Mike11模型在沿海擋潮閘下移工程中的應用研究

任錦亮， 張 健， 呂 軍

(鹽城市水利勘測設計研究院， 江蘇 鹽城 224000)

里下河地區(qū)以通榆河為界分為里下河腹部地區(qū)和沿海墾區(qū)，大豐干河——四卯酉河排水區(qū)屬沿海墾區(qū)中的大豐斗南墾區(qū)。目前，大豐區(qū)境內竹港閘、川東港閘、王港閘先后下移，王、竹、川區(qū)域澇水均可通過各自入海河道排入黃海。王港河以北區(qū)域包含大豐區(qū)在內，目前僅有2個口門——大豐閘和四卯酉閘。大豐閘閘下港道長達13 km，且閘下港道與斗龍港合用，受斗龍港排水頂托影響嚴重，排水不暢，根據(jù)歷年排澇情況統(tǒng)計，本區(qū)域70%以上澇水依靠四卯酉閘外排。而四卯酉閘工程原設計標準低，結構老化破損嚴重，鑒定為四類閘，存在嚴重安全隱患。為消除安全隱患，確保工程安全運行，適應地方經(jīng)濟社會發(fā)展，對四卯酉閘拆除重建是十分必要和迫切的。加上原址拆建無法滿足排澇要求，擬對四卯酉閘移址拆建。工程拆建后將改善該地區(qū)的擋潮排澇條件，為該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展奠定基礎。

MIKE11模型是模擬一維水流和水質的國際化工程軟件，經(jīng)過大量工程實踐驗證，被證明適用于包括復雜平原河網(wǎng)在內的一維非恒定流計算[1-6]。本文采用MIKE11-HD模型對大豐干河——四卯酉河排水區(qū)的水文過程進行模擬，以論證分析各項措施對區(qū)域排澇的效益大小，從而合理確定工程建設規(guī)模。

1 工程概況

鹽城市大豐區(qū)位于江蘇省中部，鹽城市東南，里下河地區(qū)，北緯32°56′～33°36′，東經(jīng)120°13′～120°56′。大豐干河——四卯酉河排水區(qū)區(qū)域范圍為：北至斗龍港、西至通榆河、南至五十里河～一卯酉河～S303、東至黃海，現(xiàn)狀海堤內面積為936km2，規(guī)劃區(qū)域面積981km2。大豐干河和四卯酉河是該區(qū)區(qū)內最主要的引排河道。四卯酉河為東西方向河道，在施家灣向西與斗龍港相通，向東經(jīng)金墩、四岔河、海豐至四卯酉閘入黃海，全長23km，流經(jīng)新豐鎮(zhèn)和上海農場、海豐農場。大豐干河為南北方向河道，縱穿一、二、三、四、五卯酉河，由大豐閘出黃海，全長38.4km。

四卯酉閘建成于1978年，主要作用擋潮、排澇，設計最大流量818m3/s，日平均流量290m3/s。該擋潮閘總長157.16m，總寬69.5m，共11孔，其中10孔為排水孔，每孔凈寬5.0m，右岸1孔為通航孔，凈寬8.0m。閘底板高程為-2.50m，閘頂高程為7.50m。由于現(xiàn)狀閘下港道長達9km，嚴重制約了閘的排水能力，急需采取工程措施提高本地區(qū)排澇能力，達到10年一遇設計排澇標準。大豐干河——四卯酉河排水區(qū)范圍見圖1。

圖1 大豐干河——四卯酉河排水區(qū)范圍示意圖

2 模型設計

2.1 模型原理

本次采用MIKE11-HD水動力學模型建立大豐干河——四卯酉河排水區(qū)河網(wǎng)水利計算模型。一維水動力學模型的基本控制方程為一維非恒定流圣維南(Saint-Venant)方程組，包括質量方程與動量方程，其方程組具體如下：

(1)

(2)

2.2 計算范圍

四卯酉閘所在大豐干河——四卯酉河排水區(qū)屬于平原河網(wǎng)地區(qū)，水系情況較為復雜，四卯酉河和大豐干河是區(qū)內最主要的引排河道，計算范圍根據(jù)汛期區(qū)內河道現(xiàn)狀實際流向確定，范圍為南至五十里河～一卯酉河，西至通榆河，北至斗龍港，東臨黃海，排水面積約981km2。

2.3 河網(wǎng)概化

為便于計算，模型將區(qū)域河道進行概化，四卯酉河、大豐干河、一卯酉河、二卯酉河、八灶河、新團河、七灶河、三十里河、三十里河、老斗龍港、大四河、西子午河等主要河道斷面采用實測斷面，其他支河斷面為現(xiàn)場調查概化標準斷面。河網(wǎng)模型中規(guī)劃斷面根據(jù)規(guī)劃目標通過試算而得，見圖2。計算中涉及到的擋潮閘按照模型中的控制建筑物處理，計算時設定底檻高程、閘孔凈寬等參數(shù)。

圖2 大豐干河——四卯酉河排水區(qū)河網(wǎng)概化圖

2.4 設計暴雨

采用排水區(qū)域內或者邊緣的大同、王港新閘、大豐、四卯酉閘、大豐閘、斗龍、白駒、大團8個站點的暴雨資料，通過加權平均計算該排水區(qū)設計暴雨量。根據(jù)排水區(qū)暴雨洪水特性、面積大小，采用最大3d設計暴雨，然后對區(qū)域年最大3d暴雨量進行頻率分析，繪制P-Ⅲ曲線。計算結果見表1。

表1 大豐干河——四卯酉河排水區(qū)最大3d暴雨頻率分析成果

2.5 設計凈雨

本次設計凈雨采用次降雨徑流相關法，根據(jù)《江蘇省暴雨洪水圖集(1984)》(以下簡稱《圖集》)，次降雨徑流相關曲線采用可以不通過遠點的雙曲線數(shù)學模型：

(3)

式中：R為徑流深，mm；P為面平均降水量，mm；Pa為前期雨量，mm；Cp為相關曲線在縱軸上交點的座標；(Cp+Ci)為相關線的漸近線在縱軸上截距。根據(jù)《圖集》，大豐干河——四卯酉河排水區(qū)位于里下河沿海、蘇北沿江地區(qū)，Cp取值20，Ci取值115。

經(jīng)計算，大豐干河——四卯酉河排水區(qū)10年一遇最大3d設計凈雨量為121mm。根據(jù)《圖集》表十，查算得設計最大3d凈雨分配過程見表2。

2.6 設計潮型

根據(jù)大豐干河——四卯酉河排水區(qū)暴雨洪水特點，本次采用3d設計暴雨，雨后一日排出，相應設計潮型采用50%高高潮排澇設計潮型。大豐干河——四卯酉河排水區(qū)匯水經(jīng)大豐閘和四卯酉閘入海，本次采用斗龍港閘及王港新閘50%排澇潮型曲線內插推求四卯酉閘下50%排澇潮型。大豐閘由于離斗龍港很近，50%排澇潮型曲線直接采用斗龍港50%排澇潮型曲線。斗龍港閘和王港新閘50%排澇潮型曲線采用2014年江蘇省水文水資源局編制的《江蘇沿海、沿江排澇設計潮位與潮型分析報告》中成果。

2.7 邊界及相關參數(shù)

邊界：河網(wǎng)上游設置成閉邊界。四卯酉河和大豐干河閘下?？诰捎肞=50%排澇潮型曲線。

糙率：根據(jù)《灌溉與排水工程設計規(guī)范》與率定驗證調整，現(xiàn)狀干河河道糙率取0.025、支河河道糙率取0.0275，干河整治后河道糙率取0.0225、支河整治后河道糙率取0.025。計算時間步長為60s。

控制水位：結合地面高程、歷年受淹情況等確定控制水位定為2.5m，控制點為西團。

起排水位：根據(jù)大豐區(qū)防洪調度規(guī)程確定該獨立排區(qū)起始水位定為1.5m。

排澇歷時：排澇歷時指從1.5m上漲然后回落到1.5m所經(jīng)歷的時間，采用3d暴雨雨后1d排出。

2.8 工程效果分析

2.8.1 現(xiàn)狀工況復核

四卯酉河干河和其他支河河道維持現(xiàn)狀，保留老閘，按10年一遇暴雨對該區(qū)域的排水能力進行復核，成果見表3。

從表3可知，由于現(xiàn)狀閘下港道長達9km，嚴重制約了閘的排水能力，現(xiàn)狀10年一遇工況下，西團水位達2.832m、排澇歷時長達6d+2h，四卯酉閘最大日均流量僅為273m3/s，不能滿足10年一遇排澇標準。

2.8.2 閘下移效果分析

本次計算遵循從下游到上游的整治路線，先把閘下移，并加大閘孔凈寬，分析下移效果。在維持現(xiàn)狀河道不變情況下，分析同規(guī)模下移、新閘加大規(guī)模下移兩種工況。閘下移效果分析對比見表4。

表2 最大3 d雨量分配過程(△t=6h)

表3 現(xiàn)狀排水能力復核成果

表4 閘下移效果分析對比

閘下移的影響從表4可以看出，同規(guī)模下移后，由于閘下港道縮短，大幅提高了閘過流能力，四卯酉閘最大過閘流量增加了135m3/s，西團水位降低約3.7cm，排澇歷時縮短10h，排水能力提高顯著。

閘孔凈寬對排水的影響。閘孔凈寬加大到90m以后，四卯酉閘最大日均過閘流量增加了48m3/s，排澇歷時縮短15h，西團水位降低約5.8cm。在維持現(xiàn)狀河道不變情況下，即使閘孔凈寬達到110m，最高水位與排澇歷時與凈寬90m變化不大，再加大閘孔凈寬效果有限。

2.8.3 新老閘之間河道整治效果

通過模型計算分析發(fā)現(xiàn)，新老閘之間河道對水閘排水時調蓄作用極為顯著，適當增加調蓄庫容可延長閘前高水位持續(xù)時間，可以顯著的增加過閘流量，也可減少閘上骨干河道整治規(guī)模。本次計算設計了4種不同方案，方案一：底寬80～120m，底高程-3.0m；方案二：底寬110～150m，底高程-3.0m；方案三：底寬180m，底高程-3.0m；方案四：底寬100～140m，底高程-4.0m。不同新老閘河道計算方案對區(qū)域排澇的影響詳見表5。

目前新老閘之間河道標準為底寬80m、河底高程-3.0m。新老閘之間河道加大到底寬110～150m、河底高程-3.0m后，與新老閘之間使用現(xiàn)狀河道狀況對比，西團水位降低4.8cm，新閘最大日均過閘流量增加49m3/s，排澇歷時縮短了5h，可見拓浚新老閘之間河道對降低區(qū)域水位、增大過閘流量、減少排澇歷時均有顯著效果。如果繼續(xù)拓寬，河道底寬加寬至180m、河底高程-3.0m，最高水位僅降低0.1cm，最大日均過閘流量增大3m3/s，排澇歷時無變化，繼續(xù)加大新老閘之間河道寬度對降低區(qū)域水位、增大過閘流量、減少排澇歷時效果明顯減少。

河底浚深效果。當繼續(xù)浚深河底高程至-4.0m后，西團水位降低0.3cm，新閘最大日均過閘流量僅增加了7m3/s，排澇歷時無變化，可見在-3.0m的基礎上再降低新老閘之間河底高程對降低區(qū)域水位、增大過閘流量、減少排澇歷時效果明顯減少。

通過閘下移、疏浚新老閘之間河道后，西團水位降低10.6cm，新閘最大日均過閘流量增大97m3/s，排澇歷時縮短了18h，大幅提高了區(qū)域排澇能力。

表5 10年一遇新老閘之間河道試算對比

2.8.4 區(qū)域骨干河道整治分析

本次整治方案是依次拓浚各大橫縱向骨干河道，直到大豐干河——四卯酉河排水區(qū)西團水位降至2.5m以下，排澇歷時小于4d，即該地區(qū)滿足10年一遇排澇標準。骨干河道整治效果分析對比見表6。

表6 骨干河道整治效果分析對比

表7 整治效果分析匯總

從表6可以看出，骨干河道整治對區(qū)域整體排澇效果提升較大。單獨骨干河道整治可使西團水位降低18.2cm，排澇歷時減少38h，四卯酉閘最大日均流量增加89m3/s。區(qū)域骨干河道整治后，加上閘下移、新老閘之間河道整治，可使西團水位降低35.6cm，排澇歷時減少51h，四卯酉閘最大日均流量增加160m3/s。

2.9 整治效果分析匯總

經(jīng)過上述分析，閘下移、新老閘之間河道疏浚和區(qū)域骨干河道整治均對提高區(qū)域排澇標準作用明顯，詳見表7。

從表7可以看出，河道整治對區(qū)域排澇效果影響較大，其次是閘下移。河道整治中新老閘之間河道影響最大，因此首先建議對新老閘之間河道進行整治。由于水位越低庫容越小，因此三者全部整治水位降低效果大于單個整治效果疊加。

3 結 論

本文利用MIKE11軟件建立了大豐干河——四卯酉河排水區(qū)域河網(wǎng)模型，進行工程排澇效果分析研究，結果合理科學。研究表明，河道整治對區(qū)域排澇效果影響較大，其次是閘下移，河道整治中新老閘之間河道影響最大，可為優(yōu)化區(qū)域排澇工程方案設計提供一定的參考作用。同時利用模型計算也存在一定的不足，建立模型對區(qū)域水文、河道等資料要求較高，其精度直接關系計算的準確性，不適應于資料相對缺乏的區(qū)域。