王光磊，付 鵬，黨 磊

（松遼水利委員會(huì)水文局（信息中心），吉林 長(zhǎng)春 130021）

天然河流中，不同的河流、河段及在時(shí)間分布上的水沙變化規(guī)律十分復(fù)雜。建設(shè)項(xiàng)目在河道管理范圍內(nèi)的運(yùn)行會(huì)改變水流形態(tài)和局部沖淤平衡，對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定、水利日常管理、防汛搶險(xiǎn)乃至第三方的合法水事權(quán)益均有較大影響，個(gè)別項(xiàng)目甚至影響到河流穩(wěn)定。因此，進(jìn)行河道管理范圍內(nèi)的建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)是非常必要和重要。

1 概況

1.1 河流概況

老哈河為遼河的源頭，干流全長(zhǎng)426 km，流域面積27 411 km2，一級(jí)支流共12條，大部分從左側(cè)匯入，形成不對(duì)稱的扇狀水系。左岸較大支流有黑里河、八里罕河、坤兌河、英金河、羊腸子河等，右岸較大支流有海棠河、黑水河、燒鍋營(yíng)子河和崩河等。新建的老哈河鐵路橋上游有黑里河和八里罕河匯入。

1.2 工程概況

新建赤峰至京沈高鐵喀左站鐵路位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部和遼寧省西部地區(qū)，沿線經(jīng)過內(nèi)蒙古赤峰市寧城縣、喀喇沁旗、元寶山區(qū)、紅山區(qū)、松山區(qū)、遼寧省喀左縣、建平縣7個(gè)縣級(jí)及以上行政區(qū)。線路自京沈高鐵喀左站引出，經(jīng)建平、寧城、平莊引入赤峰站，終至赤峰西站，正線線路長(zhǎng)157.38 km。

擬進(jìn)行防洪評(píng)價(jià)的跨河工程為赤峰至京沈高鐵跨越寧城老哈河新建鐵路橋工程（以下簡(jiǎn)稱老哈河鐵路橋）。橋址位于內(nèi)蒙古赤峰市寧城縣四家村南側(cè)，老哈河干流中游，橋址控制流域面積3 000 km2。老哈河鐵路橋跨河斷面河道寬約500 m，評(píng)價(jià)河段（自二龍橋至橋址上游1 350 m）范圍內(nèi)的河道較不規(guī)整，洪水發(fā)生時(shí)水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜。老哈河特大橋所在河道布置多座橋梁，為寧城至赤峰的必經(jīng)河段，評(píng)價(jià)河段范圍內(nèi)自上而下分別有：擬建葉赤線改建工程跨老哈河大橋、既有葉赤線鐵路跨老哈河大橋、二龍橋，各橋間距較小。老哈河鐵路橋下游約60 m有1處供水井，上游約200 m有礦山尾礦庫(kù)。另外，老哈河鐵路橋下布置有內(nèi)蒙古寧城縣汐子鎮(zhèn)抗旱應(yīng)急水源工程的輸水管道。

2 模型及控制方程

2.1 模型簡(jiǎn)介

二維數(shù)學(xué)模型采用MIKE21進(jìn)行水流模擬。MIKE21是一個(gè)專業(yè)的工程軟件包，由丹麥水力學(xué)研究所開發(fā)，廣泛用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境。MIKE21為工程應(yīng)用、海岸管理及規(guī)劃提供了較為有效的設(shè)計(jì)環(huán)境，經(jīng)國(guó)內(nèi)外諸多工程項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用，證明其精度較高，守恒性較好。

2.2 控制方程

模型基于三向不可壓縮和Reynolds值均分布的Navier-Stokes方程，并服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定。計(jì)算區(qū)域的空間離散采用有限體積法，將連續(xù)統(tǒng)一體細(xì)分為不重疊的單元，單元可以是任意形狀的多邊形。二維非恒定淺水方程組為：

式中：ζ——水位，m；p——x方向的能量，m3/s；q—— y方向的通量，m3/s；t——時(shí)間，s；x，y——笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)，無量綱。

（2）（3）式中：ζ——水位，m；p—— x方向的能量，m3/s；q—— y方向的通量，m3/s；t-時(shí)間，s；x，y——笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)，無量綱；g——重力加速度,m/s2；h——靜止水深，m；u，v——流速在，x，y方向上的分量，m/s；ρ——水密度，g/cm3；Ω——哥氏力系數(shù)，且Ω=2ωsinψ，無量綱；S ——源項(xiàng)，kg/m3·s；Six，Siy——源項(xiàng)在 x，y方向的分量,kg/m3·s；τxx，τxy，τyy——各方向上的粘滯應(yīng)力項(xiàng)，Pa。

3 防洪影響模擬計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)洪水

在《內(nèi)蒙古遼河流域老哈河治理工程可行性研究報(bào)告》中，對(duì)位于老哈河干流上游的4個(gè)水文站，包括甸子、太平莊、興隆坡、烏敦套海站，進(jìn)行了單站天然設(shè)計(jì)洪峰流量分析計(jì)算。將系列延長(zhǎng)至2010年，經(jīng)復(fù)核計(jì)算，與原設(shè)計(jì)成果相比差別不大，說明老哈河流域洪水成果相對(duì)穩(wěn)定，故推薦采用原設(shè)計(jì)成果。依據(jù)此4個(gè)水文站10年、20年、100年一遇的設(shè)計(jì)洪峰流量點(diǎn)繪地區(qū)綜合線，根據(jù)地區(qū)綜合線推算老哈河鐵路橋址處設(shè)計(jì)洪水。設(shè)計(jì)參證站及老哈河橋址設(shè)計(jì)洪水成果，見表1。

表1 參證站及老哈河鐵路橋址設(shè)計(jì)洪峰流量成果表m3/s

3.2 地形資料及網(wǎng)格劃分

對(duì)老哈河鐵路橋所在河段上下游約2 km范圍的地形進(jìn)行實(shí)地勘察測(cè)量，測(cè)量采用RIEGL三維激光掃描儀，結(jié)合1∶10 000地形圖處理后得計(jì)算區(qū)域地形圖。二維數(shù)學(xué)模型的計(jì)算區(qū)域?yàn)槔瞎又杏螌幊呛佣危衫瞎予F路橋下游約1 000 m至上游約1 350 m，全長(zhǎng)約2 350 m，寬度800～1 200 m。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分采用三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格在各橋梁橋墩位置進(jìn)行了局部加密，三角形邊長(zhǎng)2～5 m，其他位置網(wǎng)格邊長(zhǎng)約10～30 m，總節(jié)點(diǎn)數(shù)21 609，總網(wǎng)格數(shù)42 303。在計(jì)算時(shí)計(jì)算區(qū)域的上下游邊界保持不變，兩側(cè)邊界則根據(jù)計(jì)算單元干濕情況自動(dòng)調(diào)整。

3.3 邊界條件處理

模型計(jì)算中，上游給定流量、下游給定水位以確定模型計(jì)算的邊界條件。老哈河鐵路橋所在河段兩岸規(guī)劃堤防設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，橋梁自身的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。因此，分別對(duì)20年一遇、100年一遇設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行二維數(shù)學(xué)計(jì)算，所對(duì)應(yīng)流量分別為1 970 m3/s和4 410 m3/s。

3.4 模擬計(jì)算

1）對(duì)水位影響的模擬計(jì)算

對(duì)糙率等參數(shù)率定后，進(jìn)行模擬計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，老哈河鐵路橋橋墩壅水最大處為橋墩上游2 m左右，橋墩下游水位略有減小。在最不利工況（4橋共存）條件下，橋梁壅高最大。老哈河鐵路橋在20年一遇洪水時(shí)局部水位壅高0.07 m，100年一遇洪水時(shí)局部壅高0.11 m。老哈河鐵路橋在20年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，橋墩沿線水深在0.19～4.32 m之間；100年一遇洪水時(shí)橋墩沿線水深在0.25～5.68 m之間；100年一遇洪水時(shí)橋墩位置最高水位為540.78 m，與梁底最低高程543.83 m相差3.05 m，大于規(guī)范要求的最小凈空高度0.50 m。

2）對(duì)流場(chǎng)影響的模擬計(jì)算

由于橋墩尺寸與河面寬度相比，橋墩尺寸相對(duì)較小，因此橋墩對(duì)該河段流場(chǎng)的影響較小。20年一遇洪水時(shí)，除個(gè)別橋墩處流速減小超0.2 m/s外，其余位置流速變化均較小，斷面平均流速變化在0.015 m/s以內(nèi)；100年一遇洪水時(shí)，流速變化也不大，只有個(gè)別橋墩處流速減小超0.3 m/s外，斷面平均流速變化在0.065 m/s以內(nèi)。

3.5 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，老哈河鐵路橋修建后壅水高度較小，橋下凈空滿足規(guī)范要求，對(duì)河道行洪安全影響較小。建橋后的流場(chǎng)與建橋前相比整個(gè)河段等流線分布變化不大，除橋址附近等流線分布略有變化外，其余河段等流線分布同建橋前基本相同。

4 結(jié)語

經(jīng)多方法驗(yàn)證，此次模擬計(jì)算的成果合理，MIKE21模型模擬河道水流效果良好，能夠?yàn)楣こ痰姆篮榘踩峁┝吮Ｕ?。在建設(shè)項(xiàng)目防洪影響評(píng)價(jià)工作中，MIKE21模型模擬河道水流已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，取得良好效果。特別需要指出的是，在MIKE21模型模擬計(jì)算過程中，糙率的選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很大。因此，在實(shí)踐中應(yīng)做好對(duì)糙率等參數(shù)的率定，以保證模型的正確運(yùn)行。