基于MIKE21的南水北調二期東線邵伯湖專道輸水方案對淮河入江水道行洪的影響分析

陳靜茹，張沐川

(江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225001)

1 工程概況

南水北調東線二期工程輸水干線規劃從江蘇省揚州市附近的長江干流引水，利用京杭大運河以及與其平行的河道輸水，連通洪澤湖、駱馬湖、南四湖、東平湖，經泵站逐級提水進入東平湖后，向北穿黃河后經位臨運河、臨四渠、南運河、馬廠減河至天津北大港水庫，再通過北大港水庫調蓄后管道輸水至伊指揮營。東線二期工程規劃輸水干線線路總長1785.4 km，其中利用一期工程輸水或現有河道(不擴挖河道)的干線長631.9 km(其中黃河以南段長611.9 km)，擴建一期工程輸水線或現有河道的輸水干線長819.8 km，新開挖輸水渠道(管道)的輸水干線長333.7 km(全部在黃河以北)。

二期工程東線長江至洪澤湖段新增輸水370 m3/s，自三江營引水，由夾江、芒稻河、金灣河輸水，金灣閘附近新建的抽江泵站廣陵站抽水入邵伯湖，在邵伯湖東側灘地筑隔堤與運河西堤形成河道送水入高郵湖，入江水道金溝改道段從高郵湖引水經金湖梯級抽水入三河，由洪澤梯級抽水入洪澤湖。

半專道方案中邵伯湖內專道輸水是在運河西堤以西邵伯湖內新建隔堤束水，隔堤內河床進行浚深，同時深泓河西擴，西側筑堤。上游通過穿京杭運河地涵與金灣河相連，下游與深泓河相接。邵伯湖段隔堤及深泓河西側堤防采用過水、不過水兩種方案，須分析新建隔堤以及堤內棄土對入江水道行洪的影響。

2 模型構建

(1)計算范圍及網格劃分

本次模型計算范圍自邵伯湖上游高郵(高)至下游六閘，計算河段全長約30 km，采用1∶1000的實測CAD地形圖。采用三角形非結構化網格，對全線隔堤附近進行網格加密，網格邊長為10 m，主河道網格邊長30 m～50 m，共計135895個網格。模擬時間段為2020.3.4～2020.3.14，時間步長為60 s，模擬步數為14400。計算區域網格剖分見圖1。

圖1 區域網格劃分區

(2)邊界條件及參數設定

1)邊界條件

模型上邊界采用入江水道行洪設計流量12000 m3/s，下邊界采用六閘水位8.5 m。

2)糙率系數

糙率系數反映水流和河床相互作用的過程中，河道邊界粗糙程度、河道形態等因素對水流阻力的綜合影響[1]。江蘇平原地區坡降較小，根據淮河入江水道整治工程設計已知條件：設計流量12000 m3/s，上游高郵(高)9.5 m，下游六閘8.5 m，計算復核為沿程節點水位。復核計算河道斷面采用淮河入江水道整治工程竣工驗收后2020年1月測量資料，河道糙率采用淮河入江水道整治工程確定的設計糙率(新民灘段綜合糙率0.0375、邵伯湖區段綜合糙率0.025)，在行洪12000 m3/s條件下，計算出中段沿程各節點水位與實測水位最大相差0.04 m，說明本次建立的二維水動力數學模型是可靠的，糙率基本上符合實際工況，實際水位流量關系與設計基本上吻合，采用的糙率值可靠[2]。

表1 淮河入江水道整治工程設計糙率驗證計算水位流量對比表

3)渦黏系數

渦黏系數選用Smagorinsky公式表達[3]，取值0.28時水流的運動最接近實際洪水過程。

4)動邊界處理

由于模型范圍內有新民灘等灘地，為保證計算連續性，采用“干濕判別”來確定計算區域[4]。本次計算中干濕邊界設置為：h<0.05 m標記為“干”，0.05 m0.1 m標記為“濕”[5]。

5)初始條件

指在t=0時刻的水流條件下，需給出模型進水口的初始水位[6]。一般取模擬范圍內的最大水位，本工程取值9.5 m。

3 工程方案及影響分析

南水北調二期半專道方案中邵伯湖內專道輸水是在運河西堤以西邵伯湖內新建隔堤束水，隔堤內河床進行浚深(河底高程0.0 m，底寬100 m)，同時深泓河西擴(河底高程0.0 m，底寬100 m)，西側筑堤。上游通過穿京杭運河地涵與金灣河相連，下游與深泓河相接。邵伯湖段隔堤及深泓河西側堤防采用過水、不過水兩種方案，須分析新建隔堤以及堤內棄土對入江水道行洪的影響。

(1)隔堤過水方案分析

邵伯湖內新建隔堤頂高程取設計輸水位加1.5 m超高，頂高程7.5 m，頂寬5.0 m，隔堤采用填土筑堤+板樁防護方案；深泓河西擴后西側堤防采用土堤，堤頂高程取設計輸水位加1.5 m超高為7.5 m，頂寬4.5 m，兩側河坡防護。

(2)隔堤不過水方案分析

邵伯湖內新建隔堤頂高程取設計洪水位加1.0 m～1.5 m超高，頂高程10.0 m，頂寬5.0 m，隔堤采用填土筑堤+板樁防護方案；深泓河西擴后西側堤防采用土堤，堤頂高程取設計洪水位加1.0 m～1.5 m超高為10.5 m，頂寬5.0 m，兩側河坡防護。

對隔堤及深泓河進行地形概化、網格局部加密后，計算得出節點高郵(高)隔堤過水方案工程后水位9.523 m，水位抬高約2.3 cm；不過水方案工程后水位9.559 m，水位抬高約5.9 cm，均影響淮河入江水道中段行洪能力，須采取工程措施予以補償。

4 補償方案及效果分析

淮河入江水道整治工程實施后，中段行洪障礙邵伯湖灘群均已切灘至底高程3.2 m(常水位以下1.5 m)，湖區行洪能力大為改善。目前中段阻水主要集中在新民灘段，尤其是新民灘尾閭，該區域處于水位變幅區，未以耕代清，地面高程在5.0 m左右，灘地蘆葦、雜草叢生，嚴重影響行洪。本次南水北調二期邵伯湖專道輸水方案工程影響補償考慮在新民灘尾閭進行切灘，降低高郵(高)節點水位至設計水位9.50 m。

(1)隔堤過水方案影響補償

考慮切除原淮河入江水道整治工程新民灘控制線以南切灘區域正下游位于張公渡臨湖港汊東側的灘地，高程在4.0 m～5.8 m之間，切灘面積約5187畝，切灘底高程3.5 m，切灘土方量約325.24萬m3。

(2)隔堤不過水方案影響補償

考慮在隔堤過水補償方案的基礎上，增加新民灘控制線以南尾灘切灘，高程在4.0 m～5.5 m之間，面積約4282畝，切灘底高程3.5 m，切灘土方量約325.24萬m3，合計637.63萬m3。

經計算，隔堤過水方案實施補償后水位由9.523 m降至9.502 m，水位降低2.1 cm；隔堤不過水方案實施補償后水位由9.559 m降至9.497 m，水位降低6.2 cm。因此，基本可以消除邵伯湖專道輸水方案(隔堤過水)帶來的影響基本可以消除。

5 結論

本文基于MIKE21模型，計算分析南水北調二期東線工程中邵伯湖專道方案新建隔堤以及堤內棄土對入江水道行洪能力的影響，得到如下結論：

(1)模型采用入江水道設計糙率時，模擬計算結果與2017年行洪實測水位吻合度較高，說明設計糙率取值合理，模型精度滿足要求，分析成果可信。

(2)邵伯湖專道方案無論隔堤過不過水，在入江水道行洪時高郵(高)斷面的水位均有雍高現象，對行洪有一定影響；在進行補償措施(切灘)后，影響基本消除，整體方案可行。

由于目前還在規劃設計階段，后續如有新方案還將繼續進行模擬計算，對模型進行進一步優化。