M IKE11 模型在八灘渠地區河道及擋潮閘規模論證中的應用

1 八灘渠區域概況

八灘渠地區以三條八灘渠為界可細分為北、中、南八灘渠排區,區內澇水主要由沿線排澇支河沙埔河、陶圩河、陸集河、梁橋河、西排河、新八河、通濟河、海堤河匯水進入三條八灘渠后自排入海。

北八灘渠開挖于1955年,西起張家河東至振東閘,全長47 km,海口擋潮排澇閘（振東閘）的規模為6 孔,每孔凈寬8 m,底板高程-2.0 m。中八灘渠開挖于1953年,西起張家河東至二罾閘,全長46.8 km,海口擋潮排澇閘二罾閘的規模為5 孔,每孔6 m,底板高程-2.0 m。南八灘渠開挖于1957年,西起陳濤鄉丁墩村東至海邊,全長28.7 km,海口擋潮排澇閘南八灘閘的規模為4 孔,孔徑為3×5 m+1×8 m,底板高程-2.0 m。

八灘渠區域匯水范圍為：東至海堤,西移至張弓干渠（渠首段）～中心河～沙浦河,南至入海水道北堤,北至張弓干渠,區域面積約530 km2。

2 八灘渠地區水動力學模型

2.1 水利計算方法

采用非恒定水動力學模型的控制方程一維非恒定水動力學模型,建立八灘渠地區排水范圍河網水利計算模型。

一維非恒定流動方程組如下：

式中：Z（x,t）斷面平均水位,m；B（x,t）斷面平均寬度,m；Q（x,t）斷面流量,m3/s；A（x,t）斷面面積,m2；u（x,t）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）。

2.2 模型計算范圍

模型河網（圖1）主要包括：南、中、北三條八灘渠,沿線排澇支河及主要大、中溝河道。模型中建筑物包括：南八灘閘、二罾閘、振東閘及北八灘渠劉莊套閘、中八灘渠陳濤節制閘。

圖1 八灘渠區域模型河網圖

3 模型概化及運行參數

3.1 設計暴雨

設計降雨采用《渠北排灌影響處理工程報告》中渠北低片區設計成果,5年一遇設計暴雨181 m,十年一遇設計暴雨219 mm。

設計凈雨由《江蘇省暴雨洪水圖集》（1984年）P+Pa~R 關系曲線,計算得八灘區域地區5年一遇設計凈雨為112 mm,10年一遇設計凈雨為150 mm。

3.2 設計潮位

采用海口50%排澇設計潮型。選用高高潮位P=50%的平均潮位作為設計高高潮位。經分析,設計高高潮位為2.2 m,再選取高高潮位與設計高高潮位2.2 m 相近的若干次全潮過程線,取其高低潮位的平均值-0.2 m 作為設計高低潮,設計排澇潮位采用高高潮與高低潮的平均值1.0 m,計算過程中用全潮過程線進行校核。

3.3 河道斷面

模型驗證：干河及主要排澇支河采用實測斷面。

規模分析：南八灘渠、沙浦河、陶圩河及西排河采用不同設計標準試算。

3.4 排澇歷時

排澇歷時指從0.8 m上漲然后回落到0.8 m所經歷的時間,采用三日暴雨雨后一日排出。

3.5 模型參數

模型計算的主要參數為河道糙率。根據驗證調整,八灘渠干河河道糙率為0.025,沿線支河為0.0275。計算時間步長為60 s。

4 工程規模論證

4.1 現狀排澇能力復核

5年一遇排澇能力復核：五年一遇設計暴雨南八灘閘、二罾閘、振東閘最大過閘流量分別為140 m3/s、202 m3/s、304 m3/s,最大日均過閘流量分別為61 m3/s、93 m3/s、134 m3/s,郭集西排河東側最高水位2.2 m,南八灘閘、二罾閘閘前最高水位1.24 m,振東閘閘前最高水位1.27 m,排澇歷時3d20h,八灘渠區域現狀已達到5年一遇排澇標準。

10年一遇排澇能力復核：十年一遇設計暴雨南八灘閘、二罾閘、振東閘最大過閘流量分別為159 m3/s、237 m3/s、359 m3/s,最大日均過閘流量分別為79 m3/s、117 m3/s、169 m3/s,郭集西排河東側最高水位2.62 m,南八灘閘、二罾閘閘前最高水位1.56 m,振東閘閘前最高水位1.6 m,排澇歷時4 d8 h。八灘渠區域水位、排澇歷時均未達到規劃要求,不能滿足10年一遇排澇標準。

4.2 規模論證

八灘渠地區南八灘閘、二罾閘為沿海擋潮閘,南八灘地區、中八灘地區澇水主要通過南八灘渠、中八灘渠兩條河道經兩座閘自排入海。現狀二閘緊鄰,閘下港道淤積,南八灘渠與中八灘渠入海口緊鄰,上游沖淤保港水源不足,加之閘下圍墾養殖后港道淤積,排水不暢,本次擬將南、中八灘渠擋潮閘南八灘閘、二罾閘拆除后合建。由于南八灘渠水位較低,將新閘建在南八灘渠入海口,原二罾閘封堵。

根據類似工程經驗及模型試算,擴大河道標準對提高區域排澇能力效果比較明顯。因此,首先論證南八灘閘、二罾閘按現狀閘規模合并后（閘孔凈寬52 m,底板面高程-2.0 m）,通過疏浚八灘渠干河及沿線排澇支河提高區域排澇能力。中八灘渠、北八灘渠現狀河道標準相對較大,且沿線集鎮較多,為減少征地拆遷,只對南八灘渠及沿線排澇支河進行疏浚[1]。

4.2.1 河道規模論證

通過模型試算,最終確定南八灘渠河道設計標準見表1。

表1 南八灘渠不同工況設計標準

根據模型計算結果分析,南八灘渠采用工況1（圖2）設計標準時西排河東最高水位2.55 m,南八灘閘閘上最高水位1.57 m,排澇歷時4 d+3 h,均不能滿足規劃要求；進一步擴大南八灘渠疏浚標準,采用工況2 設計標準時西排河東最高水位為2.51 m,南八灘閘閘上最高水位1.55 m,排澇歷時4 d+1 h,閘上最高水位及排澇歷時仍不能滿足規劃要求；繼續擴大南八灘渠疏浚標準,采用工況3 設計標準時西排河東最高水位降到2.5 m,南八灘閘閘上最高水位仍為1.57 m,排澇歷時4 d。

圖2 八灘渠工況1

綜上,當南八灘渠設計標準采用工況2（圖3）標準時,除閘上最高水位不滿足規劃要求外,排澇歷時及最高控制水位已基本滿足規劃要求；當設計標準進一步擴大到工況3 標準時,南八灘渠最高水位降到2.35 m,但對閘上最高水位及排澇歷時影響很小。在工況2 基礎上繼續擴大南八灘渠設計標準對提高區域的總體排澇能力效果很小,因此,初步確定南八灘渠采用工況2 設計標準進行疏浚。

圖3 八灘渠工況2

圖4 八灘渠工況3

采用工況2 設計標準對南八灘渠進行疏浚后,南八灘閘閘上控制水位及排澇歷時仍不能滿足規劃要求,進一步分析通過擴大閘規模提高區域排澇標準[2]。

4.2.2 閘孔規模論證

（1）閘孔凈寬的選擇。采用現狀閘底高程、工況2 設計斷面標準,計算不同閘孔凈寬對區域排澇的影響,對比見表2。

表2 閘孔凈寬對區域排澇的影響對比

經分析,閘孔凈寬由52 m 加大到57 m 后,南八灘閘閘上最高水位降低2 cm,排澇歷時減少1 h,南八灘閘閘上最高水位仍不能滿足規劃要求；閘孔凈寬增加到60 m 后,南八灘閘閘上最高水位降低到1.51 m,排澇歷時降低到3 d+23 h,基本滿足規劃要求。

（2）底板高程的選擇。采用閘孔凈寬52 m,分析不同閘底高程對區域排澇的影響,對比見表3。

表3 閘底高程對區域排澇的影響對比

經分析,閘底高程由-2.0 m 降低到-2.5 m 后,南八灘閘閘上最高水位降低5 cm,排澇歷時減少2 h,排澇歷時及最高控制水位均可滿足規劃要求。

4.3 成果分析

綜上,只疏浚河道斷面不能達到十年一遇排澇規劃標準。在工況2 設計斷面標準下,當南八灘閘閘底高程-2.0 m、閘孔凈寬60 m 或者閘底高程-2.5 m、閘孔凈寬52 m 時均可滿足十年一遇排澇標準。根據計算結果,降低閘底高程對提高區域排澇標準效果比較明顯。

5 結論

綜上,通過拆建南八灘閘、疏浚南八灘渠及沿線主要排澇支河,可以使八灘渠區域排澇標準提高到10年一遇,主要標準為：拆建南八灘閘拆除封閉二罾閘,南八灘閘拆建規模為：閘孔凈寬52 m、閘底高程-2.5 m 或者閘孔凈寬60 m、閘底高程-2.0 m。