城市河道防洪安全评估中水动力学模型的模拟研究

董忠龙

(鞍山市水利事务服务中心，辽宁 鞍山 114002)

0 引 言

20世纪五、六十年代为我国城市防洪除涝工程的大兴修建时期，许多防洪工程存在功能效应低、长期闲置和技术标准落后等问题。为保护沿河生命财产安全及提升河流的防洪能力，必须采取有效的工程治理措施，而科学合理的评估防洪安全状态又是防洪治理规划、防汛应急预案制定、防汛实时指挥的重要依据。辽宁省鞍山市经常遭受洪水的侵袭，尤其是太子河段防洪能力较低，堤防现状防洪能力为20a一遇。为提高河道防洪能力相关部门采取了一系列的工程治理措施，有必要科学评估工程措施可能出现的问题、实施成效及其安全性能。

当前，可用于防洪预测评估的水动力模拟软件主要有EFDC、DELFT3D、Works Rs、MIKE21、MIKE11、Info、POM等，其中John Hamrick研发的EFDC模型比较适用于淡水入流、生态过程、物质输运、水系统流场的模拟研究。经过不断更新完善的EFDC软件，现已广泛应用于各个领域，如王雪、齐珺等在防洪安全评估预测中引入了EFDC模型。结合相关资料，在评估、预测防洪安全方面EFDC模型的应用研究还鲜有报道，文章以鞍山市太子河段堤防整治工程为例，对堤防整治前、后的水文情势在洪峰流量不同保证率下的变化特征运用EFDC模型进行了模拟分析，结合防洪整治实际情况和评价结果，验证了EFDC模型在河道防洪预测方面的可行性与可靠性[1-7]。

1 工程概况

1.1 项目背景

太子河流域有南、北二源，干流全长363km，控制面积13493km2，中上游存在大小支流近百条，主要有细河、清河、沙河、小汤河、五道河、卧龙河、兰河等河流。太子河位于温带大陆性季风气候区，年降水量为650-800mm，年均温度在5℃-9℃范围，湿度为70%左右，年蒸发量由东南向西北呈逐渐增大的变化特征，整体为1100-1700mm。在时空分布上流域上游离黄海较近降雨量较大，汛期经常出现大面积的洪涝灾害；中游和下游区域为低山丘陵区、平原区，降水量较少且为人口较为密集。

太子河鞍山段现状堤防工程的防洪能力为20a一遇，堤顶高程最低处为10m。为削减太子河洪水对鞍山市城区段的安全威胁，必须通过堤防工程提高两岸防洪能力，实现干流高水高排的整治目标。另外，境内骨干排水系统的不断完善，也可在一定程度上缓解城区段防洪排涝压力。从提升太子河整体防洪能力的角度分析，有必要加强对鞍山段河道堤防的防洪建设。

1.2 施工方案

辽宁省鞍山市经常遭受洪水的侵袭，尤其是太子河段防洪能力较低，堤防现状防洪能力为20a一遇，为了提高河道防洪能力相关部门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约为1500-2000m之间，局部堤距在河流转弯处较窄，小姐庙段转弯处的堤距约有2000m。

1.2.1 河流防洪整治

根据河岸土地利用和建筑物分布状况，在保证行洪安全和充分利用现有堤线的条件下，适当的退堤、拓宽堤距狭窄的河段，按照堤顶高程为10-15m、堤距最小不低于1500m的原则实施太子河堤防整治工程。

依据太子河鞍山段规划下垫面条件，在充分利用现有堤线的基础上对小姐庙、唐马寨等局部堤距狭窄的河段，结合河岸土地利用和建筑物分部状况适当拓宽、退堤，通过堤岸分离布置确保整治后的堤距不低于1500m。

1.2.2 工况选择

太子河鞍山段堤防整治项目实施后将河流防洪等级提升至20a一遇，为保证河流行洪安全有必要对50a、20a一遇两种工况下的洪水安全分别预测评估。由此设计了4种不同的工况，即：太子河鞍山段堤防整治之前的设计流量为20a、50a一遇；堤防整治后的设计流量为20a、50a一遇。

2 水动力学模型构建

2.1 模型简介

为了较好的拟合复杂的近岸地形、岸线，尽可能的降低人为选取造成的误差，采用σ坐标转换处理EFDC模型的垂向方位，并选用能够较客观地提供垂向混合系数的修正的Mellor-Yamada2.5阶湍封闭模式。通过二阶矩紊动闭合模型推求模型的垂向紊动黏滞系数Av，考虑河底摩擦力和水表面的风拖拽力确定动量方向的垂向边界层；在时间和空间上分别选用三时间步蛙跳式差分格式、二阶精度的中心差分格式。为保证潜水区域计算的可靠性，对河流漫滩过程的模拟利用基于质量守恒的干湿网格处理法。在应用过程中要先对干湿临界水深设置，若水深在临界值范围以内则判定为干点；同时，设置用于干湿状态定时检查的判定开关，人为的设置湿点的单元通量为0，而正常运算时为湿点。

2.2 模型构建

按照太子河鞍山段堤防整治前、后的地形坐标构建相应的计算网格，为更好的拟合岸线形状采用矩形正交坐标形成水平网格。太子河鞍山段堤防整治前的垂直、水平方向网格距为15.0m，地形网格数共有6251个；整治后的垂直、水平方向网格距为15.0，地形网格数共有7660个；整治项目实施后大部分河段的堤顶高程处于10-15m之间。

2.3 模型验证

数值计算能力强、通用性良好为EFDC模型的特点，特别是在水动力模拟时具有相当高的模拟精度。一般情况下，并不需要调整EFDC中的相关参数。边界条件设置为整治前的太子河鞍山段20a一遇设计洪水位，依据系统默认的参数模拟计算河道流场、水位沿程分布状况。参照标准选取为设计洪水位，参照点水位与模拟结果见表1。从表1可以看出，20a一遇工况下，太子河鞍山段计算水位与设计洪水位基本保持一致，模型拟合效果良好，在洪峰流量不同保证率下可利用EFDC模型对太子河鞍山段水文情势进行模拟分析。

表1 参照点水位与EFDC模拟结果

3 结果分析

3.1 不同工况下水位分析

设计水位为20a一遇工况下，太子河鞍山段堤防工程明显拓宽了小姐庙至唐马寨河段河道，控制点水位由之前的3.72-4.41m降低至3.62-4.15m，下降了约0.1-0.26m。由此表明在设计洪水位为20a一遇工况下，堤防整治工程实施后降低了洪水水位，显著增强了河道的调蓄与排涝能力，从而满足鞍山市城区段20a一遇防洪要求。

设计水位为50a一遇工况下，太子河鞍山段堤防工程在一定程度上降低了控制点水位，小姐庙至唐马寨河段河道水位由之前的3.96-4.72m降低至3.91-4.50m，堤顶高程提高至4.66-5.0m。可见在设计洪水位为50a一遇工况下，堤防整治工程实施后降低了洪水水位，显著增强了河道的调蓄与排涝能力，从而满足鞍山市城区段50a一遇防洪要求。

3.2 不同工况下流速分析

1)太子河鞍山段堤防整治之前，在设计水位为20年一遇时河流平均流速为1.8m/s，杨柳河、运粮河、南沙河等支流区段转弯处普遍较大，流速处于2.2-3.0m/s之间；另外，在刘二卜、新台、哈大桥、大台、高家等河段拐弯处的流速较大，为2.1-2.8m/s范围。以上区域的河岸冲刷问题突出，其他河段的平均流速一般为1.5-2.0m/s，堤岸受流场的冲刷作用较低。

堤防整治工程实施后，鞍山市城区段的河流平均速度为1.5m/s，杨柳河、运粮河、南沙河支流区段的流速普遍较大，位于2.1-2.8m/s范围。同时，刘二卜、新台、哈大桥、大台、高家等河段拐弯处流速为1.8-2.4m/s，河流对岸坡的冲刷作用较强；其他河段流速较小，整治后降低至1.1-1.7m/s，河岸受流场冲刷较小。

通过深入分析设计水位为20年一遇的流速变化发现，拐弯处流速在堤防整治前后变化最为突出的位置为更加宽阔区，水流速度最大降低了0.4m/s。同时，堤防治理工程的实施在很大程度上缩短了高流速区域，通过增加离岸堤距离不仅有利于削弱河岸受水流的冲刷程度，而且可降低堤岸工程投资成本。

2)太子河鞍山段堤防治理之前，在设计水位为50a一遇工况下水流速度平均值为2.0m/s，南沙河、杨柳河、运粮河等支流转弯段的流速较大，流速位于2.5-3.1m/s之间；另外，在刘二卜、新台、哈大桥、大台、高家等河段拐弯处的流速较大，一般为2.1-2.8m/s范围。上述河段的河岸冲刷现象问题，其他河段的平均流速一般为1.6-2.0m/s，堤岸受流场的冲刷作用较低。

堤防整治工程实施后，鞍山市城区段的河流平均速度为1.7m/s，杨柳河、运粮河、南沙河支流区段的流速普遍较大，流速介于2.2-2.7m/s之间。另外，刘二卜、新台、哈大桥、大台、高家等河段拐弯处的流速为2.0-2.5m/s，水流对该河段岸坡的冲刷作用较强；其他河段流速较小，整治后降低至1.2-1.8m/s，河岸受流场冲刷较小。

3.3 结果比较与讨论

为提高河流的行洪能力保证沿岸防洪安全，文章分析了堤防改造与河道加宽两种工程措施。对不同工况下的水流速度、水位运用水动力模型进行预测分析，结果表明堤防整治工程取得了良好的成效。设计水位为20a、50a一遇工况下，太子河鞍山段堤防治理前后的流量变化、断面水位见表2。

表2 不同工况下水位模拟值 m

根据表2可以看出，设计水位为20a一遇工况时，较治理前太子河鞍山段水位下降了0.10-0.18m；设计水位为50a一遇工况时，较治理前太子河鞍山段水位下降了0.05-0.14m。堤防治理工程的实施将堤顶高程提高至4.62-5.0m，治理项目经济可行且效益较好，能够满足防洪要求。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体防洪能力和河道的调蓄、排涝能力，能够有效的降低洪水水位满足50a一遇洪水要求。

不同工况下，太子河鞍山段堤防治理前后的流速变化见表3。从表3可以看出，在20a、50a一遇两种工况下，不同断面的平均流速在堤防治理前后的差值约为0.1-0.3m/s，这主要与过水断面面积、河道拓宽因素相关，总体而言水流速度变化不太显著。研究表明，弯道顶点以下凹岸和弯道进口段凸岸侧的剪切力最大，部分弯道处流速在堤防治理工程实施后仍然较大，河岸受水力冲刷作用严重，为确保防洪安全还要采取加固整治措施。

表3 不同工况下流速模拟值 m/s

4 结 论

为准确模拟太子河鞍山段河道堤防治理前后的防洪安全状态，结合相关资料构建了水动力学EFDC模型，通过率定验证了模型的可行性与准确性。结果显示，水流速度、水位与率定模拟保持较高的一致性，在预测分析河流防洪能力方面EFDC模型具有较强的实用性。在设计水位为20a、50a一遇工况下，堤防整治工程在一定长度上降低了堤顶高程，显著提高了整个河流的防洪能力，能够满足河道行洪排涝的要求。

天然顺直段河流的流速较为稳定，大流速区一般集中在河道拐弯处，下游及沿岸的安全受河堤、河道冲刷作用存在安全隐患。为解决此问题太子河鞍山段堤防治理项目采取了有效的工程措施，通过拓宽流速较大区域的河道保证了沿岸的防洪安全。

根据沿岸土地利用和建筑物分部状况，充分利用现有堤线，采取堤岸分离布置、拓宽和退堤等措施，不仅可增大原河道水环境容量、河流的泄洪能力以及过水断面面积，而且大大降低了洪水水位和水流速度，为保证河道防洪安全特别提供了重要保障。