基于水動力數(shù)學(xué)模型評估孝義市護城河行洪排澇能力

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

城市人口眾多、經(jīng)濟發(fā)達、設(shè)施密集，一旦遭受洪澇災(zāi)害，損失重、影響大。如何加強城市防洪除險工程建設(shè)，全面提升城市防洪除險能力，最大限度減輕和避免內(nèi)澇對城市的影響，是水利現(xiàn)代化建設(shè)的任務(wù)。對城市減災(zāi)防災(zāi)和經(jīng)濟社會發(fā)展具有重大的實際意義。

孝義市古城區(qū)，防洪排澇體系單一，城區(qū)雨水主要由護城河排除。護城河與古城一樣歷史悠久，屬于季節(jié)性河流，平時無降雨時，屬于干河。雨季擔負著古城的防洪排澇任務(wù)。由于城市化快速發(fā)展，人口大量增加，地面硬化面積不斷加大，再加上護城河年久失修，河道淤塞，排水不暢，每年汛期均有不同程度的洪澇災(zāi)害發(fā)生，如：河水倒灌、道路積水、部分區(qū)域被淹等，給人民群眾生命財產(chǎn)安全和國民生產(chǎn)造成了很大的危害。如：孝義市2016年7月19日暴雨24h，降雨量約為57.6mm，由于排水不暢，造成雨水倒灌，城區(qū)被淹，最大積水深度為70cm，給民眾造成許多不可挽回的經(jīng)濟損失。

本研究基于對孝義市自然地理、水文氣象、城市建設(shè)與規(guī)劃、區(qū)域水系特性、城市排水設(shè)施、區(qū)域防洪排澇設(shè)施的調(diào)研分析基礎(chǔ)上，建立一維河道水動力學(xué)模型，運用水動力學(xué)數(shù)值模擬的技術(shù)手段，對孝義市現(xiàn)狀及規(guī)劃方案下的防洪排澇能力進行評估，為優(yōu)化城市防洪排澇工程格局，建立完善的城市防洪排澇體系提供技術(shù)支撐。

1 模型構(gòu)建

1.1 一維水動力模型建立

河道洪水采用一維水力學(xué)洪水演進模型進行模擬。河道一維非恒定流的模擬基于圣維南方程[1-2]，是建立在質(zhì)量和動量守恒基礎(chǔ)上的，以水位和流量為研究對象。其表達式為：

(1)

動量方程：

(2)

式中A——河道過水面積，m2；

Q——流量，m3/s；

u——側(cè)向來流在河道方向的流速，m/s；

t——時間，s；

x——沿水流方向的水平坐標，m；

q——河道的側(cè)向來流量，m2/s；

α——動量修正系數(shù)；

g——重力加速度，m/s2；

y——水位，m；

Sf——摩阻坡降。

采用曼寧公式表示如下：

(3)

水量平衡關(guān)系公式如下：

(4)

式中L(m)——連接到節(jié)點m的河段數(shù)；

M——節(jié)點總數(shù)；

V——河道交匯點蓄水量。

河道恒定流的模擬可采用曼寧公式：

(5)

式中A——斷面過水面積;

Q——流量;

n——糙率;

R——水力半徑;

i——底坡。

1.2 模型計算條件及參數(shù)

1.2.1 設(shè)計暴雨

排澇河道(又稱內(nèi)河)等一般采用城市排澇設(shè)計標準。本文針對防洪排澇標準的10年、20年及100年一遇設(shè)計暴雨擬定3組模擬工況進行計算。依據(jù)《山西省水文計算手冊》，推求設(shè)計暴雨。

1.2.2 模型計算條件及參數(shù)

本模型輸入信息包括：河網(wǎng)斷面數(shù)據(jù)、邊界條件、水動力學(xué)參數(shù)、模擬時間以及輸出數(shù)據(jù)類型。根據(jù)不同情況設(shè)定各種條件進行護城河行洪能力計算。

a.河網(wǎng)數(shù)據(jù)：通過ArcGIS導(dǎo)入河網(wǎng)數(shù)據(jù)，生成節(jié)點和河段信息，并設(shè)置各個河渠之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系，河網(wǎng)關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 河網(wǎng)關(guān)系

b.斷面數(shù)據(jù)：根據(jù)實測斷面資料和部分概化的斷面資料設(shè)置護城河斷面形式。護城河現(xiàn)狀及規(guī)劃方案下典型斷面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參見表1。

表1 現(xiàn)狀及規(guī)劃方案下典型斷面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

c. 邊界條件：根據(jù)流域水文特性分析確定計算區(qū)內(nèi)護城河上游邊界均設(shè)置為零流量邊界，入河水量主要為沿途雨洪排水。

d.水動力學(xué)參數(shù)設(shè)置：初始水深設(shè)為0.10m，曼寧糙率系數(shù)設(shè)置為0.030。

e.模擬時間設(shè)置：模擬時間步長為1s。

1.3 模型率定與驗證

采用前述構(gòu)建模型，以“2016年7·19”暴雨過程為入流條件，模擬該暴雨事件下河道行洪情況。經(jīng)初步估算該場暴雨重現(xiàn)期接近10年一遇。CH1河模擬數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 CH1河沿程最高水位線模擬值

由于護城河附近并無水文站，缺乏足夠的實測雨洪資料，所以，模擬數(shù)據(jù)只能通過社會化公眾媒體數(shù)據(jù)，完成模型的率定與驗證。經(jīng)調(diào)查，該場降雨過程下，CH1河溢流河段約205m，超過左右岸約0.38m，造成河兩岸雨水倒灌，實際調(diào)查該河段附近積水深度約為45～58cm，結(jié)果相符。

2 護城河排澇能力評估

2.1 現(xiàn)狀條件下排澇能力

護城河作為城區(qū)主要泄洪排澇通道，護城河來水主要由沿途各片區(qū)市政雨水管網(wǎng)排入的雨洪水。為了進一步統(tǒng)計研究區(qū)域產(chǎn)匯流能力，本文根據(jù)雨水管網(wǎng)分布和地形狀況，劃分了4個片區(qū)，如圖1所示。不同重現(xiàn)期暴雨條件下分片區(qū)雨洪量計算成果參見表2。

表2 現(xiàn)狀條件下不同頻率暴雨分片區(qū)雨洪量計算統(tǒng)計

對現(xiàn)狀條件下護城河10年、20年及100年一遇3種不同重現(xiàn)期沿程水位變化進行了計算，圖3、圖4為比較典型的20年一遇護城河沿程水位變化，表3為現(xiàn)狀條件下不同頻率暴雨河渠過流能力計算統(tǒng)計。

圖3 現(xiàn)狀條件下CH1河20年一遇沿程最高水位線

圖4 現(xiàn)狀條件下CH2河20年一遇沿程最高水位線

設(shè)計暴雨護城河段最大水深/m溢流河段/m最大過流量/(m3/s)10年一遇CH10.4～1.82056.4CH20.5 ～1.8803.920年一遇CH10.5～1.862456.9CH20.54 ～1.851004.1100年一遇CH10.6～1.952938.5CH20.6 ～22464.56

由上述各圖、表計算結(jié)果可以看出，現(xiàn)狀條件下護城河不同程度存在一定溢流過載現(xiàn)象，其中CH1(護城河西段)尤為突出，10年一遇治澇標準下，溢流河段長度達205m，約占河渠總長的9.3%，100年一遇防洪標準下，溢流河段長度達293m，約占河渠總長的13.2%。河道溢流會造成古城區(qū)雨水倒灌，城區(qū)內(nèi)澇，通過以上分析知護城河行洪排澇能力不滿足要求，需要對護城河排澇能力進行規(guī)劃設(shè)計。

2.2 規(guī)劃方案下排澇能力

由于護城河行洪排澇能力不滿足要求，故對其進行疏通整治增加漕蓄能力。具體典型斷面改造方案見表1。根據(jù)城市治澇標準的不同規(guī)定，結(jié)合本市洪澇災(zāi)害實際情況，確定本市古城區(qū)水系規(guī)劃采用的城市治澇標準為：20年一遇24h暴雨24h排除至地面以下[3]。為評估在規(guī)劃方案下護城河泄洪排水能力，選取20年一遇治澇標準下的設(shè)計暴雨，計算統(tǒng)計該降雨條件下各護城河不同典型斷面的過流量，圖5為各典型斷面24h流量過程線。

圖5 20年一遇治澇標準下CH1、CH2河各典型斷面24h流量過程線

為了對比分析，對擬規(guī)劃條件下護城河10年、20年及100年一遇三種不同重現(xiàn)期沿程水位變化進行了計算，圖6、圖7為20年一遇護城河沿程水位變化，表4為現(xiàn)狀條件下不同頻率暴雨河渠過流能力計算統(tǒng)計結(jié)果。

圖6 規(guī)劃方案下CH1河20年一遇沿程最高水位線

圖7 規(guī)劃規(guī)劃方案下CH2河20年一遇設(shè)計最高水位線

設(shè)計暴雨護城河段最大水深/m溢流河段/m最大匯入流量/(m3/s)10年一遇CH10.38～1.731879.0CH20.7 ～1.7506.2520年一遇CH10.45～1.820910CH20.8 ～1.806.8100年一遇CH10.58～222711.3CH20.9～1.9507.5

圖5顯示的護城河洪水演進過程，達到了防洪排澇標準所規(guī)定的時間內(nèi)雨洪水排出時間的規(guī)定。

由圖5、6可以看出，規(guī)劃方案下護城河過流能力滿足治澇標準，河渠溢流過載現(xiàn)象基本消除，僅干河較短河段存在短歷時溢流現(xiàn)象，其中CH1河部分河段溢流形成原因主要是斷面面積較小，過流能力有限，形成卡口，導(dǎo)致上游發(fā)生壅水、抬高水位。由于護城河兩岸古建筑較多，河道拓寬有限，所以需要進一步對該河段規(guī)劃方案進行優(yōu)化設(shè)計，建議該河段河堤在規(guī)劃治理改造過程中予以局部加高。

由表4可以看出，通過對護城河規(guī)劃改造后，各河段的溢流河段明顯下降，同時由于對城區(qū)管網(wǎng)的規(guī)劃改造，排入護城河的雨洪水增加，斷面最大過流量整體呈現(xiàn)增加的態(tài)勢，但河渠泄洪排澇能力基本滿足實際需求。

3 結(jié) 論

通過對比現(xiàn)狀及規(guī)劃方案下護城河行洪排澇能力，分析得出護城河疏通改造后斷面最大過流量整體呈現(xiàn)增加的態(tài)勢，河道泄洪排澇能力滿足治澇標準要求，同時20年一遇24h暴雨過程結(jié)束后，河渠洪水演進過程亦基本結(jié)束，僅有少量積水蓄積于河槽，河渠整體騰空，達到了24h暴雨24h排除的目標。護城河暴雨溢流現(xiàn)象基本消除，僅護城河西段較短河段存在短歷時溢流現(xiàn)象，其中該溢流河段的形成主要是由于該斷面過水能力有限，形成卡口，導(dǎo)致上游發(fā)生壅水、抬高水位，故需對該河段規(guī)劃方案進行優(yōu)化設(shè)計，建議對該溢流段進行相應(yīng)的提防抬高加固即可。