淮河干流息縣樞紐工程防洪影響分析

季益柱，王 江，余 生

(中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，安徽 合肥 230601)

1 工程概況

息縣樞紐工程是即將建設(shè)的河南省大別山革命老區(qū)引淮供水灌溉工程中控制性工程，擬建于淮河息縣水文站下游6.7km處(王家壩上游約97km)，如圖1所示。樞紐工程設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)200年一遇，設(shè)計和校核流量分別為9300、15600m3/s，設(shè)計洪水位43.82/43.72m(閘上/閘下)，校核洪水位45.05/44.85m(閘上/閘下)；閘上正常蓄水位39.20m。樞紐工程采用全深孔閘方案，閘底板頂高程29.0m，共布置26孔、每孔凈寬15m，總凈寬390m。工程不承擔(dān)下游防洪任務(wù)，不設(shè)防洪庫容，閘上水位在設(shè)計蓄水位39.20m以上時閘門敞開，恢復(fù)河道泄流。

2 閘址上游洪水影響分析

工程閘址上游河道斷面資料采用2016年中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司工程勘測院測量成果。

天然河道的過水?dāng)嗝嫘螤睢⒚娣e、流量、流速等隨流程和時間而變化，屬非恒定流，我們將其簡化為非均勻恒定流，采用以下的有限差分公式計算。

(1)

式中，Z1、Z2—上下游水位，m；v1、v2—上下游斷面平均流速，m/s；a1、a2—上下游斷面的動能校正系數(shù)，均取1.0；hw—兩斷面間的水頭損失。

本次通過5、10、20、50、100、200年一遇洪水，以閘址處河道天然水位和建閘后閘上水位分別作為起推水位，并以閘址處為起點(diǎn)、建閘前后水位齊平處為終點(diǎn)，經(jīng)計算，發(fā)生5、10、20、50、100、200年一遇洪水時防洪影響長度依次為30、41、44、46、47、48km。

工程對閘址上游防洪影響分析如下：

(1)對洪水位的影響

5年一遇洪水影響長度為30km，閘上水位由41.88～43.84m抬高到41.90～43.85m，抬高0.02～0.01m。

10年一遇洪水影響長度為41km，閘上水位由42.81～45.87m抬高到42.84～45.88m，抬高0.03～0.01m。

20年一遇洪水影響長度為44km，閘上水位由43.28～47.21m抬高到43.33～47.22m，抬高0.05～0.01m。

50年一遇洪水影響長度為46km，閘上水位由43.72～48.81m抬高到43.79～48.82m，抬高0.07～0.01m。

100年一遇洪水影響長度為47km，閘上水位由44.17～50.34m抬高到44.28～50.35m，抬高0.11～0.01m。

200年一遇洪水影響長度為48km，閘上水位由44.85～52.17m抬高到45.03～52.18m，抬高0.18～0.01m。

圖1 息縣樞紐工程位置示意圖

(2)對規(guī)劃防洪工程影響

息縣縣城現(xiàn)狀城區(qū)地面高程絕大部分在45.0m以上，沿淮無堤防。按照《息縣城鄉(xiāng)總體規(guī)劃(2012～2030年》，息縣縣城2030年人口規(guī)模為43萬人，規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，淮河左岸利用南環(huán)路以路代堤防洪。規(guī)劃的南環(huán)路西端在省道S337處接西環(huán)路、東端接大廣高速(路面寬38m)，其中從省道S337至S213段將作為國道G230組成部分進(jìn)行建設(shè)。

經(jīng)推算，淮河從清水河口至大廣高速段50年一遇設(shè)計洪水位為44.22～42.92m。據(jù)沿淮城市防洪工程建設(shè)經(jīng)驗，城市防洪土堤堤頂高程一般超設(shè)計洪水位2m，經(jīng)綜合考慮，建議南環(huán)路從省道S337至大廣高速段設(shè)計路面高程超50年一遇設(shè)計洪水位2m，即設(shè)計路面高程為46.30～44.92m。

3 閘址下游洪水影響分析

大別山革命老區(qū)引淮供水灌溉工程雖不承擔(dān)下游防洪任務(wù)，在閘前水位達(dá)到或超過39.20m，泄洪閘敞開、恢復(fù)河道泄洪，但其蓄水、供水過程會對閘址處洪水下泄過程有所改變。為研究工程對下游的影響，選取5、10、20、50、100、200年一遇設(shè)計洪水和1968、2002、2007年典型洪水進(jìn)行工程前后洪水調(diào)節(jié)計算，對比分析工程對閘址下游水位、流量及洪量的影響。

3.1 洪水調(diào)節(jié)計算

3.1.1洪水調(diào)節(jié)計算條件

樞紐工程閘上水位～庫容關(guān)系曲線見表1，泄流能力曲線見表2。

表1 樞紐工程水位庫容曲線

表2 樞紐工程泄流能力曲線

根據(jù)擬定的樞紐工程調(diào)度方案，洪水調(diào)節(jié)計算采用的工程調(diào)度運(yùn)行辦法如下：

(1)當(dāng)樞紐工程上游來水流量小，樞紐工程閘上水位低于生態(tài)水位33.0m時，停止農(nóng)業(yè)灌溉用水，向城鎮(zhèn)生活應(yīng)急供水并維持淮河干流生態(tài)流量用水。

(2)當(dāng)樞紐工程上游來水流量增加，樞紐工程閘上水位高于33.0m低于39.20m時，樞紐按河道內(nèi)最小生態(tài)需水流量要求控制下泄流量，根據(jù)工程受水區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)和灌區(qū)需水要求，向城鎮(zhèn)和灌區(qū)供水。

(3)當(dāng)樞紐工程上游來水流量繼續(xù)增加，樞紐工程閘上水位達(dá)到39.20m時，維持樞紐工程閘上水位39.20m，來多少泄多少。

(4)當(dāng)樞紐工程閘上水位高于正常蓄水位39.20m，樞紐工程閘門全開敞泄洪水，充分利用河道原有泄洪能力泄洪。

3.1.2洪水調(diào)節(jié)計算成果對比分析

工程建成后，息縣遇5～200年一遇洪水可減小洪峰流量3.4m3/s(占比0.02%～0.08%)，減少24h洪量29萬m3(占比0.03%～0.09%)，減少72h洪量88萬m3(占比0.04%～0.11%)。

工程建成后，遇1968年洪水息縣洪峰流量減小3.4m3/s，占比0.03%；24h洪量減少29萬m3，占比0.03%；72h洪量減少88萬m3，占比0.04%。

遇2002年洪水息縣洪峰流量減小3.4m3/s，占比0.07%；24h洪量減少29萬m3，占比0.08%；72h洪量減少88萬m3，占比0.11%。

遇2007年洪水息縣洪峰流量減小3.4m3/s，占比0.08%；24h洪量減少29萬m3，占比0.09%；72h洪量減少88萬m3，占比0.12%。

綜合來看，工程后息縣洪峰流量減小3.4m3/s，占工程前洪峰流量的0.02～0.08%以內(nèi)；24h洪量減少29萬m3，占工程前24h洪量的0.03～0.09%；72h洪量減少88萬m3，占工程前72h洪量的0.04%～0.12%，對下游防洪有利，但作用很小。

3.2 一、二維耦合水動力數(shù)學(xué)模型

為分析息縣樞紐工程對下游河道洪水過程的影響，采用丹麥水力研究所研發(fā)的MIKE系列軟件構(gòu)建一、二維耦合水動力數(shù)學(xué)模型，計算樞紐工程的調(diào)度對樞紐下游淮濱、王家壩等斷面洪水過程的影響。

3.2.1模型原理

(1)一維水流數(shù)學(xué)模型

MIKE11是用于在河口、河流、灌溉系統(tǒng)、渠道等地表水體模擬水體流動、水質(zhì)變化、泥沙運(yùn)移等一維水利專業(yè)工程軟件，該模型數(shù)值計算依據(jù)的是由連續(xù)方程和動量方程組成的圣維南方程組，基本方程式如下：

(2)

(3)

式中，x—距離坐標(biāo)，m；t—時間坐標(biāo)，s；A—過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q—流量，m3/s；q—旁側(cè)入流量；Z—水位，m；α—動量校正系數(shù)；Sf—水力坡度。

采用Abbott六點(diǎn)隱式有限差分格式求解圣維南方程組。離散后的線性方程組用追趕法求解。

(2)二維水流數(shù)學(xué)模型

MIKE21適合模擬具有自由表面的港口、河流、湖泊及海洋等，采用的控制方程是不可壓流三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深積分的連續(xù)方程和動量方程，在笛卡爾坐標(biāo)系中可用如下方程表示：

(4)

X方向動量方程：

(5)

Y方向動量方程：

(6)

圖2 淮河干流息縣至三河尖段數(shù)學(xué)模型計算范圍示意圖

(7)

橫向應(yīng)力Tij包括粘滯阻力，紊動摩檫阻力和差動平流摩擦阻力，用垂向流速平均的渦粘方程來計算：

(8)

MIKE21FM采用非結(jié)構(gòu)有限體積法離散控制方程。本次采用三角形網(wǎng)格。對于空間離散后得到的常微分方程，采用常微分方程解算器進(jìn)行時間離散，將計算問題歸結(jié)為如何求解跨界面處的數(shù)值通量。目前常用的途徑是基于間斷的思想，認(rèn)為在控制體界面兩側(cè)的物理量存在間斷，這樣在每個控制界面處可以形成一個黎曼問題。MIKE21非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型采用Roe格式求解黎曼問題，為避免數(shù)值振蕩，使用了二階TVD限制器。

(3)一、二維耦合水流數(shù)學(xué)模型

通過MIKEFLOOD建立一、二維耦合水流數(shù)學(xué)模型，將兩種模型連成一體，聯(lián)合求解，既可以發(fā)揮出一維模型快速方便的特點(diǎn)，同時又能獲得局部范圍的細(xì)部信息。本次采用MIKEFLOOD的標(biāo)準(zhǔn)連接，將一個或多個二維網(wǎng)格單元連接到一個一維模型的末端。這種連接方式非常適用于河口復(fù)雜水流的計算中。

3.2.2模型范圍及參數(shù)

(1)模型計算范圍

模型的計算范圍為淮河干流息縣至三河尖段河道，如圖2所示。淮河干流王家壩段淮河干流、大洪河、濛河分洪道在此交匯，大水年份王家壩閘開閘進(jìn)洪至濛洼蓄洪區(qū)，水流條件比較復(fù)雜，本次采用二維模型，淮河干流其他河段采用一維模型，支流的入流過程和王家壩閘的泄流過程以一、二維模型的源匯項參與計算。模型進(jìn)口為息縣樞紐工程閘下，給定流量邊界；出口為三河尖，給定水位邊界。

(2)基礎(chǔ)資料

地形資料；淮河息縣至淮濱段采用2012年地形，淮濱至王家壩段采用1992年地形，王家壩至三河尖段采用2011年地形。

水文資料：選擇2007年的水文資料對模型進(jìn)行驗證。

(3)模型參數(shù)

空間步長：一維模型根據(jù)斷面資料采用不等間距的節(jié)點(diǎn)布置，淮河干流計算步長為200～1000m；二維模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分計算區(qū)域。

時間步長：MIKEFLOOD標(biāo)準(zhǔn)連接采用顯格式進(jìn)行一、二維模型的耦合計算，時間步長受克朗條件的限制，為滿足穩(wěn)定性和精度要求，本次計算取時間步長為30s。

3.2.3模型糙率

本段一、二維模型中糙率的取值以沿程各站實(shí)測水文資料為依據(jù)，采用試錯法率定。率定的結(jié)果表明河道主槽糙率為0.025～0.04，河道灘地糙率為0.035～0.06。

圖3 2007年淮濱水位計算值與實(shí)測值對比

圖4 2007年王家壩水位計算值與實(shí)測值對比

圖5 2007年淮濱流量計算值與實(shí)測值對比

2007年淮濱、王家壩站計算水位過程線與實(shí)測水位過程線對比如圖3—4所示，淮濱站計算流量過程線與實(shí)測流量過程線對比如圖5所示。可以看出，各測站計算水位、流量過程與實(shí)測過程一致性良好，峰值水位計算值與實(shí)測值的差值基本在20cm以內(nèi)，峰值流量計算值與實(shí)測值相差在5%以內(nèi)。模型較好地重現(xiàn)了2007年本段洪水演進(jìn)的過程。

3.3 工程對下游洪水過程影響

選取2002、2007年兩個典型年洪水，計算息縣樞紐的調(diào)度對下游洪水過程的影響。

3.3.1對2002年洪水過程影響

2002年洪水息縣出流過程如圖6所示。工程后除6月17日0時至18日19時，因放生態(tài)流量38.6m3/s，下泄流量增加0.6～3.6m3/s，其余時段閘下流量比工程前有不同程度的減小，最大減小幅度為161.4m3/s。洪峰流量減少3.4m3/s，工程前為4969m3/s，工程后為4965.6m3/s。

圖6 2002年洪水息縣出流過程

圖7 2002年淮濱站工程前后計算水位值對比

圖8 2002年王家壩站工程前后計算水位值對比

圖9 2002年淮濱站工程前后計算流量值對比

圖10 2002年王家壩站(總)工程前后計算流量值對比

2002年淮濱和王家壩洪水過程圖如圖7—10所示。工程建成后，由于樞紐的調(diào)度，下游淮濱站和王家壩站的水位以及流量均有所降低，但降低幅度均較小。其中：淮濱站洪峰水位降低2mm，洪峰流量減少3.85m3/s；王家壩站洪峰水位降低1mm，洪峰流量減少3.55m3/s。在2002年洪水條件下，息縣樞紐的調(diào)度運(yùn)用對下游淮濱和王家壩的洪峰水位及流量影響很小。

3.3.2對2007年洪水過程影響

2007年洪水息縣出流過程如圖11所示。工程前息縣洪峰流量為4230.0m3/s，工程后為4226.6m3/s，減少3.4m3/s。

2007年淮濱和王家壩洪水過程圖如圖12—15所示。工程后淮濱站和王家壩站的洪峰水位以及洪峰流量均有所降低，其中淮濱站洪峰水位降低2mm，洪峰流量減少3.4m3/s；王家壩站洪峰水位降低0.3mm，洪峰流量減少3.33m3/s。2007年洪水條件下，息縣樞紐的調(diào)度運(yùn)用對下游淮濱和王家壩的洪峰水位及流量影響很小。

圖11 2007年洪水息縣出流過程

圖12 2007年淮濱站工程前后計算水位值對比

圖13 2007年王家壩站工程前后計算水位值對比

圖14 2007年淮濱站工程前后計算流量值對比

圖15 2007年王家壩站(總)工程前后計算流量值對比

4 結(jié)語

(1)息縣樞紐工程的建設(shè)對閘址上下游的水文情勢將產(chǎn)生一定影響。本文采用水面線法分析過閘落差引起的閘上壅水，同時構(gòu)建淮河干流息縣至三河尖段一、二維耦合水動力數(shù)學(xué)模型，分析工程對閘址下游水位、流量及洪量的影響。

(2)本次防洪影響分析基于息縣樞紐工程現(xiàn)有設(shè)計資料及擬定的工程調(diào)度運(yùn)行辦法，在今后的建設(shè)運(yùn)行中，應(yīng)長期觀測工程上下游的水文情勢變化情況并進(jìn)行防洪影響分析，在樞紐工程的調(diào)度中予以考慮。