一維水動力模型在城市水系規劃設計中的應用

左海鳳　李　凱

(1.北京中水新華國際工程咨詢有限公司， 北京　100070；2.北京市水文總站， 北京　100089)

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一維水動力模型在城市水系規劃設計中的應用

左海鳳1李凱2

(1.北京中水新華國際工程咨詢有限公司， 北京100070；2.北京市水文總站， 北京100089)

運用一維水動力學模型，結合城市水系規劃的河道特征以及工程任務要求，建立規劃區一維水動力模型實例，采用Preissmann格式離散求解圣維南方程組。掌握水系河網的水動力特性，保證規劃河道能夠順暢接納并排泄其排水分區所承擔的暴雨澇水，可以為水系布局方案比選、人工調蓄改進提供技術支持，滿足城市水系建設中水安全、水生態、水景觀的要求。

一維水動力模型； 城市水系； 規劃設計

1　引　言

城市水系是城市徑流雨水自然排放的重要通道、受納及調蓄空間，在城市排水、防澇、防洪以及改善城市生態環境中發揮著重要作用。城市水系規劃是指在確保城市排水防澇安全的前提下，對城市水系進行合理的保護、利用、整治以及管理，同時，作為“海綿城市”建設的重要組成部分，在低影響開發控制目標與系統設計等方面也提出了更高的要求。因此，掌握水系河網的水動力特性，保證河道能夠順暢接納并排泄其排水分區所承擔的暴雨澇水，并在滿足景觀及生態需求的基礎上，盡量減少引水量，降低運行成本，將為設計可靠、美觀、經濟的水系提供技術支持。

2　工程概況

本文模型實例位于河南省南陽市中關村科技產業園內。現狀條件下，園區內自然河道主要有大泥河、小泥河和城南河，園區外有白桐干渠一分干自東北向西南方向流過?，F狀河道大多未進行過河道疏浚、堤防建設、生態景觀建設等治理工程，部分河段堆積有生活和生產垃圾，河道萎縮，行洪過流能力較差，防洪除澇標準低，生態功能單一，濱水景觀單調，無法滿足產業園建成后的水安全、水生態及水景觀等要求。

根據工程任務要求，園區規劃水系兼引水、排澇和改善生態環境等多項復合功能。首先保證河道能夠順暢接納并排泄其排水分區所承擔的暴雨澇水，同時，園區內實現水系連通，設計通過閘門攔截水流，保證河道內正常蓄水，在河道內形成適宜水面，滿足景觀及生態需求，改善園區生態環境，提升城市品位。

3　模型的建立

3.1基本原理

水動力模擬依據的是河段中隨流程和時間而不斷變化的非恒定水流運動規律，河網非恒定流問題最后都歸結為一維圣維南方程組的求解問題[1]，以圣維南方程組為基礎的水力學方法雖然計算較繁復，部分所需資料不易取得，但能考慮回水頂托、閘壩及其他人類活動對洪水波運動的影響，近年來得到了較為廣泛的應用。

該次水動力模擬基于完整的圣維南方程組，根據流體的質量守恒原理和動量守恒原理，綜合各方面的影響，在考慮側向匯入、局部損失、動量修正等因素后，對一維非恒定水流方程進行修正，包括連續方程和動量方程，實現對水系河網內流動的水動力學模擬計算[2]，其控制方程如下：

(1)

(2)

式中t——時間坐標,s；

x——空間坐標,m；

A——過水面積,m2；

Q——流量,m3/s；

U——斷面平均流速,m/s；

g——重力加速度,m/s2；

q——單位河長側向入流量；

S0——河床底坡，S0=sinθ≈θ；

Sf——河床摩阻坡度，常用謝才公式確定，其表達式為：

(3)

式中n——曼寧系數；

R——水力半徑，對于寬淺河流，近似按照A/B計算。

上述控制方程組的求解方法很多，該模型選用Preisssmann提出的四點加權隱格式進行求解，該格式求解比較復雜，但是具有良好的穩定性，計算時間步長可以設置較大，計算速度快，在河網數值模擬中得到了最廣泛的應用[3]。

3.2水網概化

根據工程任務要求，在初步方案綜合比選的基礎上，提出了相對經濟適用的規劃區水系布局，為提高模擬精度和減少計算誤差，對產業園內河規劃水系布局進行河網概化(見圖1)。

圖1　規劃河網概化

在平衡計算效率和模擬精度的基礎上，最終確定了各河段不同的最大網格尺度和網格數，其中，最大網格尺度不超過300m；時間步長取10s，滿足穩定條件；參照《水力學計算手冊》，糙率取值為0.025；河道斷面根據河道設計典型基本型式取為梯形；各河道水動力模擬計算條件統計如下表所列，采用基于JPWSPC法的河網模型進行地表水動力模擬。

規劃河道水動力模擬計算條件表

3.3設計工況

根據市政雨水管網設計推算，河道斷面設計要求保障順利通過30年一遇排澇流量，設計暴雨通過產流模塊產生徑流進入河道。

規劃區北側鴨河口灌渠白桐一分干設計水量為11.8m3/s，現狀條件下常年供水，最大流量11.0m3/s，水源充足，作為引水水源可根據實際需求輸配水。根據東北高、西南低地勢和原河道走向，規劃新河道走向實現由北向南自流，向下游匯流排出規劃區。

根據水系規劃河道斷面設計及渠道不淤最小流速要求，依據研究區內水文計算及局部的水動力模擬，經過多次試算，取總引水量為Q=2.0m3/s，各入流點進水流量為Q=1.0m3/s，1.0m3/s，0.05m3/s，即大泥河和西泥河從白桐一分干的引水流量分別假定為1m3/s，西泥河與大泥河水力連通流量為0.05m3/s。

4　計算成果

4.1初步方案模擬結果

按照選定的水系布局，在各河道均無蓄水建筑物人工控制的條件下，進行水動力模擬計算。根據模擬結果，在大泥河與小泥河的連通段出現河水回流，不滿足設計要求，見圖2。

圖2　無調蓄狀態的初步模擬結果

4.2人工調蓄改進方案

4.2.1改進原則和目標

規劃區內河水系屬生態水系工程的開發建設，堅持生態保護與生態建設并重原則。內河水系工程建成后，必須形成一定規模的水面，滿足生態用水和景觀用水，有利于構建濱水空間景觀帶，實現人水相親，有利于改善規劃區生態環境及人居環境。

在生態水系和親水效果的營造過程中，為了根據水系的來水、排水和水質特點，靈活地調節水系的流量和水位，通常需要在河渠上布置多個引水閘和蓄水閘等水工建筑物以達到分水和蓄水的要求。根據規劃區實際條件，蓄水建筑物布設綜合考慮以下幾個方面：

a.在滿足相關條件的基礎上，盡可能通過蓄水建筑物形成適宜水深的生態景觀蓄水量，同時，還需盡量減少水深以盡量減少開挖量，縮短水體置換所需的時間。

b.在分析南陽市中關村科技園水系規劃特點及相關制約因素后，宜采用一些小水深的水工建筑物。

c.蓄水建筑物數量主要以營造一定水面面積為目標，控制水體蓄水規模不宜過大，以保證換水次數和水質。

d.應考慮避免較大水深帶來的親水游憩時的安全問題。

e.應考慮已規劃的城市排水管網的設置要求。

4.2.2控制方程調整

由于在模擬區域設置了多個閘門，不管是在閘門閉合狀態還是開啟狀態，均不能完全采用上述控制方程來表示。因此，在模擬中采用內邊界結合源匯項的方法進行處理：首先在閘門處設定固壁內邊界，假設閘門的進口和出口分別位于內邊界兩側的單元內，根據閘孔出流公式計算源匯流量，補充到連續方程中；并根據濃度的變化得到物質輸移方程的源匯項，計算隨水流通過的物質量。閘門的計算公式表示為：

(4)

式中a——開度；

b——閘門寬度；

h0——閘前水深；

h2——閘后水深。

4.2.3改進方案模擬結果

按照內河水系方案改進的原則和目標，根據河流補排水情況，在河渠首尾設置控制水閘和抽水泵站；根據生態用水和景觀用水，在各河段布設蓄水建筑物；根據試算確定河道水深；在此基礎上進行研究區水動力數值模擬。通過多次布局調整和模擬試算，給出規劃區水系布局人工調蓄改進方案模擬結果。

a.為保證該次規劃河道正常運行時的景觀用水，需滿足各渠道最小水深達到0.2～0.3m的要求。根據模擬結果，當閘前水深為1.5m時，河道最小水深為0.3m，局部最小水深為0.2m，滿足生態景觀用水，工程量適宜，水體置換量和置換時間適宜。

b.根據規劃區水系引排水要求，在引水水源處設置引水閘2處；在各河道連通處設引水閘門6處，以起到分水、連通、調蓄的作用。根據各河道長度、各河段規劃條件以及蓄水要求，經過多次模擬試算和布局調整，確定各蓄水閘門較合理的布設位置及數量。

c.在閘前水深確定、水工建筑物布設優選以及控制方程調整的基礎上，各河段設定以下不同引水工況進行研究區水動力特性數值模擬:?引水總量工況，設定內河水系的引水總量分別為2.0 m3/s、1 m3/s和0.2 m3/s，大泥河與西泥河的引水量相等，即分別為1.0 m3/s、0.5 m3/s和0.1 m3/s三種工況情景； ?分水量工況，初步設定小泥河從大泥河的分水量占大泥河引水量的一半，即分別為0.5m3/s、0.25 m3/s和0.05 m3/s，在模擬過程中調試分流比； ?中水利用補水工況，核心區放大水體中水利用設計來水流量為0.05m3/s，不僅作為西泥河與大泥河的連通，也作為大泥河的部分補水，同時起到為湖體換水的作用。

在上述工況條件下，各河道水流通暢，各連通段均沒有河水回流現象，獲得各河道的水面線過程分別見圖3～圖5。

圖3　大泥河水位過程線

圖4　小泥河水位過程線

圖5　西泥河水位過程線

由上圖可知，各河道閘門之間的河段水面線具有一定相似性，尤其是在小泥河，不同引水流量對應的水面線幾乎完全重合。由于下游閘門對水位的抬高作用，各河段水面線都可以看作由兩段組成，分別為均勻流段和回水段，其中，回水段各流量的水深一致，都由下游閘門前的水深確定；均勻流段水深與流量相關，流量越大，水深越深。相對而言，各河道均勻流段都比較短，特別是當河段較短時，整個河段受下游閘門的回水影響，只有回水段而沒有均勻流段。

5　結論與建議

本文基于完整的圣維南方程，結合城市水系河道特征及工程任務要求，建立了規劃區一維水動力學模型實例，并根據水工建筑物設置進行了研究區控制方程修正和水動力數值模擬。通過多次布局調整和模擬試算，獲得了規劃區水系布局人工調蓄改進方案模擬結果，各河道水流通暢，各連通段均沒有河水回流現象，規劃河道能夠順暢接納并排泄其排水分區所承擔的暴雨澇水，為保障城市防洪排澇、水生態和水環境安全提供了技術支持。

根據河網水系水動力模擬結果，在合理布設引蓄排水工建筑物的人工調蓄改進方案中，不同引水流量的景觀效果區別不大。在滿足渠道不沖不淤最小流速要求的條件下，從降低引水經濟成本的角度考慮，允許盡量減少引水量，可建立一維動態水流-水質數值模型，通過水質保護和水力停留時間模擬分析進一步確定最優引水量。

[1]白玉川，萬艷春，黃本勝,等.河網非恒定流數值模擬的研究進展[J].水利學報,2000(12)：43- 47.

[2]朱德軍，陳永燦，劉昭偉.復雜河網水動力數值模型[J].水科學進展，2011，22(2)：203-207.

[3]徐小明，何建京，汪德爟.求解大型河網非恒定流的非線性方法[J].水動力學研究與進展A輯，2001，16(1)：18-24.

Application of one-dimensional hydrodynamic model in urban water system planning and design

ZUO Haifeng1, LI Kai2

(1. Beijing Zhongshui Xinhua International Engineering Consulting Co., Ltd., Beijing 100070, China;2.BeijingHydrologicalMasterStation,Beijing100089,China)

One-dimensional hydrodynamic model is applied. River channel characteristics and project task requirement of urban water system plan are combined for constructing one-dimensional hydrodynamic model example in the planning area. Preissmann format discrete solving Saint-Venant equations are adopted for mastering the hydrodynamic characteristics of river network. It is ensured that rainstorm water in the drainage division can be smoothly accepted by planned river and discharged. Technical support can be provided for water system layout plan comparison and artificial regulation storage improvement, thereby meeting the requirements of water safety, water ecology and water landscape in urban water system construction.

one-dimensional hydrodynamic model; urban water system; planning and design

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.08.010

TV212.5

B

1005- 4774(2016)08- 0036- 05