劉穎婧，王為群，趙 剛

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200125)

南昌高鐵東站區(qū)域東臨撫河故道，北靠瑤湖(贛江南支)，西至瑤湖水系與艾溪湖(南塘湖)水系分水嶺附近，南至昌南大道，區(qū)域內(nèi)河湖溝渠交錯(cuò)。該區(qū)域?qū)俸闈碁?zāi)害威脅嚴(yán)重區(qū)，也是水利基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)該密集實(shí)施的區(qū)域。但是該區(qū)域現(xiàn)狀工程水系較為散亂，且規(guī)模偏小。

在全球氣候變暖及城市化進(jìn)程加快的大背景下，城市水循環(huán)過程改變，導(dǎo)致極端降水事件增多[1]，“城市看?！爆F(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，城市化改變了地表天然的產(chǎn)匯流條件，下墊面的硬化減小了下滲[2- 3]，天然調(diào)蓄水體銳減，地表產(chǎn)流量加大，匯流速度加快，當(dāng)短歷時(shí)強(qiáng)降雨和城市化影響疊加，形成脈沖式暴雨洪水，致災(zāi)速度極快。

南昌東站作為未來南昌的城市核心區(qū)域，區(qū)位重要，人員密集，暴雨條件下排澇壓力巨大，其排澇的能力與河道規(guī)模亟待提升。規(guī)劃擬對(duì)現(xiàn)有河道清淤、拓浚、延伸，并開挖新建河道。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法難以精確模擬[4]，采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析研究很有必要，在我國(guó)應(yīng)用較廣泛的有Mike系列、Delft 3D、HEC-RAS等[5]，前人學(xué)者基于上述軟件在設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算模擬方面做了許多有益的研究[6- 11]，本文將采用Delft 3D Flexible Mesh軟件進(jìn)行分析研究。

工程區(qū)域規(guī)劃內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，即要求工程區(qū)域在50年一遇的暴雨工況下不會(huì)發(fā)生內(nèi)澇。該地區(qū)結(jié)合過往的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)水系的規(guī)劃渠底高程、最高水位、河道斷面等水利要素進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)，但是對(duì)于規(guī)劃河網(wǎng)水系在50年一遇暴雨發(fā)生時(shí)的是否能保證安全尚不清楚，故需通過數(shù)學(xué)模型來模擬和預(yù)演50年一遇暴雨工況下工程區(qū)域河網(wǎng)水系的水位及水動(dòng)力情況，并通過對(duì)模型結(jié)果的分析研究，對(duì)現(xiàn)有規(guī)劃設(shè)計(jì)要素進(jìn)行一定的調(diào)整，為開展本工程水利相關(guān)設(shè)計(jì)工作中確定一些關(guān)鍵參數(shù)提供一定的參考和依據(jù)。

1 水動(dòng)力模型的建立

1.1 模型原理

Delft3D Flexible Mesh模型對(duì)淺水適應(yīng)性高[12]，其Flow模塊采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，該模塊主要是在淺水假設(shè)(垂向加速度遠(yuǎn)小于重力加速度，模擬區(qū)域的垂向水深尺度遠(yuǎn)小于水平長(zhǎng)度尺度)、Boussinesq近似假設(shè)(密度的變化僅在水平壓力梯度項(xiàng)中考慮)、不可壓縮流體假設(shè)以及紊動(dòng)的雷諾平均假設(shè)下求解Navier-Stokes方程，在求解方法上基于有限差分法中交替方向隱式ADI法進(jìn)行離散求解。

1.1.1連續(xù)性方程

(1)

式中，ζ—參考面(z=0)以上的水位，m；d—參考面以下的水深，m；U、V—x，y方向上的平均流速，m/s；Q—單位面積上由于降雨、蒸發(fā)及水流流入流出引起的水量變化值，排水、引水、蒸發(fā)或者降水等引起的水量變化。

(2)

式中，qin、qout—每體積單元的當(dāng)?shù)卦错?xiàng)和匯項(xiàng)；P—降雨的非當(dāng)?shù)卦错?xiàng)；E—蒸發(fā)的非當(dāng)?shù)貐R項(xiàng)。標(biāo)注的吸入量，例如取水口取水被視作一個(gè)匯項(xiàng)。在自由表面，降雨是一個(gè)源項(xiàng)，蒸發(fā)是一個(gè)匯項(xiàng)。

說明：在該模型中，源項(xiàng)是表示水從外界進(jìn)入計(jì)算域的項(xiàng)，如降雨、排水口排水等；匯項(xiàng)是表示水從計(jì)算域離開的項(xiàng)，如蒸發(fā)、取水口取水等。

1.1.2動(dòng)量方程

水平x方向：

(3)

水平y(tǒng)方向：

(4)

式中，u、v、w—x、y、σ方向上的速度分量，m/s；f—柯氏力參數(shù)，1/s，取決于地理緯度和地球自轉(zhuǎn)的角速度，北半球公式為f=2Ωsinφ，φ—地球緯度，Ω—地球自轉(zhuǎn)的角速度；ρ—水體的密度，kg/m3；Pu、Pv—x、y方向的靜水壓力梯度，kg·m-2·s-2；Fu、Fv—x、y方向的紊動(dòng)動(dòng)量通量，m/s2。

1.1.3水工建筑物

在FLOW模型中，將水工建筑物定義為一種阻水效果。水工建筑物包括閥門、壩檻、攔河閘、堤壩、多孔橋、防波堤和堰等。水工建筑物造成的能量損失為水流的底部摩擦損失，在水工建筑物所在位置外加一個(gè)限制到動(dòng)量方程當(dāng)中，將額外的能量損失參數(shù)化，該項(xiàng)為含有收縮系數(shù)或排放系數(shù)的摩擦項(xiàng)形式。

1.2 建模范圍

本模型計(jì)算范圍西起聯(lián)通渠道、羅家二路排水渠，東至規(guī)劃四干渠，南起規(guī)劃總干渠，北至規(guī)劃六干渠及規(guī)劃天祥河。整個(gè)模型范圍包含總干渠、四干渠、六干渠、聯(lián)通渠、羅家二路排水渠、天祥河、謝埠河、板溪湖等眾多河湖，共同構(gòu)成了工程地塊的河網(wǎng)水系。

對(duì)工程區(qū)域水系情況進(jìn)行分析后，確定模型入流及出流邊界位置如圖1所示。入流邊界2個(gè)，分別為西側(cè)總干渠入口、西側(cè)聯(lián)通渠入口；出流邊界6個(gè)，分別為羅家二路排水渠出口、六干渠出口、天祥河出口、四干渠出口、板溪湖北出口、板溪湖南出口。

圖1 河網(wǎng)水系模型概化情況及出、入流邊界示意圖

需要說明的是，在確定建模具體范圍時(shí)，由于總干渠、四干渠、六干渠上述3條規(guī)劃河道為灌溉渠，屬于工程區(qū)域內(nèi)的高水系統(tǒng)，為保護(hù)兩岸農(nóng)田并不承擔(dān)行洪功能，不允許水體溢出堤頂，故上述3條河的網(wǎng)格范圍為河道兩岸陸域控制線范圍內(nèi)。

而對(duì)于東側(cè)的天祥河、謝埠河、昌東三路渠等，這些河道結(jié)合海綿城市相關(guān)設(shè)計(jì)理念屬于工程范圍內(nèi)的景觀低水系統(tǒng)，在豐水期由于暴雨導(dǎo)致河道水位高漲時(shí)允許河道中的水體溢出河道堤頂，即河岸兩側(cè)的綠廊系統(tǒng)也可容納部分河道中的水體，故上述河道的建模范圍為河道兩岸綠廊外邊線范圍內(nèi)。

1.3 模型網(wǎng)格

由于本工程區(qū)域范圍內(nèi)規(guī)劃水系河網(wǎng)發(fā)達(dá)、河道曲折蜿蜒，水系形態(tài)復(fù)雜，故本研究中網(wǎng)格形態(tài)選擇采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格即三角網(wǎng)格，具體方法為運(yùn)用SMS 9.0軟件進(jìn)行網(wǎng)格剖分，以期使模型能夠更好的貼合實(shí)際岸線并復(fù)演工程區(qū)域水系的實(shí)際情況。

模型網(wǎng)格細(xì)部如圖2所示，網(wǎng)格間距5～10m，網(wǎng)格數(shù)25335個(gè)。以正交性系數(shù)<0.02為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)打好的網(wǎng)格進(jìn)行正交性檢驗(yàn)，對(duì)局部不滿足要求處進(jìn)行調(diào)整，以保證模型運(yùn)算的準(zhǔn)確性。

圖2 模型網(wǎng)格細(xì)部圖

1.4 模型地形構(gòu)造

地形插值也是構(gòu)建水動(dòng)力模型一個(gè)十分重要的前處理步驟，地形插值的精細(xì)程度和準(zhǔn)確性將直接影響模擬的效果。本研究中工程地塊的河網(wǎng)水系規(guī)劃河道地形根據(jù)水工結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)的規(guī)劃河道斷面高程方案進(jìn)行細(xì)致構(gòu)造。模型河網(wǎng)水系插值地形如圖3所示。

圖3 模型河網(wǎng)水系插值地形

對(duì)于工程范圍內(nèi)的景觀低水系統(tǒng)規(guī)劃河道，暴雨時(shí)可由綠廊容納河道溢出水體，為準(zhǔn)確模擬和反映暴雨條件下上述河道的水位變化情況，故在本模型中對(duì)上述3條河道的地形塑造十分精細(xì)，綠廊寬度近似取兩岸各20m；而工程范圍內(nèi)3條灌溉渠由于受閘門人為控制，水位較為恒定，不承接雨水排水，故對(duì)其地形作一定程度的概化處理。

1.5 模型邊界條件及基本參數(shù)設(shè)置

本模型為二維數(shù)學(xué)模型，考慮垂向平均，采用大地坐標(biāo)，85高程，投影系為北京54坐標(biāo)系。模型投影中央經(jīng)度：117°E，考慮科氏力的作用，模型緯度：28.15°N。

(1)邊界條件

入流邊界：各水體最高流量控制，見表1。出流邊界：各水體最高水位控制。見表2。

表1 模型入流邊界條件

表2 模型出流邊界條件

(2)糙率

河床糙率(曼寧系數(shù)表示)根據(jù)過往相關(guān)工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)設(shè)為0.023。

(3)計(jì)算步長(zhǎng)

計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)：30s，結(jié)果輸出時(shí)間步長(zhǎng)：1h。

(3)泵站規(guī)模

工程區(qū)域板溪湖出口處現(xiàn)狀設(shè)有電排站1座，排澇能力為2.2m3/s。

2 50年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況

根據(jù)住建部下發(fā)的《城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃編制大綱》，通過采取綜合措施，省會(huì)城市中心城區(qū)能有效應(yīng)對(duì)不低于50年一遇的暴雨。

由于南昌市為江西省會(huì)城市，高鐵東站日后將成為其大力發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域，結(jié)合南昌市城市防洪治澇規(guī)劃，故將南昌高鐵東站區(qū)域的治澇標(biāo)準(zhǔn)確定為50年一遇一日暴雨不淹重要建筑物。

工程區(qū)域50年一遇的設(shè)計(jì)暴雨24h時(shí)間序列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示，發(fā)生時(shí)段為2019年7月14日8：00至7月15日8：00。

圖4 工程區(qū)域50年一遇24h降雨量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列圖

結(jié)合針對(duì)該區(qū)域所做的雨水管網(wǎng)模型相關(guān)成果，將設(shè)計(jì)暴雨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為區(qū)域內(nèi)各雨水排口匯入河道的雨水流量，將降雨對(duì)研究區(qū)域內(nèi)河道的影響以點(diǎn)源的方式添加到水動(dòng)力模型中加以考慮和反映，如圖5所示。

圖5 工程區(qū)域雨水管網(wǎng)排河口點(diǎn)源位置圖

3 模型計(jì)算結(jié)果與分析

為定量反映50年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況下工程區(qū)域河網(wǎng)水系的情況，設(shè)置若干觀測(cè)點(diǎn)及觀測(cè)斷面，布設(shè)位置如圖6所示。

圖6 模型觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖

3.1 低水系統(tǒng)水位計(jì)算結(jié)果與分析：

根據(jù)上位規(guī)劃，高水系統(tǒng)各灌溉渠不承擔(dān)排澇任務(wù)，雨水管網(wǎng)在灌溉渠不設(shè)入河排放口，故先分析低水系統(tǒng)各規(guī)劃河道在現(xiàn)狀泵站排澇規(guī)模下遭遇50年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)的水位變化情況，如圖7所示。

由圖7可知，工程區(qū)域低水系統(tǒng)的各規(guī)劃河道內(nèi)的水位峰值均出現(xiàn)在14日的21：00至22：30之間，而暴雨的峰值出現(xiàn)在20：00，說明暴雨對(duì)河道的水位雍高作用存在一定的滯后效應(yīng)。

圖7 觀測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水過程線模型結(jié)果

根據(jù)模型結(jié)果，天祥河的水位峰值約為17.42m，謝埠河的峰值水位約為17.49m，兩條河的水位峰值均出現(xiàn)在7月14日22：00；板溪湖的水位峰值約為17.49m，出現(xiàn)在7月14日22：30，比天祥河與謝埠河水位峰值出現(xiàn)時(shí)間晚0.5h，這也說明相對(duì)下游比上游峰值出現(xiàn)的時(shí)間要晚，相對(duì)下游區(qū)域不斷承接上游來水，其水位峰值出現(xiàn)時(shí)間將進(jìn)一步滯后。

水鏡湖的水位峰值約為17.45m；昌東三路渠的水位峰值約為17.49m；二者水位峰值均出現(xiàn)在7月14日22：30。這主要是由于豐水期高水系統(tǒng)與低水系統(tǒng)之間的閘門關(guān)閉，水鏡湖與昌東三路渠未從西側(cè)高水系統(tǒng)承接水體，僅承接?xùn)|側(cè)低水系統(tǒng)水體，而在這種情況下水鏡湖與昌東三路渠在東側(cè)局部水系中部，上下游均受水體頂托，水位較難短時(shí)間內(nèi)下降。

經(jīng)過24h排澇后，低水系統(tǒng)各規(guī)劃河道測(cè)點(diǎn)水位見表3。

表3 規(guī)劃河道排澇24h后水位情況

由表3可知，在現(xiàn)狀排澇泵站規(guī)模下，排澇24h后板溪湖內(nèi)水位為17.15m，仍高于上位規(guī)劃最高水位，謝埠河下游水位為17.16m，也仍高于上位規(guī)劃最高水位；泵站工作時(shí)長(zhǎng)主要看板溪湖的水位下降情況，由表3可知，泵站排澇24h后板溪湖的水位仍未降至停排水位，故現(xiàn)狀排澇泵站規(guī)模不能滿足50年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況要求，需對(duì)現(xiàn)狀排澇泵站進(jìn)行提標(biāo)改造。

3.2 高水系統(tǒng)水位計(jì)算結(jié)果與分析：

工程區(qū)域內(nèi)各高水系統(tǒng)規(guī)劃河道不承擔(dān)排澇功能，雨水管網(wǎng)不向高水系統(tǒng)各灌溉渠排放雨水，且排澇泵站位于工程區(qū)域東南角低水系統(tǒng)內(nèi)，50年一遇暴雨工況下高水系統(tǒng)與低水系統(tǒng)之間閘門關(guān)閉，因此工程區(qū)域內(nèi)各高水系統(tǒng)規(guī)劃河道內(nèi)的水位情況與泵站排澇設(shè)計(jì)規(guī)模無關(guān)，不受其影響。

對(duì)高水系統(tǒng)內(nèi)各規(guī)劃河道在50年一遇暴雨工況下的水位數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行整理分析，見表4。

由表4可知，在50年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況下，工程區(qū)域內(nèi)各高水系統(tǒng)規(guī)劃河道的水位模擬結(jié)果均較上位規(guī)劃最高水位有15～40cm左右的提高，說明在50年一遇暴雨情況下，高水系統(tǒng)各規(guī)劃河道內(nèi)的水位雍高現(xiàn)象十分嚴(yán)重，其中，總干渠河道的水位值高于水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中總干渠的設(shè)計(jì)堤頂高程，見表5，對(duì)河道的防洪安全存在不利影響，需對(duì)目前規(guī)劃河道堤頂高程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行提標(biāo)優(yōu)化。

表4 50年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況下高水系統(tǒng)各規(guī)劃河道最高水位情況表

表5 50年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況下高水系統(tǒng)各規(guī)劃河道最高水位與設(shè)計(jì)堤頂高程對(duì)比表

4 結(jié)論

本文建立了區(qū)域河網(wǎng)水系的二維水動(dòng)力模型，計(jì)算預(yù)演并研究該區(qū)域在50年一遇的設(shè)計(jì)暴雨條件下的洪水演進(jìn)過程及特征點(diǎn)最高水位，主要結(jié)論如下：

(1)經(jīng)水動(dòng)力數(shù)值模擬分析研究，對(duì)于工程區(qū)域低水系統(tǒng)規(guī)劃河道天祥河、謝埠河、昌東三路渠、板溪湖、水鏡湖，在降雨峰值時(shí)段上述河道水位由于河道雍水作用會(huì)超過規(guī)劃最高水位，在現(xiàn)狀排澇泵站規(guī)模(2.2m3/s)下，排澇24h后板溪湖、謝埠河等河道水位仍高于17m，故現(xiàn)狀排澇泵站規(guī)模不能滿足50年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況要求，需對(duì)現(xiàn)狀排澇泵站進(jìn)行提標(biāo)改造。

(2)對(duì)于工程區(qū)域高水系統(tǒng)規(guī)劃河道總干渠、四干渠、六干渠在50年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況下，工程區(qū)域內(nèi)各高水系統(tǒng)規(guī)劃河道的水位模擬結(jié)果均較上位規(guī)劃最高水位有15～40cm左右的提高，說明在50年一遇暴雨情況下，高水系統(tǒng)各規(guī)劃河道內(nèi)的水位雍高現(xiàn)象十分嚴(yán)重，其中，總干渠河道的水位值高于水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中總干渠的設(shè)計(jì)堤頂高程，對(duì)河道的防洪安全存在不利影響，建議提高規(guī)劃總干渠河道的設(shè)計(jì)堤頂高程。

上述水動(dòng)力模型的建立與計(jì)算研究為南昌東站規(guī)劃河網(wǎng)中各條河道的河道整治工程建設(shè)提供關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)，也為后續(xù)類似工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作起到了一定的參考作用。