一维水动力模型在城市水系规划设计中的应用

左海凤　李　凯

(1.北京中水新华国际工程咨询有限公司， 北京　100070；2.北京市水文总站， 北京　100089)



一维水动力模型在城市水系规划设计中的应用

左海凤1李凯2

(1.北京中水新华国际工程咨询有限公司， 北京100070；2.北京市水文总站， 北京100089)

运用一维水动力学模型，结合城市水系规划的河道特征以及工程任务要求，建立规划区一维水动力模型实例，采用Preissmann格式离散求解圣维南方程组。掌握水系河网的水动力特性，保证规划河道能够顺畅接纳并排泄其排水分区所承担的暴雨涝水，可以为水系布局方案比选、人工调蓄改进提供技术支持，满足城市水系建设中水安全、水生态、水景观的要求。

一维水动力模型； 城市水系； 规划设计

1　引　言

城市水系是城市径流雨水自然排放的重要通道、受纳及调蓄空间，在城市排水、防涝、防洪以及改善城市生态环境中发挥着重要作用。城市水系规划是指在确保城市排水防涝安全的前提下，对城市水系进行合理的保护、利用、整治以及管理，同时，作为“海绵城市”建设的重要组成部分，在低影响开发控制目标与系统设计等方面也提出了更高的要求。因此，掌握水系河网的水动力特性，保证河道能够顺畅接纳并排泄其排水分区所承担的暴雨涝水，并在满足景观及生态需求的基础上，尽量减少引水量，降低运行成本，将为设计可靠、美观、经济的水系提供技术支持。

2　工程概况

本文模型实例位于河南省南阳市中关村科技产业园内。现状条件下，园区内自然河道主要有大泥河、小泥河和城南河，园区外有白桐干渠一分干自东北向西南方向流过。现状河道大多未进行过河道疏浚、堤防建设、生态景观建设等治理工程，部分河段堆积有生活和生产垃圾，河道萎缩，行洪过流能力较差，防洪除涝标准低，生态功能单一，滨水景观单调，无法满足产业园建成后的水安全、水生态及水景观等要求。

根据工程任务要求，园区规划水系兼引水、排涝和改善生态环境等多项复合功能。首先保证河道能够顺畅接纳并排泄其排水分区所承担的暴雨涝水，同时，园区内实现水系连通，设计通过闸门拦截水流，保证河道内正常蓄水，在河道内形成适宜水面，满足景观及生态需求，改善园区生态环境，提升城市品位。

3　模型的建立

3.1基本原理

水动力模拟依据的是河段中随流程和时间而不断变化的非恒定水流运动规律，河网非恒定流问题最后都归结为一维圣维南方程组的求解问题[1]，以圣维南方程组为基础的水力学方法虽然计算较繁复，部分所需资料不易取得，但能考虑回水顶托、闸坝及其他人类活动对洪水波运动的影响，近年来得到了较为广泛的应用。

该次水动力模拟基于完整的圣维南方程组，根据流体的质量守恒原理和动量守恒原理，综合各方面的影响，在考虑侧向汇入、局部损失、动量修正等因素后，对一维非恒定水流方程进行修正，包括连续方程和动量方程，实现对水系河网内流动的水动力学模拟计算[2]，其控制方程如下：

(1)

(2)

式中t——时间坐标,s；

x——空间坐标,m；

A——过水面积,m2；

Q——流量,m3/s；

U——断面平均流速,m/s；

g——重力加速度,m/s2；

q——单位河长侧向入流量；

S0——河床底坡，S0=sinθ≈θ；

Sf——河床摩阻坡度，常用谢才公式确定，其表达式为：

(3)

式中n——曼宁系数；

R——水力半径，对于宽浅河流，近似按照A/B计算。

上述控制方程组的求解方法很多，该模型选用Preisssmann提出的四点加权隐格式进行求解，该格式求解比较复杂，但是具有良好的稳定性，计算时间步长可以设置较大，计算速度快，在河网数值模拟中得到了最广泛的应用[3]。

3.2水网概化

根据工程任务要求，在初步方案综合比选的基础上，提出了相对经济适用的规划区水系布局，为提高模拟精度和减少计算误差，对产业园内河规划水系布局进行河网概化(见图1)。

图1　规划河网概化

在平衡计算效率和模拟精度的基础上，最终确定了各河段不同的最大网格尺度和网格数，其中，最大网格尺度不超过300m；时间步长取10s，满足稳定条件；参照《水力学计算手册》，糙率取值为0.025；河道断面根据河道设计典型基本型式取为梯形；各河道水动力模拟计算条件统计如下表所列，采用基于JPWSPC法的河网模型进行地表水动力模拟。

规划河道水动力模拟计算条件表

3.3设计工况

根据市政雨水管网设计推算，河道断面设计要求保障顺利通过30年一遇排涝流量，设计暴雨通过产流模块产生径流进入河道。

规划区北侧鸭河口灌渠白桐一分干设计水量为11.8m3/s，现状条件下常年供水，最大流量11.0m3/s，水源充足，作为引水水源可根据实际需求输配水。根据东北高、西南低地势和原河道走向，规划新河道走向实现由北向南自流，向下游汇流排出规划区。

根据水系规划河道断面设计及渠道不淤最小流速要求，依据研究区内水文计算及局部的水动力模拟，经过多次试算，取总引水量为Q=2.0m3/s，各入流点进水流量为Q=1.0m3/s，1.0m3/s，0.05m3/s，即大泥河和西泥河从白桐一分干的引水流量分别假定为1m3/s，西泥河与大泥河水力连通流量为0.05m3/s。

4　计算成果

4.1初步方案模拟结果

按照选定的水系布局，在各河道均无蓄水建筑物人工控制的条件下，进行水动力模拟计算。根据模拟结果，在大泥河与小泥河的连通段出现河水回流，不满足设计要求，见图2。

图2　无调蓄状态的初步模拟结果

4.2人工调蓄改进方案

4.2.1改进原则和目标

规划区内河水系属生态水系工程的开发建设，坚持生态保护与生态建设并重原则。内河水系工程建成后，必须形成一定规模的水面，满足生态用水和景观用水，有利于构建滨水空间景观带，实现人水相亲，有利于改善规划区生态环境及人居环境。

在生态水系和亲水效果的营造过程中，为了根据水系的来水、排水和水质特点，灵活地调节水系的流量和水位，通常需要在河渠上布置多个引水闸和蓄水闸等水工建筑物以达到分水和蓄水的要求。根据规划区实际条件，蓄水建筑物布设综合考虑以下几个方面：

a.在满足相关条件的基础上，尽可能通过蓄水建筑物形成适宜水深的生态景观蓄水量，同时，还需尽量减少水深以尽量减少开挖量，缩短水体置换所需的时间。

b.在分析南阳市中关村科技园水系规划特点及相关制约因素后，宜采用一些小水深的水工建筑物。

c.蓄水建筑物数量主要以营造一定水面面积为目标，控制水体蓄水规模不宜过大，以保证换水次数和水质。

d.应考虑避免较大水深带来的亲水游憩时的安全问题。

e.应考虑已规划的城市排水管网的设置要求。

4.2.2控制方程调整

由于在模拟区域设置了多个闸门，不管是在闸门闭合状态还是开启状态，均不能完全采用上述控制方程来表示。因此，在模拟中采用内边界结合源汇项的方法进行处理：首先在闸门处设定固壁内边界，假设闸门的进口和出口分别位于内边界两侧的单元内，根据闸孔出流公式计算源汇流量，补充到连续方程中；并根据浓度的变化得到物质输移方程的源汇项，计算随水流通过的物质量。闸门的计算公式表示为：

(4)

式中a——开度；

b——闸门宽度；

h0——闸前水深；

h2——闸后水深。

4.2.3改进方案模拟结果

按照内河水系方案改进的原则和目标，根据河流补排水情况，在河渠首尾设置控制水闸和抽水泵站；根据生态用水和景观用水，在各河段布设蓄水建筑物；根据试算确定河道水深；在此基础上进行研究区水动力数值模拟。通过多次布局调整和模拟试算，给出规划区水系布局人工调蓄改进方案模拟结果。

a.为保证该次规划河道正常运行时的景观用水，需满足各渠道最小水深达到0.2～0.3m的要求。根据模拟结果，当闸前水深为1.5m时，河道最小水深为0.3m，局部最小水深为0.2m，满足生态景观用水，工程量适宜，水体置换量和置换时间适宜。

b.根据规划区水系引排水要求，在引水水源处设置引水闸2处；在各河道连通处设引水闸门6处，以起到分水、连通、调蓄的作用。根据各河道长度、各河段规划条件以及蓄水要求，经过多次模拟试算和布局调整，确定各蓄水闸门较合理的布设位置及数量。

c.在闸前水深确定、水工建筑物布设优选以及控制方程调整的基础上，各河段设定以下不同引水工况进行研究区水动力特性数值模拟:ⓐ引水总量工况，设定内河水系的引水总量分别为2.0 m3/s、1 m3/s和0.2 m3/s，大泥河与西泥河的引水量相等，即分别为1.0 m3/s、0.5 m3/s和0.1 m3/s三种工况情景； ⓑ分水量工况，初步设定小泥河从大泥河的分水量占大泥河引水量的一半，即分别为0.5m3/s、0.25 m3/s和0.05 m3/s，在模拟过程中调试分流比； ⓒ中水利用补水工况，核心区放大水体中水利用设计来水流量为0.05m3/s，不仅作为西泥河与大泥河的连通，也作为大泥河的部分补水，同时起到为湖体换水的作用。

在上述工况条件下，各河道水流通畅，各连通段均没有河水回流现象，获得各河道的水面线过程分别见图3～图5。

图3　大泥河水位过程线

图4　小泥河水位过程线

图5　西泥河水位过程线

由上图可知，各河道闸门之间的河段水面线具有一定相似性，尤其是在小泥河，不同引水流量对应的水面线几乎完全重合。由于下游闸门对水位的抬高作用，各河段水面线都可以看作由两段组成，分别为均匀流段和回水段，其中，回水段各流量的水深一致，都由下游闸门前的水深确定；均匀流段水深与流量相关，流量越大，水深越深。相对而言，各河道均匀流段都比较短，特别是当河段较短时，整个河段受下游闸门的回水影响，只有回水段而没有均匀流段。

5　结论与建议

本文基于完整的圣维南方程，结合城市水系河道特征及工程任务要求，建立了规划区一维水动力学模型实例，并根据水工建筑物设置进行了研究区控制方程修正和水动力数值模拟。通过多次布局调整和模拟试算，获得了规划区水系布局人工调蓄改进方案模拟结果，各河道水流通畅，各连通段均没有河水回流现象，规划河道能够顺畅接纳并排泄其排水分区所承担的暴雨涝水，为保障城市防洪排涝、水生态和水环境安全提供了技术支持。

根据河网水系水动力模拟结果，在合理布设引蓄排水工建筑物的人工调蓄改进方案中，不同引水流量的景观效果区别不大。在满足渠道不冲不淤最小流速要求的条件下，从降低引水经济成本的角度考虑，允许尽量减少引水量，可建立一维动态水流-水质数值模型，通过水质保护和水力停留时间模拟分析进一步确定最优引水量。

[1]白玉川，万艳春，黄本胜,等.河网非恒定流数值模拟的研究进展[J].水利学报,2000(12)：43- 47.

[2]朱德军，陈永灿，刘昭伟.复杂河网水动力数值模型[J].水科学进展，2011，22(2)：203-207.

[3]徐小明，何建京，汪德爟.求解大型河网非恒定流的非线性方法[J].水动力学研究与进展A辑，2001，16(1)：18-24.

Application of one-dimensional hydrodynamic model in urban water system planning and design

ZUO Haifeng1, LI Kai2

(1. Beijing Zhongshui Xinhua International Engineering Consulting Co., Ltd., Beijing 100070, China;2.BeijingHydrologicalMasterStation,Beijing100089,China)

One-dimensional hydrodynamic model is applied. River channel characteristics and project task requirement of urban water system plan are combined for constructing one-dimensional hydrodynamic model example in the planning area. Preissmann format discrete solving Saint-Venant equations are adopted for mastering the hydrodynamic characteristics of river network. It is ensured that rainstorm water in the drainage division can be smoothly accepted by planned river and discharged. Technical support can be provided for water system layout plan comparison and artificial regulation storage improvement, thereby meeting the requirements of water safety, water ecology and water landscape in urban water system construction.

one-dimensional hydrodynamic model; urban water system; planning and design

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.08.010

TV212.5

B

1005- 4774(2016)08- 0036- 05