閘上河道規模對行洪影響分析

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)

經過多年的水資源開發和利用，浙江省的水資源開發利用逐漸轉向河道中下游地區，在主要干流、支流上興建了大量的梯級河道型水庫(水電站)，為當地工農業生產以及居民生活用水提供了基礎保障，促進了社會和經濟發展。如甌江干流開發建設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，為麗水城區以及沿線的村鎮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；二是庫區河道底坡一般不大于1.0‰；三是上游庫區兩岸間距與閘址處河道寬度相近，基本沒有行洪調蓄功能；四是工程建成后，抬高了庫區的洪水位，增加了上游一定范圍內堤防防洪壓力[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]，同時防洪標準也相應提高，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，有必要提供一種創新性的布置方法，既增加供水量、又降低上游防洪壓力。傳統的閘壩工程建設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]，因而在城市內澇防治中得到了一定的應用，如廖朝軒[7]、齊文超[8]等對城市中不同位置設置湖泊時的內澇情況進行了分析，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系[9]。上述研究主要通過水文角度對城鎮湖泊與內澇的影響進行分析，本文結合實際工程，通過數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方案及閘上河道擴挖方案進行了對比分析，可為工程設計方案的優化與上游河道防洪影響分析提供參考。

1 工程概況

某市隨著經濟社會的快速發展，外來人口的劇增，用水量呈快速增長態勢，人均水資源占有量將進一步下降。而境內水資源已無開發潛力，解決缺水的措施主要依靠新建過境水利用工程來實現。現需要新增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，因此要求工程不能對上游河道行洪造成影響。

為實現過境水資源的利用，擬對常規河道型布置方案[見圖1(a)]和擴大閘上河道規模布置方案[見圖1(b)]進行分析。兩種方案的水閘規模、水閘位置一致，常規布置方案將水閘直接布置于現有河道上，擴大閘上河道規模方案在常規布置方案的基礎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。根據供水要求，需要閘上庫區正常蓄水位庫容達到1 300 萬m3左右，最終確定開挖后庫區水域面積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方程在h=η+d范圍內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，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由系統自動計算捕獲。

τsx、τsy為風摩阻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M值來實現對底摩阻的模擬。方程采用有限體積法離散。

本模型初始條件為水位條件，主要給定研究區域內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

平面二維數學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

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

圖4 模型網格和地形

2.3 模型驗證

受2015年“燦鴻”、“蓮花”雙臺風共同影響，浙江省普降暴雨到大暴雨，流域遭遇持續洪水，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域的洪水演進特性，特別是洪峰時刻模擬較為準確，可以較好的重現洪峰情況。

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

數學模型分別計算了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后無配套的堤防加固等措施，因此要求工程建設對上游堤防安全的影響降低到最小。閘上河道規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方案前有所抬高，但影響較小，工程后對上游局部范圍內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：樞紐其他區域較常規方案水位有所降低，庫區最大水位降幅隨著流量的增大而增大，如當遇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，攔河閘斷面及庫區上游500～1 000 m左右水位較常規方案有所抬高，庫區其他區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；南支側影響范圍叫北支側要小，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。結果表明：閘上河道規模擴大后對庫區段水位影響較大，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 語

采用平面二維數學模型模擬了攔河閘閘上河道規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新建或者改建工程中參考應用。