泰州市城市水系规划河网数值计算研究

顾 群

（泰州市城市水利投资开发有限公司 江苏泰州 225309）

泰州市城市水系规划河网数值计算研究

顾 群

（泰州市城市水利投资开发有限公司 江苏泰州 225309）

泰州位于江苏省中部，河网丰富。随着经济的高速发展，城市化的推进，在城市建设过程中，城市水系受到一定程度的破坏，水系格局管理混乱，水安全保障能力不足、水资源匮乏、水污染严重、水生态环境恶化所造成的水危机成为泰州城市实施可持续发展的制约因素。为此，泰州水利局拟编制泰州市城市水系规划，保护并指导城市水系建设。本文通过建立二维河网数学模型，针对水系工程实施前后，市区主要河道水文的特征变化进行计算和对比分析。计算结果表明：河道水系整治改善了城市防洪标准，在洪潮设计组合下，内河水位明显降低。【关键词】 泰州城市 水系建设 二维河网数学模型

1 概述

泰州位于江苏省中部，长江之滨，是里下河地区通江达海的门户。根据《泰州市城市总体规划》，泰州将积极融入长三角区域一体化进程，成为长三角北翼的区域中心城市。为适应泰州城市建设和经济社会发展的需要，指导泰州市城市水系治理，统筹安排水系保护和建设，逐步解决城市发展中面临的洪涝灾害、水资源短缺、水质恶化等重大水问题，迫切需要泰州市建立相适应的城市水系（泰州市位置见图1）。

泰州市现状骨干水系为二纵二横，二纵为泰州引江河、南官河，二横分别为新通扬运河、周山河；泰州市拟通过水系整治，疏通理顺水网、沟通河道，并结合城市相关规划的要求，规划后骨干水系为四纵八横，四纵分别为泰州引江河、卤汀河--南官河一线、泰东河--凤凰河--团结中沟一线、两泰官河-南干河-西干河-红旗河-苏陈河一线；八横分别为新通扬运河、老通扬运河、周山河、鸭子河、乐园河、许庄河、宣堡港、古马干河。

工程兴建后，河道水网水位发生改变。为了解水系工程规划后水文条件的变化，建立一维河网数学模型，对规划工程实施前后，工程水文特征的变化情况进行计算和对比分析，并据此估算水系规划工程实施的可行性。

图1 泰州市位置

2 河网数学模型建立及验证

2.1 数学模型建立

计算范围为模型范围内的高沙土地区：东

至西姜黄河，南至江平公路、如泰运河，北至老328国道，西至泰州引江河，计算面积为905.1km2。

2.1.1 基本方程

运用一维河网非恒定流模型，数值计算规划区域内各主要河道的水位、流量。

（1）一维非恒定流基本方程。

式中，Z为水位、Q为流量、B为水面宽度、A为过水断面面积、R为水力半径、C为谢才系数、q为单位长度河道的旁侧入流量，t和s分别是时间和空间坐标。

（2）差分方程。采用Preissmann隐格式建立差分方程。此格式的网络形式如下图所示，在每一个结点上同时求出流量和水位。因变量及其导数的差分形式为：

将上式代入基本方程整理后得如下形式的差分方程：

（3）差分方程的求解。对于划有N个断面的河道，有N-1个河段，共可写出2（N-1）个代数方程，加上上游、下游边界条件，形成阶数为2N的代数方程组，可以解出N个断面处的水位Z和流量Q。此方程组常用追赶法求解。

在上游边界条件为水位过程线时，代数方程组可写成递推形式：

上边界：Z1=P1+R1Q1，其中P1=已知水位，R1=0

1河段：Q1=L2+M2Q2，Z2=P2+R2Q2

2河段：Q2=L3+M3Q3，Z3=P3+R3Q3

…………

K 河 段：Qk=Lk+1+Mk+1Qk+1，Zk+1=Pk+1+Rk+1Qk+1

…………

N-1河段：QN-1=LN+MNQN，ZN=PN+RNQN

下边界：aNZN=DNQN=eN

在上述方程中，递推系数：

其 中：Y1=a1kRk-C1k,Y2=a2kRk-C2k,Y3=e1ka1kPk,Y4=e2k-a2kpk,

具体求解方法是：先由上游边界向下游边界推进，求出递推系数，再由下游边界向上游边界回代，求出各断面处的水位Z和流量Q。

如上游边界条件为流量过程线，则上游边界条件式变为Q1=P1+R1Z1，求解思路与上述过程相似。

2.1.2 率定计算

（1）计算条件。通过一维河网非恒定流计算模型对洪水期的河道糙率进行验证。验证的水位节点为老通扬运河泰州站点、姜堰站点及口岸闸上，共计3个节点，河道断面均采用实测代表断面（采用的糙率系数见表1）。验证分别采用1991年、2003年洪水资料，洪水流量分别采用1991年7月9-11日、2003年7月4-6日三日实测降雨资料推算，长江潮位分别采用口岸闸下1991年7月9-11日三天72h和口岸闸下、过船港闸下2003年7月4-6日三天72h实测资料。

验证结果表明，水位特征值拟合较好，最高水位各节点相对误差（绝对值）在0.21%～3.5%

以内，吻合情况较好，证明计算取用糙率是符合实际情况的。从模型验证结果看，模型验证结果较好，可用于工程方案计算研究。

（2）闸下潮位。闸下潮位见图2～图7。

图2 1991年7月9-11日口岸闸下潮位过程

图3 1991年7月9-11日过船闸下潮位过程

图4 2003年7月4-6日口岸闸下潮位过程

图5 2003年7月4-6日过船闸下潮位过程

图6 1991年7月9-11日同期降雨的径流过程

图7 2003年7月4-6日同期降雨的径流过程

（3）主要河道的粗糙系数。主要河道的粗糙系数见表1。

表1 主要河道的粗糙系数

表2 率定计算结果（1991年7月9日-11日）

表3 率定计算结果（2003年7月4日-16日）

运用上述计算模型，相关计算成果见表4～表8。

表4 现状工况一(不向泰州引江河排水)

表5 现状工况二（向泰州引江河排水工况）

表6 规划工况一(不向泰州引江河排水)

表7 规划工况二（向泰州引江河排水）

表8 规划工况三（向泰州引江河排水加分区控制工况）

4 结论

根据以上计算可以看出：

（1）若不考虑向引江河排水，在20年一遇暴雨遇长江2002年最大三日潮型（潮位频率20%）工况下，内河最高水位为4.9m，而现状地面高程大多为5.0m左右，部分建成区将严重受涝，水系整治后，内河最高水位降低到4.56m；在50年一遇暴雨遇1976年最大三日潮型（潮位频率50%）工况下，内河最高水位将涨至5.3m以上，将大面积受涝，在河道水系整治后，内河最高水位降低到5.09m。

（2）若计入向引江河排水，现状工况河道相应最高水位达到4.66～5.27m，水系整治后，相应最高水位降低到4.39～4.89m。可见水系整治后降低了内河水位，相应也提高了城市防洪减灾能力。

（3）泰州水利局编制的泰州市城市水系规划，全面指导并保护城市水系建设体系。通过科学系统地建立二维河网数学模型，主要针对水系工程实施前后，市区主要河道水文的特征变化进行计算和对比分析。通过详细地计算结果表明了河道水系整治建设，提高了城市防洪标准，改善城市水生态系统。通过实践证明在洪潮设计组合下，内河水位明显降低。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.004

TV131

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1672-2469(2014)09-0010-04

顾群（1977年—），男，工程师。