基于Mike复杂跨河桥梁建设项目的洪水影响分析_殷源.pdf

2023 年第 2 期水利技术监督信息化DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.016基于 Mike 复杂跨河桥梁建设项目的洪水影响分析殷源(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000)摘要:大型桥梁跨越大型河道时，在河道行洪断面设置的多排桥墩，会产生壅水，对河道防洪、平衡城市防洪建设空间与城市道路建设空间产生较大影响。为高精度地评估拟建复杂跨河桥梁工程对河道的防洪影响，依托宜城大桥工程，运用 Mike 11 一维模型及 Mike 21 二维模型，模拟了赤石河 200 年一遇洪水工况下建桥前后河道水流水位、流速及流向的变化，为水行政主管部门审批桥梁建设方案提供了科学依据，降低工程成本。关键词:桥梁;Mike 11;Mike 21;壅水;流场;赤石河中图分类号:P333.2文献标识码:B文章编号:1008-1305(2023)02-0060-05收稿日期:2022-09-26作者简介:殷源(1989 年)，男，工程师。E-mail:349156892 城市规划路网纵横交错，跨河桥梁将城市河流分隔成无数河段，大桥跨大河的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1-3，降低河道防洪标准，并可能影响区域雨水排放，加剧城市内涝。因此，跨河桥梁建设的洪水影响分析始终是工程建设的一项关键内容4-5。目前国内部分学者通过数值模型和机器学习等方法对城市内涝模拟进行了相关研究。李子钰等6 基于 Mike Urban 软件建立城市内涝模型，对广州市花都区不同降雨情景下的内涝分布情况、易涝点积水时间以及最大积水深度进行模拟;房亚军等7 结合高精度地形数据和降雨、径流实时监测数据，采用 SWMM 雨洪模型模拟暴雨条件下海绵城市的产流;刘媛媛等8 将具有良好计算精度数值模型与具有较高计算效率的 BP 人工神经网络模型相结合，提出了一种快速预测城市内涝风险的新方法;陈光照9 数值模型采用了高分辨率 DEM 地形数据表征复杂的城市地表形态，引入了 GPU 并行加速计算技术实现在不降低计算精度的条件下大幅提升计算效率;徐美等10 以中国北京市城区为例，通过城区精细化洪涝模型对多种降雨条件下的暴雨情景进行模拟与分析，构建了北京城区的暴雨 内涝情景库;杨东等11 基于扩散波方法，构建了一套排水管网水动力模型，并与已开发的高分辨率城市地表水文水动力模型进行了耦合。此外该团队还提出了雨水井等效排水法(IA)和仅在道路上等效排水法(CI)两种表征管网排水能力的方法，采用高效高分辨率的城市雨洪模型，以西咸新区为研究区域，模拟了城市内涝积水过程，并与实测数据进行了对比12。此外，还有部分学者对城市内涝策略和预警系统进行了相关研究13-14。本文运用 Mike 11 一维模型及 Mike 21 二维模型，模拟了赤石河 200 年一遇洪水工况下建桥前后河道水流水位、流速及流向的变化，为水行政主管部门审批桥梁建设方案提供了依据，降低工程成本。研究结果可为相关工程提供参考。1工程概况赤石河，又名凤河，是深汕特别合作区内的第一大河流，发源于海拔高 1256m 的白马山峰，由大安村、碗窑村流经赤石村、新城村与明热河汇集经三江楼、新联江头村湾再经园墩林场、鹅埠境、小漠境而流入红海湾。赤石河流域面积为 382km2，河流长度为 36.75km，平均坡降 5.21%。目前，深汕特别合作区正处于高速建设发展阶段，规划市政道路建设在合作区全面铺开。由于合作区防洪潮规划及河道整治规划相对滞后，大部分河道都属于天然河道，赤石河现状防洪标准仅 20 50 年一遇。如何减轻或避免桥梁建设对河道防洪的影响，平衡城市防洪建设空间与城市道路建设空间，为城市建设预留足够防洪空间，成为涉河桥梁工程建设项目06信息化水利技术监督2023 年第 2 期工作的重点。因此，高精度的完成拟建复杂跨河桥梁工程对河道的防洪影响分析尤为重要。赤石河流域水系分布如图 1 所示。图 1赤石河流域水系分布图深汕特别合作区宜城大道(深汕大道至创智路)建设工程，主线全长 7.075km，规划为城市主干路，车道数为双向 8 车道，设计速度 60km/h。本工程在河道桩号 14+810 处跨越赤石河，设计为宜城大桥上跨，拟建桥梁处现状河道宽度 70m，规划河宽 80m。宜城大桥桥梁与河道水流交角 60，行洪断面内布置两排桥墩，桥墩轴线方向与河道水流方向一致，建设后桥梁阻水比为 4.5%。总平面布置图如图 2 所示，宜城大桥平图如图 3 所示，宜城大桥立面如图 4 所示。图 2总平面布置图图 3宜城大桥平图图 4宜城大桥立面2控制方程二维洪水演进模型是在二维浅水动力学的计算方法的基础上构建的。MIKE21 软件在模拟城市洪水二维漫流过程中可以真实地模拟出水面在道路、小区、绿地、河道等不同地形状况下漫流过程。模拟结果以数据、表格、图像、动画等形式输出，内容包括:洪水水量的空间分布、淹没范围、淹没水深、淹没历时。二维水动力学模型的控制方程包括连续方程和动量方程，其中连续方程为:Ht+Mx+Ny=q(1)动量方程为:Mt+(uM)x+(vM)y+gHZx+gn2uu2+v2H1/3=0(2)Nt+(uN)x+(vN)y+gHZy+gn2vu2+v2H1/3=0(3)式中，H水深;Z水位，Z=H+B，B 为地面高程;M、Nx 和 y 方向的单宽流量;u、vx 和 y方向上的流速分量;n糙率系数;g重力加速度;q源汇项。方程没有考虑科氏力和紊动项的影响。3数值模型建立3.1模型选定为了高精度分析拟建宜城桥梁建成后对河道洪水的影响，采用 Mike21 建立拟建桥梁上下游区域二维模型。二维模型需要高精度的河道水下地形基础资料，模型范围过大将增加工程的测绘成本。综合考虑拟建桥梁影响范围、模型分析成果精度要求及工程经济成本等因素，二维模型上边界取自拟建工程上游 700m 处，下边界取自工程下游 360m 处，模拟水域面积约 0.099km2。同时，二维模型需要确定下边界水位、上边界162023 年第 2 期水利技术监督信息化洪水、内边界区间洪水等边界条件。由于赤石河基本为天然河道，下游入海，合作区防洪潮规划及河道整治规划暂未发布。因此，需从河口往上游推算相应工况下河道水面线来确定二维模型下边界水位。为满足模型分析成果精度要求，采用 Mike11建立赤石河河口至二维模型下边界段(长 14.45km)一维 模 型，Mike 一 维 模 型 与 逐 段 试 算 法、HEC-AS模型等水面线推算方法对河道地理特征参数数据要求一样，仅需要河道断面(实测或规划，根据模拟工况而定)数据。3.2计算工况及边界条件本次模型计算的步骤包括工程前和工程后，其中工程前的建桥前现状与规划河道边界结合的地形条件见表 1，而工程后在工程前的基础上，考虑宜城大桥的桥墩布置，见表 2。表 1一维模型边界条件情况统计表计算工况设计工况下边界设计潮水位/m上边界设计洪水/(m3/s)0.5%20%0.5%20%备注工况现状3.27750.32.221920.4洪潮外包工况规划3.27750.32.221920.4洪潮外包表 2二维模型边界条件情况统计表计算工况设计工况下边界设计洪水位/m上边界设计洪水/(m3/s)0.5%0.5%工况 工程前7.701920.4工况 工程后7.701920.43.3模型网格整个二维模型计算区域剖分采用不同大小的三角形网格划分方法。经过多次划分和调整，建立的模型所划分的网格地形能较真实地反映河道地形的实际情况。模型划分的网格地形如图 5 所示，模型研究范围内共布置 15284 个三角形网格单元节点数7968 个。对河道行洪断面内桥墩区域网格加密并将内部节点对应的床面高程修改为工程完工后的地形高程(也可采取直接封堵网格)概化处理，如图67 所示。4数值结果分析4.1平面流态与流速变化分析为了便于分析，在工程附近及其上下游河道布置了 60 个采样点，如图 8 所示，工程前模拟区域整体流态如图 9 所示，工程后模拟区域整体流态如图 10 所示，拟建工程附近流速变化等值线如图 11所示，工程前后水位、流速、流向变化统计见表34。从模拟区域整体流态看，赤石河河道流态平顺，局部无急流、旋流等紊乱不利流态。图 5工程前网格图图 6工程后网格图图 7工程后拟建工程位置局部网格图图 8采样点布置图从工程前后流场对比图及流向变化统计来看，拟建工程建设后，由于桥墩的阻水束流作用，桥墩附近局部产生绕流，部分测点流向偏转较大，流场有所变化，32、34、49 采样点位于桥墩附近及近岸处，流向变化较大，其余采样点流向变化范围在26信息化水利技术监督2023 年第 2 期图 9工程前流场图10 6之间。从工程前后流场对比图可以看出，工程前后流场变化较小，河道内整体流态平顺，工程对河道整体流态及流势的影响较小。图 10工程后流场图图 11工程后流速等着线图根据工程附近流态图及流速变化统计成果，赤石河 200 年一遇洪水工况下，工程实施后，采样点流速减小最大值为 0.17m/s，流速增加最大值为0.07m/s。根据工程前后的流速变化等值线图可以看出，工程对流速影响范围整体分布形状和规律类似，桥墩前后局部区域流速减小，相邻桥墩之间流速有所增加，符合桥墩对水流的一般性影响规律。通过工程前、工程后的水位、流速、流向对比表可看出，该项目在水域内立墩对赤石河的行洪影响较小。由此可见，宜城大桥建设后，赤石河整体流态平顺，流速变化区域主要局限在桥址附近，流速变化幅度及影响范围均不大，拟建工程对所在河道整体流速、流态影响不大。4.2滩槽和河岸变化分析工程后桥墩立于河床，引起河道地形变化。由于桥墩阻水引起过水断面面积的变化，减少了断面的有效过水宽度，工程建设将引起工程附近河道的调整。由于工程后对河道的流速、流态变化的影响表 3水位变化统计表(p=0.5%)单位:m采样点工程前工程后差值(后 前)17.827.820.0027.687.680.0037.667.660.0047.967.960.0058.008.000.0067.907.900.0077.977.980.0087.967.970.0198.158.180.02108.208.230.02118.328.340.02128.358.370.02138.448.460.02148.788.790.02158.798.810.02168.848.850.02178.848.860.02188.838.840.02表 4流速变化统计表(p=0.5%)单位:m/s采样点 工程前 工程后差值(后 前)采样点 工程前 工程后差值(后 前)194.064.050.01403.663.670.01203.243.230.01413.583.590.01213.173.160.01423.703.670.03223.223.210.01435.044.970.08233.923.910.02444.744.810.07243.803.790.01453.363.380.02253.153.140.01463.393.400.01263.203.190.01473.623.600.02273.503.490.01484.484.460.02284.524.500.02494.494.440.04294.344.330.01503.483.500.02303.283.270.01513.513.510.00313.353.340.01524.374.360.01323.573.550.02534.164.130.03334.434.410.02543.453.470.01345.235.230.00553.543.550.01353.613.620.01564.364.360.00363.573.580.02574.304.270.03373.613.600.01583.493.490.00385.114.930.18593.483.490.01395.045.050.01605.605.610.00362023 年第 2 期水利技术监督信息化有限，工程对河槽形态变化的影响也局限于该区域，主要表现在拟建宜城大桥桥墩靠近赤石河左右岸岸坡，流速变化幅度较小。此外，桥墩阻水，桥墩两侧局部水流发生紊动，可能产生局部淘刷、冲深，但局部冲刷和冲深较弱。综上所述，拟建工程对滩槽变化的影响较小，仅限于墩周范围，工程对所在河道的河势稳定和岸线变化的影响较小。5结语本文为评估拟建复杂跨河桥梁工程对河道的防洪影响，依托宜城大桥工程，运用 Mike 11 一维模型及 Mike 21 二维模型，模拟了赤石河建桥前后河道水流水位、流速及流向的变化。研究结果表明，200 年一遇洪水工况下，最大壅水高度为 0.02m;通过工程前、工程后的水位、流速、流向对比表可看出，该项目在水域内立墩对赤石河的行洪影响较小。宜城大桥建设后，赤石河整体流态平顺，流速变化区域主要局限在桥址附近，而对所在河道整体流速、流态影响不大。因此，在有限资料条件下采用多模型结合运用，可以低成本高精度完成涉河建设项目对河道洪水影响分析计算。参考文献 1魏杰，任大伟，杨伟明，等 超大城市系统化内涝防治规划探索与实践J/OL 给水排水:1-7 2022-07-31 2刘妍，司海燕，杨泽运，等 智慧城市内涝灾害评估体系构建J 测绘工程，2022，31(4):57-66 3朱勍，田敏敏，胡德，等 我国中部地区城市历史水系结构性修复与内涝治理研究:以河南省典型城市为例J/OL 水利学报:1-13 2022-07-31 4吕金燕，沈旭，赵梦阳 基于 SWMM 模型的城市排水能力与内涝风险评估 J 市政技术，2022，40(7):237-241 5王德康，田艳，王教铎，等 中小型城市防涝专项规划编制重点探讨与实践 J 市政技术，2022，40(7):252-258 6李子钰，余嵘，房平 基于 Mike Urban 的城市易涝区分析与优化J 中国资源综合利用，2022，40(3):61-63 7房亚军，于川淇，金鑫 基于 SWMM-CCHE2D 耦合模型的海绵城市内涝管控效果评价J 吉林大学学报(地球科学版)，2022，52(2):582-591 8刘媛媛，刘业森，郑敬伟，等 BP 神经网络和数值模型相结合的城市内涝预测方法研究J 水利学报，2022，53(3):284-295 9陈光照 城市内涝过程高效高分辨率模拟预报方法研究D 西安理工大学，2021 10徐美，刘舒，孙杨，等 利用洪涝模型进行城市内涝风险快速识别与预警 J 武汉大学学报(信息科学版)，2020，45(8):1185-1194 11杨东，侯精明，李东来，等 基于扩散波方法的管网排水过程数值模拟 J 中国给水排水，2020，36(15):113-120 12杨东，侯精明，李丙尧，等 无资料城区管网排水过程概化模拟研究 J 水资源与水工程学报，2020，31(3):139-144 13卢健涛，侯贵兵，李媛媛，等 城市内涝决策支持系统的研究及展望 J 人民珠江，2020，41(2):134-139，146 14王玉玺，李硕 基于 GIS 和 S 的城市内涝监测预警系统J 洛阳理工学院学报(自然科学版)，2013，23(4):64-65，74(上接第 15 页)例如相关单位应对工程建设单位加强监督管理，要求其立行立改，完善施工现场水土保持措施布置，减少水土流失。(2)水以水污染排查与治理为主。例如根据水质监测数据，评价时段水质最差项目为氨氮指数，建议全面摸查，加强水质专项整治行动，恢复水体自然净化能力，控制面源污染进入河流。(3)生物以恢复流域生态系统为主，例如禁止非法捕捞，科学增殖放流，构建鱼类食物链，营造鱼类良好生境。(4)社会服务功能以进一步提升河湖环境，提高公众参与度，协同开展流域内生态环境保护功能为主。(5)本文讨论的流量过程变异程度主要为巢湖入塘西河的实测流量，并未考虑饱和地面、超渗地面、地下水等径流对河道流量影响，本文分析结果可能与 Tennant 法结果有差别。参考文献 1曾雯禹，王立权，李铁男，等 基于层次分析法的倭肯河干流下游健康评估分析 J 水利科技与经济，2020(8):18-21 2赵科学，王立权，李铁男，等 关于河湖健康评估中指标赋分方法的优化J 水利科学与寒区工程，2021(3):10-13 3曾雯禹 基于 AHP-熵权法和物元可拓模型的倭肯河干流健康评价研究D 黑龙江大学，2021 4方云详 安徽省典型流域生态系统健康评价及管理对策研究 D 中国科学技术大学，2020 5尚文绣 基于水文要素的河流健康评价及其生态用水调度研究 D 清华大学，2017 6郭志阳 南淝河健康状况分析评估J 水利技术监督，2022(7):113-115 7莫启导 城市河道水体生态疏浚综合治理的实践研究J 水利技术监督，2022(9):253-255 8罗文刚，方凯，陈博，等 无定河流域水环境综合治理与高质量发展重点任务分析J 水利规划与设计，2022(10):4-7 9袁志毅 塔里木河流域生态补水问题及对策建议 J 水利规划与设计，2022(10):8-10 10GB 38382002 地表水环境质量标准 S 46