基于水動力數學模型評估孝義市護城河行洪排澇能力

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

城市人口眾多、經濟發達、設施密集，一旦遭受洪澇災害，損失重、影響大。如何加強城市防洪除險工程建設，全面提升城市防洪除險能力，最大限度減輕和避免內澇對城市的影響，是水利現代化建設的任務。對城市減災防災和經濟社會發展具有重大的實際意義。

孝義市古城區，防洪排澇體系單一，城區雨水主要由護城河排除。護城河與古城一樣歷史悠久，屬于季節性河流，平時無降雨時，屬于干河。雨季擔負著古城的防洪排澇任務。由于城市化快速發展，人口大量增加，地面硬化面積不斷加大，再加上護城河年久失修，河道淤塞，排水不暢，每年汛期均有不同程度的洪澇災害發生，如：河水倒灌、道路積水、部分區域被淹等，給人民群眾生命財產安全和國民生產造成了很大的危害。如：孝義市2016年7月19日暴雨24h，降雨量約為57.6mm，由于排水不暢，造成雨水倒灌，城區被淹，最大積水深度為70cm，給民眾造成許多不可挽回的經濟損失。

本研究基于對孝義市自然地理、水文氣象、城市建設與規劃、區域水系特性、城市排水設施、區域防洪排澇設施的調研分析基礎上，建立一維河道水動力學模型，運用水動力學數值模擬的技術手段，對孝義市現狀及規劃方案下的防洪排澇能力進行評估，為優化城市防洪排澇工程格局，建立完善的城市防洪排澇體系提供技術支撐。

1 模型構建

1.1 一維水動力模型建立

河道洪水采用一維水力學洪水演進模型進行模擬。河道一維非恒定流的模擬基于圣維南方程[1-2]，是建立在質量和動量守恒基礎上的，以水位和流量為研究對象。其表達式為：

(1)

動量方程：

(2)

式中A——河道過水面積，m2；

Q——流量，m3/s；

u——側向來流在河道方向的流速，m/s；

t——時間，s；

x——沿水流方向的水平坐標，m；

q——河道的側向來流量，m2/s；

α——動量修正系數；

g——重力加速度，m/s2；

y——水位，m；

Sf——摩阻坡降。

采用曼寧公式表示如下：

(3)

水量平衡關系公式如下：

(4)

式中L(m)——連接到節點m的河段數；

M——節點總數；

V——河道交匯點蓄水量。

河道恒定流的模擬可采用曼寧公式：

(5)

式中A——斷面過水面積;

Q——流量;

n——糙率;

R——水力半徑;

i——底坡。

1.2 模型計算條件及參數

1.2.1 設計暴雨

排澇河道(又稱內河)等一般采用城市排澇設計標準。本文針對防洪排澇標準的10年、20年及100年一遇設計暴雨擬定3組模擬工況進行計算。依據《山西省水文計算手冊》，推求設計暴雨。

1.2.2 模型計算條件及參數

本模型輸入信息包括：河網斷面數據、邊界條件、水動力學參數、模擬時間以及輸出數據類型。根據不同情況設定各種條件進行護城河行洪能力計算。

a.河網數據：通過ArcGIS導入河網數據，生成節點和河段信息，并設置各個河渠之間的聯結關系，河網關系圖如圖1所示。

圖1 河網關系

b.斷面數據：根據實測斷面資料和部分概化的斷面資料設置護城河斷面形式。護城河現狀及規劃方案下典型斷面基礎數據參見表1。

表1 現狀及規劃方案下典型斷面基礎數據統計表

c. 邊界條件：根據流域水文特性分析確定計算區內護城河上游邊界均設置為零流量邊界，入河水量主要為沿途雨洪排水。

d.水動力學參數設置：初始水深設為0.10m，曼寧糙率系數設置為0.030。

e.模擬時間設置：模擬時間步長為1s。

1.3 模型率定與驗證

采用前述構建模型，以“2016年7·19”暴雨過程為入流條件，模擬該暴雨事件下河道行洪情況。經初步估算該場暴雨重現期接近10年一遇。CH1河模擬數據如圖2所示。

圖2 CH1河沿程最高水位線模擬值

由于護城河附近并無水文站，缺乏足夠的實測雨洪資料，所以，模擬數據只能通過社會化公眾媒體數據，完成模型的率定與驗證。經調查，該場降雨過程下，CH1河溢流河段約205m，超過左右岸約0.38m，造成河兩岸雨水倒灌，實際調查該河段附近積水深度約為45～58cm，結果相符。

2 護城河排澇能力評估

2.1 現狀條件下排澇能力

護城河作為城區主要泄洪排澇通道，護城河來水主要由沿途各片區市政雨水管網排入的雨洪水。為了進一步統計研究區域產匯流能力，本文根據雨水管網分布和地形狀況，劃分了4個片區，如圖1所示。不同重現期暴雨條件下分片區雨洪量計算成果參見表2。

表2 現狀條件下不同頻率暴雨分片區雨洪量計算統計

對現狀條件下護城河10年、20年及100年一遇3種不同重現期沿程水位變化進行了計算，圖3、圖4為比較典型的20年一遇護城河沿程水位變化，表3為現狀條件下不同頻率暴雨河渠過流能力計算統計。

圖3 現狀條件下CH1河20年一遇沿程最高水位線

圖4 現狀條件下CH2河20年一遇沿程最高水位線

設計暴雨護城河段最大水深/m溢流河段/m最大過流量/(m3/s)10年一遇CH10.4～1.82056.4CH20.5 ～1.8803.920年一遇CH10.5～1.862456.9CH20.54 ～1.851004.1100年一遇CH10.6～1.952938.5CH20.6 ～22464.56

由上述各圖、表計算結果可以看出，現狀條件下護城河不同程度存在一定溢流過載現象，其中CH1(護城河西段)尤為突出，10年一遇治澇標準下，溢流河段長度達205m，約占河渠總長的9.3%，100年一遇防洪標準下，溢流河段長度達293m，約占河渠總長的13.2%。河道溢流會造成古城區雨水倒灌，城區內澇，通過以上分析知護城河行洪排澇能力不滿足要求，需要對護城河排澇能力進行規劃設計。

2.2 規劃方案下排澇能力

由于護城河行洪排澇能力不滿足要求，故對其進行疏通整治增加漕蓄能力。具體典型斷面改造方案見表1。根據城市治澇標準的不同規定，結合本市洪澇災害實際情況，確定本市古城區水系規劃采用的城市治澇標準為：20年一遇24h暴雨24h排除至地面以下[3]。為評估在規劃方案下護城河泄洪排水能力，選取20年一遇治澇標準下的設計暴雨，計算統計該降雨條件下各護城河不同典型斷面的過流量，圖5為各典型斷面24h流量過程線。

圖5 20年一遇治澇標準下CH1、CH2河各典型斷面24h流量過程線

為了對比分析，對擬規劃條件下護城河10年、20年及100年一遇三種不同重現期沿程水位變化進行了計算，圖6、圖7為20年一遇護城河沿程水位變化，表4為現狀條件下不同頻率暴雨河渠過流能力計算統計結果。

圖6 規劃方案下CH1河20年一遇沿程最高水位線

圖7 規劃規劃方案下CH2河20年一遇設計最高水位線

設計暴雨護城河段最大水深/m溢流河段/m最大匯入流量/(m3/s)10年一遇CH10.38～1.731879.0CH20.7 ～1.7506.2520年一遇CH10.45～1.820910CH20.8 ～1.806.8100年一遇CH10.58～222711.3CH20.9～1.9507.5

圖5顯示的護城河洪水演進過程，達到了防洪排澇標準所規定的時間內雨洪水排出時間的規定。

由圖5、6可以看出，規劃方案下護城河過流能力滿足治澇標準，河渠溢流過載現象基本消除，僅干河較短河段存在短歷時溢流現象，其中CH1河部分河段溢流形成原因主要是斷面面積較小，過流能力有限，形成卡口，導致上游發生壅水、抬高水位。由于護城河兩岸古建筑較多，河道拓寬有限，所以需要進一步對該河段規劃方案進行優化設計，建議該河段河堤在規劃治理改造過程中予以局部加高。

由表4可以看出，通過對護城河規劃改造后，各河段的溢流河段明顯下降，同時由于對城區管網的規劃改造，排入護城河的雨洪水增加，斷面最大過流量整體呈現增加的態勢，但河渠泄洪排澇能力基本滿足實際需求。

3 結 論

通過對比現狀及規劃方案下護城河行洪排澇能力，分析得出護城河疏通改造后斷面最大過流量整體呈現增加的態勢，河道泄洪排澇能力滿足治澇標準要求，同時20年一遇24h暴雨過程結束后，河渠洪水演進過程亦基本結束，僅有少量積水蓄積于河槽，河渠整體騰空，達到了24h暴雨24h排除的目標。護城河暴雨溢流現象基本消除，僅護城河西段較短河段存在短歷時溢流現象，其中該溢流河段的形成主要是由于該斷面過水能力有限，形成卡口，導致上游發生壅水、抬高水位，故需對該河段規劃方案進行優化設計，建議對該溢流段進行相應的提防抬高加固即可。