南水北調(diào)東線二期半專道輸水方案對淮河入江水道行洪能力影響研究

饒貴康，徐 津，王玲玲，胡禮涵，唐洪武

（1.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098）

1 研究區(qū)域概況

淮河入江水道位于蘇皖兩省交界處，設計行洪12 000m3/s［1-3］，是淮河流域洪澤湖下泄洪水的主要通道，并兼有排澇、灌溉、航運、養(yǎng)殖等綜合功能。入江水道橫跨淮河與長江兩大流域：北抵洪澤湖三河閘、南至長江三江營，分為上、中、下3段，全長157.2 km。入江水道分泄淮河70%左右的洪水，是淮河行洪的安全閥，也是沿線天長、高郵、揚州等重要城市的戰(zhàn)略水源地，為當?shù)氐慕?jīng)濟和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供生產(chǎn)生活用水。

為了解決北方日益增長的水資源需求，國家正在加快推進南水北調(diào)東線二期工程的建設步伐［4］，在一期工程的基礎上擴大東線工程江水北調(diào)的能力?；春Ｈ虢烙捎谄涞锰飒毢竦牡乩砦恢?，成為東線二期工程長江至洪澤湖段重點研究論證的輸水路線。目前的規(guī)劃方案中有全湖、專道及半專道3種輸水方案，半專道方案是主要方案之一，其輸水路線如圖1所示。該方案利用淮河入江水道，自長江干流三江營開始抽水，沿夾江、廖家溝等河段向北送水至洪澤湖三河閘。輸水工程對入江水道擬采取一系列工程措施，如高郵湖、邵伯湖抽槽，金灣河、芒稻河拓浚開挖，邵伯湖東側(cè)修建專道隔堤等。上述工程尤其隔堤工程的修建侵占邵伯湖區(qū)，勢必會對入江水道中段的行洪產(chǎn)生一定影響。因此，本文結(jié)合研究區(qū)域河、湖、灘、圩串并相連的特點，采用數(shù)值模擬方法構建淮河入江水道一維、二維耦合水動力數(shù)值模型，選用2007年實測洪水對耦合模型進行率定，在此基礎上進一步分析半專道工程方案實施前后入江水道的行洪能力變化。

圖1 半專道方案輸水路線

2 一維、二維耦合數(shù)值模型

2.1 一維模型控制方程

三河與三河改道段、六閘站至三江營的歸江段采用一維河網(wǎng)模型，控制方程為圣維南方程組，包括連續(xù)方程和動量方程：

連續(xù)方程：

式中：x、t分別為笛卡爾坐標及時間；Q為斷面流量；Z為斷面水位；Bt為當量河寬，等于河寬與附加灘地寬度；q為單位河長的旁側(cè)入流量；α為動力校正系數(shù)；A為斷面面積；g為重力加速度；c為謝才系數(shù)；R為水力半徑。該方程組采用六點Abbott-Ionescu隱式差分格式［5］進行離散，并用追趕法［6］進行數(shù)值求解。

2.2 二維模型控制方程

高郵湖區(qū)、新民灘灘地、邵伯湖區(qū)、邵伯湖灘群采用二維淺水方程模擬其水動力：

式中：t為時間；u和v分別為x和y方向上的平均流速分量；h為總水深；g為重力加速度；S0x和Sfx分別是x向的水底底坡和摩阻坡度；S0y和Sfy分別是y向的水底底坡和摩阻坡度；Swx和Swy分別為x和y方向的風應力。

2.3 一維、二維耦合原理

一維、二維模型耦合按照空間連接方式分為側(cè)向耦合與縱向耦合。側(cè)向耦合主要用于模擬河流主槽及洪泛區(qū)之間的水量交換及水動力過程，縱向耦合廣泛應用于上下游聯(lián)解的河湖系統(tǒng)，以及潰壩模擬［6］。根據(jù)淮河入江水道的河湖連接關系擬采用縱向耦合。

目前求解該類耦合的方法主要有2種：（1）重疊區(qū)域計算法。將一維、二維模型區(qū)域延長一段重疊段求解［7］；（2）邊界迭代法。無需重疊段，在模型連接斷面處通過虛擬一條耦合線進行連接，根據(jù)水位流量相同求解［8］。本次模擬采用第二種方法，一維河網(wǎng)與二維湖泊模型的水力因子通過虛擬耦合線進行傳遞［9］，無需重疊一維河段來傳遞水力因子，避免了口門處二維網(wǎng)格尺度的嚴苛要求。為檢驗所使用的一維、二維模型耦合模塊的可靠性，利用梁東方等［10］設置的耦合算例進行驗證，如圖2所示。

圖2 一維、二維模型耦合算例示意

該算例由一條順直河道與平底洪泛區(qū)構成，底高程均為0。一維河道為矩形斷面、河道寬4m，長360m，等間距劃分為S1至S10共10個斷面；二維洪泛區(qū)為邊長200m的正方形，四周為不過水邊界。初始時刻模型中的水位為0.5m，一維河道上游流量采用非恒定過程，流量在10min內(nèi)由0線性增加到4m3/s后保持恒定。圖3給出了S1、S10斷面水位計算值與文獻值隨時間的變化規(guī)律，其NSE系數(shù)分別為0.975、0.983。圖4是一維河道在t=6 min與t=30min時的沿程水面坡降，由圖4可知計算值與文獻值結(jié)果接近，NSE系數(shù)分別達到了0.981、0.986，表明耦合模型模擬精度較高。

圖3 S1、S10斷面水位變化

圖4 一維河道水面坡降變化

3 模型建立

3.1 計算范圍及網(wǎng)格劃分

本次模型的計算范圍北起洪澤湖三河閘、南至長江三江營，全長157.2 km。一維數(shù)值模型中概化河道有12條，分別為三河及改道段、省界至六閘段、六閘段至壁虎河、廖家溝、太平河、金灣河、芒稻河、壁虎河、鳳凰河、新河、夾江，八江口，控制斷面共236個。二維數(shù)值模型中概化區(qū)域有高郵湖、邵伯湖、新民灘以及邵伯湖群灘，面積約871 km2，網(wǎng)格剖分采用三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格相互結(jié)合的方式，地形變化較大的區(qū)域進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格單元共11 158個，網(wǎng)格節(jié)點7 715個，一、二維耦合模型示意見圖5，沿線擁有中渡、金湖、施尖、高郵（高）等水位監(jiān)測點。

圖5 一、二維耦合模型示意

3.2 模型率定

2007年淮河流域自北向南普降暴雨，入江水道沿線水閘全開泄水。此次洪水來水量大，河湖水位變化明顯，適合作為數(shù)學模型的率定資料。選取2007年入江水道汛期實測洪水數(shù)據(jù)對耦合模型進行率定。模型上邊界采用三河閘實測流量過程，下邊界采用三江營實測潮位數(shù)據(jù)，模擬時段入江水道沿線閘門全開。率定得出一、二維模型河湖區(qū)域的糙率值，如表1所示。

表1 模型率定糙率

圖6是區(qū)域內(nèi)水文測站中渡、金湖、高郵（高）在7月25~31日的水位率定結(jié)果。由圖6可知，3個站點的水位計算值與實測值吻合良好，納什效率系數(shù)均達到了0.950以上，表明耦合模型精度較高，能夠準確模擬入江水道的水動力過程。

圖6 2007年7月25—31日水位率定結(jié)果

4 工程方案及行洪影響分析

東線二期半專道輸水方案的輸水起點位于長江三江營，沿夾江、芒稻河、金灣河等河段向北輸水。金灣閘附近擬建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西偏泓從高郵湖引水經(jīng)金湖梯級抽水入三河，最后由洪澤梯級抽水入洪澤湖。整個方案工程參數(shù)如下：

（1）芒稻河8.4 km河道拓浚及河坡防護；（2）金灣河12.2 km的河道疏浚與防護；（3）深泓河擴挖9 km；（4）金鉤改道段擴挖以及三河段36 km的疏浚；（5）高郵湖抽槽31.9 km；（6）邵伯湖東側(cè)修建19.5 km隔堤，設計堤頂高程6.83m，頂寬5m，深泓河段頂寬7.53m。根據(jù)淮河入江水道的行洪要求，利用所建數(shù)學模型復演設計洪水工況下半專道工程方案對入江水道行洪的影響，設置上邊界三河閘來流12 000m3/s，下邊界三江營水位5.66m。計算得沿線主要站點水位見表2。

根據(jù)計算結(jié)果可知，二期工程對淮河入江水道相關河段進行開挖拓浚、高郵湖邵伯湖進行抽槽后，三河閘下泄12 000m3/s的設計洪水時入江水道上段（三河閘至施尖）、下段（六閘至三江營）的沿程水位均將低于設計值，各站點水位下降幅度在0.2~6.4 cm之間，滿足入江水道行洪設計要求；但新民灘南部的廿里鋪水位模擬值相比設計值高出1.8 cm，水位出現(xiàn)抬高現(xiàn)象，表明工程實施后會降低邵伯湖局部區(qū)域的行洪能力。其原因應是湖區(qū)東側(cè)修建的專道隔堤侵占了約76m2的過水斷面，削減了邵伯湖的行洪空間。為此，需要實施相關切灘措施來消除隔堤工程帶來的不利影響。

根據(jù)半專道方案的設計要求，擬考慮在新民灘尾閭進行切灘補償，如圖7所示，切灘范圍為新民灘控制線以南，靠近水道西岸的兩處灘地，兩灘地原高程在4.0~5.8m之間，切灘面積約345.8 hm2，切灘底高程3.33m，切灘土方量約325.24萬m3。利用模型模擬切灘后的水動力場，得到設計洪水工況下入江水道沿線各站點的水位值，見表3。結(jié)果顯示，切灘后沿線各站點水位均低于設計值，邵伯湖區(qū)廿里鋪的水位模擬值約為9.117m，相比于設計值降低了1.3 cm，相比于切灘前降低了3.1 cm；此外，高郵湖區(qū)的高郵（高）、邵伯湖南端的施尖水位相比切灘前均有明顯的水位下降。本次模擬結(jié)果表明，在邵伯湖內(nèi)實施切灘工程，基本可以消除隔堤侵占湖區(qū)對行洪帶來的不利影響。

圖7 邵伯湖尾閭切灘前后對比

表3 切灘后入江水道沿線站點水位

5 結(jié)語

本文基于MIKE FLOOD一維、二維耦合模塊，建立了北抵洪澤湖三河閘、南至長江三江營的一維、二維耦合水動力模型，計算分析了南水北調(diào)東線二期工程半專道輸水方案對淮河入江水道行洪的影響，得到以下結(jié)論：

（1）耦合模型經(jīng)2007年實測洪水率定后，水位計算值與實測數(shù)據(jù)吻合良好，模型具有較高精度，可較準確地模擬入江水道水動力過程。

（2）設計洪水工況下，半專道輸水方案對入江水道上段、下段的行洪安全造成的影響可控；中段邵伯湖區(qū)域由于東側(cè)修建隔堤侵占河道，行洪時局部區(qū)域水位出現(xiàn)抬高現(xiàn)象，廿里鋪的模擬水位超過了設計值，對行洪不利。

（3）對新民灘尾閭實施切灘補償后，基本可以消除隔堤侵占河道帶來的不利影響，整體方案實施后入江水道的行洪滿足設計要求。