分汊河道不同治理方案的數值模擬

邵錦焯，翟麗嫦，劉曉鵬，李 偲

(廣州市水務規劃勘測設計研究院有限公司，廣州 510640)

1 概述

分汊河道水流狀態復雜，分流比的研究對工程實踐意義重大。目前，二維水動力的應用較為廣泛，在模擬河道水動力、建設項目涉河影響、橋梁阻水、河道內構筑物對水流變化的影響、工程方案優選等方面有較多的研究案例[1-7]。在分汊河道水流分析計算中，翟鐸[8]等利用二維水動力模型對馬汊河分洪道擴挖工程前、后的水流流態進行數值模擬，認為擴挖工程實施后，河道水位較工程前有所降低，可有效提高河道行洪能力。本研究通過MIKE 21FM建立增江分汊河道的二維水動力數學模型，對河道流場、水位、流量等進行數值模擬研究，分析河道水動力，揭示河道分流規律，擬定不同的治理方案，為工程實踐提供參考。

2 數學模型簡介

MIKE 21FM[9]基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，滿足于Boussinesq和靜水壓力假定，是丹麥DHI公司的一個專業的二維水動力計算軟件包，可用于模擬河流、湖泊的水流、流速、流量等變量，為工程規劃設計、案例應用提供完備、有效的工作環境[10-12]。

3 增江及分洪道二維水動力模型

3.1 工程區域基本情況

3.1.1流域概況

研究區域位于增江流域下游。增江為珠江水系東江北干流支流，發源于新豐縣七星嶺，流經廣州市從化區東北部后轉入龍門縣西北部，再折向南流，于增城境內正果接納永漢河后，經正果、荔城、石灘三地，于觀海口匯入東江北干流。增江多年平均徑流量為35.9億m3，干流河長為203 km，集雨面積為3 160 km2，其中廣州市增城區境內長為66 km，平均坡降為0.17‰，集雨面積為970 km2。

3.1.2水文氣象

本區域位于珠江三角洲地區，屬亞熱帶氣候，受東南亞季風影響較大。由于流域內地形多山，南部臨近海洋，氣流的抬升常帶來長歷時降雨，區域多年平均降雨量為1 830 mm。據新家埔雨量站實測，最大24 h降雨量為476 mm(1981年6月)。

3.1.3區域現狀問題

近年來，增城區降雨范圍、量級存在不確定性[13]，2020年的“5.22”和“6.8”兩場長歷時強降雨引發的洪水，具有強度大、影響廣的特點，增江下游石灘鎮區堤岸出現漫堤，較低地段的積水水深為1.0 m，造成較嚴重的經濟社會影響。增江分洪道進口位于增江初溪水利樞紐下游約6.0 km處，分洪道進口至出口段的增江主河道長6.3 km、分洪道河道長7.7 km。研究范圍的上游甩洲、下游新家埔平均河寬約400 m，而主河道最窄處僅有99 m，同時，河道內現狀存在公路橋、鐵路橋、生產便橋等涉水建筑物，河道行洪壓力大。目前，分洪道經多年運行，河灘地高程較高，河道內兼顧農業生產的農田、魚塘、果林灘地等影響分洪效果，導致分汊河道分洪比例不協調。增江及分洪道位置示意見圖1，分洪道內現狀灘涂見圖2，分洪道內現狀果林見圖3。

圖1 增江及分洪道位置示意

圖2 分洪道內灘涂示意

圖3 分洪道內果林示意

從水系演變分析，增江分汊河道自20世紀70年代前已成形，近年河道走勢穩定，目前保留較為穩定的河道形態[14]。根據《增江中下游干流設計洪潮水面線復核》[15]，2008年6月27日，增江出現一次10 a一遇洪水過程，廣東省水文局廣州分局進行了現場監測，左汊(分洪道)過流為440 m3/s，右汊(增江主河道)過流為2 220 m3/s，分流比為16.5%。

3.2 數值模擬

本研究的數值模擬范圍為增江及分洪道，上游為甩洲，下游為新家埔，其中增江主河道模擬河段長8.49 km，分洪道模擬河段長7.70 km，模擬水域面積為4.7 km2，并考慮花莞高速橋、增江大橋、廣深鐵路橋、犁耙渡便橋等建筑物對河道水動力變化的影響。

采用MIKE 21FM二維三角形網格建模方式，以現狀堤防臨水線確定計算范圍，對河道水下測量數據(2019年)進行矢量化，對堤圍內地面以及跨河橋梁橋墩區域采用較為成熟的不成生網格、不過水方式進行模擬，根據河段、橋墩分布情況合理設置網格大小，河道變化較大區域及橋墩處加密網格，生成網格總數148 975個，平均網格大小約為30 m2，最小網格大小為0.1 m2，制作網格文件用于模型計算。模擬范圍見圖4，其中，河道分汊處局部示意見圖5，公路橋、鐵路橋橋墩模擬見圖6。

圖4 模型范圍示意

圖6 公路橋、鐵路橋橋墩模擬示意

3.3 模型率定

模型率定采用2020年“6.8”洪水進行。查閱甩洲、石灘圍、新家埔水位站當次洪水前、后3 d的實測水位數據，新家埔最高水位為3.06 m，石灘圍為5.65 m，甩洲為6.27 m。通過甩洲站實測水位及增江河道實測大斷面數據，計算得到相應洪峰流量為3 700 m3/s。水位站3 d洪水水位過程線見圖7。

圖7 水位站3 d洪水水位過程線示意

增江及分洪道高水位時，周邊農田主要通過排澇泵站排水，排澇流量相比于增江、分洪道洪水流量較小，因此本次分析計算中忽略沿程排澇泵站入流影響。下游采用新家埔的水位邊界，上游采用甩洲水位站處的流量作為流量邊界，結合河道走向布置水位、流量監測點，計算相應的結果。模擬水位、流速監測點位置見圖8，模擬流量監測斷面見圖9。

圖8 模擬水位、流速監測點示意

圖9 模擬流量監測斷面示意

通過模型軟件分別計算，結果如下。模擬洪水水位分布率定情況見圖10，模擬洪水流速分布率定情況見圖11。針對公路橋、鐵路橋局部處進行模擬，公路橋、鐵路橋流速分布、流向分布見圖12、圖13。洪水模擬計算成果對比見表1。

圖10 模擬洪水水位分布率定示意

圖11 模擬洪水流速分布率定示意

圖12 公路橋、鐵路橋流速分布模擬示意

圖13 公路橋、鐵路橋流向分布模擬示意

表1 洪水模擬計算成果對比 m

由上述計算結果可見，模擬的水位與實測值相近；河道整體的水位、流速分布符合規律；公路橋、鐵路橋周邊局部的水流出現重分布現象，水流縮窄產生的流速、流向局部變化符合水動力規律。

3.4 水位分析

本次模擬增江出現5 a一遇洪水，遭遇東江北干流同頻洪水情景，即下游邊界水位為2.67 m，上游邊界流量為2 380 m3/s，計算結果見圖14、表2。

圖14 5 a一遇洪水水位計算結果示意

表2 5 a一遇洪水模型計算水面線

增江分汊河道段原規劃5 a一遇設計水位為4.65～4.89 m，本次模擬計算河道水位為4.71～5.04 m，比原設計水位提高0.06～0.15 m，分析原因，判斷為河道演變、分洪道多年運行過流減小、橋梁建設變化、計算方式不同等引起的。

3.5 分流比分析

根據河道特征，在增江上游、主河道、分洪道、增江下游分別設置模擬監測斷面，計算相應位置的分流比。通過計算，“2020.6.8”洪水工況下，現狀分洪道分流比為15%，分流比相對較小，在汛期河道行洪時，分洪道對河道分洪的效果有限，主河道行洪壓力較大，因此有必要通過工程措施，合理確定河道分流比例，整體提高河道行洪能力。“6.8”洪水模型計算河道分流流量計算結果見表3。

表3 “6.8”洪水模型計算河道分流流量

為降低主河道行洪壓力，鑒于增江主河道、分洪道堤防已建設完善，阻水的跨河建筑物重建對交通影響較大，因此河道拓寬、交通橋梁改造措施不現實，本研究考慮對分洪道進行清淤疏浚，擬定以下兩個方案。

方案一：分洪道進口道路標高降低2.0 m，底高程從3.0 m降低至1.0 m；分洪道進口至鐵路橋共1.3 km河道主河槽整體清疏2.0 m，上下游河底高程進行銜接，清疏土方量約9.5萬m3。

方案二：在方案一的基礎上分洪道進一步清疏1.5 m，分洪道進口前灘地清疏2.0 m，進口至鐵路橋以下1.0 km共2.3 km河道主河槽清疏2.0 m，清疏土方量20萬m3。

通過不同方案進行優化分流，方案一計算至上游甩洲斷面水位為6.10 m，比現狀降低0.10 m，分汊河段主河槽水位降低0.01～0.10 m，分洪道分流比例從現狀的15%提高至19%；方案二計算至上游甩洲斷面水位為5.85 m，比現狀降低0.35 m，分汊河段主河槽水位降低0.01～0.35 m，分洪道分流比例從現狀的15%提高至28%。結果表明，通過合理的清疏措施，可充分利用分洪道行洪，優化水流分配，有效降低河道行洪水位。兩種方案下“6.8”洪水模型計算河道分流流量計算成果見表4。

表4 兩種方案下“6.8”洪水模型計算河道分流流量 m3/s

4 結語

以增江分汊河道為例，采用MIKE 21FM水動力數學模型軟件，建立河道二維水動力數學模型，考慮橋墩對過流的影響，計算相關工況河道水動力，研究優化分洪道分流方案。研究結果表明，二維水動力數學模型能很好的解決河道分流計算，通過對比不同的工程方案可知，河道清疏能有效改善河道總體行洪能力，優化水流分配，降低河道行洪水位，研究結果對增江防洪具有重要的理論及現實意義，也可為其他河道的治理工程提供參考。