基于水動力模型的南昌高鐵東站規劃水系設計洪水計算

劉穎婧，王為群，趙 剛

(上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司，上海 200125)

南昌高鐵東站區域東臨撫河故道，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，區域內河湖溝渠交錯。該區域屬洪澇災害威脅嚴重區，也是水利基礎設施應該密集實施的區域。但是該區域現狀工程水系較為散亂，且規模偏小。

在全球氣候變暖及城市化進程加快的大背景下，城市水循環過程改變，導致極端降水事件增多[1]，“城市看海”現象時常發生，城市化改變了地表天然的產匯流條件，下墊面的硬化減小了下滲[2- 3]，天然調蓄水體銳減，地表產流量加大，匯流速度加快，當短歷時強降雨和城市化影響疊加，形成脈沖式暴雨洪水，致災速度極快。

南昌東站作為未來南昌的城市核心區域，區位重要，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模亟待提升。規劃擬對現有河道清淤、拓浚、延伸，并開挖新建河道。

傳統的設計洪水計算方法難以精確模擬[4]，采用數值模擬軟件進行分析研究很有必要，在我國應用較廣泛的有Mike系列、Delft 3D、HEC-RAS等[5]，前人學者基于上述軟件在設計洪水的計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軟件進行分析研究。

工程區域規劃內澇防治標準為50年一遇，即要求工程區域在50年一遇的暴雨工況下不會發生內澇。該地區結合過往的工程設計經驗對區域內河網水系的規劃渠底高程、最高水位、河道斷面等水利要素進行了規劃設計，但是對于規劃河網水系在50年一遇暴雨發生時的是否能保證安全尚不清楚，故需通過數學模型來模擬和預演50年一遇暴雨工況下工程區域河網水系的水位及水動力情況，并通過對模型結果的分析研究，對現有規劃設計要素進行一定的調整，為開展本工程水利相關設計工作中確定一些關鍵參數提供一定的參考和依據。

1 水動力模型的建立

1.1 模型原理

Delft3D Flexible Mesh模型對淺水適應性高[12]，其Flow模塊采用非結構網格，該模塊主要是在淺水假設(垂向加速度遠小于重力加速度，模擬區域的垂向水深尺度遠小于水平長度尺度)、Boussinesq近似假設(密度的變化僅在水平壓力梯度項中考慮)、不可壓縮流體假設以及紊動的雷諾平均假設下求解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法進行離散求解。

1.1.1連續性方程

(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、蒸發及水流流入流出引起的水量變化值，排水、引水、蒸發或者降水等引起的水量變化。

(2)

式中，qin、qout—每體積單元的當地源項和匯項；P—降雨的非當地源項；E—蒸發的非當地匯項。標注的吸入量，例如取水口取水被視作一個匯項。在自由表面，降雨是一個源項，蒸發是一個匯項。

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

1.1.2動量方程

水平x方向：

(3)

水平y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，1/s，取決于地理緯度和地球自轉的角速度，北半球公式為f=2Ωsinφ，φ—地球緯度，Ω—地球自轉的角速度；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方向的紊動動量通量，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限制到動量方程當中，將額外的能量損失參數化，該項為含有收縮系數或排放系數的摩擦項形式。

1.2 建模范圍

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

對工程區域水系情況進行分析后，確定模型入流及出流邊界位置如圖1所示。入流邊界2個，分別為西側總干渠入口、西側聯通渠入口；出流邊界6個，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，由于總干渠、四干渠、六干渠上述3條規劃河道為灌溉渠，屬于工程區域內的高水系統，為保護兩岸農田并不承擔行洪功能，不允許水體溢出堤頂，故上述3條河的網格范圍為河道兩岸陸域控制線范圍內。

而對于東側的天祥河、謝埠河、昌東三路渠等，這些河道結合海綿城市相關設計理念屬于工程范圍內的景觀低水系統，在豐水期由于暴雨導致河道水位高漲時允許河道中的水體溢出河道堤頂，即河岸兩側的綠廊系統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。

1.3 模型網格

由于本工程區域范圍內規劃水系河網發達、河道曲折蜿蜒，水系形態復雜，故本研究中網格形態選擇采用非結構網格即三角網格，具體方法為運用SMS 9.0軟件進行網格剖分，以期使模型能夠更好的貼合實際岸線并復演工程區域水系的實際情況。

模型網格細部如圖2所示，網格間距5～10m，網格數25335個。以正交性系數<0.02為標準，對打好的網格進行正交性檢驗，對局部不滿足要求處進行調整，以保證模型運算的準確性。

圖2 模型網格細部圖

1.4 模型地形構造

地形插值也是構建水動力模型一個十分重要的前處理步驟，地形插值的精細程度和準確性將直接影響模擬的效果。本研究中工程地塊的河網水系規劃河道地形根據水工結構專業設計的規劃河道斷面高程方案進行細致構造。模型河網水系插值地形如圖3所示。

圖3 模型河網水系插值地形

對于工程范圍內的景觀低水系統規劃河道，暴雨時可由綠廊容納河道溢出水體，為準確模擬和反映暴雨條件下上述河道的水位變化情況，故在本模型中對上述3條河道的地形塑造十分精細，綠廊寬度近似取兩岸各20m；而工程范圍內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設置

本模型為二維數學模型，考慮垂向平均，采用大地坐標，85高程，投影系為北京54坐標系。模型投影中央經度：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(曼寧系數表示)根據過往相關工程項目經驗設為0.023。

(3)計算步長

計算時間步長：30s，結果輸出時間步長：1h。

(3)泵站規模

工程區域板溪湖出口處現狀設有電排站1座，排澇能力為2.2m3/s。

2 50年一遇設計暴雨工況

根據住建部下發的《城市排水(雨水)防澇綜合規劃編制大綱》，通過采取綜合措施，省會城市中心城區能有效應對不低于50年一遇的暴雨。

由于南昌市為江西省會城市，高鐵東站日后將成為其大力發展的重點區域，結合南昌市城市防洪治澇規劃，故將南昌高鐵東站區域的治澇標準確定為50年一遇一日暴雨不淹重要建筑物。

工程區域50年一遇的設計暴雨24h時間序列實測數據如圖4所示，發生時段為2019年7月14日8：00至7月15日8：00。

圖4 工程區域50年一遇24h降雨量實測數據時間序列圖

結合針對該區域所做的雨水管網模型相關成果，將設計暴雨實測數據轉化為區域內各雨水排口匯入河道的雨水流量，將降雨對研究區域內河道的影響以點源的方式添加到水動力模型中加以考慮和反映，如圖5所示。

圖5 工程區域雨水管網排河口點源位置圖

3 模型計算結果與分析

為定量反映50年一遇設計暴雨工況下工程區域河網水系的情況，設置若干觀測點及觀測斷面，布設位置如圖6所示。

圖6 模型觀測點位置示意圖

3.1 低水系統水位計算結果與分析：

根據上位規劃，高水系統各灌溉渠不承擔排澇任務，雨水管網在灌溉渠不設入河排放口，故先分析低水系統各規劃河道在現狀泵站排澇規模下遭遇50年一遇設計暴雨時的水位變化情況，如圖7所示。

由圖7可知，工程區域低水系統的各規劃河道內的水位峰值均出現在14日的21：00至22：30之間，而暴雨的峰值出現在20：00，說明暴雨對河道的水位雍高作用存在一定的滯后效應。

圖7 觀測點設計洪水過程線模型結果

根據模型結果，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在7月14日22：00；板溪湖的水位峰值約為17.49m，出現在7月14日22：30，比天祥河與謝埠河水位峰值出現時間晚0.5h，這也說明相對下游比上游峰值出現的時間要晚，相對下游區域不斷承接上游來水，其水位峰值出現時間將進一步滯后。

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在7月14日22：30。這主要是由于豐水期高水系統與低水系統之間的閘門關閉，水鏡湖與昌東三路渠未從西側高水系統承接水體，僅承接東側低水系統水體，而在這種情況下水鏡湖與昌東三路渠在東側局部水系中部，上下游均受水體頂托，水位較難短時間內下降。

經過24h排澇后，低水系統各規劃河道測點水位見表3。

表3 規劃河道排澇24h后水位情況

由表3可知，在現狀排澇泵站規模下，排澇24h后板溪湖內水位為17.15m，仍高于上位規劃最高水位，謝埠河下游水位為17.16m，也仍高于上位規劃最高水位；泵站工作時長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，故現狀排澇泵站規模不能滿足50年一遇設計暴雨工況要求，需對現狀排澇泵站進行提標改造。

3.2 高水系統水位計算結果與分析：

工程區域內各高水系統規劃河道不承擔排澇功能，雨水管網不向高水系統各灌溉渠排放雨水，且排澇泵站位于工程區域東南角低水系統內，50年一遇暴雨工況下高水系統與低水系統之間閘門關閉，因此工程區域內各高水系統規劃河道內的水位情況與泵站排澇設計規模無關，不受其影響。

對高水系統內各規劃河道在50年一遇暴雨工況下的水位數值模擬結果進行整理分析，見表4。

由表4可知，在50年一遇設計暴雨工況下，工程區域內各高水系統規劃河道的水位模擬結果均較上位規劃最高水位有15～40cm左右的提高，說明在50年一遇暴雨情況下，高水系統各規劃河道內的水位雍高現象十分嚴重，其中，總干渠河道的水位值高于水工結構設計方案中總干渠的設計堤頂高程，見表5，對河道的防洪安全存在不利影響，需對目前規劃河道堤頂高程設計方案進行提標優化。

表4 50年一遇設計暴雨工況下高水系統各規劃河道最高水位情況表

表5 50年一遇設計暴雨工況下高水系統各規劃河道最高水位與設計堤頂高程對比表

4 結論

本文建立了區域河網水系的二維水動力模型，計算預演并研究該區域在50年一遇的設計暴雨條件下的洪水演進過程及特征點最高水位，主要結論如下：

(1)經水動力數值模擬分析研究，對于工程區域低水系統規劃河道天祥河、謝埠河、昌東三路渠、板溪湖、水鏡湖，在降雨峰值時段上述河道水位由于河道雍水作用會超過規劃最高水位，在現狀排澇泵站規模(2.2m3/s)下，排澇24h后板溪湖、謝埠河等河道水位仍高于17m，故現狀排澇泵站規模不能滿足50年一遇設計暴雨工況要求，需對現狀排澇泵站進行提標改造。

(2)對于工程區域高水系統規劃河道總干渠、四干渠、六干渠在50年一遇設計暴雨工況下，工程區域內各高水系統規劃河道的水位模擬結果均較上位規劃最高水位有15～40cm左右的提高，說明在50年一遇暴雨情況下，高水系統各規劃河道內的水位雍高現象十分嚴重，其中，總干渠河道的水位值高于水工結構設計方案中總干渠的設計堤頂高程，對河道的防洪安全存在不利影響，建議提高規劃總干渠河道的設計堤頂高程。

上述水動力模型的建立與計算研究為南昌東站規劃河網中各條河道的河道整治工程建設提供關鍵參數的設計依據，也為后續類似工程的規劃設計工作起到了一定的參考作用。