基于MIKE11 的截流河沿河休閑帶景觀阻水分析

羅來輝

（深圳市原水有限公司,廣東 深圳 518003）

城區內河流河道整治是在保障城市防洪、排澇、生態環境和水環境等安全的前提下,對提升市區總體形象、改善人們居住環境、促進經濟發展等方面同樣具有重要作用。河道當以防洪排澇優先,對設計標準洪水進行科學計算,是保障城市防洪安全和工程運行期安全的重要前提[1]。跨河橋梁建設一般需在河道行洪斷面內設置多排橋墩,占用河道行洪空間,產生壅水影響。沿河景觀通常采用在河道內建設駁岸,種植挺水植物,營造景觀效果,占用河道行洪空間,降低河道防洪標準。本文以大空港片區截流河沿河景觀帶工程建設為例,通過MIKE11 水動力模型模擬分析研究河道內景觀及建筑物阻水影響。

1 工程概況

本工程截流河位于深圳市茅洲河河口,穿越德豐圍涌、石圍涌、下涌等河涌,城區河道長度約8.5 km,河道寬度80 m～100 m,集雨面積33.56 km2。根據排澇需要,在沙福河和下涌間布置南北兩條連通渠,其中南連通渠長度2.4 km,北連通渠長度2.1 km。

根據工程所在區域防洪排澇需求,在現有工程的基礎上,提出了南北分區防治的原則。在北片區設置3 座水閘攔蓄外水,在河道北片區采用中節制閘和并在北出口和北連通渠出口新建節制閘的方式進行防治。與現狀護岸形成封閉防洪（潮）體系,并對德豐圍涌和二涌等5 條支流通過排澇泵站集中排出[2]。南片區在各河涌出口新建節制閘進行排洪防潮,與截流河、連通渠堤防護岸形成南片區封閉防洪（潮）體系,沙福河到玻璃圍涌排澇以自排為主。根據擋潮及景觀蓄水要求,在截流河南出口及南連通渠出口布置節制閘。節制閘運行方式為平時關閉北節制擋潮和攔蓄河水,控制內河水位。需要排洪且外潮低于排澇控制水位時開閘泄洪,外潮高于排澇控制水位時,通過節制閘和排澇泵站進行排澇。

截流河位于未來將成為大空港片區生態系統重要的組成部分,承擔了截洪和防澇功能。為保證城區的防洪（潮）排澇安全,減少城市建設對河道水環境水生態的影響,實現可持續發展。截流河兩岸沿河景觀帶工程設計最大限度地在流域內進行生態板塊的整合,通過各種園路的串聯,使截流河成為大空港片區南北向生態通廊,為滿足截流河兩岸商業地塊的人行交通需求,在南連通渠以南,鳳塘大道橋以北設計景觀人行橋（北橋）；鳳塘大道橋以南,景芳路橋以北設計景觀人行橋（南橋）。

2 模型構建

2.1 計算方法

壅水分析計算采用DHI Mike 水動力模型進行模擬分析。一維水動力模塊（MIKE 11）基于典型河道水流方程（圣維南方程組）的六點中心差分Abbot 解法,一般采用次集水區設計的流量過程和下游設計潮位作為模型的輸入邊界條件,計算得出沿河道方向的水位和流量。控制方程為一維不恒定流的基本方程：

MIKE 11 一維水動力模型在一維網格上水位計算點（h-point）的基礎上,根據計算要求生成。流量計算點（Q-point）布置于在上下游兩個水位點之間。求解方法是按照逐個時間步長交替計算網格中的流量和水位點。模型的數值解法應用的是中心6 點Abbott 隱式有限差分格式,該離散格式順序交替計算不同時段每一個網格點的水位和流量,分別稱為h 點和Q 點交叉網格點（交替水位點和流量點）。其中對有斷面數據的點設置為水位點。單一河道Abbott 格式水位點、流量點交替布置圖見圖1（a）,河網汊點變量布置圖見圖1（b）,水流流量邊界變量布置見圖1（c）,Abbott 有限差分格式見圖1（d）。離散后的線性方程組用追趕法求解。

圖1 MIKE 11 模型原理圖解

2.2 計算工況

（1）基于規劃模型：根據規劃文件,采用截流河南、北分排格局,在已建截流河北端出口排澇泵站基礎上,于截流河南出口、北連通渠出口分別設置排澇泵站抽排,結合截流河本身的調蓄空間,共同提升區域內澇防治能力。北片區在北連通渠河口新建北連通渠泵站1 座,排澇流量90 m3/s,北片區泵站排澇規模增至207 m3/s。南片區在截流河南出口新建排澇泵站1 座,排澇流量180 m3/s～200 m3/s。

發生大潮時, 河口擋潮閘將關閉, 采用泵站抽排截流河封閉區域洪水, 水面線計算采用在開啟河口泵站工況下,100 年一遇設計洪水進行計算。

（2）基于初設模型：采用北片區集中治澇方案,在截流河北段和二涌與沙福河河口間設置節制閘,在截流河北出口設置集中抽排泵站,使高低水位分離,排澇流量117 m3/s,北片區雨水在封閉區集中抽排。南片區來水通過截流河南段及南連通渠自排出。

發生大潮時,將河口擋潮閘關閉,北片區采用泵站抽排截流河封閉區域洪水。因此,本次北片區水面線計算采用50 年一遇設計洪水在開啟河口泵站工況下的計算成果,南片區（截流河中節制閘至截流河南出口）為自排區,按河道的設計洪水標準設計,其防洪標準為100 年一遇。

由于原新建駁岸占河道行洪斷面面積較大,結合現場河道情況,取消地塊駁岸建設。在以上兩種模型中進一步模擬已建涉河駁岸水面線。

（3）基于規劃模型與已建涉河工程：發生大潮時,河口擋潮閘將關閉,仍采用泵站抽排截流河封閉區域洪水。結合已建工程平面分布情況來看,已建工程主要集中在截流河南段（截流河中節制閘至截流河南出口）,本次水面線計算采用100 年一遇設計洪水在開啟河口泵站工況下的計算成果。

（4）基于初設模型與已建涉河工程：發生大潮時,河口擋潮閘將關閉,北片區采用泵站抽排截流河封閉區域洪水。結合已建工程平面分布情況來看,已建工程主要集中在截流河南段（截流河中節制閘至截流河南出口）,截留河南段為自排區,本次水面線計算圍繞截流河南段展開,按河道的設計洪水標準設計,其防洪標準為100 年一遇。

2.3 水面線成果

通過模型計算,此次沿河休閑帶景觀及2 座人行天橋建設前后的水面線在基于規劃模型中,截流河北段設計水位升高0.01 m～0.06 m,截流河南段設計水位最大升高0.1 m；在基于初設模型中,截流河北段設計水位升高0.01 m～0.05 m,截流河南段設計水位升高0.01 m～0.09 m,最大升高0.09 m。

結合已建涉河工程,在基于規劃模型與已建涉河工程模型中,截流河南段設計水位最大升高0.06 m；在基于初設模型與已建涉河工程模型中,截流河南段設計水位升高0.01 m～0.07 m,最大升高0.07 m（見表1）。

表1 截流河南段水面線計算成果（基于規劃模型與已建涉河工程）

北人行天橋基于規劃模型情況下水面壅高了0.04 m；基于初設模型情況下水面壅高了0.05 m。南人行天橋基于規劃模型情況下水面壅高了0.03 m；基于初設模型情況下水面壅高了0.06 m（見表2）。

表2 截流河南段水面線計算成果（基于初設模型與已建涉河工程）

3 分析

基于規劃模型與已建涉河工程：新建駁岸所造成的壅水高度為0.01 m～0.06 m。從表可知,駁岸建成后,最高水位2.0 m,壅高后水位低于現狀直立墻頂2.5 m 高程,所以無需補償河道行洪面積。駁岸建成后,可控制水面線低于截流河堤頂高程,不降低河道防洪標準,不影響河道行洪安全[3]。

基于初設模型與已建涉河工程：新建駁岸所造成的壅水高度為0.03 m～0.07 m。從表可知,駁岸建成后,最高水位3.49 m。雖然新建駁岸造成壅水,可消化于河道行洪斷面內,控制水面線低于截流河堤頂高程。故本工程建成后,不影響河道行洪能力。

河道中水流呈自然流態方式,橋梁等建筑物的修建,無疑將對河道水流產生一定影響,根據防洪設計的要求,需計算橋墩建成后產生的壅水高度,以推算工程阻水引起水位壅高變化,研究是否采取相應的補救措施。

本工程范圍內新建人行天橋2 座,占用河道行洪斷面。北人行天橋,有兩排橋墩落在河道內；南人行天橋,有兩排橋墩落在河道內。

受北人行天橋橋柱的影響,基于規劃模型情況下水面壅高了0.04 m,橋梁阻水比為2.14%；基于初設模型情況下水面壅高了0.05 m,橋梁阻水比為1.98%,兩種工況情況下阻水比均小于5%。由于水面壅高很小,橋梁建成后,不降低河道防洪標準,不影響河道行洪安全。

受南人行天橋橋柱的影響,基于規劃模型情況下水面壅高了0.03 m,橋梁阻水比為2.18%；基于初設模型情況下水面壅高了0.06 m,橋梁阻水比為2.04%,兩種工況情況下阻水比均小于5%。由于水面壅高很小,橋梁建成后,不降低河道防洪標準,不影響河道行洪安全。

由于河道綜合整治工程已完成,受河道邊界條件限制,河道內擋墻建成無法進一步拓寬行洪斷面,如果采用拆除直立墻拓寬河道的措施補償行洪面積,達到避免水位壅高的目的,需要增加投資較多和延長施工工期。基于實際情況,本次工程壅高水面線基于規劃模型低于河道擋墻2.5 m 高程,基于初設模型低于河道堤岸4.84 m 高程,采取少量壅高水位的方式,補償行洪面積是合適的。且壅水高度較小,對河道防洪影響較小,水面線逐漸趨于平緩,建設前后水面線基本保持不變,不存在影響河道行洪安全的問題。

4 結語

本文以大空港截流河為例,通過一維水動力模型,模擬涉河景觀及建筑物對水面線的影響,分析了新建駁岸和跨河橋橋墩阻水比、壅水高度。河道建設項目進行防洪評價首先考慮減小工程方案對河道行洪、堤防穩定等方面的不利影響。在保障防洪安全的前提下,還需結合工程項目的實際情況,全面、綜合地考慮工程方案合理性,同時積極尋求有效的防治和補救措施,使工程項目的建設最大可能地滿足技術、經濟、社會效益等方面的要求。