MIKE21 模型在涉河工程洪水影響評價中的應用

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(廣州珠江水資源保護科技發展有限公司，廣東 廣州 510630)

0 引言

洪水影響分析的方法有水文分析法、水力學方法和實際水災法[1-2]。在水力學方法中，洪水影響分析有一維和二維模擬方法，而河道的水文成果、水文情勢通常采用此方法。涉河工程增大了部分水流的阻力，使河道的流域面積增大，對行洪產生阻水影響?；诖?，模擬清遠大道橋涵建設引起水文情勢變化，可對所在河道排水、河勢穩定、堤防護岸及其它水利工程與設施的影響提供參數依據。

1 工程概況

清遠大道工程，路線長約6.55 km。道路等級為城市主干路兼一級公路，道路紅線寬度70 m，機動車道數8 道，設計速度60 km/h，機動車道橫坡值-2%。工程路線跨(穿)越的水體包括龍瀝排渠、新開河、中心水道、青欖海、迎咀灌圳等13條河涌。沿線設置涉水的橋梁構造物類型主要有:跨河橋梁4座、跨涌涵洞10 座(6 座箱涵，4 座管涵)。涉河工程分布見圖1。

圖1 涉河工程地理位置示意圖

2 數學模型的建立

平面二維水動力數學模型可以較直觀地反映工程前后工程附近及上下游的水流變化情況，有助于分析判斷工程前后水動力條件的改變、河道沖淤變化及對河堤的影響。

2.1 基本方程

MIKE21 水動力模型的控制方程為基于Boussinesq 假定和流體靜壓假定的二維不可壓雷諾平均N-S 方程，即淺水方程?？刂品匠探M采用平面二維非恒定流方程組，見式(1)～式(3)。

式中:x、y和t分別為空間、時間坐標;h為水深;U、V分別為x、y方向流速;z為水位;g為重力加速;u、v分別為垂線平均流速在x、y方向的分量;c為謝才系數;Vt為紊動粘性系數;n為曼寧糙率系數。

2.2 定解條件

初始條件:初始流速取零值，即u(x，y，0)=V(x，y，0)=0。

入流、出流邊界:上游進口斷面采用20 年一遇流量;下游出口斷面采用20 年一遇設計洪水位。

固壁邊界:采用不可入條件和無滑移條件。

2.3 研究范圍及網格布置

擬將主要水系整體進行模擬研究。模擬區域的離散采用三角形網格。橋位處網格較密，尺寸最小為10 m3，其余區域網格較疏，模型節點數和網格數分別為8370 和14243。二維模型計算范圍及網格布置見圖2、圖3。

圖2 模型計算范圍圖

圖3 模型計算網格圖

2.4 橋墩的概化

基于數學模型，合理的概化項目區能夠起到至關重要的作用，也能精準有效地反映實際的河段水流情況。網格單元的大小可精準反映橋墩尺寸，對橋位處的網格進行加密，并同時對其進行固化處理。對于局部被橋墩占用的網格，則通過調整綜合糙率來處理。綜合考慮項目所在河道的實際情況，糙率采用n=0.032。

2.5 計算工況

計算時考慮設計洪水位下工程前、工程后2 種情況:

K0+807.797 中橋、K3+197.571 中橋、K5+527.632 中橋建設前后，新開河、中心水道、青欖海河道在20 年一遇設計洪水下的情況。

3 計算分析

3.1 橋梁壅水分析

二維計算考慮P=5%洪水條件下工程建設對流態、河勢等的影響。K0+807.797 中橋、K3+197.571 中橋、K5+527.632中橋建設后，受過流面積減小、局部阻力增大的影響，項目上游水位均有所壅高。根據二維數學模型，壅水計算結果統計見表1。

表1 二維模型斷面水位壅高成果表

從計算結果看，K0+807.797 中橋建成后，在洪水(P=5%)條件下，項目建設引起的新開河斷面水位壅高最大值為0.005 m。K3+197.571 中橋建成后，在洪水(P=5%)條件下，項目建設引起的中心水道斷面水位壅高最大值為0.018 m。K5+527.632 中橋建成后，在洪水(P=5%)條件下，項目建設引起的青欖海斷面水位壅高最大值為0.020 m。

K0+807.797 中橋橋梁建設引起新開河水位壅高最大值位于項目上游50 m 左右，隨距橋位距離向上游逐漸緩慢降落，至上游150 m 左右恢復正常;橋位下游水位稍有跌落，但很快恢復正常。K3+197.571 中橋橋梁建設引起中心水道水位壅高最大值位于項目上游30 m 左右，隨距橋位距離向上游逐漸緩慢降落，至上游50 m 左右恢復正常;橋位下游水位稍有跌落，但很快恢復正常。

K5+527.632 中橋橋梁建設引起青欖海水位壅高最大值位于項目上游80 m 左右，隨距橋位距離向上游逐漸緩慢降落，至上游200 m 左右恢復正常;橋位下游水位稍有跌落，但很快恢復正常?？傊?，工程建設前后水位變化值隨與擬建項目距離增大而逐漸減小。

3.2 流速、流態變化分析

3.2.1橋位及其附近河道流速、流態變化分析

工程前后流速、流態變化采用平面二維數學模型進行計算分析，二維模型可以較為細致地計算工程所在河段局部的流速和流場形態變化。

(1)新開河流態變化趨勢

由圖4～圖5 可知，因工程項目占用了河道，部分河道無水流，水域流場形態沒有顯著變化。但工程項目區、上游和下游附近的部分水域流場形態有變化，而項目竣工后，水域流場形態的變化主要集中在上游、下游和橋位附近，流場變化自橋位向上游、下游呈遞減趨勢，但對下游附近的水域流態有明顯的影響。

圖4 工程前新開河流場及流速分布圖

圖5 工程后新開河流場及流速分布圖

(2)中心水道流態變化趨勢

由圖6～圖7 可知，因工程項目占用了河道，部分中心河道無水流，水域流場形態沒有顯著變化。但工程項目區、上游和下游附近的部分水域流場形態有變化，而項目竣工后，中心水域流場形態的變化主要集中在上游、下游和橋位附近，流場變化自橋位向上游、下游呈遞減趨勢，但對下游附近的水域流態有明顯的影響。

圖6 工程前中心水道流場及流速分布圖

圖7 工程后中心水道流場及流速分布圖

(3)青欖海流態變化趨勢

由圖8～圖9 可知，因工程項目占用了河道，部分青欖海河道無水流，水域流場形態沒有顯著變化。但工程項目區、上游和下游附近的部分水域流場形態有變化，而項目竣工后，青欖海水域流場形態的變化主要集中在上游、下游和橋位附近，流場變化自橋位向上游、下游呈遞減趨勢，但對下游附近的水域流態有明顯的影響。

圖8 工程前青欖海流場及流速分布圖

圖9 工程后青欖海流場及流速分布圖

3.2.2施工期防洪影響

擬建項目涉水施工，從防洪最不利角度考慮，施工期洪水取20 年一遇(P=5%)設計洪水進行施工期防洪影響分析。施工期項目阻水主要來自于橋墩、施工便橋、圍堰及施工平臺等。

(1)K0+592.746 中橋防洪影響分析

擬建K0+592.746 中橋施工時可利用現狀過路河道進行排水，待橋梁施工完畢，開挖橋下過路河道，將原河道貫通后，對現狀河道進行回填。由于該橋施工為干地施工，故施工期基本不影響防洪安全。

(2)K0+807.797 中橋防洪影響分析

在新開河20 年一遇洪水條件下，計算得本橋施工期最大壅水高度0.02 m，壅水長度300 m。計算得橋位河段工程前流速為0.14 m/s，本橋施工期流速增加0.38 m/s。該橋施工前后流場及流速分布見圖10～圖11。

圖10 施工前新開河流場及流速分布圖

圖11 施工期新開河流場及流速分布圖

(3)K3+197.571 中橋防洪影響分析

擬建K3+197.571 中橋所在中心水道尚未開挖建設，橋位處仍為陸地，施工期不影響防洪安全。

(4)K5+527.632 中橋施工期防洪影響

在青欖海20 年一遇洪水條件下，計算得本橋運行期最大壅水高度0.025 m，壅水長度250 m。計算得橋位河段工程前流速為0.28 m/s，本橋施工期流速增加0.16 m/s。該橋施工前后流場及流速分布見圖12～圖13。

圖12 施工前青欖海流場及流速分布圖

圖13 施工期青欖海流場及流速分布圖

總體來看，橋梁施工期水位、流速、流態變化較同頻率洪水下運行期大，大橋橋墩、棧橋墩及施工圍堰、平臺周圍流速、流態變化較大，局部流速增加，最大增加0.38 m/s。因此，橋梁涉河橋墩應主要安排在枯水期施工，施工時密切注意兩岸岸坡穩定;當施工期發生洪水時，施工棧橋，施工圍堰及平臺受水流沖擊力較大，應做好應急防護措施;汛期施工應編制防洪應急預案，并報水務主管部門備案，確保施工期防洪安全;施工結束后應及時徹底清理河道，拆除臨時施工設施，以免妨礙行洪。

4 結論

MIKE21 計算成果經與實際水文觀測對比，結果較為吻和，符合模型計算的精度要求，因此對涉河建筑物附近流場水域變化的模擬是可信的。通過水文情勢參數的分析，可為下一步第三方洪水影響評價提供支撐，也可為河道治理和防洪調度提供決策依據。