基于MIKE21的南水北調(diào)二期東線邵伯湖專道輸水方案對淮河入江水道行洪的影響分析

陳靜茹，張沐川

(江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225001)

1 工程概況

南水北調(diào)東線二期工程輸水干線規(guī)劃從江蘇省揚州市附近的長江干流引水，利用京杭大運河以及與其平行的河道輸水，連通洪澤湖、駱馬湖、南四湖、東平湖，經(jīng)泵站逐級提水進入東平湖后，向北穿黃河后經(jīng)位臨運河、臨四渠、南運河、馬廠減河至天津北大港水庫，再通過北大港水庫調(diào)蓄后管道輸水至伊指揮營。東線二期工程規(guī)劃輸水干線線路總長1785.4 km，其中利用一期工程輸水或現(xiàn)有河道(不擴挖河道)的干線長631.9 km(其中黃河以南段長611.9 km)，擴建一期工程輸水線或現(xiàn)有河道的輸水干線長819.8 km，新開挖輸水渠道(管道)的輸水干線長333.7 km(全部在黃河以北)。

二期工程東線長江至洪澤湖段新增輸水370 m3/s，自三江營引水，由夾江、芒稻河、金灣河輸水，金灣閘附近新建的抽江泵站廣陵站抽水入邵伯湖，在邵伯湖東側(cè)灘地筑隔堤與運河西堤形成河道送水入高郵湖，入江水道金溝改道段從高郵湖引水經(jīng)金湖梯級抽水入三河，由洪澤梯級抽水入洪澤湖。

半專道方案中邵伯湖內(nèi)專道輸水是在運河西堤以西邵伯湖內(nèi)新建隔堤束水，隔堤內(nèi)河床進行浚深，同時深泓河西擴，西側(cè)筑堤。上游通過穿京杭運河地涵與金灣河相連，下游與深泓河相接。邵伯湖段隔堤及深泓河西側(cè)堤防采用過水、不過水兩種方案，須分析新建隔堤以及堤內(nèi)棄土對入江水道行洪的影響。

2 模型構(gòu)建

(1)計算范圍及網(wǎng)格劃分

本次模型計算范圍自邵伯湖上游高郵(高)至下游六閘，計算河段全長約30 km，采用1∶1000的實測CAD地形圖。采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對全線隔堤附近進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格邊長為10 m，主河道網(wǎng)格邊長30 m～50 m，共計135895個網(wǎng)格。模擬時間段為2020.3.4～2020.3.14，時間步長為60 s，模擬步數(shù)為14400。計算區(qū)域網(wǎng)格剖分見圖1。

圖1 區(qū)域網(wǎng)格劃分區(qū)

(2)邊界條件及參數(shù)設(shè)定

1)邊界條件

模型上邊界采用入江水道行洪設(shè)計流量12000 m3/s，下邊界采用六閘水位8.5 m。

2)糙率系數(shù)

糙率系數(shù)反映水流和河床相互作用的過程中，河道邊界粗糙程度、河道形態(tài)等因素對水流阻力的綜合影響[1]。江蘇平原地區(qū)坡降較小，根據(jù)淮河入江水道整治工程設(shè)計已知條件：設(shè)計流量12000 m3/s，上游高郵(高)9.5 m，下游六閘8.5 m，計算復(fù)核為沿程節(jié)點水位。復(fù)核計算河道斷面采用淮河入江水道整治工程竣工驗收后2020年1月測量資料，河道糙率采用淮河入江水道整治工程確定的設(shè)計糙率(新民灘段綜合糙率0.0375、邵伯湖區(qū)段綜合糙率0.025)，在行洪12000 m3/s條件下，計算出中段沿程各節(jié)點水位與實測水位最大相差0.04 m，說明本次建立的二維水動力數(shù)學(xué)模型是可靠的，糙率基本上符合實際工況，實際水位流量關(guān)系與設(shè)計基本上吻合，采用的糙率值可靠[2]。

表1 淮河入江水道整治工程設(shè)計糙率驗證計算水位流量對比表

3)渦黏系數(shù)

渦黏系數(shù)選用Smagorinsky公式表達[3]，取值0.28時水流的運動最接近實際洪水過程。

4)動邊界處理

由于模型范圍內(nèi)有新民灘等灘地，為保證計算連續(xù)性，采用“干濕判別”來確定計算區(qū)域[4]。本次計算中干濕邊界設(shè)置為：h<0.05 m標(biāo)記為“干”，0.05 m0.1 m標(biāo)記為“濕”[5]。

5)初始條件

指在t=0時刻的水流條件下，需給出模型進水口的初始水位[6]。一般取模擬范圍內(nèi)的最大水位，本工程取值9.5 m。

3 工程方案及影響分析

南水北調(diào)二期半專道方案中邵伯湖內(nèi)專道輸水是在運河西堤以西邵伯湖內(nèi)新建隔堤束水，隔堤內(nèi)河床進行浚深(河底高程0.0 m，底寬100 m)，同時深泓河西擴(河底高程0.0 m，底寬100 m)，西側(cè)筑堤。上游通過穿京杭運河地涵與金灣河相連，下游與深泓河相接。邵伯湖段隔堤及深泓河西側(cè)堤防采用過水、不過水兩種方案，須分析新建隔堤以及堤內(nèi)棄土對入江水道行洪的影響。

(1)隔堤過水方案分析

邵伯湖內(nèi)新建隔堤頂高程取設(shè)計輸水位加1.5 m超高，頂高程7.5 m，頂寬5.0 m，隔堤采用填土筑堤+板樁防護方案；深泓河西擴后西側(cè)堤防采用土堤，堤頂高程取設(shè)計輸水位加1.5 m超高為7.5 m，頂寬4.5 m，兩側(cè)河坡防護。

(2)隔堤不過水方案分析

邵伯湖內(nèi)新建隔堤頂高程取設(shè)計洪水位加1.0 m～1.5 m超高，頂高程10.0 m，頂寬5.0 m，隔堤采用填土筑堤+板樁防護方案；深泓河西擴后西側(cè)堤防采用土堤，堤頂高程取設(shè)計洪水位加1.0 m～1.5 m超高為10.5 m，頂寬5.0 m，兩側(cè)河坡防護。

對隔堤及深泓河進行地形概化、網(wǎng)格局部加密后，計算得出節(jié)點高郵(高)隔堤過水方案工程后水位9.523 m，水位抬高約2.3 cm；不過水方案工程后水位9.559 m，水位抬高約5.9 cm，均影響淮河入江水道中段行洪能力，須采取工程措施予以補償。

4 補償方案及效果分析

淮河入江水道整治工程實施后，中段行洪障礙邵伯湖灘群均已切灘至底高程3.2 m(常水位以下1.5 m)，湖區(qū)行洪能力大為改善。目前中段阻水主要集中在新民灘段，尤其是新民灘尾閭，該區(qū)域處于水位變幅區(qū)，未以耕代清，地面高程在5.0 m左右，灘地蘆葦、雜草叢生，嚴(yán)重影響行洪。本次南水北調(diào)二期邵伯湖專道輸水方案工程影響補償考慮在新民灘尾閭進行切灘，降低高郵(高)節(jié)點水位至設(shè)計水位9.50 m。

(1)隔堤過水方案影響補償

考慮切除原淮河入江水道整治工程新民灘控制線以南切灘區(qū)域正下游位于張公渡臨湖港汊東側(cè)的灘地，高程在4.0 m～5.8 m之間，切灘面積約5187畝，切灘底高程3.5 m，切灘土方量約325.24萬m3。

(2)隔堤不過水方案影響補償

考慮在隔堤過水補償方案的基礎(chǔ)上，增加新民灘控制線以南尾灘切灘，高程在4.0 m～5.5 m之間，面積約4282畝，切灘底高程3.5 m，切灘土方量約325.24萬m3，合計637.63萬m3。

經(jīng)計算，隔堤過水方案實施補償后水位由9.523 m降至9.502 m，水位降低2.1 cm；隔堤不過水方案實施補償后水位由9.559 m降至9.497 m，水位降低6.2 cm。因此，基本可以消除邵伯湖專道輸水方案(隔堤過水)帶來的影響基本可以消除。

5 結(jié)論

本文基于MIKE21模型，計算分析南水北調(diào)二期東線工程中邵伯湖專道方案新建隔堤以及堤內(nèi)棄土對入江水道行洪能力的影響，得到如下結(jié)論：

(1)模型采用入江水道設(shè)計糙率時，模擬計算結(jié)果與2017年行洪實測水位吻合度較高，說明設(shè)計糙率取值合理，模型精度滿足要求，分析成果可信。

(2)邵伯湖專道方案無論隔堤過不過水，在入江水道行洪時高郵(高)斷面的水位均有雍高現(xiàn)象，對行洪有一定影響；在進行補償措施(切灘)后，影響基本消除，整體方案可行。

由于目前還在規(guī)劃設(shè)計階段，后續(xù)如有新方案還將繼續(xù)進行模擬計算，對模型進行進一步優(yōu)化。