基于Mike21模型的闽江下游码头防洪影响评价应用

蔡剑武

(深圳市水务规划设计院股份有限公司福建分公司,福建 福州 350001)

1 研究背景

根据福州市委、市政府整合开发闽江沿岸旅游资源,高标准、高起点推进闽江游项目发展的重要决定,做大做强滨江滨海旅游市场的产业链,服务“海上福州”建设,拟建设仓山区会展岛游艇码头项目位于魁浦大桥的上游,紧靠海峡国际会展中心,地理坐标东经119°22′、北纬26°1。

码头工程主要由水域部分及陆域部分组成,其中阻水部分主要包含码头陆域、浮码头定位桩等阻水体,由于游艇码头的建设,势必会占用闽江部分行洪断面,造成河道壅水及河势变化,同时闽江洪水也会对拟建工程自身防洪安全造成影响,因此急需对工程建设前后的水位及流速等变化做出定量分析,以便优化工程布置并提出影响补救措施。研究表明,工程建筑物壅水计算方法主要有经验公式法、模型试验法及数值模拟法,由于本工程布置较为复杂,且同时受闽江干流洪水及外海潮位双重作用影响,目前尚未有精度高、可靠性强并满足设计需求的经验公式法可以使用。近几年来,随着计算机技术的飞速发展,一维及二维水动力模型运用的越来越广泛,其在水利、环境、港口航道等工程领域中发挥的作用越来越明显,为工程设计、洪水影响评价等方面提供了极其重要的指导作用。

本文以闽江下游北港拟建仓山区会展岛游艇码头工程为例,根据闽江下游河道实测地形及工程区域2018年最新实测地形,利用MIKE21模型建立平面二维水流数学模型,计算分析游艇码头建设前后的水动力条件,为工程设计及洪水影响评价提供技术支撑。

2 数学模型建立

2.1 计算河段选择及网格布置

二维数学模型计算河段上迄竹岐水文站断面,下至白岩潭断面,网格节点数78 178个,网格单元数146 851个,计算河段网格见图1。为了尽可能准确的反映工程区域的流场,对码头局部网格进行加密处理,计算河段网格布置见图2。

图1 竹歧～白岩潭计算网格图 图2 游艇码头局部计算网格图

2.1.1 设计洪水

1)干流竹歧站设计洪水

闽江下游设计洪水以竹岐水文站为代表站,该站控制集雨面积54 500 km2,占南、北港分流口淮安村以上集雨面积99.6%。本次设计洪水沿用水口水电站初步设计报告中的竹岐站设计洪水,即Qm=17 800 m3/s,Cv=0.33,Cs=3Cv,相应200 a一遇洪峰流量38 300 m3/s,100 a一遇洪峰流量35 600 m3/s。

2)白岩潭断面设计洪水

白岩潭断面洪水系由闽江竹岐站、大樟溪永泰站及该二站以下区间洪水组合的结果。由于区间汇入流量仅占总量2%以下,因此,本设计将忽略不计。另外,由于竹岐站至白岩潭断面的洪水传播时间与永泰站至白岩潭断面的传播时间相近,该二站距白岩潭断面的距离不长,河道调蓄作用不很大。因此,为简化处理起见,本次将竹岐站与永泰站同时刻流量和近似作为白岩潭断面的相应流量。经统计分析,组合后的Q=17 950 m3/s,Cv=0.37,Cs/Cv=3.0,相应200 a一遇组合洪水流量为41 800 m3/s,100 a一遇组合洪水流量为38 600 m3/s。

2.1.2 白岩潭设计潮水位

根据白岩潭站1954-1998年实测潮水位资料,统计各年4-7月最高潮位,并用P-Ⅲ型分布进行频率计算,根据成果可知8-10月潮位略低于4-7月,因此白岩潭以上河段的起始水位由4-7月的潮位决定。本次采用白岩潭站4-7月年最高潮位频率适线成果。鉴于1998年“6.23”实际发生洪水白岩潭实测潮位已达6.61 m,因此在闽江下游防洪整治设计时,经研究讨论100 a一遇白岩潭起始水位采用6.61 m,其余频率为:200 a一遇采用6.66 m。

图3 200年一遇洪水工况下游艇码头建设前后河道水位分布变化

图4 100年一遇洪水工况下游艇码头建设前后河道水位分布变化

图5 不同设计洪水工况下工程游艇码头建设前后流速矢量叠加图

3 成果分析

3.1 游艇码头建设水位的影响分析

根据模型计算,提取不计算工况条件下拟建游艇码头工程前后河道水位变化等值线见图3～图4。由图可知,拟建游艇码头工程实施后,其对不同设计洪水工况下的河道水位影响规律基本一致,工程前后竹岐至白岩潭河道(包括北港、南港)水位分布规律相似,码头影响范围主要集中在北港河道工程局部范围,码头陆域上游、浮码头区域及浮码头定位桩上游水位壅高,码头陆域下游、码头陆域前沿、浮码头定位桩之间以及浮码头下游水位降低。

3.2 游艇码头建设对流速的影响分析

3.2.1 工程区域流向变化

不同设计洪水工况下游艇码头工程建设前后流场对比见图8,图中黑色箭头为工程前流速,红色箭头为工程后流速,由图可以看出,码头工程区附近河道较顺直,水流流向与码头前沿线基本平行。

图6 200a一遇洪水工况下游艇码头建设前后河道流速分布变化

图7 100a一遇洪水工况下游艇码头建设前后河道流速分布变化

图8 闽江枯水遭遇白岩潭100a一遇潮位过程游艇码头建设前后河道涨急流速分布变化

受码头平面布置对河道边界的影响,工程后码头陆域上游流向逆时针变动较为明显,浮码头区域流向顺时针变动,且流速箭头有较大幅度变短,即流速值变小。码头建设后受码头陆域及浮码头定位桩阻水影响,码头支航道及港池区域流速有较大幅度减小,增加了泥沙落淤可能性。另外,码头建设束窄河道,水流受到右岸码头挤压及大量的浮码头定位桩影响,支航道及港池区域流态较紊乱,这可能会给游艇停泊靠岸带来一定影响。

图9 闽江枯水遭遇白岩潭100a一遇潮位过程游艇码头建设前后河道落急流速分布变化

3.2.2 工程区域流速变化

根据模型计算,提取不同计算工况下拟建游艇码头工程前后河道流速变化等值线见图9～图10。由图可知,拟建游艇码头工程实施后,其对不同设计洪水工况下的河道流速影响规律基本一致,工程前后竹岐至白岩潭河道(包括北港、南港)流速分布规律相似,码头影响范围主要集中在北港河道工程局部范围,码头陆域上游及其下游、浮码头区域、浮码头定位桩上下游流速减小,且流速减小幅度明显;码头陆域前沿、浮码头定位桩之间、浮码头下游流速增加。

4 结语

本文简要介绍了MIKE21模型和应用情况,以仓山区会展岛游艇码头工程为例,根据码头模型建设前后在不同工况下的水位及流速变化模拟效果来看:模拟结果较好地反映了实际情况,可以有效应对洪潮双重作用的下流场模拟。但值得注意的是,模型的运用需根据实测的洪水过程及水位资料进行率定,以便确定模型边界参数是否能够反映工程所在河段的实际情况,必要时还需采用物模的方法验证。