河岸景观改造工程防洪影响研究——以季华大桥上下游河段为例

王珍，黄广灵，刘琼

（1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东水利电力职业技术学院，广东 广州 51063）

随着城市的快速发展，城市生态系统日益恶化，从景观空间被压缩到河水污染与河流空间的低迷，再到越来越不能承受的空气污染，无一不显示城市生态环境的脆弱。伴随生态城市、园林城市运动的兴起，越来越多的城市开始加入到这一行列。本研究区域景观改造工程位于佛山市禅城区西部，潭州水道季华大桥上下游侧，是佛山市城市三年提升行动计划的重要项目之一，拟通过对季华大桥上下游侧河滩地景观改造，给广大民众提供一个良好的滨水和亲水环境，打造亮丽的城市风景线。基于此，本文以佛山市禅城区季华大桥上、下游河岸景观改造工程（以下简称“景观改造工程”）为例，对景观工程前后的行洪水位、流速、流量等水动力因素进行了计算和分析，研究景观改造工程对防洪系统的影响。

1 拟建项目概况

景观改造工程拟对东平水道（潭州水道）季华大桥上游约1400m，下游约2500m，河道南岸约330000m2，北岸约328000 m2的河滩进行景观改造和提升，项目的起始坐标为 x =2546775.75，y=503397.20； 终 点坐标 x=2545039.72, y =506167.64 。具体位置如下图1所示。拟建工程所在的左岸为佛山大堤，工程段的堤顶高程为9.4m～9.8m；右岸为罗格围，工程段的堤顶高程8.5m～9.6m，两岸堤防间河宽约300～500m，季华大桥上、下游左、右岸堤外均有较大面积的滩地，其上游左、右岸堤外滩地宽约120～180m，下游河道左、右岸堤外滩地宽约50～180m，高程1.2m～7.9m不等，并且均已达五十年一遇标准。目前主要的改造项目是：在不影响行洪、大堤安全以及不改变原地形的前提下种植一小部分乔木、灌木、水生植物以及园路的铺装等。以上施工面积约占总规划实施面积的31.5%。

图1 工程所在位置

2 工程河段平面二维数学模型

采用中国水利水电科学研究院自主研发二维水动力模型开展数值模拟研究[1]，该模型进入国家防办“全国洪水风险图软件推荐名录”，在水利部国科司组织的结果鉴定中达到了国际先进水平，在全国重点地区洪水风险图项目中得到了广泛的应用，经过了20余项实践项目的检验，适应于工程前后工程局部河段的水位、流场及其变化的计算和分析[2-3]。

2.1 控制方程

模型采用笛卡尔坐标系统下的浅水控制方程：

式中：t是时间；d为静止水深；u，v，w分别为流速在x，y，z向上的分量；S为源汇项；g为重力加速度。

模型采用基于有限体积法的Godunov格式对上述浅水方程组进行非结构离散求解[4]。由于采用直接模拟法加密网格，能精确描述新建工程的边界并修正其实际网格高程，所得流场较为真实可靠。为此，本文采用的是直接模拟法，并采用三角形无结构加密网格。

2.2 模型地形资料及网格划分

计算范围上自潭州水道上游紫洞口，模型范围下边界设在潭州水道与吉利涌交界处以上约500m处，下边界距澜石大桥约1.1km。模型还在佛山水道分流口（沙口水闸）设有一个内边界。模型模拟河道长度约14km。模型模拟河道地形采用的是广东省航道勘测设计研究院有限公司2004年测量的1∶5000河道地形图，工程局部地区采用2013年实测地形资料进行插补。

图2 二维局部计算网格图

模型节点个数为35629，三角形网格总数为69240个。模型区域中，远离工程的最大网格单元边长最大约为30m，面积不超过400m2，对拟建工程上、下游各300m范围内的计算网格进行了加密处理，工程附近最大网格单元边长约6m，面积不超过20m2。计算网格具体细节如图2所示。平面二维数学模型最大时间步长取30s，最小时间步长为0.01s，临界克朗数为0.8，干湿边界设为0.1mm[1-2]。

2.3 计算边界

计算采用的洪水频率为P=1%、P=2%、P=5%、P=10%的水文组合[5]。其上边界采用流量，下边界采用水位，上下边界各水文组合的边界具体如表1所示。模型内在内边界（沙口水闸）设定300m3/s的恒定下泄流量。

表1 平面二维模型计算边界

3 二维数学模型计算结果分析与评价

3.1 壅水结果分析

景观工程改造后，由于各部分挖深和垫高不同，水位变化不一，自季华大桥上游130m至季华大桥下游140m，主河槽水位有所壅高，水位壅高幅度在0.001m～0.002m之间（P=1%），0.002m水位差包络线在季华大桥上、下游30m范围内；从工程所在河段上游至季华大桥下游350m的右岸滩地上，工程后水位的壅高和下跌相间分布，水位壅高值在0.002m～0.01m（P=1%）之间，水位的下降值在0.001m～0.005m（P=1%）之间。工程所在河段上游至季华大桥下游的左岸滩地上，水位变化以水位降低为主，局部穿插水位壅高区，且水位壅高幅度在0.001m～0.002m，水位降低幅度在0.001m～0.005m。具体水位如图3所示。

图3 工程河道P=1%水位线图

从模型采样点的水位变化来看，P=1%、2%、5%和10%时，工程完成后最大壅水值分别为0.019m、0.018m、0.015 m和0.014m，最大壅水位置为潭州大桥下游530m的河道左岸滩地叠级花池二级花池所在位置。工程后水位下降最大幅度分别为0.007m、0.007m、0.007 m和0.007m，位于季华大桥上游420m的河道右岸旱溪（卵石滩）所在位置。

表2 二维模型采样点水位、流速变化统计

根据二维数学模型计算结果，景观改造工程完成后，在各级洪水频率下，河道沿程最大水位壅高仅0.019m，较大的水位壅高区域出现在河道左岸滩地上叠级花池的二级花池所在的区域，水位壅高0.01m的包络线范围为不超过30m。河道主槽的水位壅高值仅在0.002m左右，范围在季华大桥上、下游30m内。两岸堤防附近，水位有升有降，但总体变化不大，局部位置水位壅高不超过0.003m。

3.2 冲淤变化影响分析

工程完成后，工程所在河道主槽的流速有所减小，流速减小的幅度在0.01m/s（p=1%）左右；流速减小较大区域位于潭州大桥下游530m处的左岸叠级花池的二级花池所在区域，其中流速减小最大值在0.25 m/s左右，但其分布范围较小，以流速减小最值为中心的30m范围。季华大桥上游河道右岸还存在几个流速减小区，均是位于景观改造工程完成后的旱溪（卵石滩）区域，以上区域的流速的减小将有可能引起局部区域的淤积，特别是流速减小较大的滩地，可能引起景观区域的淤积，需在洪水过后做好清淤工作。

景观改造工程完成后，河道流速增大区主要位于滩地内，潭洲大桥以上河段，流速增大区主要位于河道右岸，而潭洲大桥以下河段则主要位于河道左岸。工程完成后引起的河滩流速增大值在0.01m/s～ 0.10m/s（p=1%）之间，局部区域流速增加较大（流速最大增加值可达0.17m/s左右（P=1%）），位于季华大桥下游50m河道右岸花树甬道所在区域及叠级花池二级花池上游位置。流速的增加可能会引起河滩的冲刷。具体的流场图如图4所示。

图4 工程河道P=1%流场变化图

综上，工程完成后，季华大桥上游河道主槽流速有所减小，但减小幅度不大，应不致引起河道较大淤积；工程后河滩的流速有增有减，虽然局部区域流速有一定的变化幅度，但总体而言，流速的变化应不致引起滩地的较大冲刷和淤积，但局部流速增加区域应该做好相应的保护措施。

由上述分析可知，由于流速总体变化幅度不大，因此对河道的整体河势影响不大，不会改变工程所在的潭洲水道的整体滩槽分布格局。

3.3 河道分流比变化分析

从表3中可以看出，工程前后潭洲水道上游分汊口流量变化的绝对值及变化率均较小，因此，工程建设对相邻河道的分流比影响较小。

表3 紫洞口不同水文组合下工程前后分流比变化

3.4 防洪综合评价

工程后相应研究表明：断面阻水比与工程前接近并略有增大，位于季华大桥上、下游30m范围内，工程造成河道主槽的最大水位壅高不超过0.002m，可见工程建设对主河槽水位影响较小；两岸堤防附近，水位最大壅高不超过0.003m，不会对堤防的防洪水位造成较大不利影响。因此，工程建设不会影响河道行洪安全。由于工程不设防洪标准，允许被淹，因此，应制定防洪应急预案，密切关注气象、水文情况，在洪水到来之前，疏散人群，采取避险措施，保证人员安全及河道安全度汛。根据施工进度安排，本工程施工期安排在枯水期（11月至次年1月）进行，施工期也应编制防洪应急预案，在洪水漫滩前应及时撤离施工人员及施工机械，保证河道安全度汛。

而根据二维数学模型计算结果，景观改造工程完成后，在各级洪水频率下，潭州水道水位壅高值不大，故拟建工程对潭州水道的防洪水位影响不大，应不致对潭州水道及其周边相邻水道的行洪安全造成明显的不利影响。且根据项目的设计方案，工程建设对滩地的树木进行有规划的保留或砍伐，以及对菜地的改造等，是对滩地内小的河障的清理，是对行洪有利的。

禅城区现状排涝标准已达20年一遇24小时最大暴雨1天排干不致灾，工程附近水闸及排涝站众多，经分析计算，沙口水闸、小布窦水闸、丰年水闸处的水位变化值分别为0m、-0.001m和0m；流速变化值分别为-0.01m/s、-0.01m/s和0m/s。可知，拟建工程实施后，三座水闸附近水域水位及流速受景观改造工程的影响较小，因此，本工程建设基本不会对小布窦水闸、丰年水闸和莲塘水闸的正常运行造成影响。

4 结论

本文基于平面二维河道水流模型对拟建的季华大桥上下游两岸的景观工程的前后进行了二维水动力的数值模拟，通过模拟的结果表明拟建工程前后的壅水、冲於演变、分流比变化等都相对比较小，其中，主河槽最大的水位壅高不超过0.002m，两岸堤防附近水位最大壅高不超过0.003m，不会对拟建后的河道行洪安全造成明显不利影响。另外，工程后，附近河道岔口分流比的变化在-0.20%～0.61%之间，并且工程后河道主槽因流速减小的幅值在0.01m/s左右，滩地流速变化幅值均在0.1m/s左右，由此可见，拟建工程后不会对河道的整体流态产生影响。