劉中峰,黃本勝,邱 靜,劉 達(dá)
(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635;2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510635;3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510635)
城市是人口集中、工商業(yè)發(fā)達(dá)、以非農(nóng)業(yè)人口為主要居民的地區(qū),通常是周邊地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心,地位十分重要,其防洪排澇安全備受關(guān)注。隨著城市建設(shè)程度的不斷提高,各地防洪排澇壓力劇增,行洪排澇功能減弱甚至喪失的城市河涌越來越受到重視,因此近年來城市河涌防洪排澇整治工程大量涌現(xiàn)。具體到設(shè)計(jì)工作,此類工程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容在于確定安全經(jīng)濟(jì)的河涌斷面和涌口泵站抽排能力。
與一般的河道整治工程相比,城市河涌整治工程的特殊性表現(xiàn)為在用地、生態(tài)及景觀等方面具有眾多限制,這就對(duì)其防洪排澇設(shè)計(jì)精度和深度提出了更高要求[1]。然而,由于城市河涌往往規(guī)模不大、流域面積較小,因此目前工程設(shè)計(jì)中一般采用一維恒定水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算,即選取涌口關(guān)閘水位(防洪要求),計(jì)算關(guān)閘后外江漲水到退水過程中雨洪不同頻率、不同時(shí)間組合遭遇的設(shè)計(jì)暴雨量和設(shè)計(jì)徑流量,并以此徑流量作為一維恒定數(shù)學(xué)模型的上游邊界條件計(jì)算河涌斷面和泵站抽排能力[2]。這種方法簡單方便、計(jì)算快速,但缺點(diǎn)也比較明顯:① 模型概化和計(jì)算假定偏于安全,造成計(jì)算結(jié)果安全有余,如堤防過高、泵站容量過高等,但經(jīng)濟(jì)性較差,也會(huì)對(duì)河道景觀等造成影響;② 計(jì)算中未考慮河涌的調(diào)蓄能力和排澇的動(dòng)態(tài)過程,計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況偏差較大[3]。為克服上述不足,滿足日益提高的設(shè)計(jì)精度要求,水利工作者進(jìn)行了各種探討和嘗試[4-6],但采用物理模型試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行研究尚不多見[7]。
本文以某條正開展整治的城市河涌為例,通過建立正態(tài)物理模型,對(duì)實(shí)際行洪排澇情況進(jìn)行模擬,得到河涌水面線和泵站規(guī)模等成果,為防洪排澇工程方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù),也可為其它類似城市河涌整治工程提供借鑒。
該城市河涌流域面積為17.2 km2,干流河長為5.2 km,在河涌末端通過閘站與外江相連(見圖1)。近年來,因周邊城市發(fā)展迅速,管理滯后,導(dǎo)致河涌淤塞較為嚴(yán)重,加之涌口泵站規(guī)模較小,行洪排澇能力嚴(yán)重不足。因此,擬對(duì)該河涌實(shí)施綜合整治,包括河道清淤、生態(tài)堤防建設(shè)及泵站升級(jí)改造等,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇[8]。本次試驗(yàn)的主要目的就是針對(duì)該河涌整治后的水面線及合適的泵站規(guī)模進(jìn)行研究,為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
圖1 河涌整治示意
模型試驗(yàn)前期研究中,對(duì)內(nèi)河涌與外江洪水遭遇情況進(jìn)行了詳細(xì)分析[9-10](洪潮遭遇分析非本文重點(diǎn)討論內(nèi)容,此處僅給出分析結(jié)果作為試驗(yàn)水文組次),并據(jù)此確定了內(nèi)外江洪水遭遇組合:內(nèi)河涌5年一遇洪水遭遇外江20年一遇洪水位、內(nèi)河涌20年一遇洪水遭遇外江5年一遇洪水位,錯(cuò)峰時(shí)間為24 h。此外,根據(jù)地形及雨水管網(wǎng)情況,將本流域劃分為15個(gè)排水分區(qū),并在充分考慮下墊面等因素的基礎(chǔ)上對(duì)各分區(qū)出口(匯入河涌位置)的洪水過程進(jìn)行了計(jì)算[11-12]。以內(nèi)河涌5年一遇洪水遭遇外江20年一遇洪水位為例,圖2給出了水文分析計(jì)算結(jié)果。
圖2 15個(gè)排水分區(qū)洪水過程及外江水位過程(P內(nèi)=20%,P外=5%,錯(cuò)峰24 h)
根據(jù)河涌整治要求,內(nèi)河涌5年一遇洪水流量下,泵站前池水位不得超過12.78 m;內(nèi)河涌20年一遇洪水流量下,泵站前池水位不得超過13.00 m。
根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?,按照有關(guān)規(guī)范要求和河涌整治設(shè)計(jì)斷面,本試驗(yàn)按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)成正態(tài)模型,模型長度比尺為1:30。模型長約為180 m,寬約為2 m,占地面積約為400 m2。模型照片見圖3。
入口流量控制系統(tǒng)
根據(jù)設(shè)計(jì)方案,河涌整治后兩岸大部分岸坡采用草皮護(hù)坡,并結(jié)合景觀分布有灌木、景石等,按天然河道清潔、順直、無沙灘、無深潭等情況可知其糙率在0.028左右。模型地形按照設(shè)計(jì)斷面形式用河沙塑造,并用水泥砂漿抹成粗糙面,糙率約為0.015,基本與原型相似(糙率比尺為1:1.76)。
如圖4所示,模型由入口流量控制系統(tǒng)、水位采集系統(tǒng)和泵站模擬系統(tǒng)等組成,上述系統(tǒng)均由計(jì)算機(jī)控制中心統(tǒng)一控制。其中,入口流量控制系統(tǒng)由蓄水池、變頻泵、分水池和PE水管(內(nèi)徑4.8 cm)組成,其作用是按照15個(gè)排水分區(qū)洪水計(jì)算結(jié)果在模型15個(gè)進(jìn)水口釋放相應(yīng)流量過程;水位采集系統(tǒng)通過10個(gè)水位計(jì)實(shí)時(shí)采集河涌沿程水位變化過程,據(jù)此分析防洪排澇效果,其中Z10為泵站前池水位控制測(cè)點(diǎn);泵站模擬系統(tǒng)由變頻器和變頻泵組成,可根據(jù)試驗(yàn)情況調(diào)節(jié)抽排流量。
圖4 模型設(shè)備布置示意
本次試驗(yàn)按照分析確定的兩種內(nèi)外江洪水遭遇組次,分別開展了恒定流和非恒定流兩種情況的試驗(yàn)研究,其研究內(nèi)容、思路及邊界條件具體說明如下:
1)通過恒定流試驗(yàn),測(cè)試河道行洪水面線,與設(shè)計(jì)成果進(jìn)行對(duì)比分析。其中,15個(gè)入口給定相應(yīng)洪峰流量,下游(Z10測(cè)點(diǎn))給定泵站前池最高限制水位,即Z10(P=5%)=13.0 m、Z10(P=20%)=12.78 m。
2)通過非恒定流試驗(yàn),確定泵站合適規(guī)模,并測(cè)試在此規(guī)模下河涌沿程水位情況。模型上邊界按照15個(gè)排水分區(qū)洪水過程的計(jì)算結(jié)果,在相應(yīng)入口釋放流量(由于流域面積較小,試驗(yàn)中各入口流量同時(shí)匯入)。由水文分析結(jié)果可知,外江水位大部分時(shí)間都高于泵站前池最高限制水位,因此試驗(yàn)中始終按照水閘一直關(guān)閉、僅依靠泵站抽排的原則進(jìn)行控制。根據(jù)實(shí)際調(diào)度要求,試驗(yàn)時(shí)內(nèi)河涌起調(diào)水位為10.45 m。
如圖5所示,進(jìn)行非恒定流試驗(yàn)時(shí),首先給定泵站最大抽排流量Q1(如50 m3/s),并將內(nèi)河涌水位調(diào)整為10.45 m開始試驗(yàn),入口流量控制系統(tǒng)按照?qǐng)D2所示曲線向15個(gè)入口釋放流量過程。試驗(yàn)過程中,當(dāng)來流量小于Q1時(shí),泵站按照實(shí)際來流量向外江排水,泵站前池水位保持不變;當(dāng)來流量大于Q1時(shí),泵站按照最大抽排流量Q1向外江排水,泵站前池水位上升直至最高值Zmax;此后,隨著洪峰消退,前池水位逐漸下降,直至完成一個(gè)試驗(yàn)過程。將Zmax與泵站前池最高限制水位(如5年一遇時(shí)為12.78 m)進(jìn)行比較,若Zmax>12.78 m,則加大泵站抽排流量Q1(如增加至55 m3/s)進(jìn)行下一次試驗(yàn),直至找到滿足Zmax=12.78 m的Q1(即合適的泵站規(guī)模)。
圖5 非恒定流試驗(yàn)流程示意(以P=20%為例)
按照洪峰流量開展恒定流試驗(yàn),分別測(cè)定了20年一遇和5年一遇洪水頻率下河涌水面線情況,并與工程設(shè)計(jì)報(bào)告(一維恒定水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果)進(jìn)行了對(duì)比(見圖6)。由圖6可見,物模試驗(yàn)測(cè)得的河涌上中游水面線要低于報(bào)告結(jié)果,且越往上游水位差值越大;至河涌下游,兩種方法得到的水面線成果則相差不大。
圖6 水面線物模試驗(yàn)成果與設(shè)計(jì)報(bào)告成果對(duì)比示意
20年一遇洪水頻率下,在上游整治起點(diǎn)位置,物模水位比設(shè)計(jì)報(bào)告成果低約0.65 m;向下游至樁號(hào)2 000 m附近,物模水位比設(shè)計(jì)報(bào)告成果低約0.20 m;再向下游,二者則基本重合。5年一遇洪水頻率下,在上游整治起點(diǎn)位置,物模水位比設(shè)計(jì)報(bào)告成果低約0.35 m;向下游至樁號(hào)2 000 m附近,物模水位比設(shè)計(jì)報(bào)告成果低約0.15 m;再向下游,二者則基本重合。
造成上述現(xiàn)象的主要原因在于排水分區(qū)的處理精度不同:設(shè)計(jì)報(bào)告僅劃分了4個(gè)排水分區(qū),其匯流口主要集中在河涌上游,因此造成上游流量偏大、水位偏高;而物模試驗(yàn)對(duì)排水分區(qū)的劃分更為精細(xì),概化得到的15個(gè)匯流口按實(shí)際情況分布在河涌上、中、下游,流量分配更均勻,也更為合理。由此可見,在確定城市河涌設(shè)計(jì)洪水時(shí),進(jìn)行精細(xì)的排水分區(qū)產(chǎn)匯流計(jì)算非常必要。
需要指出的是,由于兩成果采用的邊界條件不同,不具備可比性,此處進(jìn)行對(duì)比僅為說明進(jìn)行精細(xì)排水分區(qū)的必要性。
4.2.1泵站規(guī)模
通過多組非恒定流試驗(yàn),測(cè)得了發(fā)生不同洪水頻率時(shí)所需的泵站規(guī)模:20年一遇洪水需要泵站最大流量為100 m3/s,5年一遇洪水則需要75 m3/s。在此規(guī)模下,泵站前池水位、流量過程和泵站抽排流量過程見圖7。在20年一遇洪水頻率下,從33 h時(shí)刻左右開始,隨著洪峰的到來,來流量超過泵站最大抽排流量(100 m3/s),前池水位從起調(diào)水位10.45 m快速升高,至36 h時(shí)刻到達(dá)最高限制水位13.0 m;此后,上游來流逐漸減小(37 h時(shí)刻已小于100 m3/s),在泵站強(qiáng)排作用下,水位迅速下降。5年一遇洪水頻率試驗(yàn)測(cè)得的流量、水位變化過程基本表現(xiàn)為相同規(guī)律,只是具體數(shù)值有所不同。
圖7 選定泵站規(guī)模下特征參數(shù)變化過程示意
按照河涌整治標(biāo)準(zhǔn)(20年一遇),涌口泵站規(guī)模應(yīng)達(dá)到100 m3/s,而現(xiàn)狀泵站規(guī)模不足30 m3/s,難以滿足排澇要求。因此,應(yīng)盡快按照研究結(jié)果增加相應(yīng)泵站裝機(jī),以緩解流域嚴(yán)峻的防洪排澇形勢(shì)。
在此需要指出的是,本次試驗(yàn)假定上游來流全部由泵站抽排,未考慮水閘泵站的聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用,由此得出的泵站排澇流量較大(偏于安全),實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合數(shù)學(xué)模型計(jì)算等其他手段的研究成果確定泵站合適規(guī)模。
4.2.2最高洪水位
在非恒定流試驗(yàn)中,河涌內(nèi)水位是動(dòng)態(tài)變化的。為了解按選定的泵站規(guī)模進(jìn)行排澇時(shí)沿程各處水位情況,提取沿程水位外包成果(即最高洪水位,見圖8)。可以看出,在非恒定流試驗(yàn)中,由于充分利用了河涌容積進(jìn)行調(diào)蓄,河涌最高洪水位較恒定流試驗(yàn)所測(cè)水位進(jìn)一步下降,上中游(0~3 500 m)河段下降程度尤為明顯。其中,20年一遇洪水頻率的河涌上中游降低值在0.45 m左右,5年一遇洪水頻率的河涌上中游降低值在0.20 m左右。
圖8 選定泵站規(guī)模下河涌最高洪水位情況示意
根據(jù)物模試驗(yàn)成果,在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下(20年一遇),設(shè)計(jì)報(bào)告成果中的河涌中、上游水面線偏高0.7~1.0 m,過于保守,經(jīng)濟(jì)性較差,可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。
1)針對(duì)某城市河涌防洪排澇整治工程,建立1:30正態(tài)模型,選取20年一遇洪水(遭遇外江5年一遇洪水位)和5年一遇洪水(遭遇外江5年一遇洪水位)兩個(gè)水文組次,分恒定流和非恒定流兩種情況對(duì)河涌水面線及涌口泵站規(guī)模進(jìn)行了研究。
2)恒定流試驗(yàn)測(cè)得的河涌行洪水面線明顯低于設(shè)計(jì)報(bào)告結(jié)果,且越往上游二者差值越大,整治起點(diǎn)處最大差值可達(dá)0.65 m左右(20年一遇)。產(chǎn)生這種差異的主要原因在于物理模型入流邊界采用了更為精細(xì)、更為接近實(shí)際情況的排水分區(qū)產(chǎn)匯流計(jì)算結(jié)果,洪水通過分布于河涌全程的15個(gè)入口匯入,而設(shè)計(jì)報(bào)告成果中洪水則主要從河涌上游匯入。
3)通過非恒定流試驗(yàn)對(duì)泵站規(guī)模進(jìn)行了研究,在20年一遇洪水頻率下,泵站規(guī)模達(dá)到100 m3/s才可保證前池水位不超過設(shè)定的最高限制水位13.00 m;在5年一遇洪水頻率下,泵站規(guī)模達(dá)到75 m3/s才可保證前池水位不超過設(shè)定的最高限制水位12.78 m?,F(xiàn)狀泵站裝機(jī)流量無法滿足設(shè)計(jì)排澇要求。
4)在20年一遇洪水頻率下按照100 m3/s的泵站規(guī)模進(jìn)行抽排,河涌中、上游最高洪水位較設(shè)計(jì)成果低0.7~1.0 m,設(shè)計(jì)方案應(yīng)據(jù)此進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整以提高工程經(jīng)濟(jì)性??梢钥闯?,對(duì)于合理確定河涌整治工程規(guī)模而言,進(jìn)行精細(xì)化的排水分區(qū)產(chǎn)匯流計(jì)算和開展非恒定流模型試驗(yàn)研究非常必要。
5)一般情況下,城市河涌流域面積都相對(duì)較小,實(shí)測(cè)水文資料比較缺乏,在開展物理模型試驗(yàn)等研究時(shí)往往缺乏實(shí)測(cè)資料的率定驗(yàn)證。鑒于城市河涌行洪排澇作用的越來越受重視,建議開展相關(guān)觀測(cè)工作,為工程研究積累實(shí)測(cè)資料和數(shù)據(jù)。