平面二維數學模型在輸電線路跨越洪澤湖周邊滯洪區防洪評價中的應用

王　宇　管憲偉　王　江　季益柱（中水淮河規劃設計研究有限公司　合肥　230601）

平面二維數學模型在輸電線路跨越洪澤湖周邊滯洪區防洪評價中的應用

王宇管憲偉王江季益柱
（中水淮河規劃設計研究有限公司合肥230601）

為分析輸電線路的修建對洪澤湖周邊滯洪區運用的影響，建立平面二維水流數學模型，以大蓮湖圩區為例，對比分析輸電線路修建前后區內的洪水演進過程。結果表明，輸電線路的修建不會對滯洪區運用時的水位及流場等產生明顯不利影響。

二維數學模型輸電線路滯洪區防洪評價

洪澤湖周邊滯洪區作為淮河下游最大的滯洪區，是淮河流域防洪體系中的重要組成部分。輸電線路的修建對洪澤湖周邊滯洪區運用的影響主要包括分洪流量、蓄洪水位、水流流場和流速過程等。本文選用大蓮湖圩區為例，采用平面二維水流數學模型，結合淮南～南京1000kV輸電線路跨越大蓮湖圩區工程，模擬分析輸電線路修建前后大蓮湖圩區內的水流運動，為防洪評價提供重要的參考依據。

1　大蓮湖圩區及輸電線路概況

大蓮湖圩區位于淮河干流洪山頭下，是淮干最上游的圩區，于20世紀60年代圍墾而成，面積為22.6km2，耕地2.9萬畝，人口約2600人，圩區地面高程為11.5～15.0m，滯洪庫容約0.37億m3，圩堤高程17.5～18.0m。

淮南～南京1000kV輸電線路途經安徽省的淮南市、懷遠縣、鳳陽縣、明光市以及江蘇省的盱眙縣。江蘇境內的線路從安徽、江蘇兩省省界處穿越女山湖的實驗區后進入盱眙縣大蓮湖圩區，在河橋鎮西跨越312省道向南進入山區走線。其中大蓮湖段線路起于皖蘇省界的女山湖入淮河口，止于江蘇省盱眙縣河橋鎮南的山上，路徑長度約6.5km，布置C05-C16共12基鐵塔。該段線路采用同塔雙回架設，平均檔距約499m，平均呼高約65m。圩區內塔位均按灌注樁基礎設計，承臺樁樁徑0.8～1.2m，每個承臺下4個，承臺寬度5.0～5.8m，高度1.4～1.6m。線路跨越大蓮湖圩區示意圖見圖1。

圖1　　輸電線路跨越大蓮湖圩區示意圖

2　大蓮湖圩區二維數學模型

2.1基本方程及求解方法

連續性方程：

X方向動量方程：

Y方向動量方程：

式中：t為時間；x，y，z為右手Cartesian坐標系；d為靜止水深；h=η+d為總水深；η為水位；u，v分別為流速在x，y方向上的分量；f為科氏力系數f=2Ωsinθ，Ω為地球旋轉的角頻率，θ為當地的緯度；ρ為水的密度；ρ0為參考水密度；fv和fu為地球自轉引起的加速度；sxx，sxy，syx和syy為輻射應力分量；Txx，Txy，Tyx和Tyy為水平粘滯應力項；pa為當地的大氣壓；S為源匯項（us，vs）水流流速。τsx，τsy為風場摩擦力在x，y上的分量；τbx，τby為底床摩擦力在x，y上的分量。

采用非結構有限體積法離散控制方程。有限體積法中使用的非結構網格通常由三角形或四邊形網格組成，為了準確擬合圩區曲折的岸邊界，一般采用三角形網格進行計算。

2.2糙率

大蓮湖圩區在進行洪水模擬的過程中，根據現場調研資料、相關項目經驗及各種相關書籍資料的查閱，模型中糙率選用0.04。

2.3網格

采用邊長約60m的三角形作為計算網格，并對塔基局部網格進行加密，總共劃分了14099個網格。

2.4時間步長

利用有限體積法計算三角網格的水流模擬時，采用30s作為最大時間步長，0.01s作為最小時間步長。

2.5邊界條件

根據盱眙縣洪澤湖滯洪區運用預案，大蓮湖圩區為人工爆破口門，口門寬度約100m，口門底高程14.5m。根據《淮河流域防御洪水方案》，洪澤湖蔣壩水位達14.5m，且繼續上漲時，洪澤湖周邊滯洪區破圩滯洪。蔣壩水位達14.5m時，相應大蓮湖圩區爆破口門處設計洪水位為16.9m，大蓮湖圩區需破圩滯洪。大蓮湖圩區在進行破圩滯洪的洪水演進模擬時，以口門處相應淮河水位作為邊界條件，口門處的出流情況以動量的形式進行計算。

3　計算結果分析

3.1對分洪流量的影響

根據計算分析結果，輸電線路的修建，引起線路上游、大蓮湖口門處水位略有壅高，從而一定程度上減小了口門的進洪流量。但由于輸電線路距離進洪口門較遠，在同一時刻的進洪流量較輸電線路建成前的最大減少值僅為0.05m3/s，相對于進洪流量來說非常小。由此可見，輸電線路的修建對進洪流量過程產生了一定的影響，但影響很小。

3.2對蓄洪水位和水流流場的影響

大蓮湖圩區庫容小，48h可基本滯滿洪水。由于輸電線路的修建，位于輸電線路兩側的區域水位會略微抬高。根據二維水流數學模型計算結果分析，各特征點處水位的最大抬高值不超過0.004m，輸電電路的修建對圩區蓄洪水位的影響很小。

為分析工程修建對大蓮湖圩區運用后水流流場的影響，選取9#塔為代表，圖2和圖3為同一時刻工程前后9#塔處流場圖。從圖中可以看出，工程修建后，塔基附近出現明顯的繞流。但總體來說，輸電線路的修建對水流流場的影響很小，僅在塔基局部網格處的流速大小和流向有稍為明顯的改變，其他網格處的流速大小和方向并無明顯的變化。

圖2　　工程前9#塔處流場圖　

圖3　工程后9#塔處流場圖

3.3對流速過程的影響

輸電線路沿線各特征點相應的流速峰值及峰現時間統計見表1。可以看出，特征點的流速峰值及峰現時間相差不大。總體來說，輸電線路修建后，滯洪區破圩進洪時區內各點的流速過程、流速峰值及峰現時間有所變化，但變化很小。

3.4沖刷影響分析

當洪水從淮河干流向大蓮湖圩區口門處分洪后，圩區內的流速較低，呈現出淤積水情，圩區內的塔位不具備一般沖刷和自然沖的條件。同時，從表1可以看出，塔位處流速較小，塔基處也不會形成局部沖刷。

表1　　工程修建前后各特征點流速峰值及峰值出現時間比較表

4　結語

研究輸電線路對洪澤湖周邊滯洪區內洪水演進過程的影響時，可建立平面二維水流數學模型進行模擬。模型將工程修建前后區內的水位、流場分布等水力要素進行形象直觀的展示，可滿足工程需要，為防洪評價提供重要的技術支撐。

大蓮湖圩區的實例計算結果表明，輸電電路的修建對圩區蓄洪水位的影響很小，對塔基局部水流流場稍有改變，輸電線路的修建對圩區滯洪過程影響較小■