洪水模型在引江濟淮工程中的應用

章 鵬 楊 瓊 李林峰

（中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230000）

1 概述

江淮溝通段是引江濟淮工程重要關鍵段，輸水河道兼作航道，全長155.1km，是溝通長江與淮河航運的重要通道。航道設計底寬60m，設計通航水深4.0m。江淮溝通段沿線支流較多，其中較大的支流有南小河、王橋小河、嘴子河和天河。沿線支流防洪標準不超過10年一遇，一旦上游發生超標準洪水，其來水可能會改變輸水航道局部范圍內水深流速等水力要素，影響輸水航道的正常運用。

為評估支流發生超標準洪水對輸水航道的影響，采用丹麥丹華公司的MIKE 軟件構建江淮溝通段二維水動力學模型，模擬計算支流超標準洪水的洪水演進，分析各個支流匯入口處對輸水航道的影響，為工程設計提供了科學依據。

2 模型建立

2.1 建立對象

本次模型選擇了引江濟淮輸水航道線路涉及的南小河、王橋小河、嘴子河和天河4 條河作為建模對象。這4 條支流均為該段輸水線路較大的入河支流，具有流域面積相對較大、洪水來量較大以及地形落差較大的特點，具有較好的典型代表性。

建模地形資料采用了引江濟淮輸水航道線路已有測量成果。本文模型建立采用高程均為國家1985高程基準。

2.2 建模范圍

建模范圍包含南小河、王橋小河、嘴子河和天河下游及河口處輸水航道二維DEM 地形范圍，總面積7.7km2。其中，南小河、王橋小河、嘴子河和天河區域二維DEM 地形范圍分別為2.2km2、2.07km2、1.96km2、1.47km2。

2.3 地形處理與網格剖分

南小河、王橋小河、嘴子河和天河的二維水動力學數值模型依據帶狀地形圖進行網格剖分。

依據研究需要，考慮本次構建模型地形變化范圍較大，故采用不同大小的網格尺度。其中，輸水河道網格大小為50～80m2，支流河道網格大小為20～50m2，河道外區域網格不大于500m2。

2.4 建筑物設置

南小河、王橋小河、嘴子河和天河兩岸設有堤防，河口均設有跌水建筑物。

通過MIKE21 的SO 模塊中的dike 功能對堤防進行概化，當洪水位低于設定的堤頂高程值時堤防擋水，洪水位高于堤頂高程時漫堤。根據跌水設計，通過對跌水所處位置的河道網格節點進行高程修改來概化跌水建筑物。

2.5 計算參數與計算邊界條件

對于模型糙率的選取，依據《水工手冊》糙率取值范圍，結合輸水航道規劃設計資料以及以往相關工程經驗等資料，對保護區下墊面分別按照不同下墊面條件分區對糙率進行取值。參考糙率取值見表1。

表1 區域糙率表

模型計算邊界條件為：南小河、王橋小河、嘴子河和天河分別發生100年一遇洪水時，遭遇下游輸水航道20年一遇洪水位；輸水航道上、下游邊界采用20年一遇洪水位，支流來水采用100年一遇設計洪水過程。

以王橋小河為例，邊界條件設置情況見圖1。南小河、王橋小河、嘴子河和天河100年一遇設計洪水過程見圖2。

圖1 王橋小河二維水動力學模型邊界設置圖

圖2 南小河、王橋小河、嘴子河及天河100年一遇設計洪水過程圖

3 計算成果分析

3.1 計算方案

本次計算考慮輸水航道支流河道發生100年一遇洪水時對輸水航道的影響，輸水航道為20年一遇設計洪水位，南小河、王橋小河、嘴子河和天河計算方案見表2。

表2 輸水航道支流計算方案匯總表

根據二維洪水演進計算成果，本次計算的支流河道兩岸堤防矮小，河道現狀斷面行洪能力不足，當支流發生100年一遇設計洪水，支流河道將發生洪水漫溢，超額洪水在低洼地滯蓄。因此本次計算以河道最大歸槽泄流能力來核算超標準支流洪水對輸水航道的影響。

3.2 流場影響分析

南小河：輸水航道內流速一般在0.1～0.5m/s。在最大泄流時刻南小河下游流速在1.0m/s 以上，河口下游輸水航道主槽流速一般在0.4m/s 以內，河口上游輸水航道主槽流速一般在0.1m/s 以內，入河口橫向流速在0.3m/s 以內。輸水航道右岸受到南小河來水頂沖，右岸迎流頂沖段流速在0.2～0.5m/s之間。

王橋小河：輸水航道內流速一般在0.1～0.4m/s。在最大泄流時刻南小河下游流速在1.0m/s 以上，河口下游輸水航道主槽流速一般在0.2m/s 以內，河口上游輸水航道主槽流速一般在0.1m/s 以內，入河口橫向流速在0.3m/s 以內。輸水航道右岸受到王橋小河來水頂沖，右岸迎流頂沖段流速在0.3～0.5m/s 之間。在河口處王橋小河左岸區域有一定回流，對于輸水航道左岸區域流態有一定影響，但不影響主河槽流場分布。

嘴子河：輸水航道內流速一般在0.1～0.3m/s。在最大泄流時刻南小河下游流速在1.1m/s 以上，河口下游輸水航道主槽流速一般在0.3m/s 以內，河口上游輸水航道主槽流速一般在0.2m/s 以內，入河口橫向流速在0.4m/s 以內。輸水航道右岸受到嘴子河來水頂沖，右岸迎流頂沖段流速在0.2～0.4m/s 之間。

天河：輸水航道內流速一般在0.1～0.3m/s。在最大泄流時刻天河下游流速在1.5m/s 以上，河口下游輸水航道主槽流速一般在0.3m/s 以內，河口上游輸水航道主槽流速一般在0.2m/s 以內，入河口橫向流速在0.25m/s 以內。輸水航道右岸受到天河來水頂沖，右岸迎流頂沖段流速在0.2～0.3m/s 之間。

南小河、王橋小河、嘴子河和天河支流河道對輸水航道流場影響詳見表3。經計算，南小河、王橋小河、嘴子河和天河發生100年一遇設計洪水時，河道歸槽流量均較小，河口處橫向流速以及航道下游流速均不大于0.4m/s，對通航影響較小。王橋小河有局部回流，對于輸水航道左岸區域流態有一定影響，但不影響主河槽流場分布。

表3 支流對輸水航道流場影響表

3.3 水位影響分析

南小河、王橋小河100年一遇設計洪水遭遇輸水航道20年一遇洪水位時，在最大泄流時刻輸水航道水位上升0.07～0.08m，對干流輸水航道水位有一定影響。

嘴子河100年一遇設計洪水遭遇輸水航道20年一遇洪水位時，在最大泄流時刻輸水航道水位上升0.08～0.09m，對干流輸水航道水位有一定影響。

天河100年一遇設計洪水遭遇輸水航道20年一遇洪水位時，在最大泄流時刻輸水航道水位不大于0.01m，對干流輸水航道水位影響較小。

經計算，南小河、王橋小河、嘴子河和天河支流河道處輸水航道斷面較現狀河道明顯擴大，其洪水下泄更加順暢，當南小河、王橋小河、嘴子河支流發生100年一遇超標準洪水時，對于輸水航道水位有一定影響。當天河支流發生100年一遇超標準洪水時，對于輸水航道水位影響較小。

南小河、王橋小河、嘴子河和天河支流河道對輸水航道水位影響詳見表4。

表4 支流對輸水航道水位影響表

4 結語

本文以引江濟淮工程為例，采用構建二維水動力學模型的方法對大中型輸調水工程輸水航道路線沿線的支流洪水影響進行評估分析。這種方法與傳統物模分析方法相比較，大大減少了構建模型的時間，節約人力物力成本，在本工程設計中取得了良好的效果，對類似大中型調水輸水工程設計有一定的參考意義