分汊河道不同治理方案的数值模拟

邵锦焯，翟丽嫦，刘晓鹏，李 偲

(广州市水务规划勘测设计研究院有限公司，广州 510640)

1 概述

分汊河道水流状态复杂，分流比的研究对工程实践意义重大。目前，二维水动力的应用较为广泛，在模拟河道水动力、建设项目涉河影响、桥梁阻水、河道内构筑物对水流变化的影响、工程方案优选等方面有较多的研究案例[1-7]。在分汊河道水流分析计算中，翟铎[8]等利用二维水动力模型对马汊河分洪道扩挖工程前、后的水流流态进行数值模拟，认为扩挖工程实施后，河道水位较工程前有所降低，可有效提高河道行洪能力。本研究通过MIKE 21FM建立增江分汊河道的二维水动力数学模型，对河道流场、水位、流量等进行数值模拟研究，分析河道水动力，揭示河道分流规律，拟定不同的治理方案，为工程实践提供参考。

2 数学模型简介

MIKE 21FM[9]基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，满足于Boussinesq和静水压力假定，是丹麦DHI公司的一个专业的二维水动力计算软件包，可用于模拟河流、湖泊的水流、流速、流量等变量，为工程规划设计、案例应用提供完备、有效的工作环境[10-12]。

3 增江及分洪道二维水动力模型

3.1 工程区域基本情况

3.1.1流域概况

研究区域位于增江流域下游。增江为珠江水系东江北干流支流，发源于新丰县七星岭，流经广州市从化区东北部后转入龙门县西北部，再折向南流，于增城境内正果接纳永汉河后，经正果、荔城、石滩三地，于观海口汇入东江北干流。增江多年平均径流量为35.9亿m3，干流河长为203 km，集雨面积为3 160 km2，其中广州市增城区境内长为66 km，平均坡降为0.17‰，集雨面积为970 km2。

3.1.2水文气象

本区域位于珠江三角洲地区，属亚热带气候，受东南亚季风影响较大。由于流域内地形多山，南部临近海洋，气流的抬升常带来长历时降雨，区域多年平均降雨量为1 830 mm。据新家埔雨量站实测，最大24 h降雨量为476 mm(1981年6月)。

3.1.3区域现状问题

近年来，增城区降雨范围、量级存在不确定性[13]，2020年的“5.22”和“6.8”两场长历时强降雨引发的洪水，具有强度大、影响广的特点，增江下游石滩镇区堤岸出现漫堤，较低地段的积水水深为1.0 m，造成较严重的经济社会影响。增江分洪道进口位于增江初溪水利枢纽下游约6.0 km处，分洪道进口至出口段的增江主河道长6.3 km、分洪道河道长7.7 km。研究范围的上游甩洲、下游新家埔平均河宽约400 m，而主河道最窄处仅有99 m，同时，河道内现状存在公路桥、铁路桥、生产便桥等涉水建筑物，河道行洪压力大。目前，分洪道经多年运行，河滩地高程较高，河道内兼顾农业生产的农田、鱼塘、果林滩地等影响分洪效果，导致分汊河道分洪比例不协调。增江及分洪道位置示意见图1，分洪道内现状滩涂见图2，分洪道内现状果林见图3。

图1 增江及分洪道位置示意

图2 分洪道内滩涂示意

图3 分洪道内果林示意

从水系演变分析，增江分汊河道自20世纪70年代前已成形，近年河道走势稳定，目前保留较为稳定的河道形态[14]。根据《增江中下游干流设计洪潮水面线复核》[15]，2008年6月27日，增江出现一次10 a一遇洪水过程，广东省水文局广州分局进行了现场监测，左汊(分洪道)过流为440 m3/s，右汊(增江主河道)过流为2 220 m3/s，分流比为16.5%。

3.2 数值模拟

本研究的数值模拟范围为增江及分洪道，上游为甩洲，下游为新家埔，其中增江主河道模拟河段长8.49 km，分洪道模拟河段长7.70 km，模拟水域面积为4.7 km2，并考虑花莞高速桥、增江大桥、广深铁路桥、犁耙渡便桥等建筑物对河道水动力变化的影响。

采用MIKE 21FM二维三角形网格建模方式，以现状堤防临水线确定计算范围，对河道水下测量数据(2019年)进行矢量化，对堤围内地面以及跨河桥梁桥墩区域采用较为成熟的不成生网格、不过水方式进行模拟，根据河段、桥墩分布情况合理设置网格大小，河道变化较大区域及桥墩处加密网格，生成网格总数148 975个，平均网格大小约为30 m2，最小网格大小为0.1 m2，制作网格文件用于模型计算。模拟范围见图4，其中，河道分汊处局部示意见图5，公路桥、铁路桥桥墩模拟见图6。

图4 模型范围示意

图6 公路桥、铁路桥桥墩模拟示意

3.3 模型率定

模型率定采用2020年“6.8”洪水进行。查阅甩洲、石滩围、新家埔水位站当次洪水前、后3 d的实测水位数据，新家埔最高水位为3.06 m，石滩围为5.65 m，甩洲为6.27 m。通过甩洲站实测水位及增江河道实测大断面数据，计算得到相应洪峰流量为3 700 m3/s。水位站3 d洪水水位过程线见图7。

图7 水位站3 d洪水水位过程线示意

增江及分洪道高水位时，周边农田主要通过排涝泵站排水，排涝流量相比于增江、分洪道洪水流量较小，因此本次分析计算中忽略沿程排涝泵站入流影响。下游采用新家埔的水位边界，上游采用甩洲水位站处的流量作为流量边界，结合河道走向布置水位、流量监测点，计算相应的结果。模拟水位、流速监测点位置见图8，模拟流量监测断面见图9。

图8 模拟水位、流速监测点示意

图9 模拟流量监测断面示意

通过模型软件分别计算，结果如下。模拟洪水水位分布率定情况见图10，模拟洪水流速分布率定情况见图11。针对公路桥、铁路桥局部处进行模拟，公路桥、铁路桥流速分布、流向分布见图12、图13。洪水模拟计算成果对比见表1。

图10 模拟洪水水位分布率定示意

图11 模拟洪水流速分布率定示意

图12 公路桥、铁路桥流速分布模拟示意

图13 公路桥、铁路桥流向分布模拟示意

表1 洪水模拟计算成果对比 m

由上述计算结果可见，模拟的水位与实测值相近；河道整体的水位、流速分布符合规律；公路桥、铁路桥周边局部的水流出现重分布现象，水流缩窄产生的流速、流向局部变化符合水动力规律。

3.4 水位分析

本次模拟增江出现5 a一遇洪水，遭遇东江北干流同频洪水情景，即下游边界水位为2.67 m，上游边界流量为2 380 m3/s，计算结果见图14、表2。

图14 5 a一遇洪水水位计算结果示意

表2 5 a一遇洪水模型计算水面线

增江分汊河道段原规划5 a一遇设计水位为4.65～4.89 m，本次模拟计算河道水位为4.71～5.04 m，比原设计水位提高0.06～0.15 m，分析原因，判断为河道演变、分洪道多年运行过流减小、桥梁建设变化、计算方式不同等引起的。

3.5 分流比分析

根据河道特征，在增江上游、主河道、分洪道、增江下游分别设置模拟监测断面，计算相应位置的分流比。通过计算，“2020.6.8”洪水工况下，现状分洪道分流比为15%，分流比相对较小，在汛期河道行洪时，分洪道对河道分洪的效果有限，主河道行洪压力较大，因此有必要通过工程措施，合理确定河道分流比例，整体提高河道行洪能力。“6.8”洪水模型计算河道分流流量计算结果见表3。

表3 “6.8”洪水模型计算河道分流流量

为降低主河道行洪压力，鉴于增江主河道、分洪道堤防已建设完善，阻水的跨河建筑物重建对交通影响较大，因此河道拓宽、交通桥梁改造措施不现实，本研究考虑对分洪道进行清淤疏浚，拟定以下两个方案。

方案一：分洪道进口道路标高降低2.0 m，底高程从3.0 m降低至1.0 m；分洪道进口至铁路桥共1.3 km河道主河槽整体清疏2.0 m，上下游河底高程进行衔接，清疏土方量约9.5万m3。

方案二：在方案一的基础上分洪道进一步清疏1.5 m，分洪道进口前滩地清疏2.0 m，进口至铁路桥以下1.0 km共2.3 km河道主河槽清疏2.0 m，清疏土方量20万m3。

通过不同方案进行优化分流，方案一计算至上游甩洲断面水位为6.10 m，比现状降低0.10 m，分汊河段主河槽水位降低0.01～0.10 m，分洪道分流比例从现状的15%提高至19%；方案二计算至上游甩洲断面水位为5.85 m，比现状降低0.35 m，分汊河段主河槽水位降低0.01～0.35 m，分洪道分流比例从现状的15%提高至28%。结果表明，通过合理的清疏措施，可充分利用分洪道行洪，优化水流分配，有效降低河道行洪水位。两种方案下“6.8”洪水模型计算河道分流流量计算成果见表4。

表4 两种方案下“6.8”洪水模型计算河道分流流量 m3/s

4 结语

以增江分汊河道为例，采用MIKE 21FM水动力数学模型软件，建立河道二维水动力数学模型，考虑桥墩对过流的影响，计算相关工况河道水动力，研究优化分洪道分流方案。研究结果表明，二维水动力数学模型能很好的解决河道分流计算，通过对比不同的工程方案可知，河道清疏能有效改善河道总体行洪能力，优化水流分配，降低河道行洪水位，研究结果对增江防洪具有重要的理论及现实意义，也可为其他河道的治理工程提供参考。