二维水动力学模型在堤防退建方案比选中的应用

汪 然,王露露,海 燕

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 研究背景

沙颍河是淮河最大的支流，安徽省境内称为颍河。颍河历史上受到黄泛影响，弯曲河段多，两岸滩地淤积高，堤外滩地生产圩众多，居住着大量人口。多年来生产圩一直缺少系统治理，堤身单薄，堤顶高矮不一，堤顶宽度较窄，防洪标准偏低，圩内群众防洪安全得不到保障，且严重影响河道泄洪能力。安徽省颍河综合治理项目坚持“以人为本、人水和谐”的基本原则，按照“还河一批、限制一批、提高一批”的治理思路，结合颍河干流疏浚等工程措施，因地制宜，实行圩口分类治理，分级设防。

芦华圩是颍河左右堤之间典型的生产圩，位于阜阳市颍州区东，颍河南岸，占地面积7.73 km2，保护人口10 848人，保护耕地面积9 236亩。因人口较多、经济地位相对较高，规划作为提高类圩口，按照20年一遇防洪标准退建、加固堤防。芦华圩东段(罗王庄～前竹园段，桩号106+244.1～109+390)河道弯曲系数高达2.67，属于非常弯曲河流，现有圩堤阻水，堤防冲刷严重，堤防高度高低不一，规划对该段进行堤防退建加固，以改善河道水流状态。目前规划退堤方案有3种待选，堤防退距分别是80 m、280 m、480 m，分别命名方案1、方案2、方案3(图1)。本文通过MIKE21软件，建立此段河道及河滩地的二维水动力模型，对现状及三种规划方案的水流流场进分析，为方案比选提供依据。

图1 芦华圩现状堤防及规划退堤方案

2 模型建立

2.1 数学模型

本次分析需建立芦华圩东段、颍左堤及颍右堤之间的二维模型。考虑到颍河干流河道区域内地形变化大，河流主槽、河滩地、部分规划废弃的生产圩(武庙圩)之间的水流相互影响，结合工程情况选用MIKE21三角形非结构网格构建模型。该方法具有复杂区域适应性较好、局部加密灵活和便于自适应的优点，能够很好地模拟自然边界、各种构筑物及复杂的水下地形的优点，可以提高模拟精度[1,2]。

MIKE21二维水动力模型建立步骤包括：确定研究范围，添加高程信息，剖分网格，确定参数，添加生产圩等建筑，确立边界条件[2-4]。

2.2 计算范围确定

如果单独建立芦华圩东段约3 km的颍河河道的二维水动力模型，因为距离较短，颍河左右堤之间的河滩地较宽，计算结果容易出现发散的情况，故选择颍河阜阳闸下(桩号124+751.7)～孙庄(桩号90+172.4)约34.6 km段主槽、河滩地及生产圩建立更长的模型。分析流场时，再针对芦华圩东段进行分析。

2.3 网格剖分

网格剖分基于实测的地形数据，建立区域整体地形变化的不规则三角形网格，采用不同的分辨率和网格尺度。对河道和生产圩(及滩地)，分别采用边长约50 m和100 m的三角形网格划分，并对局部复杂的地形地貌进行加密。以期更精确地描述出河道的水流状态。

2.3 糙率及边界条件的选取

糙率采用《淮河中游河道水动力数学模型及应用》等文献[5,6]及已批复的《沙颍河近期治理工程可行性研究报告》[7]中的成果。研究对象位于阜阳闸至颍上闸段，主槽、滩地糙率[8-10]分别选取为0.0225、0.0375。

根据实测水文资料、河道工情、历史洪水等情况，结合2020年6月安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司的测量成果，通过MIKE11一维河网模型提取结果为试算标准，得到规划20年一遇的水位、流量值。模型上边界(阜阳闸下)采用流量控制，下边界(90+172.4桩号)采用水位控制，阜阳闸下设计流量为3 760 m3/s，90+172.4桩号水位为29.95 m。

3 结果综合分析

3.1 局部流速分析

现状及三种规划退堤方案的河道及河滩地在芦华圩东段的20年一遇洪水流速分布图如图2～5所示(其中规划武庙圩堤防废弃，芦华圩、河北圩圩堤退建且加高；规划方案均对河道进行了疏浚)。总的来说，堤防的退建改善了颍河主槽的水流状态。具体情况如下：

(1)随着堤防退建堤距的加大，河槽流速总体变小。

(2)方案2相较于方案1，河道主槽流态改善明显。方案1的主槽弯曲段曲率最大位置出现了较大流速区域(1.4 m/s以上)；方案2中该位置相对上下游流速较为均匀，无明显增大的区域。

(3)方案3和方案2相比，主槽流速得到了一定的减少，但不明显；方案3在主槽弯曲段曲率最大位置出现了游流速较低的区域(小于1.1 m/s)；方案3在芦华圩规划堤线与主槽之间的大片滩地，流速较低(普遍小于0.5 m/s)。

图2 现状20年一遇洪水河槽滩地流速分布图

图3 规划方案一20年一遇洪水河槽滩地流速分布图

图4 规划方案二20年一遇洪水河槽滩地流速分布图

图5 规划方案三20年一遇洪水河槽滩地流速分布图

综上所述，方案2的局部流速较好，主槽流速最为平顺，且河滩地流速不会过低。

3.2 平均流速分析

对河滩地及主槽的网格的流速分别进行计算，得到河滩地及主河槽的平均流速如表1所示。总的来说，随着堤防退距的增大，主槽和河滩地的平均流速整体在变小；方案2、3和方案1相比，流速减小非常明显(河滩地分别为0.18、0.21 m/s，主槽分别为0.06、0.07 m/s)；但是方案2和方案3之间的流速差距非常小(河滩地与主槽分别为0.03、0.01 m/s)。

表1 河滩地及主河槽20年一遇洪水平均流速(单位：m/s)

3.3 水位分析

读取模型中芦华圩东段上下游水位，结果如表2所示。总的来说，退堤后芦华圩东段水位有较为明显的减小，随着堤防退距的增大，芦华圩东段水位变低；方案2、3和方案1相比，水位减小非常明显；但是方案2和方案3之间的水位差距非常小(仅0.01 m)。

表2 20年一遇洪水水位计算表(单位：m)

3.4 退堤方案选择

经以上分析表明，芦华圩段在退堤后，不同退距方案均会对水流的流场流态产生不同程度的影响。首先，退堤对主槽及河滩地流态、平均流速、水位都有着明显的改善；随着退距的增大，平均流速和水位均会变小，但是规划方案2和3差别相对较小，说明在堤防退距达到280 m之后，再增加堤坊退距，虽然会极大地增加工程及拆迁成本，但是对平均流速和水位条件改善不明显；且主槽及河滩地流态，方案2相较于方案3为佳。综上，选择规划方案2作为芦华圩东段退堤方案。

4 结束语

本文利用MIKE21建立平面二维水流运动数学模型，来模拟研究对象处的二维流场。计算结果从局部流速、平均流速、水位方面分析了不同的堤防退建方案对河道及河滩地水流状态的改善情况，为芦华圩东段堤防退建工程选取最优方案提供了依据。