基于数值模拟的浑河城市防护工程防洪评价与分析

(辽宁省葠窝水库管理局有限责任公司，辽宁 辽阳 111000)

浑河城市防护工程位于沈阳市浑南区南堤路北、彩霞街西的浑南拦河坝附近左岸滩地，在沈阳水文站上游约4.2km处，场区景色优美，交通便利，南北宽约180m，东西长约900m，占地面积约为10万m2。工程以原有高尔夫球场主入口为界，西侧形成公园区，东侧形成市民公园区，构建一个集大众休闲健身、户外娱乐于一体的综合性的市民运动公园。为保证工程设计方案经济、安全及合理，避免对河道防洪造成影响，需对该工程进行防洪影响评价。防洪评价范围起点为浑河大桥上游约1km，终点为位于工农大桥上游端(沈阳水文站)，河段全长约5.80km。通过防洪评价与分析，为河道防洪安全提供可靠的依据。

1 平面二维水力数学模型的建立

1.1 控制方程

笛卡儿坐标系下平面二维水力模拟的基本方程为

水流连续方程：

(1)

水流运动方程：

(2)

(3)

式中Z——水位；

h——水深；

u、v——x、y方向的流速；

C——谢才系数；

Zb——河床高程；

n——曼宁糙率系数；

γt——紊动黏性系数。

根据一般曲线变换关系，上述笛卡儿坐标系基本方程可转化为正交曲线贴体坐标系下二维水流数学模型中的基本控制方程，具体如下：

水流连续方程：

(4)

ξ方向水流动量方程：

(5)

η方向水流动量方程：

(6)

其中

式中ξ、η——正交曲线贴体坐标系中的两个坐标；

Z——水位；

h——水深；

n——糙率系数；

g——重力加速度；

u、v——沿ξ、η方向的流速；

υ与ε——层流运动黏滞性系数和紊动运动黏滞性系数，前者与后者相比一般可忽略不计；

J=CξCη，Cξ、Cη——正交曲线坐标系中的拉梅系数：

1.2 数值解法

比较上述方程，可以发现它们的形式是相似的，可表达成如下的通用格式：

式中：Γ为扩散系数。上述方程的差别主要体现在源项S里面。同时，在运用控制体积法求解上式时，为了使计算收敛或加快收敛，需要对源项进行负坡线性化，即

S=Spψp+Sc

负线性化后，进一步推导方程中各项(见表1)。

表1 各方程负线性化后参数

在数值计算时，为避免计算区域不合理压力场的出现，上述方程的离散求解在交错网格上进行。

1.3 定解条件

初始水位场可利用计算域上下游水位和断面间距进行线性插值，以节省计算时间，在断面上可以不考虑横比降。对于初始流速场，令η方向上v=0，ξ方向上u由曼宁公式计算得出，并进行断面总流量校正。其他边界条件包括：岸边界水位按法向边界条件(∂/∂n=0)给出，河岸边界流速按零值处理；出口流速和进口水位也按法向边界条件(∂/∂n=0)给出。

2 基本参数

2.1 模型计算范围及网格划分

根据河段外形及堤防情况，考虑到模型计算进出口相对平顺及计算分析要求，选择模型进口为浑河大桥上游约1km处，模型出口位于工农大桥上游端(沈阳水文站)，计算河段全长5.80km。

平面二维数模计算网格采用河势贴体正交曲线网格形式，网格布置情况为220×65，水流方向网格间距10～40m，垂直水流方向网格间距5～20m，工程区域局部网格进行加密。网格划分情况见图1。

2.2 计算糙率

浑河沈阳段河道为复式河槽，其糙率按主槽、左滩、右滩分别选定。根据《浑河沈阳城区段防洪规划修编报告》中糙率的率定，经综合分析，工程前，此次计算主槽糙率值采用0.030，滩地糙率值采用0.08，与修编报告中糙率值一致。考虑到工程后进行了地面整平和硬化，糙率略有降低，参考类似工程经验和糙率表，经综合分析糙率采用0.07(见表2)。

图1 计算区域网格及取样点布置情况

断面号主河槽滩 地左滩右滩备 注工程前0030008008工程后0030008008工程整平后糙率取007

2.3 计算频率及流量

工程位于浑南拦河坝附近左岸滩地，所在河段左岸位于东陵桥至浑河闸段，防洪标准为100年一遇，右岸位于金家屯至浑河闸段，防洪标准为300年一遇。为了分析洪水流量条件下工程对防洪的影响，水力计算选取P=1%、P=0.33%频率洪水进行。

根据水文分析计算成果，结合《浑河沈阳城区段防洪规划修编报告》中对沈阳水文站各级洪水条件下水面线推算成果，此次水力计算采用模型出口端沈阳站处组合流量和水位(见表3)。

表3 浑河沈阳站水力计算洪水组合成果

2.4 其他条件

此次预测分析计算初始地形采用2012年浑河工程河段测量地形为基础建立；计算河段中对于已建桥梁等建筑物作为固有边界考虑。同时，考虑到工程区气膜不使用时半小时内即可拆卸和移动，汛期河水漫滩后将气膜移开，工程后工程地形仍以整平后工程区域地形高程为基础，并考虑糙率因素的影响。同时为了便于计算分析，在P=0.33%洪水标准条件下，以模型左岸边界不溃堤和不溢出为条件。

3 模型计算结果

3.1 工程对流速影响计算

模型分别计算了P=1%、P=0.33%两级洪水流量条件下工程实施前后河段流速，为了便于分析计算洪水条件下工程的实施对工程河段流速的影响，根据工程河段特征自上游而下选取P1～P7共7个特征点，对工程实施前后取样点流速变化情况进行了统计分析(见表4)。

根据以上计算分析和统计结果，工程前后工程河段流速变化特点主要表现如下：

表4 工程前后取样点流速流向统计

a.100年一遇洪水流量标准条件下(P=1%)，由于河段左岸滩面较高，水流未出现漫滩条件(见图2)。因此该洪水标准下，工程的实施不会对河段流速造成影响。

b. 300年一遇洪水流量标准条件下(P=0.33%)，河段滩面漫滩后，受工程区域整平后局部地形条件及糙率变化的作用，工程实施对河段流速略有影响。从表4统计结果来看，浑河大桥、工程上下游近岸段等取样点流速变化均小于0.001m/s，工程区域中部取样点流速变化0.003m/s，流向变化为0.05°。从图3看，工程前后，工程区域局部流速有增有减。

图2 P=1%下工程前后河段计算流场

图3 P=0.33%下工程前后河段计算流场

综上所述，P=1%洪水流量条件下，工程实施对河段流速没有影响；P=0.33%洪水流量条件下，工程实施对河段流速影响较小，影响范围限于工程区域范围内，流速最大降低值约0.01m/s，流速最大增加0.009m/s，流向变化最大值0.05°。

3.2 工程对水位影响计算

模型分别计算了P=1%、P=0.33%两级洪水流量条件下工程实施前后河段水位，为了便于分析计算洪水条件下工程的实施对工程河段水位的影响，根据工程河段特征自上游而下选取P1～P7共7个特征点，对工程实施前后取样点水位变化情况进行了统计分析(见表5)。

表5 工程前后取样点水位变化统计

根据以上计算分析和统计结果，工程前后工程河段水位变化特点主要表现如下：

a. 100年一遇洪水流量标准条件(P=1%)下，由于河段左岸滩面较高，水流未出现漫滩条件。因此，该洪水标准下，工程的实施不会对河段水位造成任何影响。

b. 300年一遇洪水流量标准条件(P=0.33%)下，河段滩面漫滩后，受工程区域整平后局部地形条件及糙率变化的作用，工程实施对河段水位略有影响。从表5统计结果来看，浑河大桥、工程下游近岸段等取样点流速变化均小于0.001m/s，工程区域上游端取样点水位降低约0.001m，中部取样点水位降低约0.005m。从图4来看，工程前后，工程区域局部水位有升有降。工程实施对工程河段水位的影响主要集中在工程区域范围内，工程实施前工程区域水位 43.138～43.503m，工程实施后工程区域水位43.138～43.502m。

综上所述，P=1%洪水流量条件下，工程实施对河段水位没有影响；P=0.33%洪水流量条件下，工程实施对河段水位影响较小，影响范围限于工程区域

图4 工程前后河段水位大小变化云

范围及近岸段内，工程实施前工程区域水位43.138～43.503m，工程实施后工程区域水位43.138～43.502m，水位最大壅高值约0.008m，最大水位降低值约0.015m。

4 结 论

根据二维水力数学模型计算结果，100年一遇洪水流量标准条件下，水流未出现漫滩，工程的实施不会对河段水位造成任何影响；300年一遇洪水流量标准条件下，河段滩面漫滩后，受工程区域整平后局部地形条件及糙率变化的作用，工程实施对河段流速、水位略有影响。工程前后，工程区域局部水位有升有降。工程实施对工程河段水位的影响主要集中在工程区域范围内，工程实施前工程区域水位43.138～43.503m，工程实施后工程区域水位43.138～43.502m。