劉曾美，馮斯安，藍(lán)福鵬，陳斯達(dá)，梁 華，費(fèi)開軒

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640； 2.廣東省水利工程安全與綠色水利工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510640; 3.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610)

河道整治，通常針對擬整治的河道，結(jié)合現(xiàn)狀河道下的洪水危險分析成果，擬訂幾種河道整治方案，然后計算各擬訂方案的河道水面線，推求河道堤頂高程，再綜合考慮工程量、征地補(bǔ)償費(fèi)用等因素，優(yōu)選河道整治方案。對于單一河道，通常采用恒定非均勻流能量方程推求水面線[1-3]；而對于復(fù)雜河段或河網(wǎng)地區(qū)河流，一般采用水動力模型推求水面線，其中，MIKE模型在工程實(shí)踐中應(yīng)用較為廣泛[4-8]。對現(xiàn)狀河道下的洪水危險分析，通常假設(shè)堤防高程足夠高，若計算設(shè)計水位超過實(shí)際堤防高程，則表明洪水實(shí)際上漫過堤防[9-10]，但尚無法了解洪水淹沒狀況，故可能不利于擬定合適的河道整治方案。洪水淹沒狀況必須基于實(shí)際堤防狀況來模擬計算，對于河道較寬的河流可直接應(yīng)用二維MIKE21模型來模擬洪水的演進(jìn)過程[11-12]，而對于河道不寬的小河流可應(yīng)用MIKEFLOOD耦合一維MIKE11模型和二維MIKE21模型來模擬洪水漫堤后的演進(jìn)過程[13-16]。在中小河流整治中，必須統(tǒng)籌兼顧、因地制宜，把握好整體和局部關(guān)系，將中小河流整治納入整個流域防洪體系中統(tǒng)籌考慮，充分考慮下游河段和干流洪水承受能力，才能找到合理的整治方案。本文以位于廣州市白云新機(jī)場配套綜合開發(fā)區(qū)的鐵山河支流社工坑為研究實(shí)例，基于MIKEFLOOD耦合一維MIKE11模型和二維MIKE21模型進(jìn)行流域洪水危險分析，研究優(yōu)化河道整治方案。

1 研究區(qū)域概況

圖1 鐵山河流域地形及河網(wǎng)現(xiàn)狀

隨著廣州市白云新機(jī)場建設(shè)，花都區(qū)花山鎮(zhèn)被納入機(jī)場配套綜合開發(fā)區(qū)范圍。社工坑是鐵山河(河段長13.4 km)支流，發(fā)源于花山鎮(zhèn)鐵山新村，由北向南流入鐵山河，全長7.98 km，流域面積9.58 km2，河道平均坡降3.4‰。鐵山河流域面積58.3 km2，流域地形圖見圖1。社工坑是花山鎮(zhèn)中部地區(qū)的主要灌溉和行洪渠道，河道中多處建有水陂以抬高水頭便于自流灌溉引水。隨著流域內(nèi)土地開發(fā)利用，社工坑的灌溉功能逐漸減小，生態(tài)景觀用水功能突出。目前鐵山河已按20年一遇的標(biāo)準(zhǔn)予以防洪達(dá)標(biāo)整治，而社工坑河道基本處于天然狀態(tài)，河道迂回曲折、狹窄、淤積嚴(yán)重，加之河道上有很多水陂工程，導(dǎo)致每逢暴雨易發(fā)生洪水漫溢，兩岸平原地區(qū)積水成災(zāi)，對當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)和生活造成嚴(yán)重影響，嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，因此，擬對社工坑進(jìn)行河道規(guī)劃整治。

花山鎮(zhèn)人口小于20萬，屬于一般城鎮(zhèn)，根據(jù)GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50～20年重現(xiàn)期，根據(jù)《廣州市花都區(qū)水系規(guī)劃》，社工坑近期防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇，遠(yuǎn)期為50年一遇。

2 模型構(gòu)建

根據(jù)地形條件及可能的淹沒范圍，選取整個鐵山河流域，北至社工坑源頭及鐵山河的三夾水閘、南至鐵山河河口，形成一個全流域概化水系(圖2)。

2.1 一維模型

MIKE11基本方程組為一維非恒定流圣維南方程組，方程采用Abbott-lonescu六點(diǎn)隱式差分格式求解。

a. 河網(wǎng)概化及水工建筑物設(shè)置。根據(jù)研究區(qū)域的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)提取河流中心線坐標(biāo)構(gòu)建社工坑河道一維模型(MIKE11)河網(wǎng)文件，在河網(wǎng)文件中加入設(shè)置用于抬高水位以自流灌溉引水和營造景觀水位的滾水堰，堰流過水能力Q計算式為

(1)

b. 河道斷面設(shè)置。根據(jù)社工坑實(shí)測統(tǒng)計斷面資料及鐵山河河道斷面設(shè)計資料設(shè)置河道斷面文件，平均50 m一個斷面，共設(shè)置河道斷面427個。河道概化及河網(wǎng)文件圖見圖3。

2.2 二維模型

MIKE21屬于平面二維自由表面流模型，采用有限體積法求解平面二維淺水方程。

a. 網(wǎng)格劃分。社工坑流域河道外地表部分應(yīng)用二維水動力模型(MIKE21)，采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格(矩形網(wǎng)格)對研究區(qū)域進(jìn)行剖分，為保證模型計算精度及計算效率，設(shè)置網(wǎng)格大小為50 m50 m，共剖分網(wǎng)格28 800 個。

b. 高程插值。在1∶2 000比例尺實(shí)測地形圖提取地形高程點(diǎn)，導(dǎo)入MIKE21網(wǎng)格文件中進(jìn)行網(wǎng)格高程插值，插值得研究區(qū)域地形網(wǎng)格圖，不考慮風(fēng)況、波浪及渦流的影響。

圖2 河道概化示意圖 圖3 河網(wǎng)文件

表1 河道各計算斷面設(shè)計洪峰流量

2.3 MIKEFLOOD耦合模型

MIKEFLOOD是把一維MIKE11模型和二維MIKE21模型連接在一起進(jìn)行動態(tài)耦合的模型系統(tǒng)，能模擬一維河網(wǎng)與二維模擬區(qū)域連接處的動量傳輸，可通過不同的連接方式將一維河網(wǎng)連接到二維地形中，模擬洪水過程研究區(qū)域的淹沒情況。本文采用側(cè)向連接方式耦合，高出河岸的水將沿著垂直于河流流向與二維地表模型進(jìn)行水量交換，水量交換采用堰流公式近似計算[17]，計算公式為

(2)

式中：q為交換水量，m3/s；W為寬度，m，一般取單元格和河道相連的邊長；C為堰流系數(shù)，取1.838；k為堰指數(shù)。

2.4 邊界條件

a. MIKE11一維水動力學(xué)模型。邊界條件通常設(shè)置為上游流量過程邊界，下游水位邊界，此處設(shè)立2個(分別為社工坑和鐵山河)流量上游邊界，一個下游水位邊界。上游流量邊界采用廣東省綜合單位線法計算成果，由于河道內(nèi)無更小子流域，河道較長，各斷面之間的區(qū)間入流采用均勻匯入，各計算斷面設(shè)計洪峰流量成果見表1。下游水位邊界是鐵山河河口水位，經(jīng)遭遇分析論證后取5年一遇設(shè)計洪水位5.98 m。

b. MIKE21二維水動力學(xué)模型。邊界條件一般有開邊界及固定邊界，本文利用MIKEFLOOD將MIKE11與MIKE21采用側(cè)向連接方式耦合，高出河岸的水將沿著垂直于河流流向與二維地表模型進(jìn)行水體交換，在研究區(qū)域四邊設(shè)置固定邊界。

2.5 模型參數(shù)

a. 一維模型參數(shù)選取。該參數(shù)量河道糙率系數(shù)，天然河道糙率系數(shù)取為0.030，整治后的生態(tài)復(fù)式斷面的河道糙率系數(shù)取為0.028。

b. 二維模型參數(shù)選取。此處時間步長設(shè)為10 s，干濕邊界取模型默認(rèn)值。地表糙率與土地利用類型(圖4)有關(guān)，根據(jù)社工坑流域土地利用柵格數(shù)據(jù)，對不同類型土地利用類型下墊面賦予糙率值(森林、灌木叢、城市、農(nóng)田的糙率值分別取0.1、0.06、0.022、0.04)，在ArcGIS中將相應(yīng)柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為ASCII文件，在MIKEToolbox中將其轉(zhuǎn)為.dfs2文件，并修改其屬性值，完成二維糙率場文件構(gòu)建。

圖4 研究區(qū)域土地利用類型

2.6 模型驗(yàn)證

a. 一維模型驗(yàn)證。鐵山河流域無實(shí)測水位流量資料，但鐵山河干流于2012年已整治，此處采用鐵山河整治可行性研究報告的設(shè)計水面線對模型進(jìn)行對比驗(yàn)證。選取鐵山河9個滾水堰上游斷面水位進(jìn)行模型驗(yàn)證，經(jīng)對比分析可得，本次計算各斷面水位與鐵山河可研報告中的設(shè)計水位差值在0～0.18 m(表2)，可認(rèn)為模型合理，滿足精度要求。

表2 鐵山河一維模型水面線成果對比

b. 二維模型驗(yàn)證。實(shí)際調(diào)研結(jié)果顯示：社工坑暗渠處、社工坑以南城鎮(zhèn)區(qū)域易遭受洪水危險，淹沒范圍較大；社工坑南段東湖居民安置區(qū)、工業(yè)園區(qū)、新華商業(yè)大道為易澇點(diǎn)，是研究區(qū)域受災(zāi)較為嚴(yán)重、經(jīng)濟(jì)損失較大的區(qū)域。模型計算成果與實(shí)際調(diào)研結(jié)果基本相符?？梢?，二維模型參數(shù)取值基本合理，耦合二維模型能夠反映實(shí)際研究區(qū)域的洪水危險，具有較好的精度。

3 洪水危險分析

應(yīng)用MIKEFLOOD耦合一維MIKE11模型和二維MIKE21模型，模擬現(xiàn)狀河寬下設(shè)置了用于灌溉和生態(tài)景觀用水的滾水堰的流域洪水淹沒狀況。模擬結(jié)果表明，社工坑天然河道無法達(dá)到20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，隨重現(xiàn)期2年增加至20年，河道洪水漫過河岸，淹沒范圍從0.93 km2增加至4.03 km2，最大淹沒水深從0.33 m增加至0.93 m。社工坑樁號SG3+750以北暗渠處由于斷面狹小阻礙行洪，在此處最先發(fā)生洪水漫溢，社工坑樁號SG5+600斷面以南為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城鎮(zhèn)區(qū)域，該區(qū)域淹沒范圍和淹沒水深較大；而鐵山河能通過20年一遇洪水，且行洪能力尚有富余。流域模擬洪水淹沒成果見表3。在遭遇2年、5年、10年、20年一遇洪水工況下的最大淹沒水深及淹沒范圍隨時間變化見圖5，模型模擬淹沒范圍見圖6。由圖5(d)和圖6(d)可見，當(dāng)遭遇20年一遇設(shè)計洪水時，社工坑下游淹沒非常嚴(yán)重，而鐵山河沒有淹沒，其下游行洪能力還有富余。

表3 研究區(qū)域洪水淹沒范圍水深統(tǒng)計

(a)2年一遇

(b)5年一遇

(c)10年一遇

(d)20年一遇

4 河道整治方案

4.1 河道整治方案擬定

根據(jù)鐵山河流域洪水危險性分析成果以及實(shí)地調(diào)查情況，確定社工坑河道存在的主要問題為：①社工坑樁號SG3+750以北段存在長約400 m暗渠，斷面僅4 m寬，深度較小，行洪能力不足2年一遇，嚴(yán)重阻礙行洪，暗渠兩側(cè)為建筑用地，征地拆遷有一定難度；②社工坑下游為較為發(fā)達(dá)的城鎮(zhèn)區(qū)域，SG5+600樁號斷面以南的河道兩岸被嚴(yán)重侵占，導(dǎo)致河道行洪能力不足5年一遇，且洪水淹沒范圍及淹沒水深較大。

根據(jù)上述存在的主要問題，首先必須對暗渠段揭蓋，并提高河道行洪能力，但采取何種方式尚需進(jìn)行方案比較論證；其次，社工坑下游洪水淹沒范圍及淹沒水深較大，若修建堤防，征地拆遷量大、費(fèi)用高，拆遷工作困難，更加重要的是，修建后的堤防高度至少高出地面1.5 m，與周圍環(huán)境不協(xié)調(diào)，而鐵山河下游段尚有一定行洪能力。

(a)2年一遇 (b)5年一遇

(c)10年一遇 (d)20年一遇

綜合考慮各種因素，在樁號SG5+600斷面處修建水閘阻斷水流，并在閘前開辟一條支涌(支涌一)，將社工坑中下游洪水直接引入鐵山河。據(jù)此擬定如下兩種方案(圖7)：①方案一，拓寬樁號SG3+750以北長約400 m的原暗渠段；②方案二，保留樁號SG3+750以北原暗渠段，擬在原暗渠段前修建長約800 m的支涌二，將社工坑上中游洪水引入鐵山河。

4.2 河道整治斷面

河道兩岸可結(jié)合綠化、公共用地形成生態(tài)河道或城鎮(zhèn)景觀，但占地面積大，需結(jié)合實(shí)際考慮征地難度和費(fèi)用，同時還必須考慮節(jié)約用地，因此，社工坑的河道斷面形式采用直斜結(jié)合的復(fù)式斷面(圖8)，上下坡間設(shè)置1.5 m寬的親水平臺。親水平臺高程以2年一遇的水位來設(shè)計，親水平臺以上斜坡完全采取天然植被或人工植草皮的方式護(hù)坡，坡度為1∶2，平臺以下的直墻采用砌石護(hù)坡。

4.3 方案比選

通過MIKE11模擬分析，當(dāng)遭遇20年一遇設(shè)計洪水時，方案一和方案二的洪水水面線見圖9，方案均不會對鐵山河造成洪水威脅。

(a)方案一 (b)方案二

圖8 規(guī)劃整治的社工坑河道斷面形式

圖9 社工坑20年一遇設(shè)計洪水水面線成果

由圖9可見，方案一在原暗渠段的設(shè)計洪水位較方案二平均低約0.4 m，但在其下游段由于流量較大，設(shè)計洪水位高于方案二，因?yàn)榉桨付藿ǖ闹в慷軌蛴行p輕下游河道洪水壓力，在20年一遇洪水工況下能夠分流26 m3/s至鐵山河。方案二修建800 m長支涌二能夠有效降低社工坑SG4+200～SG5+600樁號斷面之間1.4 km長河段的洪水位以及支涌一的洪水位，降低水位0.10～0.44 m，效果顯著。因此，盡管方案二修建長約800 m的支涌二，但方案一由于無支涌二分流，暗渠下游段流量大，其河道斷面相較于方案二需進(jìn)一步拓寬，所以方案二的工程量僅略大于方案一。

關(guān)于征地拆遷補(bǔ)償方面，方案一對400 m暗渠進(jìn)行揭蓋拓寬，擬拓寬地為建筑用地，下游段河道也需適度拓寬，擬拓寬地也多為建筑用地；方案二擬修建的支涌二征地范圍現(xiàn)多為農(nóng)田。兩個方案具體的征地拆遷補(bǔ)償情況見表4。由表4可見，方案一因占用較多的建筑用地而導(dǎo)致征地拆遷費(fèi)用較高。

表4 征地拆遷費(fèi)用統(tǒng)計結(jié)果

注：建筑用地單價為0.17萬元/m2;農(nóng)業(yè)用地單價為0.03萬元/m2。

由此可見，盡管方案二工程量略大于方案一，但方案二征地拆遷費(fèi)用低于方案一。綜合考慮工程量及征地拆遷費(fèi)用，確定采取方案二作為社工坑河道整治方案，即修建支涌一和支涌二將社工坑中上游的洪水引入鐵山河下游。

5 結(jié) 語

采用MIKEFLOOD耦合一維MIKE11和二維MIKE21水動力模型，模擬流域遭遇不同重現(xiàn)期洪水時的淹沒狀況，當(dāng)分別遭遇2年一遇、5年一遇、10年一遇和20年一遇洪水時，社工坑流域的淹沒面積分別達(dá)0.93 km2、2.47 km2、3.12 km2和4.03 km2，最大淹沒水深分別達(dá)0.33 m、0.59 m、0.70 m和0.93 m，淹沒區(qū)域位于開發(fā)強(qiáng)度較大的中下游地區(qū)，而鐵山河下游段尚有一定行洪能力。依據(jù)洪水淹沒模擬成果，結(jié)合土地開發(fā)情況，擬定可能的社工坑整治方案，采用MIKE11模擬各方案結(jié)果，并綜合考慮工程量、征地補(bǔ)償費(fèi)用以及環(huán)境協(xié)調(diào)性等，優(yōu)化確定方案。

中小河流整治必須納入流域防洪體系中統(tǒng)籌考慮，充分考慮下游河段和干流洪水承受能力，且結(jié)合洪水危險分析成果才能合理確定整治方案。