一维水力学模型在天津市外环河排水方案设计中的应用研究

2016-07-29李涛涛郭宝顺

海河水利 2016年2期

关键词：方案比选

李涛涛，郭宝顺，王　南

（1.天津市水利勘测设计院，天津　300204；2.天津市水文水资源勘测管理中心，天津　300061）

一维水力学模型在天津市外环河排水方案设计中的应用研究

李涛涛1，郭宝顺2，王南1

（1.天津市水利勘测设计院，天津300204；2.天津市水文水资源勘测管理中心，天津300061）

摘要：外环河排水具有多点入流多点出流的特点，传统的水面线计算方法不能很好地模拟其入流出流过程，本次运用一维水动力学模型，结合外环河沿线排涝、景观、交通等需求经过多方案分析计算后，确定最佳排水分水方案。按照天津市城市总规划，外环河外侧规划有500 m绿化带，外环河已成为天津市城区的护城河，对保障城区排涝、沿线景观将发挥重要的作用。

关键词：外环河；多点入流多点出流；方案比选；一维水动力学

1　外环河基本情况

天津市外环河始建于1986年，是修建外环线取土时形成的一条人工河道，当时以排除沿线绿化带及道路涝水为主。2002年，为解决外环河排沥压力增加、不能贯通循环、水污染、环境脏乱等问题，实施了外环河综合整治工程，外环河成为环绕天津市中心城区的护城河，治理后外环河河道上口宽度基本维持30 m，河道设计规模为5 m3/s。之后，又陆续在外环河与子牙河交口建设子牙河右岸泵站、设计规模为5 m3/s，在外环河与海河干流交口处建设2座泵站、设计规模为14 m3/s。

随着近年来城市建设的不断发展，外环线以内新建雨水系统不断增加，现状河道排水能力以及出口闸站远远不能满足沿岸城区涝水不断增长的要求。外环线作为天津市主要交通干线，紧邻外环河建造，使得外环河已经不具备加高扩挖的条件，现状外环河堤顶高程较低，尤其是子牙河—海河干流段规划雨水系统密集，来水量最大，堤顶高程最低，排水问题十分突出。本次基于外环河排水现状及周边可利用条件，对外环河排水压力最大的子牙河—海河干流段排水方案进行研究。

2　外环河子牙河一海河干流段设计涝水安排

外环河子牙河—海河干流段控制排水范围包括津河水系中复兴河以南河段由规划新建卫津河入外环河泵站控制范围和该段河道沿线鄱阳路、友谊南路、卫南洼、华苑、华天道、东姜井6座直排泵站的控制范围，以及沿线道路和绿化带。

图1　外环河子牙河一海河干流段规划入流示意

根据最新完成的《天津市排水专项规划修编（2013—2020年）》，天津中心城区（含规划北部新区）范围内涝防治标准采用50年一遇、最大24 h暴雨、1 d排除设计标准；新外环以外的环城四区等其他范围采用20年一遇、最大24 h暴雨、1 d排除设计标准。由以上确定的设计标准，子牙河—海河干流段外环河控制排水范围属中心城区，区域排水采用50年一遇、最大24 h暴雨、1 d排除设计标准。经计算，外环河子牙河—海河干流段规划设计总入流量为75.7 m3/s，环内南丰产河及津港运河设计总入流量为11.34 m3/s。

表1　外环河子牙河—海河干流段设计涝水流量统计

3　排水方案研究

外环线作为天津市主要交通干线，紧邻外环河，导致外环河采取扩挖河道断面的治理方式已基本不具备条件，本次排水方案按照现状河道断面资料、考虑提前降低河道水位、寻找新的分流出口并扩大出口闸站规模等措施进行研究。

结合外环河自身条件，为缓解外环河子牙河—海河干流段沿线排涝压力，经过充分分析论证，环内南丰产河、津港运河涝水不再进入外环河，而是经南丰产河排入承纳能力较足、排水比较顺畅的陈台子排水河，与环内陈台子排水河控制区域涝水、西青陈台子排水河控制区域涝水一并经陈台子排水河末端泵站共同排入独流减河。

外环河子牙河—海河干流段50年一遇设计流量为75.7 m3/s，考虑汛前提前降低河道水位、自身调蓄部分涝水，需要出口总规模为58.5 m3/s。现状子牙河右岸、海河干流右岸2座出口泵站设计规模为19 m3/s，如果考虑该段外环河仍经两端出口泵站排入海河干流、仅仅依靠扩大海河干流右岸和子牙河右岸泵站总规模至需要出口规模来满足该段排水需求，河道入流量将超过现有过流能力，加上排水路径长、两岸堤顶高度不足却无加高条件等因素限制，河道设计水位将高于现状堤顶。因此，本段外环河需采取其他河道分流措施增加分泄能力来满足排水需求。

该段外环河周边与之相交、可向外分泄涝水的河道有南运河、陈台子排水河、自来水河、南丰产河、程村排水河、津港运河、大沽排水河、先锋排水河。大沽排水河与先锋排水河自身排水压力已非常大，且其控制排水范围及河道治理方案已基本确定，不具备增加外环河排水任务条件；自来水河与南丰产河没有独立排水出口，自身涝水还需经过南运河、陈台子排水河、西大洼排水河等排放，分泄外环河涝水的条件较差；程村排水河河道断面较小，设计过流量仅10 m3/s，且沿线两侧已无河道扩挖条件，也不具备分泄外环河涝水的条件。因此，基本具备向外分泄外环河涝水的河道仅有南运河、陈台子排水河和津港运河。

经分析，陈台子排水河河道规模较大，如果外环河两岸堤防满足要求，可以单独通过陈台子排水河接纳外环河涝水外排要求；津港运河已于2012年治理完成，不具备扩挖条件，接纳外环河涝水有限，需要其他河道共同分流。

外环河本身在津港运河沿线堤顶高程仅为2.50～2.30 m，两侧规划有卫南洼、友谊南路、昌凌路、鑫通道等排水小区，该段较其他段排涝压力较大，综合考虑本段外环河入出流情况、现有工程规模及其位置、分流河道条件、分流实施难度、外环河阻水建筑物治理难度及其治理安排等因素，提出以下3个分流治理方案。

方案一:由陈台子排水河分泄外环河涝水。外环河收集的雨水经子牙河右岸泵站、海河干流右岸泵站、外环河入陈台子排水河泵站分别排入子牙河、海河干流、陈台子排水河。拟定海河干流右岸泵站扩建至30 m3/s，新建外环河入陈台子排水河泵站，设计规模为25 m3/s；维持子牙河右岸泵站现状规模5 m3/s不变，总外排规模达到60 m3/s。

方案二:由南运河、津港运河共同分泄外环河涝水。外环河收集的雨水经子牙河右岸泵站、海河干流右岸泵站、外环河入南运河泵站、外环河入津港运河泵站分别排入子牙河、海河干流、南运河、津港运河。拟定海河干流右岸泵站扩建至30 m3/s；分析南运河与津港运河两岸地形条件，需新建外环河入南运河泵站，设计规模为10 m3/s；新建外环河入津港运河泵站，设计规模为15 m3/s；维持子牙河右岸泵站现状规模5 m3/s不变，总外排规模达到60 m3/s。

方案三:由津港运河、陈台子排水河共同分泄外环河涝水。外环河收集的雨水经子牙河右岸泵站、海河干流右岸泵站、外环河入津港运河泵站、外环河入陈台子排水河联通闸分别排入子牙河、海河干流、津港运河、陈台子排水河。拟定海河干流右岸泵站扩建至25 m3/s；分析南运河与津港运河两岸地形条件，需新建外环河入津港运河泵站，设计规模为20 m3/s；新建外环河入陈台子排水河联通闸，设计分水规模为10 m3/s；维持子牙河右岸泵站现状规模5 m3/s不变，总外排规模达到60 m3/s。

4　排水方案论证

4.1一维水动力模型构建

4.1.1基本方程

采用一维非恒定流基本方程——圣维南方程组，连续方程为:

动量方程为:

式中:X为距离（m）；t为时间（s）；A为过水面积（m2）；Q为断面流量（m3/s）；Z为水位（m）；α为动量修正系数；K为流量模数；ql为旁侧入流（m2/s），入流为正，出流为负；νx为入流沿水流方向的速度（m/s），若旁侧入流垂直于主流，则νx=0；g为重力加速度（m2/s）。

在水流运动模拟计算中，采用流量Q和水位Z作为变量比较方便，采用Preissman加权四点隐式差分格式进行数值离散，采用追赶法进行求解。

4.1.2边界条件设定

在进行水力学计算时，上游边界一般采用流量过程或水位过程，下游边界条件一般采用水位流量关系。明渠水力学计算中采用的外部边界条件可以3种形式给出:水位边界条件，即在边界明渠上给定水位随时间的变化过程:Z=Z（t）；流量边界条件，即在边界明渠上给定流量随时间的变化过程: Q=Q（t）；水位流量关系:Q=Q（Z）。

根据这3种类型的明渠边界条件，对任一河段采用双消元法形成首、末断面与首末断面水位的线性函数式，进而计算追赶系数，形成节点水位的方程组，采用迭代算法可得各计算时段沿程各计算断面的水位和流量。

4.1.3模型构建

（1）河道糙率。根据《水力计算手册》中渠道糙率的规定，外环河设计断面两岸均为浆砌石护岸，糙率选用0.025。

（2）输入断面。外环河子牙河—海河干流段全部采用2013年天津市水利勘测设计院实测断面基础上所设计的断面，断面间距约0.5 km。

（3）上边界条件。上边界采用流量边界，本次涝水计算将沿线泵站50年一遇规划入流量概化为各个集中点入流。

（4）下边界条件。下边界条件采用各出口泵站和闸站的设计资料及设计水位流量过程。

4.2方案计算

本次设计对外环河子牙河—海河干流段排涝情况进行模拟计算，整个排水区同时入流24 h。

下边界条件按各方案计算工况拟定。为充分利用河道的调蓄功能，综合考虑河底高程、河道景观要求、河道调蓄能力大小等因素，拟定初始河道腾空至0.5m。

外环河是连接市区与区县的枢纽，外环线沿线桥涵有100多处，因大部分都按原规模设计，现状过水能力仅为5 m3/s，本次计算方案按照具备开卡条件的全部实施开卡，因重要交通干线、重点工程项目的原因无法实施开卡的计算其阻水影响后计入模型中，各方案计算结果见表2。

表2　各方案水位计算结果m

4.3方案分析

对上述3个方案进行分析，方案一中陈台子排水河位于南运河与津港运河之间，自身具有较好的排水条件，经计算后津港运河处友谊南路—卫津河段漫堤，不满足分水要求；方案二采取南运河与津港运河分水方案后，津港运河泵站规模减少，导致四化河—先锋河段沿线均漫堤，南运河两岸水位降低较多，而南运河在不分水的情况下两岸堤防已满足条件，不满足分水要求；方案三在津港运河加大规模、陈台子排水河分水的情况下，沿线均满足排水要求。

综合分析各方案优势、劣势，考虑排水调度运用方便，方案三分水效果好，不需加高外环河堤防，实施难度较小，且节省工程投资，推荐方案三为本段外环河治理方案，即由陈台子排水河、津港运河共同分泄外环河涝水的方案:外环河、环内津港运河和南丰产河收集的雨水除部分经现有子牙河右岸、扩建后的海河干流右岸泵站分泄入海河干流外，其余涝水经陈台子排水河、津港运河下泄入独流减河。