基于MIKE 11水動力模塊的水閘規模論證研究

李 杰

（寧波市鄞州區水利水電勘測設計院,浙江 寧波 315192）

0 引言

平原區河網地勢較低,河流縱橫交錯,相互連通。復雜的水文條件對傳統的排澇驗算方法提出艱巨挑戰。為精確模擬平原區河網排澇過程,目前越來越多的研究傾向于采用河網水動力模型法進行排澇驗算[1-2]。MIKE 11軟件主要適用于河口、渠道、河流等水體的一維水動力模擬,可模擬河流水位、流量及泥沙輸送等。本文基于MIKE11軟件建立寧波市大嵩江流域水動力河網模型,對河網進行概化,合理選取斷面、調蓄容積和糙率,計算龍尾碶水閘的閘底板高程和閘門凈寬。

1 工程概況

龍尾碶水閘位于大嵩江流域長大河出海口,南新塘南端。現狀水閘規模為2.6 m×3.6 m×1 m（寬×高×孔數）,閘底高程為-0.77 m,主要功能性質為擋潮及排澇。目前水閘存在塘體與閘身交接處局部沉陷拉裂及水閘結構老化等。龍尾碶上游為咸祥平原,下游為象山港,水閘規模較小,排澇能力不足。近年來,隨著區域經濟的快速發展,對水閘排澇的要求也越來越高,龍尾碶現有的規模已不能滿足流域排澇的要求,迫切需要規劃重建以提高排澇能力。

2 工程規模計算

2.1 計算方法

大嵩江干流源短流急,兩岸平原則河道密布,水流相對平緩,流域水情復雜。本次計算采用MIKE11 軟件的水動力模塊模擬大嵩江流域水動力情況。MIKE11 軟件一維水動力學模型控制方程為圣維南偏微分方程組見下式：

式中：q為河道旁側入流,m3/s；BT為當量河寬,m；Z為斷面水位,m；Q為流量,m3/s；K為流量模數。

MIKE11 采用Abbott六點隱式差分格式離散Saint-Venant方程組,該離散格式在每一個網格點并不同時計算水位和流量,而是按順序交替計算水位或流量,該格式無條件穩定,可以在相當大的Courant數下保持計算穩定,可以取較長的時間步長以節省計算時間。對上述離散方程組采用傳統的“追趕法”,即“雙掃”算法進行求解。模型考慮堰、閘、阻水橋梁以及區間水量交換等,能適用于本段河道洪流演進的定量分析計算,得出河道各特征斷面水位和流量的過程。

在一個河網中,河道與河道相互交叉連結,其連接點成為節點,每個節點均要滿足兩個銜接條件,即水量連接條件和動力連接條件。

整個河網為若干河道和節點的組合,河網水量的控制方程即為每一河道的控制方程與每一節點銜接條件及初邊值條件聯立所得的微分方程組。數值求解河網水量微分方程組,則可以求出每一河道指定斷面處以及節點上的水位、流量等水力變量。

2.2 模型概化

2.2.1 河網概化

依據流域情況、地形、水系結構及其水流走向、現有域內水利工程布局、控規路網等因素,構建河網概化圖。

模型河道概化涵蓋了大嵩江流域的主要河道,包括干流的梅溪、亭溪、大嵩江,北岸的新東吳塘、瞻岐河、永安河、紅衛河、護塘河、東港河、江濱河、養殖區納排河、排淡河、納潮河等,南岸的咸祥河、長大河、中塘河等。

2.2.2 水閘概化

考慮干流上的大嵩江大閘,北岸的珠山碶、大塘碶、洪安碶、德興碶、德興新碶、紅衛西碶、黃牛礁碶、聯盛新碶,南岸的橫山碶、龍尾碶、南興碶、潘家碶等。

2.2.3 調蓄容積

調蓄容積對河網水利計算十分重要。本次計算兩岸平原的調蓄容積,是根據大嵩江流域1∶10000實測高程數據插值統計得到。

2.2.4 糙率選取

由于流域植被,江道坡降,河床質、河道斷面形式及河道上的建筑物等,都會對流域洪水演進產生影響,因而河道的概化以及參數的選定會影響到洪流演進計算成果。在模型計算過程中,根據行洪河道河床情況,平原比較順直河段糙率取0.02,干流及山區性河段糙率。

2.3 邊界條件

溪水庫采用天然洪水過程。下邊界為潮位邊界,主要為大嵩江、長大河、咸祥河、中塘河、新東吳塘河、東港河、永安河等碶閘閘下潮位過程。洪潮組合,根據水文分析設計排澇潮型采用平均偏不利潮型,洪峰對潮峰平均偏不利的洪潮遭遇。

2.4 龍尾碶規模確定

龍尾碶的規模包括閘底板高程和閘門凈寬,先確定閘底板高程。

2.4.1 閘底板高程

根據《鄞州區河網水系規劃》,嵩南平原規劃河道底高程均為-1 m；而根據《寧波市鄞州區水利建設長遠規劃報告》,規劃長大河在現狀線形的基礎上進行拓寬至30 m,河寬10 m~20 m平原處（非山區坡地）河床底控制標高-1.37 m,河寬20 m及以上平原處（非山區坡地）河床底控制標高-1.87 m。故本次模型計算擬定閘底板高程-0.5 m、-0.77 m、-1 m、-1.37 m、-1.87 m、-2 m六組方案。

六組方案計算水位見表1。

①閘底板-0.77 m方案較閘底板-0.5 m方案,咸祥南部平原水位降低0.02 m；②閘底板-1.0 m方案較閘底板-0.77 m方案,咸祥南岸平原水位降低0.01 m；③閘底板-1.37 m方案較閘底板-1.0 m方案,咸祥南部平原水位降低0~0.01 m；④閘底板-1.87 m方案較閘底板-1.37 m方案,咸祥南部平原水位降低0 m ；⑤閘底板-2 m方案較閘底板方案-1.87 m方案,咸祥南部平原水位降低0 m。

不同閘底板高程下的水位比較見表1及閘前斷面逐時水位過程見圖1。從不同閘底板高程的水位變化情況看,同時為配套龍尾碶上游長大河的河底高程,故閘底板高程取-1.0m方案最優。

表1 不同閘底板高程下的水位比較（20年一遇） 單位：m

圖1 不同閘底板高程閘前斷面逐時水位過程

2.4.2 閘門凈寬

在閘底板高程確定的基礎上,擬定閘門凈寬6 m、8 m、9 m、10 m、12 m五組方案,閘底板高程-1.0 m。五組方案計算水位見表2。

①閘門凈寬8 m方案較閘門凈寬6 m方案,水位降低0.01 m~0.02 m；②閘門凈寬9 m方案較閘門凈寬8 m方案,水位降低0.01 m~0.02 m；③閘門凈寬10 m方案較閘門凈寬9 m方案,水位降低0~0.01 m；④閘門凈寬12 m方案較閘門凈寬10 m方案,水位降低0 m；⑤閘門凈寬15 m方案較閘門凈寬12 m方案,水位降低0 m。

不同閘凈寬下的水位比較見表2 及閘前斷面逐時水位過程見圖2,從不同閘凈寬的水位變化情況看,以9 m方案最優。

表2 不同閘門凈寬下的水位比較（20年一遇） 單位：m

圖2 不同閘門凈寬閘前逐時水位過程

綜上比較,選定閘底板高程為-1.0 m,閘門凈寬9 m為推薦方案。

2.4.3 效益分析

在現狀河道情況下,20 年一遇工況,龍尾碶上游0.3 km范圍內河道水位可下降0.08 m、1 km范圍內河道水位可下降0.05 m、2 km范圍內河道水位可下降0.04 m、3 km范圍河道水位可下降0.02 m、4 km范圍內河道水位可下降0.01 m；在規劃河道及推薦方案情況下,20 年一遇工況,龍尾碶上游0.3 km范圍內河道水位可下降0.32 m、1 km范圍內河道水位可下降0.30 m、2 km范圍內河道水位可下降0.21 m、3 km范圍河道水位可下降0.20 m、4 km范圍內河道水位可下降0.17 m。

3 結論

區域排澇計算采用一維河網水動力學方法,龍尾碶出口象山港潮位采用動態過程。根據計算,初步設計確定水閘規模為凈寬9 m（3 孔×3 m）。按照規劃的河網和推薦方案建設水閘,可降低平原區內水位0.2 m~0.3 m,工程的實施可改善區域防洪排澇能力,同時水閘規模與規劃確定的龍尾碶上游長大河面寬30 m相匹配。