基于Mike复杂跨河桥梁建设项目的洪水影响分析
殷 源
(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000)
城市规划路网纵横交错，跨河桥梁将城市河流分隔成无数河段，大桥跨大河的建设一般需在河道行洪断面内设置多排桥墩，占用河道行洪空间，产生壅水影响[1- 3]，降低河道防洪标准，并可能影响区域雨水排放，加剧城市内涝。因此，跨河桥梁建设的洪水影响分析始终是工程建设的一项关键内容[4- 5]。
目前国内部分学者通过数值模型和机器学习等方法对城市内涝模拟进行了相关研究。李子钰等[6]基于Mike Urban软件建立城市内涝模型，对广州市花都区不同降雨情景下的内涝分布情况、易涝点积水时间以及最大积水深度进行模拟；
房亚军等[7]结合高精度地形数据和降雨、径流实时监测数据，采用SWMM雨洪模型模拟暴雨条件下海绵城市的产流；
刘媛媛等[8]将具有良好计算精度数值模型与具有较高计算效率的BP人工神经网络模型相结合，提出了一种快速预测城市内涝风险的新方法；
陈光照[9]数值模型采用了高分辨率DEM地形数据表征复杂的城市地表形态，引入了GPU并行加速计算技术实现在不降低计算精度的条件下大幅提升计算效率;徐美等[10]以中国北京市城区为例，通过城区精细化洪涝模型对多种降雨条件下的暴雨情景进行模拟与分析，构建了北京城区的暴雨-内涝情景库；
杨东等[11]基于扩散波方法，构建了一套排水管网水动力模型，并与已开发的高分辨率城市地表水文水动力模型进行了耦合。此外该团队还提出了雨水井等效排水法(RIA)和仅在道路上等效排水法(CIR)两种表征管网排水能力的方法，采用高效高分辨率的城市雨洪模型，以西咸新区为研究区域，模拟了城市内涝积水过程，并与实测数据进行了对比[12]。此外，还有部分学者对城市内涝策略和预警系统进行了相关研究[13- 14]。
本文运用Mike 11一维模型及Mike 21二维模型，模拟了赤石河200年一遇洪水工况下建桥前后河道水流水位、流速及流向的变化，为水行政主管部门审批桥梁建设方案提供了依据，降低工程成本。研究结果可为相关工程提供参考。
赤石河，又名凤河，是深汕特别合作区内的第一大河流，发源于海拔高1256m的白马山峰，由大安村、碗窑村流经赤石村、新城村与明热河汇集经三江楼、新联江头村湾再经园墩林场、鹅埠境、小漠境而流入红海湾。赤石河流域面积为382km2，河流长度为36.75km，平均坡降5.21%。目前，深汕特别合作区正处于高速建设发展阶段，规划市政道路建设在合作区全面铺开。由于合作区防洪潮规划及河道整治规划相对滞后，大部分河道都属于天然河道，赤石河现状防洪标准仅20～50年一遇。如何减轻或避免桥梁建设对河道防洪的影响，平衡城市防洪建设空间与城市道路建设空间，为城市建设预留足够防洪空间，成为涉河桥梁工程建设项目工作的重点。因此，高精度的完成拟建复杂跨河桥梁工程对河道的防洪影响分析尤为重要。赤石河流域水系分布如图1所示。
图1 赤石河流域水系分布图
深汕特别合作区宜城大道(深汕大道至创智路)建设工程，主线全长7.075km，规划为城市主干路，车道数为双向8车道，设计速度60km/h。本工程在河道桩号14+810处跨越赤石河，设计为宜城大桥上跨，拟建桥梁处现状河道宽度70m，规划河宽80m。宜城大桥桥梁与河道水流交角60°，行洪断面内布置两排桥墩，桥墩轴线方向与河道水流方向一致，建设后桥梁阻水比为4.5%。总平面布置图如图2所示，宜城大桥平图如图3所示，宜城大桥立面如图4所示。
图2 总平面布置图
图3 宜城大桥平图
图4 宜城大桥立面
二维洪水演进模型是在二维浅水动力学的计算方法的基础上构建的。MIKE21软件在模拟城市洪水二维漫流过程中可以真实地模拟出水面在道路、小区、绿地、河道等不同地形状况下漫流过程。模拟结果以数据、表格、图像、动画等形式输出，内容包括：洪水水量的空间分布、淹没范围、淹没水深、淹没历时。二维水动力学模型的控制方程包括连续方程和动量方程，其中连续方程为：
(1)
动量方程为：
(2)
(3)
式中，H—水深；
Z—水位，Z=H+B，B为地面高程；
M、N—x和y方向的单宽流量；
u、v—x和y方向上的流速分量；
n—糙率系数；
g—重力加速度；
q—源汇项。
方程没有考虑科氏力和紊动项的影响。
3.1 模型选定
为了高精度分析拟建宜城桥梁建成后对河道洪水的影响，采用Mike21建立拟建桥梁上下游区域二维模型。二维模型需要高精度的河道水下地形基础资料，模型范围过大将增加工程的测绘成本。综合考虑拟建桥梁影响范围、模型分析成果精度要求及工程经济成本等因素，二维模型上边界取自拟建工程上游700m处，下边界取自工程下游360m处，模拟水域面积约0.099km2。
同时，二维模型需要确定下边界水位、上边界洪水、内边界区间洪水等边界条件。由于赤石河基本为天然河道，下游入海，合作区防洪潮规划及河道整治规划暂未发布。因此，需从河口往上游推算相应工况下河道水面线来确定二维模型下边界水位。为满足模型分析成果精度要求，采用Mike11建立赤石河河口至二维模型下边界段(长14.45km)一维模型，Mike一维模型与逐段试算法、HEC-RAS模型等水面线推算方法对河道地理特征参数数据要求一样，仅需要河道断面(实测或规划，根据模拟工况而定)数据。
3.2 计算工况及边界条件
本次模型计算的步骤包括工程前和工程后，其中工程前的建桥前现状与规划河道边界结合的地形条件见表1，而工程后在工程前的基础上，考虑宜城大桥的桥墩布置，见表2。
表1 一维模型边界条件情况统计表
表2 二维模型边界条件情况统计表
3.3 模型网格
整个二维模型计算区域剖分采用不同大小的三角形网格划分方法。经过多次划分和调整，建立的模型所划分的网格地形能较真实地反映河道地形的实际情况。模型划分的网格地形如图5所示，模型研究范围内共布置15284个三角形网格单元节点数7968个。对河道行洪断面内桥墩区域网格加密并将内部节点对应的床面高程修改为工程完工后的地形高程(也可采取直接封堵网格)概化处理，如图6—7所示。
图5 工程前网格图
图6 工程后网格图
图7 工程后拟建工程位置局部网格图
4.1 平面流态与流速变化分析
为了便于分析，在工程附近及其上下游河道布置了60个采样点，如图8所示，工程前模拟区域整体流态如图9所示，工程后模拟区域整体流态如图10所示，拟建工程附近流速变化等值线如图11所示，工程前后水位、流速、流向变化统计见表3—4。从模拟区域整体流态看，赤石河河道流态平顺，局部无急流、旋流等紊乱不利流态。
图8 采样点布置图
图9 工程前流场图
图10 工程后流场图
图11 工程后流速等着线图
表3 水位变化统计表(p=0.5%) 单位：m
表4 流速变化统计表(p=0.5%) 单位：m/s
从工程前后流场对比图及流向变化统计来看，拟建工程建设后，由于桥墩的阻水束流作用，桥墩附近局部产生绕流，部分测点流向偏转较大，流场有所变化，32、34、49采样点位于桥墩附近及近岸处，流向变化较大，其余采样点流向变化范围在-10°～6°之间。从工程前后流场对比图可以看出，工程前后流场变化较小，河道内整体流态平顺，工程对河道整体流态及流势的影响较小。
根据工程附近流态图及流速变化统计成果，赤石河200年一遇洪水工况下，工程实施后，采样点流速减小最大值为-0.17m/s，流速增加最大值为0.07m/s。根据工程前后的流速变化等值线图可以看出，工程对流速影响范围整体分布形状和规律类似，桥墩前后局部区域流速减小，相邻桥墩之间流速有所增加，符合桥墩对水流的一般性影响规律。通过工程前、工程后的水位、流速、流向对比表可看出，该项目在水域内立墩对赤石河的行洪影响较小。由此可见，宜城大桥建设后，赤石河整体流态平顺，流速变化区域主要局限在桥址附近，流速变化幅度及影响范围均不大，拟建工程对所在河道整体流速、流态影响不大。
4.2 滩槽和河岸变化分析
工程后桥墩立于河床，引起河道地形变化。由于桥墩阻水引起过水断面面积的变化，减少了断面的有效过水宽度，工程建设将引起工程附近河道的调整。由于工程后对河道的流速、流态变化的影响有限，工程对河槽形态变化的影响也局限于该区域，主要表现在拟建宜城大桥桥墩靠近赤石河左右岸岸坡，流速变化幅度较小。此外，桥墩阻水，桥墩两侧局部水流发生紊动，可能产生局部淘刷、冲深，但局部冲刷和冲深较弱。综上所述，拟建工程对滩槽变化的影响较小，仅限于墩周范围，工程对所在河道的河势稳定和岸线变化的影响较小。
本文为评估拟建复杂跨河桥梁工程对河道的防洪影响，依托宜城大桥工程，运用Mike 11一维模型及Mike 21二维模型，模拟了赤石河建桥前后河道水流水位、流速及流向的变化。研究结果表明，200年一遇洪水工况下，最大壅水高度为0.02m；
通过工程前、工程后的水位、流速、流向对比表可看出，该项目在水域内立墩对赤石河的行洪影响较小。宜城大桥建设后，赤石河整体流态平顺，流速变化区域主要局限在桥址附近，而对所在河道整体流速、流态影响不大。因此，在有限资料条件下采用多模型结合运用，可以低成本高精度完成涉河建设项目对河道洪水影响分析计算。