紹興平原河網(wǎng)防洪排澇水動力模型控制條件分析

陳衛(wèi)金,李東風(fēng)，張紅武

(1.紹興市第一水利生態(tài)建設(shè)有限公司,浙江 紹興 312000;2.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院,浙江 杭州 310018；3.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

五水共治是浙江省大政方針，是推進(jìn)浙江新一輪改革發(fā)展的關(guān)鍵之策.縱橫交叉平原河網(wǎng)的河道湖泊水體，作為水生態(tài)環(huán)境的重要載體，擔(dān)負(fù)有行洪排澇、供水灌溉、調(diào)蓄水量、航運(yùn)交通、景觀休閑和生態(tài)環(huán)境等.防洪排澇等問題直接關(guān)系著一個地區(qū)水安全，關(guān)系本地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展.防洪排澇在五水共治中具有及其重要地位.

研究平原河網(wǎng)防洪排澇問題，分析河流湖泊在一定邊界條件的水動力及其變化是研究問題的基礎(chǔ)，而數(shù)學(xué)模型作為重要便利的工具是解決水動力問題的重要手段之一.掌握復(fù)雜河流湖泊的水動力狀況，準(zhǔn)確把握各種邊界條件是數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ).

通過水動力數(shù)學(xué)模型的計(jì)算分析，掌握不同條件下的河流湖泊水動力狀況，準(zhǔn)確預(yù)測水流流速、水位、水深和流量及其變化、預(yù)測洪水傳播和洪水演進(jìn)規(guī)律，可以通過水庫水閘水利工程調(diào)度運(yùn)行、控制上游來水、排除暴雨澇水、加大加快洪水排入大海、分析河流湖泊水體富營養(yǎng)化的水動力條件、分析不同來水組合條件下河網(wǎng)水動力條件的變化，為進(jìn)行區(qū)域河網(wǎng)防洪排澇、河流湖泊治理和規(guī)劃設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ).

由于受條件的限制，對流域性水流動力的模擬主要利用一維數(shù)學(xué)模型，由于一維數(shù)學(xué)模型對把三維問題簡化為水流運(yùn)動方向的一維問題，這個簡化的一維數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，使得對河流湖泊水動力計(jì)算模擬的精度受到了很多限制，在以往計(jì)算技術(shù)限制的條件下，一維模型在工程水動力分析中發(fā)揮了重要作用；隨著計(jì)算技術(shù)等不斷突破，利用二維和三維水動力模型對流域河網(wǎng)水動力、河流湖泊局部區(qū)域進(jìn)行計(jì)算精細(xì)計(jì)算已成為可能.

紹興平原河網(wǎng)水系發(fā)達(dá)，水域情況異常復(fù)雜.有河面較寬的多條骨干河道，也有水域面積達(dá)數(shù)千畝的多個重要湖泊，還有一些支河叉港和小河小鏤；紹興平原河網(wǎng)中由密集的河道所形成的水面面積占總面積的比重達(dá)13%以上.同時洪水的排泄受到曹娥江河口海洋潮汐的頂托.這些特性使得紹興平原河網(wǎng)河流湖泊水流運(yùn)動，洪水形成、傳播、演進(jìn)變形等問題眾多異常復(fù)雜.因此研究紹興平原防洪排澇河流湖泊水動力調(diào)控和計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和信息及其建模進(jìn)行分析.研究紹興平原防洪排澇具有典型性和代表性.

1 水動力理論[1-4]

區(qū)域河流水動力受區(qū)域河流及其地貌、區(qū)域來水和流出區(qū)域邊界條件的控制.河流水動力是河流河床地貌形態(tài)和河流邊界條件共同制約的結(jié)果，其控制方程為

1.1 控制方程

(1)

(2)

(3)

式中：Z—水位；H—水深；

U、V—分別為x、y方向深度平均流速；

g—重力加速度；

C—謝才阻力系數(shù)，

C=H1/6/n，n—曼寧糙率系數(shù)；

νt—紊動渦粘性系數(shù).

1.2 定解條件

定解條件是初始條件和邊界條件的統(tǒng)稱.初始條件是指在微分方程中未知函數(shù)在初始時刻所需滿足的條件.邊界條件指在運(yùn)動邊界上方程組的解應(yīng)該滿足的條件.

1.2.1 自由面邊界條件

自由表面給定風(fēng)應(yīng)力；自由表面運(yùn)動學(xué)邊界條件，根據(jù)界面保持定理(不可入可滑移條件)；自由表面動力學(xué)邊界條件p=pa.

1.2.2 底部邊界條件

1249 Resistance of Plasmodium falciparum to artemisinin derivatives and piperaquine: epidemic status and mechanism

無滑動條件(粘附條件)u=v=0(床面上)；底部應(yīng)力定律，將近底速度(離底小距離)與近底速度梯度聯(lián)系起來.

2 紹興平原防洪排澇河流湖泊水動力分析

由于控制河流水動力的邊界條件不同，例如流程長短不同，水流阻力不同，水頭損失不同，流量大小也不均勻，水動力也不同.從浙東引水試運(yùn)行情況看，大部分流量將進(jìn)入北面的杭甬運(yùn)河和三江大河，這是因?yàn)檫@兩條骨干河道的流程比較短、過水?dāng)嗝婷娣e較大，輸水能力比較強(qiáng)，水動力也較大.馬山閘西江和浙東運(yùn)河流程長，水流阻力大，水頭損失大，分配流量較少.

根據(jù)新的河道等級劃分，鑒湖、浙東古運(yùn)河、杭甬運(yùn)河、馬山大河等4條河道為市級河道；馬山閘西江、三江大河、濱海大河、瓜渚湖直江、大坂湖直江等河道劃定為縣級河道；其余為鄉(xiāng)級河道(見圖1).

2.1 紹興河流及其地貌

紹興平原部分位于錢塘江南岸，西北靠蕭山、西南靠諸暨、東鄰曹娥江上虞，南界嵊州，紹興平原地勢西南高、東北低.西南部南部為山丘區(qū)地勢高，地面高程大多在10～500 m(黃海，下同)之間，中部及東北沿海一帶，地勢平坦，河流縱橫，湖泊眾多，素有“江南水鄉(xiāng)”之稱.地面高程大多在4.5～5.5m之間.紹興平原西部北部屬于柯橋區(qū)，平原中部是紹興市城區(qū)，是紹興經(jīng)濟(jì)政治文化中心區(qū)域.

2.2 紹興平原河網(wǎng)水體流動水動力條件分析

在紹虞平原境內(nèi)，河網(wǎng)除承接和調(diào)蓄本地降水外，還承接來自蕭山進(jìn)化溪、蜀山平原和南沙地區(qū)的部分客水量，以及上虞市東關(guān)的部分來水量.河流湖泊交織成河網(wǎng)，具有蓄洪、排澇、灌溉、拒咸、通航和養(yǎng)殖等功能.紹興平原境內(nèi)河網(wǎng)水系又稱三江水系(古稱鑒湖水系)，水流自西向東、自南而北流經(jīng)河網(wǎng)湖泊，主要經(jīng)新三江閘、馬山閘和海涂三閘等注入曹娥江.西部南部來水和曹娥江引水工程來水是河網(wǎng)水體流動的主要動力，同時曹娥江河口徑流來水、潮汐、曹娥江大閘運(yùn)行方式和沿河口水閘的運(yùn)行方式對河網(wǎng)水動力具有控導(dǎo)作用.

圖1 河網(wǎng)水系示意圖

2.2.1 河網(wǎng)西部來水水動力條件

河網(wǎng)西部來水水動力主要受源出蕭山縣臨浦鎮(zhèn)麻溪西小江流量控制和浙東引水流量控制，兩個水流匯合會在柯橋區(qū)錢清鎮(zhèn)進(jìn)入紹興縣境內(nèi).然后再一分為四，分四路進(jìn)入紹興平原河網(wǎng).從北到南分別是杭甬運(yùn)河、三江大河、馬山閘西江和浙東運(yùn)河.在四路水流中，流程較短的是北面的杭甬運(yùn)河和三江大河，都在紹興縣境內(nèi).富春江水分流進(jìn)入杭甬運(yùn)河、三江大河后，又合二為一，經(jīng)新三江閘注入曹娥江.另外兩路水流流程都很長.其中，進(jìn)入馬山閘西江的水流一路向東，過錢清、柯橋、袍江，然后從馬山閘注入曹娥江；進(jìn)入浙東運(yùn)河的富春江水，跨紹興縣、越城區(qū)和上虞市三地，最后到達(dá)上虞的塘角船閘，注入曹娥江.西部來水是河網(wǎng)水動力重要邊界條件之一.

2.2.2 南部山丘區(qū)河流水動力條件

自南而北匯入河網(wǎng)的主要河流均出自會稽山麓，西南部山丘區(qū)有多條山區(qū)溪流由南向北匯入紹興平原，自西向東依次主要有十一條山溪性河流，主要有石泄江、富盛江、攢宮江(上蔣江、東湖江)、平水江、南池江、坡塘江、蘭亭江、漓渚江、項(xiàng)里江、型塘江、青墩江、夏履江等.南部來水經(jīng)運(yùn)河由河網(wǎng)與芝塘湖、瓜渚湖、鑒湖、賀家池、白塔洋、康家湖、青甸湖等19個湖泊相連.主要由西小江、荷湖江、直江等經(jīng)新三江閘，部分經(jīng)馬山閘、紅旗閘注入曹娥江.運(yùn)河南北平原水網(wǎng)密布，河密率高，南部來水也是河網(wǎng)水動力重要邊界條件之一.

2.2.3 浙東引水與鑒湖水系水動力

浙東引水對鑒湖水系水動力是否會受到影響是否會出現(xiàn)“倒灌”等現(xiàn)象.柯橋城區(qū)的地勢南高北低.正常情況下，柯南的水位比104國道以北的水位要高出50 cm以上，如果雨季的話，水位落差會超過1 m.因此，進(jìn)入浙東運(yùn)河的富春江水需要通過泵站抽水才能進(jìn)入鑒湖水系，一般不會影響紹興黃酒廠家取用的水源.浙東引水能夠加快平原河網(wǎng)水體流動.

2.2.4 曹娥江引水工程與河網(wǎng)水動力

通過興建曹娥江引水工程，將曹娥江的清水通過14.6 km的地下隧道，引入紹興市區(qū)，實(shí)現(xiàn)一江清水繞城流.紹興市曹娥江引水工程，增加了紹興平原河網(wǎng)水體流動性，有效改善了市區(qū)河道水質(zhì).曹娥江引水工程來水水也是河網(wǎng)水動力重要邊界條件之一.

2.2.5 曹娥江沿河口水閘與河網(wǎng)水動力

曹娥江是紹興平原防洪排澇的承泄區(qū)，曹娥江河口徑流來水、潮流潮汐、曹娥江大閘運(yùn)行方式和沿河口排水閘的的運(yùn)行方式對河網(wǎng)水動力具有控導(dǎo)作用.通過閘門不同運(yùn)行方式的組合，改變河網(wǎng)出口水位，控導(dǎo)河網(wǎng)水動力.主要排水閘包括新三江閘、馬山閘、新楝樹下閘、新紅旗閘、東江閘、迎陽閘和匯聯(lián)閘等水閘.

3 結(jié) 語

以紹興平原河網(wǎng)水動力為研究對象，全面分析了進(jìn)入河網(wǎng)的河流控制邊界條件和流出河網(wǎng)的水閘潮流潮汐水流控制邊界條件；為模型建設(shè)和河網(wǎng)防洪排澇和五水共治提供決策；研究表明西部、南部和流出河網(wǎng)的水閘控制條件為重要的邊界條件；為研究建立合理的河網(wǎng)水動力模型奠定了基礎(chǔ).

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