高青縣河網(wǎng)斷面優(yōu)化對(duì)調(diào)蓄能力的影響

余澤旻，賈 超，徐玉良

（山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟(jì)南250061）

高青縣河網(wǎng)斷面優(yōu)化對(duì)調(diào)蓄能力的影響

余澤旻，賈 超，徐玉良

（山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟(jì)南250061）

為研究河網(wǎng)斷面優(yōu)化對(duì)調(diào)蓄能力的影響，選取山東省淄博市高青縣典型水環(huán)境區(qū)域，建立以納維—斯托克斯方程和圣維南方程為基礎(chǔ)的河網(wǎng)水動(dòng)力模型，模擬高青縣現(xiàn)有河網(wǎng)遭遇20年一遇洪水，研究區(qū)內(nèi)河道水位響應(yīng)情況，部分河段過水能力不足，洪水溢出，針對(duì)這些河段進(jìn)行斷面優(yōu)化，再次模擬優(yōu)化后的河網(wǎng)在洪水條件下的水位響應(yīng)情況，基本滿足行洪能力。研究結(jié)果表明，斷面優(yōu)化能夠有效地改善河網(wǎng)調(diào)蓄能力，并針對(duì)區(qū)域洪澇防治工作提出有效防控措施，為提升城市防洪能力和生態(tài)功能提供有價(jià)值的科學(xué)技術(shù)支持。

高青縣；河網(wǎng)；斷面優(yōu)化；調(diào)蓄；數(shù)值模擬

伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)水資源依賴度前所未有的緊密，水資源短缺、洪澇災(zāi)害等水問題嚴(yán)重威脅人民生產(chǎn)生活安全。同時(shí)自然環(huán)境受到人類活動(dòng)的影響，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速，導(dǎo)致河流數(shù)量與面積持續(xù)減少，河網(wǎng)水系大幅萎縮，連通性阻斷，調(diào)蓄能力減弱，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單化，此引發(fā)的洪澇災(zāi)害、水質(zhì)惡化等問題 也日趨嚴(yán)重［1］。袁雯等［2］基于 數(shù)理統(tǒng)計(jì)的 方法，探討了水面數(shù)量和河流結(jié)構(gòu)等指標(biāo)參數(shù)對(duì)河網(wǎng)調(diào)蓄能力的可能影響，并提出估算河網(wǎng)調(diào)蓄能力的方法。程江等［3］研究發(fā)現(xiàn)，水系衰減導(dǎo)致上海地區(qū)河道槽蓄容量較百年前減少80%，城市河網(wǎng)調(diào)蓄能力明顯削弱。王柳艷等［4］研究表明，水系衰減對(duì)河網(wǎng)蓄泄功能產(chǎn)生較大影響，使得河網(wǎng)年平均水位和汛期水位均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，洪澇風(fēng)險(xiǎn)增大。Zhang等［5］探討了河網(wǎng)水系復(fù)雜程度與城市洪水頻次的關(guān)系。王躍峰等［6-9］基于REW（Representative Elementary Watershed）概念與水位Hurst指數(shù)值，構(gòu)建河網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與調(diào)蓄能力的關(guān)系式，揭示了水系變化對(duì)河網(wǎng)調(diào)蓄能力的影響。然而，這些方法大多基于實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取水文指標(biāo)參數(shù)，采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)河網(wǎng)的調(diào)蓄能力進(jìn)行分析研究，對(duì)于洪水期間河網(wǎng)水位實(shí)時(shí)響應(yīng)情況的研究尚有不足。

鑒此，本文以山東省淄博市高青縣典型水環(huán)境區(qū)域?yàn)槔⒁约{維—斯托克斯方程和圣維南方程為基礎(chǔ)的河網(wǎng)水動(dòng)力模型，采用數(shù)值模擬的方法，模擬研究區(qū)遭遇20年一遇洪水時(shí)，河道水位的響應(yīng)情況，并針對(duì)行洪過流能力不足的河段進(jìn)行斷面優(yōu)化，研究斷面優(yōu)化對(duì)調(diào)蓄能力的影響，為水網(wǎng)的規(guī)劃與重建，調(diào)整水系結(jié)構(gòu)，具有一定的指導(dǎo)意義。

1 理論及技術(shù)方法

選取山東省煙臺(tái)市高青縣典型水環(huán)境區(qū)域，建立以納維—斯托克斯方程和圣維南方程為基礎(chǔ)的河網(wǎng)水動(dòng)力模型，反演在保證居民基本用水要求時(shí)，引黃閘引流的基礎(chǔ)水流量，以及在高青縣現(xiàn)有河網(wǎng)的基礎(chǔ)上，預(yù)測遭遇20年一遇洪水時(shí)，研究區(qū)內(nèi)河道水位響應(yīng)情況，并對(duì)區(qū)域洪澇防治工作提出有效防控措施，為研究區(qū)開發(fā)建設(shè)過程中的水安全保護(hù)提供科學(xué)技術(shù)支持。

采用納維—斯托克斯方程 （Navier-Stokes equation）描述黏性不可壓縮流體動(dòng)量守恒的運(yùn)動(dòng)方程。假設(shè)流體連續(xù)，不包含形成內(nèi)部空間的空隙，如溶解氣體的氣泡等。假設(shè)用到的全部物理場如壓強(qiáng)、速度、密度及溫度等可微分。

采用一維圣維南方程組求解河網(wǎng)水動(dòng)力模型。以Abbott六點(diǎn)中心隱式差分方法對(duì)圣維南方程進(jìn)行數(shù)值離散，應(yīng)用“追趕法”求解差分方程。計(jì)算過程中在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)非同時(shí)計(jì)算水位、流量值，而是按照順序交替進(jìn)行計(jì)算。每個(gè)實(shí)測斷面位置為水位計(jì)算點(diǎn)，兩個(gè)水位計(jì)算點(diǎn)中點(diǎn)處為流量計(jì)算點(diǎn)。

式中 x為距離坐標(biāo)；t為時(shí)間；A為過水?dāng)嗝婷娣e；Q為流量；h為水位；q為旁側(cè)入流量；c為謝才系數(shù)；R為水力半徑；g為重力加速度；為動(dòng)量修正系數(shù)。

采用小流域設(shè)計(jì)暴雨推理公式計(jì)算水網(wǎng)的設(shè)計(jì)洪峰流量。

式中 Qp為設(shè)計(jì)洪峰流量；Sp為設(shè)計(jì)頻率暴雨雨力；為流域匯流時(shí)間；n為暴雨遞減系數(shù)；F為流域面積；為洪峰流量徑流系數(shù)。

2 工程分析

2.1 研究區(qū)概況及模型建立

研究區(qū)位于山東省淄博市高青縣，地處黃河下游沖積平原，地形較為平坦，總地勢(shì)西北高、東南低，自然比降1/7500，受半濕潤半干旱大陸季風(fēng)氣候影響，研究區(qū)內(nèi)降水年際變化較大，多年平均降水量563.6mm，平均蒸發(fā)量1628.5mm，降雨與蒸發(fā)年內(nèi)分配不勻。相對(duì)濕度63%。多年平均氣溫12.4℃。研究區(qū)內(nèi)水系較為豐實(shí)，黃河與小清河是高青縣主要客水資源，支脈河、北支新河貫穿境內(nèi)腹地，4條大中型河道及眾多支流、干二排、干四排、杜姚溝等主排水溝要溝渠構(gòu)成高青縣的灌排網(wǎng)絡(luò)。

為解決研究區(qū)水網(wǎng)存在的湖、河、溝、渠、濕地相互間未形成完善的體系、水資源開發(fā)利用程度不足，河網(wǎng)調(diào)蓄能力欠佳等諸多問題，以研究區(qū)主要大中型河道及溝渠為骨架，建立研究區(qū)河網(wǎng)計(jì)算模型，如圖1。

圖1 研究區(qū)河網(wǎng)模型

2.2 相關(guān)參數(shù)

根據(jù)河道現(xiàn)狀、規(guī)劃要求及現(xiàn)有設(shè)計(jì)資料，每隔一定距離取一河道斷面，作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，各河道斷面參數(shù)如表1。

表1 各河道斷面參數(shù)

續(xù)表1

2.3 數(shù)值模擬及結(jié)果

為滿足水網(wǎng)生態(tài)、景觀等指標(biāo)要求，各河道需達(dá)到一定水量及水深，同時(shí)，為保障水質(zhì)，水體需達(dá)到一定的流動(dòng)性，能滿足此要求的最小流量，即河道基本流量。取河道糙率n為0.033，考慮各河道的匯流和連接關(guān)系，則劉春家引黃閘設(shè)計(jì)引水流量為37.5m3/s，馬扎子引黃閘設(shè)計(jì)引水流量27.8m3/s，以及各河道基本流量如表2。

對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行20年一遇洪水（頻率P=5%）防洪校核，檢驗(yàn)各河道斷面的過水能力。采用小流域推理公式，計(jì)算水網(wǎng)中各河道的洪峰流量，如表2。

表2 河道流量 單位：m3/s

當(dāng)河道內(nèi)流量分別為基本流量和洪峰流量時(shí)，河道內(nèi)水位如圖2～圖8，縱坐標(biāo)為標(biāo)高，橫坐標(biāo)為距河段入口沿程距離（m）。

圖2 支脈河沿程水位

圖3 北支新河沿程水位

圖5 杜姚溝沿程水位

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，支脈河進(jìn)口水位高出河堤0.4m，出口水位高出河堤0.67m；杜姚溝與北支新河交匯處水位高出河堤0.85m，出口處水位高出河堤0.75m；西干渠—東環(huán)河出口處水位高出河堤1.17m；青胥溝北段出口處水位高出河堤0.72m。洪水溢出河堤，需對(duì)該河段斷面進(jìn)行優(yōu)化，其余河道斷面過水能力滿足條件，不需再次優(yōu)化。

以河道實(shí)際情況為依據(jù)，采用“居民優(yōu)先”的優(yōu)化原則，進(jìn)行斷面優(yōu)化。部分河段居民區(qū)距離河道較近，采用擴(kuò)寬河面的方法則涉及土地征用，居民搬遷等實(shí)際問題，較為復(fù)雜難以處理，為適應(yīng)工程實(shí)際，采用加深河道的方式；對(duì)于部分居民區(qū)距離河道較遠(yuǎn)，或不涉及此方面問題的河段，則采用擴(kuò)寬河面的方式，以減少工程量，更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。優(yōu)化后各河道斷面參數(shù)如表3。

圖6 青胥溝北段沿程水位

圖7 西干渠沿程水位

圖8 干三排沿程水位

表3 優(yōu)化后河道斷面參數(shù)

在洪水條件下，對(duì)重新斷面優(yōu)化后的水網(wǎng)進(jìn)行過水能力計(jì)算，如圖9～圖13。

圖9 支脈河沿程水位

圖10 杜姚溝沿程水位

圖11 青胥溝北段沿程水位

圖12 西干渠沿程水位

圖13 干三排沿程水位

根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)不滿足行洪的斷面進(jìn)行優(yōu)化后，河道的過水能力顯著提高，基本滿足行洪要求，僅青胥溝北段出口處水位高出河堤0.1m，干三排出口處水位高出河堤0.1m，極小部分河道出口水位略微高于河堤高度，稍有溢出，綜合考慮次級(jí)水網(wǎng)對(duì)洪水的緩解作用，不會(huì)造成洪水災(zāi)害，并且若再次進(jìn)行斷面優(yōu)化，增加工程量且無較大實(shí)用價(jià)值，不夠經(jīng)濟(jì)，故不再進(jìn)行下一步斷面優(yōu)化。模擬結(jié)果表明，斷面優(yōu)化有效地提高了高青縣水網(wǎng)的調(diào)蓄能力。

3 防控建議

3.1 斷面優(yōu)化

針對(duì)部分在遭遇強(qiáng)降雨時(shí)過流能力不足的河段，對(duì)該河段進(jìn)行河面擴(kuò)寬或河底加深等處理，提高河段過流能力。

3.2 清砂清淤

由于高青縣水網(wǎng)中水多源自于黃河引水，黃河水中攜帶有大量泥沙，在高清水網(wǎng)中淤積，削弱河道過流能力，針對(duì)此現(xiàn)象，可定期對(duì)河道進(jìn)行清淤，以維系其過流能力。

3.3 充分利用次級(jí)河道的緩沖作用

研究區(qū)水網(wǎng)體系中，除主要河道之外還有大量村民自行挖掘用以灌溉的溝渠及防洪排澇溝渠等，分布密集，形式復(fù)雜，可以充分利用次級(jí)河道，達(dá)到緩解洪水的作用。

3.4 開閘泄洪、建立排澇泵站

發(fā)生洪澇災(zāi)害時(shí)，可調(diào)節(jié)高青縣水網(wǎng)的下節(jié)泄洪閘，開閘泄洪，起到洪水調(diào)節(jié)的作用，或建立排澇泵站，加速汛期洪水的排出。

4 結(jié)語

（1）以高青河網(wǎng)為例，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)河網(wǎng)遭遇20年一遇洪水時(shí)，河道水位的響應(yīng)過程進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)支脈河、杜姚溝等部分河段水位高出河堤0.4～1.17m，河道過水能力不足，溢流嚴(yán)重。

（2）針對(duì)河段進(jìn)行斷面優(yōu)化，再次模擬后僅青胥溝北段出口處，干三排出口處水位高出河堤0.1m，稍有溢出，綜合考慮次級(jí)水網(wǎng)對(duì)洪水的緩解作用，不會(huì)造成洪水災(zāi)害。

（3）斷面優(yōu)化能夠有效地改善河網(wǎng)調(diào)蓄能力，為水網(wǎng)的規(guī)劃與重建，調(diào)整水系結(jié)構(gòu)，提升城市防洪能力和生態(tài)功能提供科學(xué)技術(shù)支持。

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The influence of river-network cross-section optimization on storage capacity in Gaoqing

YU Ze-min，JIA Chao，XU Yu-liang
（School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

To study the influence of the river cross-section optimization on storage capacity，based on navier-stokes equations and Saint Venant equations，this paper built the hydrodynamic model and modeled the water level response when river network in Gaoqing suffered 5%frequency flood.Part of the river water capacity were insufficient，and the flood overflow.According to this phenomenon，we optimized river section and simulated again，and then met the flood discharge capacity basicly.The results show that the cross-section optimization can effectively improve the river network storage capacity.Effective prevention and control measures are put forward based on regional flood control work.This paper improves the capacity of city flood control and ecological function and provides the valuable support of science and technology.

Gaoqing county；river-network；cross-section optimization；storage capacity；numerical modeling

TV212.5

B

1672-9900（2017）05-0015-06

2017-07-04

余澤旻（1992-），女（漢族），湖北隨州人，碩士研究生，主要從事水利工程方面的研究工作，（Tel）18753160822。

（責(zé)任編輯：尹健婷）