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(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)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(shè)計(jì)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(yùn)、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(yáng)州等重要城市的戰(zhàn)略水源地，為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)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(jìn)南水北調(diào)東線二期工程的建設(shè)步伐［4］，在一期工程的基礎(chǔ)上擴(kuò)大東線工程江水北調(diào)的能力。淮海入江水道由于其得天獨(dú)厚的地理位置，成為東線二期工程長江至洪澤湖段重點(diǎn)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(diǎn)，采用數(shù)值模擬方法構(gòu)建淮河入江水道一維、二維耦合水動(dòng)力數(shù)值模型，選用2007年實(shí)測洪水對耦合模型進(jìn)行率定，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析半專道工程方案實(shí)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(dòng)量方程：

連續(xù)方程：

式中：x、t分別為笛卡爾坐標(biāo)及時(shí)間；Q為斷面流量；Z為斷面水位；Bt為當(dāng)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(dòng)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(diǎn)Abbott-Ionescu隱式差分格式［5］進(jìn)行離散，并用追趕法［6］進(jìn)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(dòng)力：

式中：t為時(shí)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(fēng)應(yīng)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(dòng)力過程，縱向耦合廣泛應(yīng)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(guān)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(yán)苛要求。為檢驗(yàn)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(shè)置的耦合算例進(jìn)行驗(yàn)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(gòu)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(gè)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(shí)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(jì)算值與文獻(xiàn)值隨時(shí)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(shí)的沿程水面坡降，由圖4可知計(jì)算值與文獻(xiàn)值結(jié)果接近，NSE系數(shù)分別達(dá)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(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

本次模型的計(jì)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(gè)。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(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格單元共11 158個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)7 715個(gè)，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(diǎn)。

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(xué)模型的率定資料。選取2007年入江水道汛期實(shí)測洪水?dāng)?shù)據(jù)對耦合模型進(jìn)行率定。模型上邊界采用三河閘實(shí)測流量過程，下邊界采用三江營實(shí)測潮位數(shù)據(jù)，模擬時(shí)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(gè)站點(diǎn)的水位計(jì)算值與實(shí)測值吻合良好，納什效率系數(shù)均達(dá)到了0.950以上，表明耦合模型精度較高，能夠準(zhǔn)確模擬入江水道的水動(dòng)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(diǎn)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(yùn)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(gè)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(hù)；（2）金灣河12.2 km的河道疏浚與防護(hù)；（3）深泓河擴(kuò)挖9 km；（4）金鉤改道段擴(kuò)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(shè)計(jì)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(xué)模型復(fù)演設(shè)計(jì)洪水工況下半專道工程方案對入江水道行洪的影響，設(shè)置上邊界三河閘來流12 000m3/s，下邊界三江營水位5.66m。計(jì)算得沿線主要站點(diǎn)水位見表2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，二期工程對淮河入江水道相關(guān)河段進(jìn)行開挖拓浚、高郵湖邵伯湖進(jìn)行抽槽后，三河閘下泄12 000m3/s的設(shè)計(jì)洪水時(shí)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(shè)計(jì)值，各站點(diǎn)水位下降幅度在0.2~6.4 cm之間，滿足入江水道行洪設(shè)計(jì)要求；但新民灘南部的廿里鋪水位模擬值相比設(shè)計(jì)值高出1.8 cm，水位出現(xiàn)抬高現(xiàn)象，表明工程實(shí)施后會降低邵伯湖局部區(qū)域的行洪能力。其原因應(yīng)是湖區(qū)東側(cè)修建的專道隔堤侵占了約76m2的過水?dāng)嗝?，削減了邵伯湖的行洪空間。為此，需要實(shí)施相關(guān)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(shè)計(jì)要求，擬考慮在新民灘尾閭進(jìn)行切灘補(bǔ)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(dòng)力場，得到設(shè)計(jì)洪水工況下入江水道沿線各站點(diǎn)的水位值，見表3。結(jié)果顯示，切灘后沿線各站點(diǎn)水位均低于設(shè)計(jì)值，邵伯湖區(qū)廿里鋪的水位模擬值約為9.117m，相比于設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)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(dòng)力模型，計(jì)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(shí)測洪水率定后，水位計(jì)算值與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好，模型具有較高精度，可較準(zhǔn)確地模擬入江水道水動(dòng)力過程。

（2）設(shè)計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)值，對行洪不利。

（3）對新民灘尾閭實(shí)施切灘補(bǔ)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(shí)施后入江水道的行洪滿足設(shè)計(jì)要求。