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      蘇北灌溉總渠現(xiàn)狀行洪能力計算

      2022-09-24 07:27:06張翼朱大偉張玥張鎖江王宇露李潔
      河南水利與南水北調(diào) 2022年8期
      關鍵詞:行洪蘇北灌溉

      張翼,朱大偉,張玥,張鎖江,王宇露,李潔

      (1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司,江蘇 揚州 225127;2.揚州大學 水利科學與工程學院,江蘇 揚州 225009)

      0 引言

      淮河流域地處中國中東部,是長三角一體化發(fā)展、長江經(jīng)濟帶等重大國家戰(zhàn)略承載地,在全國社會經(jīng)濟發(fā)展中占有重要地位,其長期面臨復雜嚴峻的洪澇災害威脅。蘇北灌溉總渠作為淮河流域下游地區(qū)防洪工程體系的重要組成,也是發(fā)展下游地區(qū)灌溉的綜合利用的大型水利工程。總渠建成投運后,在灌溉、防洪以及排澇等方面均發(fā)揮了重要作用。由于總渠入??谔幵O閘控制,改變了河口區(qū)的潮波運動,加之近年來上游沖淤保港水量不足,在自然與人為因素的雙重影響下,總渠入海河口閘下港道淤積嚴重,導致上游河道的行洪能力衰弱。因此,為確保蘇北灌溉總渠乃至洪澤湖的防洪安全,建立能夠模擬多建筑物控制下河道洪水演進過程的數(shù)學模型,定量分析現(xiàn)狀行洪能力及影響因素具有重要意義。

      文章首先構建了蘇北灌溉總渠一維模型,在模型率定及驗證的基礎上對河道現(xiàn)狀行洪能力進行了計算,并分析了閘下港道淤積對河道行洪能力的影響,以期為蘇北灌溉總渠的治理提供借鑒參考。

      1 研究區(qū)域概況

      1.1 河道概況

      蘇北灌溉總渠位于淮河下游江蘇省北部,西起洪澤湖高良澗,東至扁擔港入黃海,全長168 km,向東經(jīng)淮安市的洪澤區(qū)、清江浦區(qū)、蘇淮高新區(qū)、淮安區(qū),鹽城市的阜寧縣、射陽縣、濱??h,及江蘇省淮海農(nóng)場,南、北堤均為1級堤防??偳黧w工程于1951 年11 月2 日開工,1952 年5 月10 日竣工,原設計行洪700 m3/s,1960年運東閘加固后,行洪標準提高到800 m3/s,灌溉設計流量500 m3/s。蘇北灌溉總渠南堤及北堤(淮河入海水道南堤)是里下河地區(qū)、白寶湖地區(qū)的防洪屏障,防洪保護區(qū)面積22 400 km2。區(qū)內(nèi)淮安、鹽城是江蘇發(fā)展最有潛力的地區(qū)之一,是拉動蘇北經(jīng)濟社會發(fā)展的關鍵地帶。

      1.2 沿線建筑物概況

      蘇北灌溉總渠沿線主要有高良澗進水閘、運東閘、阜寧腰閘、總渠地涵、六垛南閘五級控制樞紐,設計泄洪流量均為800 m3/s。高良澗進水閘共16 孔,單孔凈4.20 m;運東閘為第二級控制,主要功能為泄洪、引水灌溉,共7孔,單孔凈寬9.20 m;阜寧腰閘為第三級控制,主要功能為泄洪、引水灌溉,共21孔,單孔凈寬3 m??偳睾强偳c通榆河立交控制,主要功能為泄洪、引水灌溉、維持通榆河航運,為上槽下洞結構,15 孔,單孔凈寬4 m;六垛南閘為末級控制,主要功能為泄洪、排澇、擋潮,共7孔,單孔凈寬9.20 m。

      2 一維水流模型構建

      MIKE11 軟件是由丹麥水利研究所(DHI)開發(fā)的,用于模擬河流、河口、河網(wǎng)系統(tǒng)的水流、水質(zhì)過程的一維模型,經(jīng)過大量工程實踐驗證,適用于具有多種建筑物控制的河道水流計算。文章采用MIKE11軟件建立了一維河道水流模型,對蘇北灌溉總渠的現(xiàn)狀行洪能力及主要影響因素進行了計算分析。

      2.1 模型概化

      綜合考慮了流域洪水組成、防洪工程體系、主要控制建筑物分布等,確定計算范圍為蘇北灌溉總渠(高良澗閘下~入??诙危?,概化河道長度約168 km,概化斷面420 個,斷面平均間距400 m,沿線運東閘、阜寧腰閘、總渠地涵、六垛南閘等均采用MIKE11中的可控水工建筑物進行概化模擬,見圖1。

      圖1 河道概化圖

      2.2 計算條件

      蘇北灌溉總渠為相對獨立的行洪河道,主要承泄洪澤湖下泄洪水,河道水位受沿線建筑物控制運行及沿海潮位影響。模型率定及驗證階段上游邊界采用實測流量過程,下游邊界采用入海口處實測潮位過程;設計工況研究過程中,上游邊界采用800 m3/s的設計行洪流量,下邊界采用50年一遇設計高潮位,綜合實測資料排頻結果與附近工程已有研究成果,此次下邊界取3.60 m。

      2.3 模型率定

      采用2015 年實測河道地形資料,選取2015 年5 月25 日至8月12日洪水過程,對模型進行了率定。期間蘇北灌溉總渠上游高良澗閘最大日均流量為513 m3/s,發(fā)生于7月9日,此時運西電站節(jié)制閘出流流量為245 m3/s,運東閘、阜寧腰閘、六垛南閘流量分別為212、159、125 m3/s。根據(jù)沿線運東閘下、阜寧腰閘閘下的實測水位過程資料,率定河道主槽、灘地糙率等關鍵參數(shù),計算表明率定結果與實測的水位過程符合較好,最高洪水位相對誤差在±10 cm 以內(nèi),故該模型可很好地模擬河道水位變化過程。

      2.4 模型驗證

      根據(jù)實測地形及水文資料掌握情況,驗證過程采用2021年實測河道地形資料,選取2020 年6 月15 日至8 月31 日洪水過程。期間上游高良澗閘最大日均流量達771 m3/s(7 月23日),此時運西電站節(jié)制閘出流流量為219 m3/s,運東閘、阜寧腰閘、六垛南閘流量分別為460、427、365 m3/s。在率定得到的河道糙率(主槽0.018~0.023、灘地0.026~0.044)等條件下,根據(jù)典型水文站點實測水位資料,驗證模型計算精度。驗證結果表明計算結果與實際符合較好,故此次概化模型方法及參數(shù)選定基本合理,可用于現(xiàn)狀河道行洪能力及影響因素的計算分析。

      3 現(xiàn)狀行洪能力分析

      根據(jù)蘇北灌溉總渠2021 年實測河道地形,采用上述模型對高良澗閘下泄流量分別為400、600、800、1 000 m3/s時的河道水位進行了計算,并與沿線主要建筑物設計水位進行對比,分析河道現(xiàn)狀行洪能力。計算可得,2021年實測地形條件下,上游流量為1 000 m3/s 時,阜寧腰閘、總渠地涵、六垛南閘處計算水位高于設計水位;800 m3/s下,總渠地涵、六垛南閘處計算水位高于設計水位;600 m3/s下,六垛南閘處計算水位高于設計水位;400 m3/s下,各節(jié)點計算水位均低于設計水位。

      分析表明,蘇北灌溉總渠現(xiàn)狀行洪能力整體不滿足800 m3/s 的設計標準,經(jīng)試算,高良澗閘至運東閘段現(xiàn)狀行洪能力約1 000 m3/s,運東閘至總渠地涵段現(xiàn)狀行洪能力約600~900 m3/s;總渠地涵至入海口段現(xiàn)狀行洪能力約400 m3/s,僅為設計行洪能力的50%。

      4 閘下港道淤積對行洪的影響

      現(xiàn)狀六垛南閘閘下港道長約7.50 km,根據(jù)2021年實測斷面資料,六垛南閘上7.50 km 平均河底高程為-5.44 m,閘下7.50 km平均河底高程為-0.60 m,閘下比閘上高4.84 m。

      采用模型對閘下港道清淤后的河道水位進行了計算,清淤規(guī)模初定為底高程-2.50 m、底寬60 m、邊坡1 ∶3。計算可得:800 m3/s 設計流量下,清淤前后高良澗閘至運東閘段水位差為0.03 ~ 0.06 m,阜寧腰閘至六垛南閘段水位差為0.36 ~0.78 m,表明六垛南閘閘下港道淤積造成上游河道水位壅高,主要控制節(jié)點處水位最大壅高幅度為0.78 m,嚴重影響上游河道行洪能力;對閘下港道進行一定規(guī)模的清淤整治后,基本可恢復河道800 m3/s的設計行洪能力。

      5 結論

      文章建立一維河道水流模型,對蘇北灌溉總渠現(xiàn)狀行洪能力進行了計算分析,主要得到以下結論:采用MIKE11 建立了蘇北灌溉總渠一維河道水流模型,并對模型進行了率定及驗證,結果表明該模型能較好地模擬河道洪水演進過程,并用于設計方案的研究。

      采用建立模型對蘇北灌溉總渠2021年地形條件下的現(xiàn)狀行洪能力進行了計算,得出河道現(xiàn)狀行洪能力整體不滿足800 m3/s的設計標準,其中高良澗閘至運東閘段現(xiàn)狀行洪能力約1 000 m3/s,運東閘至總渠地涵段現(xiàn)狀行洪能力約600 ~900 m3/s;總渠地涵至入??诙维F(xiàn)狀行洪能力約400 m3/s。

      分析了六垛南閘閘下港道淤積對河道行洪能力的影響,結果表明閘下港道淤積造成上游河道水位壅高,主要控制節(jié)點處水位最大壅高幅度為0.78 m,嚴重影響上游河道行洪能力;對閘下港道進行一定規(guī)模的清淤整治后,基本可恢復河道800 m3/s的設計行洪能力。

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