王珍，黃廣靈，劉瓊

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 51063）

隨著城市的快速發(fā)展，城市生態(tài)系統(tǒng)日益惡化，從景觀空間被壓縮到河水污染與河流空間的低迷，再到越來(lái)越不能承受的空氣污染，無(wú)一不顯示城市生態(tài)環(huán)境的脆弱。伴隨生態(tài)城市、園林城市運(yùn)動(dòng)的興起，越來(lái)越多的城市開(kāi)始加入到這一行列。本研究區(qū)域景觀改造工程位于佛山市禪城區(qū)西部，潭州水道季華大橋上下游側(cè)，是佛山市城市三年提升行動(dòng)計(jì)劃的重要項(xiàng)目之一，擬通過(guò)對(duì)季華大橋上下游側(cè)河灘地景觀改造，給廣大民眾提供一個(gè)良好的濱水和親水環(huán)境，打造亮麗的城市風(fēng)景線?；诖耍疚囊苑鹕绞卸U城區(qū)季華大橋上、下游河岸景觀改造工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“景觀改造工程”）為例，對(duì)景觀工程前后的行洪水位、流速、流量等水動(dòng)力因素進(jìn)行了計(jì)算和分析，研究景觀改造工程對(duì)防洪系統(tǒng)的影響。

1 擬建項(xiàng)目概況

景觀改造工程擬對(duì)東平水道（潭州水道）季華大橋上游約1400m，下游約2500m，河道南岸約330000m2，北岸約328000 m2的河灘進(jìn)行景觀改造和提升，項(xiàng)目的起始坐標(biāo)為 x =2546775.75，y=503397.20； 終 點(diǎn)坐標(biāo) x=2545039.72, y =506167.64 。具體位置如下圖1所示。擬建工程所在的左岸為佛山大堤，工程段的堤頂高程為9.4m～9.8m；右岸為羅格圍，工程段的堤頂高程8.5m～9.6m，兩岸堤防間河寬約300～500m，季華大橋上、下游左、右岸堤外均有較大面積的灘地，其上游左、右岸堤外灘地寬約120～180m，下游河道左、右岸堤外灘地寬約50～180m，高程1.2m～7.9m不等，并且均已達(dá)五十年一遇標(biāo)準(zhǔn)。目前主要的改造項(xiàng)目是：在不影響行洪、大堤安全以及不改變?cè)匦蔚那疤嵯路N植一小部分喬木、灌木、水生植物以及園路的鋪裝等。以上施工面積約占總規(guī)劃實(shí)施面積的31.5%。

圖1 工程所在位置

2 工程河段平面二維數(shù)學(xué)模型

采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自主研發(fā)二維水動(dòng)力模型開(kāi)展數(shù)值模擬研究[1]，該模型進(jìn)入國(guó)家防辦“全國(guó)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖軟件推薦名錄”，在水利部國(guó)科司組織的結(jié)果鑒定中達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，在全國(guó)重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)了20余項(xiàng)實(shí)踐項(xiàng)目的檢驗(yàn)，適應(yīng)于工程前后工程局部河段的水位、流場(chǎng)及其變化的計(jì)算和分析[2-3]。

2.1 控制方程

模型采用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)下的淺水控制方程：

式中：t是時(shí)間；d為靜止水深；u，v，w分別為流速在x，y，z向上的分量；S為源匯項(xiàng)；g為重力加速度。

模型采用基于有限體積法的Godunov格式對(duì)上述淺水方程組進(jìn)行非結(jié)構(gòu)離散求解[4]。由于采用直接模擬法加密網(wǎng)格，能精確描述新建工程的邊界并修正其實(shí)際網(wǎng)格高程，所得流場(chǎng)較為真實(shí)可靠。為此，本文采用的是直接模擬法，并采用三角形無(wú)結(jié)構(gòu)加密網(wǎng)格。

2.2 模型地形資料及網(wǎng)格劃分

計(jì)算范圍上自潭州水道上游紫洞口，模型范圍下邊界設(shè)在潭州水道與吉利涌交界處以上約500m處，下邊界距瀾石大橋約1.1km。模型還在佛山水道分流口（沙口水閘）設(shè)有一個(gè)內(nèi)邊界。模型模擬河道長(zhǎng)度約14km。模型模擬河道地形采用的是廣東省航道勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司2004年測(cè)量的1∶5000河道地形圖，工程局部地區(qū)采用2013年實(shí)測(cè)地形資料進(jìn)行插補(bǔ)。

圖2 二維局部計(jì)算網(wǎng)格圖

模型節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為35629，三角形網(wǎng)格總數(shù)為69240個(gè)。模型區(qū)域中，遠(yuǎn)離工程的最大網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)最大約為30m，面積不超過(guò)400m2，對(duì)擬建工程上、下游各300m范圍內(nèi)的計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，工程附近最大網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)約6m，面積不超過(guò)20m2。計(jì)算網(wǎng)格具體細(xì)節(jié)如圖2所示。平面二維數(shù)學(xué)模型最大時(shí)間步長(zhǎng)取30s，最小時(shí)間步長(zhǎng)為0.01s，臨界克朗數(shù)為0.8，干濕邊界設(shè)為0.1mm[1-2]。

2.3 計(jì)算邊界

計(jì)算采用的洪水頻率為P=1%、P=2%、P=5%、P=10%的水文組合[5]。其上邊界采用流量，下邊界采用水位，上下邊界各水文組合的邊界具體如表1所示。模型內(nèi)在內(nèi)邊界（沙口水閘）設(shè)定300m3/s的恒定下泄流量。

表1 平面二維模型計(jì)算邊界

3 二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

3.1 壅水結(jié)果分析

景觀工程改造后，由于各部分挖深和墊高不同，水位變化不一，自季華大橋上游130m至季華大橋下游140m，主河槽水位有所壅高，水位壅高幅度在0.001m～0.002m之間（P=1%），0.002m水位差包絡(luò)線在季華大橋上、下游30m范圍內(nèi)；從工程所在河段上游至季華大橋下游350m的右岸灘地上，工程后水位的壅高和下跌相間分布，水位壅高值在0.002m～0.01m（P=1%）之間，水位的下降值在0.001m～0.005m（P=1%）之間。工程所在河段上游至季華大橋下游的左岸灘地上，水位變化以水位降低為主，局部穿插水位壅高區(qū)，且水位壅高幅度在0.001m～0.002m，水位降低幅度在0.001m～0.005m。具體水位如圖3所示。

圖3 工程河道P=1%水位線圖

從模型采樣點(diǎn)的水位變化來(lái)看，P=1%、2%、5%和10%時(shí)，工程完成后最大壅水值分別為0.019m、0.018m、0.015 m和0.014m，最大壅水位置為潭州大橋下游530m的河道左岸灘地疊級(jí)花池二級(jí)花池所在位置。工程后水位下降最大幅度分別為0.007m、0.007m、0.007 m和0.007m，位于季華大橋上游420m的河道右岸旱溪（卵石灘）所在位置。

表2 二維模型采樣點(diǎn)水位、流速變化統(tǒng)計(jì)

根據(jù)二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，景觀改造工程完成后，在各級(jí)洪水頻率下，河道沿程最大水位壅高僅0.019m，較大的水位壅高區(qū)域出現(xiàn)在河道左岸灘地上疊級(jí)花池的二級(jí)花池所在的區(qū)域，水位壅高0.01m的包絡(luò)線范圍為不超過(guò)30m。河道主槽的水位壅高值僅在0.002m左右，范圍在季華大橋上、下游30m內(nèi)。兩岸堤防附近，水位有升有降，但總體變化不大，局部位置水位壅高不超過(guò)0.003m。

3.2 沖淤變化影響分析

工程完成后，工程所在河道主槽的流速有所減小，流速減小的幅度在0.01m/s（p=1%）左右；流速減小較大區(qū)域位于潭州大橋下游530m處的左岸疊級(jí)花池的二級(jí)花池所在區(qū)域，其中流速減小最大值在0.25 m/s左右，但其分布范圍較小，以流速減小最值為中心的30m范圍。季華大橋上游河道右岸還存在幾個(gè)流速減小區(qū)，均是位于景觀改造工程完成后的旱溪（卵石灘）區(qū)域，以上區(qū)域的流速的減小將有可能引起局部區(qū)域的淤積，特別是流速減小較大的灘地，可能引起景觀區(qū)域的淤積，需在洪水過(guò)后做好清淤工作。

景觀改造工程完成后，河道流速增大區(qū)主要位于灘地內(nèi)，潭洲大橋以上河段，流速增大區(qū)主要位于河道右岸，而潭洲大橋以下河段則主要位于河道左岸。工程完成后引起的河灘流速增大值在0.01m/s～ 0.10m/s（p=1%）之間，局部區(qū)域流速增加較大（流速最大增加值可達(dá)0.17m/s左右（P=1%）），位于季華大橋下游50m河道右岸花樹(shù)甬道所在區(qū)域及疊級(jí)花池二級(jí)花池上游位置。流速的增加可能會(huì)引起河灘的沖刷。具體的流場(chǎng)圖如圖4所示。

圖4 工程河道P=1%流場(chǎng)變化圖

綜上，工程完成后，季華大橋上游河道主槽流速有所減小，但減小幅度不大，應(yīng)不致引起河道較大淤積；工程后河灘的流速有增有減，雖然局部區(qū)域流速有一定的變化幅度，但總體而言，流速的變化應(yīng)不致引起灘地的較大沖刷和淤積，但局部流速增加區(qū)域應(yīng)該做好相應(yīng)的保護(hù)措施。

由上述分析可知，由于流速總體變化幅度不大，因此對(duì)河道的整體河勢(shì)影響不大，不會(huì)改變工程所在的潭洲水道的整體灘槽分布格局。

3.3 河道分流比變化分析

從表3中可以看出，工程前后潭洲水道上游分汊口流量變化的絕對(duì)值及變化率均較小，因此，工程建設(shè)對(duì)相鄰河道的分流比影響較小。

表3 紫洞口不同水文組合下工程前后分流比變化

3.4 防洪綜合評(píng)價(jià)

工程后相應(yīng)研究表明：斷面阻水比與工程前接近并略有增大，位于季華大橋上、下游30m范圍內(nèi)，工程造成河道主槽的最大水位壅高不超過(guò)0.002m，可見(jiàn)工程建設(shè)對(duì)主河槽水位影響較小；兩岸堤防附近，水位最大壅高不超過(guò)0.003m，不會(huì)對(duì)堤防的防洪水位造成較大不利影響。因此，工程建設(shè)不會(huì)影響河道行洪安全。由于工程不設(shè)防洪標(biāo)準(zhǔn)，允許被淹，因此，應(yīng)制定防洪應(yīng)急預(yù)案，密切關(guān)注氣象、水文情況，在洪水到來(lái)之前，疏散人群，采取避險(xiǎn)措施，保證人員安全及河道安全度汛。根據(jù)施工進(jìn)度安排，本工程施工期安排在枯水期（11月至次年1月）進(jìn)行，施工期也應(yīng)編制防洪應(yīng)急預(yù)案，在洪水漫灘前應(yīng)及時(shí)撤離施工人員及施工機(jī)械，保證河道安全度汛。

而根據(jù)二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，景觀改造工程完成后，在各級(jí)洪水頻率下，潭州水道水位壅高值不大，故擬建工程對(duì)潭州水道的防洪水位影響不大，應(yīng)不致對(duì)潭州水道及其周邊相鄰水道的行洪安全造成明顯的不利影響。且根據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案，工程建設(shè)對(duì)灘地的樹(shù)木進(jìn)行有規(guī)劃的保留或砍伐，以及對(duì)菜地的改造等，是對(duì)灘地內(nèi)小的河障的清理，是對(duì)行洪有利的。

禪城區(qū)現(xiàn)狀排澇標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)20年一遇24小時(shí)最大暴雨1天排干不致災(zāi)，工程附近水閘及排澇站眾多，經(jīng)分析計(jì)算，沙口水閘、小布竇水閘、豐年水閘處的水位變化值分別為0m、-0.001m和0m；流速變化值分別為-0.01m/s、-0.01m/s和0m/s。可知，擬建工程實(shí)施后，三座水閘附近水域水位及流速受景觀改造工程的影響較小，因此，本工程建設(shè)基本不會(huì)對(duì)小布竇水閘、豐年水閘和蓮塘水閘的正常運(yùn)行造成影響。

4 結(jié)論

本文基于平面二維河道水流模型對(duì)擬建的季華大橋上下游兩岸的景觀工程的前后進(jìn)行了二維水動(dòng)力的數(shù)值模擬，通過(guò)模擬的結(jié)果表明擬建工程前后的壅水、沖於演變、分流比變化等都相對(duì)比較小，其中，主河槽最大的水位壅高不超過(guò)0.002m，兩岸堤防附近水位最大壅高不超過(guò)0.003m，不會(huì)對(duì)擬建后的河道行洪安全造成明顯不利影響。另外，工程后，附近河道岔口分流比的變化在-0.20%～0.61%之間，并且工程后河道主槽因流速減小的幅值在0.01m/s左右，灘地流速變化幅值均在0.1m/s左右，由此可見(jiàn)，擬建工程后不會(huì)對(duì)河道的整體流態(tài)產(chǎn)生影響。