江蘇連云港青湖閘設計流量及水位計算

黃 英，孔 艷,李成功，周慶連，李亞楠

（1.連云港市水利規劃設計院有限公司,江蘇 連云港 222006；2.連云港市市區水工程管理處,江蘇 連云港 222006）

青湖閘水電站位于石梁河水庫下游,始建于20 世紀60 年代,采用明槽無壓進水,且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,經相關部門討論,對其進行拆除重建。本文圍繞青湖閘設計流量及水位展開計算分析,青湖閘后續除險加固設計規模依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[1]。

1 工程概況

青湖閘位于連云港市東海縣青湖鎮,坐落在石安河東側堤防上、磨山河與石安河的交匯處。該閘于1960 年11 月開工建設,1966 年12 月竣工交付使用,設計流量660 m3/s,現狀共9 孔（其中5 孔凈寬5 m, 2 孔凈寬4 m,2 孔凈寬2 m）,底板高程13 m。青湖閘主要承泄石安河洪水,經過青湖閘下泄、經磨山河進入新沭河入海,同時完成防洪、灌溉和發電功能：（1）防洪：承擔石安河50 年一遇洪水的泄洪任務,由青湖閘通過磨山河經磨山河橋閘泄入新沭河,是磨山河上游重要的防洪屏障；（2）灌溉發電：設計灌溉面積16 萬畝,利用灌溉水發電,設計年發電量為190 萬kW·h。石安河及青湖閘工程位置見圖1。

圖1 石安河及青湖閘工程位置圖

2 青湖閘設計流量、水位計算

2.1 計算方法

根據水文計算成果,石安河流域年最大24 小時20 年一遇、50 年一遇設計面積量分別為177.75 mm、206.96 mm,流域水情復雜。本次計算采用MIKE11 軟件的水動力模塊模擬石安河流域水動力情況。MIKE11 軟件一維水動力學模型控制方程為圣維南偏微分方程組,見下式：

式中：q為河道旁側入流,m3/s；BT為當量河寬,m；Z為斷面水位,m；Q為流量,m3/s；K為流量模數。

Mike11 采用Abbott六點隱式差分格式離散Saint-Venant方程組,該離散格式在每一個網格點并不同時計算水位和流量,而是按順序交替計算水位或流量,該格式無條件穩定,可以在相當大的Courant數下保持計算穩定,可以取較長的時間步長以節省計算時間。對上述離散方程組采用傳統的“追趕法”,即“雙掃”算法進行求解。模型考慮了堰、閘、阻水橋梁,以及區間水量交換等,能適用于本段河道洪流演進的定量分析計算,得出河道各特征斷面水位和流量的過程。

在一個河網中,河道與河道相互交叉連結,其連接點成為節點,每個節點均要滿足兩個銜接條件,即水量連接條件和動力連接條件。

整個河網為若干河道和節點的組合,河網水量的控制方程即為每一河道的控制方程與每一節點銜接條件及初邊值條件聯立所得的微分方程組。數值求解河網水量微分方程組,則可以求出每一河道指定斷面處以及節點上的水位、流量等水力變量。

2.2 模型建立

2.2.1 河網概化

依據圖2 所示流域情況、地形、水系結構及其水流走向、現有域內水利工程布局、控規路網等因素,構建河網概化模型,見圖3。

圖2 河網及工程布局現狀

圖3 河道水利計算模型河網概化圖

概化后的河網模型涵蓋了石安河流域的主要河道,包括新沐河、磨山河及石安河,為了模擬計算三座水閘的運行工況,對河網建立簡化模型,即以石安河為主,同時在青湖閘、埝河閘、范埠閘三座閘門下游取0.15 km長的河道。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。

2.2.2 參數選取

（1）河網參數

石安河流域的主要河道包括新沐河、磨山河及石安河,全長55 km,鑒于河道上已建水閘工程攔蓄致使上下游水位相差較大,為了充分模擬水閘對過流水動力條件的影響,假定水閘下游河道承泄能力滿足要求,對泄洪無顯著約束,按照三座水閘的自由出流形態,將青湖閘、埝河閘、范埠閘下游河道長度均設置成0.15 km以便于后續計算。因此,整個河網模型全長為55.45 km。

（2）糙率選取

由于流域植被,江道坡降,河床質、河道斷面形式及河道上的建筑物等等,都會對流域洪水演進產生影響,因而河道的概化以及參數的選定會影響到洪流演進計算成果。在模型計算過程中,根據行洪河道河床情況,河段糙率取0.0225。

（3）河道斷面參數

河道底高程為14 m,底寬依據各水閘節點按照實際測量值予以賦值,在20 m~40 m之間,邊坡確定為1∶2。

（4）水閘節點參數

據前所述,根據石安河三處水閘規模對模型予以賦值,具體如下：

①青湖閘,閘底板高程13.0 m,閘孔總凈寬29 m,設計泄流量660 m3/s；

②埝河閘,閘底板,高程15.0 m,閘孔總凈寬16 m,設計泄流量240 m3/s；

③范埠閘,閘底板,高程15.0 m,閘孔總凈寬8 m,設計泄流量124 m3/s。

（5）邊界條件

通過河流的自由端點定義其外部邊界。石安河的外部邊界主要涉及安峰山水庫和石梁河水庫,但是鑒于石安河水位,將連接處設置為閉合邊界。三座水閘下游0.15 km處的河道末端邊界設置為0.1 m相應的水位。對于內部邊界,即石安河西側流域的匯流按照匯水區節點處分布流邊界模式賦值。

2.3 計算結果

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,見圖4。

圖4 石安河各計算截面不同工況水位

不同工況下青湖閘最高水位及最大下泄流量結果見表1。

表1 不同工況下青湖閘泄洪結果

青湖閘按20 年一遇防洪標準設計,其相應泄洪流量為660 m3/s,水位18.21 m；按50 年一遇防洪標準校核,其相應泄洪流量為660 m3/s,水位19.33 m,本次河網模型計算河道上游水位結果較其偏低、青湖閘處水位結果較其偏高。

2.4 成果分析

本次青湖閘設計標準為50 年一遇,根據河網模型計算成果,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,本次設計青湖閘按原閘孔規模拆建,能滿足石安河50 年一遇泄洪要求。

上述計算結果主要是由于河網模型考慮了河道的調蓄作用,而閘前設計水位采用天然河道明渠恒定非均勻流的計算方法由青湖閘處18.0 m向上游推算石安河水位,沒有考慮河道本身的調蓄作用,故而本次計算河道上游水位結果較其偏低、青湖閘處水位結果較其偏高。因此,本次模型計算結果較為可靠。

3 結語

鑒于河網區水文水動力條件復雜的情況,為精確模擬洪澇過程,確定排澇工程規模,建立基于MIKE11水動力模塊的排澇區河網模型,按照流域情況、地形、水系結構及水流走向、工程布局、控規路網等影響因素概化模型,合理確定相應的計算參數和邊界條件,計算結果是可靠可信的。青湖閘主要功能為分泄石安河洪水入新沭河、并兼灌溉發電,依據計算成果待工程加固完善后,將對該閘上游防洪安全,促進地方經濟發展和保障人民群眾生產生活需要等方面均能發揮顯著作用。