基于二维数值模拟的河道洪水影响研究

2020-11-05赵海波

黑龙江水利科技 2020年10期

赵海波

(辽宁省白石水库管理局有限责任公司，辽宁朝阳 122000)

0 前言

湿地具有蓄滞洪水[1]、净化水质[2]、涵养水源[3]、地下水补给[4]、生物多样性[5]以及调节生态环境等特殊功能[6]，对于湿地淹水或饱和水深、时长、时机等水文属性国内外多运用数学模型与水文分析相结合的方法研究，从而为运行和保护河滩湿地提供指导。“湿地河道”设计方案逐渐被引入中国河道治理领域[7-8]，如将湿地公园建于原河两侧滩地，结合非工程与工程措施恢复河道走廊生态功能。大凌河地处辽西低山丘陵区，主脉贯穿辽西，东南汇入渤海，沿河景观变化剧烈且经济发展迅速，对保障居民生活与工农业用水、保护区域生态环境发挥着重要作用。大凌河干流长522km，流域面积23 263km2，流域范围内以山地丘陵(89%)为主，极少数为平原(11%)，属于典型的山区性河流，水文特征呈河床狭窄、含沙量大、季节性强、径流分配不均、泄洪能力差，极易发生洪涝灾害。为客观揭示河流洪水演变规律，对河道及周边湿地水流特征利用搭建的平面二维水流数学模型模拟分析，可为流域防洪规划设计和明晰湿地蓄滞洪水的作用提供指导。

1 水动力数学模型

1.1 一维模型率定

1)以一维非恒定流Saint-Venant方程组作为一维水动力模型控制方程，其中动量方程、连续方程反映了动量守恒定律和水流质量守恒定律，表达式为：

(1)

(2)

式中：Q为水流流量，m/s；R、h为水力半径和水位，m；A为过水面积，m2；q为侧向入流，m3/s；α、C为动量修正系数与谢才系数。

2)模型边界条件。通过概化处理河网水系，将大凌河概化成主干河道及其支流，其中干流段以三源汇合后流经朝阳、北票、锦州至渤海段为主，主干支流以牤牛河、老虎山河、细河、清河为主。根据实测资料概化大凌河断面，以5m间隔划分断面，部分河段间隔10km，模型中干流、支流断面数为56处和41处。考虑到选择干流处作为湿地研究区，设置水位模拟计算的断面桩号如表1。其中，1-1断面、16-16断面对应于南北西三源汇合处和大凌河汇入渤海处。采用一维恒定流模型计算河道水面曲线，并以1-1断面、16-16断面作为模型上、下边界，利用推理公式法、曼宁公式Q=1/n×A×R2/3×J1/2推求设计洪水和水位流量。断面设计水位与模拟水位值(P=10%)，见表1。

表1 断面设计水位与模拟水位值(P=10%)

3)水位率定。通过对比分析大凌河综合治理工程可行性研究报告与模型计算结果，进一步验证模型的可靠性与合理性，各断面水位设计值与模拟值。

下游出口水位-流量关系，见表2。考虑到研究河段缺乏水文数据资料，采用查算暴雨手册与推理公式法确定设计水位值，并对水面线利用能量法按从下而上的持续逐段推算。设计值与计算值经率定计算，两者存在较高的吻合度，相对误差与绝对误差均符合模拟精度要求，糙率取值区间为0.022-0.025。

表2 下游出口水位-流量关系

1.2 二维控制方程组

采用Navier-Stokes方程组描述水流运动规律的基本条件是水流为不可压流，并且符合静水压力假设和布辛涅斯克(Boussinesq)假设。然后运用有限体积法对非结构化网络的模型平面数值求解，其动量方程和连续性方程为[9]：

(3)

(4)

(5)

式中：c=(1/n)h1/6；x、y、t为空间与时间坐标；h、z为水深和水位；U、V为x、y方向的流速；u、v为x、y方向上河道平均流速分量；c、n、vt为谢才系数、曼宁糙率系数和紊动黏性系数；g为重力加速度。

1.3 二维模型求解

1)边界条件。以湿地进、出口处作为二维模型的上下边界，模型沿河道长50.2km，并以天然地形构成模型的左右边界，按一定高程合理划定地形等高线[10]。设定模型上下游进出、口边界条件：红粉流量设计频率取p=10%，出口断面水位-流量关系利用曼宁公式推求。湿地出口水位-流量关系，见表3。其中，水流边界的切向流速不为零而固定边界的法向流速为零，其处理方法为壁面函数；以初始时刻区域内各点的流速、水深等物理量，作为模型的初始条件。

表3 湿地出口水位-流量关系

2)参数设置。根据《水力学》中滩地糙率系数n值表及湿地植被情况、区域内地形条件等，合理确定湿地糙率n取0.05，并利用一维断面糙率率定值设定河道糙率，经插值运算生成糙率场。湿水深度取0.1m、干水深取0.05m、淹没水深取0.005m，取模型水平涡黏系数0.28。

1.4 二维网格生成

采用非结构三角网格按照研究区地形特征、边界条件，对概化后的河网水系合理剖分。

1)工况1：最大网格步长0.2km，生成二维河道网格数1352。

2)工况2：最大湿地和最大河道网格步长0.5km、0.1km，加密河道网格，生成湿地加河道网格总数10612。

3)工况3：最大步长与工况2相同，生成涵洞加湿地加河道网格数12047，由北向南设置涵洞位置，设置涵洞尺寸宽6m、长15m，设置涵洞间隔约50m，共布设涵洞3个。

2 洪水模拟计算

2.1 水位过程分析

洪峰流量10a一遇条件下，同一河段水位差最大值达到1.06m，其最高、最低水位为82.76m和81.70m，为满足防洪要求应对岸堤高程加高。河滩湿地的增设可降低最高水位0.46m，并在一定程度上降低区域整体水位。由于公路的阻隔使得湿地被分为上、下游两块区域，原本主河道过水断面收缩且行洪区形成束窄，水位落差在上下游湿地间比较明显达到0.32m，水位壅高对上游湿地全域范围产生显著影响，洪水流入下游湿地促使水位快速下降，水流扩散较大，下游水位较工况1最高下降0.45m。在湿地的基础上增设涵洞有效缓解了上游水位壅高现象，较工况2上游湿地最高水位下降0.16m，由于涵洞的分流作用河道束窄区域上下游湿地水位落差为0.18m，回水水域减小有利于稳定公路地基。局部水位壅高现象存在于涵洞添加位置，但其影响范围、程度可忽略不计。束窄处水位落差较未加涵洞情况减少0.20m，对保护束窄区域河岸安全和湿地行洪发挥着积极作用。

2.2 流场过程分析

在河道汇流束窄处出现最大流速为2.51m/s，深入分析可知平均水流速度为1.07m/s。通过模拟河滩湿地工况发现，受束窄区域影响河道束窄处仍然出现最大流速2.65m/s，局部流速的增大对河岸稳定造成不利影响，洪水易对此处区域产生冲刷侵蚀作用；此外，束窄处水流情况复杂易出现断面水位雍积、上下边界回流和绕流现象；湿地的存在能够在一定程度上扩散水流，并大大降低主河道流速，经计算河道平均流速降低至0.50m/s。根据模拟分析的涵洞加湿地工况可知，涵洞的增加明显降低了上、下游河道流速，较湿地情况进一步将流速降低至0.37m/s；另外，上下游湿地由于增加的涵洞取得连通，在一定程度上起到分流作用，虽然相对于湿地其流速极值未发生明显变化，但明显降低了束窄流速，经计算束窄流速降低至1.62m/s，可有效防止岸坡失稳、水流冲刷等作用，并进一步降低河道整体流速。

2.3 控制点的对比

将5个控制点沿主河道沿程合理布设，控制点水位与流速分析，控制点对比分析，见图1。从图1可知，河道水位受湿地作用明显下降，涵洞的增加有利于减少上下游水位差，并进一步降低上游湿地水位，水流速度更加平缓且上下游水位差明显减少。湿地工况下控制点2处水面束窄，由此产生一定的顶托效应，涵洞的增加可有效缓解水面束窄处的顶托效应，并将上游水位减少约0.2m。在控制点2到控制点3段工况2、3发生水面最大比降，其原因为下游存在的湿地能够对水流产生扩散作用，有利于降低沿程洪水位和削弱洪峰流量，这也体现了湿地的效峰、防洪减洪等功能。从图1(b)可知，湿地的增加可在一定程度上降低各控制点流速，其中流速下降最大的为特征点4，对于洪水分流湿地发挥着显著成效。此外，涵洞加湿地工况显著降低了束窄区域流速，综合应用涵洞、湿地措施对减缓河流主流流速发挥着明显作用，对于缓和急流河道具有较强适用性。