江蘇連云港青湖閘設(shè)計流量及水位計算

黃 英，孔 艷,李成功，周慶連，李亞楠

（1.連云港市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司,江蘇 連云港 222006；2.連云港市市區(qū)水工程管理處,江蘇 連云港 222006）

青湖閘水電站位于石梁河水庫下游,始建于20 世紀(jì)60 年代,采用明槽無壓進(jìn)水,且電站大多數(shù)設(shè)備從投運發(fā)電至今已運行40 多年,設(shè)備陳舊、老化嚴(yán)重、效率低下、損耗量大,大部分設(shè)備屬淘汰型產(chǎn)品,無備件更換,嚴(yán)重影響設(shè)備的安全運行,造成電站棄水量大,水資源利用率低,經(jīng)相關(guān)部門討論,對其進(jìn)行拆除重建。本文圍繞青湖閘設(shè)計流量及水位展開計算分析,青湖閘后續(xù)除險加固設(shè)計規(guī)模依據(jù)石安河的設(shè)計洪水、沿線各泄洪口門規(guī)模及其調(diào)度規(guī)則等綜合確定[1]。

1 工程概況

青湖閘位于連云港市東海縣青湖鎮(zhèn),坐落在石安河?xùn)|側(cè)堤防上、磨山河與石安河的交匯處。該閘于1960 年11 月開工建設(shè),1966 年12 月竣工交付使用,設(shè)計流量660 m3/s,現(xiàn)狀共9 孔（其中5 孔凈寬5 m, 2 孔凈寬4 m,2 孔凈寬2 m）,底板高程13 m。青湖閘主要承泄石安河洪水,經(jīng)過青湖閘下泄、經(jīng)磨山河進(jìn)入新沭河入海,同時完成防洪、灌溉和發(fā)電功能：（1）防洪：承擔(dān)石安河50 年一遇洪水的泄洪任務(wù),由青湖閘通過磨山河經(jīng)磨山河橋閘泄入新沭河,是磨山河上游重要的防洪屏障；（2）灌溉發(fā)電：設(shè)計灌溉面積16 萬畝,利用灌溉水發(fā)電,設(shè)計年發(fā)電量為190 萬kW·h。石安河及青湖閘工程位置見圖1。

圖1 石安河及青湖閘工程位置圖

2 青湖閘設(shè)計流量、水位計算

2.1 計算方法

根據(jù)水文計算成果,石安河流域年最大24 小時20 年一遇、50 年一遇設(shè)計面積量分別為177.75 mm、206.96 mm,流域水情復(fù)雜。本次計算采用MIKE11 軟件的水動力模塊模擬石安河流域水動力情況。MIKE11 軟件一維水動力學(xué)模型控制方程為圣維南偏微分方程組,見下式：

式中：q為河道旁側(cè)入流,m3/s；BT為當(dāng)量河寬,m；Z為斷面水位,m；Q為流量,m3/s；K為流量模數(shù)。

Mike11 采用Abbott六點隱式差分格式離散Saint-Venant方程組,該離散格式在每一個網(wǎng)格點并不同時計算水位和流量,而是按順序交替計算水位或流量,該格式無條件穩(wěn)定,可以在相當(dāng)大的Courant數(shù)下保持計算穩(wěn)定,可以取較長的時間步長以節(jié)省計算時間。對上述離散方程組采用傳統(tǒng)的“追趕法”,即“雙掃”算法進(jìn)行求解。模型考慮了堰、閘、阻水橋梁,以及區(qū)間水量交換等,能適用于本段河道洪流演進(jìn)的定量分析計算,得出河道各特征斷面水位和流量的過程。

在一個河網(wǎng)中,河道與河道相互交叉連結(jié),其連接點成為節(jié)點,每個節(jié)點均要滿足兩個銜接條件,即水量連接條件和動力連接條件。

整個河網(wǎng)為若干河道和節(jié)點的組合,河網(wǎng)水量的控制方程即為每一河道的控制方程與每一節(jié)點銜接條件及初邊值條件聯(lián)立所得的微分方程組。數(shù)值求解河網(wǎng)水量微分方程組,則可以求出每一河道指定斷面處以及節(jié)點上的水位、流量等水力變量。

2.2 模型建立

2.2.1 河網(wǎng)概化

依據(jù)圖2 所示流域情況、地形、水系結(jié)構(gòu)及其水流走向、現(xiàn)有域內(nèi)水利工程布局、控規(guī)路網(wǎng)等因素,構(gòu)建河網(wǎng)概化模型,見圖3。

圖2 河網(wǎng)及工程布局現(xiàn)狀

圖3 河道水利計算模型河網(wǎng)概化圖

概化后的河網(wǎng)模型涵蓋了石安河流域的主要河道,包括新沐河、磨山河及石安河,為了模擬計算三座水閘的運行工況,對河網(wǎng)建立簡化模型,即以石安河為主,同時在青湖閘、埝河閘、范埠閘三座閘門下游取0.15 km長的河道。整個模型河網(wǎng)總長55.45 km,模型計算中涉及到的計算水位斷面共560 個,平均間距約100 m。

2.2.2 參數(shù)選取

（1）河網(wǎng)參數(shù)

石安河流域的主要河道包括新沐河、磨山河及石安河,全長55 km,鑒于河道上已建水閘工程攔蓄致使上下游水位相差較大,為了充分模擬水閘對過流水動力條件的影響,假定水閘下游河道承泄能力滿足要求,對泄洪無顯著約束,按照三座水閘的自由出流形態(tài),將青湖閘、埝河閘、范埠閘下游河道長度均設(shè)置成0.15 km以便于后續(xù)計算。因此,整個河網(wǎng)模型全長為55.45 km。

（2）糙率選取

由于流域植被,江道坡降,河床質(zhì)、河道斷面形式及河道上的建筑物等等,都會對流域洪水演進(jìn)產(chǎn)生影響,因而河道的概化以及參數(shù)的選定會影響到洪流演進(jìn)計算成果。在模型計算過程中,根據(jù)行洪河道河床情況,河段糙率取0.0225。

（3）河道斷面參數(shù)

河道底高程為14 m,底寬依據(jù)各水閘節(jié)點按照實際測量值予以賦值,在20 m~40 m之間,邊坡確定為1∶2。

（4）水閘節(jié)點參數(shù)

據(jù)前所述,根據(jù)石安河三處水閘規(guī)模對模型予以賦值,具體如下：

①青湖閘,閘底板高程13.0 m,閘孔總凈寬29 m,設(shè)計泄流量660 m3/s；

②埝河閘,閘底板,高程15.0 m,閘孔總凈寬16 m,設(shè)計泄流量240 m3/s；

③范埠閘,閘底板,高程15.0 m,閘孔總凈寬8 m,設(shè)計泄流量124 m3/s。

（5）邊界條件

通過河流的自由端點定義其外部邊界。石安河的外部邊界主要涉及安峰山水庫和石梁河水庫,但是鑒于石安河水位,將連接處設(shè)置為閉合邊界。三座水閘下游0.15 km處的河道末端邊界設(shè)置為0.1 m相應(yīng)的水位。對于內(nèi)部邊界,即石安河西側(cè)流域的匯流按照匯水區(qū)節(jié)點處分布流邊界模式賦值。

2.3 計算結(jié)果

根據(jù)河網(wǎng)模型計算成果,當(dāng)發(fā)生20 年一遇設(shè)計洪水時,石安河沿線最高水位為18.20 m～20.77 m；當(dāng)發(fā)生50 年一遇設(shè)計洪水時,石安河沿線最高水位為19.32 m～21.23 m,見圖4。

圖4 石安河各計算截面不同工況水位

不同工況下青湖閘最高水位及最大下泄流量結(jié)果見表1。

表1 不同工況下青湖閘泄洪結(jié)果

青湖閘按20 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,其相應(yīng)泄洪流量為660 m3/s,水位18.21 m；按50 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)校核,其相應(yīng)泄洪流量為660 m3/s,水位19.33 m,本次河網(wǎng)模型計算河道上游水位結(jié)果較其偏低、青湖閘處水位結(jié)果較其偏高。

2.4 成果分析

本次青湖閘設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇,根據(jù)河網(wǎng)模型計算成果,當(dāng)發(fā)生50 年一遇設(shè)計洪水時,模型計算石安河沿線最高水位為19.32 m～21.23 m,雖高于石安河沿線防洪設(shè)計水位,但比石安河沿線堤防高程（20.4 m～23.8 m）低0.7 m以上,能夠滿足石安河堤防安全加高（0.6 m）的要求。因此,本次設(shè)計青湖閘按原閘孔規(guī)模拆建,能滿足石安河50 年一遇泄洪要求。

上述計算結(jié)果主要是由于河網(wǎng)模型考慮了河道的調(diào)蓄作用,而閘前設(shè)計水位采用天然河道明渠恒定非均勻流的計算方法由青湖閘處18.0 m向上游推算石安河水位,沒有考慮河道本身的調(diào)蓄作用,故而本次計算河道上游水位結(jié)果較其偏低、青湖閘處水位結(jié)果較其偏高。因此,本次模型計算結(jié)果較為可靠。

3 結(jié)語

鑒于河網(wǎng)區(qū)水文水動力條件復(fù)雜的情況,為精確模擬洪澇過程,確定排澇工程規(guī)模,建立基于MIKE11水動力模塊的排澇區(qū)河網(wǎng)模型,按照流域情況、地形、水系結(jié)構(gòu)及水流走向、工程布局、控規(guī)路網(wǎng)等影響因素概化模型,合理確定相應(yīng)的計算參數(shù)和邊界條件,計算結(jié)果是可靠可信的。青湖閘主要功能為分泄石安河洪水入新沭河、并兼灌溉發(fā)電,依據(jù)計算成果待工程加固完善后,將對該閘上游防洪安全,促進(jìn)地方經(jīng)濟發(fā)展和保障人民群眾生產(chǎn)生活需要等方面均能發(fā)揮顯著作用。