流量過程和下游設(shè)計潮位作為模型的輸入邊界條件,計算得出沿河道方向的水位和流量。控制方程為一維不恒定流的基本方程：

MIKE 11 一維水動力模型在一維網(wǎng)格上水位計算點(diǎn)（h-point）的基礎(chǔ)上,根據(jù)計算要求生成。流量計算點(diǎn)（Q-point）布置于在上下游兩個水位點(diǎn)之間。求解方法是按照逐個時間步長交替計算網(wǎng)格中的流量和水位點(diǎn)。模型的數(shù)值解法應(yīng)用的是中心6 點(diǎn)Abbott 隱式有限差分格式,該離散格式順序交替計算不同時段每一個網(wǎng)格點(diǎn)的水位和流量,分別稱為h 點(diǎn)和Q 點(diǎn)交叉網(wǎng)格點(diǎn)（交替水位點(diǎn)和流量點(diǎn)）。其中對有斷面數(shù)據(jù)的點(diǎn)設(shè)置為水位點(diǎn)。單一河道Abbott 格式水位點(diǎn)、流量點(diǎn)交替布置圖見圖1（a）,河網(wǎng)汊點(diǎn)變量布置圖見圖1（b）,水流流量邊界變量布置見圖1（c）,Abbott 有限差分格式見圖1（d）。離散后的線性方程組用追趕法求解。

圖1 MIKE 11 模型原理圖解

2.2 計算工況

（1）基于規(guī)劃模型：根據(jù)規(guī)劃文件,采用截流河南、北分排格局,在已建截流河北端出口排澇泵站基礎(chǔ)上,于截流河南出口、北連通渠出口分別設(shè)置排澇泵站抽排,結(jié)合截流河本身的調(diào)蓄空間,共同提升區(qū)域內(nèi)澇防治能力。北片區(qū)在北連通渠河口新建北連通渠泵站1 座,排澇流量90 m3/s,北片區(qū)泵站排澇規(guī)模增至207 m3/s。南片區(qū)在截流河南出口新建排澇泵站1 座,排澇流量180 m3/s～200 m3/s。

發(fā)生大潮時, 河口擋潮閘將關(guān)閉, 采用泵站抽排截流河封閉區(qū)域洪水, 水面線計算采用在開啟河口泵站工況下,100 年一遇設(shè)計洪水進(jìn)行計算。

（2）基于初設(shè)模型：采用北片區(qū)集中治澇方案,在截流河北段和二涌與沙福河河口間設(shè)置節(jié)制閘,在截流河北出口設(shè)置集中抽排泵站,使高低水位分離,排澇流量117 m3/s,北片區(qū)雨水在封閉區(qū)集中抽排。南片區(qū)來水通過截流河南段及南連通渠自排出。

發(fā)生大潮時,將河口擋潮閘關(guān)閉,北片區(qū)采用泵站抽排截流河封閉區(qū)域洪水。因此,本次北片區(qū)水面線計算采用50 年一遇設(shè)計洪水在開啟河口泵站工況下的計算成果,南片區(qū)（截流河中節(jié)制閘至截流河南出口）為自排區(qū),按河道的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,其防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇。

由于原新建駁岸占河道行洪斷面面積較大,結(jié)合現(xiàn)場河道情況,取消地塊駁岸建設(shè)。在以上兩種模型中進(jìn)一步模擬已建涉河駁岸水面線。

（3）基于規(guī)劃模型與已建涉河工程：發(fā)生大潮時,河口擋潮閘將關(guān)閉,仍采用泵站抽排截流河封閉區(qū)域洪水。結(jié)合已建工程平面分布情況來看,已建工程主要集中在截流河南段（截流河中節(jié)制閘至截流河南出口）,本次水面線計算采用100 年一遇設(shè)計洪水在開啟河口泵站工況下的計算成果。

（4）基于初設(shè)模型與已建涉河工程：發(fā)生大潮時,河口擋潮閘將關(guān)閉,北片區(qū)采用泵站抽排截流河封閉區(qū)域洪水。結(jié)合已建工程平面分布情況來看,已建工程主要集中在截流河南段（截流河中節(jié)制閘至截流河南出口）,截留河南段為自排區(qū),本次水面線計算圍繞截流河南段展開,按河道的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,其防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇。

2.3 水面線成果

通過模型計算,此次沿河休閑帶景觀及2 座人行天橋建設(shè)前后的水面線在基于規(guī)劃模型中,截流河北段設(shè)計水位升高0.01 m～0.06 m,截流河南段設(shè)計水位最大升高0.1 m；在基于初設(shè)模型中,截流河北段設(shè)計水位升高0.01 m～0.05 m,截流河南段設(shè)計水位升高0.01 m～0.09 m,最大升高0.09 m。

結(jié)合已建涉河工程,在基于規(guī)劃模型與已建涉河工程模型中,截流河南段設(shè)計水位最大升高0.06 m；在基于初設(shè)模型與已建涉河工程模型中,截流河南段設(shè)計水位升高0.01 m～0.07 m,最大升高0.07 m（見表1）。

表1 截流河南段水面線計算成果（基于規(guī)劃模型與已建涉河工程）

北人行天橋基于規(guī)劃模型情況下水面壅高了0.04 m；基于初設(shè)模型情況下水面壅高了0.05 m。南人行天橋基于規(guī)劃模型情況下水面壅高了0.03 m；基于初設(shè)模型情況下水面壅高了0.06 m（見表2）。

表2 截流河南段水面線計算成果（基于初設(shè)模型與已建涉河工程）

3 分析

基于規(guī)劃模型與已建涉河工程：新建駁岸所造成的壅水高度為0.01 m～0.06 m。從表可知,駁岸建成后,最高水位2.0 m,壅高后水位低于現(xiàn)狀直立墻頂2.5 m 高程,所以無需補(bǔ)償河道行洪面積。駁岸建成后,可控制水面線低于截流河堤頂高程,不降低河道防洪標(biāo)準(zhǔn),不影響河道行洪安全[3]。

基于初設(shè)模型與已建涉河工程：新建駁岸所造成的壅水高度為0.03 m～0.07 m。從表可知,駁岸建成后,最高水位3.49 m。雖然新建駁岸造成壅水,可消化于河道行洪斷面內(nèi),控制水面線低于截流河堤頂高程。故本工程建成后,不影響河道行洪能力。

河道中水流呈自然流態(tài)方式,橋梁等建筑物的修建,無疑將對河道水流產(chǎn)生一定影響,根據(jù)防洪設(shè)計的要求,需計算橋墩建成后產(chǎn)生的壅水高度,以推算工程阻水引起水位壅高變化,研究是否采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。

本工程范圍內(nèi)新建人行天橋2 座,占用河道行洪斷面。北人行天橋,有兩排橋墩落在河道內(nèi)；南人行天橋,有兩排橋墩落在河道內(nèi)。

受北人行天橋橋柱的影響,基于規(guī)劃模型情況下水面壅高了0.04 m,橋梁阻水比為2.14%；基于初設(shè)模型情況下水面壅高了0.05 m,橋梁阻水比為1.98%,兩種工況情況下阻水比均小于5%。由于水面壅高很小,橋梁建成后,不降低河道防洪標(biāo)準(zhǔn),不影響河道行洪安全。

受南人行天橋橋柱的影響,基于規(guī)劃模型情況下水面壅高了0.03 m,橋梁阻水比為2.18%；基于初設(shè)模型情況下水面壅高了0.06 m,橋梁阻水比為2.04%,兩種工況情況下阻水比均小于5%。由于水面壅高很小,橋梁建成后,不降低河道防洪標(biāo)準(zhǔn),不影響河道行洪安全。

由于河道綜合整治工程已完成,受河道邊界條件限制,河道內(nèi)擋墻建成無法進(jìn)一步拓寬行洪斷面,如果采用拆除直立墻拓寬河道的措施補(bǔ)償行洪面積,達(dá)到避免水位壅高的目的,需要增加投資較多和延長施工工期。基于實際情況,本次工程壅高水面線基于規(guī)劃模型低于河道擋墻2.5 m 高程,基于初設(shè)模型低于河道堤岸4.84 m 高程,采取少量壅高水位的方式,補(bǔ)償行洪面積是合適的。且壅水高度較小,對河道防洪影響較小,水面線逐漸趨于平緩,建設(shè)前后水面線基本保持不變,不存在影響河道行洪安全的問題。

4 結(jié)語

本文以大空港截流河為例,通過一維水動力模型,模擬涉河景觀及建筑物對水面線的影響,分析了新建駁岸和跨河橋橋墩阻水比、壅水高度。河道建設(shè)項目進(jìn)行防洪評價首先考慮減小工程方案對河道行洪、堤防穩(wěn)定等方面的不利影響。在保障防洪安全的前提下,還需結(jié)合工程項目的實際情況,全面、綜合地考慮工程方案合理性,同時積極尋求有效的防治和補(bǔ)救措施,使工程項目的建設(shè)最大可能地滿足技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會效益等方面的要求。