郭士杰,李興春,李立新

(齊齊哈爾市水利勘測設計研究院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

1 項目背景

齊齊哈爾市是黑龍江省第二大城市、全國重點防洪城市,是全國重要的裝備工業(yè)基地、商品糧基地和綠色食品基地。2004年黑龍江省委、省政府提出建設哈大齊工業(yè)走廓,批復了重度鹽堿地等未利用地開發(fā)利用規(guī)劃和產業(yè)布局總體規(guī)劃,在此基礎上,省政府又于2005年批復了“哈大齊工業(yè)走廓產業(yè)布局總體規(guī)劃”。在上述兩個規(guī)劃中,齊齊哈爾市的規(guī)劃開發(fā)總面積為112 km2,分布于南苑、北苑、富拉爾基、昂昂溪、江西5個項目建設區(qū),其中江西經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的規(guī)劃面積為45 km2,位于齊甘公路橋下,嫩江汊流一道江與二道江之間、二道江與三道江之間的河灘地上,占齊齊哈爾市計劃開發(fā)總面積的40%,是5個項目區(qū)中的最大開發(fā)區(qū),規(guī)劃用途為農產品加工和城市建設用地。

為保證《黑龍江省哈大齊工業(yè)走廓產業(yè)布局總體規(guī)劃》的實施,推進齊齊哈爾市產業(yè)布局調整,充分發(fā)揮齊齊哈爾市的城市功能,推動區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展,對嫩江右岸齊齊哈爾市段部分堤線調整是必要的。調整后江西項目區(qū)位于齊齊哈爾市城防堤和梅里斯堤、雅爾塞堤之間右側行洪灘地上,項目區(qū)上起齊甘公路橋(圖1),下至濱洲鐵路橋。為分析改線后的堤防對河道水位、流場及河床沖淤的影響,應進行數(shù)學模型計算分析。

圖1 哈大齊工業(yè)走廊江西項目區(qū)防洪規(guī)劃堤線位置圖Fig.1 Flood control plan chart of Harbin-Daqing-Qiqihar Industry Corridior Jiangxi Project Area

2 數(shù)學模型建立

2.1 基本方程

建立在靜水壓強假定下的平面二維笛卡爾坐標系中的水沙運動方程可寫為:

1)連續(xù)性方程:

5)推移質輸沙率。推移質輸沙率選用長江科學院提出的輸沙經(jīng)驗曲線:

6)河床變形方程:

懸沙引起的河床變形方程:

式中H為水深;u和v為x和y方向的流速;M=uh;N=vh;Z為水位;n為Manning糙率系數(shù);νt為紊動粘性系數(shù);q為單位面積上水流的源匯強度;ρ為水體密度;S為含沙量;S*為挾沙力;ω為泥沙顆粒沉速;γ′為泥沙干密度;α為恢復飽和系數(shù);ε為泥沙擴散系數(shù);d為泥沙粒徑;Uc為床面起動流速;Ud為近床面流速;gb為推移質單寬輸沙率。

2.2 方程的離散

基于無結構的三角形網(wǎng)格,采用控制體積法進行方程的離散求解。

以三角形單元為控制體,待求變量位于單元中心,沿水深平均的水流模型基本方程可表示成如下一般形式:

式中Φ為通用變量;Γ為廣義擴散系數(shù);S為源項。

2.3 數(shù)值求解方法

采用基于同位網(wǎng)格的SIMPLE算法進行離散求解,其中對流項采用延遲修正的二階格式。擴散項采用中心差分格式并計入界面上交叉擴散項的影響。整個算法的優(yōu)點在于能很好保證水流模型中水量和動量守恒,泥沙輸移中沙量的守恒。

作者簡介：林文俊，漢族，福建漳浦人，福建省漳浦縣深土小學，一級教師，專科學歷，研究方向：小學數(shù)學教育。

2.4 數(shù)學模型相關問題處理

2.4.1 計算河段網(wǎng)格布置

將整個計算河段劃分為一個三角形網(wǎng)格系統(tǒng),網(wǎng)格劃分過程中主要考慮到以下幾個因素:

1)盡可能使網(wǎng)格邊界線與河道堤線重合,以實現(xiàn)網(wǎng)格與河道的完全貼體。

2)對河道主槽及建筑物局部盡可能加密網(wǎng)格,并使網(wǎng)格節(jié)點通過工程邊界線。

選取嫩江斷面CS31-CS44長約45 km的河段作為二維模型計算河段,按上述原則,將整個計算河段共劃分49828個三角形單元,共有25408個網(wǎng)格節(jié)點。網(wǎng)格中三角形邊長為20～550 m,其中主河槽網(wǎng)格較密,邊長一般為20～60 m,灘地較稀,為 100～500 m。

2.4.2 動邊界模擬

在非恒定流計算過程中,計算域內部分節(jié)點在漲水時會被“淹沒”,在落水時會“干出”。為正確反映這部分節(jié)點的干濕變化,模型中采用了以下動邊界模擬技術:選定一臨界水深(取為0.001 m),當某時刻某節(jié)點實際水深小于臨界水深時,認為該節(jié)點“干出”,令該點流速為零,水深為臨界水深,水位值由附近非“干出”點水位值外插值得到;當某時刻某節(jié)點實際水深大于臨界水深時,則恢復程序計算。

2.4.3 參系數(shù)取值

二維水流泥沙數(shù)模計算涉及的主要參系數(shù)有河道糙率、紊動粘性系數(shù)、泥沙紊動擴散系數(shù)等。

河道糙率實際上是一個綜合阻力系數(shù),反映了計算河段的河床河岸阻力、河道形態(tài)變化、水流阻力及河道地形概化等因素的綜合影響。計算所采用的河道糙率主要由實測水流資料率定計算確定。經(jīng)率定調試得到本河段河槽糙率為0.020～0.035,灘地為0.035～0.070。水流紊動粘性系數(shù)根據(jù)大量工程經(jīng)驗確定,本次計算取為5。對于泥沙紊動擴散系數(shù),一般取其值與水流紊動粘滯系數(shù)相等。

2.4.4 床沙交換及床沙級配調整

由于水流與泥沙的相互作用,使某組泥沙發(fā)生沖刷時,另一組泥沙可能發(fā)生淤積,因此,床沙級配的調整應能反映床沙對水流、泥沙運動的響應,及對挾沙力的影響。本模型將計算河段內河床由上至下分成4層,即表層、中間兩層和底層。懸沙與床沙的直接交換發(fā)生在交換層中,交換層厚度在完成級配調整后,保持不變;過渡層中泥沙級配視表層床面的沖刷或淤積相應地向下或向上移動,與表層泥沙發(fā)生交換,過渡層厚度不變;底層與過渡層相應地進行級配調整,底層的厚度視表層床面的沖刷或淤積相應地減小或增加。

3 數(shù)學模型率定驗證

數(shù)學模型率定驗證計算的主要目的是檢驗數(shù)學模型計算方法的可行性,率定模型中相關參系數(shù),并檢驗模型的計算精度。主要內容有水面線、斷面流速分布、汊道分流比及地形驗證等。

4 工程對水位流速影響分析

4.1 水位影響分析

圍堤工程實施后,截斷了原二、三道江,從而使河段水位壅高,在3組水流條件下,流量越大,則工程對水位流場的影響越大?，F(xiàn)規(guī)劃方案下僅考慮興建圍堤時,水位壅高最大值位于齊甘橋下游CS34-1與CS35之間,在 P=2%、5%、10%頻率洪水下,水位壅高最大值分別為0.40、0.39 m和0.33 m。壅水范圍位于榆樹崴子(CS41斷面)以上河段,壅水值＞0.05 m的河段長度分別為:＞30 km、30 km和13 km。

由于圍堤工程基本上截斷了二、三道江,為此設計中考慮采取新開江進行補救,包括三道江改線和二道江改線兩段。由計算結果來看,現(xiàn)規(guī)劃方案下考慮興建圍堤和新開江措施后,工程后水位壅高值明顯降低,壅水范圍明顯縮小,在P=2%、5%、10%頻率洪水下,水位壅高最大值分別為0.25、0.21 m和0.15 m,相對未采取新開江措施時壅水最大值減小了0.13～0.18 m,且最大值出現(xiàn)的位置也有所下移。從影響范圍來看,采取新開江措施后,在P=2%、5%、10%頻率洪水下,壅水值＞0.05 m的河段長度分別為28、21 km和18 km。

從現(xiàn)規(guī)劃堤線方案與原規(guī)劃堤線方案計算成果對比來看,由于兩方案在齊甘橋至CS37斷面內堤線基本無變化,而壅水最大值位于齊甘橋下游右側,因此新的堤線方案下壅水最大值減小不大,但壅水影響范圍明顯縮短。在采取新開江措施后,現(xiàn)方案壅水最大值及影響范圍有一定幅度的減小。

4.2 流速影響分析

4.2.1 流場影響定性分析

在P=2%頻率洪水下,河道主流基本沿主槽流動,但在局部彎頂及橫向河槽處,水流會偏離主槽,沿較短的路線流動,反映“大水趨直、小水坐彎”的特征。在3座橋位附近,由于跨越灘地時為路堤,因此路堤會產生較大的阻水作用,在計算中考慮了路堤的影響,從流場圖上看路堤上游流速明顯減小。在P=5%頻率洪水下,3座橋位處路堤的阻水作用更加明顯?？傊?計算河段河槽較為窄淺,且彎曲分汊,在大洪水條件下,水流漫槽后灘地可起到較大的行洪作用,圍堤工程興建后占用了河道行洪面積,會使縮窄后的河道流速增加。

4.2.2 流速影響分析

從流速變化等值線圖來看,由于圍堤工程使河道過水斷面縮窄,因此工程區(qū)河段流速一般增加,而工程區(qū)上、下游河段流速有所減小。工程區(qū)流速增加部位主要位于圍堤外側河道內,僅考慮興建圍堤時增加相對較大處位于二、三道江所在河段內,由于圍堤截斷了原二、三道江,因此流速增加相對較大。在采取新開江措施后,二、三道江所在河段由于圍堤引起的流速增加值很小,一般＜0.05 m/s。

在P=2%頻率洪水條件下,工況1時河道中流速一般增加0.01～0.10 m/s,流速增加較大部位主要位于圍堤與二、三道江交叉處下游、CS37-CS38間主河槽、CS41-CS42間主河槽等部位,流速增加最大值為0.26 m/s;工況2時,由于新開了二道江和三道江,除新開江內流速顯著增加外,其余部位流速增加值均不大,一般＜0.05 m/s,增加最大值為0.15 m/s。在P=5%頻率洪水條件下,工況1流速增加最大值為0.20 m/s,工況2為0.10 m/s。在P=10%頻率洪水條件下,工況1流速增加最大值為0.15 m/s,工況2為0.06 m/s。

由工況1和工況2的對比表明,新開二、三道江后能明顯降低該河段的流速增加值,在3組洪水流量條件下,可使最大流速增加值減小0.09～0.11 m/s。

從現(xiàn)堤線方案與原規(guī)劃堤線方案計算成果對比來看,圍堤與大昂堤間最小間距由原方案的2.0 km增大到4.2 km,因此現(xiàn)方案工程后該段圍堤外側流速增加值相對原方案明顯減小。

5 工程對河床沖淤影響分析

河床沖淤計算結果表明,不考慮工程實施時,在1998年大洪水條件下,河床沖淤一般＜0.8 m,最大沖刷深度為1.8 m;在2003年一般洪水條件下(相當于6年一遇),河床沖淤一般＜0.6 m,沖刷最大值為1.0 m。

考慮圍堤及新開江工程實施后,由于河道縮窄、流速增加,河床沖刷值相對自然情況有所增大。在1998年大洪水條件下,河床沖刷值增大 0.1～0.3 m,沖刷最大值由工程前的1.8 m增大到2.0 m;在2003年中水水沙條件下,河床沖刷值增大0.05～0.2 m,沖刷最大值由工程前的1.0 m增大到1.1 m?？傮w而言,工程的興建對河床沖淤變化會產生一定的影響,但由于本河段河道較寬,對受圍堤工程影響的二、三道江采取了補救措施,因此總體而言對工程河段整體河勢穩(wěn)定影響不大。

6 主要結論及建議

6.1 結 論

擬建圍堤工程興建后,由于河寬的縮窄,河道行洪面積的減小,對河道水位、流速及河床沖刷帶來一定程度的影響,當采取新開江補救措施后,可降低圍堤帶來的不利影響?？傮w來看,擬建工程對工程河段流場及河床沖淤影響程度有限,對工程河段整體河勢穩(wěn)定影響不大。

6.2 建 議

工程興建后,雅爾塞堤和梅里斯堤應適當加高加固,以保證本河段的防洪安全。應清除灘地行洪障礙物(如小圍堤、建筑棄土、砂堆等),對河槽狹窄部位進行拓寬、淤積部位進行疏浚。工程河段局部可能產生一定的沖淤調整,因此建議加強河道觀測,遇不利情況時及時采取措施予以解決。

[1]水利部松遼水利委員會.松花江流域防洪規(guī)劃[R].長春:水利部松遼水利委員會,2007.

[2]黑龍江省水利勘測設計研究院.黑龍江省松花江、嫩江干流防洪工程規(guī)劃洪水位計算報告[R].哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院,2000.

[3]黑龍江省國土資源廳,黑龍江省發(fā)展和改革委員會.黑龍江省哈大齊地區(qū)重度鹽堿地等未利用土地開發(fā)利用規(guī)劃專題研究報告[R].哈爾濱:黑龍江省國土資源廳、黑龍江省發(fā)展和改革委員會,2004.

[4]黑龍江省人民政府.黑龍江省人民政府關于印發(fā)哈大齊工業(yè)走廊產業(yè)布局總體規(guī)劃的通知[Z].哈爾濱:黑龍江省人民政府,2005.

[5]梁志宏,徐峰俊,劉俊勇.珠江南河道平面二維非恒定流水沙數(shù)值模擬[J].黑龍江水專學報,2008,35(4):12-16.

[6]劉玉林,陳偉剛.淮河干流泥沙輸移特性淺析[J].黑龍江水專學報,2009,36(4):22-23,35.