城市建成區(qū)復(fù)雜斷面河道水面線計(jì)算方法探討

陳杜銳

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

1 引言

在水利水電工程中，河道(渠道)水位是分析評(píng)判河道過流能力、行洪能力，決定水利工程效益的重要影響因素，因此，河道水面線推求方法是科學(xué)研究及工程應(yīng)用中極為關(guān)注的問題。

常規(guī)水面線計(jì)算方法為采用考慮水頭損失的恒定非均勻漸變流計(jì)算法，即伯努利方程逐段試算法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值軟件越來越多應(yīng)用于水面線計(jì)算，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)此也進(jìn)行大量研究[1-3]。譚玲[4]將HEC-RAS和Mike11應(yīng)用于水電站尾水渠水面線計(jì)算，結(jié)果表明兩款軟件相較于傳統(tǒng)方法具有高效、精確的特點(diǎn)；楊會(huì)娟[5]等采用對(duì)比分析了HEC-RAS、Mike11及廣東水文水利設(shè)計(jì)計(jì)算軟件平臺(tái)三款軟件在山區(qū)河流水面線計(jì)算特點(diǎn)，結(jié)果顯示相較于水文計(jì)算平臺(tái)和Mike11模型，在模擬有建筑物的山區(qū)河流時(shí)HEC-RAS性能更優(yōu)；艾來提江·謝熱甫丁[6]、陳雪冬[7]等將Mike11應(yīng)用河道整治工程；吳名劍[8]、范威[9]、劉洋[10]等分別利用SOBEK-RURAL軟件、雨洪法、HEC-RAS模型等推算山區(qū)中小河流水面線；此外，部分學(xué)者嘗試應(yīng)用智能算法如遺傳算法等進(jìn)行水面線的求解[11]。從水面線研究進(jìn)展來看，目前主要集中山區(qū)河道、平原河道、渠道等天然河道或規(guī)則的人工河道，一般河道斷面形式也較為簡(jiǎn)單。對(duì)于復(fù)雜斷面形式河道、不規(guī)則生態(tài)護(hù)岸形式河道水面線，目前研究較少。

城市建成區(qū)河道一方面為改善河道生態(tài)景觀條件，在用地條件相對(duì)有限的情況下，通常采用框式擋墻等新型護(hù)岸技術(shù)。但該類河道受生態(tài)框結(jié)構(gòu)的影響，河道斷面呈不規(guī)則的鋸齒狀，另一方面由于受占地、防洪標(biāo)準(zhǔn)、投資等影響，堤頂高程對(duì)整體方案的造價(jià)敏感度極高，因此對(duì)水面線計(jì)算準(zhǔn)確性要求較高，系統(tǒng)誤差要求盡可能的小，因此，常規(guī)方法應(yīng)用限制較大，本文基于Mike11模型及Hydrolab Basic軟件探討該類河道水面線計(jì)算方法。

2 模型簡(jiǎn)介

2.1 Mike11軟件

Mike11是丹麥水力研究所(DHI)開發(fā)的適用于河道、河網(wǎng)、灌溉等一維水水動(dòng)力模擬的水力學(xué)仿真軟件，因其強(qiáng)大功能及適用性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水電工程設(shè)計(jì)、河道整治、防洪排澇規(guī)劃等工程中。Mike11基本原理為求解圣維南偏微分方程組，方程組采用六點(diǎn)隱式差分格式進(jìn)行求解，其一維水動(dòng)力控制方程組如下。

動(dòng)量方程：

連續(xù)性方程：

式中：t為時(shí)間，s；Q為流量，m3/s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；x為沿河道距離，m；g為重力加速度，m/s2；C為謝才系數(shù)；α為動(dòng)力擴(kuò)散系數(shù)；R為水力半徑，m；q為側(cè)向入流流量，m3/s；h為河道水位，m。

2.2 Hydrolab Basic軟件

水文水利設(shè)計(jì)計(jì)算軟件(Hydrolab Basic)為通用的水利水文計(jì)算軟件平臺(tái)，該平臺(tái)包含水文頻率計(jì)算、暴雨徑流計(jì)算、水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算、灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)和水面線計(jì)算等模塊，其中水面線計(jì)算模塊以求解一維伯努利能量方程為理論基礎(chǔ)，控制方程如下：

式中：Z1為上游河底高程，m；H1為上游河道水位，m；α為流量系數(shù)；v1為上游斷面平均流速，m3/s；Z2為下游河底高程，m；H2為下游河道水位，m；α2為流量系數(shù)；v2為下游斷面平均流速，m3/s。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 概況

某城市河道位于深圳市寶安區(qū)，流域面積4.72 km2，平均比降16‰，河長(zhǎng)2.97 km。該河道流域上游大都位于丘陵、低山區(qū)域，中下游大都位于建成區(qū)，河床縱比降較大，水流的沖刷能力較強(qiáng)，汛期洪水暴漲暴落。由于城市的開發(fā)與建設(shè)，下游約1.5 km河段(暗渠)被縮窄、填埋改道，過流能力嚴(yán)重不足，因此需對(duì)河道進(jìn)行改擴(kuò)建。本文以該段河道為研究對(duì)象，基于Hydrolab Basic和Mike11模型對(duì)治理后設(shè)計(jì)水面線進(jìn)行推求。

3.2 河道斷面

根據(jù)明渠不同類型護(hù)岸做法，擬定三種不同結(jié)構(gòu)的河道設(shè)計(jì)斷面形式：

(1)框式擋墻生態(tài)護(hù)岸斷面

該型設(shè)計(jì)斷面明渠段河道采用框式擋墻，河道斷面呈現(xiàn)不規(guī)則的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，見圖1(a)。

(2)梯形生態(tài)護(hù)岸斷面

該型設(shè)計(jì)斷面采用簡(jiǎn)化的梯形斷面，岸坡采用草皮護(hù)坡，見圖1(b)。

(a)①型生態(tài)護(hù)岸斷面形式

(3)直立式斷面

該型設(shè)計(jì)斷面采用簡(jiǎn)單的矩形斷面，河槽底寬與生態(tài)河道相同，河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)均為直立式擋墻。

3.3 邊界條件

城市河道由于流域面積小，比降大，而且河道兩岸通常均為建成區(qū)，匯流速度極快，徑流過程與降雨過程基本同步，洪水歷時(shí)較短，因此枯水期河道基本無水、汛期河道水位暴漲暴落，通常無可靠的水位流量數(shù)據(jù)。因此，上游流量邊界采用河口20 a一遇設(shè)計(jì)流量，下游水位邊界采用水力學(xué)曼寧公式法求得，推求得到直立斷面及②型生態(tài)護(hù)岸斷面對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期為20年的河口起推水位分別為55.84 m和55.19 m，①型生態(tài)護(hù)岸采用近似梯形斷面起推水位。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)河道軸線、斷面數(shù)據(jù)、邊界條件和初始條件等，采用Mike11水動(dòng)力模型和Hydrolab Basic軟件兩種計(jì)算方法對(duì)三種斷面分別進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見圖2～圖4。

(a)①型生態(tài)護(hù)岸斷面水位結(jié)果

(a)②型生態(tài)護(hù)岸斷面水位結(jié)果

(a)直立式斷面水位結(jié)果

從圖2(b)、圖3(b)、圖4(b)可知，Hydrolab Basic和Mike11模型斷面平均流速、水面線變化趨勢(shì)總體均基本相同，同時(shí)呈現(xiàn)河道坡降越大，流速越高的規(guī)律，符合水力學(xué)一般規(guī)律，表明兩種計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果基本合理可靠。

從圖2(a)、圖3(a)、圖4(a)可知，對(duì)比Hydrolab Basic和Mike11模型兩種方法三種不同類型的護(hù)岸結(jié)構(gòu)各個(gè)斷面的水位模擬結(jié)果顯示Hydrolab Basic軟件相較于Mike11模型計(jì)算結(jié)果偏為保守，相同的起推水位下，其余斷面水位普遍高于Mike11模擬水位。

從兩種計(jì)算方法的水位差方面分析，差值最大處為河道縱坡從急變緩再變急處，這是因河道底坡變化劇烈，兩種計(jì)算方法對(duì)此條件下水位計(jì)算策略不同導(dǎo)致，從三種不同類型斷面計(jì)算結(jié)果分析，該規(guī)律具有普遍性。

從圖5(a)、圖5(b)可知，從梯形生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)斷面和框式擋墻生態(tài)護(hù)岸模擬結(jié)果對(duì)比分析可知，在可過水?dāng)嗝婊疽恢碌那闆r下，梯形斷面洪水位普遍低于框式擋墻，這是由于框式擋墻不規(guī)則岸坡對(duì)洪水波向下游傳播造成一定的阻礙，同樣設(shè)計(jì)流量下流速較小，但總體而言其水位雍高最大值僅為0.19 m，影響有限。

(a)兩種生態(tài)護(hù)岸水位結(jié)果

4 結(jié)論

本文基于Mike11模型和Hydrolab Basic軟件對(duì)不同斷面形式城市建成區(qū)河道水面線進(jìn)行仿真模擬，對(duì)比分析不同模型計(jì)算結(jié)果合理性及其存在的差異性，結(jié)論如下：

(1)Mike11模型和Hydrolab Basic軟件計(jì)算結(jié)果差異不大，但Mike11模型計(jì)算水面線偏低，Hydrolab Basic則較為保守。

(2)對(duì)于不規(guī)則生態(tài)護(hù)岸形式河道水面線計(jì)算，由于Mike11模型的非恒定假定，更符合實(shí)際河道水流流態(tài)，其計(jì)算結(jié)果更為合理。

(3)同傳統(tǒng)梯形生態(tài)斷面相比，采用框式擋墻等新型護(hù)岸技術(shù)河道在具備近似防洪能力條件下對(duì)占地相對(duì)較少，景觀條件較好，更適用位于建成區(qū)的城市河道。