泰州市城市水系規劃河網數值計算研究

顧 群

（泰州市城市水利投資開發有限公司 江蘇泰州 225309）

泰州市城市水系規劃河網數值計算研究

顧 群

（泰州市城市水利投資開發有限公司 江蘇泰州 225309）

泰州位于江蘇省中部，河網豐富。隨著經濟的高速發展，城市化的推進，在城市建設過程中，城市水系受到一定程度的破壞，水系格局管理混亂，水安全保障能力不足、水資源匱乏、水污染嚴重、水生態環境惡化所造成的水危機成為泰州城市實施可持續發展的制約因素。為此，泰州水利局擬編制泰州市城市水系規劃，保護并指導城市水系建設。本文通過建立二維河網數學模型，針對水系工程實施前后，市區主要河道水文的特征變化進行計算和對比分析。計算結果表明：河道水系整治改善了城市防洪標準，在洪潮設計組合下，內河水位明顯降低。【關鍵詞】 泰州城市 水系建設 二維河網數學模型

1 概述

泰州位于江蘇省中部，長江之濱，是里下河地區通江達海的門戶。根據《泰州市城市總體規劃》，泰州將積極融入長三角區域一體化進程，成為長三角北翼的區域中心城市。為適應泰州城市建設和經濟社會發展的需要，指導泰州市城市水系治理，統籌安排水系保護和建設，逐步解決城市發展中面臨的洪澇災害、水資源短缺、水質惡化等重大水問題，迫切需要泰州市建立相適應的城市水系（泰州市位置見圖1）。

泰州市現狀骨干水系為二縱二橫，二縱為泰州引江河、南官河，二橫分別為新通揚運河、周山河；泰州市擬通過水系整治，疏通理順水網、溝通河道，并結合城市相關規劃的要求，規劃后骨干水系為四縱八橫，四縱分別為泰州引江河、鹵汀河--南官河一線、泰東河--鳳凰河--團結中溝一線、兩泰官河-南干河-西干河-紅旗河-蘇陳河一線；八橫分別為新通揚運河、老通揚運河、周山河、鴨子河、樂園河、許莊河、宣堡港、古馬干河。

工程興建后，河道水網水位發生改變。為了解水系工程規劃后水文條件的變化，建立一維河網數學模型，對規劃工程實施前后，工程水文特征的變化情況進行計算和對比分析，并據此估算水系規劃工程實施的可行性。

圖1 泰州市位置

2 河網數學模型建立及驗證

2.1 數學模型建立

計算范圍為模型范圍內的高沙土地區：東

至西姜黃河，南至江平公路、如泰運河，北至老328國道，西至泰州引江河，計算面積為905.1km2。

2.1.1 基本方程

運用一維河網非恒定流模型，數值計算規劃區域內各主要河道的水位、流量。

（1）一維非恒定流基本方程。

式中，Z為水位、Q為流量、B為水面寬度、A為過水斷面面積、R為水力半徑、C為謝才系數、q為單位長度河道的旁側入流量，t和s分別是時間和空間坐標。

（2）差分方程。采用Preissmann隱格式建立差分方程。此格式的網絡形式如下圖所示，在每一個結點上同時求出流量和水位。因變量及其導數的差分形式為：

將上式代入基本方程整理后得如下形式的差分方程：

（3）差分方程的求解。對于劃有N個斷面的河道，有N-1個河段，共可寫出2（N-1）個代數方程，加上上游、下游邊界條件，形成階數為2N的代數方程組，可以解出N個斷面處的水位Z和流量Q。此方程組常用追趕法求解。

在上游邊界條件為水位過程線時，代數方程組可寫成遞推形式：

上邊界：Z1=P1+R1Q1，其中P1=已知水位，R1=0

1河段：Q1=L2+M2Q2，Z2=P2+R2Q2

2河段：Q2=L3+M3Q3，Z3=P3+R3Q3

…………

K 河 段：Qk=Lk+1+Mk+1Qk+1，Zk+1=Pk+1+Rk+1Qk+1

…………

N-1河段：QN-1=LN+MNQN，ZN=PN+RNQN

下邊界：aNZN=DNQN=eN

在上述方程中，遞推系數：

其 中：Y1=a1kRk-C1k,Y2=a2kRk-C2k,Y3=e1ka1kPk,Y4=e2k-a2kpk,

具體求解方法是：先由上游邊界向下游邊界推進，求出遞推系數，再由下游邊界向上游邊界回代，求出各斷面處的水位Z和流量Q。

如上游邊界條件為流量過程線，則上游邊界條件式變為Q1=P1+R1Z1，求解思路與上述過程相似。

2.1.2 率定計算

（1）計算條件。通過一維河網非恒定流計算模型對洪水期的河道糙率進行驗證。驗證的水位節點為老通揚運河泰州站點、姜堰站點及口岸閘上，共計3個節點，河道斷面均采用實測代表斷面（采用的糙率系數見表1）。驗證分別采用1991年、2003年洪水資料，洪水流量分別采用1991年7月9-11日、2003年7月4-6日三日實測降雨資料推算，長江潮位分別采用口岸閘下1991年7月9-11日三天72h和口岸閘下、過船港閘下2003年7月4-6日三天72h實測資料。

驗證結果表明，水位特征值擬合較好，最高水位各節點相對誤差（絕對值）在0.21%～3.5%

以內，吻合情況較好，證明計算取用糙率是符合實際情況的。從模型驗證結果看，模型驗證結果較好，可用于工程方案計算研究。

（2）閘下潮位。閘下潮位見圖2～圖7。

圖2 1991年7月9-11日口岸閘下潮位過程

圖3 1991年7月9-11日過船閘下潮位過程

圖4 2003年7月4-6日口岸閘下潮位過程

圖5 2003年7月4-6日過船閘下潮位過程

圖6 1991年7月9-11日同期降雨的徑流過程

圖7 2003年7月4-6日同期降雨的徑流過程

（3）主要河道的粗糙系數。主要河道的粗糙系數見表1。

表1 主要河道的粗糙系數

表2 率定計算結果（1991年7月9日-11日）

表3 率定計算結果（2003年7月4日-16日）

運用上述計算模型，相關計算成果見表4～表8。

表4 現狀工況一(不向泰州引江河排水)

表5 現狀工況二（向泰州引江河排水工況）

表6 規劃工況一(不向泰州引江河排水)

表7 規劃工況二（向泰州引江河排水）

表8 規劃工況三（向泰州引江河排水加分區控制工況）

4 結論

根據以上計算可以看出：

（1）若不考慮向引江河排水，在20年一遇暴雨遇長江2002年最大三日潮型（潮位頻率20%）工況下，內河最高水位為4.9m，而現狀地面高程大多為5.0m左右，部分建成區將嚴重受澇，水系整治后，內河最高水位降低到4.56m；在50年一遇暴雨遇1976年最大三日潮型（潮位頻率50%）工況下，內河最高水位將漲至5.3m以上，將大面積受澇，在河道水系整治后，內河最高水位降低到5.09m。

（2）若計入向引江河排水，現狀工況河道相應最高水位達到4.66～5.27m，水系整治后，相應最高水位降低到4.39～4.89m。可見水系整治后降低了內河水位，相應也提高了城市防洪減災能力。

（3）泰州水利局編制的泰州市城市水系規劃，全面指導并保護城市水系建設體系。通過科學系統地建立二維河網數學模型，主要針對水系工程實施前后，市區主要河道水文的特征變化進行計算和對比分析。通過詳細地計算結果表明了河道水系整治建設，提高了城市防洪標準，改善城市水生態系統。通過實踐證明在洪潮設計組合下，內河水位明顯降低。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.004

TV131

B

1672-2469(2014)09-0010-04

顧群（1977年—），男，工程師。