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        一維水力學(xué)模型在天津市外環(huán)河排水方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

        2016-07-29 10:30:09李濤濤郭寶順
        海河水利 2016年2期
        關(guān)鍵詞:方案比選

        李濤濤,郭寶順,王 南

        (1.天津市水利勘測設(shè)計(jì)院,天津 300204;2.天津市水文水資源勘測管理中心,天津 300061)

        一維水力學(xué)模型在天津市外環(huán)河排水方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

        李濤濤1,郭寶順2,王南1

        (1.天津市水利勘測設(shè)計(jì)院,天津300204;2.天津市水文水資源勘測管理中心,天津300061)

        摘 要:外環(huán)河排水具有多點(diǎn)入流多點(diǎn)出流的特點(diǎn),傳統(tǒng)的水面線計(jì)算方法不能很好地模擬其入流出流過程,本次運(yùn)用一維水動(dòng)力學(xué)模型,結(jié)合外環(huán)河沿線排澇、景觀、交通等需求經(jīng)過多方案分析計(jì)算后,確定最佳排水分水方案。按照天津市城市總規(guī)劃,外環(huán)河外側(cè)規(guī)劃有500 m綠化帶,外環(huán)河已成為天津市城區(qū)的護(hù)城河,對保障城區(qū)排澇、沿線景觀將發(fā)揮重要的作用。

        關(guān)鍵詞:外環(huán)河;多點(diǎn)入流多點(diǎn)出流;方案比選;一維水動(dòng)力學(xué)

        1 外環(huán)河基本情況

        天津市外環(huán)河始建于1986年,是修建外環(huán)線取土?xí)r形成的一條人工河道,當(dāng)時(shí)以排除沿線綠化帶及道路澇水為主。2002年,為解決外環(huán)河排瀝壓力增加、不能貫通循環(huán)、水污染、環(huán)境臟亂等問題,實(shí)施了外環(huán)河綜合整治工程,外環(huán)河成為環(huán)繞天津市中心城區(qū)的護(hù)城河,治理后外環(huán)河河道上口寬度基本維持30 m,河道設(shè)計(jì)規(guī)模為5 m3/s。之后,又陸續(xù)在外環(huán)河與子牙河交口建設(shè)子牙河右岸泵站、設(shè)計(jì)規(guī)模為5 m3/s,在外環(huán)河與海河干流交口處建設(shè)2座泵站、設(shè)計(jì)規(guī)模為14 m3/s。

        隨著近年來城市建設(shè)的不斷發(fā)展,外環(huán)線以內(nèi)新建雨水系統(tǒng)不斷增加,現(xiàn)狀河道排水能力以及出口閘站遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足沿岸城區(qū)澇水不斷增長的要求。外環(huán)線作為天津市主要交通干線,緊鄰?fù)猸h(huán)河建造,使得外環(huán)河已經(jīng)不具備加高擴(kuò)挖的條件,現(xiàn)狀外環(huán)河堤頂高程較低,尤其是子牙河—海河干流段規(guī)劃雨水系統(tǒng)密集,來水量最大,堤頂高程最低,排水問題十分突出。本次基于外環(huán)河排水現(xiàn)狀及周邊可利用條件,對外環(huán)河排水壓力最大的子牙河—海河干流段排水方案進(jìn)行研究。

        2 外環(huán)河子牙河一海河干流段設(shè)計(jì)澇水安排

        外環(huán)河子牙河—海河干流段控制排水范圍包括津河水系中復(fù)興河以南河段由規(guī)劃新建衛(wèi)津河入外環(huán)河泵站控制范圍和該段河道沿線鄱陽路、友誼南路、衛(wèi)南洼、華苑、華天道、東姜井6座直排泵站的控制范圍,以及沿線道路和綠化帶。

        圖1 外環(huán)河子牙河一海河干流段規(guī)劃入流示意

        根據(jù)最新完成的《天津市排水專項(xiàng)規(guī)劃修編(2013—2020年)》,天津中心城區(qū)(含規(guī)劃北部新區(qū))范圍內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇、最大24 h暴雨、1 d排除設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);新外環(huán)以外的環(huán)城四區(qū)等其他范圍采用20年一遇、最大24 h暴雨、1 d排除設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。由以上確定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),子牙河—海河干流段外環(huán)河控制排水范圍屬中心城區(qū),區(qū)域排水采用50年一遇、最大24 h暴雨、1 d排除設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)計(jì)算,外環(huán)河子牙河—海河干流段規(guī)劃設(shè)計(jì)總?cè)肓髁繛?5.7 m3/s,環(huán)內(nèi)南豐產(chǎn)河及津港運(yùn)河設(shè)計(jì)總?cè)肓髁繛?1.34 m3/s。

        表1 外環(huán)河子牙河—海河干流段設(shè)計(jì)澇水流量統(tǒng)計(jì)

        3 排水方案研究

        外環(huán)線作為天津市主要交通干線,緊鄰?fù)猸h(huán)河,導(dǎo)致外環(huán)河采取擴(kuò)挖河道斷面的治理方式已基本不具備條件,本次排水方案按照現(xiàn)狀河道斷面資料、考慮提前降低河道水位、尋找新的分流出口并擴(kuò)大出口閘站規(guī)模等措施進(jìn)行研究。

        結(jié)合外環(huán)河自身?xiàng)l件,為緩解外環(huán)河子牙河—海河干流段沿線排澇壓力,經(jīng)過充分分析論證,環(huán)內(nèi)南豐產(chǎn)河、津港運(yùn)河澇水不再進(jìn)入外環(huán)河,而是經(jīng)南豐產(chǎn)河排入承納能力較足、排水比較順暢的陳臺子排水河,與環(huán)內(nèi)陳臺子排水河控制區(qū)域澇水、西青陳臺子排水河控制區(qū)域澇水一并經(jīng)陳臺子排水河末端泵站共同排入獨(dú)流減河。

        外環(huán)河子牙河—海河干流段50年一遇設(shè)計(jì)流量為75.7 m3/s,考慮汛前提前降低河道水位、自身調(diào)蓄部分澇水,需要出口總規(guī)模為58.5 m3/s?,F(xiàn)狀子牙河右岸、海河干流右岸2座出口泵站設(shè)計(jì)規(guī)模為19 m3/s,如果考慮該段外環(huán)河仍經(jīng)兩端出口泵站排入海河干流、僅僅依靠擴(kuò)大海河干流右岸和子牙河右岸泵站總規(guī)模至需要出口規(guī)模來滿足該段排水需求,河道入流量將超過現(xiàn)有過流能力,加上排水路徑長、兩岸堤頂高度不足卻無加高條件等因素限制,河道設(shè)計(jì)水位將高于現(xiàn)狀堤頂。因此,本段外環(huán)河需采取其他河道分流措施增加分泄能力來滿足排水需求。

        該段外環(huán)河周邊與之相交、可向外分泄?jié)乘暮拥烙心线\(yùn)河、陳臺子排水河、自來水河、南豐產(chǎn)河、程村排水河、津港運(yùn)河、大沽排水河、先鋒排水河。大沽排水河與先鋒排水河自身排水壓力已非常大,且其控制排水范圍及河道治理方案已基本確定,不具備增加外環(huán)河排水任務(wù)條件;自來水河與南豐產(chǎn)河沒有獨(dú)立排水出口,自身澇水還需經(jīng)過南運(yùn)河、陳臺子排水河、西大洼排水河等排放,分泄外環(huán)河澇水的條件較差;程村排水河河道斷面較小,設(shè)計(jì)過流量僅10 m3/s,且沿線兩側(cè)已無河道擴(kuò)挖條件,也不具備分泄外環(huán)河澇水的條件。因此,基本具備向外分泄外環(huán)河澇水的河道僅有南運(yùn)河、陳臺子排水河和津港運(yùn)河。

        經(jīng)分析,陳臺子排水河河道規(guī)模較大,如果外環(huán)河兩岸堤防滿足要求,可以單獨(dú)通過陳臺子排水河接納外環(huán)河澇水外排要求;津港運(yùn)河已于2012年治理完成,不具備擴(kuò)挖條件,接納外環(huán)河澇水有限,需要其他河道共同分流。

        外環(huán)河本身在津港運(yùn)河沿線堤頂高程僅為2.50~2.30 m,兩側(cè)規(guī)劃有衛(wèi)南洼、友誼南路、昌凌路、鑫通道等排水小區(qū),該段較其他段排澇壓力較大,綜合考慮本段外環(huán)河入出流情況、現(xiàn)有工程規(guī)模及其位置、分流河道條件、分流實(shí)施難度、外環(huán)河阻水建筑物治理難度及其治理安排等因素,提出以下3個(gè)分流治理方案。

        方案一:由陳臺子排水河分泄外環(huán)河澇水。外環(huán)河收集的雨水經(jīng)子牙河右岸泵站、海河干流右岸泵站、外環(huán)河入陳臺子排水河泵站分別排入子牙河、海河干流、陳臺子排水河。擬定海河干流右岸泵站擴(kuò)建至30 m3/s,新建外環(huán)河入陳臺子排水河泵站,設(shè)計(jì)規(guī)模為25 m3/s;維持子牙河右岸泵站現(xiàn)狀規(guī)模5 m3/s不變,總外排規(guī)模達(dá)到60 m3/s。

        方案二:由南運(yùn)河、津港運(yùn)河共同分泄外環(huán)河澇水。外環(huán)河收集的雨水經(jīng)子牙河右岸泵站、海河干流右岸泵站、外環(huán)河入南運(yùn)河泵站、外環(huán)河入津港運(yùn)河泵站分別排入子牙河、海河干流、南運(yùn)河、津港運(yùn)河。擬定海河干流右岸泵站擴(kuò)建至30 m3/s;分析南運(yùn)河與津港運(yùn)河兩岸地形條件,需新建外環(huán)河入南運(yùn)河泵站,設(shè)計(jì)規(guī)模為10 m3/s;新建外環(huán)河入津港運(yùn)河泵站,設(shè)計(jì)規(guī)模為15 m3/s;維持子牙河右岸泵站現(xiàn)狀規(guī)模5 m3/s不變,總外排規(guī)模達(dá)到60 m3/s。

        方案三:由津港運(yùn)河、陳臺子排水河共同分泄外環(huán)河澇水。外環(huán)河收集的雨水經(jīng)子牙河右岸泵站、海河干流右岸泵站、外環(huán)河入津港運(yùn)河泵站、外環(huán)河入陳臺子排水河聯(lián)通閘分別排入子牙河、海河干流、津港運(yùn)河、陳臺子排水河。擬定海河干流右岸泵站擴(kuò)建至25 m3/s;分析南運(yùn)河與津港運(yùn)河兩岸地形條件,需新建外環(huán)河入津港運(yùn)河泵站,設(shè)計(jì)規(guī)模為20 m3/s;新建外環(huán)河入陳臺子排水河聯(lián)通閘,設(shè)計(jì)分水規(guī)模為10 m3/s;維持子牙河右岸泵站現(xiàn)狀規(guī)模5 m3/s不變,總外排規(guī)模達(dá)到60 m3/s。

        4 排水方案論證

        4.1一維水動(dòng)力模型構(gòu)建

        4.1.1基本方程

        采用一維非恒定流基本方程——圣維南方程組,連續(xù)方程為:

        動(dòng)量方程為:

        式中:X為距離(m);t為時(shí)間(s);A為過水面積(m2);Q為斷面流量(m3/s);Z為水位(m);α為動(dòng)量修正系數(shù);K為流量模數(shù);ql為旁側(cè)入流(m2/s),入流為正,出流為負(fù);νx為入流沿水流方向的速度(m/s),若旁側(cè)入流垂直于主流,則νx=0;g為重力加速度(m2/s)。

        在水流運(yùn)動(dòng)模擬計(jì)算中,采用流量Q和水位Z作為變量比較方便,采用Preissman加權(quán)四點(diǎn)隱式差分格式進(jìn)行數(shù)值離散,采用追趕法進(jìn)行求解。

        4.1.2邊界條件設(shè)定

        在進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算時(shí),上游邊界一般采用流量過程或水位過程,下游邊界條件一般采用水位流量關(guān)系。明渠水力學(xué)計(jì)算中采用的外部邊界條件可以3種形式給出:水位邊界條件,即在邊界明渠上給定水位隨時(shí)間的變化過程:Z=Z(t);流量邊界條件,即在邊界明渠上給定流量隨時(shí)間的變化過程: Q=Q(t);水位流量關(guān)系:Q=Q(Z)。

        根據(jù)這3種類型的明渠邊界條件,對任一河段采用雙消元法形成首、末斷面與首末斷面水位的線性函數(shù)式,進(jìn)而計(jì)算追趕系數(shù),形成節(jié)點(diǎn)水位的方程組,采用迭代算法可得各計(jì)算時(shí)段沿程各計(jì)算斷面的水位和流量。

        4.1.3模型構(gòu)建

        (1)河道糙率。根據(jù)《水力計(jì)算手冊》中渠道糙率的規(guī)定,外環(huán)河設(shè)計(jì)斷面兩岸均為漿砌石護(hù)岸,糙率選用0.025。

        (2)輸入斷面。外環(huán)河子牙河—海河干流段全部采用2013年天津市水利勘測設(shè)計(jì)院實(shí)測斷面基礎(chǔ)上所設(shè)計(jì)的斷面,斷面間距約0.5 km。

        (3)上邊界條件。上邊界采用流量邊界,本次澇水計(jì)算將沿線泵站50年一遇規(guī)劃入流量概化為各個(gè)集中點(diǎn)入流。

        (4)下邊界條件。下邊界條件采用各出口泵站和閘站的設(shè)計(jì)資料及設(shè)計(jì)水位流量過程。

        4.2方案計(jì)算

        本次設(shè)計(jì)對外環(huán)河子牙河—海河干流段排澇情況進(jìn)行模擬計(jì)算,整個(gè)排水區(qū)同時(shí)入流24 h。

        下邊界條件按各方案計(jì)算工況擬定。為充分利用河道的調(diào)蓄功能,綜合考慮河底高程、河道景觀要求、河道調(diào)蓄能力大小等因素,擬定初始河道騰空至0.5m。

        外環(huán)河是連接市區(qū)與區(qū)縣的樞紐,外環(huán)線沿線橋涵有100多處,因大部分都按原規(guī)模設(shè)計(jì),現(xiàn)狀過水能力僅為5 m3/s,本次計(jì)算方案按照具備開卡條件的全部實(shí)施開卡,因重要交通干線、重點(diǎn)工程項(xiàng)目的原因無法實(shí)施開卡的計(jì)算其阻水影響后計(jì)入模型中,各方案計(jì)算結(jié)果見表2。

        表2 各方案水位計(jì)算結(jié)果m

        4.3方案分析

        對上述3個(gè)方案進(jìn)行分析,方案一中陳臺子排水河位于南運(yùn)河與津港運(yùn)河之間,自身具有較好的排水條件,經(jīng)計(jì)算后津港運(yùn)河處友誼南路—衛(wèi)津河段漫堤,不滿足分水要求;方案二采取南運(yùn)河與津港運(yùn)河分水方案后,津港運(yùn)河泵站規(guī)模減少,導(dǎo)致四化河—先鋒河段沿線均漫堤,南運(yùn)河兩岸水位降低較多,而南運(yùn)河在不分水的情況下兩岸堤防已滿足條件,不滿足分水要求;方案三在津港運(yùn)河加大規(guī)模、陳臺子排水河分水的情況下,沿線均滿足排水要求。

        綜合分析各方案優(yōu)勢、劣勢,考慮排水調(diào)度運(yùn)用方便,方案三分水效果好,不需加高外環(huán)河堤防,實(shí)施難度較小,且節(jié)省工程投資,推薦方案三為本段外環(huán)河治理方案,即由陳臺子排水河、津港運(yùn)河共同分泄外環(huán)河澇水的方案:外環(huán)河、環(huán)內(nèi)津港運(yùn)河和南豐產(chǎn)河收集的雨水除部分經(jīng)現(xiàn)有子牙河右岸、擴(kuò)建后的海河干流右岸泵站分泄入海河干流外,其余澇水經(jīng)陳臺子排水河、津港運(yùn)河下泄入獨(dú)流減河。

        5 結(jié)語

        (1)運(yùn)用一維水動(dòng)力學(xué)模型,結(jié)合天津市外環(huán)河排澇、景觀、交通等實(shí)際需求,確定外環(huán)河子牙河—海河干流段的分水方案,對保障城區(qū)排澇、沿線景觀將發(fā)揮重要的作用。

        (2)現(xiàn)狀由于部分地區(qū)市政管網(wǎng)和泵站建設(shè)還不完善,很多澇水不能及時(shí)進(jìn)入外環(huán)河,未來市政管網(wǎng)配套完善后改分水方案將有效提高外環(huán)河沿岸排澇能力。

        (3)分水方案的有效運(yùn)用需要各閘站之間合理調(diào)度,未來應(yīng)該開展外環(huán)河子牙河—海河干流段沿線出口閘站聯(lián)合調(diào)度研究,使各閘站經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。

        中圖分類號:TV212.5+4

        文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        文章編號:1004-7328(2016)02-0060-04

        DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2016.02.020

        收稿日期:2015—12—20

        作者簡介:李濤濤(1985—),女,工程師,主要從事水利規(guī)劃、水利工程設(shè)計(jì)工作。

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