劉國(guó)慶，王 蔚，范子武，穆守勝，賈本有，烏景秀，鄧 曌

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

平原河網(wǎng)區(qū)分汊河道是一種極為常見(jiàn)的河型。研究分汊口的分流特性，對(duì)于保障區(qū)域防洪排澇、供水、通航安全，保護(hù)河流水環(huán)境健康，指導(dǎo)水利工程建設(shè)等具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。依據(jù)干、支流河床平面形態(tài)，分汊河道可以分為“Y”型交汊口（對(duì)稱式交汊口）和斜接形交汊口[1-3]。我國(guó)關(guān)于分汊口分流特性的研究，按照研究對(duì)象，可大致分為兩類(lèi)。一類(lèi)是針對(duì)大江大河的重要分汊口，例如：長(zhǎng)江口南北汊、珠江口思賢滘等。張蔚等利用平面二維數(shù)學(xué)模型，定量分解出徑流、潮流和徑潮相互作用對(duì)長(zhǎng)江口南北汊分流比的影響[4]。楊清書(shū)等利用珠江口思賢滘三水、馬口站實(shí)測(cè)水文資料，探討近幾十年來(lái)西北江三角洲河網(wǎng)區(qū)頂點(diǎn)分水分沙的季節(jié)變化和多年變化[5]。另一類(lèi)則是針對(duì)自然及人工河道中常見(jiàn)的直角分水口和彎道分水口的研究。羅福安等利用水槽試驗(yàn)，研究了直角分水口口前水流的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，揭示了分水寬度沿水深的變化規(guī)律[6]。郭維東等在物理模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合三維數(shù)學(xué)模型，研究了彎道取水口流態(tài)和流速分布，分析了不同取水角度引水口上游分水寬度及分流比的變化規(guī)律[7-8]?？傮w看來(lái)，對(duì)于分汊河道的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多重點(diǎn)關(guān)注交汊口水流流態(tài)、水沙物質(zhì)分配及其影響因素等相關(guān)問(wèn)題[9-12]。

蘇南運(yùn)河作為太湖流域唯一跨越多個(gè)水利分區(qū)的南北向河道，起著水量調(diào)節(jié)和承轉(zhuǎn)作用，直接影響沿線流域、區(qū)域及城市防洪排澇安全。2015，2016，2017年蘇南運(yùn)河沿線連續(xù)出現(xiàn)超警戒、超歷史的洪水，一直以航運(yùn)為主要任務(wù)的蘇南運(yùn)河成了流域內(nèi)“漲水快、退水慢、水位高”的高水位河道，是本區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)防控的重點(diǎn)。然而，目前針對(duì)蘇南運(yùn)河沿線分汊口流態(tài)、分流比及影響因素等相關(guān)研究相對(duì)較少。由于蘇南運(yùn)河自身下泄能力有限，洪水主要依靠沿線相連的通江河道外排入江，但各段通江河道與運(yùn)河連接間的交汊角存在差異，使得大運(yùn)河洪水入江走向有順?biāo)髋c逆水流方向；加之運(yùn)河沿線蘇、錫、常城市防洪大包圍建成，切斷了部分骨干入江河道。另外，洪水入江還受區(qū)域圩區(qū)群建設(shè)、入江口門(mén)規(guī)模與調(diào)度等因素影響，如何妥善解決太湖流域洪水出路需要從流域全局進(jìn)行整體研究。

蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河交汊口既是蘇南運(yùn)河沿線重要的分洪通道，又是流域、區(qū)域洪水遭遇的典型位置。以蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河典型分汊口為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展相關(guān)物理模型試驗(yàn)研究，為工程建設(shè)、工程調(diào)度及數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)，為運(yùn)河沿線排江通道分流能力及外排能力的匹配研究提供理論支撐。以“16·7”超歷史洪水實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，建立研究區(qū)域平面二維數(shù)學(xué)模型，研究超歷史洪水條件下蠡河分流比及其變化過(guò)程，并從流量、上下游水位差以及分流角度等方面揭示蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河分汊口分流比的影響因素。

1 區(qū)域概況

蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河交汊口位于望亭立交水利樞紐工程處，望虞河經(jīng)由望亭立交工程下穿蘇南運(yùn)河（圖1）。望亭立交與蘇南運(yùn)河成60°交角，地涵有9孔，每孔高6.5 m，寬7.0 m，均有閘門(mén)控制。蠡河位于望亭立交上游東側(cè)，上通蘇南運(yùn)河、下接望虞河，全長(zhǎng)約500 m，是蘇南運(yùn)河重要的排江通道。蠡河樞紐在運(yùn)河高水位時(shí)可分泄蘇南運(yùn)河洪水入望虞河，降低蘇南運(yùn)河水位減緩區(qū)域防洪壓力，是區(qū)域防洪重點(diǎn)工程之一?，F(xiàn)狀蠡河樞紐工程由船閘與節(jié)制閘組成，節(jié)制閘閘孔凈寬8 m，船閘寬8 m，長(zhǎng)135 m。

望虞河位于太湖流域陽(yáng)澄淀泖區(qū)和武澄錫虞區(qū)的交界處，是流域綜合治理骨干工程之一，總長(zhǎng)60.8 km，既是流域洪水外排長(zhǎng)江的主要河道，又是太湖流域“引江濟(jì)太”的重要調(diào)水通道（圖1）。望虞河入太湖湖口由望亭立交水利樞紐控制，入長(zhǎng)江口由常熟水利樞紐控制。望虞河?xùn)|岸沿線大小支流眾多，多由閘門(mén)控制，引江濟(jì)太期間大部分處于關(guān)閉狀態(tài)；西岸屬典型的平原河網(wǎng)區(qū)，支流多兼排地區(qū)澇水，僅北部靠近長(zhǎng)江的福山塘以北段和南部嘉菱蕩以南段由閘門(mén)控制，其余均為敞開(kāi)狀態(tài)[13-14]。

圖 1 蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河分汊口平面圖Fig. 1 Junction of South Jiangsu Canal-Li River-Wangyu River

2 研究方法

基于江蘇省太湖地區(qū)整體一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型與蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河交汊口局部物理模型，進(jìn)一步建立了蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河交汊口局部平面二維數(shù)學(xué)模型。江蘇省太湖流域整體一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型范圍為江蘇省太湖地區(qū)，面積約為1.96萬(wàn)km2，包括蘇州、無(wú)錫、常州市的全部和鎮(zhèn)江市的部分區(qū)域，模型通過(guò)“15·6”，“16·7”，“17·9”等多組典型洪水驗(yàn)證。交汊口二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算邊界由區(qū)域整體一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型提供，采用實(shí)測(cè)資料及物理模型交叉驗(yàn)證的方法對(duì)二維數(shù)學(xué)模型水位、流量等計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。利用驗(yàn)證后的蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河交汊口局部平面二維數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算“16·7”超歷史洪水過(guò)程蠡河樞紐調(diào)度前后交汊口主要位置處水位、流量變化過(guò)程，分析蠡河樞紐現(xiàn)狀分流比及其影響因子；進(jìn)一步計(jì)算蘇南運(yùn)河-蠡河不同交汊角度對(duì)蠡河分流的影響，并探討其成因。

2.1 交汊口局部物理模型

蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河交汊口局部物理模型按水流運(yùn)動(dòng)相似、重力相似及阻力相似準(zhǔn)則要求設(shè)計(jì)，采用比尺為1∶30的正態(tài)模型。模型上邊界為望亭立交蘇南運(yùn)河上游0.6 km、望虞河上游0.8 km處；下邊界為望亭立交蘇南運(yùn)河下游0.4 km、望虞河下游0.6 km處，模型還包括望亭立交水利樞紐、蠡河水利樞紐工程及蠡河（圖2）。

圖 2 蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河分汊口局部物理模型Fig. 2 Partial physical model of South Jiangsu Canal-Li River-Wangyu River junction

2.2 交汊口平面二維水流數(shù)學(xué)模型

利用MIKE21工程軟件包建立蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河交汊口局部平面二維數(shù)學(xué)模型。MIKE21是二維自由水面流動(dòng)模擬系統(tǒng)軟件，可運(yùn)用于自由水體流動(dòng)、污染物擴(kuò)散以及泥沙輸運(yùn)等二維數(shù)值模擬研究。蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河交汊口局部平面二維數(shù)學(xué)模型范圍，以望亭立交為中心，上邊界分別控制到蘇南運(yùn)河上游2.6 km、望虞河上游2.0 km處，下邊界分別控制到蘇南運(yùn)河下游2.8 km、望虞河下游2.1 km處。模型整體采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格最大空間步長(zhǎng)為15 m，交汊口處局部加密至5 m，最終節(jié)點(diǎn)總數(shù)為23 689個(gè)，網(wǎng)格總數(shù)為44 666個(gè)。模型地形采用2018年交汊口范圍內(nèi)1∶500實(shí)測(cè)地形，上邊界采用流量控制，下邊界采用水位控制，邊界條件由區(qū)域整體一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型提供。蠡河樞紐采用MIKE21中水閘模塊進(jìn)行模擬，蘇南運(yùn)河與望虞河立交斷面則采用管涵模塊實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確模擬。

模型驗(yàn)證與計(jì)算水文組合均選取“16·7”超歷史洪水過(guò)程，結(jié)合《蘇南運(yùn)河區(qū)域洪澇聯(lián)合調(diào)度方案》（蘇防辦電傳（2016）85號(hào)），具體計(jì)算時(shí)間為蠡河樞紐啟用后的36 h，即2016-07-02T07:00—2016-07-03T18:00。蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河交汊口實(shí)測(cè)水文資料相對(duì)缺乏，因此，本文利用了“16·7”實(shí)測(cè)望亭上、望亭下及望亭（大）3個(gè)站點(diǎn)（位置見(jiàn)圖1）的水位，局部物理模型測(cè)得的“16·7”蠡河樞紐啟用后蠡河流量過(guò)程對(duì)二維水流數(shù)學(xué)模型的水位、流量進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)水位值及物理模型觀測(cè)流量值吻合良好，水位誤差均在0.05 m以內(nèi)，流量誤差一般都在10%以內(nèi)，表明二維數(shù)學(xué)模型較為真實(shí)地模擬了交汊口水流運(yùn)動(dòng)特征，可應(yīng)用于本次研究工作。

圖 3 交汊口局部平面二維數(shù)學(xué)模型水位、流量驗(yàn)證結(jié)果Fig. 3 Verification results of water level and discharge of the two-dimensional mathematical model

2.3 模型計(jì)算方案設(shè)計(jì)

方案設(shè)計(jì)考慮現(xiàn)狀交汊角度分流特性計(jì)算方案與變交汊角度影響分析計(jì)算?，F(xiàn)狀交汊角度分流特性分析方案的計(jì)算時(shí)段為蠡河樞紐啟動(dòng)前24 h至啟動(dòng)后36 h，即：2016-07-01T07:00—2016-07-03T18:00。模型計(jì)算完成后，統(tǒng)計(jì)蠡河樞紐啟用后30 h內(nèi)蘇南運(yùn)河流量、蠡河流量、蘇南運(yùn)河水位（蘇南運(yùn)河-蠡河交汊口位置）、望虞河水位（望虞河-蠡河交汊口位置）變化過(guò)程，分析蠡河流量及分流比變化過(guò)程及影響因素。

變交汊角度影響分析方案的計(jì)算時(shí)段、控制邊界及模型參數(shù)與現(xiàn)狀交汊角度分流特性分析方案完全一致，僅將現(xiàn)狀蘇南運(yùn)河-蠡河交汊角度（約35°）分別改變至20°，45°，60°，90°和120°，統(tǒng)計(jì)蠡河樞紐啟用后30 h內(nèi)蠡河流量變化過(guò)程，分析交汊角度對(duì)蠡河分流比的影響并分析其原因。

3 交汊口分流特性分析

3.1 蠡河流量及分流比變化分析

圖4為蠡河樞紐啟用后蠡河分流量與分流比隨時(shí)間變化。由圖4可見(jiàn)，樞紐啟用后，蠡河流量變化過(guò)程與分流比變化過(guò)程基本一致。樞紐剛啟用時(shí)，蘇南運(yùn)河與望虞河水位差最大，因此過(guò)閘流量最大，蠡河流量約為73 m3/s，分流比約為52%。在隨后的近20 h內(nèi)，蠡河流量及分流比總體呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，原因是由于隨著蠡河泄洪，蘇南運(yùn)河與望虞河水位差逐漸減小。最后蠡河泄流量又回升至48 m3/s，分流比上升至30%左右并基本保持穩(wěn)定。

圖 4 蠡河流量分流比變化Fig. 4 Variation of diversion ratio of Li River

3.2 蘇南運(yùn)河流量對(duì)蠡河分流比的影響

根據(jù)以往相關(guān)研究成果，支流分流比多與干流來(lái)流量密切相關(guān)，本次研究繪制了蘇南運(yùn)河流量與對(duì)應(yīng)時(shí)刻蠡河分流比散點(diǎn)分布圖（圖5）。由圖5可見(jiàn)，散點(diǎn)分布散亂、規(guī)律性較差，因此對(duì)于蘇南運(yùn)河-蠡河交汊口而言，干流蘇南運(yùn)河的來(lái)流量對(duì)支流蠡河的分流比影響不大。分析其原因，對(duì)于天然的“Y”型交汊口或者斜接形交汊口，其支流的分流比多與干流流量有關(guān)，而蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河交汊口是不同于以上兩種交汊口形態(tài)的較為特殊的交汊口，蠡河樞紐啟用時(shí)，其過(guò)閘水頭主要由望虞河與蘇南運(yùn)河水位差所決定，因此，蠡河分流比可能與蠡河樞紐閘下水位（即望虞河出口段水位）及蘇南運(yùn)河-望虞河水位差有關(guān)。

圖 5 蘇南運(yùn)河流量與蠡河分流比關(guān)系Fig. 5 Relationship between discharge of South Jiangsu Canal and diversion ratio of Li River

3.3 望虞河水位對(duì)蠡河分流比的影響

圖 6 望虞河水位與蠡河分流比關(guān)系Fig. 6 Relationship between water level of Wangyu River and diversion ratio of Li River

蠡河分泄的洪水直接進(jìn)入望虞河，因此望虞河蠡河出口段水位可能對(duì)蠡河分流比產(chǎn)生影響。本文利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，建立了蠡河樞紐啟用后，望虞河水位與蠡河分流比關(guān)系（圖6）。如圖6所示，蠡河分流比隨著望虞河水位升高而減小，二者呈現(xiàn)近似線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，即：其中：Y為蠡河分流比；X為望虞河水位。這主要是由于望虞河水位升高會(huì)導(dǎo)致蠡河樞紐閘下水位壅高，在蘇南運(yùn)河水位不變的情況下，蠡河樞紐過(guò)閘水頭減小，導(dǎo)致蠡河分流比相應(yīng)減小。

3.4 蘇南運(yùn)河-望虞河水位差與蠡河分流比的相關(guān)性分析

為進(jìn)一步探究蠡河分流比的影響因素，建立蘇南運(yùn)河-望虞河水位差與蠡河分流比的關(guān)系。由圖7可見(jiàn)，蠡河樞紐分流比隨蘇南運(yùn)河-望虞河水位差增大而增大，且二者呈現(xiàn)很好的線性正相關(guān)關(guān)系，即：其中：Y為蠡河分流比；X為蘇南運(yùn)河與望虞河水位差。這是因?yàn)轶缓訕屑~泄流量大小直接由其過(guò)閘水頭決定，而蠡河樞紐的過(guò)閘水頭又由蘇南運(yùn)河-望虞河水位差決定，因此蠡河樞紐啟用后其分流量及分流比均由蘇南運(yùn)河-望虞河水位差決定。

圖 7 蘇南運(yùn)河-望虞河水位差與蠡河分流比關(guān)系Fig. 7 Relationship between water level difference of South Jiangsu Canal-Wangyu River and diversion ratio of Li River

3.5 交汊角度對(duì)蠡河分流比的影響

現(xiàn)狀蘇南運(yùn)河與蠡河河道中心線夾角約為35°，為了研究分流角度對(duì)蠡河分流比的影響，本文進(jìn)一步計(jì)算了另外5組夾角，分別為20°，45°，60°，90°，120°，蠡河樞紐啟用時(shí)，蠡河的分流比變化過(guò)程（圖8）。當(dāng)蘇南運(yùn)河與蠡河交角不同時(shí)，蠡河分流比大小及變化過(guò)程基本一致，這表明蘇南運(yùn)河與蠡河的交汊角度對(duì)蠡河分流比基本無(wú)影響。

圖8 不同分流角度蠡河分流比變化過(guò)程Fig.8 Changes of Li River diversion ratios under different diversion angles

當(dāng)干流內(nèi)水流流經(jīng)分水口后，部分水流發(fā)生偏轉(zhuǎn)進(jìn)入支流，并且會(huì)在支流一側(cè)形成回流區(qū)，導(dǎo)致進(jìn)水口的實(shí)際寬度要小于支流寬度，回流區(qū)在干流方向的寬度越大，對(duì)支流的有效過(guò)流寬度影響越大[8]。圖9為蘇南運(yùn)河-蠡河交汊口不同分流角度下，蠡河水閘啟用后交汊口流態(tài)。由圖9可見(jiàn)，當(dāng)交汊角分別為20°，35°，45°，60°，90°和120°時(shí)，蠡河口門(mén)區(qū)均有明顯的回流區(qū)存在，且不同交汊角度下回流區(qū)大小及強(qiáng)度基本相當(dāng)，造成不同交汊角度下蠡河的分流量及分流比基本保持不變。

圖 9 不同分流角度分汊口流態(tài)Fig. 9 Flow patterns under different diversion angles

4 結(jié) 語(yǔ)

平原河網(wǎng)區(qū)河道交汊口分流特性一直都是學(xué)術(shù)界高度關(guān)注的問(wèn)題。以蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河典型交汊口為研究對(duì)象，利用平面二維數(shù)學(xué)模型，研究了蘇南運(yùn)河流量、望虞河水位、蘇南運(yùn)河-望虞河水位差以及分汊口角度對(duì)蠡河分流比的影響，主要結(jié)論如下：

（1）蘇南運(yùn)河-蠡河-望虞河交汊口不同于常見(jiàn)“Y”型或者斜接形交汊口，干流蘇南運(yùn)河的流量對(duì)蠡河分流比影響較小。

（2）蠡河分流比與望虞河水位及望虞河-蘇南運(yùn)河水位差密切相關(guān)，蠡河分流比與前者呈現(xiàn)近似負(fù)線性相關(guān)，與后者則呈現(xiàn)較好的正線性相關(guān)。

（3）蘇南運(yùn)河-蠡河交汊角度對(duì)蠡河分流比影響不大，這主要是由于口門(mén)回流區(qū)降低了支流有效過(guò)水寬度，導(dǎo)致進(jìn)水口的實(shí)際過(guò)流寬度小于支流寬度。

蘇南運(yùn)河沿線分流節(jié)點(diǎn)眾多，且受人為干預(yù)較大，其分流特性往往由流域水情及水利工程調(diào)度共同決定。因此，綜合考慮流域、區(qū)域防洪需求，科學(xué)制定流域、區(qū)域防洪工程調(diào)度方案，優(yōu)化樞紐改擴(kuò)建工程，才能有效保障區(qū)域防洪安全。