顧 群

（泰州市城市水利投資開發(fā)有限公司 江蘇泰州 225309）

泰州市城市水系規(guī)劃河網(wǎng)數(shù)值計(jì)算研究

顧 群

（泰州市城市水利投資開發(fā)有限公司 江蘇泰州 225309）

泰州位于江蘇省中部，河網(wǎng)豐富。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化的推進(jìn)，在城市建設(shè)過程中，城市水系受到一定程度的破壞，水系格局管理混亂，水安全保障能力不足、水資源匱乏、水污染嚴(yán)重、水生態(tài)環(huán)境惡化所造成的水危機(jī)成為泰州城市實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的制約因素。為此，泰州水利局?jǐn)M編制泰州市城市水系規(guī)劃，保護(hù)并指導(dǎo)城市水系建設(shè)。本文通過建立二維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，針對水系工程實(shí)施前后，市區(qū)主要河道水文的特征變化進(jìn)行計(jì)算和對比分析。計(jì)算結(jié)果表明：河道水系整治改善了城市防洪標(biāo)準(zhǔn)，在洪潮設(shè)計(jì)組合下，內(nèi)河水位明顯降低?！娟P(guān)鍵詞】 泰州城市 水系建設(shè) 二維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

1 概述

泰州位于江蘇省中部，長江之濱，是里下河地區(qū)通江達(dá)海的門戶。根據(jù)《泰州市城市總體規(guī)劃》，泰州將積極融入長三角區(qū)域一體化進(jìn)程，成為長三角北翼的區(qū)域中心城市。為適應(yīng)泰州城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，指導(dǎo)泰州市城市水系治理，統(tǒng)籌安排水系保護(hù)和建設(shè)，逐步解決城市發(fā)展中面臨的洪澇災(zāi)害、水資源短缺、水質(zhì)惡化等重大水問題，迫切需要泰州市建立相適應(yīng)的城市水系（泰州市位置見圖1）。

泰州市現(xiàn)狀骨干水系為二縱二橫，二縱為泰州引江河、南官河，二橫分別為新通揚(yáng)運(yùn)河、周山河；泰州市擬通過水系整治，疏通理順?biāo)W(wǎng)、溝通河道，并結(jié)合城市相關(guān)規(guī)劃的要求，規(guī)劃后骨干水系為四縱八橫，四縱分別為泰州引江河、鹵汀河--南官河一線、泰東河--鳳凰河--團(tuán)結(jié)中溝一線、兩泰官河-南干河-西干河-紅旗河-蘇陳河一線；八橫分別為新通揚(yáng)運(yùn)河、老通揚(yáng)運(yùn)河、周山河、鴨子河、樂園河、許莊河、宣堡港、古馬干河。

工程興建后，河道水網(wǎng)水位發(fā)生改變。為了解水系工程規(guī)劃后水文條件的變化，建立一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，對規(guī)劃工程實(shí)施前后，工程水文特征的變化情況進(jìn)行計(jì)算和對比分析，并據(jù)此估算水系規(guī)劃工程實(shí)施的可行性。

圖1 泰州市位置

2 河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型建立及驗(yàn)證

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

計(jì)算范圍為模型范圍內(nèi)的高沙土地區(qū)：東

至西姜黃河，南至江平公路、如泰運(yùn)河，北至老328國道，西至泰州引江河，計(jì)算面積為905.1km2。

2.1.1 基本方程

運(yùn)用一維河網(wǎng)非恒定流模型，數(shù)值計(jì)算規(guī)劃區(qū)域內(nèi)各主要河道的水位、流量。

（1）一維非恒定流基本方程。

式中，Z為水位、Q為流量、B為水面寬度、A為過水?dāng)嗝婷娣e、R為水力半徑、C為謝才系數(shù)、q為單位長度河道的旁側(cè)入流量，t和s分別是時(shí)間和空間坐標(biāo)。

（2）差分方程。采用Preissmann隱格式建立差分方程。此格式的網(wǎng)絡(luò)形式如下圖所示，在每一個(gè)結(jié)點(diǎn)上同時(shí)求出流量和水位。因變量及其導(dǎo)數(shù)的差分形式為：

將上式代入基本方程整理后得如下形式的差分方程：

（3）差分方程的求解。對于劃有N個(gè)斷面的河道，有N-1個(gè)河段，共可寫出2（N-1）個(gè)代數(shù)方程，加上上游、下游邊界條件，形成階數(shù)為2N的代數(shù)方程組，可以解出N個(gè)斷面處的水位Z和流量Q。此方程組常用追趕法求解。

在上游邊界條件為水位過程線時(shí)，代數(shù)方程組可寫成遞推形式：

上邊界：Z1=P1+R1Q1，其中P1=已知水位，R1=0

1河段：Q1=L2+M2Q2，Z2=P2+R2Q2

2河段：Q2=L3+M3Q3，Z3=P3+R3Q3

…………

K 河 段：Qk=Lk+1+Mk+1Qk+1，Zk+1=Pk+1+Rk+1Qk+1

…………

N-1河段：QN-1=LN+MNQN，ZN=PN+RNQN

下邊界：aNZN=DNQN=eN

在上述方程中，遞推系數(shù)：

其 中：Y1=a1kRk-C1k,Y2=a2kRk-C2k,Y3=e1ka1kPk,Y4=e2k-a2kpk,

具體求解方法是：先由上游邊界向下游邊界推進(jìn)，求出遞推系數(shù)，再由下游邊界向上游邊界回代，求出各斷面處的水位Z和流量Q。

如上游邊界條件為流量過程線，則上游邊界條件式變?yōu)镼1=P1+R1Z1，求解思路與上述過程相似。

2.1.2 率定計(jì)算

（1）計(jì)算條件。通過一維河網(wǎng)非恒定流計(jì)算模型對洪水期的河道糙率進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證的水位節(jié)點(diǎn)為老通揚(yáng)運(yùn)河泰州站點(diǎn)、姜堰站點(diǎn)及口岸閘上，共計(jì)3個(gè)節(jié)點(diǎn)，河道斷面均采用實(shí)測代表斷面（采用的糙率系數(shù)見表1）。驗(yàn)證分別采用1991年、2003年洪水資料，洪水流量分別采用1991年7月9-11日、2003年7月4-6日三日實(shí)測降雨資料推算，長江潮位分別采用口岸閘下1991年7月9-11日三天72h和口岸閘下、過船港閘下2003年7月4-6日三天72h實(shí)測資料。

驗(yàn)證結(jié)果表明，水位特征值擬合較好，最高水位各節(jié)點(diǎn)相對誤差（絕對值）在0.21%～3.5%

以內(nèi)，吻合情況較好，證明計(jì)算取用糙率是符合實(shí)際情況的。從模型驗(yàn)證結(jié)果看，模型驗(yàn)證結(jié)果較好，可用于工程方案計(jì)算研究。

（2）閘下潮位。閘下潮位見圖2～圖7。

圖2 1991年7月9-11日口岸閘下潮位過程

圖3 1991年7月9-11日過船閘下潮位過程

圖4 2003年7月4-6日口岸閘下潮位過程

圖5 2003年7月4-6日過船閘下潮位過程

圖6 1991年7月9-11日同期降雨的徑流過程

圖7 2003年7月4-6日同期降雨的徑流過程

（3）主要河道的粗糙系數(shù)。主要河道的粗糙系數(shù)見表1。

表1 主要河道的粗糙系數(shù)

表2 率定計(jì)算結(jié)果（1991年7月9日-11日）

表3 率定計(jì)算結(jié)果（2003年7月4日-16日）

運(yùn)用上述計(jì)算模型，相關(guān)計(jì)算成果見表4～表8。

表4 現(xiàn)狀工況一(不向泰州引江河排水)

表5 現(xiàn)狀工況二（向泰州引江河排水工況）

表6 規(guī)劃工況一(不向泰州引江河排水)

表7 規(guī)劃工況二（向泰州引江河排水）

表8 規(guī)劃工況三（向泰州引江河排水加分區(qū)控制工況）

4 結(jié)論

根據(jù)以上計(jì)算可以看出：

（1）若不考慮向引江河排水，在20年一遇暴雨遇長江2002年最大三日潮型（潮位頻率20%）工況下，內(nèi)河最高水位為4.9m，而現(xiàn)狀地面高程大多為5.0m左右，部分建成區(qū)將嚴(yán)重受澇，水系整治后，內(nèi)河最高水位降低到4.56m；在50年一遇暴雨遇1976年最大三日潮型（潮位頻率50%）工況下，內(nèi)河最高水位將漲至5.3m以上，將大面積受澇，在河道水系整治后，內(nèi)河最高水位降低到5.09m。

（2）若計(jì)入向引江河排水，現(xiàn)狀工況河道相應(yīng)最高水位達(dá)到4.66～5.27m，水系整治后，相應(yīng)最高水位降低到4.39～4.89m?？梢娝嫡魏蠼档土藘?nèi)河水位，相應(yīng)也提高了城市防洪減災(zāi)能力。

（3）泰州水利局編制的泰州市城市水系規(guī)劃，全面指導(dǎo)并保護(hù)城市水系建設(shè)體系。通過科學(xué)系統(tǒng)地建立二維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，主要針對水系工程實(shí)施前后，市區(qū)主要河道水文的特征變化進(jìn)行計(jì)算和對比分析。通過詳細(xì)地計(jì)算結(jié)果表明了河道水系整治建設(shè)，提高了城市防洪標(biāo)準(zhǔn)，改善城市水生態(tài)系統(tǒng)。通過實(shí)踐證明在洪潮設(shè)計(jì)組合下，內(nèi)河水位明顯降低。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.004

TV131

B

1672-2469(2014)09-0010-04

顧群（1977年—），男，工程師。