基于水动力模型的南昌高铁东站规划水系设计洪水计算

刘颖婧，王为群，赵 刚

(上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司，上海 200125)

南昌高铁东站区域东临抚河故道，北靠瑶湖(赣江南支)，西至瑶湖水系与艾溪湖(南塘湖)水系分水岭附近，南至昌南大道，区域内河湖沟渠交错。该区域属洪涝灾害威胁严重区，也是水利基础设施应该密集实施的区域。但是该区域现状工程水系较为散乱，且规模偏小。

在全球气候变暖及城市化进程加快的大背景下，城市水循环过程改变，导致极端降水事件增多[1]，“城市看海”现象时常发生，城市化改变了地表天然的产汇流条件，下垫面的硬化减小了下渗[2- 3]，天然调蓄水体锐减，地表产流量加大，汇流速度加快，当短历时强降雨和城市化影响叠加，形成脉冲式暴雨洪水，致灾速度极快。

南昌东站作为未来南昌的城市核心区域，区位重要，人员密集，暴雨条件下排涝压力巨大，其排涝的能力与河道规模亟待提升。规划拟对现有河道清淤、拓浚、延伸，并开挖新建河道。

传统的设计洪水计算方法难以精确模拟[4]，采用数值模拟软件进行分析研究很有必要，在我国应用较广泛的有Mike系列、Delft 3D、HEC-RAS等[5]，前人学者基于上述软件在设计洪水的计算模拟方面做了许多有益的研究[6- 11]，本文将采用Delft 3D Flexible Mesh软件进行分析研究。

工程区域规划内涝防治标准为50年一遇，即要求工程区域在50年一遇的暴雨工况下不会发生内涝。该地区结合过往的工程设计经验对区域内河网水系的规划渠底高程、最高水位、河道断面等水利要素进行了规划设计，但是对于规划河网水系在50年一遇暴雨发生时的是否能保证安全尚不清楚，故需通过数学模型来模拟和预演50年一遇暴雨工况下工程区域河网水系的水位及水动力情况，并通过对模型结果的分析研究，对现有规划设计要素进行一定的调整，为开展本工程水利相关设计工作中确定一些关键参数提供一定的参考和依据。

1 水动力模型的建立

1.1 模型原理

Delft3D Flexible Mesh模型对浅水适应性高[12]，其Flow模块采用非结构网格，该模块主要是在浅水假设(垂向加速度远小于重力加速度，模拟区域的垂向水深尺度远小于水平长度尺度)、Boussinesq近似假设(密度的变化仅在水平压力梯度项中考虑)、不可压缩流体假设以及紊动的雷诺平均假设下求解Navier-Stokes方程，在求解方法上基于有限差分法中交替方向隐式ADI法进行离散求解。

1.1.1连续性方程

(1)

式中，ζ—参考面(z=0)以上的水位，m；d—参考面以下的水深，m；U、V—x，y方向上的平均流速，m/s；Q—单位面积上由于降雨、蒸发及水流流入流出引起的水量变化值，排水、引水、蒸发或者降水等引起的水量变化。

(2)

式中，qin、qout—每体积单元的当地源项和汇项；P—降雨的非当地源项；E—蒸发的非当地汇项。标注的吸入量，例如取水口取水被视作一个汇项。在自由表面，降雨是一个源项，蒸发是一个汇项。

说明：在该模型中，源项是表示水从外界进入计算域的项，如降雨、排水口排水等；汇项是表示水从计算域离开的项，如蒸发、取水口取水等。

1.1.2动量方程

水平x方向：

(3)

水平y方向：

(4)

式中，u、v、w—x、y、σ方向上的速度分量，m/s；f—柯氏力参数，1/s，取决于地理纬度和地球自转的角速度，北半球公式为f=2Ωsinφ，φ—地球纬度，Ω—地球自转的角速度；ρ—水体的密度，kg/m3；Pu、Pv—x、y方向的静水压力梯度，kg·m-2·s-2；Fu、Fv—x、y方向的紊动动量通量，m/s2。

1.1.3水工建筑物

在FLOW模型中，将水工建筑物定义为一种阻水效果。水工建筑物包括阀门、坝槛、拦河闸、堤坝、多孔桥、防波堤和堰等。水工建筑物造成的能量损失为水流的底部摩擦损失，在水工建筑物所在位置外加一个限制到动量方程当中，将额外的能量损失参数化，该项为含有收缩系数或排放系数的摩擦项形式。

1.2 建模范围

本模型计算范围西起联通渠道、罗家二路排水渠，东至规划四干渠，南起规划总干渠，北至规划六干渠及规划天祥河。整个模型范围包含总干渠、四干渠、六干渠、联通渠、罗家二路排水渠、天祥河、谢埠河、板溪湖等众多河湖，共同构成了工程地块的河网水系。

对工程区域水系情况进行分析后，确定模型入流及出流边界位置如图1所示。入流边界2个，分别为西侧总干渠入口、西侧联通渠入口；出流边界6个，分别为罗家二路排水渠出口、六干渠出口、天祥河出口、四干渠出口、板溪湖北出口、板溪湖南出口。

图1 河网水系模型概化情况及出、入流边界示意图

需要说明的是，在确定建模具体范围时，由于总干渠、四干渠、六干渠上述3条规划河道为灌溉渠，属于工程区域内的高水系统，为保护两岸农田并不承担行洪功能，不允许水体溢出堤顶，故上述3条河的网格范围为河道两岸陆域控制线范围内。

而对于东侧的天祥河、谢埠河、昌东三路渠等，这些河道结合海绵城市相关设计理念属于工程范围内的景观低水系统，在丰水期由于暴雨导致河道水位高涨时允许河道中的水体溢出河道堤顶，即河岸两侧的绿廊系统也可容纳部分河道中的水体，故上述河道的建模范围为河道两岸绿廊外边线范围内。

1.3 模型网格

由于本工程区域范围内规划水系河网发达、河道曲折蜿蜒，水系形态复杂，故本研究中网格形态选择采用非结构网格即三角网格，具体方法为运用SMS 9.0软件进行网格剖分，以期使模型能够更好的贴合实际岸线并复演工程区域水系的实际情况。

模型网格细部如图2所示，网格间距5～10m，网格数25335个。以正交性系数<0.02为标准，对打好的网格进行正交性检验，对局部不满足要求处进行调整，以保证模型运算的准确性。

图2 模型网格细部图

1.4 模型地形构造

地形插值也是构建水动力模型一个十分重要的前处理步骤，地形插值的精细程度和准确性将直接影响模拟的效果。本研究中工程地块的河网水系规划河道地形根据水工结构专业设计的规划河道断面高程方案进行细致构造。模型河网水系插值地形如图3所示。

图3 模型河网水系插值地形

对于工程范围内的景观低水系统规划河道，暴雨时可由绿廊容纳河道溢出水体，为准确模拟和反映暴雨条件下上述河道的水位变化情况，故在本模型中对上述3条河道的地形塑造十分精细，绿廊宽度近似取两岸各20m；而工程范围内3条灌溉渠由于受闸门人为控制，水位较为恒定，不承接雨水排水，故对其地形作一定程度的概化处理。

1.5 模型边界条件及基本参数设置

本模型为二维数学模型，考虑垂向平均，采用大地坐标，85高程，投影系为北京54坐标系。模型投影中央经度：117°E，考虑科氏力的作用，模型纬度：28.15°N。

(1)边界条件

入流边界：各水体最高流量控制，见表1。出流边界：各水体最高水位控制。见表2。

表1 模型入流边界条件

表2 模型出流边界条件

(2)糙率

河床糙率(曼宁系数表示)根据过往相关工程项目经验设为0.023。

(3)计算步长

计算时间步长：30s，结果输出时间步长：1h。

(3)泵站规模

工程区域板溪湖出口处现状设有电排站1座，排涝能力为2.2m3/s。

2 50年一遇设计暴雨工况

根据住建部下发的《城市排水(雨水)防涝综合规划编制大纲》，通过采取综合措施，省会城市中心城区能有效应对不低于50年一遇的暴雨。

由于南昌市为江西省会城市，高铁东站日后将成为其大力发展的重点区域，结合南昌市城市防洪治涝规划，故将南昌高铁东站区域的治涝标准确定为50年一遇一日暴雨不淹重要建筑物。

工程区域50年一遇的设计暴雨24h时间序列实测数据如图4所示，发生时段为2019年7月14日8：00至7月15日8：00。

图4 工程区域50年一遇24h降雨量实测数据时间序列图

结合针对该区域所做的雨水管网模型相关成果，将设计暴雨实测数据转化为区域内各雨水排口汇入河道的雨水流量，将降雨对研究区域内河道的影响以点源的方式添加到水动力模型中加以考虑和反映，如图5所示。

图5 工程区域雨水管网排河口点源位置图

3 模型计算结果与分析

为定量反映50年一遇设计暴雨工况下工程区域河网水系的情况，设置若干观测点及观测断面，布设位置如图6所示。

图6 模型观测点位置示意图

3.1 低水系统水位计算结果与分析：

根据上位规划，高水系统各灌溉渠不承担排涝任务，雨水管网在灌溉渠不设入河排放口，故先分析低水系统各规划河道在现状泵站排涝规模下遭遇50年一遇设计暴雨时的水位变化情况，如图7所示。

由图7可知，工程区域低水系统的各规划河道内的水位峰值均出现在14日的21：00至22：30之间，而暴雨的峰值出现在20：00，说明暴雨对河道的水位雍高作用存在一定的滞后效应。

图7 观测点设计洪水过程线模型结果

根据模型结果，天祥河的水位峰值约为17.42m，谢埠河的峰值水位约为17.49m，两条河的水位峰值均出现在7月14日22：00；板溪湖的水位峰值约为17.49m，出现在7月14日22：30，比天祥河与谢埠河水位峰值出现时间晚0.5h，这也说明相对下游比上游峰值出现的时间要晚，相对下游区域不断承接上游来水，其水位峰值出现时间将进一步滞后。

水镜湖的水位峰值约为17.45m；昌东三路渠的水位峰值约为17.49m；二者水位峰值均出现在7月14日22：30。这主要是由于丰水期高水系统与低水系统之间的闸门关闭，水镜湖与昌东三路渠未从西侧高水系统承接水体，仅承接东侧低水系统水体，而在这种情况下水镜湖与昌东三路渠在东侧局部水系中部，上下游均受水体顶托，水位较难短时间内下降。

经过24h排涝后，低水系统各规划河道测点水位见表3。

表3 规划河道排涝24h后水位情况

由表3可知，在现状排涝泵站规模下，排涝24h后板溪湖内水位为17.15m，仍高于上位规划最高水位，谢埠河下游水位为17.16m，也仍高于上位规划最高水位；泵站工作时长主要看板溪湖的水位下降情况，由表3可知，泵站排涝24h后板溪湖的水位仍未降至停排水位，故现状排涝泵站规模不能满足50年一遇设计暴雨工况要求，需对现状排涝泵站进行提标改造。

3.2 高水系统水位计算结果与分析：

工程区域内各高水系统规划河道不承担排涝功能，雨水管网不向高水系统各灌溉渠排放雨水，且排涝泵站位于工程区域东南角低水系统内，50年一遇暴雨工况下高水系统与低水系统之间闸门关闭，因此工程区域内各高水系统规划河道内的水位情况与泵站排涝设计规模无关，不受其影响。

对高水系统内各规划河道在50年一遇暴雨工况下的水位数值模拟结果进行整理分析，见表4。

由表4可知，在50年一遇设计暴雨工况下，工程区域内各高水系统规划河道的水位模拟结果均较上位规划最高水位有15～40cm左右的提高，说明在50年一遇暴雨情况下，高水系统各规划河道内的水位雍高现象十分严重，其中，总干渠河道的水位值高于水工结构设计方案中总干渠的设计堤顶高程，见表5，对河道的防洪安全存在不利影响，需对目前规划河道堤顶高程设计方案进行提标优化。

表4 50年一遇设计暴雨工况下高水系统各规划河道最高水位情况表

表5 50年一遇设计暴雨工况下高水系统各规划河道最高水位与设计堤顶高程对比表

4 结论

本文建立了区域河网水系的二维水动力模型，计算预演并研究该区域在50年一遇的设计暴雨条件下的洪水演进过程及特征点最高水位，主要结论如下：

(1)经水动力数值模拟分析研究，对于工程区域低水系统规划河道天祥河、谢埠河、昌东三路渠、板溪湖、水镜湖，在降雨峰值时段上述河道水位由于河道雍水作用会超过规划最高水位，在现状排涝泵站规模(2.2m3/s)下，排涝24h后板溪湖、谢埠河等河道水位仍高于17m，故现状排涝泵站规模不能满足50年一遇设计暴雨工况要求，需对现状排涝泵站进行提标改造。

(2)对于工程区域高水系统规划河道总干渠、四干渠、六干渠在50年一遇设计暴雨工况下，工程区域内各高水系统规划河道的水位模拟结果均较上位规划最高水位有15～40cm左右的提高，说明在50年一遇暴雨情况下，高水系统各规划河道内的水位雍高现象十分严重，其中，总干渠河道的水位值高于水工结构设计方案中总干渠的设计堤顶高程，对河道的防洪安全存在不利影响，建议提高规划总干渠河道的设计堤顶高程。

上述水动力模型的建立与计算研究为南昌东站规划河网中各条河道的河道整治工程建设提供关键参数的设计依据，也为后续类似工程的规划设计工作起到了一定的参考作用。