基于水動力數值模擬的沙河流域城鎮內澇治理研究

王 艷

（廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635）

近年來,隨著城市化進程的不斷加快,城市的規模逐步擴大,城市化發展中區域受到內澇威脅,極端天氣和強降雨是自然誘因,設計標準及城市下墊面變化、治澇工程排澇能力不足是客觀原因,而區域防洪排澇特點、地形地勢、水系分布情況則是治澇的關鍵。本文以發展中城鎮龍溪為例,利用MIKE11 軟件建立一維水動力計算模型,在分析現狀排澇格局、下墊面條件的基礎上,根據地區發展規劃提出適宜的內澇治理措施。

1 研究區概況

1.1 區域概況

研究區位于惠州市博羅縣龍溪街道,地處沙河流域中下游,面積119 km2,區內金融、勞務、教育、文化、醫療、通信、供電、供水、水利等公共配套基礎設施完善,五金電子、環保和制鞋三大產業較為發達。目前龍溪街道內大大小小排渠33 條,總長118.43 km；灌渠13 條,總長65.68 km,其中銀河、羅陽排渠及太平山排灌渠為龍溪街道內的骨干排澇河道,總長24.36 km。

1.2 現狀地面高程

根據龍溪鎮1∶10000 地形圖,結合現狀情況,對龍溪鎮現狀地面高程進行統計分析,見圖1。銀河排渠片區現狀下游主要為農田,大部分區域地勢低洼,低洼處地面高程主要在4 m～6 m 之間；中部為建成區,根據土地利用規劃,用地性質為行政、工業、商住用地等,50%以上地面高程集中在7 m～8 m,80%以上地面高程集中在5 m～8 m；上游主要為農田,地勢平坦,周圍被山地包圍,80%以上地面高程集中在7 m～12 m。

圖1 研究區域地面高程統計圖

羅陽排渠片區現狀下游主要為農田,農田地面高程在4 m～6 m 之間,其中羅陽排渠出口附近及禮村運河兩側的村莊地勢相對較高,地面高程主要在8 m～12 m 之間。上游為建成區和山嶺,建成區根據土地利用規劃,用地性質為行政、工業、商住用地等,其靠近東江附近地勢較高,地面高程主要在7 m～8 m 之間,內部建成區地面高程主要在6 m～7 m 之間；山嶺位于建成區東側,最高海拔191.17 m。

1.3 排澇模數

隨著龍溪街道內社會經濟的發展,已從傳統的農業區域演變為半城鎮、半農業地區,區域內的保護對象、排澇標準、排澇要求均發生了變化。因此綜合考慮龍溪街道內城鎮、農業分布情況,區域規劃非間和規劃城鎮空間,分別采用平均排除法和峰值平均排除法進行排澇模數計算,根據規劃非城鎮空間和規劃城鎮空間的面積權重計算龍溪街道的綜合排澇模數。

權重計算綜合排澇模數,公式為：

式中：qp為綜合排澇模數,m3/（s·km2）；qd為城鎮區域的設計排澇模數,m3/（s·km2）；qw為農田區域的設計排澇模數,m3/（s·km2）；Ad為城鎮區域面積,km2；Aw為農田區域面積,km2。

根據計算得到龍溪街道的綜合排澇模數為1.187 m3/（s·km2）,而龍溪街道現狀排澇模數僅為0.65 m3/（s·km2）,無法滿足龍溪街道規劃設計排澇標準。

1.4 排澇總體布局

對鎮街47 條排灌渠系梳理的基礎上,結合區域地形圖、市政路網、排水管網結構等,劃分出17 個排澇片,綜合考慮各個排澇片規劃用地情況及澇水排除特征,因片而宜,采用自排、蓄排、蓄排輔以抽排的不同排澇模式,將區域內產生的澇水通過銀河排渠、羅陽排渠和禮村運河排入外江。

2 水動力模型建立

根據研究區實際情況,區內排水系統由河流水系和排水管網共同建立,在降水（洪水）過程中,水流不斷排水系統中發生流入和溢出,水流情況較為復雜。區內設計洪水主要來自于上游下泄洪水和區內洪水,總體流向單一,主要為支流匯入干流,干流匯入馬嘶河及東江,采用MIKE11 構建一維河網水動力模型,對研究區內水流水動力情況進行模擬計算,模擬范圍為龍溪街道內主干排渠共17 條及太平山排灌渠1條。

2.1 計算原理

2.1.1 水動力方程

水動力求解核心方程式為圣維南方程組,如公式（1）：

式中：Bs為河寬；h 為河道斷面水位；t 為時間節點；Q 為斷面流量；x 為空間節點；q 為旁側入流流量；為動量修正系數；A 為過流面積；g 為重力加速度；C 為謝才系數；R 為水力半徑。

由于維南方程組屬于一階擬線性雙曲型偏微分方程組,無法求出其通解,故帶入初始條件及邊界條件推求近似解,MIKE11 在求解圣維南方程組時,采用Abbott 6 點隱格式法進行離散求解,計算時交替計算水位（h）點和流量（Q）點,見圖2。

圖2 Abbott 格式Q-h 交替圖

方程離散時,過流流量Q 只與空間節點x 有關,以水位點h為中心,連續方程Q 對x 求偏導,見圖3,以Q 為中心進行差分離散得方程組（2）。采用追趕法進一步求解。

圖3 Abbot-lonescu 六點隱格式差分示意圖

2.1.2 堰流計算

本次模型堰流計算公式采用Villemonte 公式,如公式（3）、（4）：

式中：Q 為通過堰的流量；W 為寬度；C1為堰系數1（weircoefficient）；C2為堰系數2,由C1換算得到關系式；Hus為上游的水位；Hds為下游的水位；Hw為堰頂高程。

2.2 模型建立

MIKE11 水動力模型構建包含4 類數據文件：河網文件（.nwk11）、斷面文件（.xns11）、模型參數文件（.hd11）、邊界條件（.bnd11）。

2.2.1 河網文件

河網文件主要起定義河道名稱、走向及連接關系及相關水工建筑物調度規則,定義集水區域的匯流位置、布設計算點的作用,本次模擬共建立河道17 條,研究區內15 條,總長61.52 km,外江2 條,總長34.22 km。

采用MIKE11 結構物模塊（SO）,模擬各種水工建筑物,本次模擬運用MIKE 11 SO 模塊中的culvert（涵洞）功能概化河道中的橋梁,添加weirs 結構物可以概化河道外蓄滯洪區與河道連接處的堤岸,通過control structure 概化河道中的水閘和泵站。本次規劃根據實際情況進行上下游連接,建立水閘8 座,泵站5 座。

2.2.2 斷面文件

斷面文件用于計算河道各斷面隨水位變化的水力參數：Cross section area（過流面積）、Radius（水力半徑）、Stotage width（水面寬度）、Add.storage area（附加蓄水面積）、Resistance factor、（阻力系數）、Conveyance（流量模數）。構建斷面文件時,河流名稱（River name）、標識（Topo ID）、里程（Chainage）需與河網文件設置相同。本次模型構建河道斷面數據采用2020 年河道實測數據,共399 個斷面,見圖4。斷面初始水位為常水位,初始流量為0。

圖4 斷面文件示意圖

2.2.3 參數文件

參數文件包含眾多屬性頁,本次模擬絕大部分屬性頁保持默認值。根據研究區實際調查情況和河水斷面現狀,參照相關工程經驗,河床糙率初始值取為0.03。

2.2.4 邊界文件

本次模擬根據研究區域與流域洪潮遭遇分析,確定流量邊界條件和水位邊界條件。采用龍溪街道內發生10 年一遇設計洪水時,遭遇沙河5 年一遇設計洪水過程和東江相應多年平均高潮水位過程。其中,流量邊界根據研究區各排澇分區不同標準,分別計算平均排除流量,采用沿程分布方式進行歸槽計算確定；水位邊界按照對排澇偏不利考慮,選擇低潮偏高的潮型,見圖5。

圖5 研究區主要控制站點(斷面)多年平均高潮水位過程線

2.3 模型識別與驗證

本次模擬選擇研究區內實測2018 年6 月27 日暴雨過程進行模擬,通過對比銀河水閘與羅陽水閘的實測閘前水位,結合暴雨期間實際調查現場洪痕及當地水情記錄,模擬計算結果與實際暴雨下的區域漫堤情況基本一致,可用于研究方案計算。

3 數據分析及結論

區域內主要分為銀河排渠片區、羅陽排渠片區兩個較為獨立的片區,每個片區內干流河道作為所有支流的直接承泄河道,排水出路單一。研究區設計洪水頻率以10 年一遇加入模型進行洪水淹沒模擬,根據研究區未來規劃,以農田為主的片區考慮80%地面標高提出控制水位。以鎮區為主的片區,采用片區內已開發部分90%地面標高提出控制水位。

3.1 方案實施前

按照各片區排澇標準,計算區域水位變化。銀河流域內除夏寮排渠片區,其余片區主干河道均會出現漫堤,漫堤時間在6 h～38 h,導致鎮區無法將澇水即使排入河道,造成鎮區水浸。因此銀河排渠流域內現狀排澇工程規模無法滿足大部分片區的排澇需求。

羅陽排渠流域內,各片區均自流匯入下游片區,由羅陽排澇站控制整體排澇情況,當10 年一遇設計洪水時,遭遇沙河5 年一遇設計洪水及東江多年平均潮位過程,禮村運河可自排部分澇水進入東江,但由于閘內外水位差較小,自排流量較小。根據計算結果可知,按照各片區排澇標準,下游片區漫堤情況較少,上游各片區由于受到下游片區內河道水位頂托、自身河道規模、堤頂高程影響,片區內主干河道較多出現漫堤,漫堤時間在29 h～42 h,導致部分鎮區無法將澇水排入河道,造成水浸,因此羅陽排渠流域內現狀排澇工程可滿足部分片區排澇需求。

南北排渠、銀河排渠干流及羅陽排渠下游段的堤頂高程已明顯高于周邊地勢,不建議再大范圍加高堤防。

3.2 方案實施后

針對龍溪街道排澇問題,同時結合區域內排澇模數及數模計算,研究提出清淤疏浚、堤岸整治、河道拓寬、水系連通、水閘泵站等綜合措施。通過加固河堤、清淤疏浚及水系改造等措施實現分片控制,使水系形態、組合及銜接方式有利于行洪排澇。同時,充分利用魚塘改造及新建調蓄濕地,發揮其調蓄作用,減輕河道行洪壓力和區域內澇災害。數模計算結果見圖6。

圖6 近期排澇計算水位分布圖

近期工程措施實施后,可滿足河道沿程不漫堤。對于規劃用地主要為農林用地的排澇片區,超過控制水位時間小于24 h；對于規劃用地非農林用地的排澇片區,要求河道水位不能超過控制水位,龍溪瀝片區超控制水位5 h,羅陽上游片區超控制水位7 h,其余片區滿足要求。

遠期考慮東江水位頂托,圍內無法自排工況。工程措施實施后,仍可滿足河道沿程不漫堤,且各河道水位值相比近期工程進一步降低。對于規劃用地主要為農林用地的排澇片區,超過控制水位時間小于24 h；對于規劃用地非農林用地的排澇片區,要求河道水位不能超過控制水位,各片區均滿足要求。

3.3 結論

（1）利用較高精度的區域高程散點數據,進行了統計分析,確定區域下墊面高程分布情況；并通過發展中的規劃城鎮空間,分析了區域現狀排澇模數,為規劃工程的規模提供了依據。

（2）利用MIKE11 軟件建立了一維水動力河網模型,對沙河流域中下游發展中城鎮龍溪街道的實際水力情況進行概化模擬,為研究區域內澇治理綜合措施提供了基礎。

（3）通過模擬分析,對比了方案前后各排澇河道水位分布情況,計算表明擬定的近遠期規劃措施可有效緩解區域排澇壓力。