平面二維數(shù)學(xué)模型在輸電線路跨越洪澤湖周邊滯洪區(qū)防洪評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

王　宇　管憲偉　王　江　季益柱（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司　合肥　230601）

平面二維數(shù)學(xué)模型在輸電線路跨越洪澤湖周邊滯洪區(qū)防洪評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

王宇管憲偉王江季益柱
（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司合肥230601）

為分析輸電線路的修建對(duì)洪澤湖周邊滯洪區(qū)運(yùn)用的影響，建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，以大蓮湖圩區(qū)為例，對(duì)比分析輸電線路修建前后區(qū)內(nèi)的洪水演進(jìn)過程。結(jié)果表明，輸電線路的修建不會(huì)對(duì)滯洪區(qū)運(yùn)用時(shí)的水位及流場等產(chǎn)生明顯不利影響。

二維數(shù)學(xué)模型輸電線路滯洪區(qū)防洪評(píng)價(jià)

洪澤湖周邊滯洪區(qū)作為淮河下游最大的滯洪區(qū)，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(duì)洪澤湖周邊滯洪區(qū)運(yùn)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(qū)為例，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，結(jié)合淮南～南京1000kV輸電線路跨越大蓮湖圩區(qū)工程，模擬分析輸電線路修建前后大蓮湖圩區(qū)內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)，為防洪評(píng)價(jià)提供重要的參考依據(jù)。

1　大蓮湖圩區(qū)及輸電線路概況

大蓮湖圩區(qū)位于淮河干流洪山頭下，是淮干最上游的圩區(qū)，于20世紀(jì)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(qū)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(jīng)安徽省的淮南市、懷遠(yuǎn)縣、鳳陽縣、明光市以及江蘇省的盱眙縣。江蘇境內(nèi)的線路從安徽、江蘇兩省省界處穿越女山湖的實(shí)驗(yàn)區(qū)后進(jìn)入盱眙縣大蓮湖圩區(qū)，在河橋鎮(zhèn)西跨越312省道向南進(jìn)入山區(qū)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(zhèn)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(shè)，平均檔距約499m，平均呼高約65m。圩區(qū)內(nèi)塔位均按灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，承臺(tái)樁樁徑0.8～1.2m，每個(gè)承臺(tái)下4個(gè)，承臺(tái)寬度5.0～5.8m，高度1.4～1.6m。線路跨越大蓮湖圩區(qū)示意圖見圖1。

圖1　　輸電線路跨越大蓮湖圩區(qū)示意圖

2　大蓮湖圩區(qū)二維數(shù)學(xué)模型

2.1基本方程及求解方法

連續(xù)性方程：

X方向動(dòng)量方程：

Y方向動(dòng)量方程：

式中：t為時(shí)間；x，y，z為右手Cartesian坐標(biāo)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(shù)f=2Ωsinθ，Ω為地球旋轉(zhuǎn)的角頻率，θ為當(dāng)?shù)氐木暥龋沪褳樗拿芏龋沪?為參考水密度；fv和fu為地球自轉(zhuǎn)引起的加速度；sxx，sxy，syx和syy為輻射應(yīng)力分量；Txx，Txy，Tyx和Tyy為水平粘滯應(yīng)力項(xiàng)；pa為當(dāng)?shù)氐拇髿鈮海籗為源匯項(xiàng)（us，vs）水流流速。τsx，τsy為風(fēng)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(jié)構(gòu)有限體積法離散控制方程。有限體積法中使用的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格通常由三角形或四邊形網(wǎng)格組成，為了準(zhǔn)確擬合圩區(qū)曲折的岸邊界，一般采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

2.2糙率

大蓮湖圩區(qū)在進(jìn)行洪水模擬的過程中，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研資料、相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及各種相關(guān)書籍資料的查閱，模型中糙率選用0.04。

2.3網(wǎng)格

采用邊長約60m的三角形作為計(jì)算網(wǎng)格，并對(duì)塔基局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，總共劃分了14099個(gè)網(wǎng)格。

2.4時(shí)間步長

利用有限體積法計(jì)算三角網(wǎng)格的水流模擬時(shí)，采用30s作為最大時(shí)間步長，0.01s作為最小時(shí)間步長。

2.5邊界條件

根據(jù)盱眙縣洪澤湖滯洪區(qū)運(yùn)用預(yù)案，大蓮湖圩區(qū)為人工爆破口門，口門寬度約100m，口門底高程14.5m。根據(jù)《淮河流域防御洪水方案》，洪澤湖蔣壩水位達(dá)14.5m，且繼續(xù)上漲時(shí)，洪澤湖周邊滯洪區(qū)破圩滯洪。蔣壩水位達(dá)14.5m時(shí)，相應(yīng)大蓮湖圩區(qū)爆破口門處設(shè)計(jì)洪水位為16.9m，大蓮湖圩區(qū)需破圩滯洪。大蓮湖圩區(qū)在進(jìn)行破圩滯洪的洪水演進(jìn)模擬時(shí)，以口門處相應(yīng)淮河水位作為邊界條件，口門處的出流情況以動(dòng)量的形式進(jìn)行計(jì)算。

3　計(jì)算結(jié)果分析

3.1對(duì)分洪流量的影響

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)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(jìn)洪流量。但由于輸電線路距離進(jìn)洪口門較遠(yuǎn)，在同一時(shí)刻的進(jìn)洪流量較輸電線路建成前的最大減少值僅為0.05m3/s，相對(duì)于進(jìn)洪流量來說非常小。由此可見，輸電線路的修建對(duì)進(jìn)洪流量過程產(chǎn)生了一定的影響，但影響很小。

3.2對(duì)蓄洪水位和水流流場的影響

大蓮湖圩區(qū)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(cè)的區(qū)域水位會(huì)略微抬高。根據(jù)二維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果分析，各特征點(diǎn)處水位的最大抬高值不超過0.004m，輸電電路的修建對(duì)圩區(qū)蓄洪水位的影響很小。

為分析工程修建對(duì)大蓮湖圩區(qū)運(yùn)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(shí)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(xiàn)明顯的繞流。但總體來說，輸電線路的修建對(duì)水流流場的影響很小，僅在塔基局部網(wǎng)格處的流速大小和流向有稍為明顯的改變，其他網(wǎng)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(duì)流速過程的影響

輸電線路沿線各特征點(diǎn)相應(yīng)的流速峰值及峰現(xiàn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表1。可以看出，特征點(diǎn)的流速峰值及峰現(xiàn)時(shí)間相差不大。總體來說，輸電線路修建后，滯洪區(qū)破圩進(jìn)洪時(shí)區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的流速過程、流速峰值及峰現(xiàn)時(shí)間有所變化，但變化很小。

3.4沖刷影響分析

當(dāng)洪水從淮河干流向大蓮湖圩區(qū)口門處分洪后，圩區(qū)內(nèi)的流速較低，呈現(xiàn)出淤積水情，圩區(qū)內(nèi)的塔位不具備一般沖刷和自然沖的條件。同時(shí)，從表1可以看出，塔位處流速較小，塔基處也不會(huì)形成局部沖刷。

表1　　工程修建前后各特征點(diǎn)流速峰值及峰值出現(xiàn)時(shí)間比較表

4　結(jié)語

研究輸電線路對(duì)洪澤湖周邊滯洪區(qū)內(nèi)洪水演進(jìn)過程的影響時(shí)，可建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬。模型將工程修建前后區(qū)內(nèi)的水位、流場分布等水力要素進(jìn)行形象直觀的展示，可滿足工程需要，為防洪評(píng)價(jià)提供重要的技術(shù)支撐。

大蓮湖圩區(qū)的實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明，輸電電路的修建對(duì)圩區(qū)蓄洪水位的影響很小，對(duì)塔基局部水流流場稍有改變，輸電線路的修建對(duì)圩區(qū)滯洪過程影響較小■