基于河网水动力模型的广州市珠江三角洲河涌整治方案研究

基于河网水动力模型的广州市珠江三角洲河涌整治方案研究

0广州市河道概况江湾位于广州市中心西部。是广州独特的岭南特色城市和中心城市，也是广东佛都市圈的中心区域。西关是一个有着美丽风景的大城市，盛开着岭南湾和美丽的荔枝湾。全区由珠江广州河道的西航道、后航道以及三尾冲、佛山水道和平洲水道所环绕,是广州市唯一拥有一河两岸的城区,区内河涌纵横,水岸线长42.4km,其中珠江岸线长25.3km,河涌103条,总长达98.5km。荔湾区河涌没有统一整治,大多数河涌淤积严重。由佛山方向进入广州市的河流污染重,区内大部分河涌污染严重,大多数河涌水质较差,涌水黑臭。现有河涌防洪排涝能力普遍偏低,大部分河涌没有达到20年一遇防洪排涝标准。荔湾区河涌与水利工程现状跟城市建设及总体规划不相适应,需要对区内的河涌进行整治。本文采用河网水动力数学模型,从排涝的角度进行荔湾区河涌整治方案的比较、分析和研究。1暴雨强度大,降雨多,影响开发广州市濒临南海,属南亚热带季风气候区,具有温暖多雨、光热充足、温差较小、夏季长、霜期短等气候特征。据统计,广州市多年平均降水量为1758mm。降水量年内分配不均,冬春少,夏秋多,降雨多集中于汛期(4-9月),占全年的80.6%,尤其以5-6月雨量最大,占全年的32.7%,降雨最小是12月,占全年的1.8%,24小时最大降雨量281.9mm(1955年6月6日)。广州市区暴雨以锋面雨和台风雨为主,大暴雨中台风雨占主要地位。台风雨的特点是雨区范围广,量级高,时程分配较均匀,三天雨量不大,降雨主要集中在前12h内。非台风雨虽然量级不及台风雨,但局部性强,时程分配很集中,一般由2～3场雨组成,所以三天雨量相对较大,对排涝很不利。广州片水系河网纵横交错,其径流主要来自流溪河、北江,影响荔湾区的外围洪水主要来自流溪河和北江分流的洪水。本区的潮汐为不规则半日潮,广州片河网属强潮河段,受潮汐影响显著。本区河道汛期既受上游流溪河的洪水和来自北江分流洪水的影响,又受东江洪水的顶托,更受来自珠江口伶仃洋的潮汐作用,在上游径流和下游潮汐的共同作用下,洪潮交汇,水流形态十分复杂。2数学模型2.1闸、泵水力学特征荔湾区河涌水系属感潮河网水系,采用河网水动力模型进行荔湾区南片——芳村地区河涌整治方案的比较研究。河网水流控制方程为描述一维非恒定流运动的圣维南方程组:⎧⎩⎨⎪⎪∂A∂t+∂Q∂x=q∂Q∂t+∂∂x(αQ2A)+gA∂h∂x+g|Q|QC2AR=0(1){∂A∂t+∂Q∂x=q∂Q∂t+∂∂x(αQ2A)+gA∂h∂x+g|Q|QC2AR=0(1)式中:x、t分别为距离和时间的坐标,m,s;A为过水断面面积,m2;Q为流量,m3/s;h为水位,m;q为旁侧入流流量,m3/s;C为谢才系数,m1/2/s;R为水力半径,m;α为动量校正系数(无量纲数);g为重力加速度,m/s2。荔湾区河网内有大量的水闸、泵站等水工构筑物。在这些构筑物处,根据闸、泵的水力学特征作特殊处理。荔湾区河网水系的水闸绝大多数属于宽顶堰式水闸,在模型中闸、泵通常作为流量点处理,根据相邻水位点水位关系采用宽顶堰水闸的堰流或孔流流量公式计算过闸流量。2.2河流地形及排放系统模型计算范围为自老鸦岗至黄埔站的珠江广州河段、佛山水道、平洲水道、陈村水道、三尾冲以及荔湾区南片——芳村地区所有主要的河涌,见图1。计算范围内白坭水、前航道、后航道、佛山水道、平洲水道等外江和花地河的河道地形采用1999年测绘的地形资料,区内河涌断面地形采用2003年年底测量的河涌横断面地形数据。荔湾区已建城区、规划城区排涝标准为20年一遇24h暴雨不成灾,农业区排涝标准为10年一遇24h暴雨不成灾。河涌排涝受外江水位的影响,根据以往的规划与研究,选用20年一遇和10年一遇24h暴雨碰外江年最高洪潮水位均值潮型为排涝计算条件。2.3实测水位变化本研究选用2008年3月20-25日芳村围的实测资料对数学模型进行率定,部分率定站验证结果见图2。率定结果显示,F2闸、F5闸、F6闸以及F3、F4、F8、F9、F13、F16等测站的实测水位与计算水位变化规律基本一致,计算值与实测值的误差都在允许的范围内,说明模型基本反映了计算河网水域的水流运动规律,可利用率定后的模型进行荔湾区河网水系规划方案的比较和计算。3计算和分析系统3.1潮位过程线确定采用已经率定的荔湾区河涌水系水动力数学模型,对荔湾区芳村地区的河涌水系格局和工程布局方案进行排涝计算。根据本区域排涝标准,重点对20年一遇暴雨洪水进行计算。经荔湾区外围站实测潮位资料分析,选取广州浮标厂站1994年7月23日0时-24日0时的潮位过程线作为广州浮标厂站年最高潮位均值潮型和荔湾区排涝计算的外江设计潮型,荔湾区外围老鸦岗、沙洛围、大石、黄埔站等边界站亦采用同期的潮位过程线。荔湾区内河涌暴雨产流流量过程线作为内部流量边界条件纳入模型进行计算,各涌产流按点源处理,计算中各涌洪水均按归槽处理。排涝计算各内河涌初始水位统一采用0.30m(芳村围汛期的景观低水位),水闸调度采用排涝调度规则,各水闸均按尽量排水(闸内水位高于闸外水位就开闸排水,闸内水位低于闸外水位则关闸挡水)进行调度。3.2河涌清淤和疏浚根据芳村地区河涌与工程情况,拟定排涝计算方案如下:(1)现状方案:将芳村地区现状河涌、连通情况和河涌工程布局作为排涝计算的基准方案,称为“现状方案”。(2)疏浚方案:在“现状方案”基础上进行河涌清淤或疏浚的方案,称为“疏浚方案”,疏浚/清淤控制高程为-1.0m、-1.5m。(3)基本规划方案:将在现状河涌和工程布局上进行河涌疏浚和河涌出口新建水闸的方案作为河涌整治规划的基本工程方案,称为“基本规划方案”,基本规划方案1新建塞坝闸、葵蓬闸,基本规划方案2进一步新建花地河南、北闸和广佛闸。(4)连通方案:在基本规划方案的基础上,通过河涌连通和打通断头涌实现水系的调整,称为“连通方案”,进行5种水系连通方案的比较。(5)推荐方案:通过排涝与水环境计算成果分析,综合选定的河涌疏浚、水系连通、河涌规模及水闸规划的工程方案。3.3排水计算的结果分析(1)河涌未达到20年一遇排放目标的干旱因素计算结果显示,芳村地区现有河涌断面堤岸高程高于20年一遇排涝峰值水位的主要有剑沙涌、地铁B涌、地铁C涌、滘口涌、南漖西涌、塞坝涌、小涡涌等河涌,区内大多数河涌未完全达到20年一遇排涝标准,河涌沿岸部分位置峰值水位高于堤岸高程,海龙围内没有一条河涌完全达到10年一遇排涝标准。(2)河涌疏浚方案对现状河涌进行疏浚后,芳村地区绝大多数内河涌峰值水位有所降低,菊树北涌、牛肚湾涌、塞坝涌、郭村涌、生南涌等河涌峰值水位约降低0.04～0.08m,其他河涌与现状方案的差值在0.03m以内,说明河涌疏浚或疏浚对降低芳村地区的河涌排涝水位有一定效果,但作用较小。(3)河涌排盐方案计算成果分析显示,基本规划方案1疏浚河涌及新建塞坝闸、葵蓬闸后,郭村涌、秀水涌、牛肚湾涌等断头涌闸内计算断面峰值水位均较现状方案明显下降,五眼桥涌、塞坝涌等非断头涌峰值水位较现状方案有所上升,葵蓬围与新建水闸有水力联系的河涌新建水闸后峰值水位较疏浚方案有所升高(郭村涌除外),这可能与塞坝闸、葵蓬闸排水能力比天然河涌低有关。其他片区的河涌排涝水位变化不大。基本规划方案2进一步新建花地河南、北闸及广佛闸后,除海龙围的江尾涌、虾庙涌等河涌峰值水位基本不变外,区内与新建水闸和花地河有水力联系的河涌排涝水位明显下降。这些情况说明,新建塞坝闸、葵蓬闸对葵蓬围排涝总体上弊大于利,基本规划方案2新建5座水闸可明显提高芳村地区的防洪排涝能力,其效果优于基本规划方案1。(4)洪水水位分析成果比较分析显示,对连通方案1,郭村涌、秀水涌与塞坝涌的峰值水位较现状方案明显降低,其中秀水涌下降了0.21m,郭村涌下降了0.06m,牛肚湾涌下降了0.07m,但五眼桥涌、滘口涌、大冲口涌等涌排涝水位明显上升;对连通方案2,除郭村涌、滘口涌、塞坝涌的峰值水位较连通方案1约高0.05m外,其余断面排涝峰值水位与连通方案1基本相当。对连通方案3、4,除滘口涌的峰值水位较现状方案1约高0.13m外,大多数断面峰值水位较现状方案、连通方案1、连通方案2明显降低,连通方案4除郭村涌、增漖涌的峰值水位较连通方案3约高0.06m外,其余断面排涝峰值水位与连通方案3基本相当。因此,连通方案对降低其关联河涌排涝水位效果明显,新建水闸、河涌连通是改善芳村地区排涝状况、降低内河涌排涝水位的有效措施。(5)河涌断面水位上升分析跟现状方案相比,除葵蓬围的郭村涌、秀水涌、牛肚湾涌等河涌水位有所上升外,推荐方案多数河涌排涝峰值水位有所降低,多数河涌和断面排涝水位明显降低。跟连通方案4和广州水电设计院深化方案相比,除葵蓬围的郭村涌、秀水涌、牛肚湾涌等河涌水位有所上升外,推荐方案大多数河涌计算断面排涝水位与连通方案4、广州水电设计院深化方案基本相当。因此,推荐方案可明显降低芳村地区内河涌河网区的排涝水位,其规划的河涌水系格局、河涌规模和工程布局对排涝而言是合理的。由于部分断面峰值水位仍然高于当地堤岸高程,20年一遇最高计算水位基本在2.50m以内,如芳村地区沿涌地台高程能逐步达到2.50m以上,则各河涌堤岸高程将高于20年一遇排涝峰值水位。考虑到海龙围和部分建成区抬高沿涌地台高程实施难度很大,多数河涌近期还须结合沿涌堤岸加高加固来达到相应的排涝标准。4驳岸洪水排盐型。在20年一遇在根据荔湾区河涌水系整治研究的需要,在现场调查、资料成果收集与分析的基础上,建立并采用河网一维水动力数学模型对广州市芳村地区不同河涌整治方案的排涝状况进行了计算、分析。主要结论如下:(1)排涝状况分析显示,芳村地区现有河涌断面堤岸高程高于20年一遇排涝计算峰值水位的主要有剑沙涌、地铁B涌、地铁C涌、滘口涌、南滘西涌、塞坝涌、小涡涌等河涌,区内大多数河涌未完全达到20年一遇排涝标准,河涌沿岸部分位置排涝峰值水位高于堤岸高程,海龙围内没有一条河涌完全达到10年一遇排涝标准。(2)河涌出口