基于MIKE11 的截流河沿河休闲带景观阻水分析

罗来辉

（深圳市原水有限公司,广东 深圳 518003）

城区内河流河道整治是在保障城市防洪、排涝、生态环境和水环境等安全的前提下,对提升市区总体形象、改善人们居住环境、促进经济发展等方面同样具有重要作用。河道当以防洪排涝优先,对设计标准洪水进行科学计算,是保障城市防洪安全和工程运行期安全的重要前提[1]。跨河桥梁建设一般需在河道行洪断面内设置多排桥墩,占用河道行洪空间,产生壅水影响。沿河景观通常采用在河道内建设驳岸,种植挺水植物,营造景观效果,占用河道行洪空间,降低河道防洪标准。本文以大空港片区截流河沿河景观带工程建设为例,通过MIKE11 水动力模型模拟分析研究河道内景观及建筑物阻水影响。

1 工程概况

本工程截流河位于深圳市茅洲河河口,穿越德丰围涌、石围涌、下涌等河涌,城区河道长度约8.5 km,河道宽度80 m～100 m,集雨面积33.56 km2。根据排涝需要,在沙福河和下涌间布置南北两条连通渠,其中南连通渠长度2.4 km,北连通渠长度2.1 km。

根据工程所在区域防洪排涝需求,在现有工程的基础上,提出了南北分区防治的原则。在北片区设置3 座水闸拦蓄外水,在河道北片区采用中节制闸和并在北出口和北连通渠出口新建节制闸的方式进行防治。与现状护岸形成封闭防洪（潮）体系,并对德丰围涌和二涌等5 条支流通过排涝泵站集中排出[2]。南片区在各河涌出口新建节制闸进行排洪防潮,与截流河、连通渠堤防护岸形成南片区封闭防洪（潮）体系,沙福河到玻璃围涌排涝以自排为主。根据挡潮及景观蓄水要求,在截流河南出口及南连通渠出口布置节制闸。节制闸运行方式为平时关闭北节制挡潮和拦蓄河水,控制内河水位。需要排洪且外潮低于排涝控制水位时开闸泄洪,外潮高于排涝控制水位时,通过节制闸和排涝泵站进行排涝。

截流河位于未来将成为大空港片区生态系统重要的组成部分,承担了截洪和防涝功能。为保证城区的防洪（潮）排涝安全,减少城市建设对河道水环境水生态的影响,实现可持续发展。截流河两岸沿河景观带工程设计最大限度地在流域内进行生态板块的整合,通过各种园路的串联,使截流河成为大空港片区南北向生态通廊,为满足截流河两岸商业地块的人行交通需求,在南连通渠以南,凤塘大道桥以北设计景观人行桥（北桥）；凤塘大道桥以南,景芳路桥以北设计景观人行桥（南桥）。

2 模型构建

2.1 计算方法

壅水分析计算采用DHI Mike 水动力模型进行模拟分析。一维水动力模块（MIKE 11）基于典型河道水流方程（圣维南方程组）的六点中心差分Abbot 解法,一般采用次集水区设计的流量过程和下游设计潮位作为模型的输入边界条件,计算得出沿河道方向的水位和流量。控制方程为一维不恒定流的基本方程：

MIKE 11 一维水动力模型在一维网格上水位计算点（h-point）的基础上,根据计算要求生成。流量计算点（Q-point）布置于在上下游两个水位点之间。求解方法是按照逐个时间步长交替计算网格中的流量和水位点。模型的数值解法应用的是中心6 点Abbott 隐式有限差分格式,该离散格式顺序交替计算不同时段每一个网格点的水位和流量,分别称为h 点和Q 点交叉网格点（交替水位点和流量点）。其中对有断面数据的点设置为水位点。单一河道Abbott 格式水位点、流量点交替布置图见图1（a）,河网汊点变量布置图见图1（b）,水流流量边界变量布置见图1（c）,Abbott 有限差分格式见图1（d）。离散后的线性方程组用追赶法求解。

图1 MIKE 11 模型原理图解

2.2 计算工况

（1）基于规划模型：根据规划文件,采用截流河南、北分排格局,在已建截流河北端出口排涝泵站基础上,于截流河南出口、北连通渠出口分别设置排涝泵站抽排,结合截流河本身的调蓄空间,共同提升区域内涝防治能力。北片区在北连通渠河口新建北连通渠泵站1 座,排涝流量90 m3/s,北片区泵站排涝规模增至207 m3/s。南片区在截流河南出口新建排涝泵站1 座,排涝流量180 m3/s～200 m3/s。

发生大潮时, 河口挡潮闸将关闭, 采用泵站抽排截流河封闭区域洪水, 水面线计算采用在开启河口泵站工况下,100 年一遇设计洪水进行计算。

（2）基于初设模型：采用北片区集中治涝方案,在截流河北段和二涌与沙福河河口间设置节制闸,在截流河北出口设置集中抽排泵站,使高低水位分离,排涝流量117 m3/s,北片区雨水在封闭区集中抽排。南片区来水通过截流河南段及南连通渠自排出。

发生大潮时,将河口挡潮闸关闭,北片区采用泵站抽排截流河封闭区域洪水。因此,本次北片区水面线计算采用50 年一遇设计洪水在开启河口泵站工况下的计算成果,南片区（截流河中节制闸至截流河南出口）为自排区,按河道的设计洪水标准设计,其防洪标准为100 年一遇。

由于原新建驳岸占河道行洪断面面积较大,结合现场河道情况,取消地块驳岸建设。在以上两种模型中进一步模拟已建涉河驳岸水面线。

（3）基于规划模型与已建涉河工程：发生大潮时,河口挡潮闸将关闭,仍采用泵站抽排截流河封闭区域洪水。结合已建工程平面分布情况来看,已建工程主要集中在截流河南段（截流河中节制闸至截流河南出口）,本次水面线计算采用100 年一遇设计洪水在开启河口泵站工况下的计算成果。

（4）基于初设模型与已建涉河工程：发生大潮时,河口挡潮闸将关闭,北片区采用泵站抽排截流河封闭区域洪水。结合已建工程平面分布情况来看,已建工程主要集中在截流河南段（截流河中节制闸至截流河南出口）,截留河南段为自排区,本次水面线计算围绕截流河南段展开,按河道的设计洪水标准设计,其防洪标准为100 年一遇。

2.3 水面线成果

通过模型计算,此次沿河休闲带景观及2 座人行天桥建设前后的水面线在基于规划模型中,截流河北段设计水位升高0.01 m～0.06 m,截流河南段设计水位最大升高0.1 m；在基于初设模型中,截流河北段设计水位升高0.01 m～0.05 m,截流河南段设计水位升高0.01 m～0.09 m,最大升高0.09 m。

结合已建涉河工程,在基于规划模型与已建涉河工程模型中,截流河南段设计水位最大升高0.06 m；在基于初设模型与已建涉河工程模型中,截流河南段设计水位升高0.01 m～0.07 m,最大升高0.07 m（见表1）。

表1 截流河南段水面线计算成果（基于规划模型与已建涉河工程）

北人行天桥基于规划模型情况下水面壅高了0.04 m；基于初设模型情况下水面壅高了0.05 m。南人行天桥基于规划模型情况下水面壅高了0.03 m；基于初设模型情况下水面壅高了0.06 m（见表2）。

表2 截流河南段水面线计算成果（基于初设模型与已建涉河工程）

3 分析

基于规划模型与已建涉河工程：新建驳岸所造成的壅水高度为0.01 m～0.06 m。从表可知,驳岸建成后,最高水位2.0 m,壅高后水位低于现状直立墙顶2.5 m 高程,所以无需补偿河道行洪面积。驳岸建成后,可控制水面线低于截流河堤顶高程,不降低河道防洪标准,不影响河道行洪安全[3]。

基于初设模型与已建涉河工程：新建驳岸所造成的壅水高度为0.03 m～0.07 m。从表可知,驳岸建成后,最高水位3.49 m。虽然新建驳岸造成壅水,可消化于河道行洪断面内,控制水面线低于截流河堤顶高程。故本工程建成后,不影响河道行洪能力。

河道中水流呈自然流态方式,桥梁等建筑物的修建,无疑将对河道水流产生一定影响,根据防洪设计的要求,需计算桥墩建成后产生的壅水高度,以推算工程阻水引起水位壅高变化,研究是否采取相应的补救措施。

本工程范围内新建人行天桥2 座,占用河道行洪断面。北人行天桥,有两排桥墩落在河道内；南人行天桥,有两排桥墩落在河道内。

受北人行天桥桥柱的影响,基于规划模型情况下水面壅高了0.04 m,桥梁阻水比为2.14%；基于初设模型情况下水面壅高了0.05 m,桥梁阻水比为1.98%,两种工况情况下阻水比均小于5%。由于水面壅高很小,桥梁建成后,不降低河道防洪标准,不影响河道行洪安全。

受南人行天桥桥柱的影响,基于规划模型情况下水面壅高了0.03 m,桥梁阻水比为2.18%；基于初设模型情况下水面壅高了0.06 m,桥梁阻水比为2.04%,两种工况情况下阻水比均小于5%。由于水面壅高很小,桥梁建成后,不降低河道防洪标准,不影响河道行洪安全。

由于河道综合整治工程已完成,受河道边界条件限制,河道内挡墙建成无法进一步拓宽行洪断面,如果采用拆除直立墙拓宽河道的措施补偿行洪面积,达到避免水位壅高的目的,需要增加投资较多和延长施工工期。基于实际情况,本次工程壅高水面线基于规划模型低于河道挡墙2.5 m 高程,基于初设模型低于河道堤岸4.84 m 高程,采取少量壅高水位的方式,补偿行洪面积是合适的。且壅水高度较小,对河道防洪影响较小,水面线逐渐趋于平缓,建设前后水面线基本保持不变,不存在影响河道行洪安全的问题。

4 结语

本文以大空港截流河为例,通过一维水动力模型,模拟涉河景观及建筑物对水面线的影响,分析了新建驳岸和跨河桥桥墩阻水比、壅水高度。河道建设项目进行防洪评价首先考虑减小工程方案对河道行洪、堤防稳定等方面的不利影响。在保障防洪安全的前提下,还需结合工程项目的实际情况,全面、综合地考虑工程方案合理性,同时积极寻求有效的防治和补救措施,使工程项目的建设最大可能地满足技术、经济、社会效益等方面的要求。