轨道交通建设对蓄滞洪区运用影响研究

张 慧，李会云，崔占峰

(长江科学院 河流研究所, 武汉 430010)

轨道交通建设对蓄滞洪区运用影响研究

张 慧，李会云，崔占峰

(长江科学院 河流研究所, 武汉 430010)

随着经济社会快速发展和人口增加，城市附近蓄滞洪区内轨道交通项目建设速度明显加快，国内外就其项目建设对蓄滞洪区运用产生的影响研究较少。以武汉市轨道交通21号线工程为例，采用动边界模拟技术,建立蓄滞洪区二维水流数学模型，在此基础上就轨道交通建设项目对蓄滞洪区运用的影响进行分析研究。研究成果表明:武湖蓄滞洪区内轨道交通工程桥墩、车站等占用有效蓄滞容积相对较小；工程建设对蓄滞洪区分洪流量、历时、水位及流场过程的影响较小，对蓄滞洪区退洪流量、历时、水位及流速过程等影响不大，不会对蓄滞洪区运用带来明显不利影响，其研究方法及成果可供工程规划设计单位及防洪管理部门参考。

轨道交通；项目建设；蓄滞洪区；数学模型；分洪影响；退洪影响

1 研究背景

我国南方多暴雨洪水，洪涝灾害频繁。在修建水库拦蓄洪水，加固江河堤防、利用河道排泄洪水的同时，设置一定数量的蓄滞洪区，适时分蓄超额洪水、削减洪峰，对保障重点地区、大中城市和重要交通干线防洪安全，最大程度地减少灾害损失具有重要作用。蓄滞洪区地势低洼，历史上一般都是经常受淹的地区，区内人员相对稀少，曾是限制发展的区域。但随着经济社会发展和人口增加，部分城市在蓄滞洪区内或穿越蓄滞洪区进行轨道交通建设，以支撑城市空间拓展，构建城市综合交通体系。

轨道交通为线状工程，其项目建设可能对蓄滞洪区的分洪运用产生一定影响，但国内外对其研究较少。1996年，周孝德等[1]用二维洪水演进的隐式差分格式，对君山蓄滞洪区扒口运用进行洪水演进模拟计算；2012年刘战友等[2]、2013年魏凯等[3]采用MIKE21模型分别对海河大黄铺洼、淮河濛洼蓄滞洪区开闸分洪进行洪水演进分析或模拟；2014年，段扬等[4]基于EFDC模型对漳卫河流域大名蓄滞洪区洪水进行演进模拟，张细兵等[5]进行了基于Google Earth的分蓄洪区水沙模拟与演示系统研究。上述研究主要集中于蓄滞洪区运用时洪水过程数值模拟，对蓄滞洪区内项目建设，特别是轨道交通建设对蓄滞洪区的分洪和退洪等影响基本没有涉及。本文以武汉市轨道交通21号线工程为例，采用动边界模拟技术,建立蓄滞洪区二维水流数学模型，在此基础上就轨道交通工程建设对武湖蓄滞洪区的运用影响进行研究。

2 研究区概况及二维水流数学模型构建

2.1 研究区概况

武湖蓄滞洪区为长江中下游40个蓄滞洪区之一，位于长江中游武汉关水文站下游16 km，蓄滞洪面积为277.9 km2，蓄洪水位27.00 m(1985国家高程基准,下同),扒口进洪流量5 000 m3/s，有效蓄洪容积18.1亿m3，区内地面高程大部分在17.5～20.5 m[6]。武汉市轨道交通21号线工程从武湖大堤桩号K16+140附近进入武湖蓄滞洪区，跨越低排渠、泵站河、长河等河渠后，于武生站附近出蓄滞洪区，全程高架穿越武湖蓄滞洪区，桥跨跨径一般为25 m，穿越线路总长约17 km，设有武湖大道站、梅教街站、武湖站、沙口站、军民村站、武生站及武湖停车场，车站采用高架3层侧式结构，轨面高程35.22～39.51 m[7]。

2.2 蓄滞洪区二维水流数学模型构建

2.2.1 基本原理与方程的离散

水流连续性方程为

；

(1)

水流运动方程为：

(2)

(3)式中：Z为水位(m)；h为水深(m)；u,v分别为垂线平均流速在x,y方向的分量(m/s)；M,N分别为单宽流量在x,y方向的分量(m2/s)，M=hu，N=hv；n为曼宁糙率系数；g为重力加速度(m/s2)；t为时间。

模型采用有限体积法计算，模型把计算区域按划分的网格离散为若干点，以这些点为中心，把整个计算区域划分为若干互相连接但不重叠的控制体。在计算中，基本方程对每一控制体进行积分，得到一组以控制体特征量平衡的物理量为未知数的代数方程组，同时沿x,y坐标方向对方程组进行离散，形成的离散方程与有限差分法相似。该方法兼有有限差分法物理概念清晰和有限元法适应不规则网格、复杂边界情况及计算精度高等方面的特点。

2.2.2 边界条件

计算区域为整个武湖蓄滞洪区，蓄滞洪区的围堤为其物理边界，以武湖干堤的沙口分洪口门为进流边界，以武湖干堤的沙口退洪口门为出流边界，计算网格采用100 m×100 m直角网格。

据相关实测资料分析，蓄滞洪区运用时分洪口门起始阶段冲刷扩宽发展速度较快，冲刷强度逐渐增大，达最大值后，口门冲刷强度逐渐减小，溃口口门的冲刷扩宽发展速度减弱，口门宽逐渐稳定至设计扒口宽度，其口门扩宽率经验公式[6]为

(4)

式中：Rb为口门平均扩宽率(m/h)； dZ,dZmax分别为分洪口门处外江水位与蓄滞洪区内蓄洪水位水头差和最大水头差(m)。

蓄滞洪区内建筑物的概化分别采用区域地形修改和加糙方法处理，前者是根据建筑物的面积，将这些计算网格节点地形进行修改；后者是将建筑物处的计算网格进行糙率调整，以反映其影响。

在计算过程中，计算域内部分节点在涨水时会被“淹没”，在落水时会“干出”。为正确反映这部分节点的干湿变化，模型中采用了以下动边界模拟技术，即选定一临界水深(hmin取为0.001 m)，当某时刻某节点实际水深(水位减去蓄滞洪区地面高程)小于临界水深时，认为该节点“干出”，令该点流速为0，水深为临界水深，水位值由附近非“干出”点水位值外插值得到；当某时刻某节点实际水深大于临界水深时，则恢复程序计算。

2.2.3 模型率定

数模计算涉及的主要参数有糙率、紊动黏性系数等。其中糙率实际上是一个综合阻力系数，反映了计算河床河岸阻力、河道形态变化、水流阻力及地形概化等因素的综合影响。由于武湖蓄滞洪区建成后没有蓄滞洪运用过，无实测分洪资料，建立的模型无法进行率定和检验，因此，根据杜家台等有关蓄滞洪区的分析成果，计算中采用的糙率如下：树林0.070，旱地0.065，水田0.050，水面0.025。如果某网格内含有多种地形，则按照各种地形糙率的加权平均值确定该网格的糙率。此外，依经验，糙率随水深增加而减小，并趋于稳定，据此规律确定洪水演进计算中网格的糙率。

紊动黏性系数υt采用下列公式,即

υt=αu*h 。

(5)

式中：α为常数，取为0.5；u*为摩阻流速。

3 对蓄滞洪区的运用影响分析

为反映轨道交通项目建设对蓄滞洪区的运用影响，主要基于构建的二维水流数学模型，通过对比轨道交通项目建设前后蓄滞洪区洪水演进的变化，对影响蓄滞洪区分洪和退洪的相关要素进行分析。

图1 轨道交通工程建设前后进洪流量减少值Fig.1 Decreases of flood discharge before and after the construction of rail transit project

3.1 对蓄滞洪区分洪的影响

3.1.1 对蓄滞洪区蓄洪容积的影响

计算表明，武湖蓄滞洪区设计蓄洪水位27.00 m时，轨道交通工程桥墩、车站、武湖停车场与综合基地等占用分蓄洪区容积33.20万m3，占蓄滞洪区有效蓄洪容积18.1亿m3的0.018%。由于蓄滞洪区的轨道交通项目一般为高架型式，桥墩、车站等对蓄滞洪区有效蓄洪容积影响较小。

3.1.2 对分洪流量的影响

二维水流数学模型计算结果表明(图1)，轨道交通建成后，在武湖分蓄洪过程中，前72 h内分洪流量的减小值均<1 m3/s；72 h后，分洪流量减少值明显开始增大，至106.33 h，减少值为6.08 m3/s，占设计分洪流量5 000 m3/s的0.12%。轨道交通工程建设对蓄滞洪区的进洪流量影响较小。

3.1.3 对分洪区流速过程的影响

轨道交通工程建设后，洪水到达工程线路北侧部分特征点的时间略有延缓，洪水波前峰过后流速达到峰值的历时较工程前略长，峰现时间较工程建设前增加值为0.07 h，流速峰值较工程建设前小0.042 m/s。工程线路中部南侧及工程较远特征点流速峰现时间和峰值基本不变，水流流场变化很小(详见图2及表1)。

图2 轨道交通工程建设前后分洪流场变化对比(t=60 h)Fig.2 Comparison of flow field of flood diversion before and after the rail transit project construction(t=60 h)

Table 1 Peak flow velocity and flood peak appearance time at some feature points before and after the construction of rail transit project

特征点流速峰值/(m·s-1)对应峰值出现时间/h位置编号建设前建设后差值建设前建设后差值线路左侧(西部)A0．3970．395-0．00252．2252．220线路下侧(西部)B0．0420．041-0．00137．7837．800．02线路上侧(中部)C0．0740．071-0．00354．4454．440线路下侧(中部)D1．7631．76300．180．180线路上侧(东部)E1．3711．329-0．0420．420．490．07线路下侧(东部)F1．4761．4780．0020．660．660

3.1.4 对分洪历时的影响

轨道交通建设后，线路北侧洪水到达某些特征点的时间有所滞后，如工程前洪水到达线路上侧E点的时间为0.42 h，工程后到达时间为0.44 h，较工程前延迟0.02 h。洪水到达工程线路南侧各监测点位置的时间基本不受工程线路的影响。当蓄洪量达18.1亿m3时，工程修建前后的分洪历时均为106.33 h，无明显变化。

3.1.5 对蓄洪水位的影响

受桥墩、车站等影响，轨道交通线路南侧的水位在水位上涨过程中，相对于工程前有所雍高，水位雍高最大值为5.6 cm；北侧的水位有所降低，水位降低最大值为4.9 cm，发生在分洪洪水流至E点后不久。水位雍高值和降低值随时间增长先增大再减少，各特征点在整个分洪过程中的平均水位变化均不足0.3 cm，工程的兴建对武湖蓄滞洪区的水位过程和最终蓄洪水位均无明显影响。详见图3。

图3 轨道交通工程建设前后部分监测点分洪水位过程线Fig.3 Time-history curves of flood diversion stage at some monitoring points before and after the rail transit project construction

3.2 对蓄滞洪区退洪的影响

3.2.1 对退洪流量的影响

二维水流数学模型计算结果表明，工程修建后退洪流量最大减小值约为5.57 m3/s，出现在退洪后15.56 h，拟建工程对蓄滞洪区最大退洪流量影响很小。

3.2.2 对蓄滞洪区内水位的影响

拟建项目为高架桥梁方式，阻水建筑物为桥墩、车站、武湖停车场与综合基地，阻水面积不大，数模计算结果表明，各特征点工程前后的退水水位过程线几乎没有差别，拟建工程对退洪水位影响很小。

3.2.3 对蓄滞洪区内退洪历时及流速的影响

项目建设后，在退洪过程中，工程北侧退洪略有滞后，南侧略有提前或不变，但流速变化值及流速过程变化均很小，工程对退洪历时及流速影响很小。详见图4。

图4 轨道交通建设前后退洪过程中特征点流速过程线Fig．4 Comparisonofvelocityvs．timeoffloodfallatfeaturepointsbeforeandaftertheconstructionofrailtransitproject

4 结 论

(1) 基于有限体积法的蓄滞洪区二维水流数学模型采用动边界模拟技术，考虑了分洪口门动态扩宽变化影响，并对蓄滞洪区内建筑物进行区域地形修改与加糙处理，能有效地对蓄滞洪区分洪和退洪过程进行数值模拟。

(2) 蓄滞洪区内轨道交通工程主要为高架桥梁方式，一般轨面和站台面层高程均高于设计蓄洪水位，对蓄滞洪区运用影响研究时，一般要对高架桥梁等建筑物进行概化处理，在此基础上就项目建设对蓄滞洪区运用影响进行计算分析。研究表明，轨道交通建设项目占用武湖蓄滞洪区有效蓄滞容积相对较小，对蓄滞洪区分洪流量、历时、水位及流场过程的影响较小，对蓄滞洪区退洪流量、历时、水位及流速过程等影响不大，不会对蓄滞洪区运用带来明显不利影响。

(3) 本文从洪水演进方面研究了轨道交通项目建设对蓄滞洪区运用的影响，下阶段可结合轨道交通工程与安全区、安全台等安全建设设施和蓄滞洪区围堤的交叉衔接情况，进一步综合分析轨道交通工程建设对蓄滞洪区运用的影响。

[1] 周孝德，陈惠君.滞洪区二维洪水演进及洪灾分析[J].西安理工大学学报，1996，12(3)：244-250.

[2] 刘战友，韩民安，赵英虎.大黄堡洼蓄滞洪区洪水演进过程分析研究[J].水科学与工程技术，2012，(4)：33-35.

[3] 魏 凯，梁忠民，王 军. 基于MIKE21的濛洼蓄滞洪区洪水演算模拟[J].南水北调与水利科技，2013，11(6)：16-19.

[4] 段 扬，廖卫红，杨 倩,等. 基于EFDC模型的蓄滞洪区洪水演进数值模拟[J].南水北调与水利科技，2014，12(5)：160-165.

[5] 张细兵，毛 冰.基于Google Earth的分蓄洪区水沙模拟与演示系统研究[J].长江科学院院报，2014，31(2)：8-11.

[6] 长江水利委员会. 长江流域蓄滞洪区建设与管理规划报告[R].武汉：长江水利委员会，2012.

[7] 长江科学院. 武汉市轨道交通阳逻线(21号线)工程穿越武湖蓄滞洪区洪水影响评价报告[R].武汉：长江科学院,2015.

(编辑：占学军)

Influence of Rail Transit on Usage of Flood Detention Basin

ZHANG Hui, LI Hui-yun, CUI Zhan-feng

(River Department, Yangtze River Scientific Research Institue, Wuhan 430010, China)

With rapid economic and social development and population growth, rail transit project construction increases obviously at flood detention basin near big city, but few reasearchers turn their eyes to the influence of rail transit on usage of flood detention basin. In view of this, we take rail transit No. 21 in Wuhan as an example. We apply dynamic boundary simulation technology and establish a two-dimensional water flow mathematical model for the flood detention basin to analyze the influence on the basin. Results show that effective flood detention volume occupied by bridge pier or railway station is relatively small in Wuhu flood detention basin. Furthermore, project construction has little influence on flood diversion discharge, duration, water level and flow field. It is the same for flood fall discharge,so project construction doesn’t have obvious adverse impact on the usage of flood detention basin. Finally, the research method and results can be taken as reference for design companies and autorities of flood prevention.

rail transit； project construction； flood detention basin； mathematical model； influence on flood diversion； influence on flood fall

2015-11-06；

2016-03-15

国家自然科学基金重点项目(51339001)

张 慧(1971-),女，湖北蕲春人，高级工程师，硕士, 主要从事河流动力学与治河工程研究,(电话) 027-84238177 (电子信箱) zhangh314@126.com。

10.11988/ckyyb.20150943

2016,33(12):33-36

TV873

A

1001-5485(2016)12-0033-04