江蘇范埠閘設(shè)計(jì)流量及水位計(jì)算淺析

周慶連，劉貴明，李成功，李亞楠

（連云港市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 連云港 222006）

范埠閘水電站位于石梁河水庫下游，始建于20 世紀(jì)70年代，共2 孔，底板駝峰頂高程為15 m，單孔凈寬4.0 m，凈高6.0 m；設(shè)計(jì)流量124 m3/s，采用明槽無壓進(jìn)水，主要承擔(dān)石安河的泄洪及下游灌溉任務(wù)。電站大多數(shù)設(shè)備從投運(yùn)發(fā)電至今已運(yùn)行40 多年，設(shè)備陳舊、老化嚴(yán)重、效率低下、損耗量大，大部分設(shè)備屬淘汰型產(chǎn)品，無備件更換，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全運(yùn)行，造成電站棄水量大，水資源利用率低，應(yīng)對(duì)其拆除重建。本文主要針對(duì)范埠閘的設(shè)計(jì)流量及水位進(jìn)行計(jì)算。

1 工程概況

范埠閘位于連云港市東?？h牛山街道境內(nèi)，范埠河與石安河交匯處。范埠閘主要承擔(dān)石安河的泄洪及下游灌溉任務(wù)。兩岸均通鄉(xiāng)村道路，工程區(qū)域內(nèi)有323 省道通過，交通便利。

工程區(qū)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(nèi)降水量分配不均，6 月～8 月降水量占全年總降水量的63%。

多年平均降水日數(shù)為94.4 天，7 月份降水日數(shù)最多，平均達(dá)15 天，1 月份最少，平均為4 天，多年平均年蒸發(fā)量為1250 mm。全年平均風(fēng)速為3.1 m/s，4 月～8 月及10 月多吹東南風(fēng)，其余月份多靜風(fēng)或東北偏北風(fēng)。

全年空氣濕潤，相對(duì)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(gè)小時(shí)，5 月、6 月每天均在8 小時(shí)以上。

2 范埠閘設(shè)計(jì)流量、水位

2.1 水利計(jì)算數(shù)學(xué)模型

2.1.1 水利計(jì)算方法

本次范埠閘設(shè)計(jì)規(guī)模根據(jù)石安河的設(shè)計(jì)洪水、沿線各泄洪口門規(guī)模及其調(diào)度規(guī)則等綜合確定，采用非定常水動(dòng)力學(xué)模型的控制方程一維非定常水動(dòng)力學(xué)模型，使用丹麥水力科學(xué)研究所（DHI）開發(fā)的Mike11（V2012 版）計(jì)算軟件建立了水利計(jì)算模型。

一維非恒定流動(dòng)方程組如下[1]：

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(shù)；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：

邊界條件：

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

2.1.2 模型參數(shù)及邊界條件

（1）模型設(shè)定參數(shù)

模擬設(shè)定參數(shù)主要包括模擬時(shí)間步長、模擬起止時(shí)間等。本次計(jì)算時(shí)間步長取2 min，模擬起止時(shí)間取一次洪水漲落過程。

（2）河網(wǎng)參數(shù)

河道長度根據(jù)東?？h地形圖量算。整個(gè)模型河網(wǎng)總長55.45 km，模型計(jì)算中涉及到的計(jì)算水位斷面共560 個(gè)，平均間距約100 m，

模型河網(wǎng)概化圖見圖1。

圖1 河道水利計(jì)算模型河網(wǎng)概化圖

（3）河道斷面參數(shù)

石安河斷面參數(shù)采用《東海縣石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中成果，具體見表1。

表1 石安河河道斷面參數(shù)表

（4）水力參數(shù)

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

（5）建筑物參數(shù)

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(guī)模按現(xiàn)狀情況設(shè)置，見表2。

表2 石安河各分洪閘現(xiàn)狀規(guī)模情況表

根據(jù)東海縣防洪預(yù)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(diào)度原則：當(dāng)石安河水位超過18.0 m，安峰山水庫低于汛限水位時(shí)，先開薛埠閘滿足補(bǔ)庫；如薛埠閘分洪補(bǔ)庫不及視河水位上漲情況，可開青湖閘經(jīng)磨山河排入新沭河，青湖閘在開、關(guān)閘時(shí)須提前1 小時(shí)通知黃川灌區(qū)管理所及時(shí)開、關(guān)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。

本次青湖閘、埝河閘、范埠閘調(diào)度規(guī)則設(shè)置結(jié)合東?？h防洪預(yù)案及《東?？h石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設(shè)計(jì)報(bào)告》確定，當(dāng)石安河水位超過18 m 時(shí)，青湖閘開閘泄洪，并控制泄洪流量不大于原設(shè)計(jì)流量660 m3/s；當(dāng)石安河水位繼續(xù)上漲至19 m 時(shí)，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(dāng)石安河水位繼續(xù)上漲至接近其防洪設(shè)計(jì)水位時(shí)，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(shè)計(jì)流量124 m3/s、埝河閘泄洪流量不大于原設(shè)計(jì)流量240 m3/s。根據(jù)《東?？h石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，埝河閘、范埠閘處防洪設(shè)計(jì)水位（20年一遇）分別為20.38 m、20.93 m，本次模型計(jì)算得到埝河閘、范埠閘處20年一遇水位分別為20.29 m、20.74 m（結(jié)果見表3），綜合二者結(jié)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

1）外部邊界：主要定義河流的自由端點(diǎn)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(jù)石安河現(xiàn)狀調(diào)度情況，其南端薛埠閘主要在安峰山水庫低于汛限水位時(shí)開閘補(bǔ)庫，本次計(jì)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(shè)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(shí)均為無淹沒自由出流，閘下水位對(duì)其泄流影響較小，為簡(jiǎn)單起見，本次青湖閘、埝河閘、范埠閘下游河道末端邊界均設(shè)置成開邊界并定義水深0.1 m 相應(yīng)的水位。

2）內(nèi)部邊界：本次計(jì)算中模型內(nèi)部邊界主要為石安河西側(cè)流域匯流。根據(jù)水文計(jì)算成果，將各匯水區(qū)設(shè)計(jì)洪水在相應(yīng)匯水區(qū)位置以分布流邊界形式加入模型中。

2.2 水利計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)河網(wǎng)模型計(jì)算成果，當(dāng)發(fā)生20年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，石安河沿線最高水位為18.20 m～20.77 m；當(dāng)發(fā)生50年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，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(jié)果見表3。

表3 不同工況下青湖閘、埝河閘、范埠閘分洪結(jié)果

根據(jù)《東?？h石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，石安河在青湖閘、埝河閘、范埠閘處防洪設(shè)計(jì)水位分別為18.0 m、20.38 m、20.93 m，本次河網(wǎng)模型計(jì)算結(jié)果較其偏低。分析其原因，主要是由于河網(wǎng)模型考慮了河道的調(diào)蓄作用，而《東?？h石安河治理工程（富辰橋～張莊閘段）初步設(shè)計(jì)報(bào)告》采用天然河道明渠恒定非均勻流的計(jì)算方法推算石安河水位，沒有考慮河道本身的調(diào)蓄作用，故而本次河網(wǎng)模型計(jì)算結(jié)果較低。因此，本次模型計(jì)算結(jié)果較為可靠。

3 結(jié)語

范埠閘拆建工程是以社會(huì)效益為主、公益性很強(qiáng)的項(xiàng)目。本次范埠閘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，當(dāng)發(fā)生50年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，模型計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)范埠閘按原閘孔規(guī)模拆建，能滿足石安河50年一遇泄洪要求。