城市平原感潮河网地区涉河工程防洪影响计算方法研究

钱 真，孔令婷，陈长太，贾卫红

(上海市水务规划设计研究院(上海市海洋规划设计研究院)，上海 200233)

城市平原感潮河网地区，社会经济活跃，城市内河除了具有行洪、除涝、航运功能外往往还兼有景观生态、旅游休闲等复合功能，常伴有在河道管理范围内的建设活动，其中非防洪类建设项目称为涉河项目，根据相关规定应开展防洪评价。在防洪影响评价中，水文、水动力数值模型被广泛应用。袁雄燕等[1]采用二维数学模型计算分析了长江下游某支流某拟建桥梁和某电厂取水建筑物兴建前后对河道水位及河势的影响情况；曾慧俊[2]利用MIKE21软件构建河段二维水动学模型对长江下游芜湖段内涉河工程开展洪水影响分析；胡向阳等[3]应用集总水文模型和长江中游河湖洪水演进水动力学模型分析长江中下游沿江泵站排涝对干流防洪的影响；徐卫红等[4]应用MIKE软件构建一维水动力学模型，结合一般冲刷和桥墩局部冲刷公式分析山区河道内阻水桥梁的防洪影响；庄宝庆等[5]构建了武澄锡虞区水文-水动力河网模型用于研究望虞河西控工程建设对区域的防洪影响。从已有的研究中发现，河段平面二维水动力模型因能较细致模拟工程附近水域水流变化，被更多地应用于边界处水动力条件明确的单体涉河工程中，一维河网水文水动力模型在模拟全水系、雨洪全过程、复杂引排关系时更具优势[6- 9]。

在平原感潮河网地区，河道水流受上游来水和下游潮位共同作用[10]，洪涝难分，城市化也破坏了原有水文条件的一致性，城市防洪除涝标准一般通过设计暴雨反映；同时，这些地区多采用两级排涝模式[11- 12]，内河也多建有泵闸，河网内水流分片调控。因而，对于河网内单独一条河段建立的水动力模型往往难以给定合适的边界条件，为此，本文构建并嵌套使用一维河网水文水动力模型和河段平面二维水动力模型，以上海市苏州河上四行仓库游览码头工程为例，通过一维河网水文水动力模型计算在设计标准暴雨条件下河段平面二维水动力模型的边界条件和区间入流，利用河段平面二维水动力模型详细研究工程前后水位、流量及流速的变化情况，分析工程对苏州河防洪影响，为工程建设提供科学合理的依据。

1 研究区域及工程概况

1.1 苏州河水系

苏州河亦称吴淞江，发源于东太湖的瓜泾口，自青浦区赵屯入上海市，至外白渡桥入黄浦江，全长约125km，其中上海市境内称苏州河，长约53km，河面宽50～70m。苏州河位于平原感潮河网地区，水系发达，汛期不仅要承担太湖流域过境洪水，还要承接沿线两岸地区涝水。河口处建有水闸调控与黄浦江相隔，沿线36条主要支流均已建闸控制，排涝泵站30座，沿线接纳28座市政雨水排水泵站。其干流沿线水文测站主要有北新泾、温州路、梦清园等。

1.2 工程概况

四行仓库游览码头工程位于上海市静安区，北临光复路，南至苏州河，东西方向介于西藏路桥和乌镇路桥之间。工程设计方案为码头由2艘钢质趸船构成，趸船采用钢管桩定位，两侧定位桩直径600mm，2艘趸船间定位桩直径为800mm。趸船一侧置1座铝合金引桥，一端搁置在趸船上，另一端搁置在钢平台上，平台基础采用2根直径600mm钢管桩作为基础，如图1所示。

2 研究方法

2.1 苏州河水系一维河网水文水动力模型

在平原感潮河网地区，城市河网水流计算采用感潮河网水文水动力模型。根据不同的产流规律，降雨径流模拟将区域下垫面分成水面、水田、旱地、绿地和城镇道路等有覆盖的下垫面，按照水文学的原理和方法分块计算区域的产汇流[5- 6]。河网水动力模拟基本方程为Saint-Venant方程组，数值离散采用成熟的四点线性隐格式，使用矩阵标识法求解河网节点水位方程组[7]。为了模拟苏州河河网水系水流特征，研究区域内河网被概化为2503条河段、2010个节点，其边界条件包括沿长江口、黄浦江潮水位过程、苏州河上游水位过程以及研究区域分区降雨，还考虑了282座水闸以及对应的抽水泵站等防洪排涝控制工程和28座苏州河沿线市政雨水排水泵站，如图2所示。

按照水文学的原理和方法分块计算区域的产汇流。

降雨径流产水：

RZ=AWRW+AFRF+ADRD+AGRG+ARRR

(1)

式中，RZ—分区总径流深，m；AW、AF、AD、AG、AR—水面、水田、旱地、绿地和城镇道路的面积百分数；RW、RF、RD、RG、RR—水面、水田、旱地、绿地和城镇道路的径流深，m。

图1 码头工程平面布置示意图(单位：m)

图2 苏州河水系一维河网概化、河段平面二维水动力模型网格划分示意图

Saint-Venant方程组：

(2)

式中，B—断面河宽，m；Z—断面水位，m；Q—断面流量，m3/s；q—单位河长上的区间入流，m2/s；—动量校正系数；A—过水断面面积，m2；g—重力加速度，m/s2；Sf—摩阻比降。

综合考虑计算稳定性、数值误差及计算效率，时间步长一般设定为5～15min，空间步长由计算断面分布确定。初始条件：水位3.5m，零流量，即静水启动，经率定一维河网糙率取值为0.02～0.03。采用2017年4月15—24日期间的水文实测数据验证，受篇幅限制仅列出温州路、北新泾站点的水位计算成果，如图3所示。结果表明：计算的水位与实测值基本吻合，峰谷值误差一般不大于0.1m。

图3 温州路、北新泾站水位模拟与实测对比图

2.2 河段平面二维水动力模型

为了详细分析工程附近及上下游水域的的水动力条件情况，采用MIKE21 FM构建工程河段平面二维水动力模型，其基本方程包括连续性方程和动量方程如下：

(3)

(4)

(5)

式中，η—水面高程，m；d—水深，m；h—总水深，m；u、v—对应于x、y的速度分量，m/s；g—重力加速度，m/s2；ρ0—水体密度，kg/m3；pa—大气压强，Pa；S—源汇项的流量；Tij—水平应力项，包含粘性摩擦、紊动摩擦以及差动平流。

二维水动力模型的模拟范围：上游至北新泾，下游至苏州河河口。为更好拟合河岸、码头工程等边界，采用无结构三角形-四边形混合网格，并对工程附近局部加密，网格总数为30572个，网格最小尺寸1m，最大20m，模型区域及工程附近网格如图2所示。

根据模型网格尺寸及水下实际地形动态调整模型计算时间步长，使得CFL数小于0.8，满足模型稳定要求，水平涡粘系数采用Smagorinsky公式估算，二维模型的初始条件给定与一维河网模型类似，即静水启动。上下边界条件、区间支流汇入(排出)和市政雨水排水泵站的流量过程由苏州河水系一维河网水文水动力模型计算提供。综合河底泥沙冲淤和水深分布情况，经率定计算范围内的糙率系数一般在0.02～0.03。采用2017年04月23—24日期间的水文实测数据验证，以河段上温州路、梦清园为水位代表站，验证结果表明，计算的水位与实测值基本吻合，峰谷值误差一般不大于0.05m，如图4所示。

图4 温州路、梦清园站水位模拟与实测对比图

2.3 工程概化与计算方案

2.3.1工程概化

工程采用趸船、浮桥、钢平台等结构，通过定位桩固定，结构整体可过水，仅定位桩对水流产生绕流阻力。本文采用桩基位置增加有效拖曳力的方法，并在建模时对工程所在区域的网格尽量加密。

桩基有效拖曳力可表示为下式：

(6)

式中，ρ—水密度，kg/m3；γ—流线系数；C—拖曳系数；A—桩阻水面积，m2；v—流速值，m/s。

2.3.2计算方案

本次计算目的主要分析工程施工后对邻近水域防洪的影响，因此，根据《上海市防洪除涝规划(2020—2035)》，苏州河两岸主城区等重要地区采用30年一遇、其它地区采用20年一遇最大24h面雨量，1963年9月设计暴雨雨型及相应同步潮型。同时，相关除涝泵闸按照《上海市水利控制片水资源调度方案(2020年修编)》进行调度。在此计算水文条件下考虑2种工况：一是工程前，即未建码头；二是工程后，即已建码头。

3 结果分析

在拟定的计算条件下进行工程前后附近河段上下游断面流量比较计算，为分析工程前后附近水域流量变化情况，在该河段布置了3个流量代表断面。同时，为了分析工程对附近水域水位和流速的影响，在工程区上下游、主要涉水工程附近分别布置了5个计算比较点，如图5所示。

图5 流量计算比较代表断面、水位与流速计算比较点位置示意图

3.1 流量变化

工程前后，各断面最大流量和最小流量变化情况分别见表1。工程建设后，在拟定的水文条件下，工程所在河段的流量变化一般不超过0.03%。

表1 工程前后流量变化统计表 单位：%

3.2 水位变化

经计算统计，比较点位(SH- 1—SH- 5)工程前后的最高、最低水位增幅均为0.000m，工程最高水位时局部水位变化分布情况，如图6所示。工程建设后，工程附近的最高水位和最低水位变化微小，不足1mm。

图6 最高水位变化分布图

3.3 流速变化

统计计算比较点工程前后的最大流速变化，见表2，并给出局部流场变化分布情况，如图7所示。工程建设后，工程位置附近在拟定的水文条件下，仅在工程位置及下游约30m范围内有小于9cm/s的流速变化，流向变化幅度也在5°以内，河段主水道水流流态基本不受影响。

表2 工程前后最大流速变化统计表 单位：m/s

4 结语

针对城市平原感潮河网地区水流特点，研究提出了一种嵌套使用一维河网水文水动力模型和河段平面二维水动力模型开展涉河工程防洪影响计算的方法，通过河网水文水动力模型仿真城市河网系统雨洪过程，为二维水动力模拟提供边界条件，并以四行仓库游览码头工程的防洪计算为例。应用表明：该方法计算的工程前水位过程与实测资料吻合良好，能够反映水流真实情况；与单一数值模型的使用相比，该方法能较全面模拟工程河段与区域河网水系的水量交换和雨洪过程，并兼顾局部水流模拟，在城市平原感潮河网地区涉河工程防洪影响计算中更具适用性。