城市河道防洪安全評估中水動力學模型的模擬研究

董忠龍

(鞍山市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鞍山 114002)

0 引 言

20世紀五、六十年代為我國城市防洪除澇工程的大興修建時期，許多防洪工程存在功能效應(yīng)低、長期閑置和技術(shù)標準落后等問題。為保護沿河生命財產(chǎn)安全及提升河流的防洪能力，必須采取有效的工程治理措施，而科學合理的評估防洪安全狀態(tài)又是防洪治理規(guī)劃、防汛應(yīng)急預案制定、防汛實時指揮的重要依據(jù)。遼寧省鞍山市經(jīng)常遭受洪水的侵襲，尤其是太子河段防洪能力較低，堤防現(xiàn)狀防洪能力為20a一遇。為提高河道防洪能力相關(guān)部門采取了一系列的工程治理措施，有必要科學評估工程措施可能出現(xiàn)的問題、實施成效及其安全性能。

當前，可用于防洪預測評估的水動力模擬軟件主要有EFDC、DELFT3D、Works Rs、MIKE21、MIKE11、Info、POM等，其中John Hamrick研發(fā)的EFDC模型比較適用于淡水入流、生態(tài)過程、物質(zhì)輸運、水系統(tǒng)流場的模擬研究。經(jīng)過不斷更新完善的EFDC軟件，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如王雪、齊珺等在防洪安全評估預測中引入了EFDC模型。結(jié)合相關(guān)資料，在評估、預測防洪安全方面EFDC模型的應(yīng)用研究還鮮有報道，文章以鞍山市太子河段堤防整治工程為例，對堤防整治前、后的水文情勢在洪峰流量不同保證率下的變化特征運用EFDC模型進行了模擬分析，結(jié)合防洪整治實際情況和評價結(jié)果，驗證了EFDC模型在河道防洪預測方面的可行性與可靠性[1-7]。

1 工程概況

1.1 項目背景

太子河流域有南、北二源，干流全長363km，控制面積13493km2，中上游存在大小支流近百條，主要有細河、清河、沙河、小湯河、五道河、臥龍河、蘭河等河流。太子河位于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年降水量為650-800mm，年均溫度在5℃-9℃范圍，濕度為70%左右，年蒸發(fā)量由東南向西北呈逐漸增大的變化特征，整體為1100-1700mm。在時空分布上流域上游離黃海較近降雨量較大，汛期經(jīng)常出現(xiàn)大面積的洪澇災害；中游和下游區(qū)域為低山丘陵區(qū)、平原區(qū)，降水量較少且為人口較為密集。

太子河鞍山段現(xiàn)狀堤防工程的防洪能力為20a一遇，堤頂高程最低處為10m。為削減太子河洪水對鞍山市城區(qū)段的安全威脅，必須通過堤防工程提高兩岸防洪能力，實現(xiàn)干流高水高排的整治目標。另外，境內(nèi)骨干排水系統(tǒng)的不斷完善，也可在一定程度上緩解城區(qū)段防洪排澇壓力。從提升太子河整體防洪能力的角度分析，有必要加強對鞍山段河道堤防的防洪建設(shè)。

1.2 施工方案

遼寧省鞍山市經(jīng)常遭受洪水的侵襲，尤其是太子河段防洪能力較低，堤防現(xiàn)狀防洪能力為20a一遇，為了提高河道防洪能力相關(guān)部門采取了一系列的工程治理措施。目前，太子河鞍山段堤防工程堤距約為1500-2000m之間，局部堤距在河流轉(zhuǎn)彎處較窄，小姐廟段轉(zhuǎn)彎處的堤距約有2000m。

1.2.1 河流防洪整治

根據(jù)河岸土地利用和建筑物分布狀況，在保證行洪安全和充分利用現(xiàn)有堤線的條件下，適當?shù)耐说獭⑼貙挼叹嗒M窄的河段，按照堤頂高程為10-15m、堤距最小不低于1500m的原則實施太子河堤防整治工程。

依據(jù)太子河鞍山段規(guī)劃下墊面條件，在充分利用現(xiàn)有堤線的基礎(chǔ)上對小姐廟、唐馬寨等局部堤距狹窄的河段，結(jié)合河岸土地利用和建筑物分部狀況適當拓寬、退堤，通過堤岸分離布置確保整治后的堤距不低于1500m。

1.2.2 工況選擇

太子河鞍山段堤防整治項目實施后將河流防洪等級提升至20a一遇，為保證河流行洪安全有必要對50a、20a一遇兩種工況下的洪水安全分別預測評估。由此設(shè)計了4種不同的工況，即：太子河鞍山段堤防整治之前的設(shè)計流量為20a、50a一遇；堤防整治后的設(shè)計流量為20a、50a一遇。

2 水動力學模型構(gòu)建

2.1 模型簡介

為了較好的擬合復雜的近岸地形、岸線，盡可能的降低人為選取造成的誤差，采用σ坐標轉(zhuǎn)換處理EFDC模型的垂向方位，并選用能夠較客觀地提供垂向混合系數(shù)的修正的Mellor-Yamada2.5階湍封閉模式。通過二階矩紊動閉合模型推求模型的垂向紊動黏滯系數(shù)Av，考慮河底摩擦力和水表面的風拖拽力確定動量方向的垂向邊界層；在時間和空間上分別選用三時間步蛙跳式差分格式、二階精度的中心差分格式。為保證潛水區(qū)域計算的可靠性，對河流漫灘過程的模擬利用基于質(zhì)量守恒的干濕網(wǎng)格處理法。在應(yīng)用過程中要先對干濕臨界水深設(shè)置，若水深在臨界值范圍以內(nèi)則判定為干點；同時，設(shè)置用于干濕狀態(tài)定時檢查的判定開關(guān)，人為的設(shè)置濕點的單元通量為0，而正常運算時為濕點。

2.2 模型構(gòu)建

按照太子河鞍山段堤防整治前、后的地形坐標構(gòu)建相應(yīng)的計算網(wǎng)格，為更好的擬合岸線形狀采用矩形正交坐標形成水平網(wǎng)格。太子河鞍山段堤防整治前的垂直、水平方向網(wǎng)格距為15.0m，地形網(wǎng)格數(shù)共有6251個；整治后的垂直、水平方向網(wǎng)格距為15.0，地形網(wǎng)格數(shù)共有7660個；整治項目實施后大部分河段的堤頂高程處于10-15m之間。

2.3 模型驗證

數(shù)值計算能力強、通用性良好為EFDC模型的特點，特別是在水動力模擬時具有相當高的模擬精度。一般情況下，并不需要調(diào)整EFDC中的相關(guān)參數(shù)。邊界條件設(shè)置為整治前的太子河鞍山段20a一遇設(shè)計洪水位，依據(jù)系統(tǒng)默認的參數(shù)模擬計算河道流場、水位沿程分布狀況。參照標準選取為設(shè)計洪水位，參照點水位與模擬結(jié)果見表1。從表1可以看出，20a一遇工況下，太子河鞍山段計算水位與設(shè)計洪水位基本保持一致，模型擬合效果良好，在洪峰流量不同保證率下可利用EFDC模型對太子河鞍山段水文情勢進行模擬分析。

表1 參照點水位與EFDC模擬結(jié)果

3 結(jié)果分析

3.1 不同工況下水位分析

設(shè)計水位為20a一遇工況下，太子河鞍山段堤防工程明顯拓寬了小姐廟至唐馬寨河段河道，控制點水位由之前的3.72-4.41m降低至3.62-4.15m，下降了約0.1-0.26m。由此表明在設(shè)計洪水位為20a一遇工況下，堤防整治工程實施后降低了洪水水位，顯著增強了河道的調(diào)蓄與排澇能力，從而滿足鞍山市城區(qū)段20a一遇防洪要求。

設(shè)計水位為50a一遇工況下，太子河鞍山段堤防工程在一定程度上降低了控制點水位，小姐廟至唐馬寨河段河道水位由之前的3.96-4.72m降低至3.91-4.50m，堤頂高程提高至4.66-5.0m?？梢娫谠O(shè)計洪水位為50a一遇工況下，堤防整治工程實施后降低了洪水水位，顯著增強了河道的調(diào)蓄與排澇能力，從而滿足鞍山市城區(qū)段50a一遇防洪要求。

3.2 不同工況下流速分析

1)太子河鞍山段堤防整治之前，在設(shè)計水位為20年一遇時河流平均流速為1.8m/s，楊柳河、運糧河、南沙河等支流區(qū)段轉(zhuǎn)彎處普遍較大，流速處于2.2-3.0m/s之間；另外，在劉二卜、新臺、哈大橋、大臺、高家等河段拐彎處的流速較大，為2.1-2.8m/s范圍。以上區(qū)域的河岸沖刷問題突出，其他河段的平均流速一般為1.5-2.0m/s，堤岸受流場的沖刷作用較低。

堤防整治工程實施后，鞍山市城區(qū)段的河流平均速度為1.5m/s，楊柳河、運糧河、南沙河支流區(qū)段的流速普遍較大，位于2.1-2.8m/s范圍。同時，劉二卜、新臺、哈大橋、大臺、高家等河段拐彎處流速為1.8-2.4m/s，河流對岸坡的沖刷作用較強；其他河段流速較小，整治后降低至1.1-1.7m/s，河岸受流場沖刷較小。

通過深入分析設(shè)計水位為20年一遇的流速變化發(fā)現(xiàn)，拐彎處流速在堤防整治前后變化最為突出的位置為更加寬闊區(qū)，水流速度最大降低了0.4m/s。同時，堤防治理工程的實施在很大程度上縮短了高流速區(qū)域，通過增加離岸堤距離不僅有利于削弱河岸受水流的沖刷程度，而且可降低堤岸工程投資成本。

2)太子河鞍山段堤防治理之前，在設(shè)計水位為50a一遇工況下水流速度平均值為2.0m/s，南沙河、楊柳河、運糧河等支流轉(zhuǎn)彎段的流速較大，流速位于2.5-3.1m/s之間；另外，在劉二卜、新臺、哈大橋、大臺、高家等河段拐彎處的流速較大，一般為2.1-2.8m/s范圍。上述河段的河岸沖刷現(xiàn)象問題，其他河段的平均流速一般為1.6-2.0m/s，堤岸受流場的沖刷作用較低。

堤防整治工程實施后，鞍山市城區(qū)段的河流平均速度為1.7m/s，楊柳河、運糧河、南沙河支流區(qū)段的流速普遍較大，流速介于2.2-2.7m/s之間。另外，劉二卜、新臺、哈大橋、大臺、高家等河段拐彎處的流速為2.0-2.5m/s，水流對該河段岸坡的沖刷作用較強；其他河段流速較小，整治后降低至1.2-1.8m/s，河岸受流場沖刷較小。

3.3 結(jié)果比較與討論

為提高河流的行洪能力保證沿岸防洪安全，文章分析了堤防改造與河道加寬兩種工程措施。對不同工況下的水流速度、水位運用水動力模型進行預測分析，結(jié)果表明堤防整治工程取得了良好的成效。設(shè)計水位為20a、50a一遇工況下，太子河鞍山段堤防治理前后的流量變化、斷面水位見表2。

表2 不同工況下水位模擬值 m

根據(jù)表2可以看出，設(shè)計水位為20a一遇工況時，較治理前太子河鞍山段水位下降了0.10-0.18m；設(shè)計水位為50a一遇工況時，較治理前太子河鞍山段水位下降了0.05-0.14m。堤防治理工程的實施將堤頂高程提高至4.62-5.0m，治理項目經(jīng)濟可行且效益較好，能夠滿足防洪要求。由此表明，太子河鞍山段堤防治理工程大大提高了河流的整體防洪能力和河道的調(diào)蓄、排澇能力，能夠有效的降低洪水水位滿足50a一遇洪水要求。

不同工況下，太子河鞍山段堤防治理前后的流速變化見表3。從表3可以看出，在20a、50a一遇兩種工況下，不同斷面的平均流速在堤防治理前后的差值約為0.1-0.3m/s，這主要與過水斷面面積、河道拓寬因素相關(guān)，總體而言水流速度變化不太顯著。研究表明，彎道頂點以下凹岸和彎道進口段凸岸側(cè)的剪切力最大，部分彎道處流速在堤防治理工程實施后仍然較大，河岸受水力沖刷作用嚴重，為確保防洪安全還要采取加固整治措施。

表3 不同工況下流速模擬值 m/s

4 結(jié) 論

為準確模擬太子河鞍山段河道堤防治理前后的防洪安全狀態(tài)，結(jié)合相關(guān)資料構(gòu)建了水動力學EFDC模型，通過率定驗證了模型的可行性與準確性。結(jié)果顯示，水流速度、水位與率定模擬保持較高的一致性，在預測分析河流防洪能力方面EFDC模型具有較強的實用性。在設(shè)計水位為20a、50a一遇工況下，堤防整治工程在一定長度上降低了堤頂高程，顯著提高了整個河流的防洪能力，能夠滿足河道行洪排澇的要求。

天然順直段河流的流速較為穩(wěn)定，大流速區(qū)一般集中在河道拐彎處，下游及沿岸的安全受河堤、河道沖刷作用存在安全隱患。為解決此問題太子河鞍山段堤防治理項目采取了有效的工程措施，通過拓寬流速較大區(qū)域的河道保證了沿岸的防洪安全。

根據(jù)沿岸土地利用和建筑物分部狀況，充分利用現(xiàn)有堤線，采取堤岸分離布置、拓寬和退堤等措施，不僅可增大原河道水環(huán)境容量、河流的泄洪能力以及過水斷面面積，而且大大降低了洪水水位和水流速度，為保證河道防洪安全特別提供了重要保障。