張偉超, 宋 策, 郭夢(mèng)京, 任 雷

(西安理工大學(xué) 陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710048)

基于MIKE建模的城市生態(tài)公園行洪能力分析

張偉超, 宋 策, 郭夢(mèng)京, 任 雷

(西安理工大學(xué) 陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710048)

[目的] 預(yù)測(cè)并分析工程對(duì)河道行洪能力變化的影響，為城市生態(tài)公園工程防洪影響評(píng)價(jià)提供研究技術(shù)方法。[方法] 基于MIKE 21建立城市生態(tài)公園工程河段的平面二維水流數(shù)學(xué)模型，以渭河寶雞段為例，選取1954型洪水過(guò)程驗(yàn)證模型合理性，模擬3種典型流量下河道流場(chǎng)和水位的變化特征，討論城市生態(tài)公園修建后對(duì)河道行洪能力的安全影響。[結(jié)果] 3種典型流量洪水下沿線水位均低于堤頂高程，對(duì)城市行洪安全不構(gòu)成威脅，因此行洪安全可以保證。但由于河道行洪寬度變窄左岸流速增大，加劇了對(duì)岸堤的沖刷，采取岸堤加固措施是極為必要的。[結(jié)論] 河道形狀的改變會(huì)影響水的流態(tài)，水流速度過(guò)大會(huì)影響河堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，最終影響河道的行洪能力。

MIKE模型; 行洪能力; 流場(chǎng)分析; 城市生態(tài)公園

文獻(xiàn)參數(shù)： 張偉超, 宋策, 郭夢(mèng)京, 等.基于MIKE建模的城市生態(tài)公園行洪能力分析[J].水土保持通報(bào)，2017,37(1)：128-131.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.023； Zhang Weichao, Song Ce, Guo Mengjing, et al. Flood discharging capacity of urban ecological park based on MIKE modeling[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：128-131.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.023

城市生態(tài)公園是近年來(lái)備受關(guān)注的一個(gè)研究領(lǐng)域[1-3]。城市生態(tài)公園經(jīng)過(guò)合理的開(kāi)發(fā)利用，形成了集生態(tài)保護(hù)和休閑于一體的綜合性公園[4]，不但可以改善現(xiàn)在城市普遍面臨的水體污染、水環(huán)境質(zhì)量變差等問(wèn)題，而且可以充分體現(xiàn)其生態(tài)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益。但是城市生態(tài)公園的建設(shè)必然會(huì)使河道受到影響，導(dǎo)致河道行洪斷面減小，水位抬高，對(duì)河道行洪安全帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。城市生態(tài)公園與其他天然濕地最大不同在于其緊鄰城市[5-6]，考慮到其特殊的地理位置因素和安全因素，在城市生態(tài)公園建設(shè)時(shí)，對(duì)其安全性有著非常高的要求。由于公園的修建將對(duì)河道行洪能力和流場(chǎng)產(chǎn)生影響，因此其是否會(huì)對(duì)河堤抗洪能力產(chǎn)生影響是工程設(shè)計(jì)中最關(guān)心的問(wèn)題。河道行洪能力分析常用的數(shù)學(xué)模擬軟件主要有MIKE，F(xiàn)LUENT，SMS等，其中MIKE軟件應(yīng)用較為廣泛，成功進(jìn)行了河流水源地的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、水庫(kù)下游淹沒(méi)區(qū)模，電廠擴(kuò)建溫排水等方面的模擬研究[7-9]。

基于此，本文擬采用MIKE平面二維水流數(shù)學(xué)模型，研究渭河寶雞段城市生態(tài)公園修建后，河道洪水過(guò)程中的流場(chǎng)狀況，河道沖刷變形情況，以期為河道防洪影響評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

天然水流是三維的，需要用三維的Navier-Stokes方程來(lái)描述。對(duì)于具有600 m堤距的渭河寶雞段河道來(lái)說(shuō)，由于流動(dòng)在垂向的尺度比平面尺度小得多，物理量沿水深分布不均勻的影響是次要的，動(dòng)水壓力分布與靜水壓力十分接近，因此可以用靜壓假定對(duì)流動(dòng)控制方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，使用沿水深方向平均的淺水方程及平面二維水流數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算河道內(nèi)的流場(chǎng)。這里采用以雷諾平均化N-S方程為基礎(chǔ)的平面二維水流數(shù)學(xué)模型。

1.1 基本方程

求解水流運(yùn)動(dòng)的基本方程為：

(1) 水流連續(xù)性方程:

(1)

式中：ξ(x,y,t)——水流表面波動(dòng)(m)；p——壓力；q——流量；SS——單位水平面積的源量值(m/s)。

(2) 水流動(dòng)量方程。

①x方向動(dòng)量方程:

(2)

②y方向動(dòng)量方程：

(3)

式中：u——速度分量；h——水深(m)；Fx,Fy——波浪應(yīng)力所產(chǎn)生的分量；Six,Siy——在X軸和Y軸方向的源匯量值(m2/s2)；C——Chezy阻力常數(shù)(m1/2/s)；E(x,y)——旋渦或動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；f——風(fēng)的摩阻力常數(shù)(m1/2/s)；Vx,Vy(x,y,t) ——在X軸和Y軸方向上的風(fēng)速分量(m2/s)； Ω——旋轉(zhuǎn)角度(rad/s);g——重力加速度(m/s2);V——流速(m/s)。

1.2 地形條件

地形由渭河寶雞段城市生態(tài)公園工程沿線實(shí)測(cè)河道地形資料獲得，并依據(jù)此地形建立模型計(jì)算網(wǎng)格，采用三角網(wǎng)格，確定計(jì)算網(wǎng)格大小為100 m2，節(jié)點(diǎn)數(shù)為10 884，網(wǎng)格數(shù)為21 143。

1.3 初始及邊界條件

模型初始條件的變量包括流量、流速、水位，計(jì)算區(qū)域內(nèi)流量和水位為計(jì)算相應(yīng)的初值，流速為零。即：u(ξ,η,t0)=0，v(ξ,η,t0)=0，w(ξ,η,t0)=0。

模型計(jì)算時(shí)上游進(jìn)口邊界采用流量條件，下游出口邊界采用水位條件，河床糙率取值根據(jù)河床結(jié)構(gòu)取0.033。

1.4 模型驗(yàn)證

根據(jù)河道上下游斷面資料，采用曼寧公式計(jì)算得出水位流量關(guān)系，代入模型進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料基本一致，說(shuō)明本模型的水動(dòng)力學(xué)理論符合實(shí)際，可用來(lái)模擬不同工況下河道的流場(chǎng)[10-14]。根據(jù)河道實(shí)測(cè)地形資料和河道平面圖將其劃分為9個(gè)斷面，對(duì)本模型計(jì)算的水面線成果進(jìn)行合理性分析。

由表1可以看出，在D4(550m)斷面與D6(1 750m)斷面之間，河道主槽縮窄，河道過(guò)流斷面變小，且縮窄段長(zhǎng)約1.2km，河道水面比降因壅水在D5以上變化平緩；經(jīng)過(guò)D6斷面，河道在突然收縮之后又快速拓寬，拓寬段長(zhǎng)約400m，河道水位在D5(1 300m)與D6(1 650m)區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)跌水，D7(2 200m)斷面與D9(2 850m)斷面之間平面地形變化不大，河道過(guò)流斷面順直，水位變化相對(duì)比較平穩(wěn)，說(shuō)明計(jì)算水面線形態(tài)符合水面線與河槽平面形態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本模型計(jì)算結(jié)果合理。此外，通過(guò)模型計(jì)算的百年一遇流量洪水水面線和水文局百年流量實(shí)測(cè)基本一致，證明了模型的準(zhǔn)確性，可以進(jìn)行城市生態(tài)公園的行洪能力模擬與分析。

表1 百年一遇流量條件下水面線對(duì)比

注: ① 水文局百年流量觀測(cè)水面線(1972年)； ② 模型計(jì)算百年一遇流量洪水水面線。

2 結(jié)果與分析

為了研究渭河寶雞段城市生態(tài)公園工程沿線河道在不同流量量級(jí)條件下的水位、流場(chǎng)，分析渭河寶雞段城市生態(tài)公園工程的防洪影響，擬定如下工況進(jìn)行模擬計(jì)算。 ① 設(shè)計(jì)流量(3 000 m3/s)條件下模擬河道的流場(chǎng)； ② 1954型特征洪水(5 030 m3/s)條件下模擬河道的流場(chǎng)； ③ 百年一遇流量(7 260 m3/s)條件下模擬河道的流場(chǎng)，分別模擬3種工況的河道水位。

城市生態(tài)公園子堤設(shè)計(jì)流量為3 000 m3/s,對(duì)此工況下行洪能力進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，設(shè)計(jì)流量洪水水位沿線均低于子堤堤頂高程，表明設(shè)計(jì)流量洪水發(fā)生時(shí)不會(huì)漫過(guò)子堤，對(duì)城市行洪安全不構(gòu)成威脅，因此設(shè)計(jì)條件下子堤行洪是安全的。若發(fā)生1954年型的大洪水，在距離子堤首段850～1 300 m范圍內(nèi)子堤堤頂?shù)母叱滩蛔?，屆時(shí)洪水會(huì)經(jīng)由此處出現(xiàn)漫溢，威脅到城市行洪的安全，更危險(xiǎn)時(shí)可能會(huì)在此處出現(xiàn)決口，造成更大程度的損失。因此，應(yīng)該對(duì)該段河堤進(jìn)行加固與增高，以應(yīng)對(duì)特征流量洪水帶來(lái)的威脅，保證河道行洪能力。

圖1 河道設(shè)計(jì)水位與堤防高程的對(duì)比分析

雖然河道縮窄使河道行洪能力在一定程度上受到影響，但研究表明百年一遇洪水水位并沒(méi)有超過(guò)渭河寶雞段左右大堤的實(shí)測(cè)堤頂高程(圖2)，大堤行洪安全沒(méi)有受到威脅，說(shuō)明城市生態(tài)公園工程不對(duì)大堤行洪安全產(chǎn)生影響，城市生態(tài)公園在安全性方面具有可靠性。

圖2 河道100年一遇流量水位與大堤高程比分析

根據(jù)上述模型對(duì)3種工況下河道流場(chǎng)變化進(jìn)行模擬計(jì)算，河道流場(chǎng)計(jì)算成果如圖3所示。

圖3 3種工況下流速及流場(chǎng)變化

由圖3可以看出，在工況1(設(shè)計(jì)流量)條件下，受子堤的影響河道過(guò)流面積變小，在D1—D3河段寬度逐漸減小但變化幅度不大，河道流速也受河寬影響有所波動(dòng)；在D4—D6段河道主槽變窄，河道過(guò)流面積變小，流速逐漸增大，最大流速出現(xiàn)在2 250 m里程處約為4.7 m/s；D6-D8河段，河道主槽寬度增大，河道流速減小為2.1 m/s；D9斷面處河道主槽變窄河道流速增大到3.5 m/s。河道左岸流場(chǎng)密集，較大的流速會(huì)對(duì)左岸護(hù)坡造成影響，子堤附近的水位較低，大部分流場(chǎng)的流速約為2.0 m/s不會(huì)對(duì)子堤構(gòu)成威脅。在工況2(1954型洪水)條件下，隨著上游來(lái)水增加，河道流速明顯加大，尤其在D4—D6河段，河道左岸流速最大約為5.4 m/s，與工況1相比，河道左岸流場(chǎng)密集度有所增加，高流速帶加長(zhǎng)，對(duì)左岸護(hù)坡影響變大。對(duì)于工況3(100年一遇流量)情況，來(lái)水條件大于工況1和工況2，河道流速明顯增強(qiáng)，D4—D6河段左岸流速提高到約5.7 m/s，對(duì)左岸堤腳構(gòu)成威脅，應(yīng)對(duì)河岸堤腳進(jìn)行加固措施，D9斷面處流速同樣很高，但不靠近堤岸，不會(huì)對(duì)堤岸造成影響。

3 討論與結(jié)論

建立MIKE平面二維水流數(shù)學(xué)模型，以渭河寶雞段城市生態(tài)公園為實(shí)例，通過(guò)對(duì)不同工況下的水位、流場(chǎng)，及行洪能力的模擬分析，評(píng)價(jià)工程對(duì)河道行洪能力的影響。根據(jù)模擬結(jié)果，在1954型洪水(Q=5 030 m3/s)和100年一遇流量下(Q=7 260 m3/s)，河道流速分別達(dá)到5.4和5.7 m/s,從流場(chǎng)分布圖可以明顯看出,河道左岸流場(chǎng)密集度有所增加，高流速帶加長(zhǎng)，對(duì)左岸護(hù)坡影響變大。在D4—D6段由于河道寬度變窄流速到達(dá)峰值，因此在該河段應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的護(hù)坡和堤腳保護(hù)措施，預(yù)防由于高流速洪水的沖刷，河堤被掏空。結(jié)果表明河道形狀的改變會(huì)影響水的流態(tài)，水流速度過(guò)大會(huì)影響河堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最終影響河道的行洪能力，本研究成果可以為流域內(nèi)類(lèi)似工程的修建提供借鑒意義。

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Flood Discharging Capacity of Urban Ecological Park Based on MIKE Modeling

ZHANG Weichao, SONG Ce, GUO Mengjing, REN Lei

(StateKeyLaboratoryofEco-hydraulicEngineeringofNorthwestAridAreainShaanxi,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China)

[Objective] The study aims to predict and analyze the project impacts on the river flood discharging capacity, and provide methods for assessing flood controlling impacts of urban ecological park projects.[Methods] Based on MIKE 21, we constructed a 2-dimension water flow model for urban ecological park section in Weihe River in Baoji City, selected 1954 flooding process to verify the rationality of the model, and simulated three typical flow characteristics of flow field and changes in water level and discuss the urban ecological park impacts on river flood discharging capacity. [Results] Under the three typical flow flooding events, the water level along the river was below embankment and not a threat to urban flood discharging safety, and the flooding safety can be guaranteed. But as a result of flooding passage narrowing and increasing velocity, the erosion of the embankment was intensified, and reinforcement measures was urgently needed. [Conclusion] The river shape will affect the flow regime. The higher water flow speed will affect the stability of embankment structure thus influencing the river flood discharging capacity.

MIKE modeling; flood discharging capacity; flow flood analysis; urban ecology garden

2016-08-19

2016-09-09

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)科學(xué)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目“西北旱區(qū)山洪致災(zāi)機(jī)理及防治研究”(2012CB723201); 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院開(kāi)放基金 (2016ZZKT-37)

張偉超(1992—),男(漢族),陜西省西安市人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗h(huán)境模擬。E-mail:lan_yan_lei@126.com。

郭夢(mèng)京(1986—),男(漢族),山西省運(yùn)城市人,博士,講師，研究方向?yàn)樗h(huán)境模擬。E-mail:916874373@qq.com。

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1000-288X(2017)01-0128-04

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