0 引言
老子曰：上善若水。孔子曰：仁者乐山，智者乐水。水在人类发展和生存史上，是一个奇妙的因子。水之于一座城市的重要性尤为突出，水是城市生活的生命线，是城市文明的摇篮。成都是一座因水而生、因水而兴、因水而困、因水而荣的城市，是按照“上善若水•孕育文明•文明城市”的自然哲学模式形成和发展起来的城市[1]。
2017 年，成都市启动了宜居水岸工程，以建设“宜居水岸，活水成都”为目标，构建百水润城、水清岸绿的水环境，打造开敞宜人的水景观，彰显城市历史文化。在此背景下，成都市宜居水岸工程市级示范段率先启动，主要涉及中心城区南河、浣花溪、干河、西郊河四条河道（见图1）。为提升河岸亲水性，创建人与自然和谐共处的滨水空间，该工程对河岸进行了生态化改造。本文以四条河道所组成的区域水网为整体，建立数学模型[2-3]，分析区域水网行洪能力，并对此次河岸生态化改造提出针对性意见。
图1 工程区位图
1 工程概况
成都市宜居水岸市级示范段主要涉及南河、浣花溪、干河、西郊河四条河道，总长约7.4 km。
南河为成都市中心城区最重要的排洪通道之一，此次改造的起点为浣花溪汇入点，终点为西郊河汇入点，防洪标准为200 a 一遇。浣花溪、干河为南河右岸支流，均由清水河取水，其中浣花溪防洪标准为50 a 一遇，干河防洪标准为200 a 一遇。西郊河为南河左岸支流，由二道河与饮马河南干渠交汇而成。
2 河岸生态化改造
原状南河、浣花溪、干河、西郊河均已按规划形成，均为混凝土或浆砌条石硬质河堤，满足河道行洪要求。但以往河道一般多关注行洪功能，河堤多采取直立式高挡墙，非洪水期间水位低浅，亲水性不足。此次对示范段四条河道进行生态化改造，因地制宜地采用生态护岸材料[4-5]，旨在满足防洪要求的前提下提升河岸亲水性。
2.1 景观块石护岸
景观块石护岸景观效果较好，适用于常水位较为稳定的景观河道建造。在此次的西郊河改造段中，景观块石护岸得到了很好的应用。西郊河原河堤为直立式浆砌条石河堤，将河道与河岸隔离开来，景观效果欠佳。考虑此次西郊河末端同步新建水闸，在平水期能为河道提供稳定的蓄水位，在洪水期则打开闸门泄洪。此次改造先拆除蓄水位以上的条石河堤，再在河堤上错落有致地垒砌天然块石，并在块石旁种植相应植物。该改造方案既起到了连接水体的作用，又保留了河道的生态性，同时还避免河堤基础的重复开挖（见图2）。
图2 景观块石护岸改造前后对比
2.2 外挑亲水型护岸
外挑亲水型护岸通过将沿河步道外挑来解决河岸亲水问题，适用于河岸无人行步道或步道局促的情况。以浣花溪为例，浣花溪局部河段植物过于茂密，完全阻绝了水体与河岸直接的联系。通过梳理绿化区域，保留现状树木，局部拆除部分河堤并设置挑台，形成亲水步道或观景平台。该改造方案有效解决了堤岸空间局促的问题，保障了亲水性，同时又保护了堤岸原生植物，修复了生态性（见图3）。
图3 外挑亲水型护岸改造前后对比
2.3 预制混凝土种植槽护岸
预制混凝土种植槽护岸通过改造现状河堤，增设预制混凝土种植槽以供水生植物生长，适用于以行洪为主的河道。干河原河堤为斜坡式浆砌条石护岸，行洪状态良好，但河岸硬化导致其亲水性较差。考虑到干河为成都市中心城区重要的行洪通道，不宜对行洪断面进行过度调整。此次改造先拆除部分浆砌条石河堤，再安装预制混凝土种植槽，同时适当降低人行步道高度，以增强河岸亲水效果。预制混凝土化槽中能装载种植土，并种植水生植物，修复河岸生态性（见图4）。
图4 预制混凝土种植槽护岸改造前后对比
2.4 复式台阶护岸
复式台阶护岸往往结合预制混凝土种植槽一同使用。以南河改造为例，原河堤为直立式浆砌条石河堤，距水面高差大，亲水性不足。此次拆除部分条石河堤，降低外侧河堤，并于人行道内侧新建内侧河堤，形成复式台阶。外侧河堤同步增设种植槽，可供游人亲水，内侧河堤则可防洪挡水。该改造方案适用于重要的防洪河道，在进行生态化改造的同时，对防洪断面进行了适当拓展（见图5）。
图5 复式台阶护岸改造前后对比
3 行洪能力计算
对此次生态化改造涉及的四条河道组成的区域水网建立数学模型，模拟河岸生态化改造后的河道行洪情况。
3.1 计算原理
采用笛卡尔坐标系，沿水深平均的平面二维流动基本方程如下：
水流连续方程：
式中：U、V 分别为x 方向、y 方向的平均流速（其中在顺水流方向以x 轴为正方向，横向左岸方向以y轴为正方向）；z 为水位；t 为时间；H 为水深；C 为谢才系数（C=1/nH1/6）；f 为柯氏力系数（f=2ωsin φ，ω 为地球自转角速度，φ 为当地纬度）；g 为重力加速度；vt为涡黏性系数。
由于此次河道具有不规则的边界，为了更好地模拟边界附近的流动，并同时减小计算所需网格节点，在河道的流场计算中通常采用正交曲线网格或非结构化网格。在此次计算中采取非结构网格；边界条件为上游给定流量，下游给出水位。对于岸边界，则采用水流滑移条件，即取岸边法向流速为零；紊动黏性系数采用J .W. Elder 经验公式（vt=αhu）确定。
数学模型计算区域共11 251 个节点、20 224个单元，网格示意如图6 所示。
图6 模型网格示意图
3.2 模型边界条件
数学模型上游采用流量边界，下游采用水位边界。通过水文分析，此次涉及河段设计洪水流量如下：西郊河50 a 一遇洪水流量为44.2 m3/s，浣花溪50 a 一遇洪水流量为12.4 m3/s，干河200 a 一遇洪水流量为450 m3/s，南河200 a 一遇洪水流量为633 m3/s。河道主槽计算糙率取0.027 5，滩面计算糙率取0.030。
4 生态化河堤行洪能力分析
4.1 过流断面分析
此次示范段改造主要采取上述四种生态化断面。其中景观块石护岸基本利用原过流断面进行改造，局部用景观块石代替原有硬质河堤；外挑亲水型护岸悬挑于水面上方，对河道行洪断面有微小阻碍，宜设置于设计洪水位上方，减小对河道行洪断面的影响；复式台阶护岸结合预制混凝土种植槽则降低了人行步道标高，拓宽了河道行洪断面。
4.2 洪水水面线分析
通过数学模型，计算河岸改造前后的洪水水面线。以西郊河为例，西郊河在此次改造中使用景观块石护岸较多，部分段落也采用了外挑亲水型护岸。通过计算可知，改造前后水面线基本一致，最大仅相差0.01 m，如图7 所示。由此可见，西郊河生态改造对河道行洪基本无影响。
图7 西郊河堤岸生态改造前后洪水水面线对比
分析其他河段水面线，情况基本与西郊河一致，此次河岸生态化改造对洪水水面线没有实质性影响。
4.3 流场分析
通过数学模型计算，河岸生态化改造后的流场如图8、图9 所示。
图8 示范段改造后100 a 一遇洪水流场图
图9 示范段改造后200 a 一遇洪水流场图
分析示范段改造后的流场图可知，浣花溪及西郊河流速较低，最大流速不超过1.6 m/s。考虑这一特性，此次改造在浣花溪及西郊河主要使用景观块石护岸和外挑亲水型护岸。因为以上两种护岸形式耐冲刷能力不强，适宜使用在水流较缓慢河段；同时从景观效果来看，以上两种护岸改造形式也较适宜水面相对静止的水域。
干河及南河流速相对较高，局部最大流速达4.8 m/s。考虑这一特性，干河及南河则主要使用预制混凝土种植槽及复式台阶的护岸形式。因为以上两种护岸形式较为稳固，耐冲刷能力较强。
4.4 河势稳定分析
根据《堤防工程设计规范》（GB 50286—2013），河堤基础埋深应在冲刷线以下0.5～1.0 m。通过数学模型分析，此次河堤坡脚冲刷深度最大在0.18～0.88 m，而改造中均保留了原河堤基础。查阅原河堤设计，基础埋置深度为1.5~2.0 m，满足规范要求。因此此次示范段河道河势受两侧堤防控制，河势稳定且过流顺畅。
5 结语
通过本文分析，得到以下结论：
（1）此次宜居水岸市级示范段河岸生态化改造对洪水水面线未造成实质性影响，满足河道行洪需求。
（2）通过数学模型，复核生态化河堤的行洪及抗冲能力，对工程具有一定指导意义。
（3）依据数学模型计算结果，可指导各种生态化河堤的合理布置。
摘自：城市道桥与防洪