江蘇范埠閘設計流量及水位計算淺析

周慶連，劉貴明，李成功，李亞楠

（連云港市水利規劃設計院有限公司，江蘇 連云港 222006）

范埠閘水電站位于石梁河水庫下游，始建于20 世紀70年代，共2 孔，底板駝峰頂高程為15 m，單孔凈寬4.0 m，凈高6.0 m；設計流量124 m3/s，采用明槽無壓進水，主要承擔石安河的泄洪及下游灌溉任務。電站大多數設備從投運發電至今已運行40 多年，設備陳舊、老化嚴重、效率低下、損耗量大，大部分設備屬淘汰型產品，無備件更換，嚴重影響設備的安全運行，造成電站棄水量大，水資源利用率低，應對其拆除重建。本文主要針對范埠閘的設計流量及水位進行計算。

1 工程概況

范埠閘位于連云港市東海縣牛山街道境內，范埠河與石安河交匯處。范埠閘主要承擔石安河的泄洪及下游灌溉任務。兩岸均通鄉村道路，工程區域內有323 省道通過，交通便利。

工程區位于連云港市西北部，氣候濕潤，四季分明，年平均氣溫13.7 ℃，多年平均降水量為939.6 mm，年內降水量分配不均，6 月～8 月降水量占全年總降水量的63%。

多年平均降水日數為94.4 天，7 月份降水日數最多，平均達15 天，1 月份最少，平均為4 天，多年平均年蒸發量為1250 mm。全年平均風速為3.1 m/s，4 月～8 月及10 月多吹東南風，其余月份多靜風或東北偏北風。

全年空氣濕潤，相對濕度在最熱月為80%以上，最冷月為66%。日照充足，平均每天近7 個小時，5 月、6 月每天均在8 小時以上。

2 范埠閘設計流量、水位

2.1 水利計算數學模型

2.1.1 水利計算方法

本次范埠閘設計規模根據石安河的設計洪水、沿線各泄洪口門規模及其調度規則等綜合確定，采用非定常水動力學模型的控制方程一維非定常水動力學模型，使用丹麥水力科學研究所（DHI）開發的Mike11（V2012 版）計算軟件建立了水利計算模型。

一維非恒定流動方程組如下[1]：

式中：Z（x,t）為斷面平均水位，m；Q（x,t）為斷面流量，m3/s；A（x，t）為斷面面積，m2；u(x，t)為斷面平均流速，m/s；C 為謝才系數；qi為單位河長上的支流流量。

定解條件包括水流的初值與邊界值。

水流初始條件：

邊界條件：

當x=0 時，Z(x,t)=Z(0,t)；當x=L 時，Z(x,t)=Z(L,t)。

2.1.2 模型參數及邊界條件

（1）模型設定參數

模擬設定參數主要包括模擬時間步長、模擬起止時間等。本次計算時間步長取2 min，模擬起止時間取一次洪水漲落過程。

（2）河網參數

河道長度根據東海縣地形圖量算。整個模型河網總長55.45 km，模型計算中涉及到的計算水位斷面共560 個，平均間距約100 m，

模型河網概化圖見圖1。

圖1 河道水利計算模型河網概化圖

（3）河道斷面參數

石安河斷面參數采用《東海縣石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設計報告》中成果，具體見表1。

表1 石安河河道斷面參數表

（4）水力參數

河道為土坡，根據《水力計算手冊》，斷面糙率取0.0225。石安河汛限水位取18.0 m。

（5）建筑物參數

石安河主要分洪閘即青湖閘、埝河閘、范埠閘按照模型中的可控建筑物處理，其規模按現狀情況設置，見表2。

表2 石安河各分洪閘現狀規模情況表

根據東海縣防洪預案，石安河汛期控制水位18.0 m，警戒水位19.0 m，最高洪水位19.7 m。洪水調度原則：當石安河水位超過18.0 m，安峰山水庫低于汛限水位時，先開薛埠閘滿足補庫；如薛埠閘分洪補庫不及視河水位上漲情況，可開青湖閘經磨山河排入新沭河，青湖閘在開、關閘時須提前1 小時通知黃川灌區管理所及時開、關磨山河閘；如水位超過19.0 m 再依次開啟范埠閘、埝河閘分洪。

本次青湖閘、埝河閘、范埠閘調度規則設置結合東海縣防洪預案及《東海縣石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設計報告》確定，當石安河水位超過18 m 時，青湖閘開閘泄洪，并控制泄洪流量不大于原設計流量660 m3/s；當石安河水位繼續上漲至19 m 時，開啟范埠閘、埝河閘，并控制范埠閘分洪50 m3/s、埝河閘分洪25 m3/s；當石安河水位繼續上漲至接近其防洪設計水位時，加大范埠閘、埝河閘泄洪，并控制范埠閘泄洪流量不大于原設計流量124 m3/s、埝河閘泄洪流量不大于原設計流量240 m3/s。根據《東海縣石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設計報告》，埝河閘、范埠閘處防洪設計水位（20年一遇）分別為20.38 m、20.93 m，本次模型計算得到埝河閘、范埠閘處20年一遇水位分別為20.29 m、20.74 m（結果見表3），綜合二者結果，本次埝河閘、范埠閘加大泄洪控制水位分別取20.3 m、20.75 m。

（6）邊界條件

1）外部邊界：主要定義河流的自由端點處。

石安河：其外部邊界主要涉及南部的安峰山水庫及北部的石梁河水庫。根據石安河現狀調度情況，其南端薛埠閘主要在安峰山水庫低于汛限水位時開閘補庫，本次計算不考慮薛埠閘的泄洪；石安河水位一般較石梁河水庫低、不向石梁河水庫泄洪，因此模型中將石安河與安峰山水庫、石梁河水庫連接處均設置成閉合邊界。

其他河道：青湖閘、埝河閘、范埠閘下游河道水位一般較石安河相差較大，三座水閘泄流時均為無淹沒自由出流，閘下水位對其泄流影響較小，為簡單起見，本次青湖閘、埝河閘、范埠閘下游河道末端邊界均設置成開邊界并定義水深0.1 m 相應的水位。

2）內部邊界：本次計算中模型內部邊界主要為石安河西側流域匯流。根據水文計算成果，將各匯水區設計洪水在相應匯水區位置以分布流邊界形式加入模型中。

2.2 水利計算結果及分析

根據河網模型計算成果，當發生20年一遇設計洪水時，石安河沿線最高水位為18.20 m～20.77 m；當發生50年一遇設計洪水時，石安河沿線最高水位為19.32 m～21.23 m；不同工況下青湖閘、埝河閘、范埠閘閘上最高水位及最大下泄流量結果見表3。

表3 不同工況下青湖閘、埝河閘、范埠閘分洪結果

根據《東海縣石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設計報告》，石安河在青湖閘、埝河閘、范埠閘處防洪設計水位分別為18.0 m、20.38 m、20.93 m，本次河網模型計算結果較其偏低。分析其原因，主要是由于河網模型考慮了河道的調蓄作用，而《東海縣石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設計報告》采用天然河道明渠恒定非均勻流的計算方法推算石安河水位，沒有考慮河道本身的調蓄作用，故而本次河網模型計算結果較低。因此，本次模型計算結果較為可靠。

3 結語

范埠閘拆建工程是以社會效益為主、公益性很強的項目。本次范埠閘設計標準為50年一遇，當發生50年一遇設計洪水時，模型計算石安河沿線最高水位為19.32 m～21.23 m，雖高于石安河沿線防洪設計水位，但比石安河沿線堤防高程（20.4 m～23.8 m）低0.7 m 以上，能夠滿足石安河堤防安全加高（0.6 m）的要求。

因此，本次設計范埠閘按原閘孔規模拆建，能滿足石安河50年一遇泄洪要求。