基于水动力数值模拟的沙河流域城镇内涝治理研究

2022-11-30王艳

陕西水利 2022年12期

王艳

（广东省水利电力勘测设计研究院,广东广州 510635）

近年来,随着城市化进程的不断加快,城市的规模逐步扩大,城市化发展中区域受到内涝威胁,极端天气和强降雨是自然诱因,设计标准及城市下垫面变化、治涝工程排涝能力不足是客观原因,而区域防洪排涝特点、地形地势、水系分布情况则是治涝的关键。本文以发展中城镇龙溪为例,利用MIKE11 软件建立一维水动力计算模型,在分析现状排涝格局、下垫面条件的基础上,根据地区发展规划提出适宜的内涝治理措施。

1 研究区概况

1.1 区域概况

研究区位于惠州市博罗县龙溪街道,地处沙河流域中下游,面积119 km2,区内金融、劳务、教育、文化、医疗、通信、供电、供水、水利等公共配套基础设施完善,五金电子、环保和制鞋三大产业较为发达。目前龙溪街道内大大小小排渠33 条,总长118.43 km；灌渠13 条,总长65.68 km,其中银河、罗阳排渠及太平山排灌渠为龙溪街道内的骨干排涝河道,总长24.36 km。

1.2 现状地面高程

根据龙溪镇1∶10000 地形图,结合现状情况,对龙溪镇现状地面高程进行统计分析,见图1。银河排渠片区现状下游主要为农田,大部分区域地势低洼,低洼处地面高程主要在4 m～6 m 之间；中部为建成区,根据土地利用规划,用地性质为行政、工业、商住用地等,50%以上地面高程集中在7 m～8 m,80%以上地面高程集中在5 m～8 m；上游主要为农田,地势平坦,周围被山地包围,80%以上地面高程集中在7 m～12 m。

图1 研究区域地面高程统计图

罗阳排渠片区现状下游主要为农田,农田地面高程在4 m～6 m 之间,其中罗阳排渠出口附近及礼村运河两侧的村庄地势相对较高,地面高程主要在8 m～12 m 之间。上游为建成区和山岭,建成区根据土地利用规划,用地性质为行政、工业、商住用地等,其靠近东江附近地势较高,地面高程主要在7 m～8 m 之间,内部建成区地面高程主要在6 m～7 m 之间；山岭位于建成区东侧,最高海拔191.17 m。

1.3 排涝模数

随着龙溪街道内社会经济的发展,已从传统的农业区域演变为半城镇、半农业地区,区域内的保护对象、排涝标准、排涝要求均发生了变化。因此综合考虑龙溪街道内城镇、农业分布情况,区域规划非间和规划城镇空间,分别采用平均排除法和峰值平均排除法进行排涝模数计算,根据规划非城镇空间和规划城镇空间的面积权重计算龙溪街道的综合排涝模数。

权重计算综合排涝模数,公式为：

式中：qp为综合排涝模数,m3/（s·km2）；qd为城镇区域的设计排涝模数,m3/（s·km2）；qw为农田区域的设计排涝模数,m3/（s·km2）；Ad为城镇区域面积,km2；Aw为农田区域面积,km2。

根据计算得到龙溪街道的综合排涝模数为1.187 m3/（s·km2）,而龙溪街道现状排涝模数仅为0.65 m3/（s·km2）,无法满足龙溪街道规划设计排涝标准。

1.4 排涝总体布局

对镇街47 条排灌渠系梳理的基础上,结合区域地形图、市政路网、排水管网结构等,划分出17 个排涝片,综合考虑各个排涝片规划用地情况及涝水排除特征,因片而宜,采用自排、蓄排、蓄排辅以抽排的不同排涝模式,将区域内产生的涝水通过银河排渠、罗阳排渠和礼村运河排入外江。

2 水动力模型建立

根据研究区实际情况,区内排水系统由河流水系和排水管网共同建立,在降水（洪水）过程中,水流不断排水系统中发生流入和溢出,水流情况较为复杂。区内设计洪水主要来自于上游下泄洪水和区内洪水,总体流向单一,主要为支流汇入干流,干流汇入马嘶河及东江,采用MIKE11 构建一维河网水动力模型,对研究区内水流水动力情况进行模拟计算,模拟范围为龙溪街道内主干排渠共17 条及太平山排灌渠1条。

2.1 计算原理

2.1.1 水动力方程

水动力求解核心方程式为圣维南方程组,如公式（1）：

式中：Bs为河宽；h 为河道断面水位；t 为时间节点；Q 为断面流量；x 为空间节点；q 为旁侧入流流量；为动量修正系数；A 为过流面积；g 为重力加速度；C 为谢才系数；R 为水力半径。

由于维南方程组属于一阶拟线性双曲型偏微分方程组,无法求出其通解,故带入初始条件及边界条件推求近似解,MIKE11 在求解圣维南方程组时,采用Abbott 6 点隐格式法进行离散求解,计算时交替计算水位（h）点和流量（Q）点,见图2。

图2 Abbott 格式Q-h 交替图

方程离散时,过流流量Q 只与空间节点x 有关,以水位点h为中心,连续方程Q 对x 求偏导,见图3,以Q 为中心进行差分离散得方程组（2）。采用追赶法进一步求解。

图3 Abbot-lonescu 六点隐格式差分示意图

2.1.2 堰流计算

本次模型堰流计算公式采用Villemonte 公式,如公式（3）、（4）：

式中：Q 为通过堰的流量；W 为宽度；C1为堰系数1（weircoefficient）；C2为堰系数2,由C1换算得到关系式；Hus为上游的水位；Hds为下游的水位；Hw为堰顶高程。

2.2 模型建立

MIKE11 水动力模型构建包含4 类数据文件：河网文件（.nwk11）、断面文件（.xns11）、模型参数文件（.hd11）、边界条件（.bnd11）。

2.2.1 河网文件

河网文件主要起定义河道名称、走向及连接关系及相关水工建筑物调度规则,定义集水区域的汇流位置、布设计算点的作用,本次模拟共建立河道17 条,研究区内15 条,总长61.52 km,外江2 条,总长34.22 km。

采用MIKE11 结构物模块（SO）,模拟各种水工建筑物,本次模拟运用MIKE 11 SO 模块中的culvert（涵洞）功能概化河道中的桥梁,添加weirs 结构物可以概化河道外蓄滞洪区与河道连接处的堤岸,通过control structure 概化河道中的水闸和泵站。本次规划根据实际情况进行上下游连接,建立水闸8 座,泵站5 座。

2.2.2 断面文件

断面文件用于计算河道各断面随水位变化的水力参数：Cross section area（过流面积）、Radius（水力半径）、Stotage width（水面宽度）、Add.storage area（附加蓄水面积）、Resistance factor、（阻力系数）、Conveyance（流量模数）。构建断面文件时,河流名称（River name）、标识（Topo ID）、里程（Chainage）需与河网文件设置相同。本次模型构建河道断面数据采用2020 年河道实测数据,共399 个断面,见图4。断面初始水位为常水位,初始流量为0。

图4 断面文件示意图

2.2.3 参数文件

参数文件包含众多属性页,本次模拟绝大部分属性页保持默认值。根据研究区实际调查情况和河水断面现状,参照相关工程经验,河床糙率初始值取为0.03。

2.2.4 边界文件

本次模拟根据研究区域与流域洪潮遭遇分析,确定流量边界条件和水位边界条件。采用龙溪街道内发生10 年一遇设计洪水时,遭遇沙河5 年一遇设计洪水过程和东江相应多年平均高潮水位过程。其中,流量边界根据研究区各排涝分区不同标准,分别计算平均排除流量,采用沿程分布方式进行归槽计算确定；水位边界按照对排涝偏不利考虑,选择低潮偏高的潮型,见图5。

图5 研究区主要控制站点(断面)多年平均高潮水位过程线

2.3 模型识别与验证

本次模拟选择研究区内实测2018 年6 月27 日暴雨过程进行模拟,通过对比银河水闸与罗阳水闸的实测闸前水位,结合暴雨期间实际调查现场洪痕及当地水情记录,模拟计算结果与实际暴雨下的区域漫堤情况基本一致,可用于研究方案计算。

3 数据分析及结论

区域内主要分为银河排渠片区、罗阳排渠片区两个较为独立的片区,每个片区内干流河道作为所有支流的直接承泄河道,排水出路单一。研究区设计洪水频率以10 年一遇加入模型进行洪水淹没模拟,根据研究区未来规划,以农田为主的片区考虑80%地面标高提出控制水位。以镇区为主的片区,采用片区内已开发部分90%地面标高提出控制水位。

3.1 方案实施前

按照各片区排涝标准,计算区域水位变化。银河流域内除夏寮排渠片区,其余片区主干河道均会出现漫堤,漫堤时间在6 h～38 h,导致镇区无法将涝水即使排入河道,造成镇区水浸。因此银河排渠流域内现状排涝工程规模无法满足大部分片区的排涝需求。

罗阳排渠流域内,各片区均自流汇入下游片区,由罗阳排涝站控制整体排涝情况,当10 年一遇设计洪水时,遭遇沙河5 年一遇设计洪水及东江多年平均潮位过程,礼村运河可自排部分涝水进入东江,但由于闸内外水位差较小,自排流量较小。根据计算结果可知,按照各片区排涝标准,下游片区漫堤情况较少,上游各片区由于受到下游片区内河道水位顶托、自身河道规模、堤顶高程影响,片区内主干河道较多出现漫堤,漫堤时间在29 h～42 h,导致部分镇区无法将涝水排入河道,造成水浸,因此罗阳排渠流域内现状排涝工程可满足部分片区排涝需求。

南北排渠、银河排渠干流及罗阳排渠下游段的堤顶高程已明显高于周边地势,不建议再大范围加高堤防。

3.2 方案实施后

针对龙溪街道排涝问题,同时结合区域内排涝模数及数模计算,研究提出清淤疏浚、堤岸整治、河道拓宽、水系连通、水闸泵站等综合措施。通过加固河堤、清淤疏浚及水系改造等措施实现分片控制,使水系形态、组合及衔接方式有利于行洪排涝。同时,充分利用鱼塘改造及新建调蓄湿地,发挥其调蓄作用,减轻河道行洪压力和区域内涝灾害。数模计算结果见图6。