一維水力學(xué)模型在天津市外環(huán)河排水方案設(shè)計中的應(yīng)用研究

李濤濤，郭寶順，王　南

（1.天津市水利勘測設(shè)計院，天津　300204；2.天津市水文水資源勘測管理中心，天津　300061）

一維水力學(xué)模型在天津市外環(huán)河排水方案設(shè)計中的應(yīng)用研究

李濤濤1，郭寶順2，王南1

（1.天津市水利勘測設(shè)計院，天津300204；2.天津市水文水資源勘測管理中心，天津300061）

摘 要：外環(huán)河排水具有多點入流多點出流的特點，傳統(tǒng)的水面線計算方法不能很好地模擬其入流出流過程，本次運用一維水動力學(xué)模型，結(jié)合外環(huán)河沿線排澇、景觀、交通等需求經(jīng)過多方案分析計算后，確定最佳排水分水方案。按照天津市城市總規(guī)劃，外環(huán)河外側(cè)規(guī)劃有500 m綠化帶，外環(huán)河已成為天津市城區(qū)的護城河，對保障城區(qū)排澇、沿線景觀將發(fā)揮重要的作用。

關(guān)鍵詞：外環(huán)河；多點入流多點出流；方案比選；一維水動力學(xué)

1　外環(huán)河基本情況

天津市外環(huán)河始建于1986年，是修建外環(huán)線取土?xí)r形成的一條人工河道，當時以排除沿線綠化帶及道路澇水為主。2002年，為解決外環(huán)河排瀝壓力增加、不能貫通循環(huán)、水污染、環(huán)境臟亂等問題，實施了外環(huán)河綜合整治工程，外環(huán)河成為環(huán)繞天津市中心城區(qū)的護城河，治理后外環(huán)河河道上口寬度基本維持30 m，河道設(shè)計規(guī)模為5 m3/s。之后，又陸續(xù)在外環(huán)河與子牙河交口建設(shè)子牙河右岸泵站、設(shè)計規(guī)模為5 m3/s，在外環(huán)河與海河干流交口處建設(shè)2座泵站、設(shè)計規(guī)模為14 m3/s。

隨著近年來城市建設(shè)的不斷發(fā)展，外環(huán)線以內(nèi)新建雨水系統(tǒng)不斷增加，現(xiàn)狀河道排水能力以及出口閘站遠遠不能滿足沿岸城區(qū)澇水不斷增長的要求。外環(huán)線作為天津市主要交通干線，緊鄰?fù)猸h(huán)河建造，使得外環(huán)河已經(jīng)不具備加高擴挖的條件，現(xiàn)狀外環(huán)河堤頂高程較低，尤其是子牙河—海河干流段規(guī)劃雨水系統(tǒng)密集，來水量最大，堤頂高程最低，排水問題十分突出。本次基于外環(huán)河排水現(xiàn)狀及周邊可利用條件，對外環(huán)河排水壓力最大的子牙河—海河干流段排水方案進行研究。

2　外環(huán)河子牙河一海河干流段設(shè)計澇水安排

外環(huán)河子牙河—海河干流段控制排水范圍包括津河水系中復(fù)興河以南河段由規(guī)劃新建衛(wèi)津河入外環(huán)河泵站控制范圍和該段河道沿線鄱陽路、友誼南路、衛(wèi)南洼、華苑、華天道、東姜井6座直排泵站的控制范圍，以及沿線道路和綠化帶。

圖1　外環(huán)河子牙河一海河干流段規(guī)劃入流示意

根據(jù)最新完成的《天津市排水專項規(guī)劃修編（2013—2020年）》，天津中心城區(qū)（含規(guī)劃北部新區(qū)）范圍內(nèi)澇防治標準采用50年一遇、最大24 h暴雨、1 d排除設(shè)計標準；新外環(huán)以外的環(huán)城四區(qū)等其他范圍采用20年一遇、最大24 h暴雨、1 d排除設(shè)計標準。由以上確定的設(shè)計標準，子牙河—海河干流段外環(huán)河控制排水范圍屬中心城區(qū)，區(qū)域排水采用50年一遇、最大24 h暴雨、1 d排除設(shè)計標準。經(jīng)計算，外環(huán)河子牙河—海河干流段規(guī)劃設(shè)計總?cè)肓髁繛?5.7 m3/s，環(huán)內(nèi)南豐產(chǎn)河及津港運河設(shè)計總?cè)肓髁繛?1.34 m3/s。

表1　外環(huán)河子牙河—海河干流段設(shè)計澇水流量統(tǒng)計

3　排水方案研究

外環(huán)線作為天津市主要交通干線，緊鄰?fù)猸h(huán)河，導(dǎo)致外環(huán)河采取擴挖河道斷面的治理方式已基本不具備條件，本次排水方案按照現(xiàn)狀河道斷面資料、考慮提前降低河道水位、尋找新的分流出口并擴大出口閘站規(guī)模等措施進行研究。

結(jié)合外環(huán)河自身條件，為緩解外環(huán)河子牙河—海河干流段沿線排澇壓力，經(jīng)過充分分析論證，環(huán)內(nèi)南豐產(chǎn)河、津港運河澇水不再進入外環(huán)河，而是經(jīng)南豐產(chǎn)河排入承納能力較足、排水比較順暢的陳臺子排水河，與環(huán)內(nèi)陳臺子排水河控制區(qū)域澇水、西青陳臺子排水河控制區(qū)域澇水一并經(jīng)陳臺子排水河末端泵站共同排入獨流減河。

外環(huán)河子牙河—海河干流段50年一遇設(shè)計流量為75.7 m3/s，考慮汛前提前降低河道水位、自身調(diào)蓄部分澇水，需要出口總規(guī)模為58.5 m3/s?，F(xiàn)狀子牙河右岸、海河干流右岸2座出口泵站設(shè)計規(guī)模為19 m3/s，如果考慮該段外環(huán)河仍經(jīng)兩端出口泵站排入海河干流、僅僅依靠擴大海河干流右岸和子牙河右岸泵站總規(guī)模至需要出口規(guī)模來滿足該段排水需求，河道入流量將超過現(xiàn)有過流能力，加上排水路徑長、兩岸堤頂高度不足卻無加高條件等因素限制，河道設(shè)計水位將高于現(xiàn)狀堤頂。因此，本段外環(huán)河需采取其他河道分流措施增加分泄能力來滿足排水需求。

該段外環(huán)河周邊與之相交、可向外分泄?jié)乘暮拥烙心线\河、陳臺子排水河、自來水河、南豐產(chǎn)河、程村排水河、津港運河、大沽排水河、先鋒排水河。大沽排水河與先鋒排水河自身排水壓力已非常大，且其控制排水范圍及河道治理方案已基本確定，不具備增加外環(huán)河排水任務(wù)條件；自來水河與南豐產(chǎn)河沒有獨立排水出口，自身澇水還需經(jīng)過南運河、陳臺子排水河、西大洼排水河等排放，分泄外環(huán)河澇水的條件較差；程村排水河河道斷面較小，設(shè)計過流量僅10 m3/s，且沿線兩側(cè)已無河道擴挖條件，也不具備分泄外環(huán)河澇水的條件。因此，基本具備向外分泄外環(huán)河澇水的河道僅有南運河、陳臺子排水河和津港運河。

經(jīng)分析，陳臺子排水河河道規(guī)模較大，如果外環(huán)河兩岸堤防滿足要求，可以單獨通過陳臺子排水河接納外環(huán)河澇水外排要求；津港運河已于2012年治理完成，不具備擴挖條件，接納外環(huán)河澇水有限，需要其他河道共同分流。

外環(huán)河本身在津港運河沿線堤頂高程僅為2.50～2.30 m，兩側(cè)規(guī)劃有衛(wèi)南洼、友誼南路、昌凌路、鑫通道等排水小區(qū)，該段較其他段排澇壓力較大，綜合考慮本段外環(huán)河入出流情況、現(xiàn)有工程規(guī)模及其位置、分流河道條件、分流實施難度、外環(huán)河阻水建筑物治理難度及其治理安排等因素，提出以下3個分流治理方案。

方案一:由陳臺子排水河分泄外環(huán)河澇水。外環(huán)河收集的雨水經(jīng)子牙河右岸泵站、海河干流右岸泵站、外環(huán)河入陳臺子排水河泵站分別排入子牙河、海河干流、陳臺子排水河。擬定海河干流右岸泵站擴建至30 m3/s，新建外環(huán)河入陳臺子排水河泵站，設(shè)計規(guī)模為25 m3/s；維持子牙河右岸泵站現(xiàn)狀規(guī)模5 m3/s不變，總外排規(guī)模達到60 m3/s。

方案二:由南運河、津港運河共同分泄外環(huán)河澇水。外環(huán)河收集的雨水經(jīng)子牙河右岸泵站、海河干流右岸泵站、外環(huán)河入南運河泵站、外環(huán)河入津港運河泵站分別排入子牙河、海河干流、南運河、津港運河。擬定海河干流右岸泵站擴建至30 m3/s；分析南運河與津港運河兩岸地形條件，需新建外環(huán)河入南運河泵站，設(shè)計規(guī)模為10 m3/s；新建外環(huán)河入津港運河泵站，設(shè)計規(guī)模為15 m3/s；維持子牙河右岸泵站現(xiàn)狀規(guī)模5 m3/s不變，總外排規(guī)模達到60 m3/s。

方案三:由津港運河、陳臺子排水河共同分泄外環(huán)河澇水。外環(huán)河收集的雨水經(jīng)子牙河右岸泵站、海河干流右岸泵站、外環(huán)河入津港運河泵站、外環(huán)河入陳臺子排水河聯(lián)通閘分別排入子牙河、海河干流、津港運河、陳臺子排水河。擬定海河干流右岸泵站擴建至25 m3/s；分析南運河與津港運河兩岸地形條件，需新建外環(huán)河入津港運河泵站，設(shè)計規(guī)模為20 m3/s；新建外環(huán)河入陳臺子排水河聯(lián)通閘，設(shè)計分水規(guī)模為10 m3/s；維持子牙河右岸泵站現(xiàn)狀規(guī)模5 m3/s不變，總外排規(guī)模達到60 m3/s。

4　排水方案論證

4.1一維水動力模型構(gòu)建

4.1.1基本方程

采用一維非恒定流基本方程——圣維南方程組，連續(xù)方程為:

動量方程為:

式中:X為距離（m）；t為時間（s）；A為過水面積（m2）；Q為斷面流量（m3/s）；Z為水位（m）；α為動量修正系數(shù)；K為流量模數(shù)；ql為旁側(cè)入流（m2/s），入流為正，出流為負；νx為入流沿水流方向的速度（m/s），若旁側(cè)入流垂直于主流，則νx=0；g為重力加速度（m2/s）。

在水流運動模擬計算中，采用流量Q和水位Z作為變量比較方便，采用Preissman加權(quán)四點隱式差分格式進行數(shù)值離散，采用追趕法進行求解。

4.1.2邊界條件設(shè)定

在進行水力學(xué)計算時，上游邊界一般采用流量過程或水位過程，下游邊界條件一般采用水位流量關(guān)系。明渠水力學(xué)計算中采用的外部邊界條件可以3種形式給出:水位邊界條件，即在邊界明渠上給定水位隨時間的變化過程:Z=Z（t）；流量邊界條件，即在邊界明渠上給定流量隨時間的變化過程: Q=Q（t）；水位流量關(guān)系:Q=Q（Z）。

根據(jù)這3種類型的明渠邊界條件，對任一河段采用雙消元法形成首、末斷面與首末斷面水位的線性函數(shù)式，進而計算追趕系數(shù)，形成節(jié)點水位的方程組，采用迭代算法可得各計算時段沿程各計算斷面的水位和流量。

4.1.3模型構(gòu)建

（1）河道糙率。根據(jù)《水力計算手冊》中渠道糙率的規(guī)定，外環(huán)河設(shè)計斷面兩岸均為漿砌石護岸，糙率選用0.025。

（2）輸入斷面。外環(huán)河子牙河—海河干流段全部采用2013年天津市水利勘測設(shè)計院實測斷面基礎(chǔ)上所設(shè)計的斷面，斷面間距約0.5 km。

（3）上邊界條件。上邊界采用流量邊界，本次澇水計算將沿線泵站50年一遇規(guī)劃入流量概化為各個集中點入流。

（4）下邊界條件。下邊界條件采用各出口泵站和閘站的設(shè)計資料及設(shè)計水位流量過程。

4.2方案計算

本次設(shè)計對外環(huán)河子牙河—海河干流段排澇情況進行模擬計算，整個排水區(qū)同時入流24 h。

下邊界條件按各方案計算工況擬定。為充分利用河道的調(diào)蓄功能，綜合考慮河底高程、河道景觀要求、河道調(diào)蓄能力大小等因素，擬定初始河道騰空至0.5m。

外環(huán)河是連接市區(qū)與區(qū)縣的樞紐，外環(huán)線沿線橋涵有100多處，因大部分都按原規(guī)模設(shè)計，現(xiàn)狀過水能力僅為5 m3/s，本次計算方案按照具備開卡條件的全部實施開卡，因重要交通干線、重點工程項目的原因無法實施開卡的計算其阻水影響后計入模型中，各方案計算結(jié)果見表2。

表2　各方案水位計算結(jié)果m

4.3方案分析

對上述3個方案進行分析，方案一中陳臺子排水河位于南運河與津港運河之間，自身具有較好的排水條件，經(jīng)計算后津港運河處友誼南路—衛(wèi)津河段漫堤，不滿足分水要求；方案二采取南運河與津港運河分水方案后，津港運河泵站規(guī)模減少，導(dǎo)致四化河—先鋒河段沿線均漫堤，南運河兩岸水位降低較多，而南運河在不分水的情況下兩岸堤防已滿足條件，不滿足分水要求；方案三在津港運河加大規(guī)模、陳臺子排水河分水的情況下，沿線均滿足排水要求。

綜合分析各方案優(yōu)勢、劣勢，考慮排水調(diào)度運用方便，方案三分水效果好，不需加高外環(huán)河堤防，實施難度較小，且節(jié)省工程投資，推薦方案三為本段外環(huán)河治理方案，即由陳臺子排水河、津港運河共同分泄外環(huán)河澇水的方案:外環(huán)河、環(huán)內(nèi)津港運河和南豐產(chǎn)河收集的雨水除部分經(jīng)現(xiàn)有子牙河右岸、擴建后的海河干流右岸泵站分泄入海河干流外，其余澇水經(jīng)陳臺子排水河、津港運河下泄入獨流減河。

5　結(jié)語

（1）運用一維水動力學(xué)模型，結(jié)合天津市外環(huán)河排澇、景觀、交通等實際需求，確定外環(huán)河子牙河—海河干流段的分水方案，對保障城區(qū)排澇、沿線景觀將發(fā)揮重要的作用。

（2）現(xiàn)狀由于部分地區(qū)市政管網(wǎng)和泵站建設(shè)還不完善，很多澇水不能及時進入外環(huán)河，未來市政管網(wǎng)配套完善后改分水方案將有效提高外環(huán)河沿岸排澇能力。

（3）分水方案的有效運用需要各閘站之間合理調(diào)度，未來應(yīng)該開展外環(huán)河子牙河—海河干流段沿線出口閘站聯(lián)合調(diào)度研究，使各閘站經(jīng)濟、高效運行。

中圖分類號：TV212.5+4

文獻標識碼：A

文章編號：1004-7328（2016）02-0060-04

DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2016.02.020

收稿日期：2015—12—20

作者簡介：李濤濤（1985—），女，工程師，主要從事水利規(guī)劃、水利工程設(shè)計工作。