郭士杰,李興春,李立新

(齊齊哈爾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

1 項(xiàng)目背景

齊齊哈爾市是黑龍江省第二大城市、全國重點(diǎn)防洪城市,是全國重要的裝備工業(yè)基地、商品糧基地和綠色食品基地。2004年黑龍江省委、省政府提出建設(shè)哈大齊工業(yè)走廓,批復(fù)了重度鹽堿地等未利用地開發(fā)利用規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)布局總體規(guī)劃,在此基礎(chǔ)上,省政府又于2005年批復(fù)了“哈大齊工業(yè)走廓產(chǎn)業(yè)布局總體規(guī)劃”。在上述兩個(gè)規(guī)劃中,齊齊哈爾市的規(guī)劃開發(fā)總面積為112 km2,分布于南苑、北苑、富拉爾基、昂昂溪、江西5個(gè)項(xiàng)目建設(shè)區(qū),其中江西經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的規(guī)劃面積為45 km2,位于齊甘公路橋下,嫩江汊流一道江與二道江之間、二道江與三道江之間的河灘地上,占齊齊哈爾市計(jì)劃開發(fā)總面積的40%,是5個(gè)項(xiàng)目區(qū)中的最大開發(fā)區(qū),規(guī)劃用途為農(nóng)產(chǎn)品加工和城市建設(shè)用地。

為保證《黑龍江省哈大齊工業(yè)走廓產(chǎn)業(yè)布局總體規(guī)劃》的實(shí)施,推進(jìn)齊齊哈爾市產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整,充分發(fā)揮齊齊哈爾市的城市功能,推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)嫩江右岸齊齊哈爾市段部分堤線調(diào)整是必要的。調(diào)整后江西項(xiàng)目區(qū)位于齊齊哈爾市城防堤和梅里斯堤、雅爾塞堤之間右側(cè)行洪灘地上,項(xiàng)目區(qū)上起齊甘公路橋(圖1),下至濱洲鐵路橋。為分析改線后的堤防對(duì)河道水位、流場(chǎng)及河床沖淤的影響,應(yīng)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析。

圖1 哈大齊工業(yè)走廊江西項(xiàng)目區(qū)防洪規(guī)劃堤線位置圖Fig.1 Flood control plan chart of Harbin-Daqing-Qiqihar Industry Corridior Jiangxi Project Area

2 數(shù)學(xué)模型建立

2.1 基本方程

建立在靜水壓強(qiáng)假定下的平面二維笛卡爾坐標(biāo)系中的水沙運(yùn)動(dòng)方程可寫為:

1)連續(xù)性方程:

5)推移質(zhì)輸沙率。推移質(zhì)輸沙率選用長(zhǎng)江科學(xué)院提出的輸沙經(jīng)驗(yàn)曲線:

6)河床變形方程:

懸沙引起的河床變形方程:

式中H為水深;u和v為x和y方向的流速;M=uh;N=vh;Z為水位;n為Manning糙率系數(shù);νt為紊動(dòng)粘性系數(shù);q為單位面積上水流的源匯強(qiáng)度;ρ為水體密度;S為含沙量;S*為挾沙力;ω為泥沙顆粒沉速;γ′為泥沙干密度;α為恢復(fù)飽和系數(shù);ε為泥沙擴(kuò)散系數(shù);d為泥沙粒徑;Uc為床面起動(dòng)流速;Ud為近床面流速;gb為推移質(zhì)單寬輸沙率。

2.2 方程的離散

基于無結(jié)構(gòu)的三角形網(wǎng)格,采用控制體積法進(jìn)行方程的離散求解。

以三角形單元為控制體,待求變量位于單元中心,沿水深平均的水流模型基本方程可表示成如下一般形式:

式中Φ為通用變量;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為源項(xiàng)。

2.3 數(shù)值求解方法

采用基于同位網(wǎng)格的SIMPLE算法進(jìn)行離散求解,其中對(duì)流項(xiàng)采用延遲修正的二階格式。擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式并計(jì)入界面上交叉擴(kuò)散項(xiàng)的影響。整個(gè)算法的優(yōu)點(diǎn)在于能很好保證水流模型中水量和動(dòng)量守恒,泥沙輸移中沙量的守恒。

作者簡(jiǎn)介：林文俊，漢族，福建漳浦人，福建省漳浦縣深土小學(xué)，一級(jí)教師，專科學(xué)歷，研究方向：小學(xué)數(shù)學(xué)教育。

2.4 數(shù)學(xué)模型相關(guān)問題處理

2.4.1 計(jì)算河段網(wǎng)格布置

將整個(gè)計(jì)算河段劃分為一個(gè)三角形網(wǎng)格系統(tǒng),網(wǎng)格劃分過程中主要考慮到以下幾個(gè)因素:

1)盡可能使網(wǎng)格邊界線與河道堤線重合,以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格與河道的完全貼體。

2)對(duì)河道主槽及建筑物局部盡可能加密網(wǎng)格,并使網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)通過工程邊界線。

選取嫩江斷面CS31-CS44長(zhǎng)約45 km的河段作為二維模型計(jì)算河段,按上述原則,將整個(gè)計(jì)算河段共劃分49828個(gè)三角形單元,共有25408個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格中三角形邊長(zhǎng)為20～550 m,其中主河槽網(wǎng)格較密,邊長(zhǎng)一般為20～60 m,灘地較稀,為 100～500 m。

2.4.2 動(dòng)邊界模擬

在非恒定流計(jì)算過程中,計(jì)算域內(nèi)部分節(jié)點(diǎn)在漲水時(shí)會(huì)被“淹沒”,在落水時(shí)會(huì)“干出”。為正確反映這部分節(jié)點(diǎn)的干濕變化,模型中采用了以下動(dòng)邊界模擬技術(shù):選定一臨界水深(取為0.001 m),當(dāng)某時(shí)刻某節(jié)點(diǎn)實(shí)際水深小于臨界水深時(shí),認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)“干出”,令該點(diǎn)流速為零,水深為臨界水深,水位值由附近非“干出”點(diǎn)水位值外插值得到;當(dāng)某時(shí)刻某節(jié)點(diǎn)實(shí)際水深大于臨界水深時(shí),則恢復(fù)程序計(jì)算。

2.4.3 參系數(shù)取值

二維水流泥沙數(shù)模計(jì)算涉及的主要參系數(shù)有河道糙率、紊動(dòng)粘性系數(shù)、泥沙紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)等。

河道糙率實(shí)際上是一個(gè)綜合阻力系數(shù),反映了計(jì)算河段的河床河岸阻力、河道形態(tài)變化、水流阻力及河道地形概化等因素的綜合影響。計(jì)算所采用的河道糙率主要由實(shí)測(cè)水流資料率定計(jì)算確定。經(jīng)率定調(diào)試得到本河段河槽糙率為0.020～0.035,灘地為0.035～0.070。水流紊動(dòng)粘性系數(shù)根據(jù)大量工程經(jīng)驗(yàn)確定,本次計(jì)算取為5。對(duì)于泥沙紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù),一般取其值與水流紊動(dòng)粘滯系數(shù)相等。

2.4.4 床沙交換及床沙級(jí)配調(diào)整

由于水流與泥沙的相互作用,使某組泥沙發(fā)生沖刷時(shí),另一組泥沙可能發(fā)生淤積,因此,床沙級(jí)配的調(diào)整應(yīng)能反映床沙對(duì)水流、泥沙運(yùn)動(dòng)的響應(yīng),及對(duì)挾沙力的影響。本模型將計(jì)算河段內(nèi)河床由上至下分成4層,即表層、中間兩層和底層。懸沙與床沙的直接交換發(fā)生在交換層中,交換層厚度在完成級(jí)配調(diào)整后,保持不變;過渡層中泥沙級(jí)配視表層床面的沖刷或淤積相應(yīng)地向下或向上移動(dòng),與表層泥沙發(fā)生交換,過渡層厚度不變;底層與過渡層相應(yīng)地進(jìn)行級(jí)配調(diào)整,底層的厚度視表層床面的沖刷或淤積相應(yīng)地減小或增加。

3 數(shù)學(xué)模型率定驗(yàn)證

數(shù)學(xué)模型率定驗(yàn)證計(jì)算的主要目的是檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法的可行性,率定模型中相關(guān)參系數(shù),并檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算精度。主要內(nèi)容有水面線、斷面流速分布、汊道分流比及地形驗(yàn)證等。

4 工程對(duì)水位流速影響分析

4.1 水位影響分析

圍堤工程實(shí)施后,截?cái)嗔嗽?、三道?從而使河段水位壅高,在3組水流條件下,流量越大,則工程對(duì)水位流場(chǎng)的影響越大?，F(xiàn)規(guī)劃方案下僅考慮興建圍堤時(shí),水位壅高最大值位于齊甘橋下游CS34-1與CS35之間,在 P=2%、5%、10%頻率洪水下,水位壅高最大值分別為0.40、0.39 m和0.33 m。壅水范圍位于榆樹崴子(CS41斷面)以上河段,壅水值＞0.05 m的河段長(zhǎng)度分別為:＞30 km、30 km和13 km。

由于圍堤工程基本上截?cái)嗔硕?、三道?為此設(shè)計(jì)中考慮采取新開江進(jìn)行補(bǔ)救,包括三道江改線和二道江改線兩段。由計(jì)算結(jié)果來看,現(xiàn)規(guī)劃方案下考慮興建圍堤和新開江措施后,工程后水位壅高值明顯降低,壅水范圍明顯縮小,在P=2%、5%、10%頻率洪水下,水位壅高最大值分別為0.25、0.21 m和0.15 m,相對(duì)未采取新開江措施時(shí)壅水最大值減小了0.13～0.18 m,且最大值出現(xiàn)的位置也有所下移。從影響范圍來看,采取新開江措施后,在P=2%、5%、10%頻率洪水下,壅水值＞0.05 m的河段長(zhǎng)度分別為28、21 km和18 km。

從現(xiàn)規(guī)劃堤線方案與原規(guī)劃堤線方案計(jì)算成果對(duì)比來看,由于兩方案在齊甘橋至CS37斷面內(nèi)堤線基本無變化,而壅水最大值位于齊甘橋下游右側(cè),因此新的堤線方案下壅水最大值減小不大,但壅水影響范圍明顯縮短。在采取新開江措施后,現(xiàn)方案壅水最大值及影響范圍有一定幅度的減小。

4.2 流速影響分析

4.2.1 流場(chǎng)影響定性分析

在P=2%頻率洪水下,河道主流基本沿主槽流動(dòng),但在局部彎頂及橫向河槽處,水流會(huì)偏離主槽,沿較短的路線流動(dòng),反映“大水趨直、小水坐彎”的特征。在3座橋位附近,由于跨越灘地時(shí)為路堤,因此路堤會(huì)產(chǎn)生較大的阻水作用,在計(jì)算中考慮了路堤的影響,從流場(chǎng)圖上看路堤上游流速明顯減小。在P=5%頻率洪水下,3座橋位處路堤的阻水作用更加明顯?？傊?計(jì)算河段河槽較為窄淺,且彎曲分汊,在大洪水條件下,水流漫槽后灘地可起到較大的行洪作用,圍堤工程興建后占用了河道行洪面積,會(huì)使縮窄后的河道流速增加。

4.2.2 流速影響分析

從流速變化等值線圖來看,由于圍堤工程使河道過水?dāng)嗝婵s窄,因此工程區(qū)河段流速一般增加,而工程區(qū)上、下游河段流速有所減小。工程區(qū)流速增加部位主要位于圍堤外側(cè)河道內(nèi),僅考慮興建圍堤時(shí)增加相對(duì)較大處位于二、三道江所在河段內(nèi),由于圍堤截?cái)嗔嗽⑷澜?因此流速增加相對(duì)較大。在采取新開江措施后,二、三道江所在河段由于圍堤引起的流速增加值很小,一般＜0.05 m/s。

在P=2%頻率洪水條件下,工況1時(shí)河道中流速一般增加0.01～0.10 m/s,流速增加較大部位主要位于圍堤與二、三道江交叉處下游、CS37-CS38間主河槽、CS41-CS42間主河槽等部位,流速增加最大值為0.26 m/s;工況2時(shí),由于新開了二道江和三道江,除新開江內(nèi)流速顯著增加外,其余部位流速增加值均不大,一般＜0.05 m/s,增加最大值為0.15 m/s。在P=5%頻率洪水條件下,工況1流速增加最大值為0.20 m/s,工況2為0.10 m/s。在P=10%頻率洪水條件下,工況1流速增加最大值為0.15 m/s,工況2為0.06 m/s。

由工況1和工況2的對(duì)比表明,新開二、三道江后能明顯降低該河段的流速增加值,在3組洪水流量條件下,可使最大流速增加值減小0.09～0.11 m/s。

從現(xiàn)堤線方案與原規(guī)劃堤線方案計(jì)算成果對(duì)比來看,圍堤與大昂堤間最小間距由原方案的2.0 km增大到4.2 km,因此現(xiàn)方案工程后該段圍堤外側(cè)流速增加值相對(duì)原方案明顯減小。

5 工程對(duì)河床沖淤影響分析

河床沖淤計(jì)算結(jié)果表明,不考慮工程實(shí)施時(shí),在1998年大洪水條件下,河床沖淤一般＜0.8 m,最大沖刷深度為1.8 m;在2003年一般洪水條件下(相當(dāng)于6年一遇),河床沖淤一般＜0.6 m,沖刷最大值為1.0 m。

考慮圍堤及新開江工程實(shí)施后,由于河道縮窄、流速增加,河床沖刷值相對(duì)自然情況有所增大。在1998年大洪水條件下,河床沖刷值增大 0.1～0.3 m,沖刷最大值由工程前的1.8 m增大到2.0 m;在2003年中水水沙條件下,河床沖刷值增大0.05～0.2 m,沖刷最大值由工程前的1.0 m增大到1.1 m?？傮w而言,工程的興建對(duì)河床沖淤變化會(huì)產(chǎn)生一定的影響,但由于本河段河道較寬,對(duì)受圍堤工程影響的二、三道江采取了補(bǔ)救措施,因此總體而言對(duì)工程河段整體河勢(shì)穩(wěn)定影響不大。

6 主要結(jié)論及建議

6.1 結(jié) 論

擬建圍堤工程興建后,由于河寬的縮窄,河道行洪面積的減小,對(duì)河道水位、流速及河床沖刷帶來一定程度的影響,當(dāng)采取新開江補(bǔ)救措施后,可降低圍堤帶來的不利影響?？傮w來看,擬建工程對(duì)工程河段流場(chǎng)及河床沖淤影響程度有限,對(duì)工程河段整體河勢(shì)穩(wěn)定影響不大。

6.2 建 議

工程興建后,雅爾塞堤和梅里斯堤應(yīng)適當(dāng)加高加固,以保證本河段的防洪安全。應(yīng)清除灘地行洪障礙物(如小圍堤、建筑棄土、砂堆等),對(duì)河槽狹窄部位進(jìn)行拓寬、淤積部位進(jìn)行疏浚。工程河段局部可能產(chǎn)生一定的沖淤調(diào)整,因此建議加強(qiáng)河道觀測(cè),遇不利情況時(shí)及時(shí)采取措施予以解決。

[1]水利部松遼水利委員會(huì).松花江流域防洪規(guī)劃[R].長(zhǎng)春:水利部松遼水利委員會(huì),2007.

[2]黑龍江省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.黑龍江省松花江、嫩江干流防洪工程規(guī)劃洪水位計(jì)算報(bào)告[R].哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2000.

[3]黑龍江省國土資源廳,黑龍江省發(fā)展和改革委員會(huì).黑龍江省哈大齊地區(qū)重度鹽堿地等未利用土地開發(fā)利用規(guī)劃專題研究報(bào)告[R].哈爾濱:黑龍江省國土資源廳、黑龍江省發(fā)展和改革委員會(huì),2004.

[4]黑龍江省人民政府.黑龍江省人民政府關(guān)于印發(fā)哈大齊工業(yè)走廊產(chǎn)業(yè)布局總體規(guī)劃的通知[Z].哈爾濱:黑龍江省人民政府,2005.

[5]梁志宏,徐峰俊,劉俊勇.珠江南河道平面二維非恒定流水沙數(shù)值模擬[J].黑龍江水專學(xué)報(bào),2008,35(4):12-16.

[6]劉玉林,陳偉剛.淮河干流泥沙輸移特性淺析[J].黑龍江水專學(xué)報(bào),2009,36(4):22-23,35.