二維水動力學模型在堤防退建方案比選中的應用

汪 然,王露露,海 燕

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 研究背景

沙潁河是淮河最大的支流，安徽省境內稱為潁河。潁河歷史上受到黃泛影響，彎曲河段多，兩岸灘地淤積高，堤外灘地生產圩眾多，居住著大量人口。多年來生產圩一直缺少系統治理，堤身單薄，堤頂高矮不一，堤頂寬度較窄，防洪標準偏低，圩內群眾防洪安全得不到保障，且嚴重影響河道泄洪能力。安徽省潁河綜合治理項目堅持“以人為本、人水和諧”的基本原則，按照“還河一批、限制一批、提高一批”的治理思路，結合潁河干流疏浚等工程措施，因地制宜，實行圩口分類治理，分級設防。

蘆華圩是潁河左右堤之間典型的生產圩，位于阜陽市潁州區東，潁河南岸，占地面積7.73 km2，保護人口10 848人，保護耕地面積9 236畝。因人口較多、經濟地位相對較高，規劃作為提高類圩口，按照20年一遇防洪標準退建、加固堤防。蘆華圩東段(羅王莊～前竹園段，樁號106+244.1～109+390)河道彎曲系數高達2.67，屬于非常彎曲河流，現有圩堤阻水，堤防沖刷嚴重，堤防高度高低不一，規劃對該段進行堤防退建加固，以改善河道水流狀態。目前規劃退堤方案有3種待選，堤防退距分別是80 m、280 m、480 m，分別命名方案1、方案2、方案3(圖1)。本文通過MIKE21軟件，建立此段河道及河灘地的二維水動力模型，對現狀及三種規劃方案的水流流場進分析，為方案比選提供依據。

圖1 蘆華圩現狀堤防及規劃退堤方案

2 模型建立

2.1 數學模型

本次分析需建立蘆華圩東段、潁左堤及潁右堤之間的二維模型。考慮到潁河干流河道區域內地形變化大，河流主槽、河灘地、部分規劃廢棄的生產圩(武廟圩)之間的水流相互影響，結合工程情況選用MIKE21三角形非結構網格構建模型。該方法具有復雜區域適應性較好、局部加密靈活和便于自適應的優點，能夠很好地模擬自然邊界、各種構筑物及復雜的水下地形的優點，可以提高模擬精度[1,2]。

MIKE21二維水動力模型建立步驟包括：確定研究范圍，添加高程信息，剖分網格，確定參數，添加生產圩等建筑，確立邊界條件[2-4]。

2.2 計算范圍確定

如果單獨建立蘆華圩東段約3 km的潁河河道的二維水動力模型，因為距離較短，潁河左右堤之間的河灘地較寬，計算結果容易出現發散的情況，故選擇潁河阜陽閘下(樁號124+751.7)～孫莊(樁號90+172.4)約34.6 km段主槽、河灘地及生產圩建立更長的模型。分析流場時，再針對蘆華圩東段進行分析。

2.3 網格剖分

網格剖分基于實測的地形數據，建立區域整體地形變化的不規則三角形網格，采用不同的分辨率和網格尺度。對河道和生產圩(及灘地)，分別采用邊長約50 m和100 m的三角形網格劃分，并對局部復雜的地形地貌進行加密。以期更精確地描述出河道的水流狀態。

2.3 糙率及邊界條件的選取

糙率采用《淮河中游河道水動力數學模型及應用》等文獻[5,6]及已批復的《沙潁河近期治理工程可行性研究報告》[7]中的成果。研究對象位于阜陽閘至潁上閘段，主槽、灘地糙率[8-10]分別選取為0.0225、0.0375。

根據實測水文資料、河道工情、歷史洪水等情況，結合2020年6月安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司的測量成果，通過MIKE11一維河網模型提取結果為試算標準，得到規劃20年一遇的水位、流量值。模型上邊界(阜陽閘下)采用流量控制，下邊界(90+172.4樁號)采用水位控制，阜陽閘下設計流量為3 760 m3/s，90+172.4樁號水位為29.95 m。

3 結果綜合分析

3.1 局部流速分析

現狀及三種規劃退堤方案的河道及河灘地在蘆華圩東段的20年一遇洪水流速分布圖如圖2～5所示(其中規劃武廟圩堤防廢棄，蘆華圩、河北圩圩堤退建且加高；規劃方案均對河道進行了疏浚)。總的來說，堤防的退建改善了潁河主槽的水流狀態。具體情況如下：

(1)隨著堤防退建堤距的加大，河槽流速總體變小。

(2)方案2相較于方案1，河道主槽流態改善明顯。方案1的主槽彎曲段曲率最大位置出現了較大流速區域(1.4 m/s以上)；方案2中該位置相對上下游流速較為均勻，無明顯增大的區域。

(3)方案3和方案2相比，主槽流速得到了一定的減少，但不明顯；方案3在主槽彎曲段曲率最大位置出現了游流速較低的區域(小于1.1 m/s)；方案3在蘆華圩規劃堤線與主槽之間的大片灘地，流速較低(普遍小于0.5 m/s)。

圖2 現狀20年一遇洪水河槽灘地流速分布圖

圖3 規劃方案一20年一遇洪水河槽灘地流速分布圖

圖4 規劃方案二20年一遇洪水河槽灘地流速分布圖

圖5 規劃方案三20年一遇洪水河槽灘地流速分布圖

綜上所述，方案2的局部流速較好，主槽流速最為平順，且河灘地流速不會過低。

3.2 平均流速分析

對河灘地及主槽的網格的流速分別進行計算，得到河灘地及主河槽的平均流速如表1所示。總的來說，隨著堤防退距的增大，主槽和河灘地的平均流速整體在變小；方案2、3和方案1相比，流速減小非常明顯(河灘地分別為0.18、0.21 m/s，主槽分別為0.06、0.07 m/s)；但是方案2和方案3之間的流速差距非常小(河灘地與主槽分別為0.03、0.01 m/s)。

表1 河灘地及主河槽20年一遇洪水平均流速(單位：m/s)

3.3 水位分析

讀取模型中蘆華圩東段上下游水位，結果如表2所示。總的來說，退堤后蘆華圩東段水位有較為明顯的減小，隨著堤防退距的增大，蘆華圩東段水位變低；方案2、3和方案1相比，水位減小非常明顯；但是方案2和方案3之間的水位差距非常小(僅0.01 m)。

表2 20年一遇洪水水位計算表(單位：m)

3.4 退堤方案選擇

經以上分析表明，蘆華圩段在退堤后，不同退距方案均會對水流的流場流態產生不同程度的影響。首先，退堤對主槽及河灘地流態、平均流速、水位都有著明顯的改善；隨著退距的增大，平均流速和水位均會變小，但是規劃方案2和3差別相對較小，說明在堤防退距達到280 m之后，再增加堤坊退距，雖然會極大地增加工程及拆遷成本，但是對平均流速和水位條件改善不明顯；且主槽及河灘地流態，方案2相較于方案3為佳。綜上，選擇規劃方案2作為蘆華圩東段退堤方案。

4 結束語

本文利用MIKE21建立平面二維水流運動數學模型，來模擬研究對象處的二維流場。計算結果從局部流速、平均流速、水位方面分析了不同的堤防退建方案對河道及河灘地水流狀態的改善情況，為蘆華圩東段堤防退建工程選取最優方案提供了依據。