洪水模型在引江濟(jì)淮工程中的應(yīng)用

章 鵬 楊 瓊 李林峰

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230000）

1 概述

江淮溝通段是引江濟(jì)淮工程重要關(guān)鍵段，輸水河道兼作航道，全長(zhǎng)155.1km，是溝通長(zhǎng)江與淮河航運(yùn)的重要通道。航道設(shè)計(jì)底寬60m，設(shè)計(jì)通航水深4.0m。江淮溝通段沿線支流較多，其中較大的支流有南小河、王橋小河、嘴子河和天河。沿線支流防洪標(biāo)準(zhǔn)不超過(guò)10年一遇，一旦上游發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，其來(lái)水可能會(huì)改變輸水航道局部范圍內(nèi)水深流速等水力要素，影響輸水航道的正常運(yùn)用。

為評(píng)估支流發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水對(duì)輸水航道的影響，采用丹麥丹華公司的MIKE 軟件構(gòu)建江淮溝通段二維水動(dòng)力學(xué)模型，模擬計(jì)算支流超標(biāo)準(zhǔn)洪水的洪水演進(jìn)，分析各個(gè)支流匯入口處對(duì)輸水航道的影響，為工程設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

2 模型建立

2.1 建立對(duì)象

本次模型選擇了引江濟(jì)淮輸水航道線路涉及的南小河、王橋小河、嘴子河和天河4 條河作為建模對(duì)象。這4 條支流均為該段輸水線路較大的入河支流，具有流域面積相對(duì)較大、洪水來(lái)量較大以及地形落差較大的特點(diǎn)，具有較好的典型代表性。

建模地形資料采用了引江濟(jì)淮輸水航道線路已有測(cè)量成果。本文模型建立采用高程均為國(guó)家1985高程基準(zhǔn)。

2.2 建模范圍

建模范圍包含南小河、王橋小河、嘴子河和天河下游及河口處輸水航道二維DEM 地形范圍，總面積7.7km2。其中，南小河、王橋小河、嘴子河和天河區(qū)域二維DEM 地形范圍分別為2.2km2、2.07km2、1.96km2、1.47km2。

2.3 地形處理與網(wǎng)格剖分

南小河、王橋小河、嘴子河和天河的二維水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型依據(jù)帶狀地形圖進(jìn)行網(wǎng)格剖分。

依據(jù)研究需要，考慮本次構(gòu)建模型地形變化范圍較大，故采用不同大小的網(wǎng)格尺度。其中，輸水河道網(wǎng)格大小為50～80m2，支流河道網(wǎng)格大小為20～50m2，河道外區(qū)域網(wǎng)格不大于500m2。

2.4 建筑物設(shè)置

南小河、王橋小河、嘴子河和天河兩岸設(shè)有堤防，河口均設(shè)有跌水建筑物。

通過(guò)MIKE21 的SO 模塊中的dike 功能對(duì)堤防進(jìn)行概化，當(dāng)洪水位低于設(shè)定的堤頂高程值時(shí)堤防擋水，洪水位高于堤頂高程時(shí)漫堤。根據(jù)跌水設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)跌水所處位置的河道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高程修改來(lái)概化跌水建筑物。

2.5 計(jì)算參數(shù)與計(jì)算邊界條件

對(duì)于模型糙率的選取，依據(jù)《水工手冊(cè)》糙率取值范圍，結(jié)合輸水航道規(guī)劃設(shè)計(jì)資料以及以往相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)等資料，對(duì)保護(hù)區(qū)下墊面分別按照不同下墊面條件分區(qū)對(duì)糙率進(jìn)行取值。參考糙率取值見(jiàn)表1。

表1 區(qū)域糙率表

模型計(jì)算邊界條件為：南小河、王橋小河、嘴子河和天河分別發(fā)生100年一遇洪水時(shí)，遭遇下游輸水航道20年一遇洪水位；輸水航道上、下游邊界采用20年一遇洪水位，支流來(lái)水采用100年一遇設(shè)計(jì)洪水過(guò)程。

以王橋小河為例，邊界條件設(shè)置情況見(jiàn)圖1。南小河、王橋小河、嘴子河和天河100年一遇設(shè)計(jì)洪水過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖1 王橋小河二維水動(dòng)力學(xué)模型邊界設(shè)置圖

圖2 南小河、王橋小河、嘴子河及天河100年一遇設(shè)計(jì)洪水過(guò)程圖

3 計(jì)算成果分析

3.1 計(jì)算方案

本次計(jì)算考慮輸水航道支流河道發(fā)生100年一遇洪水時(shí)對(duì)輸水航道的影響，輸水航道為20年一遇設(shè)計(jì)洪水位，南小河、王橋小河、嘴子河和天河計(jì)算方案見(jiàn)表2。

表2 輸水航道支流計(jì)算方案匯總表

根據(jù)二維洪水演進(jìn)計(jì)算成果，本次計(jì)算的支流河道兩岸堤防矮小，河道現(xiàn)狀斷面行洪能力不足，當(dāng)支流發(fā)生100年一遇設(shè)計(jì)洪水，支流河道將發(fā)生洪水漫溢，超額洪水在低洼地滯蓄。因此本次計(jì)算以河道最大歸槽泄流能力來(lái)核算超標(biāo)準(zhǔn)支流洪水對(duì)輸水航道的影響。

3.2 流場(chǎng)影響分析

南小河：輸水航道內(nèi)流速一般在0.1～0.5m/s。在最大泄流時(shí)刻南小河下游流速在1.0m/s 以上，河口下游輸水航道主槽流速一般在0.4m/s 以內(nèi)，河口上游輸水航道主槽流速一般在0.1m/s 以內(nèi)，入河口橫向流速在0.3m/s 以內(nèi)。輸水航道右岸受到南小河來(lái)水頂沖，右岸迎流頂沖段流速在0.2～0.5m/s之間。

王橋小河：輸水航道內(nèi)流速一般在0.1～0.4m/s。在最大泄流時(shí)刻南小河下游流速在1.0m/s 以上，河口下游輸水航道主槽流速一般在0.2m/s 以內(nèi)，河口上游輸水航道主槽流速一般在0.1m/s 以內(nèi)，入河口橫向流速在0.3m/s 以內(nèi)。輸水航道右岸受到王橋小河來(lái)水頂沖，右岸迎流頂沖段流速在0.3～0.5m/s 之間。在河口處王橋小河左岸區(qū)域有一定回流，對(duì)于輸水航道左岸區(qū)域流態(tài)有一定影響，但不影響主河槽流場(chǎng)分布。

嘴子河：輸水航道內(nèi)流速一般在0.1～0.3m/s。在最大泄流時(shí)刻南小河下游流速在1.1m/s 以上，河口下游輸水航道主槽流速一般在0.3m/s 以內(nèi)，河口上游輸水航道主槽流速一般在0.2m/s 以內(nèi)，入河口橫向流速在0.4m/s 以內(nèi)。輸水航道右岸受到嘴子河來(lái)水頂沖，右岸迎流頂沖段流速在0.2～0.4m/s 之間。

天河：輸水航道內(nèi)流速一般在0.1～0.3m/s。在最大泄流時(shí)刻天河下游流速在1.5m/s 以上，河口下游輸水航道主槽流速一般在0.3m/s 以內(nèi)，河口上游輸水航道主槽流速一般在0.2m/s 以內(nèi)，入河口橫向流速在0.25m/s 以內(nèi)。輸水航道右岸受到天河來(lái)水頂沖，右岸迎流頂沖段流速在0.2～0.3m/s 之間。

南小河、王橋小河、嘴子河和天河支流河道對(duì)輸水航道流場(chǎng)影響詳見(jiàn)表3。經(jīng)計(jì)算，南小河、王橋小河、嘴子河和天河發(fā)生100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，河道歸槽流量均較小，河口處橫向流速以及航道下游流速均不大于0.4m/s，對(duì)通航影響較小。王橋小河有局部回流，對(duì)于輸水航道左岸區(qū)域流態(tài)有一定影響，但不影響主河槽流場(chǎng)分布。

表3 支流對(duì)輸水航道流場(chǎng)影響表

3.3 水位影響分析

南小河、王橋小河100年一遇設(shè)計(jì)洪水遭遇輸水航道20年一遇洪水位時(shí)，在最大泄流時(shí)刻輸水航道水位上升0.07～0.08m，對(duì)干流輸水航道水位有一定影響。

嘴子河100年一遇設(shè)計(jì)洪水遭遇輸水航道20年一遇洪水位時(shí)，在最大泄流時(shí)刻輸水航道水位上升0.08～0.09m，對(duì)干流輸水航道水位有一定影響。

天河100年一遇設(shè)計(jì)洪水遭遇輸水航道20年一遇洪水位時(shí)，在最大泄流時(shí)刻輸水航道水位不大于0.01m，對(duì)干流輸水航道水位影響較小。

經(jīng)計(jì)算，南小河、王橋小河、嘴子河和天河支流河道處輸水航道斷面較現(xiàn)狀河道明顯擴(kuò)大，其洪水下泄更加順暢，當(dāng)南小河、王橋小河、嘴子河支流發(fā)生100年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，對(duì)于輸水航道水位有一定影響。當(dāng)天河支流發(fā)生100年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，對(duì)于輸水航道水位影響較小。

南小河、王橋小河、嘴子河和天河支流河道對(duì)輸水航道水位影響詳見(jiàn)表4。

表4 支流對(duì)輸水航道水位影響表

4 結(jié)語(yǔ)

本文以引江濟(jì)淮工程為例，采用構(gòu)建二維水動(dòng)力學(xué)模型的方法對(duì)大中型輸調(diào)水工程輸水航道路線沿線的支流洪水影響進(jìn)行評(píng)估分析。這種方法與傳統(tǒng)物模分析方法相比較，大大減少了構(gòu)建模型的時(shí)間，節(jié)約人力物力成本，在本工程設(shè)計(jì)中取得了良好的效果，對(duì)類似大中型調(diào)水輸水工程設(shè)計(jì)有一定的參考意義