連云港市東海縣埝河閘設計流量及水位計算

李亞楠，陸洪亞，周慶連，劉貴明

（連云港市水利規劃設計院有限公司,江蘇 連云港 222006）

埝河閘位于石安河與埝河的交匯處,該閘于1966年10月開工興建,1967年4月竣工交付使用。埝河閘底板駝峰頂高程為15 m,單孔凈寬4.0 m,凈高4.5 m,設計流量240 m3/s。該閘運行至今已50 多年,目前閘底板局部受水流沖刷破損、露石、形成坑洞,電機運轉噪音較大,排架砼碳化深度較大,已超過混凝土的保護層厚度,經安全鑒定,埝河閘評定為四類水閘,需對其進行拆除重建。本文圍繞埝河閘設計流量及水位進行計算分析[1]。

1 工程概況

1.1 地理位置

埝河閘位于連云港市東海縣石榴鎮,薔薇河、魯蘭河支流埝河上游,座落在石安河東堤距離石梁河水庫約27.30 km處。該閘于1966年10月開工興建,1967年4月竣工交付使用。埝河閘主要功能為分洪、灌溉：（1）分洪：遇石安河20年一遇以上洪水開閘分洪,流量為240 m3/s,以保證石安河不決堤；（2）灌溉兼發電：灌溉農田15 萬畝,并結合發電,設計年發電量約6 萬kW·h。

1.2 水文、氣象

石安河位于東海縣中部,縱貫縣境南北,北起石梁河水庫,南到安峰山水庫,原為石梁河水庫的輸水干渠,曾稱石梁河南干渠,全長55 km,沿18 m 等高線開挖,截取50 m～18 m高程之間的大面積嶺地高水,經4 處泄洪口門向下游排泄。4處泄洪口門分別為：向磨山河泄入新沭河的口門——青湖閘；向魯蘭河泄洪口門——埝河閘、范埠閘；向安峰山水庫泄洪口門——薛埠閘。

工程區位于連云港市西北部,氣候濕潤,四季分明,年平均氣溫13.7℃,多年平均降水量為939.6 mm,年內降水量分配不均,6月～8月降水量占全年總降水量的63%。多年平均年蒸發量為1250 mm。全年平均風速為3.1 m/s,4月～8月及10月多吹東南風,其余月份多靜風或東北偏北風。全年空氣濕潤,相對濕度在最熱月為80%以上,最冷月為66%。日照充足,平均每天近7 個小時,5月、6月份每天均在8 小時以上。

2 埝河閘設計流量、水位計算

2.1 水利計算數學模型

（1）水利計算方法

埝河閘主要功能為分泄石安河洪水入魯蘭河、并兼灌溉發電,本次埝河閘設計規模根據石安河的設計洪水、沿線各泄洪口門規模及其調度規則等綜合確定；根據相關設計資料,本次計算石安河設計洪水時,石安河流域上游水庫泄洪只考慮橫溝水庫及昌梨水庫泄洪；采用非定常水動力學模型的控制方程一維非定常水動力學模型,使用丹麥水力科學研究所（DHI）開發的Mike11（V2012 版）計算軟件建立了水利計算模型。一維非恒定流動方程組如下：

式中：Z（x,t）為斷面平均水位,m；Q（x,t）為斷面流量,m3/s；A（x,t）為斷面面積,m2；u（x,t）為斷面平均流速,m/s；C 為謝才系數；qi為單位河長上的支流流量。

定解條件包括水流的初值與邊界值。

水流初始條件：

t=0,Z（x,t）=Z（x,0）,Q（x,t）=Q（x,0）。

邊界條件：

當x=0 時,Z（x,t）=Z（0,t）；當x=L 時,Z（x,t）=Z（L,t）。

（2）模型參數及邊界條件

①模型設定參數

模擬設定參數主要包括模擬時間步長、模擬起止時間等。本次計算時間步長取2 min,模擬起止時間取一次洪水漲落過程。

②河網參數

河道長度根據東海縣地形圖量算。石安河北起石梁河水庫,南到安峰山水庫,全長55 km。因青湖閘、埝河閘、范埠閘上下游河道水位相差較大,經分析,三座水閘泄流時均為無淹沒自由出流,模型計算中假定水閘下游河道承泄能力足夠大,即水閘下游河道對其泄流影響較小,為簡單起見,本次青湖閘、埝河閘、范埠閘下游河道長度均設置成0.15 km。

整個模型河網總長55.45 km,模型計算中涉及到的計算水位斷面共560 個,平均間距約100 m,模型河網概化圖見圖1。

圖1 河道水利計算模型河網概化圖

③河道斷面參數

石安河斷面參數采用《東海縣石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設計報告》中成果,具體見表1。

表1 石安河河道斷面參數表

④水力參數

河道為土坡,根據《水力計算手冊》,斷面糙率取0.0225。石安河汛限水位取18.0 m。

⑤建筑物參數

石安河主要分洪閘即青湖閘、埝河閘、范埠閘按照模型中的可控建筑物處理,其規模按現狀情況設置,見表2。

表2 石安河各分洪閘現狀規模情況表

根據東海縣防洪預案,石安河汛期控制水位18.0 m,警戒水位19.0 m,最高洪水位19.7 m。洪水調度原則：當石安河水位超過18.0 m,安峰山水庫低于汛限水位時,先開薛埠閘滿足補庫；如薛埠閘分洪補庫不及視河水位上漲情況,可開青湖閘經磨山河排入新沭河,青湖閘在開、關閘時須提前1小時通知黃川灌區管理所及時開、關磨山河閘；如水位超過19.0 m 再依次開啟范埠閘、埝河閘分洪。

根據《東海縣石安河治理工程（埝河閘～富辰橋段）初步設計報告》,石安河堤防設計標準為20年一遇,為河道堤防安全計,當發生20年一遇設計洪水時,考慮在通過青湖閘泄洪入新沭河的同時,控制范埠閘及埝河閘的泄流（開啟范埠閘向魯蘭河分洪50 m3/s、開啟埝河閘分泄橫溝水庫下泄洪水25 m3/s）。當石安河水位超過18 m 時,青湖閘開閘泄洪,并控制泄洪流量不大于原設計流量660 m3/s；當石安河水位繼續上漲至19 m 時,開啟范埠閘、埝河閘,并控制范埠閘分洪50 m3/s、埝河閘分洪25 m3/s；當石安河水位繼續上漲至接近其防洪設計水位時,加大范埠閘、埝河閘泄洪,并控制范埠閘泄洪流量不大于原設計流量124 m3/s、埝河閘泄洪流量不大于原設計流量240 m3/s。埝河閘、范埠閘處防洪設計水位（20年一遇）分別為20.38 m、20.93 m,本次模型計算得到埝河閘、范埠閘處20年一遇水位分別為20.19 m、20.74 m,綜合二者結果,本次埝河閘、范埠閘加大泄洪控制水位分別取20.3 m、20.75 m。

⑥邊界條件

a.外部邊界：主要定義河流的自由端點處。

石安河：其外部邊界主要涉及南部的安峰山水庫及北部的石梁河水庫。根據石安河現狀調度情況,其南端薛埠閘主要在安峰山水庫低于汛限水位時開閘補庫,本次計算不考慮薛埠閘的泄洪；石安河水位一般較石梁河水庫低、不向石梁河水庫泄洪,因此模型中將石安河與安峰山水庫、石梁河水庫連接處均設置成閉合邊界。

其他河道：青湖閘、埝河閘、范埠閘下游河道水位一般較石安河相差較大,三座水閘泄流時均為無淹沒自由出流,閘下水位對其泄流影響較小,為簡單起見,本次青湖閘、埝河閘、范埠閘下游河道末端邊界均設置成開邊界并定義水深0.1 m 相應的水位。

b.內部邊界：本次計算中模型內部邊界主要為石安河西側流域匯流。根據水文計算成果,將各匯水區設計洪水在相應匯水區位置以分布流邊界形式加入模型中。

2.2 計算結果

根據河網模型計算成果,當發生20年一遇設計洪水時,石安河沿線最高水位為18.20 m～20.77 m；當發生50年一遇設計洪水時,石安河沿線最高水位為19.32 m～21.23 m；不同工況下青湖閘、埝河閘、范埠閘閘上最高水位及最大下泄流量結果見表3,埝河閘閘前水位變化計算結果見圖2。

表3 不同工況下青湖閘、埝河閘、范埠閘分洪結果

圖2 埝河閘閘前水位變化計算成果圖

根據《東海縣石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設計報告》,石安河在青湖閘、埝河閘、范埠閘處防洪設計水位分別為18.0 m、20.38 m、20.93 m,本次河網模型計算河道上游水位結果較其偏低。

2.3 成果分析

根據上述模擬計算結果,主要是由于河網模型考慮了石安河的調蓄作用,而《東海縣石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設計報告》采用天然河道明渠恒定非均勻流的計算方法由青湖閘處18.0 m 向上游推算石安河水位,沒有考慮河道本身的調蓄作用,故而本次計算河道上游水位結果較其偏低、埝河閘處水位結果較其偏高。因此,本次模型計算結果較為可靠。

本次埝河閘設計標準為50年一遇,當發生50年一遇設計洪水時,模型計算石安河沿線最高水位為19.32 m～21.23 m,雖高于石安河沿線防洪設計水位,但比石安河沿線堤防高程（20.4 m～23.8 m）低0.7 m 以上,能夠滿足石安河堤防安全加高（0.6 m）的要求。因此,本次設計埝河閘按原閘孔規模拆建,能滿足石安河50年一遇泄洪要求。

3 結語

本次模型計算結果較為可靠。當發生50年一遇設計洪水時,模型計算石安河沿線最高水位為19.32 m～21.23 m,能夠滿足石安河堤防安全加高（0.6 m）的要求。埝河閘拆建工程建成后,即可承泄石安河240 m3/s 的洪水,調節水位,減少河床沖刷；也可引調石安河水,發展灌溉。