平面二維數(shù)學模型在輸電線路跨越洪澤湖周邊滯洪區(qū)防洪評價中的應用

王　宇　管憲偉　王　江　季益柱（中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司　合肥　230601）

平面二維數(shù)學模型在輸電線路跨越洪澤湖周邊滯洪區(qū)防洪評價中的應用

王宇管憲偉王江季益柱
（中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司合肥230601）

為分析輸電線路的修建對洪澤湖周邊滯洪區(qū)運用的影響，建立平面二維水流數(shù)學模型，以大蓮湖圩區(qū)為例，對比分析輸電線路修建前后區(qū)內的洪水演進過程。結果表明，輸電線路的修建不會對滯洪區(qū)運用時的水位及流場等產生明顯不利影響。

二維數(shù)學模型輸電線路滯洪區(qū)防洪評價

洪澤湖周邊滯洪區(qū)作為淮河下游最大的滯洪區(qū)，是淮河流域防洪體系中的重要組成部分。輸電線路的修建對洪澤湖周邊滯洪區(qū)運用的影響主要包括分洪流量、蓄洪水位、水流流場和流速過程等。本文選用大蓮湖圩區(qū)為例，采用平面二維水流數(shù)學模型，結合淮南～南京1000kV輸電線路跨越大蓮湖圩區(qū)工程，模擬分析輸電線路修建前后大蓮湖圩區(qū)內的水流運動，為防洪評價提供重要的參考依據(jù)。

1　大蓮湖圩區(qū)及輸電線路概況

大蓮湖圩區(qū)位于淮河干流洪山頭下，是淮干最上游的圩區(qū)，于20世紀60年代圍墾而成，面積為22.6km2，耕地2.9萬畝，人口約2600人，圩區(qū)地面高程為11.5～15.0m，滯洪庫容約0.37億m3，圩堤高程17.5～18.0m。

淮南～南京1000kV輸電線路途經安徽省的淮南市、懷遠縣、鳳陽縣、明光市以及江蘇省的盱眙縣。江蘇境內的線路從安徽、江蘇兩省省界處穿越女山湖的實驗區(qū)后進入盱眙縣大蓮湖圩區(qū)，在河橋鎮(zhèn)西跨越312省道向南進入山區(qū)走線。其中大蓮湖段線路起于皖蘇省界的女山湖入淮河口，止于江蘇省盱眙縣河橋鎮(zhèn)南的山上，路徑長度約6.5km，布置C05-C16共12基鐵塔。該段線路采用同塔雙回架設，平均檔距約499m，平均呼高約65m。圩區(qū)內塔位均按灌注樁基礎設計，承臺樁樁徑0.8～1.2m，每個承臺下4個，承臺寬度5.0～5.8m，高度1.4～1.6m。線路跨越大蓮湖圩區(qū)示意圖見圖1。

圖1　　輸電線路跨越大蓮湖圩區(qū)示意圖

2　大蓮湖圩區(qū)二維數(shù)學模型

2.1基本方程及求解方法

連續(xù)性方程：

X方向動量方程：

Y方向動量方程：

式中：t為時間；x，y，z為右手Cartesian坐標系；d為靜止水深；h=η+d為總水深；η為水位；u，v分別為流速在x，y方向上的分量；f為科氏力系數(shù)f=2Ωsinθ，Ω為地球旋轉的角頻率，θ為當?shù)氐木暥龋沪褳樗拿芏?；?為參考水密度；fv和fu為地球自轉引起的加速度；sxx，sxy，syx和syy為輻射應力分量；Txx，Txy，Tyx和Tyy為水平粘滯應力項；pa為當?shù)氐拇髿鈮?；S為源匯項（us，vs）水流流速。τsx，τsy為風場摩擦力在x，y上的分量；τbx，τby為底床摩擦力在x，y上的分量。

采用非結構有限體積法離散控制方程。有限體積法中使用的非結構網格通常由三角形或四邊形網格組成，為了準確擬合圩區(qū)曲折的岸邊界，一般采用三角形網格進行計算。

2.2糙率

大蓮湖圩區(qū)在進行洪水模擬的過程中，根據(jù)現(xiàn)場調研資料、相關項目經驗及各種相關書籍資料的查閱，模型中糙率選用0.04。

2.3網格

采用邊長約60m的三角形作為計算網格，并對塔基局部網格進行加密，總共劃分了14099個網格。

2.4時間步長

利用有限體積法計算三角網格的水流模擬時，采用30s作為最大時間步長，0.01s作為最小時間步長。

2.5邊界條件

根據(jù)盱眙縣洪澤湖滯洪區(qū)運用預案，大蓮湖圩區(qū)為人工爆破口門，口門寬度約100m，口門底高程14.5m。根據(jù)《淮河流域防御洪水方案》，洪澤湖蔣壩水位達14.5m，且繼續(xù)上漲時，洪澤湖周邊滯洪區(qū)破圩滯洪。蔣壩水位達14.5m時，相應大蓮湖圩區(qū)爆破口門處設計洪水位為16.9m，大蓮湖圩區(qū)需破圩滯洪。大蓮湖圩區(qū)在進行破圩滯洪的洪水演進模擬時，以口門處相應淮河水位作為邊界條件，口門處的出流情況以動量的形式進行計算。

3　計算結果分析

3.1對分洪流量的影響

根據(jù)計算分析結果，輸電線路的修建，引起線路上游、大蓮湖口門處水位略有壅高，從而一定程度上減小了口門的進洪流量。但由于輸電線路距離進洪口門較遠，在同一時刻的進洪流量較輸電線路建成前的最大減少值僅為0.05m3/s，相對于進洪流量來說非常小。由此可見，輸電線路的修建對進洪流量過程產生了一定的影響，但影響很小。

3.2對蓄洪水位和水流流場的影響

大蓮湖圩區(qū)庫容小，48h可基本滯滿洪水。由于輸電線路的修建，位于輸電線路兩側的區(qū)域水位會略微抬高。根據(jù)二維水流數(shù)學模型計算結果分析，各特征點處水位的最大抬高值不超過0.004m，輸電電路的修建對圩區(qū)蓄洪水位的影響很小。

為分析工程修建對大蓮湖圩區(qū)運用后水流流場的影響，選取9#塔為代表，圖2和圖3為同一時刻工程前后9#塔處流場圖。從圖中可以看出，工程修建后，塔基附近出現(xiàn)明顯的繞流。但總體來說，輸電線路的修建對水流流場的影響很小，僅在塔基局部網格處的流速大小和流向有稍為明顯的改變，其他網格處的流速大小和方向并無明顯的變化。

圖2　　工程前9#塔處流場圖　

圖3　工程后9#塔處流場圖

3.3對流速過程的影響

輸電線路沿線各特征點相應的流速峰值及峰現(xiàn)時間統(tǒng)計見表1?？梢钥闯觯卣鼽c的流速峰值及峰現(xiàn)時間相差不大。總體來說，輸電線路修建后，滯洪區(qū)破圩進洪時區(qū)內各點的流速過程、流速峰值及峰現(xiàn)時間有所變化，但變化很小。

3.4沖刷影響分析

當洪水從淮河干流向大蓮湖圩區(qū)口門處分洪后，圩區(qū)內的流速較低，呈現(xiàn)出淤積水情，圩區(qū)內的塔位不具備一般沖刷和自然沖的條件。同時，從表1可以看出，塔位處流速較小，塔基處也不會形成局部沖刷。

表1　　工程修建前后各特征點流速峰值及峰值出現(xiàn)時間比較表

4　結語

研究輸電線路對洪澤湖周邊滯洪區(qū)內洪水演進過程的影響時，可建立平面二維水流數(shù)學模型進行模擬。模型將工程修建前后區(qū)內的水位、流場分布等水力要素進行形象直觀的展示，可滿足工程需要，為防洪評價提供重要的技術支撐。

大蓮湖圩區(qū)的實例計算結果表明，輸電電路的修建對圩區(qū)蓄洪水位的影響很小，對塔基局部水流流場稍有改變，輸電線路的修建對圩區(qū)滯洪過程影響較小■