王 艷

（廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635）

近年來,隨著城市化進程的不斷加快,城市的規(guī)模逐步擴大,城市化發(fā)展中區(qū)域受到內澇威脅,極端天氣和強降雨是自然誘因,設計標準及城市下墊面變化、治澇工程排澇能力不足是客觀原因,而區(qū)域防洪排澇特點、地形地勢、水系分布情況則是治澇的關鍵。本文以發(fā)展中城鎮(zhèn)龍溪為例,利用MIKE11 軟件建立一維水動力計算模型,在分析現(xiàn)狀排澇格局、下墊面條件的基礎上,根據(jù)地區(qū)發(fā)展規(guī)劃提出適宜的內澇治理措施。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于惠州市博羅縣龍溪街道,地處沙河流域中下游,面積119 km2,區(qū)內金融、勞務、教育、文化、醫(yī)療、通信、供電、供水、水利等公共配套基礎設施完善,五金電子、環(huán)保和制鞋三大產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達。目前龍溪街道內大大小小排渠33 條,總長118.43 km；灌渠13 條,總長65.68 km,其中銀河、羅陽排渠及太平山排灌渠為龍溪街道內的骨干排澇河道,總長24.36 km。

1.2 現(xiàn)狀地面高程

根據(jù)龍溪鎮(zhèn)1∶10000 地形圖,結合現(xiàn)狀情況,對龍溪鎮(zhèn)現(xiàn)狀地面高程進行統(tǒng)計分析,見圖1。銀河排渠片區(qū)現(xiàn)狀下游主要為農田,大部分區(qū)域地勢低洼,低洼處地面高程主要在4 m～6 m 之間；中部為建成區(qū),根據(jù)土地利用規(guī)劃,用地性質為行政、工業(yè)、商住用地等,50%以上地面高程集中在7 m～8 m,80%以上地面高程集中在5 m～8 m；上游主要為農田,地勢平坦,周圍被山地包圍,80%以上地面高程集中在7 m～12 m。

圖1 研究區(qū)域地面高程統(tǒng)計圖

羅陽排渠片區(qū)現(xiàn)狀下游主要為農田,農田地面高程在4 m～6 m 之間,其中羅陽排渠出口附近及禮村運河兩側的村莊地勢相對較高,地面高程主要在8 m～12 m 之間。上游為建成區(qū)和山嶺,建成區(qū)根據(jù)土地利用規(guī)劃,用地性質為行政、工業(yè)、商住用地等,其靠近東江附近地勢較高,地面高程主要在7 m～8 m 之間,內部建成區(qū)地面高程主要在6 m～7 m 之間；山嶺位于建成區(qū)東側,最高海拔191.17 m。

1.3 排澇模數(shù)

隨著龍溪街道內社會經(jīng)濟的發(fā)展,已從傳統(tǒng)的農業(yè)區(qū)域演變?yōu)榘氤擎?zhèn)、半農業(yè)地區(qū),區(qū)域內的保護對象、排澇標準、排澇要求均發(fā)生了變化。因此綜合考慮龍溪街道內城鎮(zhèn)、農業(yè)分布情況,區(qū)域規(guī)劃非間和規(guī)劃城鎮(zhèn)空間,分別采用平均排除法和峰值平均排除法進行排澇模數(shù)計算,根據(jù)規(guī)劃非城鎮(zhèn)空間和規(guī)劃城鎮(zhèn)空間的面積權重計算龍溪街道的綜合排澇模數(shù)。

權重計算綜合排澇模數(shù),公式為：

式中：qp為綜合排澇模數(shù),m3/（s·km2）；qd為城鎮(zhèn)區(qū)域的設計排澇模數(shù),m3/（s·km2）；qw為農田區(qū)域的設計排澇模數(shù),m3/（s·km2）；Ad為城鎮(zhèn)區(qū)域面積,km2；Aw為農田區(qū)域面積,km2。

根據(jù)計算得到龍溪街道的綜合排澇模數(shù)為1.187 m3/（s·km2）,而龍溪街道現(xiàn)狀排澇模數(shù)僅為0.65 m3/（s·km2）,無法滿足龍溪街道規(guī)劃設計排澇標準。

1.4 排澇總體布局

對鎮(zhèn)街47 條排灌渠系梳理的基礎上,結合區(qū)域地形圖、市政路網(wǎng)、排水管網(wǎng)結構等,劃分出17 個排澇片,綜合考慮各個排澇片規(guī)劃用地情況及澇水排除特征,因片而宜,采用自排、蓄排、蓄排輔以抽排的不同排澇模式,將區(qū)域內產(chǎn)生的澇水通過銀河排渠、羅陽排渠和禮村運河排入外江。

2 水動力模型建立

根據(jù)研究區(qū)實際情況,區(qū)內排水系統(tǒng)由河流水系和排水管網(wǎng)共同建立,在降水（洪水）過程中,水流不斷排水系統(tǒng)中發(fā)生流入和溢出,水流情況較為復雜。區(qū)內設計洪水主要來自于上游下泄洪水和區(qū)內洪水,總體流向單一,主要為支流匯入干流,干流匯入馬嘶河及東江,采用MIKE11 構建一維河網(wǎng)水動力模型,對研究區(qū)內水流水動力情況進行模擬計算,模擬范圍為龍溪街道內主干排渠共17 條及太平山排灌渠1條。

2.1 計算原理

2.1.1 水動力方程

水動力求解核心方程式為圣維南方程組,如公式（1）：

式中：Bs為河寬；h 為河道斷面水位；t 為時間節(jié)點；Q 為斷面流量；x 為空間節(jié)點；q 為旁側入流流量；為動量修正系數(shù)；A 為過流面積；g 為重力加速度；C 為謝才系數(shù)；R 為水力半徑。

由于維南方程組屬于一階擬線性雙曲型偏微分方程組,無法求出其通解,故帶入初始條件及邊界條件推求近似解,MIKE11 在求解圣維南方程組時,采用Abbott 6 點隱格式法進行離散求解,計算時交替計算水位（h）點和流量（Q）點,見圖2。

圖2 Abbott 格式Q-h 交替圖

方程離散時,過流流量Q 只與空間節(jié)點x 有關,以水位點h為中心,連續(xù)方程Q 對x 求偏導,見圖3,以Q 為中心進行差分離散得方程組（2）。采用追趕法進一步求解。

圖3 Abbot-lonescu 六點隱格式差分示意圖

2.1.2 堰流計算

本次模型堰流計算公式采用Villemonte 公式,如公式（3）、（4）：

式中：Q 為通過堰的流量；W 為寬度；C1為堰系數(shù)1（weircoefficient）；C2為堰系數(shù)2,由C1換算得到關系式；Hus為上游的水位；Hds為下游的水位；Hw為堰頂高程。

2.2 模型建立

MIKE11 水動力模型構建包含4 類數(shù)據(jù)文件：河網(wǎng)文件（.nwk11）、斷面文件（.xns11）、模型參數(shù)文件（.hd11）、邊界條件（.bnd11）。

2.2.1 河網(wǎng)文件

河網(wǎng)文件主要起定義河道名稱、走向及連接關系及相關水工建筑物調度規(guī)則,定義集水區(qū)域的匯流位置、布設計算點的作用,本次模擬共建立河道17 條,研究區(qū)內15 條,總長61.52 km,外江2 條,總長34.22 km。

采用MIKE11 結構物模塊（SO）,模擬各種水工建筑物,本次模擬運用MIKE 11 SO 模塊中的culvert（涵洞）功能概化河道中的橋梁,添加weirs 結構物可以概化河道外蓄滯洪區(qū)與河道連接處的堤岸,通過control structure 概化河道中的水閘和泵站。本次規(guī)劃根據(jù)實際情況進行上下游連接,建立水閘8 座,泵站5 座。

2.2.2 斷面文件

斷面文件用于計算河道各斷面隨水位變化的水力參數(shù)：Cross section area（過流面積）、Radius（水力半徑）、Stotage width（水面寬度）、Add.storage area（附加蓄水面積）、Resistance factor、（阻力系數(shù)）、Conveyance（流量模數(shù)）。構建斷面文件時,河流名稱（River name）、標識（Topo ID）、里程（Chainage）需與河網(wǎng)文件設置相同。本次模型構建河道斷面數(shù)據(jù)采用2020 年河道實測數(shù)據(jù),共399 個斷面,見圖4。斷面初始水位為常水位,初始流量為0。

圖4 斷面文件示意圖

2.2.3 參數(shù)文件

參數(shù)文件包含眾多屬性頁,本次模擬絕大部分屬性頁保持默認值。根據(jù)研究區(qū)實際調查情況和河水斷面現(xiàn)狀,參照相關工程經(jīng)驗,河床糙率初始值取為0.03。

2.2.4 邊界文件

本次模擬根據(jù)研究區(qū)域與流域洪潮遭遇分析,確定流量邊界條件和水位邊界條件。采用龍溪街道內發(fā)生10 年一遇設計洪水時,遭遇沙河5 年一遇設計洪水過程和東江相應多年平均高潮水位過程。其中,流量邊界根據(jù)研究區(qū)各排澇分區(qū)不同標準,分別計算平均排除流量,采用沿程分布方式進行歸槽計算確定；水位邊界按照對排澇偏不利考慮,選擇低潮偏高的潮型,見圖5。

圖5 研究區(qū)主要控制站點(斷面)多年平均高潮水位過程線

2.3 模型識別與驗證

本次模擬選擇研究區(qū)內實測2018 年6 月27 日暴雨過程進行模擬,通過對比銀河水閘與羅陽水閘的實測閘前水位,結合暴雨期間實際調查現(xiàn)場洪痕及當?shù)厮橛涗?模擬計算結果與實際暴雨下的區(qū)域漫堤情況基本一致,可用于研究方案計算。

3 數(shù)據(jù)分析及結論

區(qū)域內主要分為銀河排渠片區(qū)、羅陽排渠片區(qū)兩個較為獨立的片區(qū),每個片區(qū)內干流河道作為所有支流的直接承泄河道,排水出路單一。研究區(qū)設計洪水頻率以10 年一遇加入模型進行洪水淹沒模擬,根據(jù)研究區(qū)未來規(guī)劃,以農田為主的片區(qū)考慮80%地面標高提出控制水位。以鎮(zhèn)區(qū)為主的片區(qū),采用片區(qū)內已開發(fā)部分90%地面標高提出控制水位。

3.1 方案實施前

按照各片區(qū)排澇標準,計算區(qū)域水位變化。銀河流域內除夏寮排渠片區(qū),其余片區(qū)主干河道均會出現(xiàn)漫堤,漫堤時間在6 h～38 h,導致鎮(zhèn)區(qū)無法將澇水即使排入河道,造成鎮(zhèn)區(qū)水浸。因此銀河排渠流域內現(xiàn)狀排澇工程規(guī)模無法滿足大部分片區(qū)的排澇需求。

羅陽排渠流域內,各片區(qū)均自流匯入下游片區(qū),由羅陽排澇站控制整體排澇情況,當10 年一遇設計洪水時,遭遇沙河5 年一遇設計洪水及東江多年平均潮位過程,禮村運河可自排部分澇水進入東江,但由于閘內外水位差較小,自排流量較小。根據(jù)計算結果可知,按照各片區(qū)排澇標準,下游片區(qū)漫堤情況較少,上游各片區(qū)由于受到下游片區(qū)內河道水位頂托、自身河道規(guī)模、堤頂高程影響,片區(qū)內主干河道較多出現(xiàn)漫堤,漫堤時間在29 h～42 h,導致部分鎮(zhèn)區(qū)無法將澇水排入河道,造成水浸,因此羅陽排渠流域內現(xiàn)狀排澇工程可滿足部分片區(qū)排澇需求。

南北排渠、銀河排渠干流及羅陽排渠下游段的堤頂高程已明顯高于周邊地勢,不建議再大范圍加高堤防。

3.2 方案實施后

針對龍溪街道排澇問題,同時結合區(qū)域內排澇模數(shù)及數(shù)模計算,研究提出清淤疏浚、堤岸整治、河道拓寬、水系連通、水閘泵站等綜合措施。通過加固河堤、清淤疏浚及水系改造等措施實現(xiàn)分片控制,使水系形態(tài)、組合及銜接方式有利于行洪排澇。同時,充分利用魚塘改造及新建調蓄濕地,發(fā)揮其調蓄作用,減輕河道行洪壓力和區(qū)域內澇災害。數(shù)模計算結果見圖6。

圖6 近期排澇計算水位分布圖

近期工程措施實施后,可滿足河道沿程不漫堤。對于規(guī)劃用地主要為農林用地的排澇片區(qū),超過控制水位時間小于24 h；對于規(guī)劃用地非農林用地的排澇片區(qū),要求河道水位不能超過控制水位,龍溪瀝片區(qū)超控制水位5 h,羅陽上游片區(qū)超控制水位7 h,其余片區(qū)滿足要求。

遠期考慮東江水位頂托,圍內無法自排工況。工程措施實施后,仍可滿足河道沿程不漫堤,且各河道水位值相比近期工程進一步降低。對于規(guī)劃用地主要為農林用地的排澇片區(qū),超過控制水位時間小于24 h；對于規(guī)劃用地非農林用地的排澇片區(qū),要求河道水位不能超過控制水位,各片區(qū)均滿足要求。

3.3 結論

（1）利用較高精度的區(qū)域高程散點數(shù)據(jù),進行了統(tǒng)計分析,確定區(qū)域下墊面高程分布情況；并通過發(fā)展中的規(guī)劃城鎮(zhèn)空間,分析了區(qū)域現(xiàn)狀排澇模數(shù),為規(guī)劃工程的規(guī)模提供了依據(jù)。

（2）利用MIKE11 軟件建立了一維水動力河網(wǎng)模型,對沙河流域中下游發(fā)展中城鎮(zhèn)龍溪街道的實際水力情況進行概化模擬,為研究區(qū)域內澇治理綜合措施提供了基礎。

（3）通過模擬分析,對比了方案前后各排澇河道水位分布情況,計算表明擬定的近遠期規(guī)劃措施可有效緩解區(qū)域排澇壓力。