包中進，王自明，韓曉維，史 斌

(浙江省水利河口研究院 浙江省河口海岸重點實驗室，杭州 310020)

經(jīng)過多年的水資源開發(fā)和利用，浙江省的水資源開發(fā)利用逐漸轉(zhuǎn)向河道中下游地區(qū)，在主要干流、支流上興建了大量的梯級河道型水庫(水電站)，為當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及居民生活用水提供了基礎(chǔ)保障，促進了社會和經(jīng)濟發(fā)展。如甌江干流開發(fā)建設(shè)了一系列攔河閘工程(開潭、五里亭、外雄、三溪口、青田樞紐工程等)，其中開潭水利樞紐工程建成后，上游形成10 km以上的庫區(qū)，為麗水城區(qū)以及沿線的村鎮(zhèn)提供了供水保障以及形成了休閑水景觀。這些工程具有這些共同的特點：一是閘底板高程和河道基本齊平；二是庫區(qū)河道底坡一般不大于1.0‰；三是上游庫區(qū)兩岸間距與閘址處河道寬度相近，基本沒有行洪調(diào)蓄功能；四是工程建成后，抬高了庫區(qū)的洪水位，增加了上游一定范圍內(nèi)堤防防洪壓力[1]。

在新建或者改建水利工程過程中，往往增加供水功能[2,3]，同時防洪標(biāo)準(zhǔn)也相應(yīng)提高，對河道型水庫的布置提出了更高的要求。面對新時期水利建設(shè)，有必要提供一種創(chuàng)新性的布置方法，既增加供水量、又降低上游防洪壓力。傳統(tǒng)的閘壩工程建設(shè)往往在一定程度上改變河流的水文情勢[4]，而湖泊一般具有較高的徑流控制能力[5]，特別是調(diào)蓄能力較大的湖泊即有利于蓄水滯洪又有利于水量的補給[6]，因而在城市內(nèi)澇防治中得到了一定的應(yīng)用，如廖朝軒[7]、齊文超[8]等對城市中不同位置設(shè)置湖泊時的內(nèi)澇情況進行了分析，廖朝軒還從理論分析得出了徑流峰值與湖泊等容積的計算關(guān)系[9]。上述研究主要通過水文角度對城鎮(zhèn)湖泊與內(nèi)澇的影響進行分析，本文結(jié)合實際工程，通過數(shù)值計算從沿程水位降幅、影響范圍及洪水特性等方面對常規(guī)方案及閘上河道擴挖方案進行了對比分析，可為工程設(shè)計方案的優(yōu)化與上游河道防洪影響分析提供參考。

1 工程概況

某市隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，外來人口的劇增，用水量呈快速增長態(tài)勢，人均水資源占有量將進一步下降。而境內(nèi)水資源已無開發(fā)潛力，解決缺水的措施主要依靠新建過境水利用工程來實現(xiàn)?，F(xiàn)需要新增1 500 萬m3的庫容來滿足城市的用水需求，同時由于工程上游為城鎮(zhèn)，因此要求工程不能對上游河道行洪造成影響。

為實現(xiàn)過境水資源的利用，擬對常規(guī)河道型布置方案[見圖1(a)]和擴大閘上河道規(guī)模布置方案[見圖1(b)]進行分析。兩種方案的水閘規(guī)模、水閘位置一致，常規(guī)布置方案將水閘直接布置于現(xiàn)有河道上，擴大閘上河道規(guī)模方案在常規(guī)布置方案的基礎(chǔ)上對上游河道進行擴挖。

圖1 不同方案布置示意圖

該工程位于南支和北支交匯口，樞紐工程主要由17孔攔河閘和引水泵站等組成。根據(jù)供水要求，需要閘上庫區(qū)正常蓄水位庫容達到1 300 萬m3左右，最終確定開挖后庫區(qū)水域面積4.91 km2，庫底高程為49.5～50.0 m。工程布置如圖1所示。樞紐總體平面布置如圖2所示。

圖2 攔河閘平面布置圖

2 模型簡介

2.1 基本方程

模型采用基于二維平面不可壓縮雷諾(Reynolds)平均納維埃-斯托克斯(Navier-Stokes)淺水方程建立，對水平動量方程和連續(xù)方程在h=η+d范圍內(nèi)進行積分后可得到下列二維深度平均淺水方程[10]：

(1)

(2)

(3)

(4)

A為水平渦動黏滯力系數(shù)，可按下列各式計算：

(5)

(6)

在該模型中通過輸入Cs來確定A值，Sij由系統(tǒng)自動計算捕獲。

τsx、τsy為風(fēng)摩阻x、y方向分量；τbx、τby為底摩阻x、y方向分量，可按下列各式確定：

(7)

(8)

(9)

(10)

在該模型中通過輸入曼寧數(shù)M值來實現(xiàn)對底摩阻的模擬。方程采用有限體積法離散。

本模型初始條件為水位條件，主要給定研究區(qū)域內(nèi)河道等水體的初始水位。邊界條件主要涉及以下兩個方面[11]。

(1)固壁邊界條件。

(11)

(2)入流及出流邊界。

①次臨界流Fr<1。此時水深和法向速度只固定其中一個。固定水深時：

(12)

固定速度時：

(13)

②超臨界流Fr>1。此時水深和法向速度均固定：

(14)

2.2 模型建立

平面二維數(shù)學(xué)模型下游邊界位于樞紐下游約8.5 km，北至北支上游13 km處，東至南支上游11 km處，模型范圍如圖3所示。驗證點采用水文測站1、2、3處資料。

圖3 模型范圍示意圖

采用三角形網(wǎng)格剖分。閘墩摳除處理。網(wǎng)格數(shù)量和尺寸：驗證的大模型共有網(wǎng)格單元20 339 個，最小網(wǎng)格尺度約2 m；常規(guī)方案共計15 397個網(wǎng)格單元，最小網(wǎng)格尺度約2 m；河道規(guī)模擴大后，共計27 140 個網(wǎng)格單元，最小網(wǎng)格尺度約2 m，如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格和地形

2.3 模型驗證

受2015年“燦鴻”、“蓮花”雙臺風(fēng)共同影響，浙江省普降暴雨到大暴雨，流域遭遇持續(xù)洪水，洪峰流量達1 200 m3/s。測站2在2015年7月12日達到洪峰。模型率定實測資料采用北支以及南支的實測流量資料，下邊界為水文站實測水位(測站1)。率定及驗證站點主要為測站2(水位)、測站3(水位)。各邊界的流量及水位過程見圖5。率定后北支糙率為0.022，南支山區(qū)性河道的糙率為0.028。成果如表1所示，水文測站3斷面以及水文測站2斷面的最高洪水位的計算與實測值基本吻合，如圖6所示，表明該計算模型計算區(qū)域的洪水演進特性，特別是洪峰時刻模擬較為準(zhǔn)確，可以較好的重現(xiàn)洪峰情況。

表1 計算及實測洪峰水位對比 m

圖5 流量及水位過程

圖6 2015年洪水位驗證

3 沿程水位變化及影響范圍

數(shù)學(xué)模型分別計算了5年一遇、20年一遇、50年一遇洪水3種工況。不同工況下沿程洪水位變化見圖7及表2。下面對不同工況下沿程水位變化及其影響范圍進行分析。

表2 庫區(qū)最大水位降幅

圖7 各頻率不同方案沿程水位

3.1 沿程水位變化情況

上游河道在工程建設(shè)后無配套的堤防加固等措施，因此要求工程建設(shè)對上游堤防安全的影響降低到最小。閘上河道規(guī)模擴大后沿程洪水位特征為閘址上游局部500～1 000 m左右的洪水位較常規(guī)方案前有所抬高，但影響較小，工程后對上游局部范圍內(nèi)河道沿程洪水位有所降低。

洪水位抬高情況：5年一遇閘前500 m最大抬高約0.12 m，20年一遇水位閘前500 m最大抬高約0.22 m，50年一遇水位閘前500 m最大抬高約0.32 m左右；

洪水位下降情況：樞紐其他區(qū)域較常規(guī)方案水位有所降低，庫區(qū)最大水位降幅隨著流量的增大而增大，如當(dāng)遇50年一遇洪水，北支流量分別為1 840、2 378以及2 480 m3/s時，其北支入庫斷面最大水位降幅分別為1.11、1.24以及1.27 m，南支流量分別為1 370、1 470以及2 010 m3/s時，南支入庫斷面最大水位降幅分別為1.16、1.23以及1.58 m。

3.2 降幅影響范圍

如前所述，樞紐工程建成后，攔河閘斷面及庫區(qū)上游500～1 000 m左右水位較常規(guī)方案有所抬高，庫區(qū)其他區(qū)域及北支局部河道防洪效果較為明顯。上游影響范圍主要規(guī)律如下：不同工況下頻率越高，對北支及南支的影響范圍就越大；

北支水位降低范圍要比南支大的多。北支5年一遇影響范圍約4.8 km，20年一遇影響范圍約5.8 km，50年一遇影響范圍約7.8 km；南支側(cè)影響范圍叫北支側(cè)要小，其中5年一遇影響范圍約2.3 km，20年一遇影響范圍約2.3 km，50年一遇影響范圍約2.8 km。初步分析北支、南支影響范圍不同的原因主要是河道坡降不同導(dǎo)致，見表3。

表3 對上游河道影響范圍

4 對洪水特性的影響

為進一步研究閘上河道規(guī)模對洪水特性的影響，以50年一遇典型洪水為樣本，觀察兩個方案之間洪水位的變化情況，分析其最高洪水位及洪峰到達時間的變化。結(jié)果表明：閘上河道規(guī)模擴大后對庫區(qū)段水位影響較大，最大洪峰水位降低了約1.4 m，洪峰推遲約1.5 h；對下游的防洪安全影響較小，如測站2位置的其最大洪峰水位下降了3 cm，洪峰推遲了約1.5 h。

圖8 不同方案洪水位過程線變化圖

5 結(jié) 語

采用平面二維數(shù)學(xué)模型模擬了攔河閘閘上河道規(guī)模擴大對上游洪水位的變化情況，研究表明，通過攔河閘閘上河道規(guī)模的擴大，既可以增加水庫蓄水量，提高供水保證率，又可以有效降低上游洪水位，提高兩岸或堤防的防洪能力。成果可供河床式電站梯級開發(fā)新建或者改建工程中參考應(yīng)用。