卞新盛，吳牧天，王曉森，周晨露

（1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司，江蘇南京 210029；2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇揚州 225127）

金湖泵站工程是江蘇省南水北調(diào)九級梯級樞紐中的第二梯級樞紐工程，于2013年建成通水，主要任務是抽引上級江都站、寶應站來水，及向下級洪澤站送水［1］。經(jīng)過近8年的運行，發(fā)現(xiàn)泵站大流量抽調(diào)水時，會引起寶應湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)水流流速增加，致使?jié)O網(wǎng)毀壞、魚蟹逃跑。針對這一問題，本研究采用MIKE21構(gòu)建金湖站站下水域二維水動力模型，分析金湖站抽調(diào)水對寶應湖圍網(wǎng)區(qū)水動力的影響，在此基礎上，研究得出泵站后續(xù)優(yōu)化運行方案，從而保障圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)安全，并為金湖站的運行管理和決策提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

金湖站站下水域主要包括寶應湖部分湖區(qū)，部分金寶航道及金湖船閘引河。模型范圍覆蓋金寶航道自金湖泵站至上游約7 km的部分航道；覆蓋寶應湖湖區(qū)面積約4.98 km2。寶應湖上游來水自大汕子河及北公司河匯入湖內(nèi)圍網(wǎng)區(qū)，圍網(wǎng)區(qū)面積約2.76 km2。金湖船閘引河位于圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)西側(cè)，面積約0.24 km2（圖1）。

圖1 研究區(qū)域地形

寶應湖是運西湖群中面積最小的一個湖泊。原是淮河入江行洪必經(jīng)之地，面積192.1 km2，三河來水流經(jīng)該湖后于尾閭段大油子河注入高郵湖。1969年新建淮河入江水道和大汕子隔堤后，三河來水經(jīng)淮河入江水道直接泄入高郵湖，從此成為不受洪澤湖泄洪影響的湖泊。由于原入湖水源被隔斷，湖水位隨之降低，廣大湖灘顯露并被大量圍墾，致使湖泊面積急驟縮小，狀如圩內(nèi)河道。寶應湖年平均水位6.00 m，長23.8 km，最大寬4.4 km，平均寬1.8 km，面積42.8 km2；最大水深2.20 m，平均水深1.13 m，蓄水量0.48×108m3［2-3］。

金寶航道是一條集供水、通航、灌溉、排澇為一體的綜合性河道，位于寶應湖地區(qū)，東起里運河西堤，西至三河攔河壩下，全長30.88 km（裁彎取直后全長28.40 km）［4］。

2 水動力數(shù)學模型構(gòu)建

2.1 MIKE21模型簡介

MIKE21模型是MIKE模型中的核心基礎模塊，是丹麥水力學研究所（DHI）開發(fā)的系列軟件之一，其采用有限體積計算方法，在國內(nèi)外水動力研究中得到廣泛的使用，數(shù)值模擬的科學性得到世界公認［5］。主要應用領(lǐng)域包括湖泊、河流、水庫、海洋、波浪及泥沙等的模擬研究。MIKE21模型的控制方程如下:

連續(xù)方程：

動量方程：

式中：ε為水位高程；p、q分別為x、y方向上的流量；h為水深；t為時間；g為重力加速度;C為謝才系數(shù)；Ω為Coriol系數(shù)；f為風摩擦力；V為風速；Vx、Vy分別為風在x、y方向上的分量。

2.2 計算條件設置

二維水動力模型需要輸入的數(shù)據(jù)包括:金湖站站下水域網(wǎng)格數(shù)據(jù)（庫區(qū)閉合水陸邊界）、庫區(qū)水深高程數(shù)據(jù)、開邊界流量和水位時間序列數(shù)據(jù)、模型模擬參數(shù)、模擬初始水位及流量、模擬時間和時間步長的設定。經(jīng)過多次調(diào)試得出適合金湖站站下水域的二維水動力模型。

2.2.1 模型網(wǎng)格設置

在金湖站站下水域中，上游來水從金寶航道進入到站下水域，由金湖泵站抽送至下游淮河入江水道內(nèi)，因此將金湖站站上及金寶航道距金湖站東7 km處設置為開邊界。由于模型模擬時長較短，寶應湖上游邊界處，即大汕子河及北公司河處，與外界短時間無水量交換，水動力變化極小，可設置為穩(wěn)定水位邊界，邊界水位與模型設置的初始水位保持一致。船閘處由于水量變化極小，設置為閉邊界。模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格劃分研究區(qū)，三角網(wǎng)格能較好的擬合研究區(qū)水陸邊界，且能隨意調(diào)整網(wǎng)格密度和網(wǎng)格大小。由最新地形勘測資料得到研究區(qū)水陸邊界線數(shù)據(jù)以及水深數(shù)據(jù)，然后將水陸邊界線數(shù)據(jù)導入網(wǎng)格生成器Mesh Generator生成研究區(qū)網(wǎng)格并設置模型開邊界，模型網(wǎng)格數(shù)為47 190個，三角網(wǎng)格的邊長在10 m之內(nèi)。然后將水深數(shù)據(jù)導入網(wǎng)格中并插值生成研究區(qū)地形圖，如圖1所示。

2.2.2 水動力模型計算條件的設置

MIKE21水動力模型需要設置的計算條件包括:模擬時間與時間步長、地形、克朗值、干濕邊界、渦黏系數(shù)、邊界條件以及初始條件等。

模擬時間與時間步長：水動力模型的模擬時間為120 min。模擬時間步長為120 s，時間步數(shù)為100步。

克朗值：網(wǎng)格分辨率、水深和時間步長決定了模型設置中的克朗值?？死手翟谛∮?的情況下模型才能正常運行，所以為了保證模型運行的穩(wěn)定性將克朗值設置為0.8。

干濕邊界：干濕水深是用來判斷單元網(wǎng)格是否參與到模型的計算中來。在該模型中干水深為0.001 m，淹沒水深為0.05 m，濕水深為0.1 m。底床摩擦力：選用曼寧系數(shù)，取值0.024［6］。其他沒有設置的參數(shù)采用默認值。

2.3 水動力模型驗證

利用MIKE 21FM水動力學模型對站下水域進行模擬，將斷面流量結(jié)果輸出。實測斷面選擇分別位于金寶航道與寶應湖湖區(qū)連接區(qū)域的口門處及金寶航道內(nèi)（觀測斷面位置見圖1）。兩實測斷面便于監(jiān)測出入湖區(qū)流量及出入航道流量，實測流量數(shù)據(jù)具有代表性，可用于驗證模型。于2019年1月5—7日對觀測斷面進行流量監(jiān)測，測量過程中洪澤站金湖站均保持抽水流量90 m3/s。將站下水域的實測斷面流量與模擬斷面流量進行比較驗證，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，模擬結(jié)果與實際結(jié)果相比，相對誤差在2.07%以內(nèi)，絕對誤差在1.24 m3/s范圍內(nèi)?？傮w而言，模擬的效果好，模擬誤差控制在模型計算要求的范圍內(nèi)。

表1 模型驗證結(jié)果

3 抽水對站下水域水動力影響分析

3.1 工況設計

通過對實際調(diào)水情況的分析，根據(jù)泵站設計參數(shù)及南水北調(diào)調(diào)度管理部門提供的信息可知：

（1）金寶航道來水流量與金湖泵站抽水外泄流量差值小［7-10］；

（2）金湖泵站設計抽水流量為150 m3·s-1，調(diào)水期平均流量為90 m3·s-1；設計站下水位5.45 m，調(diào)水期站下平均水位為6 m［7-10］。

因此，基于不同的運行調(diào)度方案下設置工況。其中正常運行工況下的初始水位取調(diào)水期間的泵站站下平均水位6 m，取調(diào)水期平均流量作為邊界流量；設計工況下的初始水位取金湖站設計站下水位，邊界流量取泵站設計流量。另外設立工況二、三用作分析泵站抽水規(guī)模對水動力的影響，設立工況五、六用作分析初始水位對水動力的影響。

表2 各計算工況方案邊界條件及初始水位條件

3.2 結(jié)果分析

在圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)設立5個觀測點。觀測點T1～T5位置分布如圖2所示。

3.2.1 湖區(qū)流速分布

通過分析設計工況下流態(tài)變化及流速分布情況可得：金湖站開始抽水，站下水位下降，8 min后，寶應湖湖區(qū)口門處水位在此影響下同樣開始下降（圖2（a）），導致湖區(qū)內(nèi)出現(xiàn)涌向口門處的水流；抽水引起的水流在短時間內(nèi)加速到達峰值，而后逐漸減速至穩(wěn)定狀態(tài)。峰值流速維持時間極短，可視為瞬時流速（圖2（b））。

圖2 T1～T5水位及流速變化曲線

通過對比所有測點的流速曲線圖可知，T1點位于寶應湖區(qū)口門處，此處受抽水影響最大，由泵站抽水引起的瞬時流速峰值也最大，其余測點與泵站距離越遠，由泵站抽水引起的瞬時流速峰值也越小。因此T1點流速變化情況在研究圍網(wǎng)區(qū)流速變化時具有代表性。

3.2.2 金湖泵站抽水規(guī)模影響

對比工況一、二、三可知（圖3），在泵站開始抽水8 min后，觀測點位置出現(xiàn)瞬時流速峰值。且金湖站抽水規(guī)模越大，抽水導致的湖區(qū)內(nèi)的瞬時最大流速也越大。當抽水規(guī)模達到150 m3/s、100 m3/s、90 m3/s，抽水導致湖區(qū)觀測點流速最大可達0.201 m/s、0.142 m/s、0.130 m/s。寶應湖湖區(qū)口門處，即與金寶航道連接區(qū)域過流較通暢，在金湖站以設計抽水流量運行工況下，出現(xiàn)明顯的局部流速增加現(xiàn)象。

圖3 不同抽水規(guī)模下T1流速變化曲線

3.2.2 初始水位影響

對比工況三、四、五可知（圖4），初始水位越低，抽水導致湖區(qū)內(nèi)的流速增加也越大；當初始水位為5.45 m、5.7 m、6.0 m時，抽水導致湖區(qū)觀測點流速最大可達0.300 m/s、0.241 m/s、0.201 m/s。

圖4 不同初始水位T1流速變化曲線

通過對比模擬結(jié)果可知，金湖泵站抽水導致寶應湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)流速增大，出現(xiàn)瞬時流速峰值，威脅養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)的設備安全。臨近泵站的圍網(wǎng)區(qū)口門處流速增大現(xiàn)象最明顯。抽水規(guī)模越大，站下水位越低，抽水引起的瞬時流速峰值也越大。各工況模擬的瞬時流速峰值見表3。

表3 不同工況下觀測點瞬時流速峰值統(tǒng)計

4 應對措施

站下水域包含圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)、船閘引航道及金寶航道，承擔了漁業(yè)養(yǎng)殖、航運等重要功能。采取工程措施影響站下水域發(fā)揮其功能，且成本高，設計施工難度大，因此,宜采取非工程措施，通過調(diào)度達到削弱圍網(wǎng)區(qū)瞬時流速峰值的目的。

針對大流量抽水，擬采取分段開機的運行方案，每臺機組設計抽水流量37.5 m3/s，每30 min加開1臺機組，模型模擬起始后90 min抽水流量達150 m3/s。具體邊界及水位邊界條件見表4。

表4 優(yōu)化方案水位及邊界條件設置

對比兩種工況可知，當采取分段開機的調(diào)度方案，可有效減小因抽水引起的瞬時流速峰值（圖5）。優(yōu)化方案按照間隔30 min增加1臺機組運行的方案運行，2 h后抽水規(guī)模達到150 m3/s，期間最大的瞬時流速為0.086 m3/s，該最大流速遠小于工況一（一次性啟動4臺機組）下的最大瞬時流速0.300 m3/s。由此可說明分段開機可有效降低大流量抽水導致的圍網(wǎng)區(qū)瞬時流速峰值，保證圍網(wǎng)區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖設備的安全。

圖5 優(yōu)化方案T1點流速變化曲線

針對抽水時站下水域水位過低造成圍網(wǎng)區(qū)流速過大的情況，擬建議當?shù)刂鞴懿块T在調(diào)度時考慮水位影響，盡可能避免在過低水位條件下大流量調(diào)水。

5 結(jié)語

本文基于MIKE21FM模型建立了金湖站站下水域的二維水動力數(shù)值模型，對特定的斷面流量進行了驗證分析。模擬結(jié)果表明，水動力模擬結(jié)果較好，誤差在計算要求的范圍內(nèi)。并對模型進行了檢驗，驗證結(jié)果較好。在驗證結(jié)果較好的基礎上，分多種工況進行模擬分析，在采用不同的運行調(diào)度方案下泵站抽水對站下水域水動力的影響，得出結(jié)論如下：

（1）金湖站抽水引起寶應湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)流速增加，臨近泵站的湖區(qū)口門處流速增加現(xiàn)象最明顯。

（2）金湖站抽水規(guī)模越大，初始水位越低，抽水導致湖區(qū)內(nèi)的瞬時最大流速也越大。

（3）采用分段開機抽水方案可有效減小因抽水引起的瞬時峰值流速。