呂大為，周亞軍，張孟穎，夏 季

(江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127)

新沂河海口樞紐工程是淮河流域沂沭泗水系沿線的重要水利工程之一，承擔(dān)著排泄沂沭泗流域洪水以及分泄淮河洪水等任務(wù)。依據(jù)洪大林等[1]物理模型試驗(yàn)研究，在一期工程的基礎(chǔ)上開挖中深泓、擴(kuò)建中深泓18孔閘，從而將?？陂l的運(yùn)行模式從泓灘聯(lián)合行洪轉(zhuǎn)變?yōu)殂佬泻?。工程主要建筑物?座深泓閘和2座淺灘橡膠壩，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，設(shè)計(jì)流量7 800 m3/s，南、中、北深泓閘設(shè)計(jì)流量分別為2 425 m3/s、3 348 m3/s、2 027 m3/s。

2019年8月，沂沭泗流域大部分地區(qū)普降大暴雨，局地特大暴雨，其中沂河臨沂以上區(qū)間降水量為1974年以來最大降水量。本次強(qiáng)降雨導(dǎo)致沂沭泗地區(qū)發(fā)生了較大洪水，新沂河實(shí)測排洪最大流量達(dá)5 480 m3/s，為建閘后歷史最大泄洪量。后進(jìn)入相對平穩(wěn)階段，過閘行洪流量維持在4 500 m3/s左右。

根據(jù)2019年8月行洪監(jiān)測資料，實(shí)際分流比與設(shè)計(jì)分流比發(fā)生較大變化，中泓行洪能力嚴(yán)重不足，新沂河沭陽段沭陽閘(下游)、沭新閘(上游)、沭陽等站點(diǎn)水位均超過了歷史最高水位。在多次行洪后，分流魚嘴、閘上引河及閘下港道在水流作用下產(chǎn)生沖刷或淤積，現(xiàn)狀斷面與設(shè)計(jì)斷面發(fā)生較大變化。分流比改變原因的探究是新沂河口下一步治理重要理論依據(jù)。

陳界仁等[2]依據(jù)分流比計(jì)算原理，結(jié)合實(shí)測資料，研究了斷面過水面積和水力比降兩個(gè)因素對分流比的影響；張瑋等[3]利用一二維耦合潮流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了不同整治方案實(shí)施前后的汊道分流比，分析了工程對河段的影響；高敏等[4]分析了長江口北槽治理工程對其分流比改變的原因，及預(yù)測了分流比變化的未來趨勢；董德化等[5]分析了“98·6”洪水時(shí)珠江三角洲局部河段洪水位異常壅高的原因，闡述了河道分流比變化的影響，簡介了珠江河口治導(dǎo)線規(guī)劃制定過程；李義天等[6]依據(jù)多年實(shí)測資料，分析了三口分流比變化的原因，得到了影響三口分流最主要的因素是荊江河段水位變化以及三口分流洪道沖淤變化；楊勝發(fā)等[7]通過模型試驗(yàn)，討論了過水?dāng)嗝婷娣e、分流角及上游工程等因素對汊道分流比的影響。綜上所述，對于多因素、復(fù)雜情況下的分流比變化原因研究較少。本文依據(jù)沖刷前后地形勘測資料及行洪實(shí)測資料，開展分流比影響因素的數(shù)值模擬研究。

1 計(jì)算模型及數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算原理

本文基于MIKE-21水動力模型，建立了新沂河口平面二維水流數(shù)學(xué)模型。

二維洪水演進(jìn)模型是在二維淺水動力學(xué)的計(jì)算方法的基礎(chǔ)上構(gòu)建的。MIKE-21 軟件在模擬城市洪水二維漫流過程中可以真實(shí)地模擬出水面在道路、小區(qū)、綠地、河道等不同地形狀況下漫流過程。模擬結(jié)果以數(shù)據(jù)、表格、圖像、動畫等形式輸出，內(nèi)容包括：洪水水量的空間分布、淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時(shí)。

二維水動力學(xué)模型的控制方程如下所示：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

式中：H為水深；B為地面高程；Z為水位，Z=H+B；M、N分別為x、y方向的單寬流量；u、v分別為x、y方向上的流速分量；n為糙率系數(shù)；g為重力加速度；q為源匯項(xiàng)。方程沒有考慮科氏力和紊動項(xiàng)的影響。

1.2 數(shù)值模擬范圍

依據(jù)河段具體情況，取138+000～灌河邊界為模型上下邊界，兩側(cè)河堤為模型的左右邊界，河道長度約8 km。模型計(jì)算范圍見圖1。

圖1 模型計(jì)算范圍圖

1.3 邊界條件

本次計(jì)算根據(jù)下游灌河潮汐水位特征值等資料，分析得出灌河概化的實(shí)際控制水位為：下游高水位4.00 m；下游中水位0.88 m；下游低水位-2.15 m。

本次計(jì)算主要研究在高水位下深泓的過流能力，因此下游控制水位取4.00 m。上游邊界為50年一遇洪水7 800 m3/s。

1.4 模型率定

依據(jù)2019年8月行洪監(jiān)測資料對模型的分流比、水位進(jìn)行驗(yàn)證，模型率定以糙率系數(shù)為基本率定參數(shù)。模型率定結(jié)果為：深泓糙率為0.020，閘上灘地為0.030，閘下灘地為0.040。

2 結(jié)果分析

2.1 計(jì)算模型的驗(yàn)證

模型相關(guān)參數(shù)為：現(xiàn)狀地形，上游流量5 480 m3/s，下游水位1.67 m。該工況與2019年8月行洪監(jiān)測資料的上下邊界條件一致，通過將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證模型的可靠性。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 率定工況分流比計(jì)算結(jié)果

從表1可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果差別較小，差別最大的北深泓流量計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果誤差僅為3.53%，考慮到實(shí)測數(shù)據(jù)也存在一定的誤差，因此該數(shù)值模型能夠在一定程度上模擬各深泓的過流情況。

2.2 現(xiàn)狀地形下的計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算模型采用的地形可分為行洪前地形與行洪后地形，行洪前后模型內(nèi)地形變化情況見圖2～3。

圖2 行洪前地形圖

圖3 行洪后地形圖

由圖2～3可以看出，現(xiàn)狀河道斷面與設(shè)計(jì)河道斷面出入較大。分流魚嘴處偏向南、北泓方向河底高程較低，中泓方向河底高程較高。中深泓閘上引河河底高程較高，中深泓閘下泓道淤積也較嚴(yán)重。2019年8月行洪沖刷后，3條深泓閘下引河均有不同程度的沖刷，北泓河底沖刷最為顯著，南泓河底沖刷程度稍弱，中泓下游河底高程變化也較大。模型其他位置高程在沖刷后變化很小。

模型邊界條件均為上游流量為50年一遇洪水7 800 m3/s，下游潮位4.00 m。該工況用于在現(xiàn)狀地形、設(shè)計(jì)流量、下游高潮位的條件下，校核各深泓的分流比及控制斷面的水位。沖刷前后分流比計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 沖刷前后分流比計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出現(xiàn)狀分流比與設(shè)計(jì)分流比存在較大偏差，北深泓及南深泓流量均超過設(shè)計(jì)流量，中深泓過流能力與設(shè)計(jì)流量相比嚴(yán)重不足。沖刷后中深泓的分流比有所增加，南泓和北泓的分流比相應(yīng)減少，中深泓的過流能力增強(qiáng)。但中泓分流比與設(shè)計(jì)分流比相比差距仍較大。沖刷前后，模型內(nèi)各點(diǎn)水位情況見圖4、圖5。

圖4 沖刷前模型內(nèi)水位圖

圖5 沖刷后模型內(nèi)水位圖

沖刷前控制斷面141+000水位為5.28 m，不滿足設(shè)計(jì)控制水位5.12 m要求。沖刷后控制斷面141+000水位值為4.99 m，滿足設(shè)計(jì)控制水位5.12 m要求?？梢钥闯?，閘下引河的沖刷有效的降低了控制斷面的水位。

2.3 模擬地形下的計(jì)算結(jié)果

為探究分流口、閘上下游引河河底高程對分流比的影響，設(shè)定3個(gè)方案對比分析影響分流比的因素。

方案1：對南、北分流魚嘴上游200 m至3個(gè)節(jié)制閘段開挖到-5.0 m高程，即開挖魚嘴處及閘上引河。上下游邊界條件保持不變。開挖后模型內(nèi)地形見圖6。

圖6 開挖方案1地形圖

開挖后工況下各深泓分流比計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 方案1分流比計(jì)算結(jié)果

由表3可以看出，開挖后中深泓分流比增大，南泓與北泓分流比相應(yīng)減少。與現(xiàn)狀地形條件下分流比相比，變化較小，中深泓分流比仍不滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)果表明分流魚及閘上引河的開挖對分流比的改善影響程度較小。

開挖后各深泓過流能力增強(qiáng)，模型內(nèi)水位整體下降，控制斷面141+000水位值為4.91 m，滿足設(shè)計(jì)控制水位5.12 m要求。

方案2：將中泓閘下引河開挖到-5.0 m高程，其他位置保持現(xiàn)狀高程不變。上下游邊界條件保持不變。開挖后模型內(nèi)地形見圖7。

圖7 開挖方案2地形圖

開挖后工況下各深泓分流比計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 方案2分流比計(jì)算結(jié)果

由表4可以看出，開挖后中深泓分流比顯著增大，南泓與北泓分流比相應(yīng)減少，中深泓過流能力滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)果表明中泓閘下引河開挖對分流比的改善影響程度較大。

開挖后各中深泓過流能力增強(qiáng)，模型內(nèi)水位整體下降，控制斷面141+000水位值為5.01 m，滿足設(shè)計(jì)控制水位5.12 m要求。

方案3：將南、北分流魚嘴上游200 m至3個(gè)節(jié)制閘段、中泓閘下引河段開挖到-5.0 m高程，其他位置保持現(xiàn)狀高程不變，即綜合采用方案1、方案2的開挖方案。上下游邊界條件保持不變。開挖后模型內(nèi)地形見圖8。

圖8 開挖方案3地形圖

開挖后工況下各深泓分流比計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 方案3分流比計(jì)算結(jié)果

由表5可以看出，開挖后中深泓分流比顯著增大，明顯超過設(shè)計(jì)分流比，南泓與北泓分流比相應(yīng)減少，中深泓流量的增量超過方案1與方案2中泓流量增加的代數(shù)和，可以認(rèn)為中泓下游引河的開挖優(yōu)先級大于魚嘴的開挖，魚嘴開挖對分流比的影響應(yīng)建立于下游引河開挖的基礎(chǔ)上。

開挖后各中深泓過流能力增強(qiáng)，各深泓分流比更加合理，模型內(nèi)水位整體下降，控制斷面141+000水位值為4.78 m，滿足設(shè)計(jì)控制水位5.12 m要求。

3 結(jié) 論

(1) 在上游流量為50年一遇洪水7 800 m3/s，下游潮位4.00 m的邊界條件下，中深泓的實(shí)際分流比遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)分流比；北深泓及南深泓的實(shí)際分流比大于其設(shè)計(jì)分流比，實(shí)際流量也超過各自設(shè)計(jì)流量；上游控制斷面141+000水位值為5.28 m，不滿足設(shè)計(jì)控制水位5.12 m要求。

(2)在2019年8月洪水行洪結(jié)束后，閘下引河均有不同程度的沖刷。中深泓分流比有所增加，南深泓、北深泓分流比相應(yīng)減少。但中深泓的實(shí)際分流比仍遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)分流比。上游控制斷面141+000水位值為4.99 m，滿足設(shè)計(jì)控制水位5.12 m要求。

(3)魚嘴開挖方案可以一定程度上緩解南、北泓的行洪壓力，但與中泓閘下引河開挖方案相比，其優(yōu)先級較低。通過方案3可以看出，魚嘴開挖對分流比的影響應(yīng)建立于下游引河開挖的基礎(chǔ)上。中泓閘下引河淤積是行洪能力不足的主要原因。